Ein Prototyp für intelligente Multi-Agenten-Produktion

Industrie 4.0 meets Multi-Agenten-System

Seit Jahren dringt die Industrie, genau wie auch alle anderen Bereiche unseres Lebens, immer weiter in den digitalen Bereich vor. Prozesse und Logistik werden durch Software-Steuerungen automatisiert und effizienter gemacht. Manchmal auch als „vierte industrielle Revolution“ bezeichnet, werden unter dem Begriff Industrie 4.0 neue Technologien zusammengefasst, die der Industrie den Weg in eine umfassende Digitalisierung weisen sollen.

Als jemand, der sowohl einen Informatik- als auch einen Elektrotechnik-Hintergrund hat, habe ich mich im Rahmen meiner Masterthesis mit einem Thema befasst, welches beide Disziplinen berührt: die prototypische Konzeption und Realisierung einer intelligenten industriellen Produktionsanlage als Multi-Agenten-System. In einem interdisziplinären Team aus Accsonauten haben wir das geeignete Zusammenspiel von Hardware und Software erforscht, welches für ein solches System benötigt wird.

Die Produktion der Zukunft

Beginnen wir diesen Artikel mit einer kleinen Zeitreise. Wir befinden uns 50 Jahre in der Zukunft. Intelligente Roboter sind allgegenwärtig und nehmen uns monotone Arbeiten ab, wo immer es nur geht. Wir Menschen tun hingegen das, was uns Spaß macht und was wir besonders gut können: uns und unser Umfeld nach Herzenslust zu gestalten, kreativ zu sein und in immer neue Bereiche vorzudringen, in denen wir uns entfalten können. (Ja, selbst im Jahr 2071 lassen wir uns dieses Vergnügen noch nicht von Maschinen abnehmen.)

Noch viel stärker als im Jahr 2021 versucht jeder der Zukunftsbewohner dieses Planeten, sich ganz nach seinen eigenen Vorstellungen individuell zu entfalten.

Längst ist es dabei für uns selbstverständlich geworden, nach unseren ganz eigenen und persönlichen Vorstellungen zu leben. Auch bei dem, was wir kaufen, wollen wir uns nicht mehr mit Massenware begnügen. Wir entscheiden selbst, wie die Küche auszusehen hat, die unseren ganz eigenen Präferenzen entspricht, welche Formen und Farben unser Gartenzaun hat, welches personalisierte Muster die Fliesen besitzen, welche die Wände unseres ganz persönlich eingerichteten Bades zieren.

Die Unternehmen der Zukunft bieten ihren Kunden daher an, anhand von interaktiven 3D-Hologrammen das gewünschte Produkt bequem vom Wohnzimmer aus in allen Details zu gestalten. Schon kurze Zeit nach der Bestellung wird das individuell gefertigte Produkt von Transport-Drohnen geliefert. Es ist selbstverständlich für uns, dass all das geschieht. Aber wo kommen diese Produkte eigentlich her? Wie werden sie hergestellt?

Die Vision

Springen wir zurück ins Jahr 2021. Ja, auch heute können wir schon zu einem gewissen Grad bestimmen, welche Teile in unserer Küche verbaut werden oder welche Ausstattung unser Auto haben soll. Ja, auch heute haben wir bereits eine starke Automatisierung in den verschiedensten Bereichen, um auch individuelle Produkte effizient fertigen zu können.

Aber fehlt hier nicht noch etwas, um den Level der Individualisierung unserer Enkel im Jahre 2071 zu erreichen? Immerhin sind es immer noch Menschen, die oft starre Produktionsabläufe vorgeben, die Maschinen einstellen und kontrollieren müssen, sodass auch im laufenden Betrieb alles reibungslos funktioniert.

Wir wollen – zumindest gedanklich – noch einen Schritt weiter gehen. Wie wäre es, wenn auch die Steuerung unserer Produktionsanlagen komplett automatisch funktionieren würde? Wenn wir eine „intelligente Fabrik“ hätten, die nur noch den Auftrag eines Produkts erhält – und anhand der vom Kunden gewünschten Eigenschaften vollkommen selbstständig alle Schritte zur Herstellung genau dieses Produkts vornimmt. Wie könnte eine solche intelligente und selbstständige Produktion in der Praxis aussehen?

Mehr Autonomie für industrielle Maschinen

Die Idee einer intelligenten Fabrik ist nicht neu und wird im Forschungsprojekt Industrie 4.0 der Bundesregierung formuliert und gefördert. Die Vision ist, dass intelligente Maschinen eines Tages weitgehend selbstständig Fertigungsprozesse koordinieren. Bisher fehlen jedoch noch an vielen Stellen Konzepte und vor allem praktische Umsetzungen, die das Vorhaben konkretisieren. Welche Technologien könnten also die Vision einer „Smart Factory“ Realität werden lassen?

Wollen wir eine intelligente Anlage, die selbstständig Arbeitsschritte vornimmt, benötigen wir intelligente Maschinen. Doch an welcher Stelle soll die Intelligenz eingebaut werden?

Die erste Möglichkeit: wir als Menschen versuchen, alle Abläufe, alle nötigen Arbeitsschritte schon im Vorhinein genauestens zu durchdenken und unserem Produktionssystem als einen zentralen Plan zu übergeben. Das Problem dabei: nicht immer können wir alle Unwägbarkeiten voraussehen, wissen, in welcher Reihenfolge was genau passieren soll. Und es besteht immer die Gefahr, dass wir einen Fehler im Plan machen, der dann die ganze Produktion blockiert.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Maschinen selbst intelligent und gleichzeitig weitgehend autonom und unabhängig von den anderen zu machen. Der Vorteil: wir entkoppeln die Maschinen voneinander und machen sie robuster gegenüber Ausfällen an anderer Stelle. Die Maschinen müssen auch auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren können, wodurch das System flexibler wird.

Agenten und Multi-Agenten-Systeme

An dieser Stelle können wir uns dem Konzept des Agenten bedienen. Ein Agent im Sinne der künstlichen Intelligenz ist eine grundsätzlich selbstständige Einheit, die in ihrer Umgebung bestimmte Wahrnehmungen machen und über eigene Handlungen auf diese einwirken kann. Sind mehrere Agenten in einer Umgebung vorhanden und arbeiten diese miteinander zusammen, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen, spricht man von einem Multi-Agenten-System. Dieses ist vergleichbar mit einem menschlichen Team: es besteht aus eigenständigen und individuell handelnden Einheiten, die aber zugunsten eines Ziels oder Nutzens miteinander kollaborieren.

Möchte man ein sinnvoll handelndes Multi-Agenten-System aus Produktionsmaschinen schaffen, genügt es nicht, sich allein über die Logik einzelner Agenten Gedanken zu machen. Es muss sichergestellt werden, dass die Maschinen sich verständigen können und koordiniert handeln.

Um ein Multi-Agenten-System systematisch zu entwickeln, können für die Implementierung die drei Ebenen Agent, Umgebung und Organisation betrachtet werden.

Die Agenten-Ebene beinhaltet die Sicht auf einen einzelnen Agenten. Ein Agent kann mehr oder weniger komplex umgesetzt werden: das Spektrum reicht von einer simplen Entität, die lediglich in einer vordefinierten Weise auf bestimmte Wahrnehmungen reagiert bis hin zu einem lernenden Agenten, der auch seine eigenen Erfahrungen aus der Vergangenheit berücksichtigt und über die Zeit hinweg versucht, sein Verhalten zu optimieren.

Ein spezielles Modell eines Agenten, welches dem menschlichen Handeln nachempfunden ist, stellt der sogenannte BDI-Agent dar. BDIsteht für Beliefs, Desires und Intentions und beschreibt die drei Komponenten, die ein solcher Agent besitzt und welche die Grundlage seiner Handlungen darstellen. Als Beliefssind alle Informationen zu verstehen, die der Agent aktuell über sich und seine Umwelt besitzt. Desires stellen Wünsche dar, auf deren Erfüllung alles Handeln des Agenten ausgelegt ist. So können Änderungen bestimmter Beliefs eine Änderung von aktuellen Zielen des Agenten auslösen. Intentions sind Handlungsabsichten, mit denen der Agent versucht, ein bestimmtes Ziel zu erreichen – so kann ein Agent mehrere Pläne zur Verfügung haben, die alternativ ausgeführt werden können, um ein Ziel zu erreichen.

Die verschiedenen Agenten des Systems befinden sich in einer gemeinsamen Umgebung, zum Beispiel sind Maschinen in einer Produktionshalle aktiv. An dieser Stelle sind mehrere Fragen bei der Entwicklung eines Multi-Agenten-Systems zu berücksichtigen: Wie können Agenten Informationen miteinander austauschen? Was kann sich in der Umgebung ändern und wie bekommen Agenten mit, dass dies geschieht? Müssen Informationen an die Umgebung weitergegeben werden? Sind Informationen global oder nur lokal vorhanden?

Schließlich ist ein koordiniertes Handeln der Agenten notwendig, damit auch das Gesamtsystem sinnvoll handelt. Es muss sichergestellt werden, dass die globalen Ziele wie eine effiziente Produktion auch erreicht werden und die Autonomität der Agenten nicht in Chaos endet. Dafür muss eine geeignete Organisation konzipiert werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse über Agenten und Multi-Agenten-Systeme haben dabei geholfen, die Konzepte auch auf unseren konkreten Prototypen zu übertragen. Im zweiten Teil dieses Beitrags werde ich erklären, wie wir diesen praktisch umgesetzt haben.