Steuerung adaptiver Systeme mittels digitalem Zwilling - Mensch-Technik-Interaktion während des Produktlebenszyklus am Beispiel der Containerentladung

Lennart Rolfs, Nils Hoppe, Christoph Petzoldt, Jasper Wilhelm, Thies Beinke und Michael Freitag

Mit bedienerseitigen Eingriffsmöglichkeiten erlauben semi-autonome Systeme eine bessere Bewältigung auftretender Komplexitäten als vollautonome Systeme. Der Einsatz eines digitalen Zwillings ermöglicht eine neuartige Schnittstelle für die Interaktion mit solchen Systemen. Dieser Beitrag beschreibt die Implementierung der Steuerung und Nutzerschnittstelle in einem System mit digitalem Zwilling. Es wird gezeigt, wie die entwickelte Steuerungsarchitektur die Einbindung verschiedener Methoden der Mensch-Technik-Interaktion und die Durchführung virtueller Schulungen ermöglicht. Auf diese Weise kann die Steuerung des Systems über die Betriebsphase hinaus in anderen Phasen des Lebenszyklus verwendet werden.

Durch die Globalisierung stieg das Seehandelsvolumen in den vergangenen Jahren kontinuierlich an [1]. Nachdem ein Großteil der Seecontainer via Bahn oder LKW ins Hinterland transportiert wurde, werden sie am Bestimmungsort manuell entladen [2]. Diese Entladung in rauer Arbeitsumgebung stellt eine körperlich anstrengende und monotone Aufgabe für das Personal dar, wodurch die Tätigkeit sowohl physisch als auch psychisch stark fordernd ist [3]. Im Wettbewerb um belastbares Personal, auch mit anderen Branchen, und durch den Konkurrenzdruck in der Logistikbranche, steigt der Bedarf an (semi-)autonomen Systemen zur Containerentladung [4]. Trotz dieses Bedarfs an automatisierten Entladesystemen und ihrer Existenz allgemein hat sich bisher kein System am Markt durchgesetzt [5]. Aufgrund der hohen Varianz an Paketgrößen sind die Packmuster in jedem Container unterschiedlich. Folglich müssen (semi-)autonome Entladesysteme in komplexen Situationen agieren und mindestens den gleichen Warendurchsatz wie die gängige manuelle Handhabung erreichen.

Um der Komplexität der autonomen Containerentladung zu begegnen, wurde in [6, 7] ein neuartiges Steuerungskonzept für semi-autonome Entladesysteme vorgestellt, welches den Benutzereingriff über einen digitalen Zwilling (engl. digital twin, im Folgenden DT) auf unterschiedlichen Ebenen der Steuerung ermöglicht. Hierdurch kann Bedienpersonal das Entladesystem in kritischen Situationen unterstützen. Diese Steuerungsarchitektur bietet während des Produktlebenszyklus neben dem Betrieb noch weitere Anwendungspotenziale für die Mensch-Technik-Interaktion (MTI), die in diesem Beitrag erläutert werden. Im ersten Kapitel wird das DT Steuerungskonzept aus [6, 7] kurz zusammengefasst. Es folgt im zweiten Kapitel eine Betrachtung der Phasen des Maschinenlebenszyklus, um weitere Anwendungsfälle zu identifizieren. Die Umsetzung dieser Potenziale wird im dritten Kapitel beschrieben. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse und ein Ausblick schließen diesen Beitrag ab.

Steuerung mittels digitalen Zwillings

In [6, 7] wurde ein semi-autonomer Containerentladeroboter mit einer, auf einem digitalen Zwilling basierenden, Steuerung vorgestellt. Durch diese Art der Steuerung sind Eingriffe auf unterschiedlichen Ebenen der Informationsverarbeitung möglich, sodass das Bedienpersonal bei Bedarf und mit entsprechender Berechtigung sowohl Modellparameter, die Entscheidungsheuristik, die Entscheidungen an sich oder die direkten Bewegungen beeinfl ussen kann. Damit lassen sich Ergebnisse aus der Systemsimulation oder der Entscheidungsheuristik korrigieren („Änderung von Ergebnissen“, Bild 1) und folglich das kurzfristige Verhalten ändern. Zur Modifizierung des langfristigen Verhaltens können Parameter in den Modellen oder der Entscheidungsheuristik angepasst werden („Parameteränderung“). Des Weiteren lässt sich das System per Teleoperation steuern. Das System folgt entweder direkt den Steuerbefehlen („direkte Teleoperation“) oder simuliert und verifiziert diese zunächst in den Modellen des DT, bevor es sie ausführt („DT-basierte Teleoperation“).


Bild 1: Steuerungskonzept mittels digitalen Zwillings [7].

In Bild 1 ist die Struktur der Steuerung veranschaulicht. Der Aufbau teilt sich in drei Hardware-Ebenen:

Die oberste Ebene (graue Schattierung) beschreibt die physische Welt, bestehend aus dem physischen Robotiksystem mit dessen Kinematik, Aktuatoren, Sensorik, einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zur Umsetzung einfacher Steuerungsbefehlen sowie einem Rechner für die Datenvorverarbeitung von Bildern mehrerer Tiefenkameras. Letztere werden zur Erfassung des Packmusters und der Analyse der Umgebung, in welcher sich das System befi ndet, genutzt.

Die mittlere Ebene (blaue Schattierung) umfasst einen PC, welcher im Robotiksystem verortet ist. In diesem wird der DT realisiert. Dieser unterteilt sich in die Bereiche „Intelligenz & Daten“, in dem die Entscheidungsfindung erfolgt, und „Modell & Parameter“, in dem die Modelle des Controllers, der Aktuatoren und der Kinematik hinterlegt sind und mit Daten aus der physischen Welt kompariert werden.

Die unterste Ebene (gelbe Schattierung) bildet ein externer Leitstandrechner zur Bedienung des Systems. Über diesen kann das Bedienpersonal auf den DT zugreifen und Einfl uss auf das System nehmen. Das Visualisierungsinterface bietet die Möglichkeit sowohl aufgearbeitete als auch Sensorrohdaten darzustellen. Eine dreidimensionale Computerdarstellung des Robotersystems in der aufgenommenen Umgebung vereinfacht die Erfassung der gesamten Situation. Über das Interaktionsinterface kann mittels des DT auf verschiedene Schritte der Informationsverarbeitung des Systems Einfluss genommen werden.

Eine detaillierte Beschreibung des DT Steuerungskonzepts ist in [6, 7] zu finden.

Durch diesen Aufbau der Steuerung wird der Autonomiegrad [8, 9] des Systems adaptiv für die Situation eingestellt, wodurch in zu komplexen Szenarien oder unklaren Fällen auf die starke kognitive Fähigkeit des Bedienpersonals zurückgegriffen werden kann.

Die Architektur der Steuerung ist durch einen kontinuierlichen, automatischen und bidirektionalen Austausch zwischen dem realen System und den digitalen Modellen gekennzeichnet. Sie lässt sich nach [10] als digitalen Zwilling mit Fokus auf Planung und Steuerung (engl. „planning and control“) eingliedern.

Zum Weiterlesen hier klicken