Achtung: Die Digitalisierung kommt!

Die Digitalisierung vollbringt heute wahre Wunder: Advanced Analytics im Top-Management. Effiziente Logarithmen (!) zum Durchforsten von Daten. Das Tollste sind aber die intelligenten Roboter, die Word und Excel lernen. Diese Ideen stammen nicht von mir! Das sind einige Vorstellungen von Digitalisierung, die ich kürzlich in einem Buch einer Unternehmensberatung las. In einer Firma erledigen über hundert Roboter die Arbeit von 250 Mitarbeitern, die wenige „menschliche Aufpasser“ haben. „Oh weh“, dachte ich mir beim lesen. Hoffentlich werden diese Leute nicht krank, ansonsten ist der Roboteraufstand nicht mehr weit.

Mehr Selbermachen, anstatt Zuhören, bis das Ohr glüht

Der Begriff der Digitalisierung ist heute in aller Munde. Damit ist es an der Zeit, dieses Thema im Studium aufzugreifen. Am Hochschulcampus Tuttlingen bot sich dazu das Fach Programmieren 2 im Studiengang Medizintechnik und Produktionstechnik an. Selbermachen war die Devise, anstatt neunzig Minuten gelangweilt dem Professor zu lauschen. Bei einer reinen Vorlesung lernen die Teilnehmer am Ende oftmals stupide Fakten auswendig, ohne das Ganze wirklich zu begreifen. Unser Ziel war es die Studierenden mit praktischen Fähigkeiten auszustatten: Programmieren lernen, Ideen entwickeln, im Team arbeiten, Ergebnisse präsentieren, usw.

Im Rahmen dieses Seminars bearbeiteten die Studierenden einige Fallstudien zur Digitalsierung. Im Mittelpunkt standen drei wesentliche Dinge: erstens, das Potential digitaler Produkte in der Industrie begreifen. Zweitens, wichtige Konzepte des Programmierens zu erlernen. Und drittens konkrete Algorithmen in der Praxis einzusetzen. Moderne Entwicklungsmethodiken – wie das Paarprogrammieren – probierten wir auf diesem Weg in der Praxis aus.

Digitalisierung und Industrie 4.0 begreifen

Der Begriff Industrie 4.0 beschreibt das Optimieren der industriellen Produktion mit Software. Die gesamte Prozesskette von der Materialbestellung, über die Produktion bis zum Kundenservice wird durch Algorithmen automatisiert. In mehreren Praktika simulierten wir das Prinzip der Industrie 4.0 mit Hilfe des objektorientierten Programmierens. Wir betrachteten eine Fertigung von verschiedenen Produkten mit mehreren Maschinen. Die einzelnen Produkte besaßen die notwendigen Informationen über ihren genauen Herstellungsprozess. Mit fiktiven Sensorwerten simulierten wir den Verschleiß an den Maschinen. Ein Algorithmus bestimmte im Anschluss den optimalen Wartungszeitpunkt und benachrichtigte den Wartungsservice.

Das alleinige Sammeln von Daten schafft keinen Mehrwert. Erst die Analyse mit selbstlernenden Algorithmen erzeugt einen zusätzlichen Nutzen. Zum Verstehen dieser Art von Algorithmen setzen wir neuronale Netze ein. Wir erstellten ein intelligentes System zum Erkennen von Ziffern. Dazu eignete sich die MNIST-Datenbank, die eine große Anzahl von handgeschriebenen Ziffern enthält. Die Aufgabe bestand im Einlesen dieser Datenmenge, dem Anlernen des Netzes und der Analyse des Lernerfolges.

Mit Programmieren Routineaufgaben automatisieren

Neben den vorgegebenen Fallstudien erhielten die Teilnehmer die Aufgabe ein eigenes Projekt im Team umzusetzen. Das Ziel dabei war das Arbeiten im Team zu üben. Vier Aspekte hat die zu programmierende Software zu erfüllen:

• Funktionalität: Der Bedarf der Kunden ist zu verstehen und mit Algorithmen in sinnvolle und stimmige Funktionen umzusetzen.
• Codegestaltung: Der Code ist strukturiert und modular mit Hilfe grundlegender Programmierrichtlinien aufzubauen.
• Bedienbarkeit: Die Oberfläche der Software hat die wesentlichen Anforderungen an eine gute Benutzerfreundlichkeit zu erfüllen.
• Präsentation: Das Ergebnis ist in Form eines Verkaufsgesprächs (Pitch) mit einer aussagekräftigen Geschichte in wenigen Minuten zu präsentieren.

Eine Studentengruppe nahm sich die Big Bang Theorie zum Vorbild (Staffel vier, Folge 1). Sie entwickelten mit Hilfe eines 3D-Druckers und der Open Source Plattform Arduino eine Roboterhand. Die einzelnen Finger dieser Roboterhand sind über eine Android-App per Menüeingabe oder Sprache steuerbar. Mit diesem Projekt „Moving Fingers“ könnten Menschen mit Behinderungen die Bewegungen mit Hilfe einer künstlichen Hand durchführen.

Andere Seminarteilnehmer entwickelten im Team tolle Ideen und gute Umsetzungskonzept, beispielsweise:

• Terminorganisation in der Arbeitsmedizin: Eine optimale Organisation von Prozessen und das schnelle Planen ist ein zentraler Aspekt in der Digitalisierung. Fünf Studierende programmieren für ein Unternehmen der Arbeitsmedizin eine Organisationssoftware, die mittels einer SQL-Datenbank eine automatisierte Terminverwaltung durchführt.
• Klinisches Informationssystem: In Krankenhäusern sind Informationssysteme eine wesentliche Komponente, um eine schnelle Kommunikation zwischen Arzt, Pfleger und Patient zu gewährleisten. Vier Studenten erstellten eine App, um Patientendaten einzugeben, Vitalparameter abzulesen und eine Diagnose durchzuführen.
• Verwalten von Feuerwehreinsätzen: Nach jedem Einsatz übermittelt die Feuerwehr verschiedenste Daten an die Gemeinde. In vielen Feuerwehren erfolgt die Datenerfassung mühsam über ein Papierformular. Das Team erstellte für die Feuerwehr Nusplingen eine Software, um diesen Verwaltungsprozess zu digitalisieren und einfacher zu gestalten.
• Automatisierte Qualitätsberichte: Viele Unternehmen erstellen Berichte für das Qualitätsmanagement manuell per Hand. Drei Studenten automatisierten diesen Prozess mit Hilfe einer selbstgeschriebenen Software. Für eingelesene Datenwerte berechnet die Software zentrale Prozesskennwerte, erstellt einen Bericht mit den gewünschten Diagrammen und verschickt diesen automatisch an die entsprechenden Mitarbeiter.
• Fragebogen für Lehr-Evaluation: Viele Hochschulen führen Evaluierungen immer noch per Papier durch. Eine Gruppe von Studenten entwickelte ein Programm zum Entwurf von digitalen Fragebögen. Das Auswerten der Antworten erfolgt grafisch mit einer Zusammenstellung der Freitexte.
• Fertigungsplanung: Das digitale Planen von Aufträgen ist eine zentrale Herausforderung der Industrie 4.0. Ein Team von Studenten programmierte eine Software zum Verwalten von Aufträgen, Maschinenfuhrpark, Materiallager und Produkten. Das Programm berücksichtigt die Maschinendaten und hält für jede Maschine die zeitabhängigen Statusinformationen fest.
• Digitale Qualitätsprüfung: In vielen Unternehmen entsteht ein großer Aufwand beim Erfassen und Auswerten von Messdaten per Hand. Ein Team von vier Studenten entwickelte für ein Unternehmen der Medizintechnik eine benutzerfreundliche Software, um potentielle Fehlerquellen zu reduzieren und den Produktionsprozess zu verbessern.

Die Präsentation der Projekte erfolgte mit einem Pitch, wie in der TV-Sendung „Die Höhle der Löwen“. Ein Pitch beginnt entweder mit einem Vergleich oder mit einer einprägsamen Geschichte, die beispielsweise das Projekt mit einem persönlichen Ereignis verbindet. Mit dieser Erzählstrategie (engl. Storytelling) ist das Interesse bei Kunden oder Investoren zu wecken. Die Botschaft muss dazu deutlich und teilweise zugespitzt formuliert sein, um eine nachhaltige Wirkung zu erzielen.

Alle Teilnehmer der Veranstaltung Programmieren 2 investierten viel Zeit und Energie in ihre Projekte. Diese Arbeiten zeigen, wie wir heute die Digitalisierung in die Praxis umsetzen können.