Ein Liebherr-Mobilbagger wurde mit neuen Automatisierungsfunktionen ausgestattet. Damit können unter anderem Erdbewegungsarbeiten auf Basis digitaler Arbeitsaufträge erledigt werden. (Bild: TU Dresden)
Im Sommer 2019 stellten sich 22 Unternehmen vom Baumaschinen-Hersteller bis zum IT-Spezialisten, fünf Forschungsinstitute sowie fünf Verbände unter der Federführung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber – Leiter der Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik der TU Dresden – unter dem Projekttitel ‚Bauen 4.0‘ der Herausforderung, der Bauindustrie den Weg in eine digitale Zukunft zu ebnen.
Gemeinsames Ziel war es, eine Demonstrationsbaustelle zu errichten, die Technologien für die Baustellen der Zukunft erlebbar macht. Keine leichte Aufgabe, denn Baugewerke sind in Größe und Struktur unterschiedlich, der Mangel an Fachkräften bedrückend und die Mobilfunkabdeckung in Deutschland immer noch lückenhaft.
Die Lösungsvorschläge der Projektgruppe lautete: Aufbau einer lokalen Netzinfrastruktur auf Basis moderner Funktechnologien wie 5G-Campusnetze, herstellerunabhängiger Datenaustausch über den offenen Industrie-4.0-Standard OPC UA, Automatisieren des Datenflusses – Bits & Bytes statt Papier sowie das Entwickeln von Apps, die das Baustellenteam unterstützen.
Zwei solide Fundamente für die digitalisierte Baustelle
Zunächst wurde durch das Dresdener Unternehmen Teamproject ein solides Fundament für die Steuerung aller Baustellenabläufe in Form eines Bauprojektmanagements gelegt. Die Aufgabe des Bauprojektmanagements bestand im Bereitstellen von Planungsmodellen und Prozessbeschreibungen für die Baustelle, im Entwickeln von Schnittstellen zum Frontend des Baustellenleitsystems und zwischen den einzelnen Arbeitsbereichen sowie im Controlling und der Dokumentation sowie Reports für die Bauausführung.
Ein zentrales Bindeglied auf der digitalen Baustelle ist das Baustellenleitsystem. Es ‚trackt‘ Baumaschinen auf dem Baugelände in Echtzeit, sammelt und bearbeitet maschinelle Sensor- und Auftragsdaten, darüber hinaus Topografie-, räumliche Positions- sowie fachliche Daten und stellt diese Daten für verschiedene Clients bereit. Im Rahmen des Verbundprojektes wurde dieses Leitsystem vom Unternehmen N+P Informationssysteme aufgesetzt. Das Unternehmen schuf auf Basis des Konzeptes der TU Dresden die Komponenten ‚Controller‘- und ‚Viewer‘-Kernelemente des Baustellenleitsystems.
Der ‚Controller‘ ist die Basis zum Überwachen und Organisieren der Baustelle. Er verbindet Maschinen auf der Baustelle und fragt deren Zustände, Aufträge und Werkzeuge ab. Zudem nimmt der ‚Controller‘ Aufträge als Input aus einem externen System entgegen und leitet sie an die entsprechende Maschine weiter. Dazu zählen auch Tracking-Daten von der Maschine, die an andere externe Systeme weitergegeben werden.
Der ‚Viewer‘ dient zum visuellen Verorten von Baumaschinen, für die er die entsprechenden Live-Zustände darstellt. Sofern verfügbar, zeigt er die vorhandenen Rahmenbedingungen, wie zum Beispiel verbotene Zonen und Fahrwege auf. Diese werden dann auf dem entsprechenden Geländemodell der Baustelle visualisiert. Darüber hinaus entnimmt der ‚Viewer‘ Baumaschinen-Informationen direkt von der Maschine und macht sie für den Nutzer optisch sichtbar. Er ermöglicht das Einholen von Informationen zu Baumaterialien (Zustand, Beschreibung, Ort) von einem externen System, an das auch Maschinendaten weitergeleitet werden können, erläutert Marco Vogel von N+P Informationssysteme.
5G verbindet
Um Baumaschinen im schlimmsten Fall auch über eine Distanz von mehreren Hundert Kilometern sicher bedienen, koordinieren und überwachen zu können, sind Vernetzungslösungen gefragt. Diese sollten sich den dynamischen Entwicklungen auf einer Baustelle anpassen und ebenso schnell installier-, wie demontierbar sein. Auf Basis dieser ‚Wunschliste‘ setzte die TU Dresden eine versetzbare, für robuste Umgebungen verbesserte 5G-Infrastruktur auf.
Damit wurde die in Hoyerswerda bei Dresden liegende Versuchsbaustelle mit einem leistungsstarken und echtzeitfähigem, lokalen und privaten Mobilfunknetz versorgt. Auch konnten damit Baumaschinen vernetzt werden, die mit 5G-Connectivity Units ausgestattet sind. Ein integrierter Edge-Cloud-Server führte die verschiedenen Datenströme der angeschlossenen Geräte zusammen und verarbeitete diese lokal. Bedeutete: Die Reaktionszeiten der digitalen Lösungen der Baustelle ließen sich minimieren. Eine abgesicherte Anbindung an das öffentliche Netz ermöglicht die bedarfsgerechte Informationsübermittlung an das baustellenübergreifende Controlling.
„Digitale Technik wird die Menschen entlasten!“ – Interview mit Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber ist Leiter der Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik an der TU-Dresden. Im FLUID-Interview nimmt er gemeinsam mit seinem Assistenten Dipl.-Ing. Benjamin Beck Stellung zum abgeschlossenen Verbundprojekt ‚Bauen 4.0‘.
Herr Prof. Dr. Weber, das Verbundprojekt ‚Bauen 4.0‘ wurde 2019 begonnen. Wo liegen die Wurzeln dieses Projektes?
Jürgen Weber: "Erste Ansätze für dieses Verbundprojekt gab es bereits im Jahr 2012. Damals ging es um energieeffiziente Antriebsmodule für Arbeitsmaschinen. Gemeinsam mit Werner Seifried, Geschäftsführer Technik bei Liebherr, wurden Strategien für Folgevorhaben entwickelt, die letztendlich in der weiteren Automation von Antriebsmaschinen mündeten. Mit Gerhard Fettweis vom 5G-Lab der TU Dresden wurde besprochen, die Kommunikationstechnologien mit in dieses Projekt zu integrieren."
Und so hatte das neue Projekt, das ab Mitte 2019 an den Start ging, drei Arbeitsschwerpunkte: zum einen die automatisierbaren, vernetzten Arbeitsmaschinen, dann die Prozesse und Lösungen für die digitale Baustelle und als Drittes die 5G-Maschinen und die Baustellenvernetzung.
Worin bestanden bei diesem Projekt die Herausforderungen?
Benjamin Beck: "Auf organisatorischer Ebene war es das Koordinieren der zahlreichen Projektpartner. Inhaltllich gesehen war es das Zusammenführen einzelner Lösungen zu einer Gesamtlösung. Es mussten viele Schnittstellen entwickelt werden, damit sich Baumaschinen überhaupt untereinander und mit den Bauprozessen ‚unterhalten‘ können."
Wer war an der Koordination des Verbundprojektes noch beteiligt?
Weber: "Es gab für jeden Schwerpunkt eine Leitung. Der Lehrstuhl für Fördertechnik, Materialfluss und Logistik der TU München mit Prof. Dr.-Ing. Johannes Fottner und Dipl.-Ing. Stephan Kessler koordinierte den Schwerpunkt Bauprozesse. Der Schwerpunkt Vernetzung wurde von Prof. Dr.-Ing., Dr. hc Gerhard Fettweis und Dipl.-Ing. Nick Schwarzenberg koordiniert. Und wir wurden vom Kollegen Prof. Dr.-Ing. Frank Will bei der Leitung im Schwerpunkt Maschinen unterstützt (alle TU Dresden)."
Welche Vorteile hat eine digitale Baustelle für Hersteller von Baumaschinen, Bauherren, Baufirmen und deren Mitarbeiter?
Weber: "Die Effizienz der Bauprozesse ist nicht so gewachsen wie in der Industrie. Es gibt wechselnde Auftragnehmer, fehlende Standards und vieles läuft immer noch auf Zurufebene. Da sorgen digitale Prozesse einfach für mehr Produktivität. Von den Mitarbeitern wird die Automation im Baubereich skeptisch betrachtet. Oftmals grassiert die Angst um den Job. Die Automatisierung zielt jedoch darauf ab, die Maschinenbediener zu entlasten und das Erledigen der Aufgaben sicherer und für die Mitarbeiter komfortabler zu machen. Zudem steht die Bauindustrie vor dem Problem, dass die personellen Ressourcen schrumpfen, die Produktivität andererseits weiter steigen soll. Auch hier können digitale Prozesse helfen."
Wie steht es bei einer digitalen Baustelle um das Thema ‚Sicherheit‘? Welche Sicherheitsvorkehrungen werden getroffen, damit die Baustelle im Extremfall nicht ‚aus dem Ruder läuft‘?
Beck: "Das ist noch ein ausbaufähiger Bereich, der nicht im Hauptfokus von ‚Bauen 4.0‘ stand. Allerdings waren die ‚Bauen-4.0‘-Maschinen mit einer Umgebungssensorik ausgestattet, die in Kombination mit entsprechenden Algorithmen dafür sorgt, dass die Maschine automatisch anhält, sobald ein Mensch in deren Arbeitsbereich gerät."
Werden die Lerninhalte für Berufsbilder wie Baumaschinenführer, Landschaftsbauer et cetera auf ‚Bauen 4.0‘ angepasst?
Weber: "Ja, im sächsischen Ausbildungszentrum Glauchau wird die Ausbildung schon auf die neuen Baumaschinen angepasst. Wir gehen auch von einer Aufwertung der genannten Berufsbilder aus. Ebenso werden die Erkenntnisse aus ‚Bauen 4.0‘ in die Inhalte des Maschinenbaustudiums mit einfließen."
Wird ‚Bauen 4.0‘ Menschen ersetzen können?
Weber: "Nein, automatisiertes Bauen soll die Mitarbeiter auf den Baustellen entlasten und wird auch die Berufsbilder aufwerten."
Wie sehen Baumaschinenhersteller das ‚Bauen 4.0‘?
Weber: "Bei Erstausrüstern ist das Interesse an diesem Thema sehr groß. Sie wollen mit der Kommunikationsfähigkeit ihrer Baumaschinen das Interesse von Baufirmen wecken. Meine Erfahrung ist: Je größer das Unternehmen, umso größer ist der Anspruch auf eigene technologische Entwicklungen. Kleinere Anbieter brauchen da sicher noch mehr Unterstützung."
Zeichnen sich weitere Entwicklungen im Bereich ‚Bauen 4.0‘ ab?
Weber: "Bislang ist schon sehr viel erreicht. Zukünftig soll es mehr in die Breite und Tiefe gehen. Der ganzheitliche Ansatz von der Projektierung von Bauvorhaben, das Einbetten der Bauunternehmen und die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung der gesamten Prozesskette stehen im Fokus."
Wie geht es jetzt weiter?
Weber: "Im Mai 2022 gründeten wir das ‚Construction Future Lab‘ (CFLab) mit der TU Dresden als alleiniger Gesellschafterin der gemeinnützigen GmbH. Das ‚CFLab‘ soll in Görlitz auf einem neun Hektar großen Gelände errichtet werden.
Unser Ziel ist es, die bei der Digitalisierung von Baumaschinen bestehende Lücke zwischen universitärer Forschung und den Anwendungen im Markt zu schließen. Im Frühjahr 2023 haben wir den ersten Förderbescheid mit einem Volumen von neun Millionen Euro erhalten. Es kann losgehen!"
Fragen stellte Georg Kälble
Das Datennetz steht – ran an die Arbeit!
Im Rahmen des Projektes ‚Bauen 4.0‘ entwickelte sich bei Teilaufgaben eine fruchtbare Teamarbeit verschiedener Unternehmen. In einer Zusammenarbeit zwischen dem Unternehmen Liebherr und der TU Dresden wurde beispielsweise ein Mobilbagger mit neuen Automatisierungsfunktionen versehen.
Die effiziente Maschinenansteuerung, digitale Aufgabenplanung zum automatisierten Bearbeiten von Erdbewegungsarbeiten und das Überwachen des Baufortschrittes in Echtzeit mittels Umfeldsensorik waren Meilensteine dieses Teilprojektes. Darüber hinaus werden Maschinenzustand und Arbeitshydraulik durch die geschaffenen Automatisierungsfunktionen permanent überwacht. Fehler im System werden sofort an das Baustellenleitsystem gemeldet. Zudem ist über das Bereitstellen von Telematikdaten nach ISO 15143-3 und weiterer relevanter Daten die Fernwartung der Aggregate möglich.
Spezialisten von Bosch Rexroth und Wacker Neuson übernahmen die Aufgabe, einen Radlader fit für die digitale Baustelle zu machen. So betreute Bosch Rexroth komplett den Bereich IoT (Internet of Things), kümmerte sich um das Vernetzen des Radladers und die Umwandlung der Daten in das OPC-UA-Format – ein Standard für den plattformunabhängigen Datenaustausch über eine serviceorientierte Architektur. Darüber hinaus war es die Aufgabe des Teams aus Horb am Neckar und Schwieberdingen, diese Daten über das Campusnetzwerk an das Baustellenleitsystem zu übermitteln und das Fahrzeug so zu vernetzen, berichtet Wilfried Eichner, Produktmanager Bodas Connect Hardware bei Bosch Rexroth.
Das Team von Wacker Neuson beschäftigte sich mit der Umfeldsensorik und der Trajektorienplanung. Die Trajektorie beschreibt den Pfad, dem das Baufahrzeug unter Vorgabe von Sollgeschwindigkeiten auf der Baustelle folgen soll. Die Trajektorie wurde zunächst von Wacker Neuson an die von Bosch Rexroth auf Antriebsebene angepasste Fahrsoftware übergeben und entsprechend abgefahren. Erkennt die Umfeldsensorik im geplanten Pfad ein Hindernis, plant Wacker Neuson die Bahnkurve um. Die neu berechnete Trajektorie wird dann wieder an die Fahrsoftware von Bosch Rexroth übergeben.
Die Trajektorienplanung ist laut Martin Mothes von Wacker Neuson eine Herausforderung. Denn das Fahrzeug soll sich einerseits zügig bewegen, statischen und dynamischen Hindernissen ausweichen und andererseits komfortabel zu fahren sein. Für die Umfeldplanung wird eine aus Sensordaten gewonnene, in Quadrate unterteilte Karte erstellt. Dieses Dokument enthält wichtige Daten zu möglichen Hindernissen, Steigungen, Bodenbeschaffenheit und unterstützt die aktive Pfadplanung zum Bewegen des Fahrzeuges.
Entwicklungsbedarf bei Fahrassistenzsystemen
Jörg Emmert, Produktmanager für Automation in der Business Unit Mobile Hydraulics bei Bosch Rexroth, schätzt die ergiebige Zusammenarbeit mit dem Wacker Neuson-Team. Bei den automatisierten Fahrerassistenzsystemen sieht er allgemein noch viel ‚Luft nach oben‘. „Serienlösungen im Level 3 und 4 sind bisher kaum verfügbar“, sagt der Automatisierungsexperte und verweist dabei auf die Norm SAE J3016 für straßengebundene Kraftfahrzeuge, die Systeme zum automatisierten Fahren klassifiziert. Da es eine solche Norm für den Off-Highway-Bereich noch nicht gibt, orientiere man sich bisher an deren Klassifizierung. Stufe 4 wäre gemäß Auslegung von Bosch Rexroth beispielsweise ein Fahrzeug, bei dem die dynamische Fahraufgabe in einem abgegrenzten Arbeitsbereich von einem autonomen System übernommen wird, ohne dass der Fahrer eingreifen muss.
Welche Chancen smarte Baustellen bieten, zeigt ein Gespräch mit Dr. Matthias Semel. Der Leiter Forschung und Innovationsprojekte bei Bauer Maschinen war für das Teilprojekt ‚Drehbohrgeräte‘ mitverantwortlich.
In Tiefe und Durchmesser variabel bereiten Drehbohrgeräte Löcher vor, in die später Pfeiler eingelassen werden, die das feste Fundament für Hochhäuser oder Bahnhöfe bilden.
Mehr Prozesssicherheit durch automatisierte Abläufe
Im konkreten Projekt wurde der Bohrprozess im sogenannten Kellybohrverfahren durchgeführt. Hier sorgt eine teleskopierbare Stange (Kelly) für das Heben und Senken des Bohrwerkzeuges im Bohrloch.
Der Gesamtprozess wurde in einzelne, sich wiederholende und aufeinander folgende Arbeitsschritte aufgeteilt und automatisiert. Über die vom Baustellenleitsystem und vom Bedienpersonal vorgegebenen Parameter erfolgte das Bohren. Durch diese Standardisierung wird der Bohrprozess in der Ausführung sicherer. Zudem kann das Personal von einer operativen, oft eintönigen Tätigkeit in eine überwachende Funktion wechseln.
Der ‚Faktor Mensch‘ ist entscheidend
Dr. Semel beobachtet einerseits, dass die Digitalisierung im Baugewerbe immer deutlicher ankommt. So wurden im Rahmen des Verbundprojektes ‚Bauen 4.0‘ viele wichtige Meilensteine gesetzt. Die Systemsimulation als zentrales Werkzeug zum Digitalisieren von Bauprozessen oder die Umfelderkennung durch Abstandsmessung und Digitalisieren von Objekten auf der Baustelle sind nur zwei weitere von vielen interessanten Entwicklungen. Es geschieht also viel in Sachen Digitalisierung auf dem Bau. Allerdings sehen Experten noch viel Überzeugungsarbeit vor sich. Wenn die Mitarbeiter verstehen, dass die digitalen Helfer die Menschen auf der Baustelle entlasten und keine Jobkiller sind, sei schon viel erreicht, sagt Dr. Semel von Bauer Maschinen.
Marco Vogel von N+P Informationssysteme sieht an anderen Stellen Entwicklungsbedarf: Es müsse noch mehr Datenstandards für die digitale Baustellenplanung sowie bei der Erfassung von Maschinendaten geben. Ergänzend müssen durchgängige Möglichkeiten zum digitalen Identifizieren und Lokalisieren von Baugeräten geschaffen werden. Um dem automatisierten Bauen 4.0 endgültig zum Durchbruch zu verhelfen, sei neben einer durchgängigen digitalen Dokumentation auch ein erhöhtes Vertrauen der Vertragspartner und Hersteller (zum Beispiel von Baumaschinen) in das Bereitstellen und Teilen von Daten von Vorteil.
