Aktuell / 30.05.2017

Industrie 4.0 im Straßenbau

Die Landesstraße L 1206 bei Filderstadt wird asphaltiert, das SmartSite-System besteht den Praxistest. © Drees & Sommer

Industrie 4.0 im Straßenbau: Im Forschungsprojekt SmartSite vernetzt eine neue, cloudbasierte Software Baumaschinen, Baustellenumgebung und Leitsysteme der Baulogistik im Asphaltbau. Den Praxistest bestand sie beim Erneuern des Fahrbahnbelags der Landesstraße L 1206 im schwäbischen Filderstadt.

Hier wurde mit einem Asphaltfertiger, einem Beschicker, drei Asphaltwalzen und einer Flotte von 21 Thermomulden LKW ein 4,7 km langes Straßenstück gebaut. Dabei bildete das SmartSite System die Steuerung aller Prozessschritte im Asphaltstraßenbau ab: von der Planung der Einbautaktung über die Logistiksteuerung der LKW-Flotte bis zur automatisierten 3D-Steuerung des Asphaltfertigers und der Asphaltwalzen. Die intelligente Steuerung verbessert den Bauprozess und verkürzt die Bauzeit – das spart Kosten und sorgt für eine optimale Qualität des neuen Straßenbelags.

Smarte Systeme steuern den Straßenbau

SmartSite-Plattform: Die Technologie von SmartSite ermöglicht einen intelligenten Informationsaustausch zwischen Baumaschinen © SmartSite-Konsortium

Im Forschungsprojekt entwickelten Wirtschaftsinformatiker der Universität Hohenheim gemeinsam mit Unternehmenspartnern eine offene und flexible Plattform für intelligente autonome Baumaschinen und Anlagen, intelligente autonome Baustellennetze und Umgebungen sowie eine intelligente Bauprozesssteuerung. Dazu übertrugen sie neuartige, dezentrale und mobile Lösungen und Konzepte des Internets der Dinge und Dienste auf den Straßenbau. Zu den Ergebnissen zählen die autonome Steuerung der Logistikkette und ein Assistenzsystem für Walzenfahrer. Künftig überwachen Maschinisten und Bauleiter die Prozessausführung über Geräte wie Smartphones und Tablets als mobile Cockpit-Lösungen.

Das Forschungsprojekt SmartSite – Smarte, autonome Baumaschinen, Baustellenumgebungen und Bauprozesssteuerung für den intelligenten Straßenbau stand unter der wissenschaftlichen Leitung der Universität Hohenheim. Durchgeführt wurde es in Zusammenarbeit mit dem Baugerätehersteller Ammann Verdichtung GmbH, dem Spezialisten für Baugerätesteuerung und -vernetzung Topcon Deutschland Positioning GmbH, dem Softwareanbieter für Bauprozesssteuerung ceapoint aec technologies GmbH sowie den Bauprojektsteuerer Drees & Sommer Infra Consult und Entwicklungsmanagement GmbH sowie der Ed. Züblin AG als Anwender und Projektierer.

Einige im Projekt entwickelte Kernfunktionalitäten fließen bereits in die Arbeit der beteiligten Firmen ein. Die Entwickler arbeiten noch daran, das Steuerungssystem und die Benutzeroberfläche zu verbessern, um die Software marktreif zu machen. Der Transfer von der Forschung in die Praxis kommt gut voran. Das neue System wurde auf verschiedenen Branchenforen vorgestellt und interessiert aufgenommen. Nach dem erfolgreichen Test des neuen Steuerungsinstruments bei der Herstellung des Straßenbelags der Landesstraße in Filderstadt ist inzwischen geplant, es beim Bau von zwei weiteren Straßen in Baden-Württemberg einzusetzen.

Logistik auf Asphaltbaustellen besser steuern

Die SmartSite-Plattform vernetzt alle an Planung und Durchführung einer Baumaßnahme beteiligten Akteure. © SmartSite-Konsrtium

Ein großer logistischer Aufwand ist notwendig, damit es auf Straßenbaustellen reibungslos und ohne Verzögerungen vorangeht. Die Baustelle muss kontinuierlich mit frischem Asphalt versorgt werden, der nach dem Transport vom Mischwerk zur Baustelle noch heiß genug ist. Kommt es zu Verzögerungen beim Transport, kann er nicht mehr eingebaut werden. Mit dem neuen Softwarepaket wird nun eine verbesserte Steuerung und Koordinierung in Echtzeit möglich.

Dr. Marcus Müller von der Universität Hohenheim beschreibt, mit welchen Schwierigkeiten Straßenbauer sich herumschlagen müssen: „Derzeit kennt der verantwortliche Einbaumeister auf der Baustelle oft nicht den genauen Ankunftszeitpunkt eines Lastwagens. Auch der Mischmeister im Asphaltwerk kann den neuen Asphalt nicht rechtzeitig auf die nötige Temperatur vorheizen, wenn er über die exakten Zeiten nicht informiert ist.“

Das neue cloudbasierte Verfahren vermeidet solche Produktionsunterbrechungen und Verzögerungen. Es erfasst und speichert logistisch relevanten Daten wie die Geschwindigkeit des Lastwagens und des Fertigers. So sind alle Beteiligten zeitnah informiert und das Material kommt Just-in-Time an. Das spart Zeit und Ressourcen, die Bauzeiten verkürzen sich und es entstehen langlebigere Straßen von besserer Qualität.

Fahrerassistenzsystem unterstützt Walzenfahrer

Neben der Lieferlogistik gilt es auch, den Einbau des Materials zu optimieren. Dafür wurde im Projekt ein Fahrerassistenzsystem für die Walzenfahrer entwickelt. Damit diese auf der gleichmäßig schwarzen Asphaltfläche nicht den Überblick verlieren, welche Bereiche bereits genügend gewalzt sind, zeigt das Fahrerassistenzsystem mit Hilfe weißer Linien, wohin der Walzenfahrer fahren soll. So kann das System mehrere Walzen im Verbund koordinieren und die Fahrer anleiten.
Dies verhindert Über- und Unterverdichtung. Beides ist für den Straßenbau problematisch, denn wenn der Asphalt zu wenig verdichtet wird, ist er spröde und muss schneller wieder saniert werden; verdichtet man ihn zu stark, leidet die Griffigkeit.

Digitalisierung im Straßenbau reduziert Kosten und Staus

Vermeidbare Mängel bei der Straßenfertigung, insbesondere bei der Deckschichtfertigung verursachen bei großen Infrastrukturprojekten Schäden in Höhe von durchschnittlich fünf Prozent der Bausumme. Bisher können Energie- und Ressourceneinsatz aufgrund verteilter oder nicht erhobener Daten nur sehr aufwendig optimiert werden. Mit dem SmartSite-System wird es möglich, bestehende dezentrale Einzelsysteme auf Basis von einheitlichen Standards zu automatisieren und untereinander sowie mit der Baustellenumgebung zu vernetzen. Die neuen Steuerungssysteme ermöglichen es, den gesamten Ablauf entlang der Logistikkette zu optimal zu koordinieren. So ist es möglich, bei einer Straßenbaustelle über den Leitstand Arbeitsaufträge und zusätzliche Informationen wie Umweltdaten an Baumaschinen und Anlagen zu übermitteln. Das ermöglicht es nicht nur, Störungen zu vermeiden, sondern auch, die Qualität zu verbessern sowie Energie und Ressourcen zu sparen. So könnten zukünftig Zusatzkosten durch Bauverzögerungen und vorzeitige Straßenschäden sowie Staus mit hohem Kohlendioxid-Ausstoß reduziert oder vermieden werden.

Hier bauen die Roboter

Die Forscher planen, die autonomen Baumaschinen mit lokaler Intelligenz und dezentralisierter Entscheidungskompetenz auszustatten sowie mindestens einen Baumaschinentyp zu automatisieren.
Fernziel ist es, eine Autobahntrasse vollautonom, qualitätsgesichert und ressourcenschonend zu fertigen.

Im Projekt erhoben und dokumentierten die Wissenschaftler Daten für Umwelt, Baumaschine und Bauprozesssteuerung entlang der gesamten Wertschöpfungskette Straßenbau. Diese umfasst alle Teilschritte von der Mischanlage über die Transportlogistik bis hin zum teilautomatisierten Fertiger und den vollautomatisierten Walzenzügen. Sie passten Konzepten des Internets der Dinge und Dienste auf Tiefbaustellen an und entwickelten folgende Kerninnovationen:

  • Service Roboter im Straßenbau: flexible und offene Plattform-Lösungen für intelligente autonome Baumaschinen ermöglichen die qualitätsgetriebene Selbststeuerung und Koordination smarter, autonomer und mobiler Baumaschinen, die situativ agieren.
  • Smart Networks, autonome Baustellennetze und Baustellenumgebungen: erfassen dynamisch und autonom die Umgebung auf Baustellen und beziehen auch baustellenexterne Informationsquellen ein, wie Wetterdienste und Staumeldungen. Aufbau eines Internet der Baumaschinen, Baustellenumgebung und Baumaterialien durch Ausbringen von Sensorik in die Baustellenumgebung und das Baumaterial.
  • Mobiles Cockpit als intelligente, wertschöpfungsweite Bauprozess-Steuerung: es ermöglicht den Informationsaustausch zwischen Baumaschinen, Umgebung und Baumaschine sowie Bauleitung und Baumaschine.

Die Asphaltierung erfordert ein koordiniertes Zusammenspiel von Materialauftrag und anschließender Verfestigung mit einer Walze. SmartSite entwickelt Algorithmen für eine autonome Steuerung einzelner mobiler Baumaschinen und deren Koordination. Die autonome Steuerung reagiert dabei in Echtzeit auf die aktuellen Umweltbedingungen (Niederschlag, Temperatur, Wind etc.), Beschaffenheit des Materials (z. B. Temperatur und Dichte des Asphalts, Verdichtungsdicke) und Maschinenzustände (z. B. Position, Beladezustände), um das beste Auftrags- und Verfestigungsergebnis zu erzielen.

Das Projekt SmartSite wurde im Rahmen des Technologieprogramms Autonomik für Industrie 4.0 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Das Programm ist Teil der Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung. Die Forschung im neuen Förderschwerpunkt soll Maschinen, Service-Roboter und sonstige Systeme dazu zu befähigen, komplexe Aufgaben autonom zu bewältigen.