Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMDas vom BMWi-geförderte Projekt »5Gain – 5G Infrastrukturen für zellulare Energiesysteme unter Nutzung künstlicher Intelligenz« startete im Dezember 2019 mit dem Ziel, 5G Konzepte für zellulare Energiesysteme zu entwickeln und zu evaluieren.
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5G und Machine Learning
Im Projekt »5Gain« stehen 5G Infrastrukturen für zellulare Energiesysteme im Mittelpunkt. Entwickelt wird mit Methoden des Machine Learnings. Denn 5G ist mehr als ein neuer Funkstandard.
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5Gain – 5G Infrastrukturen für zellulare Energiesysteme mit KI
Schlagworte wie Internet der Dinge (IoT) oder Industrie 4.0 sind in den Medien allgegenwärtig. Klar scheint, zukünftig werden immer mehr Maschinen, Anlagen und Geräte miteinander vernetzt – besonders in der Produktion. 5G ist ebenfalls in aller Munde und gilt als Nachfolger von 4G (LTE). Dabei ist die fünfte Generation wesentlich mehr als nur ein neuer Mobilfunkstandard. Denn 5G bahnt der Industrie 4.0 ganz neue Perspektiven, weil es genau auf die Kommunikation zwischen Maschinen abzielt. In »5Gain« stehen die Vorteile einer 5G basierten Infrastruktur für das Management zellularer Energiesysteme im Mittelpunkt. In Kombination mit KI-Methoden ergeben sich neue Möglichkeiten einer intelligenten Netzregelung.
Zellulare Aufteilung und verteilte Regelung des Energienetzes
Durch den dezentralen Ausbau erneuerbarer Energiequellen mit steuerbarer Lasten und Speichern (z.B. Elektromobilität) wird die Regelung von Energiesystemen immer komplexer. Gleichzeitig soll der Ausbaubedarf des Stromnetzes auch möglichst gering gehalten werden. Unser Lösungsansatz dieser Herausforderung ist die Einteilung des Energienetzes in regionale Zellen. Jede Zelle besitzt unterschiedliche Teilnehmer und Eigenschaften und führt dezentral Last-, Einspeisemanagement und Vermarktung durch. Wir entwickeln adaptive KI-Verfahren (z.B. Reinforcement Learning), die die Regelung des individuell vorliegenden Energienetzes erlernen.
5G-gestützte Anwendungsszenarien von Cyber physikalischen Produktionssystemen
Kommunikation über 5G-Regional Network Slices
Die Regelung von verteilten Erzeugenden sowie Verbraucherinnen und Verbrauchern erfordert eine Kommunikationsinfrastruktur, die benötigte Datenraten, Antwortzeiten und Ressourcen für unterschiedliche viele Teilnehmende zur jeder Situation (z.B. Staus, Altstadtfest) bereitstellt. Der 5G-Standard stellt durch »5G Network Slicing« eine dynamische und ortsbezogene Zusicherung von Dienstgütegarantien zur Verfügung.
Wir entwickeln Prognoseverfahren, um Kommunikationsanforderungen von Ereignissen frühzeitig zu erkennen. Hierdurch können »5G Network Slicing« regional so gewählt werden, dass benötigte Kommunikationsressourcen vor Ort bereitgestellt werden.
Abrechnung durch Smart Contracts
Die Abrechnung zwischen Erzeugenden und Verbrauchenden sollte automatisiert und sicher erfolgen. In 5Gain erproben wir das auf Basis von Smart Contracts in einer Blockchain. Weiterhin wird die Machbarkeit einer datenintensiven, automatisierten Fernwartung verteilter Infrastrukturen durch Drohnen analysiert.
Unsere Kompetenzen im Projekt
Auf Basis unserer methodischen Kompetenzen im Maschinellen Lernen und unserer breiten Projekterfahrung in der Überwachung und Regelung von Energienetzen entwickeln wir in 5Gain:
- Adaptive KI-Verfahren für die verteilte Regelung zellulärer Energiesysteme.
- Prognosemodelle, um Kommunikationsanforderungen bedarfsabhängig vorherzusagen.
Projektpartner
- adesso AG
- Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH
- urban ENERGY
- PHYSEC
- Stadt Dortmund
- RWTH Aachen
- Technische Universität Dortmund (TUDo), Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
- Innogy SE
Interview: Industrie 5G – nicht nur Zukunftsmusik durch Expertise aus der Mathematik
Das Projekt »5Gain« bildet einen Kern der ITWM-Aktivitäten zum Thema 5G. Dabei geht es im Team um Dr. Paulo Renato da Costa Mendes und Dr. Christian Salzig um sehr praktische Problemstellungen und Industrie 4.0 im Bereich Energie. Im Interview erklärt uns Paulo Renato da Costa Mendes, was die 5G-Entwicklungen bedeuten:
5G gilt als Zukunftstechnologie par excellence. Siemens oder das Handelsblatt sprechen schon von »Industrial 5G«. Welche Vorteile bringt 5G im Bereich Industrie 4.0?
5G gilt als zehn bis 20 Mal schneller als 4G, dazu flexibler, autonomer, sicherer und effizienter. Es ermöglicht höhere Datenübertragungsraten und kürzere Latenzen. Je nach Anwendung sind die Vorteile nicht in vollem Umfang gleichzeitig in ein und demselben Netzwerk nutzbar. Der Consumer-Bereich benötigt da vielleicht eher hohe Datenraten, um unterwegs z. B. Videos zu streamen. Bei industriellen Anwendungen sind Zuverlässigkeit und niedrigste Latenzzeiten wichtig. Besonders dort, wo der industrielle Automatisierungsgrad bereits hoch ist, bietet 5G schnelle Chancen Industrie 4.0 zu Industrial 5G werden zu lassen. Wir sprechen hier von einer relativ nahen Zukunft. In drei bis fünf Jahren ist einiges auch real umsetzbar.
Wie kann die Mathematik, bzw. wir beim Fraunhofer ITWM, da in der Praxis unterstützen? Welche Herausforderungen stellen sich im Projekt und welche Expertise bringen wir ein?
Besonders unsere jahrelangen Erfahrungen und die methodischen Kompetenzen im Bereich des Maschinellen Lernens qualifizieren uns. Wir entwickeln KI-Algorithmen für die unterschiedlichsten Bereiche. Das ebnet den Weg, das Potenzial für 5G optimal auszuschöpfen. Im Projekt »5Gain« hilft das gepaart mit unserer Projekterfahrung in der Überwachung und Regelung von Energienetzen. KI-Verfahren für die verteilte Regelung zellulärer Energiesysteme sind ebenso gefragt wie Prognosemodelle. Diese sollen Kommunikationsanforderungen bedarfsabhängig vorhersagen. Der Lösungsweg ist Mathematik mit dem Ziel eine intelligente Netzregelung zu entwickeln. Genauer kann man das auch so erklären: Durch den dezentralen Ausbau erneuerbarer Energiequellen mit steuerbaren Lasten und Speichern (z.B. Elektromobilität) wird die Regelung von Energiesystemen immer komplexer. Der meiste Strom aus erneuerbaren Energien ist wetterabhängig. Er wird unabhängig von der Nachfrage produziert, und zwar dann wenn der Wind weht oder die Sonne scheint. Es muss flexibler gedacht werden. Gleichzeitig soll das Stromnetz möglichst wenig weiter ausgebaut werden. Unser Lösungsansatz: die Einteilung des Energienetzes in regionale Zellen. Jede Zelle besitzt unterschiedliche Teilnehmende und Eigenschaften und führt dezentral Last-, Einspeisemanagement und Vermarktung durch. Wir entwickeln adaptive Verfahren (z. B. Reinforcement Learning), die die Regelung solcher individuell vorliegenden Energienetze erlernen.
Das heißt, es werden KI und Machine Learning eingesetzt. Und was hat das am Ende mit 5G zu tun?
Die Regelung erfordert eine Kommunikationsinfrastruktur, die die benötigten Datenraten, Antwortzeiten und Ressourcen für unterschiedlich viele Teilnehmende bereitstellt und zwar zu jeder Situation, flexibel und schnell. All das schlummert in den Vorteilen von 5G. Wir arbeiten an der Weiterentwicklung verschiedener Systemkomponenten und erproben diese mit unseren Partnern, auch in realer Umgebung. So zum Beispiel im Reallabor der Stadt Dortmund sowie mit Partnern von der Verbrauchendenseite oder Ernergieerzeugenden.