{"id":24299,"date":"2017-10-20T07:00:51","date_gmt":"2017-10-20T05:00:51","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/10\/20\/ameisen-navigationsgeraete-und-fussballspielende-ingenieure\/"},"modified":"2025-05-14T16:36:27","modified_gmt":"2025-05-14T14:36:27","slug":"ameisen-navigationsgeraete-und-fussballspielende-ingenieure","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/10\/20\/ameisen-navigationsgeraete-und-fussballspielende-ingenieure\/","title":{"rendered":"Ameisen, Navigationsger\u00e4te und fu\u00dfballspielende Ingenieure"},"content":{"rendered":"

\"sb-wettbewerb_klein\"<\/a>Dieser Artikel ist Teil des ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2017<\/a>. Informationen zum Ablauf gibt es hier<\/a>. Leserinnen und Leser k\u00f6nnen die Artikel bewerten und bei der Abstimmung einen Preis gewinnen – Details dazu gibt es hier<\/a>. Eine \u00dcbersicht \u00fcber alle am Bewerb teilnehmenden Artikel gibt es hier<\/a>. Informationen zu den Autoren der Wettbewerbsartikel finden sich in den jeweiligen Texten.<\/i>
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\nAmeisen, Navigationsger\u00e4te und fu\u00dfballspielende Ingenieure<\/b><\/p>\n

von Jonathan, Dennis und Raphael<\/p>\n

Jonathan, Dennis und Raphael sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Abteilung Produktionsqualit\u00e4t am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Produktionstechnologie IPT<\/a> in Aachen. Jonathan in der Gruppe Produktionseffizienz, Dennis in der Gruppe Smarte Produktion und Raphael in der Gruppe Vernetzte Produktions-IT. Wenn sie nicht gerade versuchen zum ersten Mal einen Blog-Artikel zu schreiben, philosophieren sie \u00fcber die vernetzte, adaptive Produktion. Oder machen sch\u00f6ne Dinge, die nichts mit der Arbeit zu tun haben.<\/p>\n

Am Anfang jeder guten wissenschaftlichen Untersuchung steht eine Frage, gleiches gilt f\u00fcr unseren Blogbeitrag: Warum denkt der Ingenieur aus der Produktionstechnik gleich an Ameisen, wenn er W\u00f6rter wie \u201eNavigationsger\u00e4t\u201c oder \u201eFu\u00dfball\u201c h\u00f6rt?<\/p>\n

\"Visualisierung<\/a>
Visualisierung der \u00dcberschneidung \u2013 alternativ ein Ameisen-Mandala zum Ausmalen<\/figcaption><\/figure>\n

Ameisen in der Natur<\/b><\/p>\n

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, begeben wir uns zun\u00e4chst in eine f\u00fcr Ingenieure eher unbekannte Umgebung: Die Natur. Hier k\u00f6nnen wir vielen Ameisenkolonien begegnen. In einer Ameisenkolonie leben mehrere Ameisenkasten, die viele verschiedene Aufgaben zu erledigen haben: K\u00f6niginnen, Arbeiterinnen und Soldatinnen m\u00fcssen Eier legen, Nahrung suchen oder die Kolonie verteidigen. Wir besch\u00e4ftigen uns insbesondere mit den Arbeiterinnen w\u00e4hrend der Nahrungssuche.<\/p>\n

\"Arbeiterinnen<\/a>
Arbeiterinnen auf Nahrungssuche (By Mehmet Karatay (Own work) [GFDL<\/a>, CC-BY-SA-3.0<\/a> or CC BY-SA 2.5-2.0-1.0<\/a>], via Wikimedia Commons<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Die Arbeiterinnen finden einen beeindruckend direkten Weg, der vom Ameisennest zur n\u00e4chsten Futterquelle f\u00fchrt. Da stellt sich f\u00fcr uns nat\u00fcrlich die Frage: Wie schaffen sie das? Expertengespr\u00e4che mit einer repr\u00e4sentativen Menge an Arbeiterinnen zeigen: Immer wenn Ameisen auf Futtersuche sind, hinterlassen sie auf ihrem Weg Duftstoffe, sogenannte Pheromone. Dadurch entsteht auf dem bereits zur\u00fcckgelegten Weg eine Pheromonspur. Wenn in der Umwelt bereits Pheromonspuren existieren, w\u00e4hlen Ameisen bevorzugt Wege mit h\u00f6herer Pheromonkonzentration. Das f\u00fchrt zu einem relativ einfachen und dennoch genialen Ph\u00e4nomen: Ameisen, die einen k\u00fcrzeren Weg gefunden haben, kommen auch wieder schneller zum Nest zur\u00fcck, wodurch sie schneller zur n\u00e4chsten Runde Nahrungssuche aufbrechen k\u00f6nnen. Dadurch steigt die Pheromonkonzentration auf diesen Wegen. Au\u00dferdem folgen vermehrt andere Ameisen diesen Wegen, wodurch die Konzentration weiter steigt \u2013 eine Ameisenstra\u00dfe entsteht. Nicht nur das Universum, auch die Ameisen darin sind cool<\/a>!<\/p>\n

\"Bildunterschrift:<\/a>
Bildunterschrift: Arbeiterinnen auf Nahrungssuche \u2013 vereinfachte Darstellung (es herrscht Linksverkehr)<\/figcaption><\/figure>\n

Ameisen in der Technik<\/b><\/p>\n

Aber was ist an Ameisen so besonders, dass wir als Ingenieure den Aufwand betreiben und ihre Wegfindung analysieren und verstehen wollen? Kurz gesagt krabbeln Ameisen total planlos durch die Gegend, bis sie durch Zufall die Futterstelle finden und diesen Weg \u00fcber Pheromone nach und nach optimieren. Das Spannende ist jedoch, dass die Ameisen bereits sehr fr\u00fch ziemlich viele schlechte Wege zum Ziel direkt ausschlie\u00dfen. Betrachten wir n\u00e4mlich den gesamten Wald, g\u00e4be es schier unendlich viele Wege Futterquelle und Ameisennest zu verbinden #NPSchwere<\/a> #lokaleMinima<\/a>.<\/p>\n

Ameisen als Beifahrer<\/b><\/p>\n

Wie uns dieses Vorgehen der Ameisen helfen kann? Nehmen wir an, einige M\u00fcnsteraner Studentinnen m\u00f6chten unbedingt ein Wochenende in der pulsierenden Metropole Aachen verbringen. Da sie keine Zeit verlieren m\u00f6chten, nehmen sie ausnahmsweise ein Auto statt des Fahrrads. Gl\u00fccklicherweise hat das Auto ein Navigationsger\u00e4t an Bord. Und Ameisen. Schon in den 1940er Jahren<\/a> wurde das Verhalten von Ameisen genauer beschrieben. Findige Informatiker haben sich dann vor mehr als 25 Jahren<\/a> \u00fcberlegt, das nat\u00fcrliche Verhalten der Ameisen virtuell nachzuahmen.<\/p>\n

Im Navigationsger\u00e4t werden viele virtuelle Ameisen auf eine Stra\u00dfenkarte losgelassen und finden so einen nah-optimalen Weg zum Ziel. Dieses Vorgehen wird Ameisenalgorithmus<\/a> genannt. Ein Algorithmus<\/a> ist eine Art Kochrezept, das aus mehreren Einzelschritten besteht und ein bestimmtes Problem l\u00f6st. Es wird also das nat\u00fcrliche Verhalten der Ameisen analysiert und mit einfachen Regeln beschrieben. So wird beispielsweise aus der Pheromonkonzentration auf einer Ameisenstra\u00dfe ein numerischer Eintrag in einer Matrix. Dieser Eintrag wird erh\u00f6ht, wenn die virtuelle Ameise diesen Wegpunkt betritt. Und wenn virtueller Wind herrscht, wird der Eintrag verringert. Die in solch eine mathematische und technische Form gebrachten Regeln k\u00f6nnen dann von einem Computer verarbeitet werden. Wie sowas aussieht, kann man an einer sch\u00f6n anschaulichen Demo<\/a> zum Problem des Handlungsreisenden<\/a> selber ausprobieren.<\/p>\n

Ameisen in der Logistik<\/b><\/p>\n

Navigationsger\u00e4te nutzen bei der Tourenplanung weitere Algorithmen und achten auf eine Vielzahl weiterer Dinge. Die Idee ist allerdings sowohl beim Navigieren des Autos als auch beim Herstellen von Produkten die gleiche: Wir \u00fcbertragen Muster aus der Natur auf technische Problemstellungen. In der Fertigung (\u201eDinge herstellen\u201c) und Montage (\u201eDinge zusammenbauen\u201c) gibt es zum Beispiel autonome, fahrerlose Transportsysteme, die Produkte zwischen verschiedenen Stationen transportieren. Deren \u201eFutterstelle\u201c ist also die n\u00e4chste Station, zu der das Produkt m\u00f6glichst schnell gebracht werden soll. Damit auch der Mitarbeiter in solch einer automatisierten Produktion<\/a> noch den \u00dcberblick beh\u00e4lt, k\u00f6nnen die vom Algorithmus ausgew\u00e4hlten Wege auf Tablets oder Smart Glasses angezeigt werden.<\/p>\n

Ameisen in der Produktion<\/b><\/p>\n

Das Verhalten der Ameisen k\u00f6nnen wir also imitieren, um kurze Wege zwischen geographischen Orten zu finden. Das Ziel ist hierbei somit eine Minimierung der zur\u00fcckgelegten Strecke. Wir k\u00f6nnen die Problemstellung aber auch auf andere Zielgr\u00f6\u00dfen, wie die verstrichene Zeit, statt der zur\u00fcckgelegten Strecke, \u00fcbertragen. Wollen die M\u00fcnsteranerinnen m\u00f6glichst schnell in Aachen sein, um mehr Zeit f\u00fcr das kulturelle Angebot zu haben, so k\u00f6nnten sie beispielsweise eine l\u00e4ngere, aber schnellere Autobahnstrecke w\u00e4hlen, statt eines k\u00fcrzeren, zeitlich langsameren Weges \u00fcber Landstra\u00dfen. So w\u00e4ren sie deutlich schneller in Aachen!<\/p>\n

\u00c4hnlich geschieht es in der Produktion bei den sogenannten Maschinenbelegungsproblemen<\/a>. Wir m\u00f6chten unsere Produktion so gut es geht auslasten, das hei\u00dft wir m\u00fcssen die Produktionsauftr\u00e4ge m\u00f6glichst gut auf die verschiedenen Maschinen verteilen. Die Maschinen sollen soweit es geht nicht stillstehen, denn nur so k\u00f6nnen wir eine hohe Auslastung und eine schnellere Ankunft im Feierabend erreichen. Wir stehen hier also vor der Optimierung einer \u00e4hnlichen Zielgr\u00f6\u00dfe, wie die Studentinnen bei ihrer Fahrt nach Aachen, wenn sie den Weg m\u00f6glichst schnell hinter sich bringen wollen: Einer Zeitspanne. Das Belegen der Maschinen mit Auftr\u00e4gen kann dementsprechend ebenfalls mit Ameisenalgorithmen erfolgen.<\/p>\n

\"Maschinenbelegungsplanung<\/a>
Maschinenbelegungsplanung im optisch ansprechenden Industriesoftwarelook (Ameisen im Hintergrund)<\/figcaption><\/figure>\n

Und es geht sogar noch einen Schritt weiter: Wir k\u00f6nnen weitere Zielgr\u00f6\u00dfen ber\u00fccksichtigen, wie die Kosten, den Energieverbrauch<\/a> oder die Produktqualit\u00e4t. Stellen wir uns dabei geschickt an, besteht die M\u00f6glichkeit mehrere Zielgr\u00f6\u00dfen zeitgleich zu optimieren.<\/p>\n

Ameisen am Fraunhofer-Institut<\/b><\/p>\n

Und auch sonst machen wir am Fraunhofer IPT noch viele spannende Sachen. Es gibt in der Wissenschaft viele interessante Themen! Und wenn ihr mal in Aachen seid, kommt uns gerne besuchen! Daf\u00fcr m\u00fcsst ihr im Navi einfach nur die Steinbachstra\u00dfe 17 in Aachen eingeben. Die Ameisen erledigen den Rest!<\/p>\n

Fazit<\/b><\/p>\n

Wir haben gesehen, dass uns kleine Ameisen beim Autofahren, in der Logistik und der Produktion weiterhelfen k\u00f6nnen! \u00dcber die Beobachtung der Natur sind wir in der Lage neue technische L\u00f6sungen zu finden. Wie in vielen anderen Bereichen bedienen wir uns in der Produktionstechnik verschiedener Disziplinen wie der Biologie, Informatik, Physik, Chemie oder Mathematik. Alles, um m\u00f6glichst gute Produkte herzustellen, die unser Leben angenehmer gestalten.<\/p>\n

Und \u00fcbrigens: Nicht nur Ameisen k\u00f6nnen f\u00fcr die beschriebenen Probleme genutzt werden, es gibt noch viele, viele andere M\u00f6glichkeiten Algorithmen zu erarbeiten. Oder h\u00e4ttet ihr gedacht, dass krabbelnde Ameisen und fliegende Elefanten<\/a> einiges gemeinsam haben? Habt ihr Ideen, wo und wie man einen Ameisenalgorithmus noch in Eurem Alltag einsetzen k\u00f6nnte? Oder welche zus\u00e4tzlichen Optimierungsm\u00f6glichkeiten existieren?<\/p>\n

Wir spielen jetzt erstmal eine Runde FIFA 17. Wie wir da unsere Gewinnchancen erh\u00f6hen, wissen wir schon\u2026Ihr auch?<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Dieser Artikel ist Teil des ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2017. Informationen zum Ablauf gibt es hier. Leserinnen und Leser k\u00f6nnen die Artikel bewerten und bei der Abstimmung einen Preis gewinnen – Details dazu gibt es hier. Eine \u00dcbersicht \u00fcber alle am Bewerb teilnehmenden Artikel gibt es hier. Informationen zu den Autoren der Wettbewerbsartikel finden sich in den […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":24109,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[733,11],"tags":[2666],"class_list":["post-24299","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-blog-schreibwettbewerb","category-naturwissenschaften","tag-blog-schreibwettbewerb"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/24299","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=24299"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/24299\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":24304,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/24299\/revisions\/24304"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/24109"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=24299"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=24299"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=24299"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}