Die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Transport- und Logistiksystemen wird zunehmend zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Denn der Materialfluss der zu fertigenden Produkte ist kostenintensiv, erfordert einen hohen Koordinierungsaufwand und stellt oft einen Engpass dar. Verzögerung sowie Beschädigung oder Verlust der zu fertigenden Produkte während des Transports führen häufig zu Produktionsstillständen und ziehen erhebliche Folgekosten nach sich. Ziel künftiger Entwicklungen muss es daher sein, durch die Kombination von modernen, wandlungsfähigen Steuerungs-, Simulations- und Identifikationstechnologien sowie innovativen Transportkonzepten ein effizientes System für die Planung und Steuerung der Transportund Produktionslogistik zu realisieren.

Mit „SaLsA“ und „Agilita“ befassen sich zwei Teilprojekte des Technologieprogrammes Autonomik mit dieser Thematik. Im Projekt SaLsA sollen sichere autonome Fahrzeuge für Transportaufgaben in der Intralogistik speziell im Außenbereich entwickelt werden, wie zum Beispiel das Umsetzen vonWechselbehältern in einem Logistikzentrum. Doch was ist daran neu? – Schließlich sind automatische Transportfahrzeuge in Produktion und Intralogistik bereits seit Jahrzehnten im Einsatz. Diese Fahrzeuge werden typischerweise in abgesicherten Umgebungen betrieben und zum Beispiel durch feste Fahrwege und Absperrungen so gestaltet, dass Kollisionen vermieden werden und ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Den Personenschutz gewährleisten dabei üblicherweise berührende oder optische Abstandssensoren, deren zertifizierte Reichweite wenige Meter beträgt. Da der Bremsweg entsprechend kürzer ausfallen muss, reduziert sich die Maximalgeschwindigkeit auf Schrittgeschwindigkeit.

Zentral bei SaLsA ist das Thema Sicherheit: Sensoren ermöglichen das Identifizieren von Gefährdungssituationen.

© Offis, Götting

Hier setzt das Projekt SaLsA an, um die vermeintliche Abhängigkeit zwischen langsamen Fahrgeschwindigkeiten und Sicherheitsanforderungen zu durchbrechen. Ziel ist es, effizientere autonome Fahrzeuge unter Beibehaltung bestehender Sicherheitsanforderungen für den industriellen Einsatz zu entwickeln. Dies wird sich insbesondere im Außenbereich positiv auf den Betrieb autonomer Transportfahrzeuge auswirken, wenn längere Transportstrecken mit höheren Geschwindigkeiten gefahren werden können. Außenbereiche sind aufgrund von wechselnden Wetter- und Lichteinflüssen nicht nur für die Umgebungserkennung eine Herausforderung; sie sind zudem oft als teilöffentliche Bereiche einzustufen, zu denen ungeschultes Personal Zutritt hat. Dies ist entsprechend bei der Sicherheitsbetrachtung zu berücksichtigen. Autonome Fahrzeuge in Außenbereichen mit Personenverkehr einzusetzen, ist bereits Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte.

Insbesondere die „DARPA Urban Challenge“, ein vom US-Verteidigungsministerium initiierter Wettbewerb für autonome Straßenfahrzeuge, hat in diesem Bereich für eine hohe mediale Aufmerksamkeit gesorgt. Die dort angetretenen Fahrzeuge entstammen verschiedenen Forschungsprojekten, in denen wesentliche Aspekte des autonomen Fahrens wie etwa eine leistungsfähige Umgebungswahrnehmung sowie entsprechende Planungs- und Steuerungsmethoden entwickelt wurden. Dazu gehört selbstverständlich die Vermeidung von Kollisionen mit statischen und beweglichen Hindernissen. Die nachweisbare funktionale Sicherheit dieser Systeme war jedoch nicht das primäre Ziel der Forschung.

Sicherheitsbetrachtungen als zentrale Herausforderung

Durch Sensorik und Steuerungsintelligenz können fahrerlose Transportfahrzeuge auch im Außenbereich sicher und schnell fahren.

© Stefan Rührup

Für einen sicheren Betrieb ist auch im Projekt SaLsA eine leistungsfähige Umgebungserkennung notwendig, die jedoch den Anforderungen einer Sicherheitszertifizierung standhalten muss. Um dem autonomen Fahrzeug die notwendigen Informationen über potenzielle Hindernisse und Gefahren bereitzustellen, wird hier die zusätzliche Überwachung der Umgebung durch stationäre Sensorik eingeführt.

Es kommen in erster Linie optische Sensoren wie Laserscanner oder PMD-Sensoren zum Einsatz. Dadurch kann dem Fahrzeug eine bessere sensorische Abdeckung seines Fahrwegs und ein Einblick in Bereiche ermöglicht werden, zu denen es keinen direkten Sichtkontakt hat. Ziel dabei ist es letztendlich, dem Fahrzeug eine sichere Erkennung von potenziellen Hindernissen über größere Reichweiten zu ermöglichen. Auf Basis dieses erweiterten Umgebungswissens prädiziert das Fahrzeug potenzielle Gefahren und passt seine Geschwindigkeit beziehungsweise die geplante Fahr-Trajektorie an das ermittelte Gefahrenpotenzial an. Mit anderen Worten: Durch ein vorausschauendes Fahren soll dem autonomen System die Basis für höhere Geschwindigkeiten gegeben und die Planung von Ausweichrouten erleichtert werden.

Begleitend zum Entwicklungsprozess werden im Projekt SaLsA Simulationswerkzeuge erstellt, die die Planung und Leistungsbewertung von autonomen Transportsystemen ermöglichen. Die Konsortialführung liegt bei der Firma Götting, weitere Partner sind das OFFIS – Institut für Informatik, das Fraunhofer- Institut für Materialfluss und Logistik (IML) sowie die Firmen IFM Electronic und Innotec Data.

Die Wandlungsfähigkeit im Fokus

Auch das Teilprojekt „Agilita“ (Agile Produktionslogistik und Transportanlagen) befasst sich mit autonomen Logistiksystemen. Forschungsziel ist die Entwicklung und Umsetzung eines flexiblen und reaktionsfähigen innerbetrieblichen Produktions-Logistiksystems für kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Worum geht es dabei konkret? In den letzten Jahren wurde vielfach die Wandelbarkeit, sprich die Agilität der Produktion diskutiert. Zumeist wird Wandelbarkeit als Kombination von Flexibilität und Reaktivität gesehen, die durch modulare, integrierbare, anpassungsfähige, skalierbare und prüfbare Eigenschaften ergänzt werden. Frühere Forschungsprojekte für den Bereich der Produktionslogistik beschäftigten sich bereits mit einer ähnlichen Thematik.

Das Projekt „Log-WF“ entwickelte zum Beispiel eine Methode, um die logistische Wandlungsfähigkeit von Lieferketten zu erhöhen und somit den Unternehmenswert zu steigern. Ein weiteres Projekt namens „Adaptive Logistik“ entwickelte Verfahren zur adaptiven Montage- und Logistiksteuerung und löste auf diese Weise Koordinations- und Synchronisationsprobleme in Montage- und Logistikabläufen bei speziell beauftragten Einzel- und Kleinserienmontagen. Eine Erhöhung der Wandlungsfähigkeit von Produktionslogistiksystemen wurde jedoch bisher weder ausreichend erforscht noch in praxistaugliche Systeme überführt; ein Manko, welches das Projekt Agilita beheben wird. Dabei geht es vor allem um Verbesserungen, die auf der Kombination von adaptiven, modularen Ladungsträgern und einer dezentralen Steuerung der Transportsysteme basieren.

Mit anderen Worten: Ziel ist die softwarebasierte, methodische Planung und Steuerung sowie die Übertragung der relevanten Anweisungen auf die praktische Ebene der Transport- und Produktionsanlagen. Im Fokus stehen dabei die Kombination der oben genannten modernen Simulations-, Steuerungs- und Identifikationstechnologien sowie innovative Transportkonzepte. Vielversprechend für die Umsetzung wandelbarer Logistiksysteme sind dezentrale Steuerungskonzepte wie zum Beispiel agentenbasierteAnsätze.Agenten sind in der Lage, ohne direkte Intervention zu operieren (Autonomie), mit anderen Agenten zu interagieren (kommunikative Fähigkeiten), auf Änderungen der Umgebung zu reagieren (Reaktivität) und initiativ und zielstrebig zu agieren (Proaktivität). Sie schaffen somit die Grundlage für eine dezentrale Steuerung und werden im Projekt Agilita zur Selbststeuerung der Logistikkomponenten (Fahrerlose Transportsysteme) eingesetzt. Auf Basis dieser Grundlagen erfolgt eine prototypische Überführung eines Agentensystems in die Produktionslogistik des Anwenderunternehmens Premium Aerotec. Neue datenverarbeitende Systeme werden dabei mit bestehenden Informationssystemen verknüpft (ERP, BDE).

Direkte Steuerungsvorgaben mittels RFID und A-MES

Zur Unterstützung der dezentralen Identifikation von Produkten/Transportsystemen innerhalb des Logistiksystems sowie zur Erfassung und Verarbeitung ablaufrelevanter Daten kommt die Radio-Frequency-Identification-Technologie (RFID) zum Einsatz. Mit ihr werden die Daten, beispielsweise zur dezentralen Identifikation der Logistikelemente, aufgenommen. Das im Rahmen des Projekts zu entwickelnde, agentenbasierte Manufacturing Execution System (A-MES) soll schließlich einen kontinuierlichen Vergleich von strategischen und operativen Informationen sowie deren direkte Umsetzung in Steuerungsvorgaben ermöglichen. Die durch A-MES generierten Steuerinformationen werden direkt an autonom agierende Transportsysteme mit modularisierten Ladungsträgern übermittelt. Als Transportsysteme kommen automatische Flurförderzeuge beziehungsweise Fahrerlose Transportsysteme (FTS) zum Einsatz.

Bisher werden letztere in der Praxis zentral über einen Leitrechner gesteuert. Anders im Projekt Agilita: Hier werden die dezentral gesteuerten fahrerlosen Transportsysteme als Agentensysteme beim Endanwender implementiert. Durch die bislang noch nicht existente Kombination der genannten technologischen Elemente soll es zukünftig machbar sein, die Produkte wirtschaftlicher durch den Fertigungsprozess zu leiten und einen geschlossenen Informationsfluss innerhalb der Produktion zu realisieren. Weiterhin werden durch die Vereinigung der Multiagenten-, RFID- und Simulations-Technologie letztendlich standardisierte Lösungen entstehen. Konsortialführer von Agilita ist die Firma Premium Aerotec, die weiteren Partner sind die Unternehmen E&K Automation, MFP, Waldemar Winckel sowie das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover.

Autoren:

Mark Eikötter leitet am Institut für Fertigungstechnik undWerkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover das Projekt Agilita.  

Dr. Stefan Rührup leitet die Gruppe „Kooperierende Mobile Systeme“ am OFFIS.

Dr. Tobe Toben leitet am Institut für Informatik Oldenburg (OFFIS) das Projekt SaLsA.

Das Programm Autonomik

Für das vom BMWi geförderte Forschungsvorhaben „Autonomik – Autonome und simulationsbasierte Systeme für den Mittelstand“ haben sich in einem bundesweiten Wettbewerb zwölf Projekte für eine Förderung qualifiziert. Im Vordergrund stehen Anwendungen im Logistik- und Produktionsbereich sowie in der Service-Robotik. Ein zusätzlicher Schwerpunkt ist das Projekt RAN (RFID-based Automotive Network) zur Optimierung und notwendigen Standardisierung von Logistikprozessen für die gesamte Automobilbranche auf Basis modernster RFID-Technologien.

Insgesamt wirken rund 80 Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen an Autonomik mit. Einschließlich des Eigenanteils der Partner wird ein FuE-Investitionsvolumen von etwa 80 Mio. Euro mobilisiert. Im Ergebnis sollen bis Mitte 2013 Referenzmodelle und Demonstratoren entstehen, welche die Machbarkeit und den wirtschaftlichen Nutzen in den verschiedenen Anwendungsbereichen nachweisen. Nähere Informationen: www.autonomik.de