Der Einfluss der Schwarmintelligenz von Ameisen auf das Internet der Dinge

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Ameisen
2.1 Schwarmintelligenz bei Ameisen
2.1.1 Entscheidungsfindung und Informationsübermittlung
2.1.2 Arbeitsverteilung innerhalb der Gemeinschaft
2.1.3 Reaktion auf Veränderung

3. Internet der Dinge
3.1 Modularisierung als Teil der Standardisierung
3.2 Selbstorganisation und Autonomie
3.3 Vorteile des Internet der Dinge

4. Fazit

5. Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

SC – Supply Chain

z.B. – Zum Beispiel

IT – Informationstechnik

OEM – Original Equipment Manufacturer

SPS – Speicherprogrammierbare Steuerungen

RFID – Radio-Frequency-Identification

MFS – Materialflusssteuerung

B&F – Behälter & Fördertechnik

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Optimierung der Futtersuche

Abbildung 2: Reaktion auf Hindernisse

Abbildung 3: Das Internet der Dinge ist ein hierarchieloses Materialflusssystem

Abbildung 4: Die Grundeinheiten des Internet der Dinge sind kooperierende Entitäten

1. Einleitung

Die anhaltenden Globalisierung schafft eine Herausforderung für die gesamte Wirtschaft. Der Markt wächst stetig und sorgt damit für ein ständiges Wachstum der Logistik. Für Unternehmen ist es demzufolge schwierig am Markt eine gewisse Präsenz zu entwickeln oder beizubehalten. Zudem veranlassen Aspekte, wie geringere Produktionskosten, Unternehmen dazu zahlreiche Güter im Ausland herzustellen. Gleichzeitig sorgt die Auslagerung der Produktion jedoch auch für ein erhöhtes internationales Transportaufkommen. Um als Unternehmen innerhalb der globalen Entwicklung weiterhin effizient wirtschaften zu können, entwickelt sich hieraus die Gründung von Supply Chains. Der Zusammenschluss zu einer SC, einem Netzwerk, zwischen Unternehmen, Kunden und Lieferanten verhilft der Optimierung einer gesamten Wertschöpfungskette.

Der Zusammenschluss zu einem solchem Netzwerk erhöht jedoch auch die Komplexität der geforderten Logistiknetzwerke. Neben einem notwendigen dynamischen Supply Chain Management stellt vor allem das Verhältnis von Implementierung und Nutzungsdauer eines Logistiksystems einige Unternehmen in der heutigen schnelllebigen Welt vor enorme Herausforderungen. 2010 Betrug die durchschnittliche Laufzeit eines Geschäftsmodells zwischen zwei bis Jahren. Die Dauer für Entwicklung und Implementierung des Systems betrug zwischen sechs und zehn Monaten. Des Weiteren können durch neue, komplexe IT-Strukturen die Implementierungszeiten auf bis zu 24 Monate ausgereizt werden (Günthner, Chisu & Kuzmany, 2008, S. 422-425).

Dementsprechend sind zahlreiche Experten seit geraumer Zeit der Ansicht, dass ein Umdenken innerhalb der Intralogistik stattfinden sollte. Stagnierende Systeme, wie z.B. die Materialflusssteuerung, sollten durch das Internet der Dinge ersetzt werden. Intelligente und autonome Entitäten wären demnach gezielt und effektiv für den Materialfluss innerhalb des Systems verantwortlich (Günthner, Chisu & Kuzmany, 2008, S. 422-425). Erste Konzepte, wie z.B. das MultiShuttle, entwickelt vom Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik und Siemens Dematic, verdeutlichen das Potential des Internet der Dinger innerhalb der Logistik (Fraunhofer IML, 2003).

Für die Umsetzung des Modells des Internet der Dinge ist vor allem die Schwarmintelligenz von Ameisen ausschlaggebend. Experten entwickelten dank der optimierten Futtersuche und der Reaktionen auf Hindernisse von Ameisen ein selbstorganisiertes, hierarchieloses System.

Demnach betrachtet die vorliegenden Arbeit die Schwarmintelligenz von Ameisen sowie deren Verhalten und stellt einen Bezug zum Internet der Dinge her. Anhand von Fallbeispielen und Abbildungen wird das Modell des Internet der Dinge mit den Konzepten von Logistiksystemen in Verbindung gebracht und für zukünftige Umsetzungen betrachtet. Die vorliegende Arbeit wird anhand eines Fazits und einer kritischen Einschätzung abgeschlossen.

2. Ameisen

Die Ameise bildet die Familie der Formicidae und gehört zu den Hautflüglern (Hymenoptera). Weltweit existieren ca. 13.000 verschiedene Ameisenarten von denen ca. 114 in Deutschland beheimatet sind. Der Verbreitungsgrad der Ameise deckt außer der Antarktis alle Terrains ab. Somit kann die Ameise, je nach Art, dank ihrer Anpassungsfähigkeit in Wüstenregionen, den Tropen oder dem heimischen Garten vorkommen (NABU – Naturschutzbund Deutschland e.V., 2018).

Grundsätzlich wird die Ameise als eusozial definiert. Eusozial beschreibt das Leben der Insekten in einer Gemeinschaft (Sozietät). Ameisen bilden, je nach Art, Staaten mit mehreren Millionen Individuen. Innerhalb der Gemeinschaft werden die Ameisen in drei Kasten unterteilt. Die erste Kaste wird von den flügellosen Arbeiterinnen gebildet. Ihr Aufgabengebiet innerhalb der Gemeinschaft umfasst den Nestbau, die Versorgung, die Brutpflege der Nachkommen sowie die Verteidigung gegen Feinde. Die zweite Kaste wird, je nach Art, von einer oder mehreren Königinnen gebildet. Ihre Aufgabe umfasst die permanente Eiablage, um somit die Nachkommenschaft zu gewährleisten. Die dritte Kaste umfasst die geflügelten männlichen Ameisen. Ihre einzige Aufgabe ist die Befruchtung der Königin. Männliche Ameisen haben in der Regel ein sehr kurzes Leben, da sie nach erfolgreicher Befruchtung sterben (Richter, o. J.).

Laut wissenschaftlichen Experten wird die Ameise als Individuum für nicht intelligent gehalten. Umso überraschender ist der Ertrag den Ameisen innerhalb ihrer Gemeinschaft durch eine perfekt abgestimmte Teamarbeit leisten. Im Kollektiv ist es der Gemeinschaft möglich, größere und stärkere Beute zu erlegen. Zudem können die Insekten durch ihren Zusammenschluss schier unüberwindbare Hindernisse überqueren. Einige Ameisenarten können durch gezieltes Einhaken von Kiefern und Füßen Brücken oder Flöße bauen, um somit das Überleben der Gemeinschaft zu sichern (Rimscha, 2008, S. 119).

2.1 Schwarmintelligenz bei Ameisen

Wissenschaftlich lässt sich der Begriff der Schwarmintelligenz innerhalb einer sozialen Insekten Gemeinschaft als Teamarbeit definieren. In Bezug auf das gewählte Fallbeispiel der Ameise führen individuelle Interaktionen einzelner Insekte zu einer Selbstorganisation innerhalb der Gemeinschaft. Die Selbstorganisation der Gemeinschaft basiert demnach auf einem strukturierten Verhalten der Insekten. Zudem kann die Entscheidungsfindung innerhalb der Gemeinschaft anhand von Erfahrungen aus vergangen Ereignissen positiv beeinflusst werden (Scholz-Reiter & Jagalski, 2009, S. 110).

Krause und Krause definieren den Begriff der Schwarmintelligenz in ihrer 2011 veröffentlichten Publikation wie folgt:

„Zwei oder mehr Individuen erwerben weitgehend unabhängig voneinander Informationen, die durch soziale Interaktion kombiniert und verarbeitet werden, so dass dadurch ein kognitives Problem auf eine Art und Weise gelöst wird, die für einzelne Individuen so nicht umsetzbar wäre“ (Krause & Krause, 2010, S. 129).

Hieraus ergibt sich, dass Ameisen ausschließlich als Gemeinschaft in der Lage sind Lösungen für Konfliktsituationen zu entwickeln. Wie bereits in Kapitel 2 – Ameisen beschrieben, wird hierfür eine strikte Aufgabenverteilung vorgenommen. Essenzielle Aufgaben, z.B. die Verteidigung oder die Versorgung, werden dementsprechend an die Arbeiterinnen der ersten Kaste vergeben.

Laut Rittger ist jedoch eine zentrale Steuerung innerhalb einer Ameisengemeinschaft nicht vorhanden. Selbst die Königin einer Kolonie besitzt nicht die Fähigkeit, die gesamte Gemeinschaft zu leiten und zu führen. Zudem sind auch die in Kapitel 2 beschriebenen Kasten nicht in der Lage die Gemeinschaft zu steuern und somit eine Führungsrolle zu übernehmen. Somit entstehen innerhalb der Ameisengemeinschaft sehr flache Hierarchien (Rittger, 2006, S.23)

2.1.1 Entscheidungsfindung und Informationsübermittlung

Die Selbstorganisation eines Individuums innerhalb der Gesellschaft lässt auf eine dezentrale Entscheidungsfindung schließen. Ameisen verfügen demnach über die Fähigkeit, Entscheidungen innerhalb eines nichtdeterministischen Systems zu treffen. Mit Hilfe der Selbststeuerung können Ameisen ihr Verhalten flexibel an komplexe und dynamische Veränderungen anpassen (Scholz-Reiter & Jagalski, 2009, S. 110).Verdeutlichen lässt sich die beschriebenen Entscheidungsfindung anhand der Futtersuche von Ameisen. In der Regel suchen Ameisen ihre Futterquelle durch desorientiertes Umherwandern. Erwähnenswert ist hierbei, dass Ameisen während der Futtersuche ständig aktiv sind und nicht ruhen (Rimscha, 2008, S.120). Ist eine Ameise während der Futtersuche fündig geworden, befördert sie eine geringe Menge des Futters zurück ins Nest. Während des Transports wird durch die Ameise der biochemische Stoff Pheromon freigesetzt. Bei dem Stoff Pheromon handelt es sich um eine Signalsubstanz, die bei derselben Art spezifische Reaktionen hervorruft (Müller & Frings, 2009, S.582). Das abgesonderte Pheromon der Ameise beginnt nach seiner Freigabe mit einem Zersetzungsvorgang. Hieraus entwickelt sich eine Pheromonspur, der andere Ameisen der Gemeinschaft folgen können. Neben der Sicherstellung einer Futterquelle, lässt sich durch die Pheromonspur auch der kürzeste und somit effizienteste Weg zwischen dem Nest (N) und der Futterquelle (F) ausfindig machen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 : Optimierung der Futtersuche

Quelle: In Anlehnung an Johann Dréo, 2006

Einige wissenschaftliche Studien haben in den letzten Jahren verdeutlicht, dass desorientierte Ameisen einer Pheromonspur folgen sobald sie auf eine stoßen. Hierbei sondern die Ameisen auf dem Pfad der Pheromonspur erneut Pheromone ab, um die Wirkung der vorherigen Spur zu verstärken. Ziel hierbei ist es, den Weg zwischen Nest und Futterquelle in kürzerer Zeit häufiger zu nutzen. Mit dem beschrieben Verhalten verdeutlicht die Ameise ihr kollektives Verhalten (Hölldobler, Wilson, & Böll, 2013, S. 47-67). Durch die mehrmals abgesonderten Pheromone der Ameisen steigt die Wahrscheinlichkeit das sich der Pheromonspur weitere Ameisen der Gemeinschafft anschließen. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahren kann der Nahrungsvorrat für die Gemeinschaft gewährleistet werden.

2.1.2 Arbeitsverteilung innerhalb der Gemeinschaft

Während der Nahrungssuche ähnelt das Verhalten der Ameisen einem Staffellauf. Nachdem eine Futterquelle ausfindig gemacht wurde, befördern die ersten Ameisen ein Teil der Nahrung zurück zum Nest. Den Transportvorgang zwischen Futterquelle und Nest übernehmen die ersten Ameisen solange, bis sie auf entgegenkommende Ameisen treffen. Da sich die entgegenkommenden Ameisen erst auf dem Weg vom Nest hin zur Futterquelle befinden, transportieren sie noch kein Futter. An der Stelle, an der sich die Ameisen treffen, übergeben die Ameisen ihre Ladung an die unbeladen Ameisen. Nach dem Austausch der Nahrung kehren die Ameisen wieder um und laufen zurück zu ihrem Ausgangspunkt. Die nun neubeladenen Ameisen transportieren die Nahrung solange in Richtung Nest bis sie wieder auf unbeladene Ameisen treffen. An diesem Punkt findet eine erneute Übergabe der Nahrung statt. So entstehen mehrere Übergabestellen zwischen der Futterquelle und dem Nest. Durch die ständige Übergabe der Nahrung sind nicht immer dieselben Ameisen der Belastung durch den Transport ausgesetzt. Zudem können, durch Tempoausgleichungen zwischen schnelleren und langsameren Ameisen, Arbeitsstaus vermieden werden. Hierdurch ist es den Ameisen möglich, flexibel auf Veränderungen oder unerwartete Geschehnisse zu reagieren (Rittger, 2006, S.23).

2.1.3 Reaktion auf Veränderung

Die Reaktion auf Veränderungen ist eine weitere Eigenschaft der Schwarmintelligenz von Ameisen.

Wie bereits in Kapitel 2.1.2 - Entscheidungsfindung und Informationsübermittlung beschrieben, beginnt die Futtersuche von Ameisen zuerst durch desorientiertes Umherwandern. Bekannte Wege werden demnach häufiger von Ameisen abgelaufen. Sollten Ameisen jedoch neue Wege erkunden, hinterlassen Sie hierbei eine Pheromonspur die von nachfolgenden Ameisen erkannt wird. Sollte während dem Umherwandern der Ameisen jedoch ein Veränderung bzw. ein unerwartetes Geschehnis auftreten, müssen die Ameisen auf das Hindernis reagieren (Miller, 2007, S. 72-85). Wird z.B. die Pheromonspur eines Ameisenwegs durch einen umgestürzten Baum blockiert wäre die Versorgung der Gemeinschaft nicht mehr gewährleistet. Wissenschaftliche Berichte bestätigen, dass bei einem extremen Geschehnis, bezogen auf den Größenunterschiede zwischen Ameise und Hindernis, Chaos innerhalb der Gemeinschaft ausbricht. Hierbei bewegen sich die Ameisen unkontrolliert und desorientiert hin und her, ohne ein bestimmtes Ziel. Nach kurzer Zeit legt sich das Chaos innerhalb der Gemeinschaft und die Ameisen verfolgen wieder kontrolliert ihr gemeinsames Ziel. Da die Ameisen der vorherigen Pheromonspur nicht mehr folgen können, legen sie eine neue Spur auf einem, während des Chaos willkürlich geschaffenen, Weg. Durch die Reaktion der Ameisen auf die Veränderung ihrer Route, können sie erneut den möglichst effektivsten Weg nutzen und eine Informationsweitergabe durch die gelegte Pheromonspur gewährleisten (Scholz-Reiter & Jagalski, 2009, S.111).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 : Reaktion auf Hindernisse

Quelle: In Anlehnung an Scholz-Reiter & Jagalski, 2009

Während dem Umstürzen eines Baums ist davon auszugehen, dass einige der Insekten den Vorfall nicht überleben. Die Gemeinschaft ist jedoch von dem Ereignis nicht sonderlich betroffen. Da sich der Körperbau einzelner Ameisen nicht unterscheidet, werden die verstorbenen Insekten einfach durch nachrückende Ameisen ersetzt. Hierdurch kann die Funktionsfähigkeit und Effizienz der Gemeinschaft gewährleistet werden (Focke & Wasem, 2008, S. 154-158)

3. Internet der Dinge

Das Konzept „Internet der Dinge“ basiert auf dem Zusammenhang zwischen dem Internet, das als Globales Netzwerk dient, und der Schwarmintelligenz von Insekten (Borgmeier, Grohmann & Gross, 2017, S. 248-249). Bezogen auf das Fallbeispiel der vorliegenden Arbeit wird hierbei die Schwarmintelligenz von Ameisen betrachtet. Sämtliche Verhaltensweisen, die als Grundlage der Schwarmintelligenz dienen, wurden in den vorherigen Kapiteln beschrieben und nachfolgend mit dem Konzept „Internet der Dinge“ in Verbindung gebracht.

Das Internet der Dinge verbindet physische Gegenstände mit dem virtuellen Raum. Hieraus ergeben sich für einige Lebens- und Geschäftsbereiche neue Möglichkeiten. So lässt sich das Internet der Dinge beispielsweise als zukünftiges Konzept zur Steuerung von Logistiksystemen nutzen (Borgmeier, Grohmann & Gross, 2017, S. 248-249). Der Verständlichkeitshalber haben Wörn und Brinkschulte den Begriff der Steuerung genau definiert:

„Die Steuerung ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen“ (Wörn & Brinkschulte, 2006, S.7).

Laut wissenschaftlichen Experten sind einige der heute genutzten Logistiksysteme weder Nachhaltig noch zukunftssicher. Auf lange Sicht können die aktuell verwendeten Logistiksysteme den Erwartungen und Ansprüchen des Markts nicht gerecht werden. Dementsprechend werden für eine Modernisierung der Logistiksysteme Lösungsansätze gesucht. Vor allem die Schwarmintelligenz von Ameisen bzw. Insekten spielt hierbei eine zentrale Rolle. Mit Hilfe der Schwarmintelligenz erhoffen sich Wirtschaftswissenschaftler und Logistikexperten innovative Konzepte entwickeln zu können. Infolgedessen werden in den weiteren Abschnitten der vorliegenden Arbeit die bereits beschriebenen Erkenntnisse der Schwarmintelligenz mit der Entwicklung des Internet der Dinge analysiert und abschließend bewertet.

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