Als Henning Deeken mit seinem Studium Cognitive Science begann, ahnte er noch nicht, dass er einmal mit großen Robotern für die Landwirtschaft arbeiten würde. Er ist nun bei Claas E-Systems in der Abteilung Advanced Engineering in der Vorentwicklungsabteilung für neue Smart-Farming- Lösungen tätig.

Vor meinem Einstieg bei Claas war mir die Landwirtschaft durch Urlaube auf dem Bauernhof zwar nicht fremd, aber inhaltlich lerne ich die Branche jetzt erst so richtig kennen. Ich habe an der Universität Osnabrück Informatik mit Schwerpunkt auf Robotik studiert und meine Abschlüsse in Cognitive Science gemacht. Im Masterstudium habe ich mich mit 3-D-Umgebungswahrnehmungen sowie Systemen zur Handlungsplanung für mobile Roboter beschäftigt.

Heute arbeite ich bei Claas, einem der weltweit führenden Hersteller von Agrartechnik, in der Vorentwicklungsabteilung für neue Smart-Farming- Lösungen – derzeit an einem vom BMBF-geförderten Forschungsprojekt, das sich mit der Planung und Steuerung von Erntekampagnen, insbesondere für die Silomaisernte, auseinandersetzt. Wir digitalisieren und optimieren die Arbeitsabläufe des Ernteprozesses und der Transportlogistik von Feld zu Hof und arbeiten dabei mit Techniken aus der künstlichen Intelligenz, sodass die Maschinen selbst über den Ernteprozess „nachdenken“ können. Ebenso spielen verteilte Netzwerksysteme und direkte Ende-zu- Ende-Kommunikation zwischen den Maschinen eine Rolle, da viele Ernteeinsätze in Regionen durchgeführt werden, in denen ein durchgängiges Mobilfunknetz zur Kommunikation mit der Cloud nicht möglich ist.

Visionen für die Landwirtschaft

Smart Farming ist ein Schlagwort für die zunehmende Digitalisierung der Landwirtschaft und Landtechnik, also der immer stärker werdende Einfluss von Informations- und Kommunikationstechnologie in bereits existierende landwirtschaftliche Verfahren und Landmaschinen als auch in Visionen für die Landwirtschaft der Zukunft. Es geht bei Smart Farming um das Erfassen und Nutzbarmachen von Daten in der Landwirtschaft, zum Beispiel bei der Automatisierung von Arbeitsabläufen, oder um die Erleichterung von betriebswirtschaftlichen Entscheidungen sowie die digitalisierte Dokumentation und Abrechnung landwirtschaftlicher Arbeit durch den Einsatz von technischen Systemen.

Linktipp: Smart Farming

Plattform des Deutschen Landwirtschaftsverlags für Smart-Farming-Anwendungen: www.smart-farming.de

Lesetipp: Studie

Studie von PwC: Quo vadis, agricola? Smart Farming: Nachhaltigkeit und Effizienz duch den Einsatz digitaler Technologien.
www.pwc.de

ie Ausbringung von Düngemitteln mit selbstlenkenden, GPS-gesteuerten Traktoren und Spritzen, die fein gesteuert werden können, so dass man auf den Quadratmeter genau die ausgebrachte Menge nach Bedarf steuern kann, nennt man Precision Farming. In Zukunft wird es vermutlich immer mehr autonom agierende Landmaschinen und Agrarroboter geben, und der Landwirt wird immer mehr vom Computer oder Smartphone aus die verschiedenen Systeme als Koordinator steuern – und genau dabei unterstütze ich.

Derzeit arbeite ich an meiner Dissertation. Sie beschäftigt sich mit der Verknüpfung maschinenlesbarer Wissensrepräsentationen und Geoinformationssystemen zum Aufbau von digitalen Datenmodellen, die konzeptuelle semantische Informationen über die Landmaschine und ihre Umgebung mit räumlichen Informationen über ebendiese vereinen. So entstehen Datenbanksysteme für den Aufbau von Planungs- und Steuerungssystemen zum Beispiel für Ernteprozesse.

Robotik für Landmaschinen

Die fachlichen Abläufe und technischen Details der Landtechnik lerne ich „on the job“. Zudem war ich direkt nach meinem Berufseinstieg auf diversen Fachtagungen und dem Jahrestreffen der Gesellschaft für Informatik in der Landwirtschaft. Dort bekommt man schnell einen Überblick über die Branche und ihre spannenden Themen. Als „Quereinsteiger“ macht man sich von der Größe und Auswahl an Landmaschinen keine wirkliche Vorstellung – das muss man selber sehen.

Zur Anstellung bei der Claas E-Systems bin ich über meinen Professor gekommen. Er wies mich auf eine ausgeschriebene Stelle für Doktoranden hin. Meine erste Reaktion war eher skeptisch, weil ich mir nicht vorstellen konnte, dass ich die Themen, die ich in der Robotik wissenschaftlich interessant finde, auch bei einem Landmaschinenhersteller verfolgen kann. Was den hohen Grad der Technisierung in der Landtechnik angeht, habe ich mich gründlich verschätzt: Die Fragestellungen, die mich und meine Kollegen rund um die Landmaschine der Zukunft beschäftigen, sind genau die, die auch für die Forschung in der Informatik spannend sind.

Die Einsatzbereiche für Ingenieure im Umfeld von Smart Farming sind sehr vielfältig. In unserer Abteilung arbeiten Agrarwissenschaftler, Maschinenbauer, Physiker und Informatiker mit Schwerpunkten in Netzwerktechnik, Big Data und Data Science sowie Robotik. Hinzu kommen Elektrotechniker, Mechatroniker und Wirtschaftsingenieure. Hochgradig interdisziplinäre Teams sind wichtig, um die vielseitigen Themen im Smart Farming zu behandeln.

Was ist Cognitive Science?

Dieser interdisziplinäre Studiengang der Universität Osnabrück verknüpft Disziplinen wie Kognitive Psychologie, Neurobiologie, Neuroinformatik, Künstliche Intelligenz und Philosophie mit Mathematik und Informatik als methodische Grundlagenwissenschaften. Die Kognitionswissenschaft erforscht kognitive Fähigkeiten wie Wahrnehmen, Denken, Planen, Lernen, Sprechen und Handeln und transferiert die gewonnenen Erkenntnisse auf technische Systeme.

Prof. Dr. Tommaso Calarco ist Direktor des Instituts für Komplexe Quantensysteme an der Universität Ulm. Im Gespräch mit Sabine Olschner erklärt er, wie Quantencomputer künftig in der Industrie eingesetzt werden könnten.

Was sind eigentlich Quantencomputer?

Wir haben fast alle einen Computer in der Tasche, der auf den Gesetzen der Quantenmechanik basiert: das Handy. Ohne die Quantenmechanik zu beherrschen, könnten wir keine Transistoren, keine Halbleitertechnik, keine Laser, keine Glasfaser zur Datenübertragung schaffen. Smartphones sind Geräte der ersten Quantenrevolution: Pro Bit haben wir mehrere Elektronen zum Beispiel in einem Strom- oder einem Schaltkreis und zahlreiche Photonen in einer Glasfaser. Diese Bits sind entweder 0 oder 1. Quantencomputer der nächsten Generation funktionieren so: Jedes Bit wird durch ein einzelnes Atom, Photon oder Elektron dargestellt. Es gibt also nicht mehr Hunderte Photonen pro Bit, sondern nur eins. Das führt zu einer anderen Logik bei den Halbleitern: Diese folgen nicht mehr binären Zahlen, also 0 oder 1, sondern gleichzeitig 0 und 1 oder einer beliebigen Kombination. Durch diese unendlich vielen und parallel veränderbaren Kombinationsmöglichkeiten von Daten in meinem Bitregister entsteht die herausragende Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.

Lesen

Spektrum der Wissenschaft. Welt der Qubits Auf dem Weg zum Quantencomputer (E-Book). Spektrum der Wissenschaft 2017

Hans-Peter Dürr: Es gibt keine Materie! Crotona Verlag 2012

Wie weit ist die Entwicklung bei Quantencomputern schon fortgeschritten?

IBM hat gerade ein Projekt für einen Quantencomputer mit 17 Quantenbits gestartet, Google testet einen Chip mit 50 Quantenbits. Die Industrie hofft, dass diese Geräte bald der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden, und zwar nicht nur für Experimente und Demonstrationen – was bei IBM bereits der Fall ist –, sondern auch für die Nutzung, zum Beispiel als Koprozessoren für Rechenzentren.

Welche Rolle spielen Ingenieure künftig beim Thema Quantencomputer?

Für die Umsetzung von Ideen, wie die neuen Geräte eingesetzt werden, brauchen wir nicht mehr nur Physiker, sondern einen neuen Beruf: einen Quanteningenieur, also jemanden, der die Gesetze der Quantenmechanik kennt, die Funktionsweise der Geräte versteht und in der Lage ist, die Funktionsprinzipien in skalierbaren, kompakten, kosten- und energieeffizienten Geräten umzusetzen. Weder die heutigen Physiker noch die heutigen Ingenieure besitzen die Kompetenz, es wirklich zu einer industriellen Revolution zu bringen. Dafür brauchen wir die neuen Quanteningenieure.

In Europa entstehen immer mehr Studiengänge, die genau darauf abzielen. Diese sind unter anderem interessant für Elektroingenieure, Ingenieure der Kommunikationstechnik oder auch Raumfahrtingenieure. Die Europäische Weltraumorganisation ESA will zum Beispiel künftig auf Satelliten Quantenkommunikation durchführen. Für solche und andere Projekte sind die verschiedensten Ingenieurkompetenzen gefragt.

Wo könnten Quantencomputer sonst noch eingesetzt werden?

Die kleinsten Quantencomputer werden als Knoten für Quanten-Repeater notwendig sein. Ein Quanten-Repeater ist ein Gerät, das es erlaubt, die Reichweite von Quantenkommunikation über photonische Kanäle zu vergrößern. Bisher werden bei der Punkt-zu- Punkt-Verbindung 200 bis 300 Kilometer erreicht. Mit den Quanten-Repeatern könnten die kurzen Wege in den Glasfasern verbunden werden, so dass eine längere Kommunikationsübertragung erreicht wird. Anwendungsmöglichkeiten bestehen hier zum Beispiel beim maschinellen Lernen, also der künstlichen Intelligenz. Es könnte die Leistungsfähigkeit von großen Rechenzentren erweitert werden. Auch neue supraleitende Materialien oder neue Chemikalien könnten mithilfe von Quantensimulatoren entwickelt werden, die die Eigenschaften der Materialien oder Chemikalien viel schneller berechnen als es bisher möglich ist.

Quantengeld

Ein Forschungsteam aus Physikern der Universitäten Kassel, Erlangen und Mainz befasst sich mit dem Thema Quantengeld. Sie entwickeln den Prototypen eines Zahlungsmittels, bei dem ein mit Quantenmechanik verschlüsselter Sicherheitscode in einen Diamanten eingeschrieben wird. Der Code wäre nicht zu knacken.

Data Mining, das Management von großen Datenmengen, hat ebenfalls viel mit Machine Learning zu tun und könnte mithilfe von Quantenmechanik beschleunigt werden. Das ist auch die Hauptmotivation von Unternehmen wie Google, diese Technologien voranzutreiben.

Wann könnten Quantencomputer für uns zum Alltag werden?

Gemeinsam mit zahlreichen Forschern haben wir ein Quanten-Manifest verfasst, in dem wir eine gemeinsame europäische Initiative für Quantentechnologien fordern, um Europas führende Rolle bei dieser technologischen Revolution zu sichern. Wir erwarten, dass in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren das Thema Quantencomputer in aller Munde sein wird. Schon heute beschäftigt sich die Industrie ganz konkret mit den ersten Anwendungen. So hat zum Beispiel ein deutscher Automobilhersteller einen in Kanada entwickelten Quantensimulator eingesetzt, um den Verkehr von Taxis in Peking zu optimieren. Solch ein Anwendungsbereich würde einem Physiker nie in den Sinn kommen, dafür brauchen wir Ingenieure. Auch andere Unternehmen überlegen derzeit, welche weiteren Anwendungsbereiche für Quantencomputer es geben könnte.

Sebastian Graf arbeitet im Siemens-Gerätewerk Amberg als Leiter der Fertigungsplanung im Bereich der hoch automatisierten Schützfertigung. Er beschäftigt sich mit verschiedenen Anwendungen aus der Augmented Reality (AR) und der Virtual Reality (VR) und wirft einen Blick in die Zukunft der Digitalisierung. Aufgezeichnet von Sabine Olschner

Die Gamingbranche hat die Themen Augmented und Virtual Reality zuerst aufgegriffen, heute werden diese Technologien immer häufiger in der Industrie eingesetzt. Auch Siemens als führendes Unternehmen in der industriellen Digitalisierung beschäftigt sich intensiv mit den Möglichkeiten und setzt bereits verschiedene AR- und VRProjekte ein. Eine Pilotanwendung im Bereich Virtual Reality bei uns im Amberger Gerätewerk steht kurz vor dem Abschluss: Ein interdisziplinäres Projektteam hat bereits eine VR-Werksführung erstellt. Mithilfe einer VR-Brille können sich Kunden weltweit unser Werk in Amberg ansehen und sich einen Einblick verschaffen, wie Digitalisierung in der Fertigung funktioniert.

Die Anwendung ist aus Sicht eines Produkts gefilmt, sodass der Zuschauer das Gefühl erhält, selbst durch unser Werk zu laufen. Unser Vertrieb hat bereits Interesse angemeldet, die Anwendung einzusetzen. Wir spielen auch mit dem Gedanken, den VR-Film auf Plattformen wie Youtube einzustellen, um diese Erfahrung einem breiteren Publikum zugänglich machen zu können. Gerade für junge Ingenieurstudenten ist es sicherlich interessant zu sehen, wie ein Werk funktioniert und wie es aufgebaut ist – ohne dass sie vor Ort sein müssen. Mit VR fühlt man sich aber, als wäre man dort. VR zeigt mehr als Bilder: Man erlebt eine Situation, kann sich begeistern lassen und in den gezeigten Ort eintauchen. Unser Film befindet sich gerade im Feinschliff, denn die Bearbeitung von Sphärenkameradaten und VR-Material ist nicht ganz trivial. In Kürze wird er fertig sein und zum Einsatz kommen.

Buchtipps

Philip Specht. Die 50 wichtigsten Themen der Digitalisierung. Virtual Reality, Augmented Reality, Bitcoin, künstliche Intelligenz und viele mehr verständlich erklärt. Redline Verlag 2018.

Arndt Borgmeier, Alexander Grohmann, Stefan F. Gross: Smart Services und Internet der Dinge. Geschäftsmodelle, Umsetzung und Best Practices: Industrie 4.0, Internet of Things (IoT), Machine-to- Machine, Big Data, Augmented Reality Technologie. Carl Hanser Verlag 2017.

Eine weitere Anwendung, die bereits existiert, ist eine Produktdarstellung in Augmented Reality: Das Werkstück schwebt – durch die AR-Brille betrachtet – im Raum , lässt sich in seine Einzelteile zerlegen und in Folge wieder zusammenbauen. Auch als Unterstützung im Anlernprozess nutzen wir bereits AR: Wer Hilfe bei komplizierten Arbeitsabläufen braucht, kann die Brille aufsetzen und bekommt eine Hilfestellung, welche Prozessschritte als nächste zu durchlaufen sind. So wird zum Beispiel über AR ein Text eingeblendet, der die Arbeitsanweisungen der entsprechenden Montagelinie beschreibt. Außerdem ist der Montageschritt zu sehen, der als nächstes bearbeitet werden soll. Die Arbeitsschritte werden hierbei als Hologramm angezeigt. Diese und andere Anwendungen erstellen oft auch Studierende, die bei uns ihre Bachelor- oder Masterarbeit schreiben.

Wir können uns noch viele weitere Anwendungsgebiete vorstellen. Angenommen, ein Fertigungsplaner möchte sehen, wie seine künftige Fertigung mit allen Anlagen eingerichtet sein wird. So kann er mithilfe der AR-Brille durch die digital angelegte und animierte Fertigung, den sogenannten digitalen Zwilling, gehen und erhält dabei einen Eindruck, etwa von den Prozessabläufen und der Ergonomie der Arbeitsplätze. Er kann sich in Module hineinbegeben und sich die einzelnen Produktionsschritte anschauen. Auch Bediener, die später an den Anlagen arbeiten, könnten sie auf diese Weise mitgestalten. Die erste Stufe wäre, die Anlage anzusehen, die zweite Stufe zu erkennen, wie sich die Anlage verhält, wenn sie etwa an unterschiedlichen Peripherien aufgestellt wird, oder wie sie bei unterschiedlichen Lasten reagiert. AR erweitert also die Möglichkeiten der Simulation, sie kombiniert Simulation, Konstruktion und das Erleben der virtuellen Fertigung.

Auch im Service ist die Technologie gut einsetzbar, etwa bei der geführten Bedienerunterstützung. Wenn ein Kundenmitarbeiter in Australien nicht weiterkommt, könnte sich ein Servicemitarbeiter von einem anderen Kontinent als Avatar als Hologramm neben ihn projizieren. Er könnte ihm so bei der Problemlösung im wahrsten Sinne des Wortes zur Seite stehen, eine Lösung konstruieren und als Krönung diese gleich im 3-D-Drucker in Australien ausdrucken. Ideen und Möglichkeiten für weitere Anwendungen gibt es unendlich viele.

Ingenieure müssen gar nicht so viel über VR und AR wissen. Die Digitalisierung bringt es mit sich, dass Dinge intuitiver werden. Die jungen Kollegen, die die VR-Werksführung erstellt haben, waren nicht nur Ingenieure und Informatiker, sondern auch Mitarbeiter ohne Studium aus dem Fertigungsumfeld, die sich für das Thema interessierten und sich engagiert eingebracht haben. Die Digitalisierung weckt Potenzial. Für uns heißt das: Es zählt künftig nicht mehr nur der Abschluss, sondern vor allem das Engagement ist entscheidend.

Ich persönlich sehe die Digitalisierung positiv, weil sich so viele neue Möglichkeiten ergeben. Natürlich muss man die Bedenken der Mitarbeiter ernst nehmen. Das Schlimmste, was man machen kann: im Keller eine Anwendung bauen und diese auf einen Schlag ohne vorherige Kommunikation in die Fertigung stellen. Viel besser ist es, die Mitarbeiter in die Entwicklung einzubeziehen und neue Technologien gemeinsam einzuführen. Aus heutiger Sicht werden sich durch die Digitalisierung die Tätigkeitsprofile hin zu höher qualifizierten Aufgaben ändern. Sicher aber ist: An dem Thema Digitalisierung kommt heute keiner mehr vorbei.