Ralph Thiele

Von Drohnen und Schwärmen

Der Siegeszug autonomer Systeme

Maschinen und virtuelle Konstrukte werden zunehmend intelligenter und autonomer. Der Mensch muss sich sputen, will er seine Direktionsrolle behalten.

... atemberaubend

Tesla tut es mit seinen Autos. DHL tut es mit seinem Paketversand. Airbus tut es mit Flugtaxis[1]. Fahr- und Flugzeuge werden autonom. Wir sind Zeitzeugen und Mitgestalter, Objekte und Nutznießer einer rasanten technologischen Entwicklung.

Ob in Autos, Flugzeugen, Haushaltsgeräten oder beim Aktienhandel - kriechende, laufende, fahrende, schwimmende, tauchende und fliegende Systeme, Maschinen, Geräte oder Software integrieren immer mehr Intelligenz und Autonomie in ihre Funktionalität und damit in unser tägliches Leben. Und sie werden mehr – viel mehr; sehr viel mehr.

Autonome Systeme nehmen wahr, lernen, denken und handeln selbständig. Sie lösen komplexe Aufgaben und können auf unvorhersehbare Ereignisse intelligent reagieren. Sie nutzen Künstliche Intelligenz (KI), um Aufgaben zu übernehmen, die bisher von Menschen erledigt wurden.

KI liefert die Schlüsseltechnologien in den Bereichen Maschinelles Lernen, Cyber-Sicherheit und agiler IT-Infrastrukturen, die für die Weiterentwicklung und den Einsatz dieser Systeme maßgeblich sind. KI-Algorithmen erlauben es, dass autonome Systeme „natürlich“ mit Menschen und generell mit ihren Umgebungen interagieren. Das verbessert nicht nur die Produktivität und Ressourcennutzung, sondern darüber hinaus Mobilität und Lebensqualität.

Das Potenzial autonomer Systeme wächst mit atemberaubender Geschwindigkeit. Die Schlüsseltechnologie hierzu ist vor allem Software. Man braucht zwar Computer, Sensorik und Kommunikation im Auto, also leistungsfähige Kameras, Radar, Laser und hochgenaue GPS-Daten. Doch am Ende funktioniert autonomes Fahren durch die intelligente Verknüpfung aller Daten – und hochentwickelte Software-Algorithmen.

Auf dieser Grundlage wird autonomes Fahren Realität. Mit autonomen Taxis oder Bussen lassen sich nicht nur Kosten sparen, sondern sich auch der ländliche Raum besser erschließen. Der Güterverkehr kann rationalisiert und umweltschonend organisiert werden. Automatisierte Algorithmen setzen Buchpreise online fest. U-Bahn-Reparaturen werden von maßgeschneiderter künstlicher Intelligenz geplant. „Lernende“ Thermostate passen die Temperatur dem Verhalten der Haushaltsbewohner an.

In Produktionsanlagen arbeiten Flotten intelligenter Roboter zusammen und interagieren flexibel mit den menschlichen Mitarbeitern. Längst gibt es autonome Lagerlogistiklösungen, besatzungslose Frachtschiffe, intelligente Netze, vernetzte Haushaltsgeräte und Haushaltsroboter mit sozialer Kompetenz. Der größte Teil des Internetverkehrs wird bereits von sogenannten Bots erzeugt. Dies ist ein Hinweis darauf, dass es auch betrügerische autonome Systeme gibt, d.h. intelligente Software, die sich als menschlicher Benutzer ausgibt und mit Schadsoftware Systeme angreift, deren Betrieb stört oder Informationen sammelt oder auch entwendet.

... Drohnen in- und online

An der Speerspitze der autonomen Entwicklung haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten auf der ganzen Welt Drohnen etabliert. Technologien wie Künstliche Intelligenz, Maschinelles Lernen und Big Data begleiten sie. Vergleichbar mit dem autonomen Fahren wird die Künstliche Intelligenz einer Drohne in einem strukturierten Lernprozess geschult. Ein menschlicher Bediener steuert zunächst die Drohne, um visuelle und räumliche Daten von den Kameras und Lichtdetektions- und Entfernungssystemen zu sammeln. Objekte in den resultierenden Aufnahmen, wie Wände, Berge oder Klippen, werden beschriftet und durchlaufen dann den Lernalgorithmus, der für den Betrieb der Drohne entwickelt wurde. Die KI unterstützt die Vorverarbeitung der permanent gewonnenen Sensordaten und der Flugsteuerungssysteme.

Nicht nur Großindustrie und staatlichen Einrichtungen, sondern auch Mittelstandsbetriebe, kleine Unternehmen und Ingenieurbüros profitieren von Drohnen und deren Fähigkeit, ohne umfassenden Personaleinsatz große Flächen kostengünstig und schnell zu vermessen. Drohnen ermöglichen die Detektion, Erhebung und Analyse von Prozessen, die Auswirkungen auf den Siedlungsraum, Verkehrswege und Infrastruktur haben. Dazu gehört z.B. die Erfassung und Bewertung von Schäden, die durch Lawinen, Rutschungen, Murgänge, Hochwasser verursacht wurden. Sie warnen vor Katastrophen, beschleunigen Rettungs- und Bergungsarbeiten oder bringen Medikamente in unzugängliche Gebiete.

In der Verkehrsüberwachung sammeln Drohnen Echtzeit-Informationen über den Straßenverkehr. Im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen überwachen sie sehr flexibel und kostengünstig große durchgehende Straßenabschnitte oder konzentrieren sich auf ein bestimmtes Straßensegment. Vergleichbare Aufgaben übernehmen sie für Polizei, Feuerwehr und Grenzschutz.

Drohnen liefern Forschungsteams umfassende Datensätze. Im Risikomanagement verschaffen sie Versicherungsunternehmen einen Überblick über Hagelschäden. In Baugewerbe überwachen sie Baustellen in Echtzeit. Sie inspizieren Strom- und Gasleitungen bei geringeren Kosten und deutlich schneller im Vergleich zu herkömmlichen Inspektionsmethoden.

In der Landwirtschaft unterstützen Drohnen Erntemanagement und Bewässerungsplanung z.B. durch Luft- und Wärmebildaufnahmen. Sie übernehmen Vermessungsarbeiten. Auf der Grundlage der gesammelten Daten entstehen 3D-Modelle, die sehr wirklichkeitsnah Informationen von Anbaugebieten, Feldern oder Wäldern visualisieren. Derart lassen sich Felder und Bestand digitalisieren, Flächen optimieren und die Produktion steigern. Multispektralkameras gebe Auskunft über die vitale Verfassung von Pflanzen oder die Beschaffenheit des Bodens. Neben Informationen zur Pflanzengesundheit können aber auch der mögliche Ernteertrag, Bodenzusammensetzung, Oberflächenfeuchtigkeit, Drainagen oder Dürreschäden bewertet und dokumentiert werden. Drohnen können auch als Spritzdrohnen in schwierigen Bodenlagen verwendet werden. Sie sind dort wesentlich effizienter als bisher übliche Boden-Spritzen.

Selbst Post- und Paketdienste nutzen Drohnen für ihre Aufgaben. DHL hat in Reit im Winkl im oberbayerischen Traunstein erfolgreich die Belieferung von Endkunden mit einer Paketdrohne getestet. Das gelb-rote Fluggerät pendelte zwischen dem Taldorf und der Winklmoosalm hin und her. Die Logistikdrohne des US-Helikopterspezialisten Bell Textron soll bereits im ersten Quartal 2020 in den Logistikdienst des US-Konzerns eintreten. Und auch UPS hat vor wenigen Tagen von zuständigen U.S. Zulassungsbehörde FAA die Zulassung erhalten, eine ganze Drohnen-Transportflotte aufzubauen.

Im Stadtverkehr sind Drohnen bislang noch überfordert. Doch das soll künstliche Intelligenz ändern. Forscher der Universität Zürich haben ein künstliches neuronales Netz entwickelt, das ähnlich wie das menschliche Gehirn lernt. Die Forscher füttern diese künstliche Intelligenz mit tausenden Videos von Auto- und Fahrradfahrern, die sich im Straßenverkehr mustergültig verhalten. Mit der Zeit lernt der Algorithmus Verhaltensregeln abzuleiten – er versteht, wie man Straßen folgt, ohne in den Gegenverkehr zu geraten, und wie man rechtzeitig vor Hindernissen wie Fußgängern, Fahrzeugen und Baustellen anhält. Er lernt, komplexe Aufgaben anhand von zahlreichen Trainingsbeispielen zu lösen. Das versetzt die Drohne in die Lage, im Straßenverkehr statische und dynamische Hindernisse zu umfliegen und das Tempo anzupassen – autonom wohlgemerkt.

... von Schwärmen

Mit der Weiterentwicklung autonomer Systeme arbeiten künftig ganze Schwärme von intelligenten Systemen zusammen - miteinander verbundene Drohnen, Jets, Schiffe und andere Systeme. Um effizientere und genauere Schwarm-Kooperationsalgorithmen zu entwickeln, werden fortschrittliche maschinelle Lernalgorithmen eingesetzt, um eine bessere Leistung und schnellere Reaktion zu erreichen.

Einen Vorgeschmack auf die Leistungsfähigkeit von Schwärmen gab es bei den Eröffnungsfeierlichkeiten der Olympischen Winterspiele 2018 in Pyeongchang. Weit mehr als tausend Drohnen füllten den Himmel und flogen, stürzten und wirbelten als Lichtpunkte einer Lightshow entlang einer vorgegebenen Choreographie. Künstliche Intelligenz synchronisierte diese Legion von Quadcoptern trotz Wind und Wetter. So etwas gab es noch nie zuvor.

Die Eigenschaften autonomer unbemannter Systeme sind auch für Sicherheits- und militärische Anwendungen unentbehrlich. Die Zusammenarbeit in „Schwärmen“ erlaubt z.B. einen größeren Überwachungsumfang, eine höhere Fehlertoleranz und eine schnellere Bearbeitungszeit.

... und Mensch-Maschine Teams

Derzeit erleben wir einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie fortschrittliche Streitkräfte kämpfen. Viele Streitkräfte und selbst irreguläre Akteure wie Terroristen verfügen bereits über unbemannte Systeme, die kriechen, schwimmen und fliegen, die in der Minenbeseitigung, Überwachung und Feuerunterstützung eingesetzt sind. Die Fortschritte in den Bereichen Sensorik, Robotik und Computer ermöglichen die Entwicklung einer ganz neuen Klasse von Systemen. Prägend dafür sind Mensch-Maschine Teaming-Konzepte.

In zukünftigen Konflikten wirken unbemannte autonome Systeme - einzeln oder in Schwärmen - als Teil eines Teams in enger Zusammenarbeit mit menschlichen Entscheidungsträgern und Einsatzkräften. Im Grundsatz übernehmen autonome Drohnen die langweiligen und gefährlichen Einsatzaufgaben. Den Menschen fallen die Kontrollfunktionen zu. Sie konzentrieren sich auf die kognitiv anspruchsvollen Aufgaben. Den autonomen Systemen fehlt die Robustheit und Flexibilität der menschlichen Intelligenz und sie sind für viele Aufgaben bislang nicht geeignet. Mensch-Maschine Teaming und Schwärme rücken damit in den Fokus künftiger Einsatzkonzepte.

.... preiswerte Wirkung

Was der Einsatz intelligenter und autonomer Systeme für kritische Infrastrukturen und militärische Operationen bedeuten kann, haben die Luftangriffe vom 14. September auf Ölanlagen in Abqaiq und Churais in Saudi-Arabien erst jüngst der Welt vor Augen geführt. Die verwendeten 18 Drohnen hatten einen geschätzten Kaufpreis von rund 14.000 € pro Stück. Der Angriff fügte der Ölindustrie Saudi-Arabiens einen derart großen Schaden zu, dass deren Förderung um die Hälfte zurückgefahren werden musste. Die Wirkung reicht bis an unsere Tankstellen.

... der kommerzielle Sektor treibt die Entwicklung

Innovationen bei den autonomen Systemen erfolgen mit rasanter Dynamik. Zu den Entwicklungen gehören auch neue Materialien und Designs zur Steigerung von Nutzen und Effizienz; neue Fähigkeiten bezüglich Tarnung und Angriff; ebenfalls die Einbeziehung tierischer Eigenschaften und Formen in das Design.

Zusätzlich zu den physisch intelligenten Dingen füllt sich zwischenzeitlich der Land-, Luft-, See-, Welt- und Cyberraum mit körperlosen Cyberrobotern. Einige davon schützen die Kommunikation und Informationen, andere sammeln Informationen und Wissen; weitere überprüfen Informationen auf Fakten, filtern und fusionieren diese mit Blick auf ein realistisches, umfassendes Lagebild; wieder andere schützen elektronische Geräte vor Angriffen der elektronischen Kriegsführung etc.

Im Gegensatz zu früheren bahnbrechenden Technologien wie Stealth oder präzisionsgeführte Waffen, die aus geheimen militärischen Labors stammen, wird heute der Großteil der Innovation bei autonomen Systemen vom kommerziellen Sektor vorangetrieben. Staaten sind nicht länger Haupttreiber disruptiver Sicherheits- und Verteidigungstechnologien. Allein die Informationstechnologie befeuert einen Großteil der Entwicklungen, die Autonomie ermöglichen - verbesserte Sensoren, schnellere Verarbeitung, kostengünstigere Trägheitsnavigation und Miniaturisierung. Vor diesem Hintergrund muss sich der Mensch sputen, will er seine Direktionsrolle kompetent ausfüllen. Autonome Systeme sind für Wirtschaft und Streitkräfte, Staat und Gesellschaft Chance und Herausforderung zugleich.

[1] Holger Holzer. Wettlauf um die Riesendrohnen. Die Zeit. 1. Januar 2019. https://www.zeit.de/mobilitaet/2018-12/flugtaxis-drohnen-mobilitaet-personenbefoerderung

15. Oktober 2019

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