Logistik 4.0 E-Book

Inga Pollmeier

• Herausgeber: Kohlhammer Verlag
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2022

Seitenzahl: 402

Beschreibung

Die Logistik bildet die zentrale Querschnittsfunktion einer modernen, arbeitsteiligen Wirtschaft und sorgt im jeweiligen Unternehmen für die effiziente Organisation, Durchführung und Kontrolle sämtlicher betrieblicher Güter- und Informationsflüsse. Entsprechend große Gestaltungsspielräume eröffnet "Industrie 4.0" in diesem Funktionsbereich, geht es doch um die (informationstechnische) Vernetzung von Menschen, Maschinen und Objekten im Rahmen betrieblicher Wertschöpfungsketten, die ohne logistische Begleitprozesse nicht konkurrenzfähig zu steuern sind. Das geplante Werk stellt Möglichkeiten und Grenzen der Digitalisierung und Vernetzung in den einzelnen Logistik(teil)bereichen verständlich strukturiert zusammen.

Leseprobe

Moderne Produktion

herausgegeben von Marion Steven

Inga Pollmeier/Sonja Schade

Logistik 4.0

Eine Analyse ausbetriebswirtschaftlicher Sicht

Verlag W. Kohlhammer

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1. Auflage 2022

Alle Rechte vorbehalten

© W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart

Gesamtherstellung: W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart

Print:

ISBN 978-3-17-034594-2

E-Book-Formate:

pdf:      ISBN 978-3-17-034595-9

epub:   ISBN 978-3-17-034596-6

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Vorwort

Der Begriff Industrie 4.0 steht seit nunmehr einem Jahrzehnt für die Anwendung der Digitalisierungstechnologien in der Fertigungsindustrie, die grundlegende Veränderungen der unternehmensübergreifenden Wertschöpfungsaktivitäten und damit den Übergang in ein neues Zeitalter der Industrialisierung begründen. Auf der Grundlage einer durchgängigen Digitalisierung und informationstechnischen Vernetzung sämtlicher Produktions- und Wertschöpfungsprozesse wird angestrebt, die Fertigungsabläufe weitestgehend autonom, dezentral und in Echtzeit zu steuern. Dies erfordert den Einsatz intelligenter Objekte, Maschinen und Werkzeuge, die mit Hilfe des Internets der Dinge und Dienste untereinander und mit den Menschen kommunizieren.

Da viele Digitalisierungstechnologien auf die Bereitstellung und den Transport von Einsatzmaterialien zur Unterstützung und Optimierung der Produktion abzielen, kommt der Logistik 4.0 innerhalb der Industrie 4.0 eine große Bedeutung zu. Der Begriff Logistik 4.0 fasst die auf der Digitalisierung aufbauenden Methoden zusammen, die sich zur Entwicklung, Gestaltung, Lenkung und Überwachung von Objekt- und Informationsflüssen in inner- und zwischenbetrieblichen Produktionsnetzwerken nutzen lassen. In Industrie und Forschung findet das Thema Logistik 4.0 immer mehr Beachtung, da der Einsatz der im Rahmen von Industrie 4.0 entwickelten Technologien und Konzepte in der Logistik zahlreiche Potentiale zur Steigerung der Effektivität und Effizienz der logistischen Prozesse verspricht. Logistische Prozesse, Objekte und Akteure können so besser vernetzt, intelligente, sich selbst steuernde und lernfähige logistische Prozesse und Systeme erzeugt sowie Entscheidungsprozesse durch digital verfügbare und ausgetauschte Informationen beschleunigt und verbessert werden. Infolgedessen lassen sich die Logistikkosten senken und die Wettbewerbsfähigkeit am Produktionsstandort Deutschland sichern.

Ziel dieses Buches ist es, die Potentiale der Logistik 4.0 aus betriebswirtschaftlicher Sicht darzustellen und zu bewerten. Dazu wird dem Leser zum einen ein umfassender Einblick in die Anwendung der verschiedenen Methoden und Instrumente sowie die damit einhergehenden Veränderungen der logistischen Prozesse in der Beschaffungs-, Produktions- und Distributionslogistik gegeben. Mit dem Logistik 4.0-Reifegrad wird dem Leser zum anderen ein Konzept zur Beurteilung der digitalen Reife der logistischen Prozesse von Unternehmen vorgestellt.

Das Buch gliedert sich in insgesamt sechs Kapitel. Einleitend zeigt das erste Kapitel das Spannungsfeld der Logistik 4.0 auf. Das zweite Kapitel ordnet die Logistik 4.0 zunächst in den Kontext der Industrie 4.0 ein, wozu grundlegende Begriffe und deren Zusammenhänge erläutert werden. Anschließend werden cyberphysische Systeme, das Internet der Dinge und Dienste, Big Data und das Cloud Computing als Basistechnologien einer Logistik 4.0 vorgestellt. Künstliche Intelligenz, die Blockchain-Technologie sowie Virtual und Augmented Reality werden darüber hinaus als weitere bedeutende Technologien einer Logistik 4.0 eingeführt. Im dritten Kapitel werden die Ansatzpunkte der Digitalisierung und ihre Auswirkungen auf die Beschaffungsprozesse herausgearbeitet. Auf die Gestaltung der Lieferantenbeziehungen, die Auswahl der Beschaffungsgüter, die Identifikation und Lokalisation der Materialien sowie die Kostenwirkungen einer digitalisierten Beschaffungslogistik wird dabei konkret eingegangen. Im vierten Kapitel schließt sich die Betrachtung der Produktionslogistik 4.0 an. Die durch digitale Fertigungskonzepte wie z. B. cyberphysische Systeme hervorgerufenen Veränderungen der innerbetrieblichen Transformationsprozesse werden konkret im Bereich der Layout- und Fabrikplanung, der additiven Fertigung, der Digitalisierung der Lagertechnik und dem Einsatz von intelligenten innerbetrieblichen Transportsystemen aufgezeigt. Weiterhin werden die Potentiale einer digitalen Wertschöpfung, wie sie das Konzept Manufacturing as a Service ermöglicht, für produzierende Unternehmen untersucht. Mit der Distributionslogistik 4.0 stehen im fünften Kapitel sämtliche mit der Auslieferung der Produkte an den Kunden verbundenen Vorgänge im Mittelpunkt. Die Potentiale der Digitalisierung und Vernetzung werden konkret im Bereich der Kommissionierung sowie der Automatisierung aller logistischen Verkehrsträger auf der Straße, auf der Schiene sowie im Wasser und in der Luft betrachtet. Zudem werden die Transport- und Auslieferungsvorgänge an den Endkunden auf der letzten Meile sowie die Rolle der Logistik in einer Smart City, einer intelligenten Stadt der Zukunft, thematisiert. Das sechste Kapitel befasst sich abschließend mit dem Logistik 4.0-Reifegrad, der nicht nur eine Selbsteinschätzung von Unternehmen im Hinblick auf die digitale Reife ihrer Logistikprozesse erlaubt, sondern auch ein wichtiges Entscheidungskriterium bei der Auswahl von Partnern in der Supply Chain darstellt.

Die Zielgruppe dieses Buches sind Praktiker aus Industrie und Beratung, aber auch Studierende der Betriebswirtschaftslehre oder des Wirtschaftsingenieurwesens sowie Dozenten und Lehrende dieser Fächer.

Für die Aufnahme in die Reihe »Moderne Produktion«, die rege Unterstützung bei diesem Buchprojekt und den fachlich jederzeit sehr konstruktiven Austausch bedanken wir uns ganz herzlich bei Frau Prof. Dr. Marion Steven. Dem Kohlhammer Verlag, insbesondere Herrn Dr. Uwe Fliegauf, danken wir für die gute Zusammenarbeit und die Herausgabe dieses Buchs.

Dortmund und Hattingen, im April 2022

Inga Pollmeier und Sonja Schade

Inhalt

Vorwort

1   Einführung

2   Grundlagen einer Logistik 4.0

2.1   Einordnung von Logistik 4.0 in Industrie 4.0

2.1.1   Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung der Industrie 4.0

2.1.2   Logistikbegriff und Bausteine einer Logistik 4.0

2.2   Digitalisierung und Vernetzung als Basistechnologien einer Logistik 4.0

2.2.1   Cyberphysische Systeme

2.2.2   Internet der Dinge und Dienste

2.2.3   Big Data

2.2.4   Cloud Computing

2.3   Weitere Technologien einer Logistik 4.0

2.3.1   Künstliche Intelligenz

2.3.2   Blockchain-Technologie

2.3.3   Virtual und Augmented Reality

3   Beschaffungslogistik 4.0

3.1   Ziele und Aufgaben der Beschaffungslogistik

3.2   Ansatzpunkte der Digitalisierung in der Beschaffungslogistik

3.3   Instrumente der Beschaffungslogistik 4.0

3.3.1   Digitale Unterstützung der Lieferantenbeziehungen

3.3.2   Digitale Unterstützung der Beschaffungsgüterauswahl

3.3.3   Identifikation und Lokalisation in der Materialwirtschaft

3.3.4   Weitere Ansatzpunkte für eine Digitalisierung der Beschaffung

3.4   Kostenwirkungen der Digitalisierung in der Beschaffungslogistik

4   Produktionslogistik 4.0

4.1   Ziele und Aufgaben der Produktionslogistik

4.2   Entwicklung der Digitalisierung in der Fertigung

4.3   Instrumente der Produktionslogistik 4.0

4.3.1   Digitale Layout- und Fabrikplanung

4.3.2   Additive Fertigung

4.3.3   Digitale Lagertechnik

4.3.4   Intelligente innerbetriebliche Transportsysteme

4.4   Manufacturing as a Service

4.4.1   Organisatorische Anforderungen an die Umsetzung eines MaaS-Konzepts

4.4.2   Technische Anforderungen an die Umsetzung eines MaaS-Konzepts

5   Distributionslogistik 4.0

5.1   Ziele und Aufgaben der Distributionslogistik

5.2   Digitalisierungspotentiale in der Distributionslogistik

5.3   Instrumente der Distributionslogistik 4.0

5.3.1   Intelligente Kommissionier-Strategien

5.3.2   Intelligente außerbetriebliche Transportsysteme – Straße und Schiene

5.3.3   Intelligente außerbetriebliche Transportsysteme – Wasser und Luft

5.3.4   Herausforderungen auf der letzten Meile

5.4   Die Weiterentwicklung der City Logistik hin zu einer Smart City

6   Logistik 4.0-Reifegrad

6.1   Grundlagen Reifegradmodelle

6.1.1   Aufbau und Vorgehensweise von Reifegradmodellen

6.1.2   Reifegradmodelle für Industrie 4.0

6.2   Konzeption eines Logistik 4.0-Reifegradmodells

6.2.1   Auswahl der Technologien und Ziele

6.2.2   Definition der Reifegradstufen

6.2.3   Wirkungsmatrix

6.2.4   Visualisierung

6.2.5   Aggregation zum Logistik 4.0-Reifegrad

6.3   Möglichkeiten und Grenzen des Logistik 4.0-Reifegradmodells

Literatur

1          Einführung

Digitalisierung und Automatisierung sind wie der Begriff der Industrie 4.0 in den vergangenen Jahren im industriellen wie auch im wissenschaftlichen Bereich in aller Munde. Fortschreitende technologische Entwicklungen auf der einen Seite und der Wettbewerbsdruck, diese Entwicklungen auch erfolgreich in den Alltag umzusetzen, auf der anderen Seite führen dazu, dass sich die Gesellschaft zunehmend mit den verschiedensten 4.0-Anwendungen beschäftigen muss. Im Gesamtkomplex der Industrie 4.0 spielt dabei insbesondere die Logistik 4.0 eine große Rolle. Viele Digitalisierungstechnologien zielen auf die Bereitstellung und den Transport von Einsatzmaterialien zur Unterstützung und Optimierung der Produktion ab und bilden somit den Kern der digitalisierten Logistik (vgl. Werner 2017, S. 29 ff.).

Der Ursprung der Logistik geht dabei zum einen zurück auf die Verkehrsbetriebslehre, die sich mit der Gestaltung von Abläufen in Transportunternehmen beschäftigt, und zum anderen auf die Materialwirtschaft, deren Fokus auf der innerbetrieblichen Materialversorgung liegt. Bei der Logistik steht die möglichst effiziente und kostengünstige Abwicklung von Transport, Umschlag und Lagerung (TUL) im Vordergrund, die als logistische Kernprozesse gelten und auch als TUL-Prozesse bezeichnet werden. Seit den 1980er Jahren bekommt im Zuge des Supply Chain Managements die unternehmensübergreifende Koordination von Materialflüssen in der Wertschöpfungskette eine immer größere Bedeutung (vgl. Göpfert 2013, S. 24 ff.). Dabei profitiert die Logistikbranche zunehmend von der verbesserten Informationsvernetzung, denn erst durch die Echtzeit-Verfügbarkeit von Informationen auf den unterschiedlichen Stufen der Wertschöpfung lässt sich der Vernetzungsgedanke des Supply Chain Managements in die Realität umsetzen

In einer flussorientierten Sichtweise versteht man unter der Logistik die integrierte Planung, Gestaltung, Abwicklung und Kontrolle des gesamten physischen Materialflusses und der zugehörigen Informationsflüsse von den Zulieferern in das Unternehmen hinein, innerhalb des Unternehmens und vom Unternehmen zu seinen Abnehmern. Der Fokus liegt somit auf der Durchführung von raum-zeitlichen Gütertransformationen sowie den zugehörigen unterstützenden Prozessen und Dienstleistungen (vgl. Weber/Kummer 1998, S. 9 ff.; Pfohl 2018; Steven 2015, S. 2 f.).

Um die dabei auftretenden Datenmengen zu bewältigen, wurde in fast allen Teilbereichen der Logistik schon früh auf IT-Unterstützung zurückgegriffen. Insbesondere die Möglichkeit, anfallende Material- und Informationsflüsse in Echtzeit aufeinander abzustimmen, führt zu einer Neugestaltung von Logistikprozessen. Analog zu den Digitalisierungsbestrebungen in anderen Funktionsbereichen der Industrie wie beispielsweise in der Beschaffung 4.0, im Personal 4.0 in der Instandhaltung 4.0 oder auch im Marketing 4.0 wandelt sich die Logistik zu einer Logistik 4.0 (vgl. Dörseln 2020; Hirsch-Kreinsen 2020; Steven/Grandjean 2020).

Dabei bilden verschiedene Digitalisierungstechnologien das Grundgerüst, welches sowohl die Produktionsprozesse in der Industrie 4.0 als auch die Bereitstellungsfunktionen in der Logistik 4.0 unterstützen ( Abb. 1.1):

•  Smarte Objekte kommunizieren autonom Informationen über ihre Identität und ihre Zustände.

•  Die autonom erfassten Daten werden über das Internet der Dinge dezentral an verschiedenen Orten in Echtzeit verfügbar gemacht.

•  Im Cloud Computing werden Daten dezentral verwaltet und gespeichert, sodass an verschiedenen Standorten auf diese Daten und Services über das Internet zurückgegriffen werden kann.

•  Eine hohe Datenverfügbarkeit erweitert zudem die Möglichkeiten der Datenanalyse in Big Data und bietet die Grundlage einer fundierten Entscheidungsunterstützung.

•  Die Verfügbarkeit von großen Datenmengen bildet wiederum die Basis der künstlichen Intelligenz, mithilfe derer Maschinen lernen, intelligente Entscheidungen auf Basis von umfassenden Vergleichsanalysen mit zuvor eingegebenen Vergleichsmustern zu treffen.

Abb. 1.1: Spannungsfeld der Logistik 4.0

Die genannten Technologien unterstützen gleichermaßen die Digitalisierung von Produktion und Logistik und finden ihren Einsatz in verschiedensten smarten Anwendungen. Angefangen bei smarten Produkten wie z. B. Werkzeugen, die ihren Abnutzungsgrad anzeigen, über smarte Gebäude, die ihre Haustechnik oder Zugangsberechtigungen digital steuern, bis hin zur digitalen Regelung der Energieversorgung zeigt sich die Vielseitigkeit der Einsatzmöglichkeiten. Im Bereich der Logistik finden sich von smarten Services wie dem Auftragstracking über smarte Mobilitätsalternativen wie autonome Fahrzeuge oder Drohnen bis hin zu komplexen Smart City-Konzepten unterschiedlichste Beispiele für das Potential der Digitalisierung. Die Vielseitigkeit und Verschiedenheit der Konzepte, Methoden und Instrumente, die eine digitalisierte Logistik ausmachen und damit weit über die klassische Logistik hinausgehen, lassen sich in einer Arbeitsdefinition Logistik 4.0 zusammenfassen:

Unter dem Begriff Logistik 4.0 werden sämtliche, auf der Digitalisierung aufbauenden Methoden zusammengefasst, die zur Entwicklung, Gestaltung, Steuerung und Kontrolle von Material- und Informationsflüssen in inner- und zwischenbetrieblichen Wertschöpfungsnetzwerken eingesetzt werden. Logistik 4.0 umfasst den Einsatz der Technologien und Konzepte von Industrie 4.0 in der Logistik. Dadurch können logistische Prozesse, Objekte und Akteure besser vernetzt werden, intelligente, sich selbst steuernde und lernfähige logistische Prozesse und Systeme erzeugt werden und Entscheidungsprozesse durch digital verfügbare und ausgetauschte Informationen beschleunigt und verbessert werden.

Die starke Fokussierung auf effiziente Prozesse wirkt sich auf die Kostensituation in der Logistik aus, wobei der Anteil der Logistikkosten an den Gesamtkosten je nach Branche auf 5-8 % geschätzt wird (vgl. Schulte 2017, S. 14). Somit besteht gerade in der Logistik ein großes Potential, durch den Einsatz von digitalen Technologien die Wertschöpfungsprozesse effektiver und effizienter zu gestalten. In einer Bitkom-Studie aus dem Jahr 2017 bei 508 Unternehmen der Logistikbranche wurde hinterfragt, welche Vorteile diese durch den Einsatz von digitalen Technologien im Logistikbereich erwarten ( Abb. 1.2). Dabei zeigte sich, dass fast alle befragten Unternehmen mit einer Senkung der Logistikkosten und einer Beschleunigung der Prozesse innerhalb der Transportkette rechnen. Ein etwas kleinerer Anteil der Befragten geht davon aus, dass die Transportketten weniger fehleranfällig werden, und gut die Hälfte erwartet eine Reduktion der Umweltbelastungen durch die Transportprozesse (vgl. Bitkom 2017). Somit leistet die Digitalisierung der Logistik einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der elementaren unternehmerischen Ziele.

Abb. 1.2: Erwartungen an die Logistik 4.0 (vgl. Bitkom 2017)

Weitere Bitkom Recherchen ergaben bereits zwei Jahre später ein deutlich differenzierteres Bild der unternehmerischen Erwartungshaltung hinsichtlich einer digitalisierten Logistik (vgl. Bitkom 2019). Neben Zeit- und Kostenersparnis sowie sinkender Fehleranfälligkeit und Umweltbelastung, die auch 2017 bereits antizipiert wurden, sehen die befragten Unternehmen zudem Digitalisierungschancen bezüglich der Arbeitsplatzgestaltung sowie der Möglichkeiten, mehr Kundenservice anzubieten ( Abb. 1.3). Während sie zum einen von geringeren körperlichen Belastungen für die Mitarbeiter ausgehen (35 %), erwarten sie zum anderen attraktivere Arbeitsplätze (9 %). Durch die Annahme, dass der Arbeitskräftebedarf aufgrund der Digitalisierung sinken werde (21 %), erhoffen die Unternehmen, den Trend des schrumpfenden Arbeitskräfteangebots in der Logistik kompensieren zu können. Ein steigender Kundenservicegrad (33 %), nicht zuletzt durch eine bessere Informationsversorgung der Kunden, geht einher mit einer besseren Nahversorgung im ländlichen Raum (7 %) sowie attraktiveren Innenstädten (6 %). Digitale Transportalternativen und Verbesserungen der Routenplanung dürften diese Hoffnungen nähren.

Abb. 1.3: Bewertung der Digitalisierungschancen für die Logistik (vgl. Bitkom 2019)

Neben der Bitkom zeigen auch andere Studien die großen Erwartungen an die positiven Auswirkungen der Digitalisierung auf die Entwicklungspotentiale der Logistik ( Abb. 1.4). So sehen laut einer Umfrage über 90 % der befragten Unternehmen hohe Chancen, die Transparenz innerhalb der gesamten Supply Chain mittels Digitalisierung zu verbessern (vgl. Pflaum et al. 2017, S. 39). Weitere Hoffnungen setzen die befragten Logistikunternehmen insbesondere auf eine verbesserte Prozesssteuerung, die nicht zuletzt auch im Zusammenhang steht mit mehr Vernetzung und Automatisierung der einzelnen Prozesse.

Mittels Echtzeitinformation steigen die Erwartungen in eine hohe Datenverfügbarkeit sowie in die schnelle Reaktionsfähigkeit. Mehr Informationen und mehr Möglichkeiten, diese auch mit adäquatem Aufwand zu verarbeiten, verbessern die Entscheidungskompetenz und helfen somit, komplexe Entscheidungen zu vereinfachen und insbesondere im Hinblick auf individuelle Anforderungen der Kunden auszurichten. Abbildung 1.4 zeigt, dass die Unternehmen sich hinsichtlich sämtlicher Kriterien mit mehr als 50 % große bzw. gute Chancen ausrechnen, das eigene Logistik-Geschäftsmodell positiv zu beeinflussen.

Abb. 1.4: Chancen durch Digitalisierung im Geschäftsmodell (vgl. Pflaum et al. 2017, S. 39)

Allerdings werden in einigen Studien auch Nachteile einer Logistik 4.0 ersichtlich ( Abb. 1.5). Diese beziehen sich auf die hohen Investitionskosten und den Verlust der Entscheidungsfreiheit durch die Dezentralisierung der Entscheidungen. Der gesteigerte Fachkräftebedarf für die Implementierung und Nutzung der Technologien erweist sich für viele Unternehmen als weitere Herausforderung, zumal für die Integration der Innovationen in die alltäglichen Prozesse ausgebildetes Fachpersonal benötigt wird.

Die Gefahr der Spionage von Betriebsdaten sowie der Aufwand, der für Datenschutz und Datensicherheit aufzubringen ist, bilden die größten Blockaden, die von der Nutzung digitaler Anwendungen in der Logistik abhalten. Weitere Probleme wie fehlende Prozessabsprache bei der unternehmensübergreifenden Technologiennutzung, Skepsis gegenüber der Stabilität der IT-Systeme oder die Sorge vor Abhängigkeiten von den IT-Dienstleistern lassen sich nur bewältigen, wenn einheitliche Technologiestandards gesetzt und Innovationen darauf aufbauend systematisch und umfassend in die Prozesse integriert werden (vgl. Bitkom 2019).

Abb. 1.5: Erwartete Blockaden bei der Digitalisierung der Logistik (in Anlehnung an Bitkom 2019)

Trotz aller Bedenken ist die Erwartungshaltung gegenüber einzelnen Technologien und Konzepten in der digitalisierten Logistik ungebremst. Pflaum et al. kategorisieren die einzelnen Konzepte in unterschiedliche Digitalisierungswellen, wobei die ersten beiden Wellen mittlerweile als abgeschlossen gelten ( Abb. 1.6).

Abb. 1.6: Technologiepotentiale (in Anlehnung an Pflaum et al. 2017, S. 42)

Technologien wie die Identifikation mittels Barcode, die GPS-Lokalisierung oder die mobile Datenerfassung sind bereits seit Jahren etabliert, sodass wesentliche Anteile der Logistikunternehmen in Deutschland diese inzwischen standardmäßig einsetzen. Mit der hohen Verbreitung von Technologien wie der automatischen Warenverbuchung via RFID oder der Nutzung von Logistik-Apps zur Prozesssteuerung ist gemäß der Studie ebenfalls ab Beginn der 2020er Jahre zu rechnen. Umfassende Planungstools zur Entscheidungsunterstützung im gesamten Supply Chain Management werden den Logistikalltag jedoch erst ab Mitte des Jahrzehnts prägen können. Die aktuellen Entwicklungen bestätigen die 2017 getroffenen Vermutungen und lassen auf eine weitere Intensivierung der Umsetzung schließen (vgl. Pflaum et al. 2017, S. 42 ff.).

Wenn man die Vielzahl der digitalen Technologien, auf die Logistikunternehmen bereits setzen nach ihren Verwendungsbereichen gruppiert ( Abb. 1.7), so lassen sich insbesondere für die innerbetriebliche Lagerlogistik Potentiale ausmachen (vgl. Bitkom 2019). Während in der überbetrieblichen Logistik die Hoffnungen in autonome Fahrzeuge und Drohnen noch begrenzt sind, planen in der innerbetrieblichen Logistik bereits die Hälfte der Unternehmen mit fahrerlosen Transportsystemen, mit Lagerrobotern immerhin ein Viertel der Logistiker. Auffällig ist, dass auch der Einsatz von künstlicher Intelligenz oder allgemein die Verwendung von Tools wie intelligenten Paletten und Regalen bereits angedacht sind und diese teilweise auch eingesetzt werden. Dies bestätigt die Innovationsfähigkeit der Logistikbranche, die aufgrund des hohen Kostendrucks an stetiger Prozessverbesserung orientiert ist.

Abb. 1.7: Instrumenteneinsatz in verschiedenen Logistikaufgaben (nach Bitkom 2019)

Bei genauerer Betrachtung der Digitalisierungsauswirkungen auf die einzelnen Logistikprozesse werden unterschiedliche Zustandstransformationen an den Logistikobjekten deutlich. In Tabelle 1.1 wird anhand einiger charakteristischer Beispiele gezeigt, welche Auswirkungen die Einführung von Logistik 4.0 auf die verschiedenen innerbetrieblichen Logistikprozesse Lagerung, Transport, Kommissionieren und Verpacken sowie auf die zugehörigen logistischen Zustandstransformationen hat.

Tab. 1.1: Logistische Transformationen und Logistik 4.0

Logistische TransformationLagerungTransportKommissionierenVerpackenAuswirkungen von Logistik 4.0

Die Lagerung bewirkt eine Veränderung der zeitlichen Verfügbarkeit von Logistikobjekten. Durch die RFID-gestützte Identifikation der ein- und auszulagernden Materialien und eine automatische Lagerplatzverwaltung, die jedem Logistikobjekt ein zu seinen Anforderungen passendes Lagerfach zuweist, lässt sich die Effizienz der Lagerung erheblich steigern.

Durch Transportprozesse verändert sich die räumliche Verfügbarkeit der Logistikobjekte. In der innerbetrieblichen Logistik kommt dem Einsatz von automatisierten, autonomen, dezentral gesteuerten Transportsystemen eine große Bedeutung zu. Diese sorgen dafür, dass Aufträge und Werkstücke zeitnah zu ihrer – durch die Produktionssteuerung erst kurzfristig zugewiesenen – nächsten Bearbeitungsstation gebracht werden. Auf der Distributionsseite wird durch die als Tracking und Tracing bezeichnete Möglichkeit zur Sendungsverfolgung der Kundenservice vor allem im E-Commerce deutlich verbessert.

Bei der Kommissionierung wird zum eine Mengenänderung an den Logistikobjekten vorgenommen. Hier findet im Rahmen von Logistik 4.0 ein Übergang zur weitgehend automatisierten Kommissionierung statt. Fortgeschrittene Systeme der Mengensensorik, wie sie z. B. bei dem Behältersystem iBin eingesetzt werden, unterstützen die rechtzeitige Nachbestellung von verbrauchten Materialien.

Weiter findet durch die Kommissionierung eine Sortenänderung der Logistikobjekte statt. Palettierroboter stellen auf die Kundenwünsche abgestimmte Sendungen zusammen und aktuell nicht benötigte Ware wird automatisch ins Lager zurückgebracht.

Das Verpacken führt zu einer Änderung der Umschlageigenschaften von Logistikobjekten. Hier kommen im Rahmen von Logistik 4.0 unter anderem Verpackungsroboter und eine automatisierte Verpackungskontrolle zum Einsatz.

Um einen umfassenden Einblick in die Anwendungsfelder und Potentiale der verschiedenen Methoden und Instrumente zu ermöglichen, werden im zweiten Kapitel zunächst die wesentlichen Grundlagen und Technologien einer Logistik 4.0 erarbeitet. Dazu zählen zum einen cyberphysische Systeme, das Internet der Dinge und Dienste, Big Data und Cloud Computing als wesentliche Treiber der Digitalisierung der Logistik und zum anderen die künstliche Intelligenz, die Blockchain-Technologie und Virtual bzw. Augmented Reality als Enabler-Technologien. Aufbauend auf dieser technologischen Basis wird in den folgenden Kapiteln das Erkenntnisobjekt Logistik 4.0 systematisch untersucht. Diese Untersuchung orientiert sich an den betrieblichen Funktionen Beschaffung, Produktion und Distribution, d. h. an den verschiedenen Stufen des betrieblichen Wertschöpfungsprozesses ( Abb. 1.8). Da einzelne der behandelten Technologien in mehreren Logistikbereichen zum Einsatz kommen, lassen sich dabei Redundanzen nicht vollständig vermeiden.

Abb. 1.8: Aufgabenbereiche der Logistik 4.0

Die Versorgung des Unternehmens mit sämtlichen nicht selbst erzeugten Einsatzmaterialien und Vorprodukten ist die Aufgabe der Beschaffung. Im Rahmen der Beschaffungslogistik 4.0 werden im dritten Kapitel die Ansatzpunkte der Digitalisierung und ihre Auswirkungen auf die Beschaffungsprozesse herausgearbeitet. Weiter werden die wichtigsten Instrumente der Beschaffungslogistik im Hinblick auf ihre Veränderungen durch Industrie 4.0 untersucht. Schließlich erfolgt eine Analyse der Kostenwirkungen, die durch die Digitalisierung in der Beschaffungslogistik ausgelöst werden.

Im Mittelpunkt der Produktionslogistik 4.0 steht im vierten Kapitel die Veränderung der innerbetrieblichen Transformationsprozesse, die vor allem durch digitale Fertigungskonzepte wie z. B. cyberphysische Systeme beeinflusst werden. Neue Herausforderungen für die Logistik ergeben sich hier vor allem in den Bereichen der Layout- und Fabrikplanung, der additiven Fertigung, der Digitalisierung der Lagertechnik und dem Einsatz von intelligenten innerbetrieblichen Transportsystemen. Eine tiefgreifende Veränderung der betrieblichen Wertschöpfungsstrukturen ergibt sich durch das innovative Konzept Manufacturing as a Service (MaaS), das zum Abschluss des Kapitels dargestellt wird.

Die Aufgabe der Distribution besteht darin, die Erzeugnisse eines Unternehmens über verschiedene Vertriebskanäle zu den Kunden zu bringen. Die Distributionslogistik 4.0, die im fünften Kapitel untersucht wird, wird durch die Entwicklung autonomer Fahrzeuge stark beeinflusst. In der Kommissionierung kommen verstärkt Technologien wie Virtual bzw. Augmented Reality zum Einsatz. Neue Plattformen wie Portale und Frachtbörsen bringen Nachfrager und Anbieter von Logistikdienstleistungen zusammen und sorgen für eine Erhöhung der gesamtwirtschaftlichen Effizienz. Dies wird durch Telematik-Anwendungen unterstützt und wirkt sich über die einzelne Anbieter-Nachfrager-Beziehung hinaus auf die gesamte Supply Chain aus. Weitere wichtige Aspekte der Distributionslogistik sind die Abwicklung der Prozesse auf der letzten Meile der Auslieferung und die Rolle der Logistik in einer Smart City.

Das sechste Kapitel befasst sich abschließend mit dem Logistik 4.0-Reifegrad, der nicht nur eine Selbsteinschätzung von Unternehmen im Hinblick auf die digitale Reife ihrer Logistikprozesse erlaubt, sondern auch ein wichtiges Entscheidungskriterium bei der Auswahl von Partnern in der Supply Chain darstellt.

2          Grundlagen einer Logistik 4.0

In diesem grundlegenden Kapitel wird zunächst der Begriff Industrie 4.0 erläutert, um damit den Rahmen für die hier zu behandelnden Fragestellungen aufzuzeigen. Darin eingebettet wird eine erste inhaltliche Konkretisierung der Logistik 4.0 erfolgen, sodass sowohl die Einflussfaktoren als auch die Aufgabenbereiche dieses Wertschöpfungskonzepts dargestellt werden. Insbesondere dem Begriff der Digitalisierung kommt hierbei eine zentrale Rolle zu, die hier von der dezentralen Erfassung der Informationen mittels cyberphysischer Systeme über die unterschiedlichen Möglichkeiten der Datenübertragung bis hin zur Verarbeitung der Informationen in »Big Data« beschrieben wird. Abschließend werden in Abschnitt 2.3 weitere Technologien der Logistik 4.0 insbesondere daraufhin untersucht, wie sie als technologische Grundlagen den Entwicklungsprozess der Logistik ergänzen.

2.1       Einordnung von Logistik 4.0 in Industrie 4.0

2.1.1     Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung der Industrie 4.0

Der Begriff der Industrie 4.0, der auf der Hannover Messe 2011 erstmalig verwendet wurde, prägt die industrielle Entwicklung des letzten Jahrzehnts und ist Synonym für die stetig zunehmende Vernetzung innerhalb der Produktion geworden. Dabei wird der Begriff gleichermaßen im deutsch- wie auch im englischsprachigen Raum verwendet, insbesondere im amerikanischen wie auch im asiatischen Raum wird von »Industrial Internet of Things« oder »Smart Factory« gesprochen (vgl. Zezulka et al. 2016; Wang et al. 2017). Hierbei wird deutlich, dass einzelne Digitalisierungstechnologien Pate stehen für die Entwicklung und Veränderung einer ganzen Industrie. Smarte Produktionsanlagen, die nicht nur automatisiert, sondern selbstgesteuert agieren, werden mittels Internet der Dinge ( Kap. 2.2.2) miteinander verknüpft und geben mit ihrem virtuellen Abbild Auskunft sowohl über ihr allgemeines Leistungspotential als auch über ihren aktuellen Status.

Bevor auf diese Technologien näher eingegangen wird, ist vorab noch der 4.0-Aspekt zu erläutern. Die Bezeichnung Industrie 4.0 resultiert aus der Abgrenzung wesentlicher Entwicklungsschritte der industriellen Fertigung, die mit den verschiedenen Phasen der industriellen Revolution gleichgesetzt werden (vgl. Bauernhansl 2014, S. 6). Hierbei werden die richtungweisenden technologischen Veränderungen der Industrialisierung jeweils als einzelne Etappe bezeichnet, da mit ihnen jeweils wesentliche Veränderungen der gesamten Produktionsbedingungen einhergehen. Einen Überblick gibt Abbildung 2.1.

Abb. 2.1: Die vier Phasen der industriellen Entwicklung (vgl. Yokogawa 2018)

Die erste Stufe der Industrialisierung zur Industrie 1.0 geschah im Rahmen der Mechanisierung Ende des 18. Jahrhunderts und wurde durch die Nutzbarmachung der Wasser- bzw. Dampfkraft, insbesondere für den Antrieb mechanischer Webstühle, vorangetrieben. Diese in den Geschichtsbüchern als eigentliche Industrielle Revolution bezeichnete Etappe beschreibt den Schritt von der individuellen Heimarbeit zur mechanisch angetriebenen Fertigung in eigens dafür vorgesehenen Fabriken (vgl. Steven 2007, S. 7). Grundlegende Veränderungen der Produktionsbedingungen haben sowohl erhebliche Produktivitätssteigerungen aus wirtschaftlicher Perspektive als auch grundlegende Veränderungen der sozioökonomischen Rahmenbedingungen innerhalb der gesamten Volkswirtschaft mit sich gebracht. Aus logistischer Sicht wurden hier Produktionsfaktoren an einer zentralen Produktionsstätte zusammengeführt, um von dort aus die Versorgung mit Produkten in größerem Umfang durchzuführen.

Eine zweite grundlegende Veränderung der Produktionsbedingungen zur Industrie 2.0 ist auf die Einführung des Fließbands bei der Entwicklung der arbeitsteiligen Massenfertigung zurückzuführen. Hierbei wird häufig auf die Fließband-Fertigung in den Ford-Werken zur Produktion des ersten Ford T-Modells oder auf die innerbetriebliche Logistik auf den Schlachthöfen von Cincinnati verwiesen, die beide um 1900 zu substantiellen Veränderungen der Arbeitsbedingungen führten.

Zum einen ließ sich die Produktivität erheblich durch Rationalisierungseffekte aufgrund der Arbeitsteilung steigern. Die eingesetzten Arbeitskräfte konnten sich auf einzelne Arbeitsschritte konzentrieren, die im vorgegebenen Takt des Fließbands wiederholt und demnach mit gesteigerter Produktivität ausgeführt wurden. Die logistische Optimierung der innerbetrieblichen Arbeitsanordnung kann somit als wesentliche Stellgröße für Leistungsoptimierungen betrachtet werden. Darüber hinaus ließen sich Kostendegressionseffekte aus der Standardisierung der Produktion gewinnen, da vereinheitlichte Massenprodukte die Investition in spezialisierte Produktionsanlagen ermöglichten. Das typische Beispiel dieser Einheitsproduktion ist der bereits erwähnte Ford T, der ausschließlich in einer standardisierten Ausstattung und unter anderem nur in der Farbe Schwarz am Markt angeboten wurde.

Unter Industrie 3.0 wird die darauf aufbauende Phase der Automatisierung verstanden. Mit Beginn der 1970er Jahre haben Elektronik und IT weltweiten Einzug in die Produktion erhalten. Maschinen konnten nun einzelne Arbeitsschritte automatisiert durchführen und spezialisierte Computerprogramme übernahmen die Steuerung der Produktion (vgl. Hermann 2015, S. 5 ff.). Der Modicon 084 wurde hierbei als erste speicherprogrammierbare Steuerung in einer Fertigungsanlage verwendet und gilt demnach als weitere technologische Revolution. Während in den ersten beiden Phasen logistische Fragestellungen eher implizit im Hintergrund betrachtet wurden, gewann die Logistik in etwa zeitgleich mit der Industrie 3.0 sowohl für die Praxis als auch wissenschaftlich an Bedeutung. Aus dem Blickwinkel der Materialwirtschaft erhielt die Teileverfügbarkeit einen neuen Stellenwert, um den möglichst reibungslosen Einsatz der investitionsintensiven, automatisierten Maschinen sicherzustellen.

Letztlich liegen bereits hier die Ursprünge der Digitalisierung, denn durch den Einsatz von NC-Maschinen und Industrierobotern konnten signifikante Flexibilitätssteigerungen realisiert werden. Die Automatisierung des Materialflusses zwischen den Bearbeitungsstufen sowie die Einführung automatisierter Werkzeugwechsler begründen die Reduktion der Rüstzeiten und damit eine gestiegene Variantenzahl. Darüber hinaus lässt sich seitdem mittels computerbasierter Planungsinstrumente (insbesondere der CAD-Technologien) die gesamte Produktion planen und steuern, sodass vom Computer Integrated Manufacturing (CIM) gesprochen wird (vgl. Scheer 1987).

Ein weiterer Entwicklungsschritt, der dieser Phase zugeschrieben wird, ist von organisatorischer Natur und hängt mit der Strategie der Lean Production zusammen (vgl. Womack et al. 1992). Im Zentrum von Lean Production oder allgemeiner Lean Management steht dabei die radikale Vermeidung jeglicher Verschwendung im Produktionsprozess, indem der Ressourcenbedarf, die benötigte Zeit sowie die Lagerbestände hinsichtlich ihrer Vermeidbarkeit untersucht und auf ein Minimum beschränkt werden sollen (vgl. Steven 2014, S. 210 ff.). Bereits hier ist die Bedeutung der Logistik erkennbar, denn lediglich unter der Voraussetzung einer gut organisierten Logistik kann die Produktion sich einen Verzicht auf Zeitpuffer und Sicherheitsbestände erlauben.

Neben der dezidierten Analyse von Verschwendung in den eigenen Organisations- und Produktionsstrukturen fällt in diesen Zeitraum auch die Auseinandersetzung mit den jeweiligen Kernkompetenzen eines Unternehmens. Im Rahmen des Outsourcingswerden möglichst viele Prozessschritte, die nicht zum Kerngeschäft gehören und in denen das Unternehmen keine ausgesprochene Expertise besitzt, an spezialisierte Zulieferer ausgelagert. Auf der einen Seite profitiert die Industrie hierbei von den Spezialisierungseffekten, neben der Rüstzeitreduktion im Zuge der Verschlankung bildet das Outsourcing die Kerngrundlage weiterer Individualisierungen innerhalb der Massenfertigung. Auf der anderen Seite erfordert diese Entwicklung eine Intensivierung der unternehmensübergreifenden Zusammenarbeit im Sinne der Wertschöpfungsnetzwerke.

Diese organisatorischen Entwicklungen bilden gleichzeitig den Nährboden für die Entwicklung zur Industrie 4.0. Die zunehmende Flexibilisierung der Fertigung ermöglicht ein weiteres Eingehen auf zunehmend individualisierte Kundenwünsche. Zuvor zentral gesteuerte Produktionsprozesse werden nun von dezentralen, sich selbst steuernden Einheiten abgelöst. Technologische Entwicklungen im Bereich der Datenübertragung und Vernetzung ermöglichen die engmaschige, echtzeitorientierte Überwachung der einzelnen Einheiten. Die zwei Fachbegriffe, die in diesem Zusammenhang immer wieder auftreten, sind zum einen die cyberphysischen Systeme (CPS), eben jene sich selbst steuernden Einheiten, und zum anderen das Internet of Things (IoT), über welches die Einheiten miteinander verbunden sind (vgl. Bousonville 2017, S. 4). Diese beiden Grundlagen der Digitalisierung bilden das Baugerüst der Industrie 4.0 und werden in den folgenden Abschnitten weiter erläutert.

An dieser Stelle ist noch zu erwähnen, dass die Veränderungen durch CPS und IoT nicht nur auf die innerbetrieblichen Strukturen, sondern insbesondere auch auf die unternehmensübergreifenden Wertschöpfungsprozesse einwirken. Mittels Sensoren und Aktoren bilden einzelne Objekte des Wertschöpfungsprozesses ihre virtuellen Zustände ab und kommunizieren diese in die reale Welt. Durch Interaktion dieser Objekte im IoT können Aufgaben autonom zugewiesen, Ressourcen verteilt und Materialbestände überwacht und verteilt werden. Dieses geschieht nicht nur unternehmensintern, sondern auch unternehmensübergreifend, da Informationen an verschiedensten Standorten weltweit in Echtzeit verfügbar sind. Kundenwünsche können gleichermaßen einbezogen werden (z. B. über internetbasierte Produktkonfigurationen), wie Reaktionen auf Kapazitäts- und Leistungsschwankungen im laufenden Prozess automatisiert vorgenommen werden können.

Abbildung 2.2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Verkettung von virtueller und realer Welt mittels CPS und der daraus resultierenden verstärkten Verkettung der Wertschöpfungspartner. Neben den technischen Veränderungen durch Industrie 4.0 ergeben sich demnach auch neue Gestaltungspotentiale für die Organisation der Produktion. Verbesserte Möglichkeiten der Informationsversorgung erleichtern die überbetriebliche Zusammenarbeit und geben neue Impulse bei der Nutzung verteilt vorliegender Ressourcen. Die technischen wie organisatorischen Veränderungen bilden die kennzeichnenden Elemente der Industrie 4.0 und münden nun in einer ersten Begriffsbestimmung (vgl. Hermann 2015, S. 11, der sich sehr ausführlich mit der Literatur zur Begriffsbestimmung von Industrie 4.0 auseinandergesetzt hat).

Abb. 2.2: Die Nutzenpotentiale der IoT-Verknüpfung

» Industrie 4.0 ist eine Sammelbezeichnung für Konzepte und Technologien zur Organisation von unternehmensübergreifenden Wertschöpfungsaktivitäten. In modular aufgebauten, smarten Fabriken werden cyberphysische Systeme eingesetzt, um eine virtuelle Abbildung der realen Welt zu erstellen und dezentrale Entscheidungen zu treffen. Diese kommunizieren und kooperieren untereinander sowie mit menschlichen Akteuren in Echtzeit über das Internet der Dinge. Über das Internet der Dienste werden sowohl interne als auch organisationsübergreifende Dienstleitungen von den an der Wertschöpfungskette Beteiligten angeboten und in Anspruch genommen.« (Hermann 2015, S. 11)

Abschließend bleibt zu erwähnen, dass sich die Quantifizierung der verschiedenen industriellen Entwicklungsschritte an das Versionsmanagement in der Softwareentwicklung anlehnt, wo ebenfalls wegweisende, zentrale Änderungen die Bezeichnung einer neuen Version auslösen. Der Bezug zum Softwaremanagement dient ebenfalls dazu, die fortschreitende Digitalisierung der Industrie hervorzuheben.

Die wirtschaftliche Bedeutung der Digitalisierung für die Zukunftsfähigkeit der Industrie lässt sich von den geplanten Investitionen ableiten ( Abb. 2.3). So gaben 2018 in einer repräsentativen Umfrage der Statista rund 80 % der befragten Unternehmen an, dass sie im Folgejahr eine mindestens fünfprozentige Steigerung ihrer Investitionstätigkeit in eben diesem Bereich planen.

Dabei entfällt ein großer Anteil der Investitionen auf die Logistikbranche, die aus der Digitalisierung erhebliche Potentiale im Rahmen der Industrie 4.0 erwartet ( Abb. 2.4). Die Digitalisierung, so bewerten es die Unternehmen derzeit, nimmt im Umgang mit den großen Herausforderungen der Logistikbranche einen zentralen Stellenwert ein.

Sowohl durch die steigenden Energiekosten als auch durch den zunehmenden Fachkräftemangel und demnach hohe Personalkosten sieht sich die Logistik gezwungen, die Effizienz ihrer Prozesse zu steigern. Dies gelingt durch das Beschleunigen der einzelnen Prozesse sowie durch eine verbesserte Auslastung der vorhandenen (Transport-)Kapazitäten. Auch mittels Senkung der Fehleranfälligkeit lassen sich der Ressourcenverbrauch reduzieren und damit neben der Kosteneinsparung auch die schädlichen Umweltauswirkungen insbesondere im Transportwesen verringern. In den folgenden Kapiteln wird im Einzelnen darauf einzugehen sein, inwieweit diese Anforderungen bereits umsetzbar sind. Abbildung 2.5 zeigt die verschiedenen Potentiale insbesondere aus der Sichtweise der überbetrieblichen Transportlogistik auf.

Abb. 2.3: Investitionen in Industrie 4.0 nach Beschäftigtenzahl (vgl. Statista 2018)

Abb. 2.4: Digitalisierung als zentrale Herausforderung in der Logistik (vgl. Rohleder 2019)

Abb. 2.5: Vorteile der Digitalisierung (vgl. Rohleder 2019)

Aber auch die anderen Aufgabenbereiche der Logistik bleiben von der voranschreitenden Digitalisierung nicht unberührt. In der Lagertechnologie setzen sich Industrie 4.0-Technologien zunehmend durch und führen zu einer mehr oder minder starken Disruption der Arbeitsumgebung. Diese reicht von einer Flexibilisierung der Lagertechnik bis hin zum Ersatz der Lagerhaltung insgesamt durch Nutzung additiver Fertigungsmethoden. Letztlich lassen sich mit der

•  Effizienz der Ressourcennutzung,

•  dem gezielten Einsatz des vorhandenen Logistikpersonals und

•  der Bemessung der Umweltauswirkungen

drei entscheidende Faktoren für den Erfolg der Digitalisierung in der Logistik benennen. Die nähere Zukunft wird zeigen, welche Technologien geeignet sind, positiv auf die genannten Faktoren einzuwirken und damit die Zukunftsfähigkeit und das Erfolgspotential der Logistikbranche zu erhöhen.

Der größte Kritikpunkt, mit dem sich Digitalisierungsbefürworter aus volkswirtschaftlicher Perspektive auseinanderzusetzen haben, bezieht sich auf die Verdrängung des Arbeitskräfteeinsatzes durch Maschinen und Rechnerleistung. Auswirkungen auf die Beschäftigung und die zunehmende Gefahr der Polarisierung innerhalb einer Gesellschaft werden angeführt, um die Risiken der fortschreitenden Informationsvernetzung und Automatisierung darzulegen. Der Digitalverband Bitkom widmet sich dieser Fragestellung und versucht sich an einer ersten Einordung, in der insbesondere auf die Veränderung des Aufgabenspektrums innerhalb der Logistik abgestellt wird ( Abb. 2.6). Dabei ist zu erkennen, dass der Bedarf an Fachkräften mit einer technologiefokussierten Logistikausbildung enorm steigen wird, wohingegen die Einsatzpotentiale für Mitarbeiter, die lediglich unterstützende Tätigkeiten ausüben, in der Tat dramatisch zurückgehen werden.

Abb. 2.6: Beschäftigungsentwicklung in der Logistik (vgl. Rohleder 2019)

Hieraus lässt sich ein Trend erkennen, der in der gesamten Industrie auftritt, in der Logistikbranche jedoch besonders drastisch ausfällt. Zu erklären ist diese Entwicklung durch die Aufgabenstellung der Logistik, deren Kern in der Versorgung der Produktion liegt. Unterstützende Tätigkeiten zur Bereitstellung von Waren und Dienstleistungen stellen dabei in der Regel neben der Belastung durch die permanente Wiederholung einzelner Handgriffe oder die Bewältigung großer Werkstücke, die es zu bewegen gilt, geringe geistige Anforderungen. Gerade deshalb bieten sich die 4.0-Technologien hier so gut an, um die Prozesse zu vereinfachen. Körperlich anstrengende oder monotone Aufgaben werden dort ersetzt, wo Algorithmen immer wieder repetitiv die gleichen Aufgaben erfüllen können. Im Folgenden werden diese Aufgabenbereiche im Einzelnen analysiert, um die Einsatzpotentiale dieser neuen Technologien aufzuzeigen. Letztlich geht es nicht um die Frage, ob die Digitalisierung einer Gesellschaft weiter voranschreiten soll, sondern darum, wie man sich in dieser Entwicklung so gut wie eben möglich für die Zukunft positionieren kann.

2.1.2     Logistikbegriff und Bausteine einer Logistik 4.0

Die Digitalisierung der Industrie wirkt sich sowohl auf die innerbetrieblichen als auch auf die unternehmensübergreifenden Aktivitäten der einzelnen Wertschöpfungspartner aus. Dabei kann der Fortschritt der Industrie immer nur so gut sein, wie auch die Entwicklung der unterstützenden und verbindenden Funktionen der Logistik gelingt. Somit kommt der Logistik im Rahmen der Industrie 4.0 ein besonderer Stellenwert zu, sodass an dieser Stelle eine weitere Begriffsdefinition folgt.

» Logistik umfasst die integrierte Planung, Gestaltung, Abwicklung und Kontrolle des gesamten physischen Materialflusses und des dazugehörigen Informationsflusses von den Lieferanten in das Unternehmen hinein, innerhalb des Unternehmens, vom Unternehmen zu seinen Kunden sowie der damit verbundenen Entsorgungsprozesse.« (Steven 2015, S. 3)

Die obige Definition zielt sowohl auf den unternehmensübergreifenden und damit unternehmensverbindenden Charakter der Logistik als auch auf die notwendige Integration von Material- und Informationsflüssen ab. Soll nun das Leistungsvermögen der Logistik im Hinblick auf die aktuellen technologischen Potentiale der Industrie 4.0 analysiert werden, so erscheint es sinnvoll, sich zunächst grundsätzlich mit der strategischen Ausrichtung der Logistik auseinanderzusetzen (vgl. Schulte 2017, S. 43 ff.). Aufgrund der übergreifenden Funktion der Logistik zur Zusammenarbeit innerhalb der Wertschöpfungskette spielt die Positionierung im Zieldreieck aus Kosten, Zeit und Qualität eine besondere Rolle ( Abb. 2.7).

Abb. 2.7: Strategische Herausforderungen der Logistik

Insbesondere vor dem Hintergrund der Globalisierung auf der Beschaffungsseite und der immer weiter zunehmenden Individualisierung der Produkte auf der Absatzseite ist zukünftig von einem stark steigenden Logistikvolumen auszugehen. Mehr Produkte müssen über größere Strecken und mit deutlich höherer Präzision transportiert und möglichst termingerecht verfügbar gemacht werden. Dies geschieht in zunehmend engem Kontakt zwischen den einzelnen Wertschöpfungspartnern, sodass sich Kosten- und Terminüberschreitungen sowie ein Nichterreichen der Qualitätsziele nicht verheimlichen lassen (vgl. Schulte 2017, S. 59). Darüber hinaus erwachsen auch aus der fortschreitenden Flexibilisierung der Lieferanforderungen sowie der zunehmenden Digitalisierung der Logistikprozesse weitere strategische Herausforderungen. Einzelne Lieferungen müssen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an verschiedenen Orten Just in time verfügbar sein und mittels Tracking und Tracing ( Kap. 5.2) steigen auch die Ansprüche an den Informationsfluss der Lieferleistung. Beispielsweise könnten Terminverzögerungen in der Produktion durch eine Beschleunigung der Logistikprozesse zumindest teilweise wieder eingeholt werden. Qualitative Mängel lassen sich durch zeitnahe Ersatzlieferungen bereinigen. Darüber hinaus führt anhaltender Kostendruck im Wettbewerb dazu, insbesondere die nicht direkt wertschöpfenden Tätigkeiten zu möglichst geringen Kosten anzubieten.

Eine genauere Analyse der in der Logistik anfallenden Kosten macht zunächst die Unterscheidung zwischen Kosten, die in der Logistikplanung und Kosten, die während der Logistikausführung anfallen, notwendig ( Abb. 2.8). Wie für andere Aufgaben im Leistungserbringungsprozess auch, müssen logistische Tätigkeiten zunächst geplant und organisiert werden, sodass für diese dispositiven Aufgaben Kosten zu berücksichtigen sind. Zu erwähnen sind hierbei insbesondere die Koordinations- und Kommunikationsprozesse, die anfallen, um die verschiedenen Produkte der jeweils notwendigen raum-zeitlichen Transformation zu unterziehen (vgl. Steven 2015, S. 11). Betrachtet man die Aufgabenbereiche Beschaffung, Produktion, Distribution und Entsorgung genauer, so müssen auch die Logistikaufgaben konkret geplant werden, beispielsweise, um Verpackungsvorschriften, Lieferintervalle oder Transportbesonderheiten zu berücksichtigen.

Abb. 2.8: Logistikkosten

In Anlehnung an die klassischen TUL-Leistungen (Transport – Umschlag – Lagerung) fallen in der Logistikausführung sowohl für die Lagerung als auch für die Kommissionierung bzw. den Warenumschlag sowie die Transportleistungen weitere Kosten an (vgl. Schulte 2017, S. 199 ff.). Innerbetrieblich wie überbetrieblich müssen Waren transportiert und gelagert werden, sodass Kosten entstehen, die sich nur zum Teil im Einflussbereich des einzelnen Unternehmens befinden.

Letztlich können die Kosten sowohl in der Logistikplanung als auch in der Logistikausführung strategischer wie auch operativer Natur sein. Die grundsätzliche Ablaufstruktur in der Planung und auch die Gestaltung der Lagerhaltung und der Transportorganisation sind eindeutig strategische Aufgaben mit langfristigem Gestaltungscharakter. Aber auch in der Logistikplanung entstehen Kosten auf operativer Ebene, wenn beispielsweise einzelne Paletten und Verpackungsmaterialien im Rahmen der Entsorgung zu verwalten sind. Der operative Charakter der Logistikausführung ergibt sich von selbst.

Wichtig für die Betrachtung aus der Perspektive der Logistik 4.0 wird es sein, zu überprüfen, inwieweit einzelne Kosten durch 4.0-Technologien beeinflusst und an welcher Stelle Kosten durch Prozessveränderungen eingespart werden können.

Legt man das ökonomische Prinzip zugrunde, so kann eine Leistungsdifferenzierung neben der Kostenminimierung auch alternativ über eine Maximierung der Logistikqualität erfolgen. Dabei wird zur Beurteilung der logistischen Qualität häufig auf die sogenannten R‘s in der Logistik verwiesen, bei denen die Logistik daran gemessen wird, ob die Richtigen Güter in der Richtigen Menge zum Richtigen Zeitpunkt am Richtigen Ort verfügbar gemacht werden (vgl. Pfohl 1996, S. 12). Die Beurteilung kann sich gleichermaßen auf unternehmensinterne wie externe Prozesse beziehen und umfasst die Verfügbarmachung im Rahmen der klassischen TUL-Leistungen.

Da aber eine auftragsgemäße Lieferung noch nicht als Qualitätsmerkmal gesehen werden kann, bedarf es weiterer Kriterien, anhand derer die Qualität beurteilt werden kann. Abbildung 2.9 unterscheidet die Lieferqualität in die drei Komponenten Zuverlässigkeit, Beschaffenheit und Flexibilität der Lieferung.

Abb. 2.9: Lieferqualität (in Anlehnung an Steven 2015, S. 6)

Mit Bezug auf die vorangehende Logistikdefinition gilt es demnach, Gestaltung und Umsetzung der Material- und Informationsflüsse anhand der genannten Kriterien zu bewerten.

•  Die Abstimmung von Material- und Informationsfluss wird insbesondere bei der Lieferzuverlässigkeit deutlich, wo es um das Zusammenspiel von angebotenem Leistungsspektrum und tatsächlicher Lieferung geht. Sie bestimmt sich einerseits mittels der Termintreue – also der Zuverlässigkeit der Leistungszusage – und andererseits durch die Lieferbereitschaft – der konkreten physischen Lieferfähigkeit.

•  Auch bei der Lieferungsbeschaffenheit müssen Leistungszusage und Leistungsumsetzung aufeinander abgestimmt werden, damit – wie es die Logistik-R´s voraussetzen – der Zustand und die Genauigkeit des Materialflusses dem Informationsfluss entsprechen.

•  Mittels der Lieferflexibilität wird beurteilt, inwieweit das Leistungsangebot durch verschiedene Alternativen in Bezug auf Liefertermin, Liefermodalitäten (z. B. bezogen auf Verpackungsart, Transportwege oder -mittel usw.) oder Produktalternativen erbracht werden kann.

Bezieht man die genannten Kriterien beispielsweise auf die Lieferung eines Onlinehändlers, so ist neben dem Informationsfluss – welche Produkte werden dem Kunden zu welchen Bedingungen und mit welchen Alternativen angeboten – auch der Materialfluss – in welchem Zustand und wann wird die Ware tatsächlich geliefert – zu bewerten.

Ein weiteres Kriterium zur Beurteilung der Logistikleistung ist die Lieferzeit. Diese bemisst die Zeit vom Auftreten eines Bedarfs bis zur Verfügbarmachung der dazu benötigten Leistung bzw. des Produkts (vgl. Pfohl 1985, S. 26). Auf der Seite der Informationsflüsse muss der Bedarf in einer konkreten Leistungsanfrage an den oder die potentiellen Lieferanten formuliert werden, nach der Prüfung alternativer Angebote muss der entsprechende Auftrag angelegt, die Lieferung überwacht und dem Kunden avisiert werden ( Abb. 2.10). Je nach Digitalisierungsgrad der Wertschöpfung kann dieser Prozess komplett analog (Telefonabsprache zwischen Käufer und Verkäufer, unterstützt durch herkömmliche Formularversendung) bis hin zu komplett digitalisiert (Bedarf wird automatisch festgestellt und an Lieferanten als Bestellung übermittelt –  Kap. 3) stattfinden. Entsprechend hoch bzw. gering ist dann der Zeitbedarf.

Abb. 2.10: Teilbereiche der Lieferzeit

Auch der Zeitbedarf des Materialflusses hängt von der Digitalisierung ab. Während der Lieferant maßgeblichen Einfluss auf die Dauer von Kommissionierung, Verpackung und Transport hat ( Kap. 4), lässt sich auch beim Kunden der Ablauf vom Eintreffen der Ware bis hin zur möglichen Verwendung in hohem Maße von der Digitalisierung des Wareneingangs beschleunigen. Je schneller die Ware identifiziert und überprüft werden kann (echtzeitorientierte Informationsversorgung), desto schneller kann auch darüber verfügt werden. Kapitel 3 wird sich ausführlich mit diesem Digitalisierungspotential beschäftigen.

Insbesondere vor dem Hintergrund immer anspruchsvollerer Lieferanforderungen gewinnt eine Verkürzung der Lieferzeit zunehmende Bedeutung (vgl. Schulte 2017, S. 12). Sowohl im Business-to-Business-Bereich (B2B) als auch im Business-to-Consumer-Bereich (B2C) legen die Kunden Wert auf kurze Lieferzeiten. Während Kunden im B2B beispielsweise im Rahmen einer Just-in-Time-Beschaffung auf die punktgenaue Liefergarantie des Anbieters angewiesen sind, steigen auch die Ansprüche der Kunden im B2C. Service-Versprechen wie Click and Delivery oder auch Same day Delivery werben im E-Commerce mit der schnellen Verfügbarkeit der Waren. Bei alternativen Angeboten im Internet wird die Lieferzeit oftmals zum wichtigsten Kriterium zur Angebotsdifferenzierung.

Möglich wird diese Beschleunigung erst durch eine optimale Abstimmung von Informations- und Warenfluss, weil Verfügbarkeiten kurzfristig ermittelt und Warenflüsse genauestens lokalisiert werden müssen. Der besonderen Bedeutung des Supply Chain Managements in diesem Kontext wird in Kapitel 5 Rechnung getragen.

Neben den konkurrierenden Zielen Kosten, Qualität und Zeit dürfen in der Logistik auch soziale sowie ökologische Ziele nicht vernachlässigt werden. Bei den Sozialzielen geht es im Wesentlichen um die Sicherung von Arbeitsplätzen sowie die Sicherheit am Arbeitsplatz ( Abb. 2.11). Folgende Unterziele lassen sich dabei voneinander trennen:

Abb. 2.11: Sozialziele in der Logistik

Die Sicherung von Arbeitsplätzen kann sich sowohl auf das eigene Unternehmen als auch auf die Partner in der Wertschöpfungskette beziehen. Aus volkswirtschaftlicher Perspektive sollen die vorhandenen Arbeitsplätze erhalten und die Leistungspotentiale der Beschäftigten möglichst gut genutzt werden. Dies wirkt sich auf die Vereinbarkeit von Familie und Beruf, die Wahrung der Diversität sowie die Möglichkeiten zur Weiterbildung und Entfaltung der Mitarbeiter aus. Aus unternehmerischer Perspektive spielt der leistungsorientierte Mitarbeitereinsatz in der Logistik eine große Rolle, da sich die Anforderungsprofile der Arbeitsplätze durch die fortschreitende Digitalisierung stark verändern (vgl. Stetzka 2020, S. 94). Einfache manuelle Tätigkeiten werden zunehmend durch Maschineneinsatz substituiert, Mitarbeiter müssen sich auf den koordinativen Einsatz von menschlicher und maschineller Leistung einstellen.

Das Gelingen der sogenannten Mensch-Maschine-Kollaboration ist darüber hinaus ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Sicherheit am Arbeitsplatz. Diese Sicherheit umfasst sowohl Aspekte der Unfallprävention als auch der Vermeidung von langfristigen Beeinträchtigungen der Gesundheit. Mittels optimierter Kommunikation zwischen Mitarbeitern und Vorgesetzten sowie unter den Mitarbeitern lassen sich Schutzmaßnahmen besser planen, Schulungsmaßnahmen und die bewusste Integration aller Prozessbeteiligten vereinfachen die Umsetzung. Kapitel vier wird sich vertiefend mit dem Zusammenwirken von Mitarbeiter- und Maschineneinsatz auseinandersetzen.

Ökologische Ziele gewinnen vor dem Hintergrund der aktuellen Nachhaltigkeitsdebatte zunehmend an Relevanz. Knapper werdende Ressourcen sowie steigende Emissionen und Abfallberge zwingen zu massiven Verhaltensänderungen. Zur Verbesserung der ökologischen Bilanz können Logistikprozesse durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden:

•  Reduktion der gefahrenen Tonnenkilometer,

•  Optimierung der Touren- und Routenplanung,

•  Emissionssparende Transportmittel,

•  Vermeidung von Leerfahrten,

•  Reduktion des Verpackungsaufkommens,

•  Vermeidung der Überproduktion,

•  Verringerung der Lagerflächen,

•  Stromersparnis in der Logistik.

Diese und viele andere Ideen lassen sich unter dem Konzept » Green Logistics« zusammenfassen und gelten neben der Digitalisierung als wesentlicher Zukunftstrend in der Logistik. Das Kapitel 5 wird sich en detail mit den ökologischen Auswirkungen der Logistik beschäftigen.

Abgeleitet aus den verschiedenen Zielen der Logistik lassen sich die einzelnen Aufgabenbereiche der Logistik abstecken ( Abb. 2.12). Gemäß der traditionellen Unterteilung soll auch hier zwischen Beschaffungs-, Produktions-, Distributions- und Entsorgungslogistik unterschieden werden. Darüber hinaus lassen sich die Einflüsse der Digitalisierung auch im Bereich der klassischen Logistikaufgaben Transport und Lagerung erkennen. Schließlich gewinnt die Informationslogistik einen besonderen Stellenwert, da die Verknüpfung der Material- und Informationsflüsse entscheidend für die zielgerechte Erfüllung der Logistikleistung ist.

Abb. 2.12: Einfluss der Digitalisierung auf die Bereiche der Logistik (in Anlehnung an Oeser 2018)

Verschiedene Methoden und Technologien der Digitalisierung verändern diese Aufgaben und wirken sich unterschiedlich auf den jeweiligen Bereich aus. Während die Beschaffungslogistik beispielsweise durch die Einführung einer sensorgesteuerten Wiederbeschaffung automatisiert werden kann, profitiert die Produktionslogistik durch den Einsatz von Drohnen von einer verbesserten Produktivitätsüberwachung. Eine automatisierte Tourenoptimierung lässt sich sowohl in der Distributionslogistik als auch im Zuge einer effizienten Containerentleerung in der Entsorgungslogistik einsetzen. Intelligente Regale in der Lagerlogistik bilden dabei die Voraussetzung für die sensorgesteuerte Wiederbeschaffung, intelligente Container vereinfachen den Entsorgungsprozess. Letztlich hängen sämtlich digitalisierten Tätigkeiten von der Verfügbarmachung von Informationen in Echtzeit ab, um so schnell wie möglich verschiedene Alternativen erfassen und bewerten zu können und damit Entscheidungen autonom durchführen zu können.

Dabei unterscheiden sich die Digitalisierungseinflüsse nach ihrem jeweiligen Bezug auf die Material- oder Informationsflüsse der Wertschöpfungskette. Insbesondere die Vernetzung der Logistikobjekte (CPS) sowie die Dezentralisierung der Entscheidungsstrukturen mittels digitaler Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) tragen zur essentiellen Veränderung in der Logistik bei. Die folgende Definition der Logistik 4.0 bildet die Grundlage der weiteren Untersuchung. Bevor die Aufgabenbereiche im Einzelnen erörtert werden, thematisiert der folgende Abschnitt zunächst die einzelnen Technologien, die als Treiber der Logistik 4.0 betrachtet werden können.

Logistik 4.0 ist die Vernetzung von Objekten (CPS) und Prozessen verschiedener Wertschöpfungspartner mittels digitaler Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) in dezentralen Entscheidungsstrukturen, zur Erhöhung der Effizienz und Effektivität der Interaktionen. Diese Integration kann sowohl vertikal in einer Wertschöpfungskette als auch horizontal im Wertschöpfungsnetzwerk ablaufen und umfasst eine umfangreiche Vernetzung der Material- und Informationsflüsse über das Internet of Things (IoT).

2.2       Digitalisierung und Vernetzung als Basistechnologien einer Logistik 4.0

Um die Effizienz und Effektivität der Interaktionen entlang der Wertschöpfungskette steigern zu können, macht sich die Logistik 4.0 verschiedene Digitalisierungstechnologien zu Nutze. Zunächst einmal werden Informationen dezentral an den beteiligten cyberphysischen Objekten bzw. Systemen erfasst, um dann über das Internet der Dinge zwischen den Wertschöpfungspartnern ausgetauscht zu werden. Diese zusätzlich verfügbaren Informationen werden mithilfe von Big Data zusammengefasst, um dann mittels Cloud Computing zur weiteren Auswertung und dezentralen Entscheidungsfindung genutzt werden zu können. Einzelne Handlungsanweisungen können daraufhin wieder an die CPS übertragen werden, sodass sich der Kreislauf der Informationsgewinnung, -aufbereitung und -nutzung schließen kann ( Abb. 2.13).

Abb. 2.13: Zusammenwirken der einzelnen Digitalisierungstreiber

Im folgenden Abschnitt werden diese Technologien im Einzelnen vorgestellt bevor in Abschnitt 2.3 auf weitere Anwendungsfelder eingegangen wird.

2.2.1     Cyberphysische Systeme

Bereits zu Beginn dieses Kapitels wurden die cyberphysischen Objekte als wesentliches Merkmal der Industrie erwähnt. Physische Objekte werden mit Sensoren und Aktoren versehen und können somit untereinander kommunizieren (vgl. Bousonville 2017, S. 5). Über die Sensoren können sie sich anhand ihrer Eigenschaften im Gesamtsystem identifizieren und dann Informationen bezüglich ihres aktuellen Zustands an die reale Welt abgeben. Sie schaffen somit ein virtuelles Abbild und dieser sogenannte digitale Zwilling gibt Aufschluss über die Positionierung und die Leistungspotentiale der beteiligten realen Objekte. Mithilfe der Aktoren können diese Objekte dann interagieren und werden zu den sogenannten cyberphysischen Systemen. Abbildung 2.14 veranschaulicht das Zusammenspiel der Sensoren, Kommunikatoren und Aktoren.

Abb. 2.14: Aufbau eines cyberphysischen Systems (vgl. Veigt et al. 2013, S. 16)

Beispielsweise kann es sich bei einem cyberphysischen System um verschiedene Roboter handeln, die als einzelne Maschinen einer Fertigungsanlage oder als einzelne Komponenten eines fahrerlosen Transportsystems miteinander agieren. Häufig spricht man auch von embedded systems (eingebetteten Minicomputern in den eigentlichen Fertigungs- oder Transportgeräten), welche dessen dezentrale und automatisierte Steuerung übernehmen. Die folgende Definition fasst die wesentlichen Merkmale cyberphysischer Systeme (CPS) zusammen:

» Cyberphysische Systeme (CPS) beinhalten die Integration von Computern in physische Prozesse. Eingebettete Computer (Embedded Systems) und Netzwerke überwachen und regeln die physischen Prozesse anhand von Rückkopplungsschleifen, bei denen die physischen Prozesse mit dem Computer interagieren.« (Lee/Seshia 2011)

Als besondere Ausprägungen können diese CPS sowohl in der Produktion als auch in der Logistik eingesetzt werden, sodass man von cyberphysischen Produktionssystemen (CPPS) oder cyberphysischen Logistiksystemen (CPLS) spricht. Diese können einzelne Maschinen oder Transportmittel sein (vgl. Geisberger/Broy 2012), wie auch Logistik-, Koordinations- und Managementprozesse bzw. Internet-Dienste umfassen, welche

•  physikalische Daten über Sensoren erfassen,

•  mit Aktoren auf diese physischen Prozesse einwirken,

•  Daten speichern und auswerten, um aktiv oder reaktiv zwischen physischem und digitalem System zu interagieren (über den sogenannten Digitalen Zwilling),

•  durch digitale Netzwerke miteinander verbunden sind,

•  weltweit Daten und Dienste integrieren können

•  und dazu mittels verschiedener Schnittstellen die Kommunikation untereinander sowie zwischen Mensch und Maschine steuern.

Bei den CPPS werden Produktionseinheiten zu intelligenten Produktionseinheiten, die durch die IKT-Integration zu sich selbst organisierenden – also autonomen – Produktionseinheiten werden. Ihr zentraler Vorteil liegt in der Flexibilisierung des Produktionsablaufs, sodass unabhängig von Ort und Zeitpunkt der Leistungsentstehung diese dezentral gesteuert und kontrolliert werden können ( Abb. 2.15).

Abb. 2.15: Besonderheiten eines CPPS

Werden darüber hinaus auch einzelne Transportmittel, Förder- und Regalsysteme oder sogar ganze Verkehrsleitsysteme mittels CPS verbunden, spricht man von CPLS ( Abb. 2.16). Interagieren diese CPLS mit den dezentral gesteuerten Produktionssystemen, so lassen sich Transport- und Produktionsprozesse entlang der gesamten Wertschöpfungskette vernetzen.

Abb. 2.16: Besonderheiten eines CPLS

Um die Effizienz dieser CPLS sicherzustellen, bedarf es einer dezidierten Anforderungsanalyse