Industrielle Autonomie mit KI vorantreiben

Der Ersatz menschlicher Arbeit durch Maschinen hat weltweit insgesamt enorme Zugewinne an Wohlstand und Gesundheit ermöglicht. Er hat eine Vielzahl arbeitserleichternder, distanzüberwindender, kommunikationsermöglichender und wissenserweiternder Innovationen hervorgebracht, die unser modernes Leben prägen. Zugleich war er jedoch auch Auslöser schmerzhafter Umbrüche bestehender Strukturen und hat zahlreiche der gravierendsten Herausforderungen für den Menschen mit sich gebracht.

Von den entsetzlichen Arbeitsbedingungen und der lokalen Umweltverschmutzung der frühesten Industriefabriken in England – 1804 vom Dichter William Blake berühmt als „dark satanic mills“ beschrieben – bis hin zu übergreifenden strukturellen Herausforderungen wie Urbanisierung, Bevölkerungswachstum, sozialer Ungleichheit und Umweltzerstörung^*1 hat der unaufhaltsame Vormarsch der Industrialisierung auf globaler Ebene für jede Generation neue Probleme hervorgebracht. Erfreulicherweise werden viele dieser Herausforderungen heute durch staatliches Handeln angegangen – etwa durch erweiterte Arbeits- und Umweltvorschriften sowie durch effizientere, sicherere und nachhaltigere industrielle Prozesse.^*2

Die ambivalente Entwicklung unserer Beziehung zu Maschinen geht weiter und erreicht jetzt eine neue Phase.

Nach den Revolutionen der dampfbetriebenen Mechanisierung, der elektrisch betriebenen Massenproduktion sowie der durch Elektronik und IT geprägten Automatisierung argumentieren einige, dass wir uns heute in einer vierten industriellen Revolution befinden – einer Phase von Technologien, die physische, digitale und biologische Sphären miteinander verschmelzen.^*3 Darüber hinaus erzeugen diese Veränderungen in der wirtschaftlichen Produktion vielfältige Risiken, die nicht nur die Menschheit insgesamt, sondern auch die Industrie selbst betreffen.

Im Jahr 2023 identifizierte das World Economic Forum gemeinsam mit der Industrial Innovation Policy Group der University of Cambridge sowie der Organisation der Vereinten Nationen für industrielle Entwicklung (UNIDO) fünf zentrale Herausforderungen, denen sich die Industrie künftig stellen muss.^*4

An erster Stelle stehen die existenziellen Herausforderungen für unseren Planeten: „Umweltzerstörung, Ressourcenknappheit und die Notwendigkeit einer grünen Transformation.“ Der Ressourcenverbrauch und die CO₂-Emissionen müssen entlang der gesamten Wertschöpfungs- und Produktionskette erfasst und minimiert werden.^*5

Während sie diese enorme Aufgabe bewältigen, müssen sich Unternehmen zugleich auf Störungen der Lieferketten vorbereiten – etwa durch Klimakatastrophen, Pandemien, geopolitische Spannungen oder Cyberangriffe. Drittens erfordert die Einführung und Skalierung neuer Technologien wie KI den Aufbau neuer Rahmenwerke, um Fragen der Governance, Interoperabilität und Sicherheit zu adressieren. Cybersicherheitsrisiken müssen dabei gemeistert werden, während die digitale Transformation gleichzeitig weiter beschleunigt werden muss.^*6

Viertens müssen Qualifikationslücken, Arbeitskräftemangel und der Bedarf an Umschulung in der Belegschaft adressiert werden. Zugleich steht die Industrie vor der Aufgabe, das Erfahrungswissen langjähriger Anlagenfahrer und erfahrener Fachkräfte im Zuge des sogenannten „Great Crew Change“ weiterzugeben – also angesichts einer schrumpfenden qualifizierten Belegschaft durch Verrentung und fehlenden Nachwuchs.^*7 Zunehmend komplexe Anlagenbetriebe im 24/7-Modus drohen zudem, die Beschäftigten zu überlasten.

Und schließlich müssen Industrieunternehmen als wirtschaftliche Akteure ihre Ergebnisziele mit der Förderung „gesellschaftlicher Interessen und eines ausgewogenen Wachstums“ in Einklang bringen.^*8 Ein sozial gerechter und verantwortungsvoller Kapitalismus muss die Bedürfnisse aller relevanten Anspruchsgruppen berücksichtigen – nicht nur die der Anteilseigner.

Ein möglicher Weg durch dieses Dickicht komplexer Herausforderungen besteht darin, den Einsatz von KI und Automatisierung in industriellen Prozessen zu beschleunigen. Langfristig werden Anlagen und Betriebsabläufe ein höheres Maß an Autonomie erreichen: Sie sind in der Lage, selbstständig zu lernen, sich anzupassen und zu reagieren – bei minimaler menschlicher Interaktion. Bedienerinnen und Bediener können sich dadurch verstärkt auf übergeordnete Aufgaben wie Optimierung und kreative Tätigkeiten konzentrieren.

Das Whitepaper „Industries in the Intelligent Age“ argumentiert, dass KI und Automatisierung in der Industrie dazu beitragen werden, viele dieser Herausforderungen zu bewältigen. Sie steigern Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit erheblich, verbessern die Effizienz und minimieren Ressourcenverbrauch und Abfall – während gleichzeitig Mitarbeitende entlastet werden und sich stärker auf Kreativität, Überwachung und Entscheidungsfindung konzentrieren können.^*9

In der im Bericht enthaltenen Umfrage bewerten 89 % der Unternehmen KI als hochrelevant für industrielle Betriebsabläufe und planen, sie in ihre Produktionsnetzwerke zu integrieren. Tatsächlich steigert KI die Produktionseffizienz bereits heute: Frühzeitige Anwender berichten laut Studie von durchschnittlichen Einsparungen bei den Herstellungskosten von 14 %. Auch wenn der tatsächliche Einsatz von KI im Industriesektor bislang noch gering ist, sind die potenziellen Zugewinne insbesondere für industrielle Prozessanlagen laut McKinsey & Company erheblich.

„Betreiber industrieller Prozessanlagen sind besonders gut positioniert, um von den Vorteilen der KI zu profitieren. Viele stützen sich bereits stark auf datengestützte Entscheidungsfindung auf Basis von Prozessdaten“, heißt es in einem Bericht der Global Energy & Materials Practice von McKinsey. „Zudem haben die meisten Anlagen bereits erhebliche Investitionen in KI-relevante Grundlagen getätigt – etwa in Netzwerkkonzepte, Leitsysteme und die Erfassung historischer Daten.“^*10

Um den Einsatz von KI in der industriellen Automatisierung voranzutreiben und zu beschleunigen, entwickelt Yokogawa wegweisende Lösungen.

1975 brachte Yokogawa Electric mit CENTUM das weltweit erste verteilte Leitsystem auf den Markt. Im vergangenen Jahr stellte das Unternehmen die neueste Generation von CENTUM vor. CENTUM VP Release 7 ist darauf ausgelegt, die Vorteile von Automatisierung und KI für die Industrie weiter zu beschleunigen. Das System bietet einen erweiterten Umfang an Steuerungs- und Überwachungsfunktionen, prädiktive Überwachung sowie Möglichkeiten zur Reduzierung der Arbeitsbelastung von Bedienerinnen und Bedienern. Darüber hinaus verfügt es über erweiterte Cybersicherheitsfunktionen und schafft die Grundlage für KI-gestützte Anlagenbetriebe, die gezielt das Know-how von Anlagenfahrern und Fachkräften nutzen.

„In dieser Ära zunehmender Volatilität, Unsicherheit, Komplexität und Ambiguität werden die Anforderungen an Produktionsstandorte und deren Management immer anspruchsvoller“, sagt Mitsuhiro Yamamoto, Vice President von Yokogawa Electric. „Durch die Realisierung stabiler Betriebsabläufe und die Erweiterung des Autonomiegrads wird CENTUM VP Release 7 unsere Kunden dabei unterstützen, sowohl zu einer nachhaltigeren Gesellschaft als auch zu nachhaltigem Geschäftswachstum beizutragen.“

Yokogawa verfügt über eine beeindruckende Erfolgsbilanz in der Weiterentwicklung wegweisender Steuerungs- und Automatisierungstechnologien. Seit Jahrzehnten richtet das Unternehmen seine Innovationen konsequent an den sich wandelnden Anforderungen der Industrie und technologischen Entwicklungen aus: von den Anfängen der Computerisierung und Automatisierung in den 1970er-Jahren über die rasche Verbreitung von PCs, Internet und digitalen Technologien in den 1980er- und 1990er-Jahren, den Aufstieg mobiler und drahtloser Technologien in den 2000er-Jahren bis hin zu Big Data, Cloud Computing und IoT-Lösungen im vergangenen Jahrzehnt.

Im Zuge dieser Entwicklung wurde CENTUM kontinuierlich um neue Funktionen und Leistungsmerkmale erweitert. Ziel war es, technologische Trends und Innovationen besser zu integrieren und Kunden eine höhere „Zuverlässigkeit, Stabilität und Kontinuität“ in ihren industriellen Betriebsabläufen zu ermöglichen. Inzwischen in der zehnten Generation angekommen, sind weltweit rund 30.000 CENTUM-Systeme in mehr als 100 Ländern im Einsatz – und machen CENTUM zu einem Marktführer im Bereich verteilter Leitsysteme (DCS). Solche Systeme kommen typischerweise in Branchen wie Öl und Gas, Petrochemie, Chemie, Stahl, Zellstoff- und Papierindustrie, Energieerzeugung sowie Wasser- und Abwasseraufbereitung zum Einsatz.

Mit Blick in die Zukunft identifiziert das Unternehmen zwei zentrale Trends, bei deren Bewältigung seine Leitsysteme unterstützen werden: Zum einen Fortschritte in KI und Machine Learning, die prädiktive Instandhaltung, Qualitätskontrolle und automatisierte Optimierung ermöglichen, und zum anderen die Weiterentwicklung digitaler Zwillinge für Simulation und Optimierung. All diese Funktionen dienen dem übergeordneten Ziel autonomer Betriebsführung.

Neben der Entwicklung KI-fähiger Leitsysteme für Industrieanlagen hat Yokogawa bereits in verschiedenen Anwendungsfeldern gezeigt, wie industrielle KI konkrete Mehrwerte liefert.

Im Jahr 2022 implementierte Yokogawa gemeinsam mit dem damaligen Elastomer-Geschäftsbereich der JSR Corporation (heute Teil der ENEOS Materials Corporation) einen auf Reinforcement Learning basierenden KI-Algorithmus mit dem Namen Factorial Kernel Dynamic Policy Programming (FKDPP). Dieser Algorithmus wurde 2018 gemeinsam von Yokogawa und dem Nara Institute of Science and Technology (NAIST) entwickelt und auf einer IEEE International Conference on Automation Science and Engineering als weltweit erste Reinforcement-Learning-KI ausgezeichnet, die für das Anlagenmanagement eingesetzt werden kann. In einem Chemiewerk von JSR, in dem ein Rohstoff für synthetischen Kautschuk hergestellt wird, erzielte Yokogawa eine Weltpremiere: Durch die Integration der KI in CENTUM gelang es, eine Anlage über einen Zeitraum von 35 Tagen autonom und sicher zu betreiben. Dabei wurden die Produktqualität stabilisiert, hohe Ausbeuten erzielt und gleichzeitig Energie eingespart.

Yokogawas KI-Lösung steuerte den Betrieb der Industrieanlage auch im Anschluss weiter, und nach einer einjährigen Testphase wurde die auf Reinforcement Learning basierende KI offiziell eingeführt – ein weiterer weltweiter Meilenstein. FKDPP wird zur Automatisierung von Ventilsteuerungen eingesetzt und hat zu einer deutlich geringeren Arbeitsbelastung der Bedienerinnen und Bediener geführt. Gleichzeitig konnten die Herstellung von Produkten außerhalb der Spezifikation vollständig vermieden sowie der Dampfverbrauch und die CO₂-Emissionen um 40 % reduziert werden – was sowohl Energieeinsparungen als auch Kostensenkungen bedeutet.

Aufbauend auf diesem Erfolg implementierte Yokogawa im Jahr 2025 mehrere koordinierte, autonome Regelungs-KI-Agenten auf Basis von FKDPP in der von Aramco betriebenen Fadhili Gas Plant – einem der weltweit führenden integrierten Energie- und Chemieunternehmen. Die KI-Lösung steuert und optimiert dort die Prozesse zur Entfernung saurer Gase (Acid Gas Removal, AGR) direkt und autonom, um den Energie- und Chemikalienverbrauch zu reduzieren.

Rund zwei Jahrhunderte nach Inbetriebnahme der ersten modernen Industriefabrik in England^*11 und 50 Jahre nach der Einführung des ersten verteilten Leitsystems arbeitet Yokogawa an einer Zukunft, in der Industrieanlagen Leistungen jenseits menschlicher Grenzen erbringen – und zugleich das menschliche Potenzial weiter freisetzen.

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Referenzen

*1 Britannica: https://www.britannica.com/story/the-rise-of-the-machines-pros-and-cons-of-the-industrial-revolution 
*2 Britannica: https://www.britannica.com/topic/industrialization 
*3 World Economic Forum: https://www.weforum.org/stories/2016/01/the-fourth-industrial-revolution-what-it-means-and-how-to-respond/ 
*4 World Economic Forum: https://www3.weforum.org/docs/WEF_The_Future_of_Industrial_Strategies_2023.pdf 
*5 World Economic Forum: https://www.weforum.org/publications/net-zero-industry-tracker-2024/ 
*6 World Economic Forum: https://initiatives.weforum.org/cyberresilienceindustries/activities 
*7 451 Alliance: https://blog.451alliance.com/smart-technologies-respond-to-industrys-great-crew-change/ 
*8 World Economic Forum: https://www3.weforum.org/docs/WEF_The_Future_of_Industrial_Strategies_2023.pdf 
*9 World Economic Forum: https://www.weforum.org/stories/2025/01/why-manufacturers-should-embrace-next-frontier-ai-agents/ 
*10 McKinsey & Company: https://www.mckinsey.com/industries/metals-and-mining/our-insights/ai-the-next-frontier-of-performance-in-industrial-processing-plants?cid=soc-web#/ 
*11 Historic England: https://historicengland.org.uk/whats-new/research/back-issues/when-soho-led-the-world/