Autonome Systeme

Möglichkeiten und Auswirkungen des Einsatzes autonomer Systeme

von Bernhard Haselbauer

Autonome Systeme (AS) sind in der Lage, selbstständig komplexe Aufgaben zu lösen. Sie basieren auf schlauen Algorithmen und Methoden der künstlichen Intelligenz. Dabei bilden Machine Learning (ML) und Deep Learning (DL) die Basis. Sie lernen auf der Grundlage von Daten und können auch in unbekannten Situationen weitgehend ohne Eingriff des Menschen agieren. Autonome Systeme sind dabei nicht nur klassische Roboter sowie Netzwerke, sondern auch Produktionsanlagen, Fahrzeuge, Drohnen, Gebäude und Softwaresysteme.

Nichtsdestotrotz gibt es keine allgemeingültige Definition für autonome Systeme. Autonome Systeme kommen nicht nur für autonomes Fahren, sondern auch für menschenfeindliche Umgebungen, Smarthome, industrielle Produktion, Landwirtschaft, Energie und die Gesundheit zum Einsatz. Die Entwicklung und Implementierung autonomer Systeme wird viele gesellschaftliche und wirtschaftliche Bereiche verändern. Es besteht somit die Chance, dass autonome Systeme zur Lösung oder konstruktiven Gestaltung zahlreicher gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Herausforderungen beitragen.

Die Expertenkommission Forschung und Innovation (EFI) stellte in ihrem Gutachten 2018 zum Thema autonome Systeme nachfolgend fest: „Im Vergleich zum Anteil der transnationalen Patentanmeldungen deutscher Erfinder (horizontale Linie) in allen Sektoren zeigt sich eine Spezialisierung Deutschlands insbesondere auf die Anwendungsbereiche ‚autonomer Fahrzeuge‘ und ‚menschenfeindliche Umgebungen‘. Hier liegt Deutschland etwa gleichauf mit den USA und Japan an der Weltspitze (autonome Fahrzeuge) bzw. an Position zwei hinter den USA (menschenfeindliche Umgebungen).“

Autonome Systeme (AS) sind in der Lage, selbstständig komplexe Aufgaben zu lösen. Sie basieren auf schlauen Algorithmen und Methoden der künstlichen Intelligenz. Dabei bilden Machine Learning (ML) und Deep Learning (DL) die Basis.

Auch das Fachforum Autonome Systeme hat es sich zur Aufgabe gemacht, mit Blick auf die einzelnen Anwendungsbereiche autonomer Systeme die übergreifenden Gemeinsamkeiten und die Anforderungen für ein übereinstimmendes Zusammenspiel zu untersuchen. Diese ergeben sich einerseits aus dem Bedarf, die notwendigen Technologien zu entwickeln, andererseits aus den Herausforderungen für die Gesellschaft und den notwendigen rechtlichen Rahmenbedingungen.

„In einer zunehmend vernetzten Welt können die einzelnen Anwendungsbereiche autonomer Systeme nicht mehr isoliert betrachtet werden, denn der Mensch wird ihnen täglich und in vielen unterschiedlichen Lebenssituationen begegnen“, berichtet das Fachforum Autonome Systeme im Hightech-Forum von acatech.

Anteil der transnationalen Patente Deutschlands im internationalen Vergleich für die vier betrachteten Anwendungsfelder autonomer Systeme 2002–2016. Im Vergleich zum Anteil der transnationalen Patentanmeldungen deutscher Erfinder (horizontale Linie).
Quelle: EFI Gutachten, eigene Berechnungen basierend auf Pötzl und Natterer (2018) und Youtie et al. (2018).

Beispiele

Smarthome

Immer mehr Anbieter konzentrieren sich auf das Thema Smarthome. Der Umsatz im Smarthome-Markt beträgt 2019 etwa 3 643 Mio. Euro. Laut Prognose wird im Jahr 2023 ein Marktvolumen von 6 060 Mio. Euro erreicht; dies entspricht einem jährlichen Umsatzwachs­tum von 13,6 Prozent (CAGR 2019-2023).

Ob im Garten durch autonome Mähroboter oder die intelligente Heizungs- und Klima­steuerung, quasi alles lässt sich in Häusern und in Gebäuden automatisieren. Der Energieverbrauch kann dabei gesenkt werden und der Wohnkomfort des Menschen wird erhöht. Durch Smart Metering kann der Stromverbrauch in Echtzeit gemessen werden. Daneben können autonome Systeme im Gebäudebereich zum Einsatz kommen, um die Sicherheit von Gebäuden zu optimieren. Staaten wie Singapur setzten auf Sensorik und Smarthome-Lösungen, um zum Beispiel ältere Menschen zu unterstützen. Öffnet sich die Eingangstür zur Wohnung ein paar Tage nicht, wird ein Alarm ausgelöst.

Landwirtschaft

Wie sieht aber nun die Landwirtschaft in Zukunft aus und was kommt auf Landwirte und Agrarunternehmen zu? Wird sich die Landwirtschaft radikal verändern durch die neuen Technologien? Ja, das wird sie, wie sich am Beispiel der Firma Iron Ox nachvollziehen lässt. Das Unternehmen aus Kalifornien hat es im Jahr 2018 schon geschafft, die erste autonome Indoor-Farm zu entwickeln und zu betreiben.

Die vollautomatische Farm arbeitet mit Robotern, die pflanzen und ernten. Die Landwirtschaftsfabrik soll ca. 30-mal mehr Gemüse produzieren als ein tradierter Bauernhof und dies mit weniger Platzbedarf. Ob Sommer oder Winter, egal wann, die Roboter-Farm produziert immer. Neben Pflanz- und Ernte-Robotern kommen auch diverse Kameraanlagen zum Einsatz, die durch Bilderkennung und künstliche Intelligenz den Erntezeitpunkt bestimmen können. Bislang sind die Produktionskosten jedoch noch erheblich höher als für konventionelle landwirtschaftliche Produktionsverfahren.

Autonome Systeme werden eingesetzt in menschenfeindlichen Umgebungen wie zum Beispiel in Kernkraftwerken, in der Unterwasserwelt, in Kriegsgebieten oder im Weltall.

Drohnen

Die Minidrohne Pulp-Dronet braucht ab jetzt keinen Menschen mehr zur direkten Steuerung. Selbst auf neuem Terrain und in neuen Lufträumen findet sich das UAV („Unmanned Aerial Vehicle“) selbst zurecht. Der Bauplan für die Drohne ist Open Source und kann für Testzwecke angefordert werden. Die Drohne wird zusammen mit maschinellen Lernverfahren zum Selbstflieger und verhindert auch Zusammenstöße mit sich bewegenden Hindernissen. Infos finden Sie unter: https://arxiv.org/pdf/1905.04166.pdf

Ein weiteres Beispiel sind autonome Flugtaxis (Passagierdrohnen), die ohne Einsatz eines menschlichen Piloten Passagiere transportieren können. Ihre Verwendung in urbanen Ballungsräumen wird derzeit (2019) vor allem im Rahmen des Urban-Air-Mobility-Konzepts diskutiert. Um einen autonomen Flug zu ermöglichen, besitzt dieses Luftfahrzeug eine Vielzahl von Sensoren, deren Daten von Computern in Befehle für die Flugsteuerung umgesetzt werden. Das erste öffentlich bekannt gewordene autonome Flugtaxi wurde mit der Ehang 184 auf der Messe Consumer Electronics Show (CES) 2016 von chinesischen Unternehmern präsentiert. (Quelle: Wikipedia)

Menschenfeindliche Umgebungen

Autonome Systeme werden eingesetzt in menschenfeindlichen Umgebungen wie zum Beispiel in Kernkraftwerken, in der Unterwasserwelt, in Kriegsgebieten oder im Weltall. Roboter sind heute schon in der Lage, ihren Weg selbst zu finden, und kommunizieren dabei mit der Außenwelt. In Kriegsgebieten helfen autonome Systeme bei der Entschärfung von Landminen. Im Weltall arbeiten Erkundungssatelliten fast autonom, um neue Planeten und Sterne zu erkunden.

Industrielle Produktion

Ein geeignetes Beispiel sind fahrerlose Transportsysteme, die eine passgenaue Bereitstellung von Waren ermöglichen. In diesem Kontext können Machine-Learning-Verfahren (ML) und Schwarmintelligenz dafür sorgen, dass Produktionssysteme auch ohne zentrale Leitstellen auskommen und ihre Aufgaben vollständig autonom und dezentral erledigen können. Durch die Vernetzung von Maschinen und Anlagen sowie Transportsystemen usw. ist nun der Weg frei für die autonome industrielle Fertigung. Zudem reduzieren autonome Systeme Ausfallzeiten durch vorausschauende Wartung („Predictive Maintenance“). Maschinendaten werden erfasst und in Echtzeit analysiert, um Auffälligkeiten zu entdecken, bevor es zum Defekt kommt.

Quelle: EFI Gutachten, Umgebungs- und Kerntechnologien autonomer Systeme; eigene Darstellung basierend auf Dumitrescu et al. (2018)

Straßen- und Schienenverkehr

Schon seit Mitte 2018 wurden in Deutschland diverse Teststrecken für autonomes Fahren in Betrieb genommen. Eine der Teststrecken verlief in NRW zwischen Düsseldorf und Meerbusch. Wie das Verkehrsministerium mitteilte, wurden bis Juni 2019 Daten auf einer Gesamtlänge von 20 Kilometern für den Einsatz autonomer Fahrzeuge gesammelt. In diesem Kontext sind auch Parkhäuser prädestiniert, um den Einparkvorgang autonom abzuwickeln. Per App wird es in Zukunft möglich sein, dass ihr Auto selbstständig den Weg zu einer freien Parklücke im Parkhaus findet. Die verschiedenen Arten von autonomen Fahrzeugen, wie Busse und Bahnen eines ÖPNV in Kombination mit autonomen Pkws, ermöglichen es in Zukunft, innovative Mobilitätskonzepte zu entwickeln.

Logistik

Auch die Logistikbranche profitiert in Zukunft durch autonome Systeme. Durch führerlose oder digital gekoppelte Lkws (Platooning) können Kraftstoffkosten gesenkt werden. Gleichzeitig erhöht sich die Sicherheit auf unseren Autobahnen. Lkw-Fahrer und Frachtführer müssen dann nur noch die Systeme überwachen oder werden gar nicht mehr gebraucht. //

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