Liegt die Zukunft in selbstfahrenden Transportsystemen?

Klassische personenbetriebene Gabelstapler zählen zu den wichtigsten Flurförderfahrzeugen in Industrie und Handel.

Sie befördern, heben, stapeln, ziehen, schieben … und sie sind überproportional in Unfälle verwickelt.

Menschliche Fehlhandlungen stehen dabei auf Platz eins der Unfallursachen. Sollen schwere Lasten in großer Höhe aufgesetzt werden, verändert sich der Schwerpunkt des Gefährts. So mancher Gabelstapler kommt da schnell in Konflikt mit der Schwerkraft.

Welcher Lagerarbeiter kennt nicht den Splatterfilm „Staplerfahrer Klaus“? Da geht es um einen frischgebackenen Gabelstaplerfahrer, der an seinem ersten Arbeitstag sämtliche Lagerarbeiter aufspießt. Der Streifen ist ein Glanzstück des schwarzen Humors, da er ganz harmlos im Stil eines berufsgenossenschaftlichen Lehrfilms der 1980er Jahre beginnt. „Staplerfahrer Klaus“ erlangte schnell Kultstatus.

Bald hat es sich für Klaus jedoch ausgestapelt. Die Zukunft gehört fahrerlosen Transportsystemen, die das konventionelle Warenhandling ersetzen.

Was ist ein selbstfahrendes Transportsystem?

Das fahrerlose Transportsystem (FTS) dient dem Materialtransport. Es setzt sich aus mehreren Bestandteilen zusammen, wobei der wichtigste Bestandteil das selbstfahrende Transportfahrzeug (FTF) ist.

Das fahrerlose System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeuge berührungslos geführt werden. Um sie zu führen, müssen Daten übertragen werden. Da hätten wir beispielsweise Positionsdaten, Fehlerzustände oder Betriebsdaten. Koordiniert wird das Ganze über ein Computerprogramm, die Leitsteuerung.

Vergessen wir nicht die Infrastruktur, denn FTS müssen sich in die vorhandene Umgebung einfügen. Außerdem benötigen sie eine Ladestation und Personal für Wartungsarbeiten.

Was ist ein fahrerloses Transportfahrzeug?

In der Intralogistik gehören fahrerlose Transportfahrzeuge inzwischen zum Alltag. Automatisierte Stapler oder Shuttles sind aus den Innenlagern wie aus den Außenlagern nicht mehr wegzudenken. Die Fahrzeuge laufen mit Rädern auf Flur, weswegen sie auch Flurförderfahrzeuge heißen. Üblicherweise transportieren sie die Güter horizontal, jedoch gibt es auch Flurförderzeuge mit Hubeinrichtung. Letztere nehmen Lasten auf und stapeln sie in Regale. Im Gegensatz zu Staplerfahrer Klaus gelingt ihnen das sehr human. Menschen kommen dabei nicht zu Schaden.

Die Zahl der Unternehmen, welche fahrerlose Transportsysteme auch in der Kommissionierung einsetzen, nimmt zu. Die orangenen Kiva-Roboter von Amazon holen Waren einschließlich der zugehörigen Verpackungen aus dem Lager und liefern diese autonom an den Mitarbeiter, der die Waren verpackt und für den Versand bereitstellt.

Generell gibt der Mensch dem Roboter den gewünschten Fahrweg zum Zielpunkt vor. Moderne FTS sind jedoch in der Lage, die Bearbeitung von Transportaufträgen autonom zu optimieren, indem sie die günstigste Fahrtroute eigenständig berechnen.

Navigation

Bei den FTF entscheiden vor allem die Navigations- und die Sicherheitssysteme über das Gelingen der Transportmission. Sie gehören zu den wichtigsten Herausforderungen, die von den Konstrukteuren bewältigt werden müssen.

Am weitesten verbreitet sind spurgeführte Systeme. Erste FTF, die sich an einem auf dem Boden aufgeklebten Leitband orientierten, existierten bereits Mitte der 1950er Jahre. Allerdings mangelt es dem System an der nötigen Flexibilität. Es ist aufwendig, Leitlinien zu erstellen oder zu warten. Werden die Leitlinien in den Boden eingelassen, kann der Fahrweg nicht mehr verändert werden. Günstiger wäre die Rasternavigation mittels Rasterpunkten. Beispiele sind Magnete, Transponder oder optische Raster. Jedoch bringt die Rasternavigation zum einen nur wenige Pluspunkte hinsichtlich der Flexibilität, zum anderen hängt sie ebenso von der Bodenbeschaffenheit ab wie die Systeme mit durchgängiger Leitlinie.

Wesentlich wendiger, allerdings wegen der eingesetzten Technik auch wesentlich teurer, zeigt sich die Navigation anhand virtueller Leitlinien. Sie basiert im Wesentlichen auf einer im FTF gespeicherten Karte, sowie Laserscannern und Kameras. Der Laserscanner erfasst stationäre Referenzpunkte bzw. die Konturen der Umgebung, misst sie ein und vergleicht sie mit der Karte. Die FTF orientieren sich in einem bekannten Koordinatensystem, ohne vom Menschen direkt gesteuert zu werden. Dabei bedienen sie sich in der Seefahrt gebräuchlichen Navigationsmethoden.

Im Außenbereich bietet sich zudem die Funkpeilung oder die Nutzung von GPS an.

Um den Ansprüchen nach Flexibilität gerecht zu werden, entwickeln sich die FTF immer stärker zu autonomen Fahrzeugen, die sich anhand virtueller Karten selbst den besten Weg errechnen. Dadurch werden Sensorsysteme und installierte Rechenleistung natürlich immer umfangreicher.

Für die Intralogistik 4.0 haben die Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts die Cloud-Navigation entwickelt. Hier senden die FTF ihre aktuellen Umgebungs- und Fahrdaten an eine Cloud-Leitsteuerung. Dadurch entsteht eine sich stetig aktualisierende Karte der gesamten Umgebung, die alle stationären und beweglichen Elemente abbildet.

Sicherheit

Beim herkömmlichen Gabelstapler ist der Fahrer für die Sicherheit verantwortlich. Es muss nicht immer so enden wie im Film „Staplerfahrer Klaus“, jedoch kann tatsächlich so einiges schiefgehen. Auch FTF haben Gabeln.

FTF müssen die Sicherheit in zwei Richtungen gewährleisten: gegenüber Personen und der Umgebung, aber auch gegenüber sich selbst. Warneinrichtungen, Not-Aus, selbsttätig wirkende Bremsen und ein Personenerkennungssystem mit Auffahrschutz sind vorgeschrieben.

Um sicheres Agieren zu garantieren, sind FTF mit zertifizierten Sicherheitssystemen ausgestattet. Dazu gehören

• aktive Laserscanner
• Stoßfänger
• passive Sicherheitskanten mit Kontrolleinheit
• Nottasten
• Licht- und Tonanzeigen

FTF können über einen Touch-Screen bedient werden, welcher auch dazu dient, Alarm- und Statusmeldungen darzustellen. Zusätzlich lässt sich per Kabel und Stecker eine Handsteuerung an das Fahrzeug anschließen. Ihre Energie beziehen FTF üblicherweise über Batterien oder Stromschienen.

Vorteile der FTS

FTS werden bereits seit Anfang der 60er Jahre eingesetzt. Der Technologiestandard erlaubt es inzwischen, auf den Kunden zugeschnittene Systeme zu produzieren.

Im Gegensatz zu Aufzügen, Rohrleitungen, Schienen oder Förderbändern bieten FTS ein hohes Maß an Flexibilität. Ihre Vorzüge sind vielfältig:

• der Material- und Informationsfluss im Betrieb wird organisierter und transparenter
• Transportvorgänge werden kalkulierbar
• Angstvorräte und Wartebestände lassen sich minimieren
• FTF senken Personalkosten (besonders im Schichtbetrieb)
• FTF sind zuverlässig und pünktlich
• sie minimieren Transportschäden und Fehllieferungen

Beispiele aus der Praxis

LEO Locative

LEO Locative von BITCO ist ein Beispiel für ein einfaches, bezahlbares FTF für den Innenbereich. LEO funktioniert ohne IT, indem er einfach einer Spur am Boden folgt. Das Ziel wird über einen Touchscreen eingegeben. Entlang der Spur kleben Marker mit Befehlen: „Wenn leer, dann hier stehen bleiben“, „Wenn Station 1 erreicht ist, dann Behälter abgeben“, „Wenn voll, dann zum Ausgangslager abbiegen“ …

LEO kann Ware an unterschiedliche Ziele bringen und spielt seine Stärken zum Beispiel in der Retourenabwicklung aus.  Kommissionieren hingegen ist mit ihm nicht möglich.

TORsten von Torwegge

Das Unterfahrsystem TORsten ist nicht nur stark, sondern auch gutaussehend. Dafür wurde das Produkt des Herstellers Torwegge mit Preisen geradezu überhäuft: Im Jahr 2017 erhielt es den IFOY Preis des VDMA Fachverbandes Fördertechnik und Intralogistik. Im selben Jahr folgte der Deutsche Industriepreis, im Jahr 2018 dann der deutsche Design Award.

Der batteriebetriebene Torsten bewegt Lasten bis zu 9 Tonnen und bremst bei Hindernissen selbständig ab. Seine Navigation basiert auf einem virtuellen Straßennetz. Nachdem ihm ein Ziel gegeben wurde, sucht er sich autonom den kürzesten Weg dorthin.

Linde

Die Staplermarke Linde – inzwischen mit STILL und OM zur KION Group vereint und fest in der Hand von Goldman Sachs – produziert gleich einen ganzen Fuhrpark an automatisierten Geräten. Darunter das Schmalganggerät K-MATIC, welches für die Kommissionierung in Hochregalen konzipiert wurde. Der Stapler schlängelt sich nicht nur elegant durch schmale Gänge und kann eine Tonne Last über sieben Meter hoch stapeln, sondern fährt auch autonom. Dazu benötigt er weder Laserreflektoren oder Klebestreifen am Boden. Er findet sich mittels Geo-Navigation zurecht; orientiert sich also an vorhandenen Strukturen wie Wänden, Säulen oder Regalen. Dazu betreibt er Echtzeit-Mapping. Das heißt, Veränderungen in der Umgebung werden per Laser eingemessen und in das System eingespielt.

Fahrzeugdaten können kabellos übertragen und per Diagnosetool ausgewertet werden. Mit Schnittstellen zu Warehouse Management- und ERP-Systemen ist die MATIC-Serie bestens für Industrie 4.0 gerüstet.

Für Staplerfahrer Klaus wäre besonders Lindes autonomer Hochhubwagen L-MATIC AC mit freitragender Gabel interessant. Auch hier ist die Vernetzung fortgeschritten: An den L-MATIC AC kann auch ein Barcodeleser angebracht werden, um die Daten direkt in ein Warenwirtschaftssystem einzulesen.

Jungheinrich

Auch das deutsche Unternehmen Jungheinrich produziert gleich eine ganze FTF-Familie. Das Portfolio ähnelt dem von Linde und umfasst Niederhubwagen, Hochhubwagen, Schlepper, Hochregalstapler und Vertikalkommissionierer. Der Hochregalstapler EKX 516a bewegt 1,5 Tonnen Ladung auf 13 Meter Hubhöhe.

Das Unternehmen setzt auf Lasernavigation, um Laserreflektoren oder natürliche Landmarken einzulesen. Zusätzliche RFID-Reader helfen bei der Positionsbestimmung im Schmalgang.

Vom automatischen zum autonomen Fahren

Der Begriff „autonomes Fahren“ wird häufig falsch benutzt. Autonomie ist kein Synonym für Automatisierung!

Automatisiertes Fahren bedeutet, dass der Mensch nicht aktiv Hand anlegt. Kennzeichen eines automatisierten Systems ist jedoch die Abfolge von einem definiertem Verhalten. Gibt der Mensch also Daten, Koordinaten oder Aufträge an ein Gerät und hat dabei die Möglichkeit zum ständigen Eingriff, während das Gerät die Aufgaben erfüllt, reden wir von automatisierten Geräten. Ein autonomes Gerät hingegen erkennt selbst, wann es einen Auftrag zu erfüllen hat und findet seine Route selbständig.

Bei FTF machen die Hersteller den Unterschied in der Terminologie an der Spurführung fest. Wenn dem FTF keine reale oder virtuelle Spur vorgegeben wird, auf dem es den Weg vom Start zum Ziel zurückzulegen hat, sprechen sie bereits von einem autonomen FTF. So mancher Akademiker hält den Gebrauch des Wortes „autonom“ bei diesen Systemen für verfrüht. Jedoch würde es den Rahmen des Artikels sprengen, würden wir uns an dieser Stelle in die Diskussion einmischen.

Autonome Systeme dürfen selbstständige Entscheidungen treffen. Ihre Fähigkeiten gehen über die bisher bekannten und üblichen Fähigkeiten von automatisch fahrenden Fahrzeugen hinaus. Hier ist die Industrie zurzeit richtig in Bewegung – der Trend geht zu selbstfahrenden Autos, Lastkraftwagen, Schiffen und Flugobjekten.

Nicht nur die dänische Reederei Maersk, der Branchengigant unter den Reedereien, erhofft sich viel von autonomen Schiffen. Auch Rolls Royce hat schon vor einigen Jahren ein Konzept für unbemannte seegehende Frachtschiffe vorgestellt.  Besonders in Skandinavien ist man bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge sehr weit. Seit April dieses Jahres gibt es sogar die erste autonome Reederei der Welt, Massterly. Das Start-up wurde von der norwegischen Reederei Wilhelmsen und dem norwegischen Technologiekonzern Kongsberg gegründet und soll bereits im nächsten Jahr das erste autonome Containerschiff der Welt, die Yara Birkeland betreiben. Das Schiff wird von landgestützten Leitstellen überwacht und bei Bedarf ferngesteuert.

In Finnland sollen bald autonome Busse auf öffentlichen Straßen fahren; und in Deutschland rollt Mercedes-Benz mit seinem „Future Truck“ voller Kraft in Richtung Autonomie. Daimlers hochautomatisiertes Assistenzsystem „Highway Pilot“ besitzt inzwischen eine Straßenzulassung für ganz Deutschland.

Fazit

Globalisierte Märkte, ein wachsendes Warensortiment und das Streben nach Losgröße 1 machen den Materialfluss so komplex wie nie zuvor. Mit zunehmenden Artikelzahlen bei gleichzeitig stark schwankenden Auftragseingängen wächst ein Problem heran: der Spagat zwischen maximaler Lieferbereitschaft und minimalem Bestand.

Lösungen für die Steuerung von Warenflüssen müssen her. Sie müssen dezentral, flexibel und anpassungsfähig sein. Lösungen, wie zum Beispiel die autonom navigierenden Transportsysteme. Diese Systeme der Zukunft werden die Logistikbranche nachhaltig und spürbar verändern. Sie bieten ein Höchstmaß an Komfort und Kontrolle und lassen mit ihrer Effizienz die traditionellen Methoden der Logistik weit hinter sich.

Logistik bewegt Industrie. FTS-Technologien gehören zur Logistik 4.0.