Fahrerlose Transportfahrzeuge

Denkt es schon oder wird es noch gesteuert?

Begriffe wie Smart Factory oder Internet der Dinge schwirren schon länger über und in den Köpfen der Maschinenentwickler und Prozessplaner. Dass intelligente Algorithmen Einzug in die Intralogistik halten, zeigt auch der IT-Schwerpunkt der Cemat. Die Art und Weise ist dagegen vielschichtig. Ein Weg führt über autonome Transportfahrzeuge, die – wie SCOPE-Redakteurin Caterina Schröder verfolgt – mehr oder weniger intelligent ihren Weg durch die Lager finden.

Nicht verstecken muss sich der Multishuttle Mover – er ist Teil eines intelligenten Transporterschwarms, der sich im Fraunhofer Living Lab selbst organisiert.

Ein Ameise willkommen zu heißen, um bestehende Logistikprozesse zu bewerten, ist zugegeben eine eher ungewöhnliche Vorstellung. Doch lassen Sie mich den Gedanken weiter verfolgen – standen Ameisen doch ebenso Pate in Festos Bionik-Labor wie auch für die Lösung des Problems des Handlungsreisenden. Der sogenannte Ameisenalgorithmus kann aber weitaus mehr. So sollen Ampelanlagen situationsangepasst geschaltet werden und sich dynamisch zu einer grünen Welle zusammenfinden. Biochemiker wollen mit Simulationsprogrammen nicht nur den besten Wirkstoff für eine bestimmte Krankheit finden, sondern das Medikament für den einzelnen Patienten entwickeln – quasi Losgröße 1 in der Pharmazie. Auch beim Thema Leichtbau helfen die Algorithmen, wenn es beispielsweise um den intelligenten Aufbau einer optimalen Fachwerksstruktur geht.

Für die Weasle von SSI Schäfer denkt noch der Mensch – sie müssen nur der festgelegten Choreografie folgen.

Zurück zur fleißigen Ameise. Was würde sie zu den Abläufen in den Lagerhallen sagen? Erst mal wohl gar nichts, denn wie Peter Maffay den Ameisen in den Mund gelegt hat, gilt: „Nur gemeinsam sind wir viel“. Sprich, die Stärke der Ameisen liegt in ihrem Kollektiv. Dieses besteht aus vielen unabhängigen Einheiten, die sich bei der Lösungsfindung eines allgemeinen Problems gegenseitig unterstützen. Sie würden die Notwendigkeit einer zentralen Instanz in Frage stellen und sich auf den Ameisenalgorithmus berufen. Ihr Erfolg als Ameisen beruht auf Kooperation, Kommunikation und Arbeitsteilung.

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Diese Schwarmintelligenz machen sich auch Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik (IML) zunutze, um ihre Multishuttle Mover sich selbst organisieren zu lassen. So soll eine individuelle, ressourcenschonende und schnelle Logistik geschaffen werden, in der fahrerlose, flexibel agierende und im Verbund fahrende Transportfahrzeuge fest installierte Rollenbahnen oder Gurtförderer ersetzen. Ziel ist nicht das einzelne Fahrzeug, sondern eine autonome, sich selbst organisierende Intralogistik.

Der Smart Transport Robot ist für BMW ein wesentlicher Schritt in Richtung Digitalisierung und Autonomisierung der Produktionslogistik.

Im Living Lab am Fraunhofer IML in Dortmund können sich die Roboter völlig frei bewegen. Sie kennen stets ihre eigene Position sowie die ihrer Schwarmkollegen. So können sie anfallende Arbeiten effizient untereinander verteilen und die kürzesten Routen wählen. Hindernissen weichen sie dabei dank eingebauter Sensoren automatisch aus. Dies soll zukünftig auch unabhängig vom Fahrzeugtyp oder Hersteller funktionieren. Zu diesem Zweck entwickeln die Fraunhofer Wissenschaftler eine Software, die eine unabhängige Kommunikation und Interaktion ermöglicht – quasi ein Esperanto für Fahrerlose Transportsysteme (FTS).

Somit stehen die autonomen Transportfahrzeuge mittlerweile weniger im Fokus der Forscher. Für sie sind sie ein Zwischenschritt auf dem Weg zu autonomen zellularen Transportsystemen gewesen. Vielmehr geht es um die künstliche Intelligenz dahinter. Es soll die sich selbst steuernde Intralogistik erforscht und weiterentwickelt werden, um der in den Produktionshallen vorangetriebenen Industrie 4.0 gerecht zu werden.

Doch was liegt zwischen den schwarmintelligenten „Ameisen“ und unflexiblen Förderbahnen, die überdimensioniert geplant werden, um dann doch nach wenigen Jahren an ihre Kapazitätsgrenzen zu stoßen?

Für Longchamp konzipierte SSI Schäfer ein fahrerloses Transportsystem (FTS), das über ein intelligentes dezentrales Steuerungssystem gesteuert wird.

Der erste Schritt sind autonome Transportfahrzeuge, die auf festgelegten Bahnen Kisten oder ganze Regale bewegen. Sie werden zentral koordiniert und folgen einer induktiven, optischen, virtuellen oder gegebenenfalls auch mechanischen Spur. Laser- und Sensornavigation oder Lösungen mit Bildverarbeitungsprogrammen unterstützen die Spurführung. Dabei werden Markierungen wie Magnete, Strichcodes oder Steuerfrequenzschleifen verwendet, die je nach Ausführung in den Fußboden eingelassen, aufgeschraubt oder auf ihm verklebt sind.

Mit der Generierung der dafür notwendigen Wegenetze beschäftigt sich das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) im Rahmen des Projektes im Forschungsprojekt „FTS-Wegenetz“. Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass ein cleverer Algorithmus dem menschlichen Planer überlegen ist. Das kann der Computer allerdings nur sein, wenn er neben der Effizienz auch die Praxistauglichkeit seiner Routen in die Wegenetzplanung mit einbezieht. Die Forscher bringen daher – und das ist entscheidend – die menschliche Logik in die mathematische Optimierung mit ein. Das Ergebnis ist ein intelligenter Algorithmus, der auf der Fuzzy-Logik aufbaut und somit die Unschärfe von Variablen erfassen und speichern kann. Praktischer gesprochen heißt das, der Algorithmus kann linguistische Variablen verarbeiten und somit Aussagen verstehen wie: „Wenn die Auslastung hoch ist, dann vermeide Kreuzungen.“ Oder: „Wenn das Transportaufkommen gering und wenig Platz vorhanden ist, dann lege zwei Wege zusammen; wenn die Fahrzeuge schwerfällig sind, dann vermeide häufige Richtungswechsel“. Für erfahrene Wegenetzplaner ist all das selbstverständlich – einem Algorithmus dieses Erfahrungswissen beizubringen, ist dagegen eine Herausforderung.

Die Entwickler am Institut für Integrierte Produktion haben dies nach eigenen Angaben erfolgreich geschafft. Im Anschluss haben sie ihren intelligenten Algorithmus in die Software MatLab implementiert, um die Bedienung so einfach wie möglich zu halten. Der Anwender muss so nur wenige Daten ins System eingeben: Er lädt das Fabriklayout in Form von CAD-Daten, gibt die Anzahl, die Maße und Kinematiken der fahrerlosen Fahrzeuge ein und lädt das Transportprofil. Dieses bestimmt, welche Waren an einem durchschnittlichen Arbeitstag wohin transportiert werden müssen. Auf Knopfdruck interpretiert die Software die CAD-Daten, erkennt Lager- und Montageplätze, identifiziert freie Flächen und legt die Wege fest, auf denen sich die Fahrzeuge bewegen dürfen. Wie das IPH erklärt, wurde der Algorithmus inzwischen auf die Probe gestellt und mit realen Wegenetz-Daten einiger Firmen „gefüttert“. Dabei habe die Software tatsächlich bessere Ergebnisse geliefert als erfahrene Wegenetzplaner – und das innerhalb von Minuten. So gebe es zum Beispiel weniger Leerfahrten und die Fahrzeuge sind auf den automatisch ausgelegten Wegenetzen meist schneller unterwegs.

Auf Abwegen

Den nächsten Schritt geht der koffergroße Smart Transport Robot (STR) im BMW-Werk Wackersdorf. Zusammen mit dem Fraunhofer IML innerhalb weniger Monate entwickelt, bewegt er sich frei im Raum und nutzt ein hybrides Ortungssystem aus Odometrie und Funksendern für seine Positionierung. Selbstständig findet er den optimalen Weg zum Bestimmungsort der Ware und lädt diese dort eigenständig ab. Es sind keinerlei Bodeninstallationen notwendig. Menschen und andere Fahrzeuge erkennt er dabei dank eingebauter Sicherheitssensoren, die den Roboter samt seiner schweren Last stoppen beziehungsweise Hindernisse umfahren lassen. Eingesetzt wird der STR unter anderem, um mit Autoteilen beladene Rolluntersetzer in der Logistik des Automobilherstellers von Kommissionier- stationen zur jeweiligen Produktionsstelle zu transportieren. Um die Just-in-time-Anlieferung sicherzustellen, arbeiten die STR als flexibles System zusammen. Die Wichtigkeit des Projekts verdeutlicht Dr. Dirk Dreher, Leiter Auslandsversorgung bei der BMW Group: „Die Entwicklung des sogenannten Smart Transport Robots ist für die BMW Group ein wesentlicher Meilenstein für die Digitalisierung und Autonomisierung in der Produktionslogistik. Dieses Innovationsprojekt liefert einen wichtigen Beitrag für agile Lieferketten, die sich in der Logistik und Produktion schnell und flexibel an veränderte Rahmenbedingungen anpassen.“

Der Funke im FTS

Sind diese smarten Transportroboter schon die Ameisen der Logistik? Nicht ganz. Was ihnen noch fehlt ist die adaptive Intelligenz, die Kommunikation untereinander sowie die Selbstorganisation. Das sind alles Punkte, die nicht einfach umzusetzen sind. SSI Schäfer hat sich daher durch eine Mehrheitsbeteiligung an MoTuM entsprechendes Know-how eingekauft. Die belgischen FTS-Spezialisten nutzen eine dezentrale Steuerungstechnik, die nach dem Prinzip der Schwarmintelligenz für zukünftige Konzepte eine wichtige Rolle spielen wird, und haben derartige Projekte bereits realisiert. Statt einer kontinuierlichen Kommunikation mit einer übergeordneten Zentralsteuerung agieren die Transportfahrzeuge hierbei autark. Somit erfolgt eine eigenständige Organisation der FTS untereinander hinsichtlich Verfügbarkeit, optimaler Route und Auftragspriorisierung. Dank dieser Entscheidungskompetenz können sich die einzelnen Fahrzeuge sensornavigiert frei im Lager bewegen und auf unvorhergesehene Ereignisse oder Hindernisse reagieren.

Dieser Theorie Leben einhauchen durften SSI Schäfer und MoTuM beim französischen Luxuslabel Longchamps in Segré. Seit Anfang 2015 sorgen acht schwarmintelligente Fahrzeuge für einen effizienteren Materialfluss vom Fertigwarenlager zur Kommissionierung. Die größte Herausforderung des Projekts war für Pieter Van Caesbroeck, Geschäftsführer bei MoTuM, die Größe und Komplexität der Anlage mit 5.000 Entnahme- und Lagerpositionen und über 15.000 Artikeln. Diese Komplexität musste auch im dezentralen Steuerungssystem der Fahrzeuge abgebildet werden, das für die optimale Auslastung des Systems sorgt, indem immer das nächste freie Fahrzeug selbstständig den anstehenden Transport übernimmt. Dahinter steckt ein intelligenter Zuordnungs- und dynamischer Routing-Algorithmus, der diesem System eine Effizienz am neuesten Stand der Technik verleiht.

Grenzenlos gedacht

Würden diese „Ameisen“ aus Segré nun über den Lagerrand schauen, würden sie sehen, dass zukünftig die Torschwelle zur Produktion nicht ihre Grenze sein wird. So zeigt Audi in der Heilbronner Produktionsstätte des R8, dass das Thema „Fließband“ nicht nur in der Logistik passé sein wird, sondern auch in der smarten Fabrik von morgen. Hier fordert der Wunsch nach Individualität mehr Flexibilität auch in Produktionsumgebungen und fördert somit den Einsatz von autonomen Transportrobotern, die ihre Bahn dank intelligenter Sensoren und Software frei und dynamisch berechnen können. Ein FTS basierend auf diesen Technologien hat Bär Automation zusammen mit dem Fraunhofer IPA für die Montage des Audi R8 entwickelt. Es nimmt die Karosserie huckepack und führt sie individuell durch die Manufaktur. Über die elektronische Steuerung weiß das einzelne Transportfahrzeug, welcher Fertigungsschritt für die Karosse als nächstes ansteht und bringt sie zur entsprechenden Montagestation. Dabei ermöglichen die FTS einen freien Zugang zur Karosserie und lassen sich auf bis zu 1,2 Meter in der Höhe verstellen. So wird eine Produktion bei hoher Variantenvielfalt möglich, die mit einem Fließband nicht realisierbar gewesen wäre.

SEW Eurodrive hat im Rahmen der Hannover Messe seine Vorstellung der Smart Factory visualisiert: In der Lean Sm@rt Factory im Jahr 2020 sind autonome Transportfahrzeuge Schlüsselelemente für die modular aufgebaute Produktion. Als „standardisierte Logistikkapsel“, wie sie Johann Soder, Geschäftsführer Technik und Innovation bei SEW Eurodrive, bezeichnet, bringen sie die Ware termingerecht zum Wareneingang bzw. der Transferzone. Interessant ist, dass unterschiedliche Assistenztransporter zusammenarbeiten: Während die Logistikkapsel vor allem für den An- und Abtransport verantwortlich ist – sie weiß, was in ihrem Bauch verladen ist und kann dies auch nach außen hin kommunizieren – begleiten mobile Assistenten den kompletten Montageprozess. Die in diesem Fall fertigen Getriebe können dann unter anderem mithilfe einer Logistikkapsel zum Automobilhersteller oder Maschinenbauer gebracht werden. Dabei verladen sich die intelligenten Transporter selbst auf Lkws und wissen, wann sie ihren Bestimmungsort erreicht haben.

Diese Vorstellung der voll vernetzten Prozessmodule wirkt zugegeben noch etwas visionär. Dass der Weg dorthin jedoch schon eingeschlagen wurde, zeigt sich auf der Cemat. So setzt die Deutsche Messe AG erstmalig auf der diesjährigen Leitmesse für Intralogistik und Supply Chain Management einen klaren IT-Schwerpunkt und will damit die physische Logistikwelt stärker mit der digitalen Welt verbinden. So soll unter dem Leitthema „Smart Supply Chain Solutions“ gezeigt werden, wie Logistikprozesse künftig automatisiert und vernetzt gesteuert werden können. Dabei geht es nicht nur um die Optimierung, denn mit der Digitalisierung verändern sich ganze Wertschöpfungsketten, und es entstehen neue Geschäftsmodelle. Caterina Schröder

BionicAnts

Bionische Ameisen von Festo

Sehr plastisch hat sich Festo an das kooperative Verhalten von Ameisen herangetastet: Für die BionicAnts wurden im Forschungsverbund „Bionic Learning Network“ nicht nur ihr schwarmintellgentes Verhalten in komplexe Regelalgorithmen übersetzt, sondern auch die filigrane Anatomie der natürlichen Ameise technisch interpretiert. Wie ihre natürlichen Vorbilder arbeiten die BionicAnts nach klaren Regeln zusammen. Ihre verteilte Regelungsarchitektur basiert auf einem sogenannten Multi-Agenten-Ansatz, bei dem sie kontinuierlich Informationen austauschen und somit ihre Handlungen und Bewegungen aufeinander abstimmen. Damit zeigen die künstlichen Ameisen, wie autonome Einzelkomponenten als vernetztes Gesamtsystem gemeinsam komplexe Aufgaben, wie Transportgüter zu einem bestimmten Ziel bringen, lösen können. Auf abstrahierende Weise liefert Festo so Ansätze für die Fabrik von morgen

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