Wie ein Organismus – wenn Transportroboter Entscheidungen treffen

In der modernen Produktion und Intralogistik sind automatisierte Prozesse längst etabliert. Damit lassen sich innerbetriebliche Abläufe verbessern und effizienter gestalten. Die Leitsteuerung gilt in vielen Fällen als Herzstück von fahrerlosen Transportsystemen (FTS). Sie gibt für die zum FTS gehörenden mobilen Transportroboter die Routen vor, weist Transportaufträge zu und steuert den gesamten Verkehr. Gibt es Bereiche, in denen mehrere Fahrzeuge aufeinandertreffen, entscheidet der Leitstand, wer wann und wo fahren darf. Auch einzelne Aktionen der Roboter, etwa das Abbiegen, Stoppen oder Blinken werden zentral gesteuert. Dabei kommuniziert das integrierte Leitsystem über WLAN nicht nur mit den mobilen Robotern, sondern auch mit Peripherieanlagen wie Brandschutztoren, Fördertechnik und Übergabestationen. Beispielsweise sorgt die Leitsteuerung dafür, dass der Transportroboter erst an der Übergabestation andockt, wenn diese bereit ist. Basis für dieses FTS-Konzept ist eine Software, die Daten sammelt und Aufträge einzelnen Fahrzeugen zuordnet. „Die Roboter selbst wissen aber nicht, welche Aufgaben sie übernehmen, sondern führen einfach nur die Aufträge aus“, sagt Michael Reicheicher, Geschäftsführer bei Safelog. „Dabei gibt es systembedingte Abstufungen, inwieweit sich der Leitstand in das Verhalten einmischt.“ Die Koordination der Fahrzeugbewegungen über einen Leitstand bietet allerdings nicht nur Vorteile.

Nachteile der zentralen Steuerung

Ist die Verbindung zum Leitstand unterbrochen, weil das System gewartet werden muss, Fehlermeldungen vorhanden sind oder das Funknetz gestört ist, steht die gesamte Roboterflotte still. Sind mehrere Transportroboter im Einsatz, kann es bereits problematisch werden, wenn nur ein Fahrzeug ausfällt und die Kommunikation zum Leitstand gestört ist. „Bei einer großen Flotte muss der Leitstand zahlreiche Informationen verarbeiten – eine hohe Anforderung an das gesamte System. Zudem muss eine permanente Verfügbarkeit gewährleistet sein, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen“, fährt Reicheicher fort. „Dieser Qualitätsanspruch ist mit einem großen Aufwand verbunden.“ Die Anforderungen an die IT-Infrastruktur führen zu hohen Initial- und Betriebskosten. Doch nicht nur die Hardwarestruktur ist kostspielig: Lizenzen zum Betrieb der Leitstand-Software müssen erworben werden und Personalkosten fallen ebenfalls ins Gewicht. Häufig müssen Unternehmen zusätzliches IT-Personal einstellen oder einen Support-Vertrag mit dem Hersteller abschließen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Diese Investitionen sind für kleine und mittlere Unternehmen kaum zu stemmen.

Vorteile der Schwarmintelligenz

Im Vergleich zur zentralen Steuerung über einen Leitstand bieten mobile Transportroboter mit einer agentenbasierten Steuerung in der Regel Kostenvorteile. Wie funktioniert die leitstandlose Prozesssteuerung? Die Roboter kommunizieren über intelligente Multiagentensysteme miteinander. Sie teilen sich gegenseitig z.B. ihre Position und Geschwindigkeit in Form von regelmäßigen Statusmeldungen mit. Dieser Informationsfluss erfolgt entweder zyklisch oder immer dann, wenn sich ein Status ändert, der Auswirkungen auf die anderen Schwarmmitglieder hat. Alle Roboter verfügen über sämtliche Daten wie die Eigenschaften, die Fahrwege sowie Umgebungskarten und die im System definierten Regeln. Auf Basis dieser Informationen entscheiden die mobilen Roboter eigenständig, welche Aktionen sie in welcher Reihenfolge ausführen. Benötigen Sie eine Auskunft der anderen Systemteilnehmer, wird eine entsprechende Anfrage an den Schwarm gestellt. „Die Transportroboter sind vergleichbar mit Organismen, die in einer Gesellschaft leben“, so der Geschäftsführer. „Alle kennen die Regeln und Gesetze, die zu befolgen sind, können aber eigenständig handeln.“ Die Schwarmintelligenz ermöglicht eine flexible Routenplanung. Die Reservierung und Freigabe von Streckenabschnitten oder Kreuzungspunkten erfolgt durch die Kommunikation der involvierten Geräte miteinander. Auch die Peripherie ist integriert. So kann z.B. ein Aufzug Teil des Schwarms sein. Der Aufzug teilt mit, ob er frei oder belegt ist und in welchem Stockwerk er sich befindet. Der Transportroboter entscheidet dann selbstständig, ob er zum Aufzug fährt oder welchen Aufzug er nutzt, um in ein anderes Stockwerk zu gelangen. Ein besonderer Vorteil der Schwarmintelligenz: Das System ist ausfallsicherer. Die Abstimmungsmechanismen sind darauf ausgelegt, dass nur ein Teil der Gruppe erreichbar ist. Daher führt ein Fehler im Funknetz auch nicht zum kompletten Ausfall der Flotte. Das Lademanagement der Einzelgeräte wird kontinuierlich überwacht, um die Verfügbarkeit der Geräte sicherzustellen. „Die Einzelfahrzeuge können sich für eine lange Zeit bewegen, ohne auf Informationen von anderen Teilnehmern angewiesen zu sein“, betont Reicheicher. „Fällt ein Gerät aus, arbeitet der Schwarm ganz normal weiter.“ Das System ist damit äußerst robust.

Einsatz einer dezentralen Steuerung

Sollen Fahrzeuge oder Geräte mit einer geringen Rechenleistung zentral gesteuert werden, bietet sich ein Leitstand an. Das Leitsystem kennt den Ist-Zustand der Geräte, kann aber auch schon berücksichtigen, welche Aktionen die einzelnen Roboter in der Zukunft ausführen sollen. Sind Fahrzeuge unterschiedlicher Hersteller im Einsatz, die gemeinsam Flächen befahren oder sich eine Aufgabe teilen, benötigt man ebenfalls eine Leitsteuerung. Damit lassen sich Konfigurationen vornehmen, die für Interoperabilität auf Basis der VDA5050-Schnittstelle sorgen. Über die Schnittstelle können die Fahrzeuge unabhängig von Ausführung und Hersteller gemeinsam in einer Flotte betrieben und gesteuert werden.

Deutliche Vorteile gegenüber dem Einsatz einer Leitsteuerung weisen dezentrale Steuerungen auf, wenn es um die schnelle Änderung von Teilprozessen geht. Sie lassen sich mithilfe der Schwarmintelligenz einfach im laufenden Betrieb umsetzen, ohne dass der Ablauf gestoppt werden muss. Denn es wird nicht das komplette System neu konfiguriert, sondern der neue Prozess wird peu à peu auf alle Teilnehmer übertragen. Zunächst wird dies mit einem oder zwei Robotern getestet. Ist der Testlauf fehlerfrei, werden die neuen Infos mit dem gesamten Schwarm geteilt. „Das ist ein besonderer Vorteil der agentenbasierten Steuerung“, erklärt Michael Reicheicher. „Es ist sehr risikoreich, die Prozesse über den Leitstand zu stoppen, Änderungen vorzunehmen und das System dann wieder zu starten. Häufig funktioniert das nicht einwandfrei und es ergeben sich weitere Schwierigkeiten im Prozess. Diese entstehen beim Einsatz eines Schwarms erst gar nicht.“ Vor allem kleine Änderungen lassen sich somit direkt umsetzen, statt wie üblich bei der Leitsteuerung auf ein Wartungsfenster warten zu müssen, um neue Prozesse zu etablieren. Der größte Vorteil beim Einsatz der dezentralen Steuerung ist aber sicher der geringere Kostenaufwand, da kein Leitstand benötigt wird. Das ermöglicht einen effizienten Betrieb von wenigen Robotern bis hin zu mehreren hundert Fahrzeugen. Auch bei geringer Roboteranzahl kann sich die Automatisierung für kleine Unternehmen rentieren, denn es sind keine großen Investitionen in eine komplexe Hardwarestruktur zu tätigen. Wenn gewünscht, lassen sich dezentrale und zentrale Steuerung sogar miteinander kombinieren. Sind z.B. Fahrzeuge im Einsatz, die über einen Leitstand gesteuert werden, kann sich der Schwarm punktuell dem Leitstand unterordnen. So ergänzen sich beide Systeme in speziellen Einsatzfällen ausgezeichnet.