Das Internet der Behälter – Der intelligente Sonderladungsträger und dessen cloudbasiertes Service System

M. Romer, S. Meißner

Der Wandel von Geschäftsmodellen durch die Digitalisierung von Produkten rückt immer weiter in den Fokus der Unternehmen und betrifft auch die Ladungsträgerbranche. Intelligente Komponenten werden in die Produkte integriert sowie Daten erfasst und ausgewertet, um darauf aufbauend neue Dienstleistungen zu gestalten. Durch die digitale Transformation der Produkte von Sonderladungsträgern zu Cyber-Physischen Systemen, unter anderem durch den Aufbau eines cloudbasierten Service Systems, können traditionelle Ladungsträgerhersteller neue Geschäftsfelder entwickeln. Durch das Angebot neuer Dienstleistungen tragen Ladungsträgerhersteller zukünftig nachhaltig zur Optimierung der Wertschöpfungsketten ihrer Kunden bei.

Ladungsträger sind die zentralen Logistikobjekte für den Transport von Bauteilen und Produkten in Wertschöpfungsnetzwerken. Der Einsatz insbesondere von bauteilindividuellen Ladungsträgern ist bei kurzen Ladungsträgernutzungszyklen und komplexen Prozessen im Behältermanagement mit hohen Kosten für die beteiligten Unternehmen verbunden. Diese Herausforderung trifft vor allem Unternehmen, beispielsweise aus der Automobilindustrie, die zunehmend kurzzyklisch ihre Produkte ändern und anfällige Just-in-Time Produktionsstrategien verfolgen.
Sonderladungsträger werden von Ladungsträgerherstellern entsprechend den bauteilspezifischen Kundenanforderungen entwickelt und hergestellt. Um nach Nutzungsende eine Wiederverwendung von Sonderladungsträgern zu erlauben, wurden in unterschiedlichen Forschungsprojekten Modularisierungskonzepte erarbeitet [1, 2], die sich teilweise in der Praxis etabliert haben [3]. Zudem entstanden erste Dienstleistungskonzepte für modulare Ladungsträger [4, 5]. Weitere Projekte verfolgten Ansätze zur Verbesserung des Behältermanagements durch Technologien des Internets der Dinge. Hierbei wurden Sensorsysteme mit Kommunikationstechnologien kombiniert und in die Ladungsträger integriert, um beispielsweise Standorte und Umgebungstemperaturen zu überwachen [6, 7]. Des Weiteren wurden intelligente Behälterkonzepte erforscht, die untereinander über Sensornetzwerke kommunizieren können, um Abläufe zu steuern [8]. Unternehmensübergreifende Potenziale, die sich insbesondere durch ein umfassendes Service System durch die Integration eines intelligenten, modularen Sonderladungsträgers (iSLT) in die Supply Chain ergeben, bleiben bis dato allerdings ungenutzt.
Um ein Netzwerk aus intelligenten, modularen Ladungsträgern in der Supply Chain zu realisieren, müssen Ladungsträger zu Cyber-Physischen Systemen entwickelt werden.
Herkömmliche Behälter werden dabei mit intelligenten Hardwarekomponenten (z. B. Sensoren und Mikroprozessoren) und Informations- und Kommunikationstechnologien ausgestattet und zu intelligenten, vernetzten Produkten weiterentwickelt [9]. Als Teil des Internets der Dinge besitzt dann jeder einzelne physische Ladungsträger eine eigene Identität, erfasst selbständig relevante Daten innerhalb der Supply Chain und wird mit anderen logistischen Objekten vernetzt. Durch die entsprechende technologische Ausstattung wird der iSLT beispielsweise befähigt, aktuelle Standortdaten über GPS, Zustandsdaten über Erschütterungssensoren und Temperaturdaten aus der Umgebung kontinuierlich zu erfassen und regelbasiert über Kommunikationstechnologien wie beispielsweise LPWAN, GSM und Bluetooth an andere Systeme weiterzugeben. Cloud-Systeme ermöglichen es, die Mengen an generierten Daten in diesem Internet der Behälter systematisch zu verarbeiten. Dort werden die gewonnen Datenströme zusammengeführt, ausgewertet und für den Nutzer als Software Services über Web-Applikationen (Web-Apps) im Sinne des Internets der Dienste anforderungsgerecht zugänglich gemacht. Dadurch verschmilzt letztlich im Ladungsträgermanagement die physikalische mit der virtuellen Welt und es entsteht ein sogenanntes Cyber-Physisches System (Bild 1) [10]. Mit der gewonnenen Transparenz über die Materialfl üsse und -zustände der Supply-Chain-Prozesse können den Kunden über das cloudbasierte Service System vielfältige neue Dienstleistungen zur Überwachung, Steuerung und Optimierung ihrer Supply Chain angeboten werden [11, 12].
Durch die Integration des Netzwerks intelligenter Ladungsträger und weiterer Elemente der Supply Chain, wie intelligente Materialfl usstechnik oder Transportgüter, entsteht ein umfassendes Supply-Chain-Management-System mit vielfältigen Überschreitungen von Branchengrenzen. Grundlage hierfür ist die systematische Gestaltung eines modularen und erweiterbaren Service Systems.
 


Bild 1: Sonderladungsträger im Cyber-Physischen System.

Service System Design

Eine zentrale Rolle beim Aufbau des Service Systems des Netzwerks für intelligente, modulare Sonderladungsträger spielt der Poo ling-Betreiber. Dieser bietet über seine integrierte Produkt-Plattform als Marktplatz sowohl die physische Bereitstellung der iSLT als auch Dienstleistungen und IT-Services (Bild 3) an.
Für die Realisierung des Service Systems wurden 18, davon 14 für die Branche neuartige, Dienstleistungen für den Einsatz von intelligenten, modularen Sonderladungsträgern ermittelt, die sich in die drei Kategorien, finanz-, ladungsträger- und datenbasierte Dienstleistungen, einordnen lassen (Bild 2).
Die finanzbasierten Dienstleistungen ermöglichen unterschiedliche Finanzierungsstrategien von Sonderladungsträgern: Neben dem klassischen Finanzierungsmodell, dem Kauf von Ladungsträgern, sind dies Miete, Full-Service-Leasing und Pay-per-use. Hierbei werden Ladungsträger für einen vereinbarten Zeitraum dem Kunden überlassen mit dem Ziel, die bisherigen Investitionen der Unternehmen zur Beschaff ung von Ladungsträgern in laufende Miet- oder Leasingzinsen umzuwandeln, die durch den Restwert der Ladungsträger nach Nutzungsende in Summe deutlich niedriger liegen. Bei einem Pay-per-use-Zahlungsmodell werden dem Kunden lediglich nutzungsabhängige Gebühren in Rechnung gestellt, beispielsweise für die tatsächlichen Kreisläufe, die Ladungsträger zwischen OEM und Zulieferer durchlaufen.
Ladungsträgerbasierte Dienstleistungen sind u. a. für die Funktionsfähigkeit des physischen Ladungsträgers innerhalb der Supply Chain notwendig. Instandhaltungsmaßnahmen wie Wartung, Reinigung und Reparatur sorgen hierbei für den einsatzfähigen Zustand der Ladungsträger. Bei der Wartung wird präventiv der Zustand der Ladungsträger in regelmäßigen Zyklen geprüft und ggf. durch Reparaturen instand gesetzt, bei der Reinigung von Ladungsträgern, insbesondere dem Innenleben, werden Verschmutzungen an Transportgütern vorgebeugt. Unterstützt durch den modularen Aufbau des Ladungsträgers können einzelne Module schneller und aufwandsärmer ausgetauscht werden. Der Service „Rekonfiguration“ dient dazu, einen modularen Ladungsträger nach Ende seines Nutzungszyklus durch Demontage und anderweitige bedarfsgerechte Montage von Modulen zurück in einen neuen Kreislauf zu integrieren. Die „flexible Nutzung“ bietet dem Kunden eine Zeit- und Mengenfl exibilität bei der Nutzung und Rückgabe von Ladungsträgern. Werden beispielsweise aufgrund unerwarteter Nachfrage mehr Ladungsträger benötigt als vereinbart, sind diese für den Kunden kurzfristig verfügbar. Hierzu ist ein Vorhalt von Komponenten und Modulen durch den Pooling-Betreiber notwendig, um etwaige Mehrbedarfe schnell ausliefern zu können.

Datenbasierte Dienstleistungen beschäftigen sich insbesondere mit der Auswertung von Daten, die innerhalb des gesamten Lebenszyklus der iSLT erfasst werden. Ein webbasierter Produktkonfigurator unterstützt die Behälterplaner bei der Konstruktion von iSLT und vereinfacht und beschleunigt damit den Behälterentwicklungsprozess. Mit der Dienstleistung „Auftragstracking“ kann der Kunde den aktuellen Auftragsstatus von der Anfrage über die Herstellung bis zur Auslieferung online verfolgen. Durch die Lokalisierung können die Standorte der Ladungsträger innerhalb der Produktionswerke und auf der Transportstrecke geortet werden und über die Funktion „Rückverfolgung“ lückenlos ausgewertet und analysiert werden. Innerhalb der Produktionswerke können dafür bereits etablierte Technologien wie Radio Frequency Identification (RFID) eingesetzt werden. Die Lokalisierung von Ladungsträgern wird durch fest installierte RFID-Gateways innerhalb der Werke sichergestellt. Zu den Herausforderungen der RFID-Technologie zählen jedoch unter anderem Störeinflüsse bei metallischer Umgebung auf die Systemreichweite und potenzielle Beeinträchtigungen durch Funkanlagen. Durch neue Funktechnologien wie beispielsweise Low Power Wide Area Network (LPWAN) werden Lokalisierung und Rückverfolgbarkeit deutlich verbessert [13]. Über Triangulation können Ladungsträger innerhalb des Produktionswerks verfolgt werden. Die Funkreichweite mit LPWAN beträgt bei geringem Stromverbrauch bis zu 15 km [14].
Mit dem Service „Umfeldüberwachung“ erhält der Anwender Informationen über die Umgebungszustände der iSLT. Über Sensoren für beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, Neigung und Erschütterungen können Daten kontinuierlich gemessen werden. Die Dienstleistung „Zustandsüberwachung“ protokolliert alle erfassten Zustandsdaten eines Ladungsträgers und wertet diese über bestimmte Zeiträume aus. Der Service ist dabei eng mit der Qualitätsanalyse verknüpft. Hier können Fehlerbilder im Prozess oder am Ladungsträger festgestellt werden, um durch beispielsweise Änderungen an der Konstruktion oder am Material den Ladungsträger nachhaltig zu optimieren. Das Behältermanagementsystem steuert die Behälterkreisläufe der Kunden über Unternehmensgrenzen hinweg und verwaltet deren Bestände. Mit dem Service „Automatisierte Buchungen“ sollen die Ladungsträger im Wareneingang und -ausgang der Unternehmen, unterstützt durch Lokalisierungstechnologien, automatisch erfasst werden und die bisher manuellen Buchungen in proprietäre Systeme vollständig ersetzen. Mit der „Kreislaufoptimierung“ kann über die Auslastung die Anzahl der umlaufenden Ladungsträger automatisch ermittelt, überwacht und gesteuert werden. Bei Erreichen von Minder- oder Höchstbeständen wird der Nutzer informiert und kann mit zusätzlicher Beschaffung oder Rückgabe von Ladungsträgern reagieren.


Bild 2: Dienstleistungsportfolio im Service System.

 

Nutzen in der Supply Chain

Der Nutzer kann Dienstleistungen über den Marktplatz des cloudbasierten Service Systems buchen. Über die entsprechenden WebApps erhält der Nutzer Zugang zu den Daten im Service System. Hierbei sind unterschiedliche Nutzerrechte zugeordnet, sodass Supply-Chain-Partner nur die jeweilig relevanten und freigegebenen Daten einsehen dürfen und Vertraulichkeit trotz unternehmensübergreifender Nutzung gewährleistet wird.
Die Web-Apps des Service Systems können entweder mit den IT-Systemen der Kunden (wie Behältermanagement-Software) über definierte Schnittstellen kommunizieren oder als Software-as-a-Service über eine Web-Schnittstelle über internetgestützte Endgeräte vom Nutzer bedient werden (Bild 3). Durch das Cloud-System findet eine permanente Überwachung des Kreislaufs statt, sodass Engpässe oder Störungen in der Supply Chain unmittelbar erkannt werden. Für einzelne Dienstleistungen wie beispielsweise der Umfeldüberwachung können über die Web-Apps individuelle Grenzwerte in Abhängigkeit des physischen Prozesses festgelegt werden. Werden während des Einsatzes der iSLT Grenzwertüberschreitungen für Temperatur, Feuchtigkeit oder Erschütterung gemessen, wird eine Meldung als „Supply-Chain-Event“ an den Nutzer gesendet, sodass dieser auf drohende Probleme möglichst direkt und effi zient reagieren kann. Bei Schäden am Ladegut kann präventiv eine Nachlieferung und Ersatzproduktion angestoßen werden, um bei kritischen Belieferungskonzepten, wie beispielsweise Justin-Time, einen Engpass in der Produktion zu vermeiden. Zudem können über die Web-Apps Daten in Form von ergebnisorientierten Reports zur Verfügung gestellt oder die Optimierung der Ladungsträgerbestände in der Supply Chain durch entsprechende Lieferungen und Transportaufträge automatisiert angestoßen werden.

 


Bild 3: Cloudbasiertes Service System im Soll-Prozess der Supply-Chain-Partner.

Fazit

Durch das Netzwerk für intelligente, modulare Sonderladungsträger im Sinne eines „Internets der Behälter“ entstehen für die Kunden eine Vielzahl von neuen fi nanz-, ladungsträger- und datenbasierten Dienstleistungen, um Supply-Chain-Prozesse nachhaltig zu optimieren und folglich Kosten zu senken. Insbesondere mit den datenbasierten Dienstleistungen kann eine Transparenz über Materialfl üsse und Störungen in der Supply Chain erreicht, die Steuerung der Ladungsträgerbestände unternehmensübergreifend verbessert und die Prozessqualität gesteigert werden. Das hierfür notwendige cloudbasierte Service System fun giert dabei als Integrationsplattform zwischen den an der Supply Chain beteiligten Partnern und dem physischen Prozess. Die Ergebnisse dieser Veröff entlichung wurden im Rahmen des Forschungsprojektes „iSLT.NET“ mit den Anwendungspartnern bestehend aus einem Ladungsträgerhersteller (Gebhardt Logistic Solutions GmbH) und Partnern aus der Automobilindustrie (DRÄXLMAIER GROUP und BMW AG) sowie Forschungspartnern (Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Supply Chain Services, Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfl uss Logistik der Technischen Universität München und der Professur für Produktionsmanagement und Logistik der Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut) erarbeitet. In den nächsten Arbeitspaketen des Projekts wird neben dem intelligenten, modularen Ladungsträger auch die Systemarchitektur des Service Systems bei den am Forschungsprojekt beteiligten Unternehmen sukzessive erforscht und in prototypischer Umsetzung implementiert, um weitere Verbesserungen abzuleiten.

Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojektes „iSLT.NET“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Programms Digitale Technologien für die Wirtschaft (PAiCE) unter dem Kennzeichen 01MA17006F gefördert und vom Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) betreut wird.

Schlüsselwörter:

Intelligente Logistiksysteme, modulare Sonderladungsträger, cloudbasierte Service Systeme, Cyber-Physische Systeme, Internet der Dinge und Dienste

Literatur:

[1] Attig, P.: Komplexitätsreduktion in der Logistik durch modulare Sonderladungsträger. Dissertation, RWTH Aachen 2011.
[2] Rosenthal, A.: Ganzheitliche Bewertung modularer Ladungsträgerkonzepte, AutoUni Schriftreihe Band 93. Wiesbaden 2016.
[3] Meißner, S.: Adaptive Materialflusstechnik: Modulare Transportwagen und Sonderladungsträger für die Materialbereitstellung. 24. Deutscher Materialfluss-Kongress, VDI-Berichte 2234. Düsseldorf 2015.
[4] Kampker, A. u. a.: Modulare Sonderladungsträger. In: wt Werkstattstechnik online 100 (2010) 7/8, S. 622-627.
[5] Kampker, A. u. a.: ReBox-Pool – Innovative logistic concept based on a modular loading carrier concept. 17th International Conference on Concurrent Enterprising (ICE). Aachen 2011.
[6] Seidler, T.; Konstantinos, T.: CairGoLution – Real time transparency of the air freight supply chain. In: Proceedings of the Security Research Conference 10th Future Security. Berlin 2015.
[7] Prives, S.: Systemkonzept zur Steigerung logistischer Effizienz im Lebensmitteleinzelhandel durch Einsatz intelligenter Behälter. Dissertation, Technische Universität München 2016.
[8] Emmerich, J.; Roidl, M.; Bich, T.; ten Hompel, M.: Entwicklung von energieautarken, intelligenten Ladehilfsmitteln am Beispiel des inBin. In: Logistics Journal 8 (2012).
[9] Mattern, F.: Die technische Basis für das Internet der Dinge. In: Fleisch, E.; Mattern, F. (Hrsg): Das Internet der Dinge. Ubiquitous Computing und RFID in der Praxis. Berlin 2005.
[10] Zeiler, J.; Romer, M.; Röschinger, M.; Fottner, J.; Meißner, S.: Entwicklung des Sonderladungsträger der Zukunft. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb. München 113 (2018), S. 37-41.
[11] Porter, M.; Heppelmann, J.: How Smart, Connected Products Are Transforming Competition. In: Harvard Business Review 92 (2014) 11, S. 64-88.
[12] Siepmann, D.: Industrie 4.0 – Grundlagen und Gesamtzusammenhang. Industrie 4.0 – Struktur und Historie. In: Roth, A. (Hrsg): Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0. Grundlagen, Vorgehensmodell und Use Cases aus der Praxis. Heidelberg 2016.
[13] Srisivanandhini, M.; Chithra, S.: Implementation and Analysis of LPWAN Technology using LoRa Architecture. In: International Journal of Engineering Technology Science and Research 4 (2017) 10, S. 664672.
[14] Centenaro, M.; Vangelista L.; Zanella, A.; Zorzi, M.: LongRange Communications in Unlicensed Bands: The Rising Stars in the IoT and Smart City Scenarios. In: IEEE Wireless Communications 23 (2016) 5, S. 63-67.