Bausteine für die Baustelle der Zukunft

Das Bild der Baustelle war beeindruckend. Eine realistische Baumaßnahme wird auf einem eigens präparierten Gelände durchgeführt. Es arbeiten Kettenbagger, Raupen, Grader und LKW Der große Unterschied: Alle Maschinen und Fahrzeuge sind miteinander vernetzt und senden Daten in Echtzeit in einen Leitstand. Das Büro der Bauleiter wertet die Daten aus und optimiert das Zusammenspiel der gelben Baumaschinen. Autonome Steuerung in der Baustellenlogistik heißt die Zauberformel. Das Projekt heißt AutoBauLog und bietet Einblicke in zukünftige Abläufe auf Baustellen. Um zu sehen wie die Zukunft aussieht und wo die Zukunft herkommt müssen wir ausholen. Baustellen sind hochkomplexe logistische Systeme. Durch eine Vielzahl von Einflüssen entstehen Abweichungen gegenüber des geplanten Soll-Zustands (z.B. Wetter, allgemeine Arbeitsbedingungen usw.). Diese Abweichungen werden bisher erst verspätet festgestellt und Steuerungsmöglichkeiten reaktiv beschlossen. Das AutoBauLog-Projekt („Autonome Steuerung in der Baustellenlogistik“) strebt grundlegende, wirtschaftlich nachhaltige und durchgreifende Lösungen zur signifikanten Verbesserung des Baustellenmanagements an. Möglich wird dies durch die Vision der Autonomik: die konsequente Erschließung und Zusammenführung der neuesten informationstechnologischen Entwicklungen für die Bauindustrie. Neue Technologiefelder bieten die Möglichkeit, Baumaschinen mit einem substantiellen Maß an Autonomie auszustatten. Softwarearchitekturen und dezentrale Intelligenz ermöglichen die kooperative Planung und Koordination von Baustellenprozessen. Dies wiederum bildet den Schlüssel für nachhaltige Verbesserungen im Management komplexer Bauproduktions- und Baulogistikprozesse. So wird das Baustellenmanagement verbessert. Das AutoBauLog-Projekt strebt grundlegende, wirtschaftlich nachhaltige und durchgreifende Lösungen zur signifikanten Verbesserung des Baustellenmanagements an. Die Projekt-Ergebnisse werden wesentliche Beiträge leisten zur Beherrschung der Komplexität großer Infrastrukturvorhaben, zur Reduzierung des für große Tiefbauprojekte benötigten Zeitbedarfs und, bei mindestens gleichbleibender Qualität, zur nennenswerten Verringerung der Kostengroßer Bauprojekte. Möglich wird dies durch die Vision der AUTONOMIK: die konsequente Erschließung und Zusammenführung der neuesten informationstechnologischen Entwicklungen für die Bauindustrie.

Technologie ist bereit für die Praxis

Neue Technologiefelder bieten die Möglichkeit, Baumaschinen mit einem substantiellen Maß an Autonomie auszustatten. Softwarearchitekturen und dezentrale Intelligenz ermöglichen – auf Baumaschinenebene! – die kooperative Planung und Koordination von Baustellenprozessen. Dies wiederum bildet den Schlüssel für nachhaltige Verbesserungen im Management komplexer Bauproduktions- und Baulogistikprozesse. Die damit erreichbaren wirtschaftlichen Vorteile sind sowohl für Bauunternehmen und Projektsteuerer als auch für die Auftraggeber großer Infrastrukturprojekte von größter Bedeutung. Das AutoBauLog- Konsortium wird regelmäßig über den Projektfortschritt informieren und die Vorteilhaftigkeit einer Umsetzung der AutoBauLog-Ergebnisse zum Projektende durch einen realitätsnahen und aussagekräftigen Demonstrator nachweisen. Die technologischen Herausforderungen Während die Bauplanung bereits umfangreich IT-seitig unterstützt wird, bestehen in der Phase der Bauausführung noch erhebliche Verbesserungspotenziale. So zeigen sich dort ein geringer IT-Durchdringungsgrad und zahlreiche Medienbrüche zwischen den Akteuren sowie manuelle Informations- und Abstimmungsprozesse. In der Folge wird die Baustellensteuerung nur unvollständig, ungenau oder verspätet mit Informationen über die Bauprozesse, den Baufortschritt sowie den Einsatz und die Verfügbarkeit von Bauressourcen versorgt. Dies betrifft insbesondere den Tiefbau, der im Mittelpunkt des Vorhabens steht, und dort den gesamten Bereich der Baustellenlogistik. Hier setzt AutoBauLog mit einer intelligenten Integration moderner Technologien von der Planung über die Simulation und Steuerung bis hin zur Teilautonomie von Baumaschinen an. Bisherige Ansätze zur Digitalisierung und Virtualisierung des Baustellenbetriebs basieren auf der Annahme, dass das Baugeschehen nahezu vollständig durch hierarchische Planungs- und Steuerungssysteme koordiniert werden kann. Diese Lösungen sind für die Unterstützung paralleler Abläufe auf Baustellen mit der Notwendigkeit zur permanenten Kontrolle aller relevanten Abläufe zwischen Auftraggeber und -nehmer völlig unzureichend. Geeignete Lösungen sehen prozessbegleitende Qualitätssicherung, die builtin-Quality, und eine Bevorzugung des Pull- gegenüber dem Push-Prinzip vor. Angestrebt wird die verbesserte Koordination der verschiedenen Akteure auf der Baustelle über Unternehmensgrenzen hinweg in der Bauausführungsphase. Der digitale Transfer auf die Baustelle Leitlinie der AutoBauLog-Strategie ist die Übertragung und Anpassung von geeigneten Konzepten der Digitalen Fabrik in die Bauwirtschaft. Dabei werden vier Leistungsbereiche zum integrierten Bestandteil des Konzepts:

– Autonome Maschinensteuerung

– Kooperative Maschinenteams

– Integrierte Produkt-/Bauwerksmodelle

– Leitstandbasierte Koordination und Visualisierung.

Anders als industrielle Produktions- und Lieferketten, erfordern Bauwirtschaft und Baustellenbetrieb Planungs- und Steuerungsansätze, die an die spezifischen Eigenschaften des Baugeschehens angepasst sind. Dies gilt besonders für komplexe, wenig strukturierte und standardisierte Vorhaben des Tiefbaus. Daher erzwingt der Tiefbau dezentrale Koordinationsansätze, die Entscheidungskompetenzen sehr nah an die Ausführungsebene delegieren und die „Autonomisierung“ von Baumaschinen erheblich fördern. Im ersten Schritt werden Baumaschinen mit 3D-Steuerung und softwarebasierter Intelligenz so ausgestattet, dass sie zu teilautonomen Einheiten werden. Auf Einzelmaschinenebene sollen Verrichtungen Selbständig, auch in dynamischen Umgebungen, ausgeführt werden.  Im zweiten Schritt wird die Kooperationsfähigkeit von Baumaschinen durch den Einsatz von Softwareagenten, von Wissensmodellen und von baufachlichen Koordinationsprotokollen, hergestellt. Diese führen zur Formation und kooperativen Arbeit von Maschinenteams in gemeinsamen Prozessabschnitten, also Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Im dritten Schritt werden die Teilbereiche des Baugeschehens ausgehend von einer realitätsnäheren Informationsbasis entlang von Bauprozessen zusammengeführt. Diese werden über einen Leitstand verfügbar gemacht, repräsentiert und mit Simulations- und Entscheidungsverfahren unterstützt. Das Projekt entwickelt seine Lösungen unter Beteiligung kompetenter Partner in den Bereichen Baumaschinen, Steuerungstechnik, Baumanagementsoftware und Bauprojektentwicklung. Das Konsortium deckt alle relevanten Innovationsketten zur Entwicklung, Realisierung und marktnahen Erprobung in der Baumaschinentechnik und Baustellensteuerung auf sehr hohem Niveau ab. Die Forschungsarbeiten sind von Beginn an auf neue Geschäftsmodelle im Marktsegment Tiefbau ausgerichtet. Anforderungsanalysen und Erprobungen erfolgen im komplexen Infrastrukturbau. Relevanz und Umsetzung AutoBauLog-Innovationsprozess und Einbeziehung von kleinen und mittleren Unternehmen:

Bauen in Deutschland ist Mittelstand

Wie kaum eine zweite Branche ist das Baugewerbe in Deutschland durch klein- und mittelständische Betriebe geprägt. Etwa 97 % aller 74.765 Betriebe haben weniger als 50 Beschäftigte (Stand: Juni 2007). Im Hoch- und Tiefbau sind 40 % der tätigen Personen in Betrieben mit weniger als 50 Mitarbeitern beschäftigt. Lediglich 0,2 % der Unternehmen haben mehr als 200, nur 0,03 % mehr als 500 Beschäftigte. Die in der Baubranche übliche Generalunternehmerschaft bietet für die Durchsetzung von Innovationsprozessen besonders günstige Bedingungen, die in AutoBauLog dadurch genutzt werden, – dass die in Baumaschinen heute zunehmend vorhandenen, bisher nur lokal genutzten Steuerungssysteme über eine standardisierte anzukoppelnde Intelligenz mit einer Kommunikationsplattform verbunden und an den Baustellenleitstand angeschlossen werden können; – dass diese Intelligenz der Managementsoftware hinzugefügt wird und den Generalunternehmern einen hohen unmittelbaren Mehrwert eröffnet; – und dass organisatorische Lösungen, Geschäftsmodelle und Vertragsmuster entwickelt werden, um Subunternehmer mit dieser Intelligenz auszustatten. Ein Return-On-Invest ist für alle Beteiligten in kurzer Zeit realisierbar. Die Ergebnisse dieses Projekts werden auf einer realen Großbaustelle auf ihre Praxistauglichkeit überprüft. Autonome Maschinensteuerung

Moderne Baumaschinen verfügen heute bereits ab Werk über umfangreiche Möglichkeiten für den Einbau von Sensorik verteilt in der Maschine und Aktuatoren in der zentralen Ventilsteuerung. Diese Möglichkeiten werden von Anbietern wie TopCon bereits heute genutzt, um die Maschinensteuerung in Bezug auf den Einzelauftrag zu automatisieren. Geländemodelle können per USB-Stick eingelesen und von der Maschine im Hinblick auf die von ihr zu leistenden Arbeiten ausgewertet werden. Eine nahezu vollautomatisierte Abarbeitung der Maschinenaufgabe ist möglich.

Eine Grundlage fortschreitender Integration der Maschine bedingt die Entwicklung einer bidirektionalen Kommunikation der Maschine mit der Bauplanung und anderen Maschinen, die maßgeblich vom Partner TopCon gestaltet wird. Die Kommunikations- und Sensorinfrastruktur auf der Maschine wird durch baumaschinenspezifische Modelle ergänzt. Auf Basis der Modelle wird ein laufender Abgleich der Sensorparameter aus der Baumaschine und extern bereitgestellter Daten aus dem Bauwerksmodell durchgeführt, um eine eigene Planung unter Berücksichtigung eigener Arbeitsziele aufstellen zu können.

AutoBauLog verfolgt das Ziel, die Maschinensteuerung derart zu verfeinern, dass die Maschinen in der Lage sind, ihre Arbeit autonom mittels zu entwickelnder Maschinen- und Bauprozessmodelle zu planen und auf situative Gegebenheiten anzupassen. Mittels der Multiagententechnik und unter Rückgriff auf Situations- und Kontextmodelle, die für unterschiedliche Maschinenklassen zu erstellen sind, können die Maschinen anhand der digitalen Produkt-/Bauwerksmodelle eigenständig auch in dynamischer Umgebung agieren.

Kooperative Maschinenteams

Der Weg von den Einzelmaschinen zu Maschinenteams wird in AutoBauLog durch die Bereitstellung einer neuartigen Baumaschinen-Kooperationsarchitektur beschritten. Diese Kooperationsarchitektur basiert methodisch auf drei Säulen:

– Wissensmodelle

– Multiagententechnologie

– erweiterte Kontext- und Situationsmodelle.

In Wissensmodellen werden die grundlegenden Konzepte und Konzeptbeziehungen der Domäne Baustellenlogistik und Tiefbau formal repräsentiert und als Domänenontologien bereitgestellt. Dazu sind bestehende, in der Regel präformalisiert vorliegende Domänenmodelle zu analysieren, Konzepte zu extrahieren und Gemeinsamkeiten wie Unterschiede explizit zu beschreiben. Die Domänenontologien sind eine Voraussetzung für den Entwurf von kooperativen Softwareagenten als Repräsentationen der Akteure im Baustellengeschehen, d.h. der Baumaschinen und der Planungs- und Steuerungsinstanzen. Ein wesentliches wissenschaftliches Arbeitsziel liegt in der Weiterentwicklung und domänen-spezifischen Anpassung des Konzeptes semantischer BDI-Softwareagenten und der zugehörigen Softwarewerkzeuge des Partners FZID, so dass Softwareagenten ihre Aktionen auf Basis detaillierter, bautechnischer Sensordaten und zielgesteuert durch Bauaufträge Regelkreise entstehen und aufrecht erhalten werden. Hierzu sollen Interaktionsprotokolle für Softwareagenten basierend auf softwaretechnischen Standards (u.a. FIPA, W3C) untersucht und weiterentwickelt werden.

Eine entscheidende Rolle für die Kooperationsfähigkeit von Baumaschinen nehmen Erweiterungen und Anpassungen derzeitiger Kontext- und Situationsmodelle ein, die Informationen über bautechnische Zustände und Zustandsänderungen von Material-, Boden- und Maschineneigenschaften erfassen, analysieren und interpretieren lassen. Diese Kontext- und Situationsmodelle nutzen dazu unter anderem die semantisch reichere Repräsentation des Domänenwissens und führen zu Annotationen von Sensordaten, um diese für Softwareagenten zugänglich und interpretierbar zu machen.

Integrierte Produkt- und Bauwerksmodelle

Die Bauwerksmodelle adressieren jeweils Konzepte und Kontexte spezifischer Fachdomänen (Hochbau, Brücken, Stadt,

Geo­morphologie, etc.). In AutoBauLog agierende Maschinen­teams fertigen und verändern jedoch Objekte aus verschiedenen natürlichen und menschengemachten Umgebungen in domänenübergreifenden Kontexten. Beschreibung, Simulation und Optimierung von Produkt und Herstellungsprozess ist daher nur möglich auf Basis eines integrierten Produktmodells, welches in der Lage ist, sowohl statische und zeitlich veränderliche Objekt- und Herstellungszustände abzubilden. Das zu entwickelnde Modell muss dazu Sollzustände, Planänderungen, Istzustände, aber auch Aspekte des Fertigungsprozesses abbilden können. Existierende Einzelmodelle bilden Teilaspekte bereits oft in ausgereifter Form ab, beschränken sich dagegen aber bewusst auf ihre Fachdomäne.

Die Entwicklung eines integrierten Gesamtmodells gliedert sich in drei Phasen. Zunächst ist die Verwendbarkeit von Strukturen dieser Teilaspekte im Kontext eines integrierten Produktmodells AutoBauLog zu analysieren. In einem anschließenden Integrationsschritt wird die Synthese aller verwendbaren Teil-modellstrukturen aus bestehenden Fachdomänenmodellen vorgenommen. Dieses Vormodell ist in einem abschließenden dritten Schritt gemäß weiterer zu ermittelnder Erfordernisse zur Abbildung der AutoBauLog–Produkt und –Prozessdaten zu ergänzen und in eine formal konsistente Struktur und Syntax zu bringen. Das so entstandene Gesamtmodell ‚AutoBau-Log‘ soll in der Lage sein, den Zustand des zu fertigenden Produkts und relevanter Herstellungsdaten in semantisch hochwertiger Form zu jedem Zeitpunkt vor, während und nach seiner Fertigung darzustellen. Dieses integrierte Produktmodell bildet die Basis zur Vorab-Simulation des gesamten Bauablaufs, aber auch zur schnellen und qualifizierten Reaktion auf unvorhergesehene Störungen während des Produktionsablaufs mit allen sich hieraus ergebenden Vorteilen, beispielsweise der Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit, Verringerung der Stillstandzeiten und Erhöhung der Fertigungsqualität. Leitstand und Maschinen können zu jeder Zeit semantisch hochwertige Informationen des Modells abrufen, sowie ihrerseits ergänzen.

Leitstandsbasierte Koordination und Visualisierung

Die aus der Fertigungsindustrie entlehnte Leitstandtechnologie ermöglicht u.a. die Integration verteilt erfasster Maschinen- und Baustellenparameter in die Bauwerksmodelle. Diese Parameter werden für Simulationen zur Vorhersage der weiteren 6D-Entwicklung (3D-Modell + Zeit + Kosten + Qualität) der Baustelle verwendet und bieten damit unter Berücksichtigung von statistischen Unsicherheiten die Grundlage für das frühzeitige Erkennen von kritischen Situationen und damit für rechtzeitiges Gegensteuern des Projektmanagements. Um diesen Innovationsschritt zu erreichen, sind in AutoBauLog zahlreiche Fragestellungen zu untersuchen. Dies sind insbesondere:

Visuelle 3D-Repräsentation von Tiefbauvorhaben und den Aktivitäten der Baustellenlogistik für Bauplaner, Baustellenlogistiker und Bauprojektmanager. Hierzu sind Bauwerksmodelle und weitere baustellenbezogene Daten für die Modelle und Methoden der VR-Systeme bereitzustellen, und es sind Datenformate sowie Schnittstellen zu spezifizieren.

Identifikation und Bewertung von Planabweichungen sowie deren Repräsentation im Leitstand. Hierzu sind Verfahren für den Vergleich unterschiedlich formalisierter Baufortschrittsdaten und Bauwerksplandaten zu entwickeln und Benachrichtigungsstufen zu definieren.

Entscheidungsunterstützung für Planer durch Generierung von Handlungsvorschlägen bei festgestellten Planabweichungen. Hierzu sind u.a. vordefinierte Bauprozessmodelle heranzuziehen und basierend auf den eingesetzten und verfügbaren Maschinen und Maschinenteams Vorschläge für Auftragsänderungen bzw. neue Aufträge abzuleiten.

Speicherung und Archivierung von Realdaten der Baustelle und Simulationsdaten des Leitstandes, insbesondere auch für Leistungsverrechnung und Controlling. Hierzu sind die Leistungsverrechnungssysteme zu integrieren und Datenschnittstellen zu entwickeln.

In der Visualisierung der Modelldaten kommen Technologien der Virtuellen Realität zum Einsatz, die eine Einschätzung des Modells nach verschiedenen Gesichtspunkten in Abstimmung der mit dem Planfortschritt und den Solldaten ermöglichen. Der Einsatz von VR-Technologien wird dabei im Bereich der Baufortschrittsplanung für Planer und Baustellenleitung forciert. Mittels moderner VR-Technologien werden Parameter des Tiefbauprojektes aus Maschinen und ergänzenden Quellen erhoben und mit den Modellen abgeglichen, um die Soll-/Ist-Abweichung zu minimieren. Die Herausforderung besteht in der Synchronisation von Realwelt und Modell, so dass der tatsächliche Baufortschritt und der planmäßige Baufortschritt abgeglichen werden können und gegebenenfalls auftretende Differenzen sichtbar werden.

Fördern und Fordern

Das Technologieprogramm „Autonomik- Autonome und simulationsbasierte Systeme für den Mittelstand“ ist der neue Förderschwerpunkt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen des  T-Gipfel Leuchtturmprojekts „Internet der Dinge“. Bei AUTONOMIK geht es um zukunftsweisende Ansätze für die Entwicklung einer neuen Generation von intelligenten Werkzeugen und Systemen, die eigenständig in der Lage sind, sich via Internet zu vernetzen, Situationen zu erkennen, sich wechselnden Einsatzbedingungen anzupassen und mit Nutzern zu interagieren. Insgesamt haben sich 12 Projektverbünde für eine Förderung durch das BMWi qualifiziert. Die Projekte haben eine Laufzeit von durchschnittlich drei Jahren. Rund 70 Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen wirken an den Vorhaben mit. Das Fördervolumen beträgt zusammen ca. 35 Mio. Euro. Einschließlich des Eigenanteils der Partner wird ein FuE-Investitionsvolumen von ca. 80 Mio. Euro mobilisiert.