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Über dieses Buch

Digitaltechnik ist – mit Ausnahme des geschriebenen Briefs oder des persönlichen Gesprächs – die Basis fast aller Kommunikations- und Informationswege, die wir heute nutzen. Darüber hinaus werden damit die Bereiche gesteuert, die für Wirtschaft, Wissenschaft und öffentliches sowie privates Leben essentiell sind: Sicherheit, Produktion, Mobilität, Medien, Gesundheit. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass die Digitaltechnik zu einem Fundament unserer technisch orientierten Zivilisation geworden ist.
Die Vorteile moderner Datentechnik sind so bestechend, die Optionen für künftige Einsätze so immens, dass wir diese Entwicklung mit aller Energie vorantreiben müssen, um im internationalen Wettbewerb weiterhin eine maßgebliche Rolle spielen zu können. In allen Anwendungsbereichen digitaler Technik spielt dabei die Sicherheit eine entscheidende Rolle. Denn je mehr technologische Bereiche wir der Datentechnik anvertrauen, desto wichtiger wird für uns deren Zuverlässigkeit.
Digitale Systeme weiterzuentwickeln und zugleich dafür zu sorgen, dass sie immer im Interesse der Menschen funktionieren und agieren, ist ein zentrales Ziel der technischen Forschung und Entwicklung, wie sie von Fraunhofer propagiert und ausgeführt wird.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Digitale Information – der „genetische Code“ moderner Technik

Das Digitale Zeitalter begann vergleichsweise langsam. Als erster Computer, der den binären Code verwendete und programmierbar war, gilt Zuse Z3, entwickelt und gebaut von Konrad Zuse und Helmut Schreyer 1941 in Berlin. 1971 wurde der erste Mikroprozessor patentiert; er enthielt 8000 Transistoren. Zehn Jahre später war man bei etwa der zehnfachen Transistorenzahl angekommen, 2016 schließlich bei etwa 8 Mrd.

Reimund Neugebauer

2. Digitalisierung – Anwendungsfelder und Forschungsziele

Für die meisten Leser dieses Buchs ist die Digitalisierung inzwischen zu einem selbstverständlichen Teil des Alltags geworden. Prinzipiell bedeutet „Digitalisierung“ die binäre Repräsentation von Texten, Bildern, Tönen, Filmen sowie Eigenschaften physischer Objekte in Form von aneinandergereihten Sequenzen aus „1“ und „0“, die von heutigen Computern mit extrem hoher Geschwindigkeit – Milliarden von Befehlen pro Sekunde – verarbeitet werden können.

Sophie Hippmann, Raoul Klingner, Miriam Leis

3. Virtuelle Realität in Medien und Technik

Digitalisierung von Kulturartefakten und industriellen Produktionsprozessen

Technologien der virtuellen und erweiterten Realität konnten sich bereits in zahlreichen Engineering-Anwendungsfeldern etablieren. Auch im Bereich von Kultur und Medien werden zunehmend interaktive dreidimensionale Inhalte zu Informationszwecken zur Verfügung gestellt und für wissenschaftliche Forschung genutzt. Diese Entwicklung wird zum einen durch den aktuellen Fortschritt von Smartphones, Tablets und Head-Mounted-Displays beschleunigt. Sie unterstützen komplexe 3D-Anwendungen in mobilen Anwendungsszenarien und ermöglichen es, unsere reale Umgebung durch multimodale Sensorik zu erfassen, um das reale Umfeld mit der 3D-Datenwelt zu korrelieren. Zum anderen erlauben neue, automatisierte Digitalisiertechnologien wie CultLab3D des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD, die dafür notwendigen digitalen Repliken von realen Objekten wirtschaftlich, schnell und in hoher Qualität zu generieren.

Dieter W. Fellner

4. Verarbeitung von Videodaten

Beste Bilder auf allen Kanälen

Videodaten repräsentieren rund drei Viertel aller weltweit übertragenen Bits im Internet und sind damit enorm wichtig für die Digitale Transformation. Die digitale Verarbeitung von Videodaten hat entscheidend dazu beigetragen, erfolgreiche Produkte und Dienste in den verschiedensten Bereichen zu etablieren – etwa in der Kommunikation, der Medizin, der Industrie, in autonomen Fahrzeugen oder der Sicherheitstechnik. Insbesondere haben Videodaten den Massenmarkt in der Unterhaltungsindustrie geprägt, z. B. durch HD- und UHD-TV oder Streamingdienste. Bei vielen dieser Anwendungen wurde erst durch die Videocodierung mit Kompressionsverfahren eine effiziente Übertragung möglich. Weiterhin haben sich Verfahren und Produktionssysteme für hochrealistische dynamische 3D-Videoszenen entwickelt. Das Fraunhofer- Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI, hat sich dabei in den wichtigen Bereichen der Videocodierung und 3D-Videoverarbeitung eine weltweit führende Rolle erarbeitet, z. B. durch die erfolgreiche Standardisierung der Videocodierung.

Karsten Müller, Heiko Schwarz, Peter Eisert, Thomas Wiegand

5. Audiocodecs

Hörgenuss aus der digitalen Welt

Die Entwicklung der Musikaufzeichnung und -wiedergabe ist seit den ersten Ansätzen von Thomas Alva Edison von dem Streben nach Perfektion geprägt. Das betrifft alle Bereiche der Aufnahme- und Wiedergabetechnik, von Mikrofonen über Tonträger bis hin zur Lautsprechertechnik. Ein reproduziertes Konzerterlebnis, das einem natürlichen völlig gleichwertig ist, bleibt weiterhin das Ziel der Forschung. Es kann aber nur erreicht werden, wenn alle akustischen, psychoakustischen und psychologischen Faktoren berücksichtigt werden, die beim Hören mitspielen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die am Fraunhofer IDMT realisierte produktnahe Weiterentwicklung der Wellenfeldsynthese- Technologie, die schon in sehr anspruchsvollen Open-Air- und Opernhaus-Inszenierungen zur Anwendung kommt. Die unkomplizierte synchrone Speicherung und Übertragung von Metadaten bei dem aktuellen Audiocodierverfahren MPEG-H 3D Audio erlaubt dem Zuhörer zu Hause, sein Hörerlebnis interaktiv zu beeinflussen.

Karlheinz Brandenburg, Christoph Sladeczek

6. Digitaler Rundfunk

Weltweit erstklassige Rundfunkqualität

Die Digitalisierung ist in vollem Gange: Für die meisten Menschen ist das Smartphone ein ständiger Begleiter, produzierende Unternehmen treiben die Digitalisierung im Zuge von Industrie 4.0 in ihren Werkshallen ebenfalls kräftig voran. Auch vor dem Radio macht dieser Trend nicht Halt: Digitalradio löst das altbekannte UKW-Radio Schritt für Schritt ab. So ist es bereits in vielen europäischen Staaten Usus, und auch viele Schwellenländer planen derzeit den Umstieg. Denn Digitalradio bietet zahlreiche Vorteile: höhere Programmvielfalt, besseren Empfang, zahlreiche Zusatzdienste. Auf Dauer wird das Digitalradio mit dem Mobilfunk zusammenwachsen. Während das Radio Informationen sendet, die für alle Menschen interessant sind, übernimmt der Mobilfunk „individuelle“ Informationen. Auf diese Weise können sich die beiden Technologien optimal ergänzen.

Albert Heuberger

7. 5G-Datentransport mit Höchstgeschwindigkeit

Mehr Daten, mehr Tempo, mehr Sicherheit

Die Mobilkommunikation hat seit der weltweiten Verfügbarkeit von mobilen Sprachdiensten und als Grundlage für das mobile Internet unsere Gesellschaft und unsere Art zu kommunizieren nachhaltig verändert. Sie hat eine neue Dimension von Produktivitätssteigerung und Vernetzung von Produktionsund Dienstleistungsprozessen seit der Nutzung des Internets ermöglicht. Die technische Grundlage basiert auf einem tiefgreifenden Verständnis der Zusammenhänge der Funk- und Nachrichtentechnik, angefangen von Radiowellenausbreitung und deren Modellierung über Verfahren der digitalen Signalverarbeitung und eines skalierbaren Systementwurfs für ein zellulares Funksystem mit Mobilitätsunterstützung bis hin zu Methoden der Systembewertung und Systemoptimierung. Das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich- Hertz-Institut (HHI) arbeitet seit 20 Jahren im Bereich der Mobilfunkkommunikation und hat eine Vielzahl von wichtigen Beiträgen zur dritten, vierten und fünften Generation geleistet. Neben wissenschaftlichen Beiträgen und zahlreichen erstmaligen Demonstrationen zu Schlüsseltechnologie-Komponenten trägt das Institut auch aktiv zur 3GPP-Standardisierung bei.

Ronald Freund, Thomas Haustein, Martin Kasparick, Kim Mahler, Julius Schulz-Zander, Lars Thiele, Thomas Wiegand, Richard Weiler

8. Industrial Data Space

Referenzarchitektur für die Digitalisierung der Wirtschaft

Der Industrial Data Space bietet eine informationstechnische Architektur zur Wahrung der Datensouveränität in Geschäftsökosystemen. Er stellt einen virtuellen Datenraum dar, bei denen die Daten beim Daten-Owner verbleiben, bis sie von einem vertrauenswürdigen Geschäftspartner benötigt werden. Beim Datenaustausch können Nutzungsbedingungen mit den Daten selbst verknüpft werden.Die Analyse von sechs Anwendungsfällen der ersten Phase der prototypischen Umsetzung der Industrial-Data-Space-Architektur zeigt, dass der Fokus auf der standardisierten Schnittstelle, dem Informationsmodell zur Beschreibung von Datengütern sowie der Connector-Komponente liegt. Weiterführende Anwendungsfälle, die auf der Broker-Funktionalität basieren und den Einsatz von Vokabularen zur einfachen Integration von Daten bedingen, sind für die nächste Welle der Umsetzung geplant.Außerdem haben Unternehmen Bedarf, die Regeln zu standardisieren, die in Nutzungsbedingungen überführt werden. Diese Regeln müssen einfach modelliert, beschrieben, dokumentiert und implementiert werden. Zudem müssen sie von verschiedenen Akteuren im Geschäftsökosystem gleich verstanden werden, was Bedarfe zur semantischen Standardisierung zeigt.Darüber hinaus muss das Referenzarchitekturmodell des Industrial Data Space in Kontext zu verwandten Modellen gesetzt werden. In Anwendungsfall F3 wird ein Adapter zu OPC UA eingesetzt. Weitere Anwendungsfälle zur Integration mit der Verwaltungsschale der Plattform Industrie 4.0 und der Industrial Internet Reference Architecture stehen an.Zudem wird die Industrial-Data-Space-Architektur verstärkt in so genannten Vertikalisierungsinitiativen eingesetzt, etwa im Gesundheitswesen und in der Energiewirtschaft. Solche Initiativen – wie bereits auch der Materials Data Space – zeigen die domänenübergreifende Anwendbarkeit der Architekturkomponenten und geben Aufschluss auf weitere Entwicklungsbedarfe.Schließlich muss in Vorausschau der weiteren Entwicklung der Anwendungsfälle und Nutzung des Industrial-Data-Space die Arbeit zur ökonomischen Bewertung der Daten sowie zur Abrechnung und Preisbildung von Datentransaktionen forciert werden.

Boris Otto, Michael ten Hompel, Stefan Wrobel

9. Forschungsprojekt EMOIO

Schnittstelle zur Welt der Computer

Adaptive Assistenzsysteme können den Nutzer in den unterschiedlichsten Situationen unterstützen. Diese Systeme greifen auf externe Informationen zu und versuchen, die Nutzerintention aus dem Nutzungskontext zu erschließen – ohne dem Nutzer ein direktes Feedback abzuverlangen bzw. zu ermöglichen. Dadurch bleibt unklar, ob das Systemverhalten im Sinne des Nutzers war – was zu Problemen in der Interaktion zwischen Mensch und adaptiver Technik führt. Das Ziel im Projekt EMOIO ist es, mögliche Nutzungsbarrieren mithilfe neurowissenschaftlicher Methoden zu überwinden. Durch die Fusionierung der Arbeitswissenschaft mit den Neurowissenschaften zum neuen Forschungsfeld Neuroarbeitswissenschaft ergibt sich ein großes Innovationspotenzial, um die Symbiose zwischen Mensch und Technik intuitiver zu gestalten. Eine neue Generation von Mensch-Technik-Schnittstellen bietet hierzu das Brain-Computer- Interface (BCI). Mittels BCIs können mentale Zustände, beispielsweise Aufmerksamkeit und Affekte beim Menschen, erfasst und diese Informationen direkt an ein technisches System übermittelt werden. In sogenannten neuroadaptiven Systemen werden diese Informationen als Grundlage genutzt, um die Inhalte und Funktionen oder die Benutzungsschnittstelle eines Systems während der Interaktion entsprechend anzupassen. In einem Konsortium mit Partnern aus Forschung und Industrie wird im Projekt EMOIO ein neuroadaptives System entwickelt. Dieses soll anhand der Gehirnaktivität des Nutzers erkennen, ob er systeminitiierten Verhaltensweisen zustimmt oder diese ablehnt. Das System kann die Informationen nutzen, um den Menschen eine optimale Unterstützung zu geben und sich somit den individuellen und situativen Bedürfnissen des Nutzers anzupassen. Dazu werden neurowissenschaftliche Methoden – etwa die Elektroenzephalographie (EEG) oder die funktionale Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) – bezüglich ihrer Einsatzpotenziale zur Emotionsmessung (Zustimmung/Ablehnung) evaluiert. Weiterhin wird ein entsprechender Algorithmus zur Echtzeit-Emotionserkennung entwickelt. Die Miniaturisierung und Robustheit der EEG- und fNIRS-Sensorik werden ebenfalls vorangetrieben. Schließlich wird das entwickelte System in drei verschiedenen Anwendungsfeldern erprobt: webbasierte adaptive Benutzungsschnittstellen, Fahrzeuginteraktion und Mensch-Roboter-Interaktion.

Wilhelm Bauer, Mathias Vukelić

10. Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung

Von Daten direkt zu hochkomplexen Produkten

Die Generative Fertigung bzw. Additive Fertigung wird populärwissenschaftlich häufig als 3D-Drucken bezeichnet. Sie ist eine vergleichsweise junge Gruppe von Fertigungsverfahren mit einzigartigen Eigenschaften und Möglichkeiten gegenüber konventionellen Fertigungstechnologien. Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung koordiniert aktuell 17 Fraunhofer- Institute, die sich mit der Generativen Fertigung befassen. Sie bildet die gesamte Prozesskette ab: Entwicklung, Anwendung und Umsetzung generativer Fertigungsverfahren und Prozesse sowie die dazugehörigen Materialien. Der Bericht bietet einen Überblick über die Technologien, Anwendungsfälle, besonderen Möglichkeiten und weiteren Ziele der angewandten Forschung im Bereich der Generativen Fertigung unter dem Dach der Fraunhofer-Gesellschaft. Speziell erwähnt werden der mesoskopische Leichtbau, biomimetische Strukturen, Hochleistungswerkzeuge für die Blechwarmumformung, keramische Bauteile, druckbare Biomaterialien, großformatige Bauteile aus Kunststoffen, die Integration sensorisch-diagnostischer und aktorisch-therapeutischer Funktionen in Implantate und dreidimensionale Multimaterialbauteile

Bernhard Müller

11. Future Work Lab

Arbeitswelt der Zukunft

Das Future Work Lab macht als Innovationslabor für Arbeit, Mensch und Technik die Gestaltung zukunftsorientierter Arbeitskonzepte für Unternehmen, Verbände sowie Mitarbeitende und Gewerkschaften durchgängig erfahrbar. Das Labor verbindet die Demonstration konkreter Industrie-4.0-Anwendungen mit Angeboten zur Kompetenzentwicklung und integriert den aktuellen Stand der Arbeitsforschung. So ermöglicht es ganzheitliche Entwicklungsschritte im Umfeld von Arbeit, Mensch und Technik. Insgesamt trägt das Future Work Lab maßgeblich dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen durch die partizipative Gestaltung zukunftsfähiger Arbeitsumgebungen nachhaltig zu steigern.

Wilhelm Bauer, Moritz Hämmerle, Thomas Bauernhansl, Thilo Zimmermann

12. Cyber-Physische Systeme

Forschen für die digitale Fabrik

Die Digitalisierung ist der bestimmende Innovationstreiber für die Wertschöpfung in der modernen globalen Industriegesellschaft. Im Vordergrund steht der Effizienzgewinn für eine Flexibilisierung und bessere Ressourcennutzung in der Produktion durch die selbstoptimierende Automatisierung von Abläufen. Digitale Technologien müssen inhärenter Bestandteil des Produktionssystems werden. Ein Cyber-Physisches System repräsentiert die angestrebte Einheit von Realität und digitalem Abbild und ist die Weiterentwicklung der Mechatronik zu einem symbiotischen Systemansatz auf Basis der informationstechnischen Vernetzung aller Komponenten. Die Informationstechnik und auch nichttechnische Disziplinen haben eine Vielfalt an Methoden, Techniken und Verfahren hervorgebracht, mit denen sensorische, aktorische und kognitive Funktionen so in technische Systeme integriert werden, dass diese Funktionalitäten aufweisen, die bislang nur von biologischen Systemen erfüllt wurden. Auf diese Weise erwächst aus der Evolution durch die Industrie-4.0-Technologien tatsächlich ein disruptiver Paradigmenwechsel. Produktion, Ausrüster und Produktentwickler treten in eine neue Qualität eines Innovationsverbundes ein.

Welf-Guntram Drossel, Steffen Ihlenfeldt, Tino Langer, Roman Dumitrescu

13. Leitprojekt „Go Beyond 4.0“

Individualisierte Massenfertigung

Der Bedarf der Industrie an neuen Technologien zur Differenzierung und Effizienzsteigerung der Produktion treibt die Fraunhofer-Gesellschaft an, Kompetenzen zu bündeln, um erfolgsbesichernde Technologien bereitzustellen. Besonders digitale Fertigungstechnologien wie Inkjet-Druckverfahren und Laser-Verfahren werden die bis dato starre Massenfertigung beflügeln. Durch die Integration digitaler Fertigungstechnologien in beliebige Massenproduktionsumgebungen wird es gelingen, eine individualisierte Produktion mit der Rüstzeit null bei leicht verlängerter Taktzeit zu ermöglichen.

Thomas Otto

14. Kognitive Systeme und Robotik

Intelligente Datennutzung für autonome Systeme

Kognitive Systeme können komplexe Prozesse überwachen, analysieren und gewinnen daraus auch die Fähigkeit, in ungeplanten oder unbekannten Situationen richtig zu entscheiden. Fraunhofer-Experten setzen Verfahren des maschinellen Lernens ein, um neue kognitive Funktionen für Roboter und Automatisierungslösungen zu nutzen. Dazu statten sie Systeme mit Technologien aus, die von menschlichen Fähigkeiten inspiriert sind bzw. diese imitieren und optimieren. Der Bericht beschreibt diese Technologien, erläutert aktuelle Anwendungsbeispiele und entwirft Szenarien für zukünftige Anwendungsfelder.

Christian Bauckhage, Thomas Bauernhansl, Jürgen Beyerer, Jochen Garcke

15. Fraunhofer-Allianz Big Data

Datenschätze heben

Big Data ist branchenübergreifend ein Management-Thema und verspricht der Wirtschaft Vorsprung durch strukturiertes Wissen, mehr Effizienz und Wertschöpfung. In den Unternehmen gibt es einen hohen Bedarf an Big-Data- Kompetenzen, individuellen Geschäftsmodellen und technischen Lösungen. Fraunhofer unterstützt Unternehmen dabei, ihre Datenschätze zu identifizieren und zu heben. Experten der Fraunhofer-Allianz Big Data zeigen auf, wie Unternehmen von der intelligenten Anreicherung und Analyse ihrer Daten profitieren können.

Stefan Wrobel, Dirk Hecker

16. Safety und Security

Cybersicherheit als Basis erfolgreicher Digitalisierung

Cybersicherheit ist die Basis für eine erfolgreiche Digitalisierung und für Innovationen in allen Branchen, z. B. in der digitalen Produktion (Industrie 4.0), der smarten Energieversorgung, in der Logistik und Mobilität, der Gesundheitsversorgung, der öffentlichen Verwaltung oder auch in Cloud-basierten Dienstleistungen. Cybersicherheit [13][11] hat die Aufgabe, Unternehmen und deren Werte zu schützen und Schäden zu verhindern oder zumindest die Auswirkungen möglicher Schäden zu beschränken. Cybersicherheit umfasst Maßnahmen, um IT-basierte Systeme (Hardware- und Software) vor Manipulation zu schützen und damit deren Integrität zu gewährleisten. Weiterhin umfasst sie Konzepte und Verfahren, um die Vertraulichkeit sensibler Informationen sowie den Schutz der Privatsphäre, aber auch die Verfügbarkeit von Funktionen und Diensten zu gewährleisten. Die Gewährleistung der Integrität, Vertraulichkeit und Verfügbarkeit sind die bekannten Schutzziele, die bereits bei der klassischen IT-Sicherheit verfolgt werden, durch die Digitalisierung und Vernetzung und der damit einhergehenden Verbindung zwischen digitaler und physischer Welt wird jedoch die Erfüllung der Ziele zunehmend schwieriger und komplexer.Der folgende Beitrag gibt einen Einblick in aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich der anwendungsorientierten Cybersicherheitsforschung und skizziert anhand von ausgewählten Anwendungsbeispielen Herausforderungen und Lösungsansätze.

Claudia Eckert, Michael Waidner

17. Ausfallsichere Systeme

Resilienz als Sicherheitskonzept im Zeitalter der Digitalisierung

Je mehr wir auf das Funktionieren komplexer technischer Systeme angewiesen sind, desto wichtiger wird deren Resilienz: Sie müssen auch beim Auftreten innerer und äußerer Ausfälle und Störungen die angeforderten Systemleistungen aufrechterhalten. Das betrifft Einzelsysteme (z. B. Autos, medizinische Geräte, Flugzeuge) ebenso wie Infrastrukturen (Verkehr, Versorgungssysteme, Informations- und Kommunikationssysteme). Um diese komplexen Systeme resilient zu gestalten, bedarf es eines Resilience Engineering – das heißt des Erhalts kritischer Funktionen, des Sicherstellens eines eleganten Abschmelzens – falls die kritische Funktionalität aufgrund der Schwere eines Störereignisses nicht aufrechterhalten werden kann – und die Unterstützung schneller Erholung von komplexen Systemen. Dazu werden generische Fähigkeiten sowie anpassbare und maßgeschneiderte technische Lösungen benötigt, die das System im Fall von kritischen Problemen und unerwarteten oder sogar noch nie dagewesenen Ereignissen schützen. So können beispielsweise Kaskadeneffekte, die in kritischen Infrastrukturen während einer Störung auftreten, simuliert und ihre Auswirkungen proaktiv minimiert werden.

Stefan Hiermaier, Benjamin Scharte

18. Blockchain

Verlässliche Transaktionen

Zur Digitalisierung von Diensten und Prozessen besitzt die Blockchain-Technologie eine große Relevanz für viele verschiedene Anwendungsbereiche außerhalb der Finanzbranche und vor allem auch unabhängig von Kryptowährungen. Während für das Internet der Dinge vor allem die mit Smart Contracts verbundenen Automatisierungspotenziale wesentlich sind, ist es für Anwendungen aus den Bereichen Supply Chain oder für Herkunftsnachweise die Irreversibilität der verwalteten Transaktionen. Der Beitrag beschreibt die Funktionsweise dieser neuen Technologie und die sich daraus ergebenden wichtigsten Eigenschaften. Zur Identifikation von Digitalisierungsvorhaben, für die die Blockchain-Technologie geeignet ist, liefert das Kapitel eine Kriterienliste.Die Breite der Blockchain-Technologien und ihre Anwendungen erfordern einen multidisziplinären Ansatz sowohl bei der Entwicklung der Basistechnologien als auch bei der Anwendungsentwicklung, der Wirtschaftlichkeitsberechnung und der Konzeption neuer Governance-Modelle. Die vielfältigen Kompetenzen der Fraunhofer-Institute ermöglichen der Fraunhofer-Gesellschaft, einen wesentlichen Beitrag bei der Weiterentwicklung und Anwendung der Blockchain-Technologie zu leisten.

Wolfgang Prinz, Thomas Rose, Thomas Osterland, Clemens Putschli, Thomas Osterland, Clemens Putschli

19. E-Health

Potenziale der Digitalen Transformation in der Medizin

Während in vielen Bereichen der Gesellschaft die Digitale Transformation in vollem Gange ist, sieht sich die Medizin noch vor immense Herausforderungen gestellt. Dabei sind die durch das Zusammenspiel moderner Biotechnologie und Informationstechnologie erreichbaren Potenziale immens. An vielen Stellen sind bereits Anzeichen der Transformation zu beobachten, die durch die Integration der bislang noch getrennten medizinischen Datenräume sowie durch den gezielten Einsatz neuartiger Technologien weiter beschleunigt wird. Wir beschreiben den heutigen Stand der integrierten Diagnostik sowie die Wirkmechanismen der entstehenden digitalen Medizin. Ein Fokus gilt dabei der seit wenigen Jahren stattfindenden Revolution der künstlichen Intelligenz. Gleichzeitig beobachten wir die Emanzipation der Patienten, die über soziale Netze, Internet-Suchmaschinen, Gesundheitsratgeber und Gesundheits-Apps mittlerweile Zugang zu einer enormen Bandbreite medizinischen Wissens haben. Vor diesem Hintergrund diskutieren wir den Wandel des Arzt-Patienten-Verhältnisses sowie der Rollenverteilung zwischen Arzt und Computer und der sich daraus ergebenden Geschäftsmodelle.

Horst Hahn, Andreas Schreiber

20. Smart Energy

Die Digitale Transformation im Energiesektor

Eine erfolgreiche Energiewende ist ohne umfassende Digitalisierung nicht vorstellbar. Angesichts der Komplexität der Aufgabe „Digitalisierung des Energiesektors und aller angeschlossenen Systeme“ erscheinen die bisherigen Anstrengungen zur Definition von grundlegenden Komponenten der Digitalisierung – wie konkret nutzbaren Referenzarchitekturen, Forschung zur Resilienz des zukünftigen Energiesystems – aktuell noch ungenügend und unkoordiniert. Zu diesen Komponenten zählen intelligente Steuerungsansätze, die Marktmechanismen und klassische Steuerungstechnik integrieren können, und umfassende Sicherheitskonzepte inklusive wirksamer Datennutzungskontrolle, die weit über das BSI-Schutzprofil für Smart Meter hinausgehen müssen. Die Digitalisierung des Energiesystems muss als langfristig angelegter, geplanter Transformationsprozess mit verlässlichen Meilensteinen konzipiert und betrieben werden.

Peter Liggesmeyer, Dieter Rombach, Frank Bomarius

21. Advanced Software Engineering

Modell-basiert Software effizient und sicher entwickeln und prüfen

Software rules them all! In jeder Branche spielt Software mittlerweile eine dominante Rolle für Innovationen technischer oder geschäftlicher Art, für die Verbesserung der funktionalen Sicherheit oder aber für die Erhöhung des Komforts. Gleichwohl wird Software nicht immer mit der nötigen Professionalität entworfen, (weiter-)entwickelt und/oder abgesichert – und gibt es unnötige Brüche in den Entwicklungs-, Wartungs- und Betriebsketten, die zuverlässigen, sicheren, performanten und vertrauenswürdigen Systemen zuwiderlaufen. Aktuelle Umfragen wie im jährlichen World Quality Report sprechen hier eine deutliche Sprache, welche direkt mit den bekannt gewordenen von Software verursachten Ausfällen großer, wichtiger und/oder sicherheitskritischer Infrastrukturen korreliert. So ist es höchste Zeit, die Softwareentwicklung den Experten zu überlassen und den Raum für die Nutzung aktueller Methoden und Technologien zuzulassen. Dieser Artikel wirft einen Blick auf aktuelle und zukünftige Software-Engineering- Ansätze, die Sie auch und insbesondere im Fraunhofer-Portfolio finden.

Ina Schieferdecker, Tom Ritter

22. Automatisiertes Fahren

Computer greifen zum Steuer

Digitale Vernetzung und autonome Fahrfunktionen markieren ein neues faszinierendes Kapitel der Erfolgsgeschichte des Automobilbaus, die bereits weit über ein Jahrhundert währt. So wird sich mit leistungsfähiger Umfelderkennung, sehr genauen Ortungs- und latenzarmen Kommunikationstechnologien die Fahrzeug- und Verkehrssicherheit in beträchtlichem Ausmaß erhöhen. Eine präzise vollautomatische Fahrzeugpositionierung autonom fahrender Elektromobile schafft die Voraussetzung, innovative Hochstromladetechnologien im Unterbodenbereich einzuführen. Wenn künftig autonome bzw. hochautomatisierte Fahrzeuge mit intelligenten Verkehrssteuerungen Informationen austauschen, kann dies zu einer deutlich effizienteren Nutzung bestehender Verkehrsinfrastrukturen und erheblichen Reduktionen verkehrsbedingter Schadstoffemissionen führen. Drei Beispiele, die unterstreichen, welche enorme Bedeutung Elektromobilität in Verbindung mit autonomen Fahrfunktionen für die Entwicklung einer wirklich nachhaltigen Mobilität hat. Dabei ist das Spektrum der zu lösenden wissenschaftlich-technischen Herausforderungen außerordentlich breit. Zahlreiche Fraunhofer-Institute sind an diesem volkswirtschaftlich bedeutenden Entwicklungsprozess beteiligt und bringen nicht allein Fachkompetenzen auf höchstem wissenschaftlich-technischen Niveau ein, sondern auch praktische Erfahrung in der industriellen Umsetzung von Hochtechnologien. Auf einige der aktuellen Forschungsthemen wird im Folgenden eingegangen. Sie beinhalten unter anderem autonome Fahrfunktionen in komplexen Verkehrssituationen, kooperative Fahrmanöver in Fahrzeugschwärmen, latenzarme Kommunikation, digitale Karten und genaue Lokalisierung, Funktions- und Manipulationssicherheit fahrerloser Fahrzeuge, digitale Vernetzung und Datensouveränität in intelligenten Verkehrssystemen, Reichweitenverlängerung und Schnellladefähigkeit von autonomen Elektrofahrzeugen bis hin zu neuem Fahrzeugdesign, modularem Fahrzeugaufbau und skalierbarer Funktionalität. Auch wenn der Automobilbereich im Mittelpunkt der Betrachtung steht, lohnt sich der Blick auf interessante Fraunhofer-Entwicklungen bei autonomen Transportsystemen der Logistik, fahrerlosen mobilen Arbeitsmaschinen im Bereich der Landtechnik, autonomer Schienenfahrzeugtechnik und unbemannten Schiffen und Unterwasserfahrzeugen.

Uwe Clausen, Matthias Klingner IVI

Erratum zu: Safety und Security

Claudia Eckert, Michael Waidner
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