Industrie 4.0: IT vor Fertigung

Die Wettbewerbssituation deutscher Industrieunternehmen auf globalen, stark volatilen Märkten ist gekennzeichnet von hohen Produkt- und Prozesskomplexitäten, die sich durch stetig verkürzende Produktlebenszyklen fortlaufend verschärfen. Die Produktvielfalt und insbesondere die Variantenvielfalt je Produkt steigen durch Individualisierungswünsche zunehmend an. Hinzu kommen stetig neue Materialien in der Produktion zum Einsatz sowie der Wunsch zur weitergehenden Flexibilisierung von Arbeit in den Industrieländern.

Vor diesem Hintergrund stellt Industrie 4.0 für viele Industrieunternehmen einen massiven Umbruch sowie eine enorme Chance dar. Die nachhaltige Digitalisierung von Produktions- und Logistikprozessen eröffnet ein vielfältiges Potenzial zur Schaffung von Wettbewerbsvorteilen: von der reinen Ressourcenoptimierung über Effizienzsteigerungen bis zur Etablierung neuer Geschäftsmodelle.

Erst durch den intelligenten Einsatz von IT werden solche Wettbewerbsvorteile möglich, weshalb wir (gerne etwas provokativ) prognostizieren, dass im Jahre 2025 die Digitale Kompetenz eines Industrieunternehmens mehr Differenzierungspotenzial und Wettbewerbsvorteile bieten wird als klassische Fertigungs- und Produktionskompetenzen.

Bevor jedoch die strapazierte Diskussion um den Wertbeitrag der IT im Unternehmen so einfach abgeschlossen werden kann, müssen noch einige "Hausaufgaben" in der IT selbst erledigt werden. Denn gegenwärtig hat die IT häufig Komplexitätsstufen erreicht, die bisweilen nur noch mit enormen Aufwänden beherrschbar sind. Dies betrifft insbesondere gewachsene System- und Applikationslandschaften, inkompatible Schnittstellen sowie proprietäre Dateiformate. Die Anforderung an die IT, sich stetig nach sich weiterentwickelnden Business-Anforderungen auszurichten, wird daher immer seltener wirtschaftlich abbildbar.

In einer solchen Ausgangssituation ist die erfolgreiche Realisierung von Industrie 4.0 zum Scheitern verurteilt. Die entscheidende Prämisse für die erfolgreiche Digitalisierung von Industrieunternehmen ist eine grundlegende Transformation und Neuausrichtung der bestehenden IT-Organisation, die wir in Form einer CIO-Agenda in diesem Artikel grob skizzieren.

Die Vision von Industrie 4.0

Der Begriff "Industrie 4.0" beschreibt die Hightech-Strategie der deutschen Bundesregierung und wird als die Vierte Industrielle Revolution verstanden, die im Allgemeinen die ganzheitliche Digitalisierung der Industrie beschreibt. Diese zielt insbesondere auf digitalisierte Prozessketten in Produktion und Logistik ab, die eine dezentrale Selbstorganisation von Prozessschritten ermöglichen sowie einen optimalen Ressourceneinsatz unterstützen sollen.

Für diese Durchdringung der physikalischen Welt mit IT und die daraus resultierende Verschmelzung von physikalischer und digitaler Welt werden Industrieunternehmen in den nächsten zehn Jahren cyber-physische Systeme (Cyber-Physical-Systems, CPS) flächendeckend einsetzen. CPS basieren auf eingebetteten Systemen (Embedded Systems), die dezentral verteilt sind, autonom agieren und über globale Datennetze verbunden sind, um so zum Beispiel mittels Sensoren Daten der physischen Umwelt aufzunehmen, zu verarbeiten und durch Aktoren die Umwelt zu beeinflussen.

Die Digitalisierung lässt viele neue Geschäftsmodelle entstehen, die klassische Industrieunternehmen zu digitalen Dienstleistern transformieren. Die Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten ist dabei enorm. Im Wesentlichen können dabei zwei Integrationsdimensionen unterschieden werden.

Vertikale Integration: Die Intelligente Fabrik - Der Wandel von einer zentralen Steuerung von Fertigungsabläufen hin zu sich selbst organisierenden, dezentralen Steuerungsansätzen in den digitalisierten Fabriken bedeutet einen grundlegenden Paradigmenwechsel.

Die Intelligente Fabrik ermöglicht einen Austausch von relevanten Informationen über die Hierarchieebenen im Unternehmen hinweg, um beispielsweise die Fertigung bei optimalem Ressourceneinsatz in nahezu Echtzeit zu automatisieren.

Die Kernfähigkeit einer Intelligenten Fabrik ist die Möglichkeit, in Form dezentraler Einheiten selbstorganisierend agil und flexibel Produktionsprozesse auf den situativen Bedarf, zum Beispiel durch Lieferengpässe, hin anzupassen und neu zu konfigurieren. Diese Selbstorganisation und Flexibilität der Produktion ermöglicht dabei immer kürzere Produktinnovationszyklen, die sich als Konsequenz in den nächsten Jahren den Innovationszyklen der IT-Branche annähern werden.

Horizontale Integration: Vernetzte Unternehmen - Die Vernetzung aller an der Fertigung beteiligten und unterstützenden Unternehmen hin zur dynamischen Bildung von Wertschöpfungsnetzwerken wird als horizontale Integration verstanden. Exemplarisch genannt sei hier der Zusammenschluss mehrerer Software-, Logistik- und Automatisierungsunternehmen zu einem multinationalen Unternehmensnetzwerk, wodurch komplexe Produkte wie Wartungsroboter gefertigt und vertrieben werden können. Im Wesentlichen bestehen die Vorteile für die horizontale Integration von Unternehmen in der Flexibilisierung und Ressourcenoptimierung. Dabei lassen sich durch die Bildung von (insbesondere branchenübergreifenden) Wertschöpfungsnetzwerken innovative Geschäftsmodelle realisieren, die - frühzeitig umgesetzt - ein hohes Maß an Differenzierung erlauben und somit einen klaren Wettbewerbsvorteil darstellen.

Für die Unternehmens-IT bietet Industrie 4.0 die Möglichkeit, als Partner auf Augenhöhe neue Geschäftsmodelle zu etablieren und so angestaubte Rollenverständnisse zu verlassen. Künftig wird die IT über alle Unternehmensbereiche hinweg an der primären Wertschöpfung des Unternehmens beteiligt sein und die bisher oftmals starre Trennung zwischen IT und Business wird damit neu definiert.

CIO-Agenda Industrie 4.0

Die nachhaltige Digitalisierung von Industrieunternehmen wird eine der zentralen Aufgaben der verantwortlichen CIOs in den nächsten zehn Jahren darstellen. Die Umsetzung erfordert eine auf das jeweilige Unternehmen ausgerichtete umfassende CIO-Agenda. Im Folgenden wird daher nur auf die wichtigsten grundlegenden Handlungsfelder eingegangen.

Die Digitalisierung wird für Industrieunternehmen einen massiven Umbruch darstellen, der durch die jeweilige IT-Organisation vorbereitet und unterstützt werden muss. Dies erfordert jedoch zunächst eine grundlegende Transformation der bestehenden IT im Unternehmen. Insbesondere gewachsene, heterogene IT-Landschaften sowie die IT-Organisation selbst müssen durch den CIO neu ausgerichtet und zu einer leistungsfähigen "IT 4.0" umgebaut werden. Für diese Transformation lassen sich drei wesentliche Handlungsfelder für die CIO-Agenda benennen.

1. Transformation der bestehenden IT-Organisation als Rückgrat eines digitalisierten Industrieunternehmens

2. Nutzbarmachung innovativer Technologien zur Sicherung und zum Ausbau von Wettbewerbsvorteilen

3. Management der digitalen Infrastruktur als hochgradig standardisiertes und effizientes Operationsgeschäft

Die Transformation der bestehenden IT-Organisation ist eine elementare Voraussetzung für die erfolgreiche Digitalisierung von Industrieunternehmen. Die Sicherung und der Ausbau von Wettbewerbsvorteilen werden nur durch eine konsequente Nutzbarmachung innovativer Technologien für das Business möglich sein und bilden folglich eine Kernkompetenz zukünftiger IT-Organisationen. Das dritte Handlungsfeld beschreibt das effektive Management der digitalen Infrastruktur, der dazugehörigen Services sowie der externen Dienstleister hin zu einem hochgradig standardisierten und effizienten Operationsgeschäft der IT.

Die zugrunde liegenden Fähigkeiten und Kompetenzen dieser drei Handlungsfelder bilden zusammengefasst die digitale Kompetenz eines Unternehmens. Alle drei Dimensionen bedingen sich hierbei gegenseitig. Dabei bestimmt die Ausprägung mit dem niedrigsten Reifegrad maßgeblich das Gesamtergebnis.

Transformation der bestehenden IT-Organisation

Die IT-Organisation und die IT-Landschaft müssen im ersten Schritt fit für die Digitalisierung gemacht werden, um einen entsprechend hohen Reifegrad zu erreichen. Nur eine leistungsfähige IT wird in der Lage sein, einerseits differenzierende IT-Fähigkeiten zur primären Wertschöpfung auszuprägen und andererseits konsequent die unterstützende IT im Unternehmen effizient als Operationsgeschäft zu betreiben.

Die dazu notwendigen Re-Standardisierungen und der Rückbau von individualisierten Applikationen in gewachsenen IT-Landschaften im Produktionsumfeld beziehungsweise in Manufacturing Execution Systemen stellen den CIO vor eine große Herausforderung. Sie sind jedoch eine zwingende Voraussetzung für eine nachhaltig erfolgreiche IT.

Dies bedeutet langfristig, dass sich die Personalstärke und -struktur sowie das Skill-Profil von IT-Organisationen verändern: Ein Großteil heutiger Entwicklungsmannschaften wird nicht mehr in der zentralen IT-Organisation angesiedelt sein, sondern dezentral verteilt im Business an der primären Wertschöpfung beteiligt sein.

Die Transformation der IT muss sich sowohl im IT-Management als auch in den unternehmensweiten IT-Governance-Prozessen widerspiegeln. Ziel der CIO-Agenda 4.0 ist es, ein Governance-Rahmenwerk zu etablieren, das

einerseits die flexible und unkomplizierte Einführung innovativer Technologien zur Wertschöpfung ermöglicht und andererseits eine hochgradig standardisierte und effiziente IT-Operations forciert. Das international etablierte Framework "Control Objectives for Information and Related Technology (COBIT)" von der ISACA für die IT-Governance im Unternehmen bildet IT ganzheitlich im Unternehmen ab. Mit der aktuellen Fassung COBIT 5 wurde bereits eine starke Business-Ausrichtung vorgenommen. Zukünftige Fassungen werden den Aspekt der Digitalisierung noch stärker berücksichtigen müssen.

Nutzbarmachung innovativer Technologien

Eine Kernaufgabe künftiger IT-Organisationen wird die effektive Nutzbarmachung innovativer Technologien zur Optimierung der Wertschöpfung in der Produktion und Ableitung neuer Geschäftsmodelle sein. Hierbei gilt es, aus einer Vielzahl an Möglichkeiten die relevanten Technologien im Rahmen eines Technologie- und Innovationsmanagements auszuwählen und gemeinsam mit dem Business zu evaluieren.

Die Verantwortung für ein erfolgreiches Innovationsmanagement liegt bei der IT-Organisation sowie dem Fachbereich gleichermaßen. Auf Basis der jeweiligen Unternehmensstrategie leiten sich zunächst die technologischen Suchfelder für das Innovationsmanagement ab. Durch Scouting erfolgt eine Auswahl geeigneter Technologien, deren Einsetzbarkeit anschließend in Form von kleinen agilen Innovationsprojekten überprüft wird.

Darüber hinaus werden innovative Technologien noch konsequenter auf die Möglichkeit zur Ableitung neuer Geschäftsmodelle hin evaluiert. Der erfolgreiche Technology Push wird eine der sichtbarsten und wichtigsten Fähigkeiten von CIOs in digitalisierten Unternehmen.

Im Folgenden werden nun exemplarisch zwei existierende Technologien mit Disruptionspotenzial im Kontext von Industrie 4.0 aufgeführt.

Semantische Technologien - Die Repräsentation und der Austausch von Wissen zwischen häufig wechselnden Kooperationspartnern erfordert eine gemeinsame Sprache zur Annotation von Daten und Diensten.

In den vergangenen Jahren haben sich hierzu Ansätze im Bereich der ontologiebasierten Wissensrepräsentation etabliert. Mit der vom W3C verabschiedeten Sprache Ontology Web Language (OWL) ist die Annotation von Daten und Diensten (OWL-S) auf Basis einer formal-semantischen Logik möglich, die für den Menschen als auch für die Maschine interpretierbar ist und die Ableitung von neuem Wissen erlaubt.

Das digitale Gedächtnis eines Produktes, wie beispielsweise in dem Projekt SemProM (www.semprom.org) erforscht, erlaubt den Zugriff während des gesamten Lebenszyklus auf relevante Produkt- und Betriebsdaten. Semantische Technologien ermöglichen hierbei den Austausch von Informationen zwischen dem Produkt und seiner Umwelt.

Individualisierte Produkte

Beispiel individualisierte Produkte: Die semantische Annotation von kundenspezifischen Anforderungen am Produkt selbst ermöglicht die direkte Einflussnahme während der Fertigung auf die Produktionsanlagen.

Beispiel Transparenz der Produktqualität: Intelligente Produkte können zum Beispiel während des Transports die Einhaltung von Temperaturbereichen im Kühlcontainer dokumentieren, um die Produktqualität sicherzustellen. Diese Informationen werden direkt vom Produkt selbst gespeichert und können von allen Beteiligten inklusive des Endkunden transparent ausgewertet werden.

Umgang mit großen Datenmengen & Analytics - Die Erhebung, Verarbeitung, Auswertung und Speicherung von unzähligen Sensor- und Prozessdaten führt zu großen Datenmengen. Entsprechende Kapazitäten müssen vorgehalten werden, und die IT-Landschaft muss für die Verarbeitung sowie Auswertung der Daten in nahezu Echtzeit ausgelegt sein.

Daten allein stellen meist noch keinen entscheidenden Mehrwert dar. Erst die Nutzung der in den Daten enthaltenen Muster und Relationen ermöglicht neue Geschäftsmodelle wie Predictive Maintenance. Zur Identifikation solcher Muster bedarf es leistungsfähiger Business-Intelligence (BI)-Systeme und entsprechender Experten (Competence Center) in der IT-Organisation, die unternehmensweit von den einzelnen Fachbereichen mit konkreten Fragestellungen beauftragt werden können.

Das Thema BI & Analytics stellt dabei kein Randthema dar, sondern verspricht bei entsprechender Umsetzung differenzierende Geschäftsfähigkeiten und innovative Geschäftsmodelle.

Neben der Nutzbarmachung innovativer Technologien und der damit verbundenen Ausprägung differenzierender IT-Fähigkeiten stellt das Management der digitalen Infrastruktur das komplementäre Handlungsfeld für die IT-Verantwortlichen dar.

Management der digitalen Infrastruktur

Das Management der digitalen Infrastruktur eines Unternehmens, also die Summe aller benötigten IT-Funktionen, die nicht primär an der Wertschöpfung beteiligt sind, umfasst das dritte Handlungsfeld der CIO-Agenda Industrie 4.0.

Die IT mit Unterstützungsfunktion wird in den nächsten Jahren zum Zweck der Effizienzsteigerung und Skalierbarkeit konsequent standardisiert und letztendlich als reines Operationsgeschäft, ähnlich der Telekommunikationsbranche, im Unternehmen ausgeprägt.

Wichtige Bestandteile einer digitalen Infrastruktur

Im Rahmen dieser notwendigen Industrialisierung der IT werden bestehende IT-Landschaften radikal umgebaut. Dies bedeutet vor allem eine Re-Standardisierung von gewachsenen System- und Applikationslandschaften, wie beispielsweise Individualanpassungen an ERP-Systemwelten oder CRM-Applikationen, und einen Rückbau nahezu aller Eigenentwicklungen. Wichtig an dieser Stelle ist, nochmals hervorzuheben, dass dieser Rückbau und die konsequente Standardisierung ausschließlich auf die Querschnittsysteme und IT mit Unterstützungsfunktion, insbesondere im Produktionsumfeld, bezogen sind.

Im Folgenden werden exemplarisch einige wichtige Bestandteile einer digitalen Infrastruktur aufgeführt:

Cloud Services - Die benötigten IT-Services für eine digitale Infrastruktur werden vornehmlich als (Private-, Public- oder Hybrid-) Cloud-Service von externen Dienstleistern bezogen. Die Aufgabe für die IT-Organisation wird daher das effektive Management dieser Dienstleister und das Überwachen der vertraglich vereinbarten Servicequalitäten (SLAs) darstellen.

Enterprise Application Stores - Die Komplexität gewachsener IT-Applikationslandschaften wird reduziert, die Bereitstellung von Applikationen vereinfacht und beschleunigt. Hierzu bietet sich beispielsweise der Aufbau eines Enterprise Application Store an, analog zu dem Konzept heutiger App Stores im Consumer-Bereich.

Kollaboration und Integrationsfähigkeit - Eine der entscheidenden Kernkompetenzen von digitalisierten Unternehmen wird die Fähigkeit zur Kollaboration mit Dritten zur dynamischen und flexiblen Bildung von Wertschöpfungsnetzwerken sein. Für die IT (-Architekturen) bedeutet dies, offene Schnittstellen innerhalb wie außerhalb des Unternehmens zu etablieren.

Normung & Standardisierung - Derzeit erschweren proprietäre Datenstrukturen sowie Schnittstellen einen reibungslosen Austausch von Informationen. Entscheidend für die Umsetzung von Industrie 4.0 wird daher eine erfolgreiche Normierung und Standardisierung sein. Denn ohne standardisierte Protokolle, Dateiformate sowie Schnittstellenspezifikationen ist ein schnelles Scheitern programmiert.

IT-Sicherheit & Datenschutz - Für den wirtschaftlich nachhaltigen Erfolg von Industrie 4.0 müssen auch hinsichtlich der Datensicherheit bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden. So bedarf es effektiver IT-Sicherheitsmechanismen zur Absicherung der digitalen Infrastruktur, des Schutzes des geistigen Eigentums sowie einer Gewährleistung des Datenschutzes. In global vernetzten Wertschöpfungsnetzwerken mit dynamisch wechselnden Kooperationspartnern stellt dies ein herausforderndes Ziel dar. Der effektive Schutz des geistigen Eigentums wird hierbei zum kritischen Erfolgsfaktor von Industrie 4.0.

Mensch-Maschine-Schnittstellen - Für Mitarbeiter in der Fertigung in intelligenten Fabriken wird der Schwerpunkt der Tätigkeit in den nächsten Jahren vornehmlich auf Monitoring, Steuerung sowie der Behebung von Störungen liegen. Dies bedarf intuitiver Mensch-Maschine-Schnittstellen, intelligenter Assistenzsysteme in der Produktion sowie ganzheitlicher Engineering- und Produktions-Management-Systeme.

Die skizzierte CIO-Agenda stellt einen ersten Rahmen auf, der auf das konkrete Industrieunternehmen und die jeweilige Unternehmenssituation angepasst und weiter konkretisiert werden muss.

Fazit

Die nachhaltige Digitalisierung von Produktions- und Logistikprozessen als Vierte Industrielle Revolution stellt für die Industrieunternehmen sowie für die bestehende IKT einen massiven Umbruch dar, der nur mit einer leistungsfähigen IT-Organisation erfolgreich umgesetzt werden kann. Die grundlegende Voraussetzung hierfür besteht in einer konsequenten Transformation der IT-Organisation und Neu-Ausrichtung bestehender IT-Landschaften durch die verantwortlichen CIOs.

Neben der Nutzbarmachung innovativer Technologien und der damit verbundenen Ausprägung differenzierender IT-Fähigkeiten zur primären Wertschöpfung stellt das Management der digitalen Infrastruktur ein komplementäres Handlungsfeld der aufgezeigten CIO-Agenda für Industrie 4.0 dar.

Wir prognostizieren, dass eine erfolgreiche Umsetzung und Ausprägung dieser Handlungsfelder im Jahr 2025 mehr Potenziale zur Differenzierung und Wettbewerbsvorteile bieten werden als die herkömmlichen Fertigungs- und Produktionskompetenzen der jeweiligen Industrieunternehmen.