Das Grundprinzip emergenter Software ist identisch mit flexiblen Fertigungsanlagen, wie sie beispielsweise die Smartfactory-Initiative erprobt: modular in kleine Prozesseinheiten (Dienste) gegliedert und umfassend vernetzt.

Unternehmen in der Fertigungs- und Prozessindustrie stehen langfristig vor der Herausforderung, immer kunden spezifischere und individualisiertere Produkte in kürzester Zeit auf einem globalen Markt mit regionalen Unterschieden zu erzeugen. Um auf diese Marktbedingungen reagieren zu können, müssen unternehmensrelevante Abläufe künftig in Echtzeit gesteuert werden. Die qualitativ höhere Leistungsfähigkeit und Adaptivität eines Unternehmens entstehen dabei durch das unternehmensübergreifende Zusammenspiel einzelner Systeme und Dienstleistungen, das auf dem Prinzip der emergenten Software basiert.

Erforscht und entwickelt wird diese Innovation im Software-Cluster. Emergente Software eröffnet innovative Geschäftsprozesse und -modelle, insbesondere für klein- und mittelständische Unternehmen (KMU), die das Rückgrat der deutschen Wirtschaft im internationalen Wettbewerb bilden. Lösungen in den Bereichen der Interoperabilität, Adaptivität, Benutzerschnittstelle und IT-Sicherheit bilden die Grundpfeiler emergenter Software, deren Anforderungen anhand der Technologie-Initiative SmartFactory in Kaiserslautern aufgezeigt werden können.

Adaptivität und Flexibilität sind Eigenschaften, die von heutigen Produktionsanlagen gefordert werden, um schnell auf sich ändernde Marktbedingung reagieren zu können. Um diese Eigenschaften im Bereich der Fertigungs- und Prozessindustrie zu adressieren, ist eine Modularisierung der Anlage und eine damit verbundene Kapselung der einzelnen Anlagenteile und -funktionen notwendig. Nur so lassen sich transparente Produktionsprozesse schaffen und die Stillstandzeiten bei einer Rekonfiguration der Anlagen(-teile) auf ein Minimum reduzieren. Einen Ansatz hierzu hat die Technologie-Initiative Smart- Factory in ihrer hybriden Produktionsanlage umgesetzt, bei der der Fertigungsprozess in autarke Module unterteilt ist.

Die „smarte" Fertigung als Vorbild

Moderne Informationstechnologien unterstützen die Modularisierung der Anlage in autarke Teilprozesse. Hierzu besitzt jedes Modul der Smart-Factory eine eigene Steuerung. In dieser dezentralen Steuerungsarchitektur realisieren „smarte" Technologien den Informationsaustausch zwischen den Modulen. Mit Hilfe von „Digitalen Produktgedächtnissen" (DPG), in diesem Fall direkt am Produkt angebrachte RFID-Tags, werden die für eine korrekte und sichere Herstellung notwendigen Informationen mitgeliefert. Auch die Steuerung aller intralogistischen Aktivitäten erfolgt über DPG, was einen sicheren und durchgängigen Informationsaustausch über Unternehmensgrenzen hinaus erlaubt. Durch die vollständige Modularisierung der Anlage auf Basis von RFID-Technologien werden eine flexible Anlagenstruktur und adaptive Produktionsprozesse gewährleistet, sodass auch Produktionsaufträge mit Losgröße 1 realisierbar sind.

Der nächste Schritt zur Dynamisierung der Geschäftsprozesse und zur Erzielung eines Wettbewerbsvorteils ist die Vernetzung über die Unternehmensgrenzen hinweg. Hierzu nutzt die Smart-Factory in ersten Ansätzen erneut die DPG für den Informationsaustausch und die Steuerung der nachfolgenden Supply-Chain-Schritte (Logistik und Handel). Mit Hilfe von Digitalen Produktionsgedächtnissen lässt sich beispielsweise auch die korrekte Lagerung der produzierten Ware als wichtiges Qualitätskriterium vollständig nachvollziehen.

Transparenz im Unternehmen zwingend notwendig

Der Einsatz emergenter Software ist notwendig aber nicht hinreichend, um eine durchgängige und echtzeitfähige Überwachung entlang der gesamten Supply-Chain zu erreichen und sich agil in Dienstleistungs- und Produktionsnetzwerke einzubinden. Ebenso wichtig ist die Transformation in ein „digitales Unternehmen": Digitale Unternehmen besitzen eine hohe Dichte echtzeitnaher Informationen zur Überwachung und Steuerung der vollständig IT-gestützten Kernprozesse und arbeiten in flexiblen, internetbasierten Unternehmensnetzen.

Die Abarbeitung aller Aufgaben und Aufträge erfolgt bedarfssynchron. Dies hilft bei der optimalen Auslastung aller eingebetteten Prozesse. Eine Ergänzung und Erweiterung der Dienstleistungs- und Produktportfolios ist durch die Ad-hoc- Vernetzung und durch das weltweite Anbieten von Unternehmensleistungen und -services gegeben. Digitale Unternehmen können sich darüber im internationalen Vergleich hervorheben und auf Veränderungen rasch bedarfsorientiert reagieren.

Einzelne Komponenten werden verschmelzen

Emergente Software wird herstellerübergreifend die Nutzung und Kombination von Dingen, Diensten und Prozessen ermöglichen.

Emergente Software steht für eine neue Kategorie von verteilten Informationssystemen, welche unternehmensübergreifend aus dem Zusammenspiel einzelner Komponenten im „Internet der Dinge, Dienste und Prozesse" entstehen. Diese Komposition benötigt neuartige Konzeptezur nahtlosen Vernetzung von Unternehmen, zur Erfassung und Auswertung von Kontext- beziehungsweise Produktionsinformationen sowie zur bedarfsgerechten und individuellen Anpassung von Prozessen in Echtzeit.

Dabei müssen Sicherheit, Benutzbarkeit und Servicequalität stets gewährleistet sein. Das Internet der Dinge erlaubt die Integration der unterschiedlichen Objekte oder Artefakte entlang der Wertschöpfungskette in die Geschäftsprozesse und somit ein Echtzeit-Monitoring und -Controlling der realen Welt. Produzierende Unternehmen können unmittelbar auf Veränderungen in ihrem Geschäftsumfeld reagieren und gegebenenfalls in Echtzeit Lieferketten ändern und ihre „smarten" Produktionsanlagen rekonfigurieren. Emergente Software wird dafür neue Konzepte, Methoden und Techniken bereitstellen. Die Herausforderung besteht dabei in der Kombination von dynamischer Adaptivität und gleichzeitiger Verlässlichkeit und Effizienz der dadurch entstehenden komplexen Makrodienste.

Das Internet der Dienste ermöglicht Unternehmen, ihre betrieblichen Prozesse als Dienstleistungen zur Verfügung zu stellen - oder entsprechende Dienstleistungen (Software as a Service) in den offenen Märkten des künftigen Internets zu nutzen. Diese Vorgänge sind heute noch mit großem technischem Aufwand und hohem Risiko bezüglich der Beherrschbarkeit des entstehenden Gesamtsystems verbunden. Daher ist es Anbietern solcher Dienstleistungen - insbesondere KMU - heute nur schwer möglich, ihre Angebote gewinnbringend zu positionieren. Methoden und Werkzeuge emergenter Software sollen die Anbieter dabei unterstützen, ihre Dienste schnell und effizient auf den Marktplätzen des zukünftigen Internets zu positionieren.

Ohne das Internet der Dienste gibt es kein Internet der Prozesse, über das unternehmensübergreifend die Prozesse oder Komponenten unterschiedlicher Anbieter beliebig vernetzt werden können - um zum Beispiel eigene Dienstleistungen bereitzustellen, andere zu nutzen oder zu vermitteln. Diese unternehmensübergreifende Ad-hoc-Vernetzung und die Herstellung von Interoperabilität auf allen Ebenen einer IT-Infrastruktur benötigen neue grundlegende Infrastrukturen, Plattformen und Techniken. Der Aufwand lohnt sich: Eine solche offene Integration der unterschiedlichen Geschäftssoftwaremodule und Dienste ermöglicht die nahtlose Verwebung von Prozessen und Diensten über Unternehmensgrenzen hinweg. Allerdings sind zugleich eine Vielzahl neuer Anforderungen und Herausforderungen hinsichtlich der Adaptivität und Sicherheit des entstehenden Gesamtsystems zu lösen, die gerade Gegenstand der Forschung sind.

Die Randbedingungen: Security und Cloud-Plattform

Ein wesentlicher Aspekt emergenter Software sind die IT-Sicherheitstechnologien, die ein vertrauensvolles Zusammenspiel der Komponenten im Internet der Dinge, der komplexen Dienste und der adaptiven Geschäftsprozesse sicherstellen müssen. Derzeit fehlen noch die Grundlagen, um zum Beispiel die Systemsicherheit im Internet der Dinge überhaupt messen zu können oder im Internet der Dienste organisationsübergreifend Vertrauen zu schaffen und die Daten zu schützen. Ebenso notwendig sind Verteidigungsmechanismen zur Abwehr und Eindämmung von Angriffen sowie „leichtgewichtige" kryptographische Basismechanismen für die Datenverschlüsselung in mobilen Endgeräten.

Wichtiger Bestandteil des Prinzips der emergenten Software ist auch eine Cloud-basierte Service-Plattform, die insbesondere KMU den Zugang zu und die Erstellung von emergenten Systemen ermöglicht, um Dienste zu nutzen und eigene Dienste mit Geschäftspartnern möglicherweise adhoc zu kombinieren. Die Herausforderung liegt in skalierbaren, bei Bedarf verfügbaren Rechenressourcen, die eine qualitativ hochwertige kollaborative Erstellung emergenter Softwaresysteme für den individuellen Bedarf erlauben. Die notwendigen Konzepte und Technologien für eine Cloud-basierte Infrastruktur mit entsprechenden Basisdiensten werden heute intensiv erforscht und befinden sich bereits in Entwicklung. Diese Cloud-basierten Dienste werden ein organisationsübergreifendes Netzwerk sowie das Entstehen emergenter Strukturen über Produktions- und Dienstleistungs- Netzwerke hinweg ermöglichen.

Emergente Software schafft nicht nur neue Strukturen, um frühzeitig auf Marktveränderungen reagieren zu können, sie bietet das Potenzial für neue Geschäftsmodelle und damit Wettbewerbsvorteile im globalen Markt.

Autoren:

Tobias Gerber ist Researcher bei der Technologie-Initiative SmartFactory e.V. in Kaiserslautern-Siegelbach.

Holger Kirchner ist Director Research bei der Seeburger AG in Bretten.

Dr. Dieter Rombach ist geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer-Institus für Experimentelles Software Engineering (IESE) in Kaiserslautern.

Dr. Andreas Roth ist Research Programm Manager Software Engineering bei SAP Research in Karlsruhe.

Der Software-Cluster - Gemeinschaftsprojekt "Emergente Software"

Die Grundlagen emergenter Software werden im Rahmen von Forschungsverbundprojekten im Software-Cluster erarbeitet. Im Südwesten Deutschlands um die Zentren der Software- Entwicklung Darmstadt, Kaiserslautern, Karlsruhe, Saarbrücken und Walldorf konzentriert, zählt der Software-Cluster zu den weltweit leistungsstärksten Netzwerken. Partner im Forschungsvorhaben sind neben Unternehmen wie SAP, Software AG und IDS Scheer auch mittelständische Anbieter wie Proalpha und Seeburger sowie zahlreiche weitere KMU aus der Software-Branche. Hinzu kommen 17 Universitäten, Hochschulen und Forschungsinstitute sowie sogenannte Living-Labs wie die Technologie-Initiative Smartfactory. Insgesamt investiert der Software-Cluster in den nächsten Jahren 80 Mio. € in die Erforschung und Entwicklung emergenter Software; 40. Mio. € davon fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung. Erste für Anwender nutzbare Ergebnisse werden in den nächsten zwei Jahren erwartet.