Projekt „Bauen 4.0“ bringt Industrie-4.0-Lösungen auf die Baustelle

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Mit dem Verbundprojekt „Bauen 4.0“ haben sich 30 Projektpartner aus Industrie, Verbänden und Forschungsstellen das Ziel gesetzt, innovative, leistungsfähige und flexible Maschinen- sowie Kommunikationstechnologien zu erforschen und zu entwickeln. Dadurch soll insbesondere die mittelständische Industrie bei der Umsetzung von Industrie 4.0 auf der Baustelle unterstützt werden. Der VDMA ist einer der Transferpartner.

Die Baustelle der Zukunft steht im Fokus des Verbundprojekts „Bauen 4.0“. Gekennzeichnet ist sie durch eine durchgängige und schnittstellenübergreifende Digitalisierung von der Bauplanung und Baustellenlogistik über Vernetzungstechnologien bis hin zur Umsetzung diverser Automatisierungsstufen auf den Maschinen. Im Vergleich zu heute sind dadurch erhebliche Produktivitäts- und Effizienzsteigerungen realisierbar.

Das Verbundprojekt wird im Rahmen der Bekanntmachung „Industrie 4.0 – Kollaborationen in dynamischen Wertschöpfungsnetzwerken (InKoWe)“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. 30 Projektpartner arbeiten bis zum 31.07.2022 drei Jahre lang daran, innovative, leistungsfähige und flexible Maschinen- sowie Kommunikationstechnologien zu entwickeln. Die Neuerungen sollen insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen dabei unterstützen, den Industrie-4.0-Leitgedanken auf der Baustelle umzusetzen.

 

Drei Themenschwerpunkte, eine Testbaustelle

Um dieses Ziel zu erreichen, konzentrieren sich die Forschungsarbeiten auf die drei Themenschwerpunkte:

  • Automatisierbare, vernetzte Arbeitsmaschinen
  • 5G-Maschinen- und Baustellenvernetzung
  • Prozesse und Lösungen für die digitale Baustelle

Auf einer 4.0-Testbaustelle demonstrieren die Projektpartner, wie alle Ergebnisse zusammenwirken. Das eigens dafür entwickelte Gesamtszenario soll eine Vielzahl an unterschiedlichen Anwendungsfällen abdecken.

Bis zum Ende der Projektlaufzeit entsteht ein Gesamtszenario für „Bauen 4.0“, in das alle Ergebnisse der einzelnen Themenschwerpunkte einfließen.

Schwerpunkt 1: Automatisierbare, vernetzte Arbeitsmaschinen

Ein neu zu entwickelndes modulares „Hardware in the Loop (HiL)“-Konzept soll zeigen, wie alle Geräte und Maschinen vernetzt werden und über definierte Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Es bildet die Grundlage für die Integration der Maschinenvernetzungs- und Steuerungslösungen. Die Automatisierung der einzelnen Geräte und Maschinen erfordert eine korrekte Umfeldwahrnehmung, Automatisierungsstrategien, eine geeignete Aufgabenplanung mit Zustandsüberwachung per Fernzugriff und automatisierungsfähige Antriebseinheiten. Dazu entwickeln die Projektpartner neue Maschinenservices in Form von Monitoring- und Umfelderkennungsalgorithmen sowie zur Vorhersage von Betriebszuständen der Maschinen.

Das Erstellen digitaler Maschinen- und Systemabbilder (digitale Zwillinge) bildet einen weiteren Schwerpunkt der Arbeiten. Die Abbilder dienen dazu, Entscheidungs- und Optimierungsprozesse durch Analyse und Auswertung von Sensorinformationen in Echtzeit zu unterstützen. Dadurch lassen sich fernhantierte und automatisierte Assistenzfunktionen umsetzen, die Prozess-, Umfeld- und Planungsdaten nutzen. Mithilfe von vier Demonstratoren – Mobilbagger, Radlader, Ladekran und Drehbohrgerät – weisen die Projektpartner die Praxistauglichkeit der neuen Automatisierungslösungen nach. Dabei liegt das Augenmerk auf unterschiedlichen Aspekten:

Mobilbagger: komplexe Automatisierung, Monitoring und Nutzen von fernhantierten Assistenzfunktionen auf Grundlage einer umfassenden Betriebsdatenanalyse

Radlader: Automatisierung des Fahrantriebs als maßgebliche Komponente, die die Funktionalität, die Effizienz und den Komfort der Maschine bestimmt

Ladekran: automatisierter Materialtransport auf Basis von

„Tracking and Tracing“ des Transportguts und Auswertung der Umgebungsinformationen

Drehbohrgerät: automatisiertes Bohren durch Erfassen des Prozessfortschritts und des Maschinenumfelds

 

Schwerpunkt 2: 5G-Maschinen- und Baustellenvernetzung

Die Vernetzung der gesamten Baustelle mit allen Maschinen und Geräten erfordert die Entwicklung von Kommunikations- und Cloud-Lösungen, die in eine intelligente System-architektur integriert sind.

Dabei gilt es zunächst, geeignete Funkschnittstellen zu identifizieren und zu charakterisieren. Um die Dynamik auf einer Baustelle – die sich beispielsweise durch das Bewegen der Maschinen ergibt – abzubilden, erforschen die Projektpartner Ansätze zur gleichzeitigen Nutzung mehrerer Kanäle (Multi- Konnektivität). Zudem entwickeln sie Konzepte zur Koordination und Überwachung paralleler Funkschnittstellen. Die Schnittstellen werden in eine vermaschte Vernetzungsarchitektur integriert – ein Konzept, das sich insbesondere für sich schnell ändernde Umgebungen ohne fest installierte IT- Infrastruktur wie z.B. Baustellen anbietet.

Um Maschinen mit der Baustellen-Cloud sowie untereinander zu verbinden, konzipieren die Projektpartner ein Connectivity-Modul mit mehreren Funkschnittstellen und einer kleinen Embedded-Cloud. Mit einer eigens dafür entwickelten Testsoftware soll es möglich sein, die Leistungsfähigkeit der Vernetzungslösung zu evaluieren. Das Connectivity-Modul wird zudem prototypisch als Hardwareplattform umgesetzt und in Verbindung mit den Maschinendemonstratoren eingesetzt.

Eine Besonderheit in der Architektur stellt die Unabhängigkeit von einer ständigen Verbindung ins öffentliche Internet dar. Dazu werden echtzeitkritische Daten und Anwendungen lokal auf der Baustelle vorgehalten und anforderungs- gerecht migriert.

 

Schwerpunkt 3: Prozesse und Lösungen für die digitale Baustelle

Anhand von Infrastrukturprojekten entwickeln die Projektpartner ein Modell zur Simulation von Bauprozessen. Dabei werden alle Prozessschritte und Randbedingungen, wie z.B. Ressourcen, Prozesszeiten und verfügbare Flächen, berücksichtigt. Ein Bohrprozess dient als Vorlage für diese Detailsimulation. Im Fokus steht dabei, Assistenzfunktionen zu validieren, wobei auch Störungen und Zeitverluste berücksichtigt werden.

Einen weiteren Schwerpunkt bildet das „Tracking and Tracing“ von Baumaterial und -geräten. Dadurch wird es möglich, Beistellgeräte – Baucontainer, Bauaufzüge und Schlepper – zu lokalisieren oder Rohrbündel zu verfolgen. Zudem lassen sich durch die automatische Übermittlung von Zustands- und GPS-Daten Anbaugeräte identifizieren. Zu Anbaugeräten zählen Schaufeln, Greifer oder auch Bohrhammer. Das Wiegen und Verfolgen von Schüttgütern – z.B. durch Telematik auf Transportfahrzeugen – ist wichtig, um die Ver- und Entsorgung auf der Baustelle zu optimieren.

Auch auf einer digitalisierten und vernetzten Baustelle spielt der Mensch eine zentrale Rolle. Das „Fahrerleitsystem 4.0“ zeigt bereits heute, wie Technik bei Bauprozessen unterstützen kann. Dieses System wird im Projekt weiterentwickelt. Dabei spielen das Assistenzsystem, eine bedarfsorientierte Informationsbereitstellung sowie der Einsatz von Augmented- und Virtual-Reality-Tools eine wichtige Rolle.

Das Building Information Modeling (BIM) als Methode der vernetzten Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Bauwerken ist mittlerweile für den Hoch- und Straßenbau obligatorisch. Das Projektziel besteht darin, BIM für den Tiefbau sowie mit Maschinen und Geräten auf einer Baustelle zu erweitern. Alle Ergebnisse werden im Demonstrator BIMsite umgesetzt.

 

Das Projekt in Stichpunkten

Laufzeit: 1. Juli 2019 bis 31. Juli 2022

Partner: 20 Unternehmen, 5 Forschungsinstitute, 5 Verbände

Budget: 9 Mio. Euro, davon 4,8 Mio. Euro BMBF-Förderung

Koordinator: TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik

Weitere Informationen: https://www.verbundprojekt-bauen40.de