Automatisierung

Fahrerlose Maschinen noch in weiter Ferne

Wie von Geisterhand bewegen sich Ausleger und Oberwagen des Baggers – ein Fahrer wird in der Kabine vergeblich gesucht. Beim Projekt THOR der TU Kaiserslautern wandelte sich ein 18-t-Mobilbagger zum autonomen Bauroboter. Foto: Daniel Schmidt/Robotics Research Lab

Grube . – Selten und sehr vereinzelt tauchen erste automatische Baumaschinen auf, doch meist handelt es sich dabei um Studien und spezielle Projekte.

Viel wird auf der diesjährigen bauma, ob in den Hallen oder auf dem Freigelände, von automatisierten Baumaschinen, von Fahrerassistenzsystemen oder auch von Maschinensteuerungen die Rede sein. Und viele Hersteller werden Maschinen mit Teilautomatisierungen vorstellen, bei denen ausgeklügelte Systeme bei Bedarf das Steuern und Nachregeln von Tieflöffel, Planierschild, Laderschaufel, Graderschar, Kranlast, Fertigerbohle oder Frästrommel übernehmen und so den Fahrer entlasten. Aber wird dies dazu führen, dass Bediener und Fahrer von Baumaschinen in absehbarer Zukunft gänzlich zu erübrigen sind . . .?

Bei dieser Frage sind berechtigte Zweifel angebracht. Zwar wird das Innenleben der meisten Baumaschinen in starkem Maße "automatischer": Automatikgetriebe, lastabhängig gesteuerte Hydrostatik und Hydraulik, miteinander kommunizierende Motoren, Getriebe und Hydrauliksysteme, automatische Bewegungen der Grab-, Schneid- und Einbauwerkzeuge erleichtern dem Fahrer die Bedienung, verhindern Bedienfehler und sparen oft auch Kraftstoff ein.

Obwohl es manchmal so dargestellt wird – oder auch missverstanden –, dürfen solche Systeme und Entwicklungen keineswegs mit der durchgreifenden Automatisierung unserer Baumaschinen verwechselt werden. Erheblich schwieriger als die rein "technische" Automatisierung bestimmter Funktionen und Baugruppen gestaltet sich nach wie vor die Automatisierung kompletter Arbeitsabläufe und –bewegungen bis hin zum Einsatz ohne Fahrer. Im frühen 21. Jahrhundert befinden wir uns noch voll und ganz in der ersten Phase der Automatisierung: Dank geschickter, bei zahlreichen Arbeiten sinnreicher Teilautomatisierungen und Assistenzsysteme werden Fahrer entlastet und können sich somit besser auf andere Aufgaben konzentrieren, auf Sicherheit und Umfeld. Außerdem werden viele Fahrer von sich tausendfach wiederholenden Routinebewegungen befreit und ermüden daher langsamer.

Die zweite Phase der Automatisierung ist jedoch der gänzlich fahrerlose Betrieb. Gibt es den schon? Nein, von sehr wenigen Einzelfällen, von Versuchen, Studien und Testmaschinen abgesehen, existieren noch keine fahrerlosen, automatischen Baumaschinen. Sogar jüngere Fahrer müssen nicht um ihre Zukunft bangen, denn für die nächsten Jahrzehnte werden sie bei der Mehrheit aller Baumaschinen unverzichtbar bleiben. Fahrer werden ungeachtet der assistierenden Elektronik die maßgebliche "Komponente" der Maschine bleiben, denn nur sie können innerhalb von Sekunden völlig neue Situationen beurteilen und daraufhin wichtige Entscheidungen treffen, können korrigierend eingreifen und die auf Baustellen unentwegt wechselnden Einsatzgegebenheiten sicher und kompetent beurteilen.

Um verstehen zu können, wie beschwerlich der Weg zu automatischen Baumaschinen ist, helfen einige Blicke in die Vergangenheit. Bestrebt waren Konstrukteure schon oft, bestimmte Maschinen "automatischer" arbeiten zu lassen, doch erwiesen sich die Hürden in der Praxis später meist als zu hoch. Bereits Ende der 70er-Jahre entwarf der russische Baggerhersteller Uralmasch eine Computerkontrolle für das beliebige Wiederholen der Arbeitsbewegungen bei schweren Bergbau-Seilbaggern. Von dem System wurde nach der ersten Präsentation nie wieder gehört.

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Das Fahrerhaus täuscht darüber hinweg, dass diese mächtigen, beladen mehr als 500 t schweren Komatsu-Muldenkipper im Eisenerztagebau rund um die Uhr gänzlich fahrerlos und automatisch unterwegs sind. Foto: Komatsu

Beim vergleichbaren, 1986 von O&K aus Dortmund vorgestellten "Computer Aided Loading" (CAL) veranlasste ein Bordcomputer, nach Vorgabe eines Ladespiels durch den Fahrer beliebig oft die Schritte "Füllen von Schaufel oder Löffel, Schwenken zum Entleeren, Zurückschwenken" zu wiederholen. Mit "Automatic Memory Digging" und "Dumping Repeat" entwickelte Hitachi damals ebenfalls ein System, mit denen Grab- und Ladevorgänge automatisch zu wiederholen waren. Bald aber verschwanden jene zaghaften Automatikvorläufer wieder, denn die Arbeitsweise von Baggern erwies sich doch als zu problematisch: Rückt der Bagger ein wenig vor, wird der zu beladende Lkw oder Muldenkipper geringfügig anders positioniert, treten unerwartete Findlinge oder Hindernisse auf, muss der Fahrer sofort auf die Automatik verzichten.

Vielversprechender erschien es, Obendreher-Turmkrane zu automatisieren, was vom japanischen Bauunternehmen Penta Ocean getan wurde. Bei den Kranen, die unter einem in die Höhe kletternden Schutzdach arbeiteten, ersetzten Bordrechner und Barcodes auf Fertigteilen den Kranführer. Die Methode namens FACES (Future Automated Construction Efficient System) wurde als "automatisierte Allwetter-Baumethode" bezeichnet. Das erste Gebäude, das mit FACES gebaut wurde, allerdings mit Brückenkran, war 1994 ein 20-stöckiger Hochbau in Tokyo. Die später verwendeten Liebherr-Turmkrane 180 EC-B10 konnten bis zu 10 t heben und errichteten ab 2003 vier 40-stöckige Gebäude in Singapur. Dennoch erwies sich der automatisierte Hochbau als zu komplex, sodass FACES nicht weiter verfolgt wurde.

Erneut begegnet uns der Name Liebherr bei einem anderen Projekt: Ebenfalls 2003 arbeitete auf der Baustelle Hofoldinger Stollen bei München der erste vollautomatische Seilbagger, ein HS 855 HD. Der Bagger hob stündlich zwei- bis dreimal einen gefüllt 34 t schweren Kübel aus einem Schacht auf eine definierte Höhe, drehte bis zur Deponieposition und entleerte den Kübel durch Senken des Hubseils. Dann drehte der Oberwagen wieder auf die Schachtposition, gab den Kübel frei und senkte ihn zur Ausgangsposition hinab. In den Wartezeiten wurde der Dieselmotor durch die Automatiksteuerung abgeschaltet. Bei genauerer Beobachtung der technischen Entwicklungen im vergangenen Jahrzehnt fällt auf, dass es nur wenige neue Ansätze für fahrerlose, vollautomatische Baumaschinen gibt, kaum ein halbes Dutzend. Nicht einmal die namhaften Hersteller scheinen sich noch intensiv darum zu kümmern; deren Konstrukteure sind ausreichend damit beschäftigt, die Maschinen und deren elektronisches Innenleben für die Anforderungen der Zeit und neue Abgasvorschriften fit zu machen.

Abgesehen von Bergbaumaschinen, gibt es derzeit zumindest in Europa nur eine automatische Baumaschine, die bereits oft im Praxisalltag eingesetzt wurde: Von der Firma Krinner Schraubfundamente aus Straßkirchen wurde ein modifizierter Bobcat-Raupenlader als "vollautomatischer Vermessungs- und Bohrroboter" entwickelt. Die fahrerlose Maschine ist beim Aufbau von Schraubhalterungen hilfreich, die für großflächige Photovoltaikanlagen benötigt werden. Zuvor werden GPS-Koordinaten für die Schraubfundamente in den Bordrechner geladen. Dann bewegt sich die Raupe automatisch zu den definierten Punkten, bohrt dort ein Loch vor und kennzeichnet die Stelle. Beim Rund-um-die-Uhr-Einsatz und bis zu 4000 Fundamentpunkten pro Tag ist der Roboter schneller und kostengünstiger als andere Methoden, zudem sorgt er für hohe Präzision und Sicherheit, besonders im Nachteinsatz.

Der Vermessungs- und Bohrroboter KRM von Krinner gilt als erste vollautomatische, schon oft eingesetzte und im Baualltag produktiv arbeitende Baumaschine Europas, wahrscheinlich sogar der Welt. Foto: Krinner

Hin und wieder beschäftigt man sich an Universitäten mit der Automatisierung von Baumaschinen. Beim Projekt THOR ("Terraforming Heavy Outdoor Robot") der TU Kaiserslautern wurde ein Mobilbagger für fahrerlosen Betrieb mit umfassender Sensortechnik, Laserscannern, 3D-Kameras und Bordrechnern ausgestattet. Um die implementierten Algorithmen kostengünstig testen zu können, wurde eine realistische Testumgebung erstellt.

Einen Bagger autonom zu betreiben, ist nicht einfach: Mittels Physiksimulation wird das Verhalten des Baggers und seine Interaktion mit Erdreich und dynamischen Objekten berechnet. Einerseits müssen mit den Umweltsensoren Oberflächenveränderungen erkannt, andererseits auf Auswirkungen des Erdreiches auf den Bagger reagiert werden. Durch THOR soll der Bagger sich häufig wiederholende oder komplexe Teilaufgaben ohne Fahrereingriff autonom ausführen können, insofern der Fahrer nicht vollständig ersetzt werden. Wir erinnern uns an "CAL" von O&K, das vor nunmehr 30 Jahren entwickelt wurde . . .

In Schweden lassen Ingenieure von Volvo CE im Rahmen eines Forschungsprojektes einen 20-t-Radlader fahrerlos in einem Asphaltwerk arbeiten. Weil dort mehr als 30 Mischungen hergestellt werden, wurden für das autonome Füllen der Schaufel in verschiedenen Halden neue Berechnungsgrundlagen geschaffen. Da die Halden zudem rasch ihre Form ändern, ist die Entwicklung einer komplexen Software unumgänglich. Dank integriertem Wägesystem erkennt der Lader, wann für eine Mischung genug gefördert wurde und mit der nächsten begonnen werden kann. Bald soll vom einstündigen Laderbetrieb auf 8-Stunden-Betrieb gewechselt werden. Immerhin taucht zur jetzigen bauma ein interessanter Prototyp für einen neuen Baustellenroboter auf: Ammann aus der Schweiz präsentiert den weltweit ersten autonom arbeitenden Vibrationsverdichter. "Nachdem autonom fahrende Staubsauger und Rasenmäher bereits Serienreife erlangt haben, erscheint die Autonomisierung von Vibrationsplatten als kleiner und logischer nächster Schritt. Dennoch sind die Randbedingungen für autonome Vibrationsplatten erheblicher komplexer", teilt Ammann dazu mit. So ändert sich die zu bearbeitende Fläche bei jedem Projekt, Begrenzungsdrähte oder Wände wären zu aufwendig und unpraktisch.

Auf Basis der 710-kg-Rüttelplatte APH 1000 TC entstand der erste Verdichtungsroboter. Im "Teach In"-Modus (Lernmodus) fährt der Bediener mit Hilfe einer Fernbedienung nur einmal die Umrandung der zu verdichtenden Fläche ab, wobei jeder Eckpunkt kurz bestätigt wird. Die Anzahl der Eckpunkte ist unbegrenzt. Nach Drücken eines Startknopfes wird dann eine Arbeitsstrategie berechnet und die Fläche Bahn für Bahn verdichtet. Der Roboter erkennt dabei die geschlossene Umrandung selbstständig.

Anders verhält es sich mit Maschinen, die sich nicht während ihres Einsatzes ständig mit Boden, Erde, Gestein, mit wechselndem Material wie Straßendecken, Verbundpflaster oder Tragschichten, mit Lkw-Entladung, Grabenverbau, Querungen und den vielen Dingen des Baustellenalltags konfrontiert sehen. Dazu gehören schwere Muldenkipper der großen Nutzlastklassen von 150 bis über 300 t, die – abgesehen von den Be- und Entladestellen – auf nahezu konstanten Strecken im Tag- und Nachtbetrieb, an 365 Tagen im Jahr, ihre Runden fahren.

Schon früh tauchten Gedanken für deren automatisierten Betrieb auf. So wurde 1980 ein vom US-Kipperhersteller Unit Rig entwickeltes System namens "Automatic Truck Control" (ATC) mit fünf jeweils 160 t ladenden Muldenkippern in New Mexico getestet. Das System übernahm damals fast alle bislang vom Fahrer ausgeführten Funktionen und arbeitete ähnlich wie zu jener Zeit die rasch populärer werdenden "Fahrerlosen Transportsysteme" (FTS) in Industrie-, Lager- und Hafenbetrieben, also mit Führungskabel, Blockkontrollen und Zentralrechner.

Dazu nahmen Antennen am Muldenkipper von einem vergrabenen Kabel Steuersignale auf und sorgten für die genaue Führung über dem Kabel – das erfolgt heute mittels GPS erheblich einfacher, genauer und mit direkter Rückkopplung zu Bordcomputer, automatischem Steuersystem und auch zum Umfeld. Damals jedoch kam ATC nicht über den Testeinsatz hinaus. Zu unwägbar, zu kompliziert und zu wechselhaft waren die Einsatzparameter der Muldenkipper.

Bei einem Stollenbauprojekt nahe München hob dieser Hydro-Seilbagger HS 855 HD von Liebherr ab 2003 vollautomatisch 34-t-Kübel aus einem tiefen Schacht und entleerte sie. Foto: Liebherr

Ab der späten 90er Jahre unternahmen Caterpillar und Komatsu gemeinsam mit der US-Firma Modular Mining erste Versuche mit GPS-gesteuerten Muldenkippern. Außerordentliche Erfolge konnte daraufhin Komatsu verzeichnen: Mit dem Bergbauunternehmen Rio Tinto wurde die Lieferung von 150 (!) fahrerlosen Muldenkippern für mehrere australische Eisenerzminen bei Pilbara im Zeitraum von 2012 bis 2015 vereinbart. Dabei handelte es sich nach eigenen Angaben um das weltweit erste kommerzielle autonome Bergbau-Transportsystem.

Bei Caterpillar wurde das System "Command for Hauling" entwickelt. Der automatisch gelenkte und völlig autonom fahrende Cat-Muldenkipper 793F wiegt beladen fast 390 t und wird ebenfalls schon in größeren Stückzahlen eingesetzt. Eines der führenden Bergbauunternehmen, FMG (Fortescue Metals Group) aus Australien, kündigte am Jahreswechsel an, aufgrund der überragenden Erfolge die Flotte fahrerloser Cat-Muldenkipper von derzeit 45 auf 70 Stück zu erweitern, also fast zu verdoppeln. Bislang wurden von der Automatenflotte schon 109 Mio. t Erz und Abraum befördert, wobei die Produktivität gegenüber der "bemannten" Kipperflotte um 38 % gestiegen ist.

Fahrerlose Cat-Muldenkipper des Typs 793F werden zudem vom Bergbauunternehmen BHP Billiton schon in zwei Betrieben eingesetzt, bald soll sich ein weiterer Tagebau in Südamerika hinzugesellen. Hitachi kündigte Mitte letzten Jahres mit AHS (Autonomous Haulage System) ebenfalls fahrerlose Muldenkipper an, die ab 2017 kommerziell erhältlich sein sollen. Belaz aus Weißrussland, hinsichtlich der produzierten Stückzahlen wahrscheinlich größter Muldenkipperhersteller der Welt, präsentierte 2015 einen fahrerlosen 130-Tonner. Insofern darf hier – aber nur hier – schon fast von einem Trend zur Automatisierung gesprochen werden. Bei anderen Baumaschinen wird der jedoch noch lange auf sich warten lassen . . .

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