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Informatik

Hightech-Forscher schwärmen für Insekten

Industrieanlagen können effizienter produzieren, wenn sich die Prozessplanung am Verhalten von Tieren orientiert. Klagenfurter Forscher entwickelten dafür einen „Schwarm-Algorithmus“ nach dem Vorbild von Ameisen.

Manchmal ist die Natur gewitzter als die klügsten Wissenschaftler. Und so kommt es, dass selbst Hightech-Experten sich bei Tieren abschauen, wie man bestimmte Probleme am besten löst. Ein Kärntner Forscherteam untersuchte im Rahmen eines von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG unterstützten Projekts, wie sich Verhaltensweisen von Ameisen oder Bienen auf die Planung von industriellen Fertigungsprozessen umlegen lassen.

Eines der Ergebnisse: Vertraut man auf die „Intelligenz“ der Tiere und plant die Produktion auf miteinander vernetzten Anlagen nach deren Vorbild, lässt sich die Effizienz des Gesamtsystems steigern. „Die Verbesserung liegt im einstelligen Prozentbereich, was für die Unternehmen einen großen finanziellen Gewinn bedeutet“, sagt Wilfried Elmenreich, Projektleiter an der Universität Klagenfurt. Es wie die fleißigen Insekten zu machen, zahlt sich also aus. Die Optimierung von Herstellungsprozessen auf miteinander vernetzten Produktionsanlagen werfe, so erklärt Elmenreich, sehr komplexe Fragestellungen auf, die sogar Computer vor kaum lösbare Probleme stellen. So geht es unter anderem darum, zu entscheiden, welche Chargen am besten wann und in welcher Reihenfolge von welcher Maschine bearbeitet werden.

Chargen agieren wie Ameisen

Dabei wiederum sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen: Welche Maschinen schaffen mehrere Chargen gleichzeitig? Welche Chargen sind Eilbestellungen und müssen früher fertig sein? „Herkömmliche Modellierungen und Simulationen nehmen vor allem bei hohen Losgrößen so viel Rechenkapazität in Anspruch, dass selbst sehr leistungsfähige Computer nicht in einer annehmbaren Zeit fertig werden“, betont Elmenreich. Teiloptimierungen seien zwar möglich, „aber die liefern oft nicht die beste Lösung für das Gesamtsystem“.

Ameisen sind da schlau: Sie organisieren sich selbst, beispielsweise auf der Suche nach Futter oder nach Bauteilen für ihren Haufen. Dabei verlassen sie sich auf Pheromone, mit denen sie ihre Wege markieren. Häufig genutzte Wege sind intensiv markiert und werden entsprechend noch stärker bevorzugt. Ist ein solcher Weg unterbrochen oder kommt es zu einem Stau, werden Alternativrouten interessant.

„Das scheint, wenngleich vielleicht nicht optimal, so zumindest sehr gut zu funktionieren“, sagt Elmenreich. „Ein Computer hätte Probleme, das zentral zu steuern.“ Die Klagenfurter Forschenden haben dieses „Schwarmverhalten“ der Ameisen in einen Algorithmus eingebaut: Die Ameisen repräsentieren dabei die zu bearbeitenden Chargen, das Futter stellt die Maschinen dar.

In Zusammenarbeit mit dem Halbleiterhersteller Infineon Technologies Austria sowie dem Software-Spezialisten Novunex und dem Forschungsinstitut Lakeside Labs wurde auf diese Weise ein „Schwarm-Algorithmus“ gefunden, bei dem, so Elmenreich, „die Vielzahl der beteiligten Agenten nicht ein Problem darstellt, sondern Teil der Lösung ist – wie eben bei den Ameisen“. Die Computer benötigen mit dieser Methode vergleichsweise geringe Rechenressourcen.

Die Wissenschaftler nahmen darüber hinaus Verhaltensmuster von Bienen bei der Futtersuche und von bestimmten Amöben unter die Lupe. Nun wollen sie herausfinden, wie sich das System welcher Tiere für unterschiedliche Produktionsszenarien eignet.

In Zahlen

10 Billiarden Ameisen leben schätzungsweise auf der Welt.

1 Million Insektenarten gibt es etwa (rund 70 Prozent aller Tierarten). Ameisen machen davon 9500 Arten aus. Eine Kolonie Blattschneiderameisen hat bis zu 10 Millionen Tiere. In Mitteleuropa sind ca. 30.000 Insektenarten heimisch.