Übersicht laufender Forschungsprojekte

Die Verwendung von Drohnen zum innerbetrieblichen Materialtransport ermöglicht durch die Bewegung in der dritten Dimension einen autonomen, flexiblen und schnellen Transport, eine Entlastung der Transportwege in der Ebene und damit eine Reduktion nicht-wertschöpfender Transporttätigkeiten. Dem konkreten Einsatz von Drohnen im Produktionsbetrieb von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) stehen jedoch noch Risiken und Hindernisse entgegen (z. B. Akkulaufzeit, Rentabilität, Rechtslage). Unklar ist zudem, welche rechtlichen/versicherungstechnischen, technischen und betrieblichen Voraussetzungen von Drohnenherstellern und anwendenden KMU für den Einsatz im Produktionsbetrieb geschaffen werden müssen und welche wirtschaftlichen und logistischen Potentiale dadurch entstehen. Eine Übertragbarkeit von gewerblichem und operativem Drohneneinsatz außerhalb von Gebäuden z. B. im Paketversand ist aufgrund der besonderen Herausforderungen (Schwierigkeiten bei der Ortung, Einschränkungen durch die technische Gebäudeausstattung) nicht einfach möglich.

Die Arbeitshypothese des geplanten Forschungsvorhabens besteht somit in der Annahme, dass durch eine Erforschung der Rahmenbedingungen und Ableitung von Handlungsempfehlungen der Einsatz von Drohnen zum innerbetrieblichen Materialtransport bei KMU gefördert und beschleunigt wird. Neben der Ermittlung von rechtlichen, technischen und betrieblichen Rahmenbedingungen erfolgt eine Ableitung von Anforderungen an die Fabrik bzw. Produktion sowie an zukünftige Drohnen. Durch die Entwicklung eines Vorgehens zur wirtschaftlichen und logistischen Potentialabschätzung des Einsatzes von Drohnen für den innerbetrieblichen Materialtransport können KMU die Wirtschaftlichkeit abschätzen. Zusammenfassend wird durch die Anwendung der angestrebten Forschungsergebnisse unmittelbar eine Potentialabschätzung des innerbetrieblichen Transportes mit Drohen sowie das Aufzeigen von Handlungsfeldern erreicht

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines regelbasierten Expertensystems zur Auswahl und Auslegung eines Transportsystems sowie die integrierte Erstellung eines materialflusseffizienten Layouts. Als Folge können Unternehmen eine parallele und damit ganzheitliche Layoutplanung mit reduziertem Aufwand durchführen und berücksichtigen dabei die Auswirkungen der Auslegung eines Transportsystems auf die Fabrikstrukturen und damit das Fabriklayout. Es sollen zunächst die Auswirkungen unterschiedlicher Transportsysteme auf die Gestaltung des Layouts erarbeitet werden. Zusätzlich wird auch die monetäre Bedeutung der Transportsystemauswahl untersucht. Daraufhin sollen diese Erkenntnisse zusammen mit dem Expertenwissen von Systemplanern bzgl. der Transportsystemauswahl und der Transportnetzplanung in einer Regelbasis gespeichert werden und mit Hilfe von Fuzzy Logic automatisiert für die integrierte Planung verwendet werden.
Produzierende aber auch beratende KMU erhalten durch das Expertensystem die Möglichkeit das spezifische Fachwissen von Fabrik- und Transportsystemplanungs-experten aufwandsarm und kostengünstig aufzunehmen und in Projekten anzuwenden. Die effiziente Layoutplanung und die kapitalintensive Anschaffung von Transportsystemen haben große Auswirkungen auf die Effizienz der Produktion und Logistik einer Fabrik. Infolge einer integrierten Durchführung von Layoutplanung und Transportsystemauswahl können Fehlplanungen und Fehlinvestitionen verringert und nachträgliche Anpassungen des Layouts vermieden werden, wodurch die Zeitspanne zum Produktionsstart verkürzt werden kann. Zugleich werden die Hemmnisse zur regelmäßigen Durchführung von Fabrikplanungsprojekten reduziert und eine kontinuierliche Anpassung der Fabrikstrukturen vorangetrieben. Dies trägt zu einer deutlichen Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher KMU bei.

Ziel der Forschungsarbeit ist es, die Automatisierungslücke in der Werkzeuglogistik durch den Einsatz mobiler Assistenzroboter zu schließen. Diese sollen ein benötigtes Werkzeug zum richtigen Zeitpunkt an die jeweilige Maschine liefern. Dadurch werden Zeiten für Beschaffungs- und Suchvorgänge von Werkzeugen reduziert, Stillstandszeiten minimiert sowie die Prozesssicherheit und die Verfügbarkeiten gesteigert. Zudem sollen Anbindungen an übergeordnete IT-Systeme vorgesehen werden, sodass einzelne Maschinen nach Priorisierung beliefert werden können und stets ersichtlich ist, wo sich wann welche Werkzeuge befinden. Darüber hinaus soll mit diesem System der Maschinenbediener durch eine Roboter-Kooperation unterstützt und damit die Produktivität der Gesamtanlage gesteigert werden. Hierzu sollen auf Basis einer Problem- und Anforderungsanalyse aktuelle Schwachstellen und Optimierungspotenziale identifiziert und in der Konzeption des Gesamtsystems aus mobilem Assistenzroboter und IT-Steuerungssystem sowie dessen Integration in die bestehende IT-Landschaft berücksichtigt werden. Durch eine demonstratorische Umsetzung gilt es das Konzept hinsichtlich wirtschaftlicher und technischer Kriterien zu evaluieren. Insbesondere kmU profitieren vom wirtschaftlichen Potenzial der Lösung, da diese aufgrund geringer Stückzahlen und großer Variantenvielfalt zahlreiche Werkzeugwechsel durchführen müssen. Das System kann flexibel und aufwandsarm an individuelle Anforderungen angepasst werden, wodurch Automatisierungslücken auch in kleineren Produktionssystemen und bei kmU unterschiedlicher Branchen geschlossen werden können. Dies ermöglicht eine höhere Ausbringungsmenge und günstigere Produkte bei gesteigerter Arbeitsqualität. Aus diesen Gründen kann die Automatisierung der Werkzeuglogistik mithilfe von Assistenzrobotik die Wettbewerbsfähigkeit von kmU langfristig erhöhen.

Die Entwicklung flexibler Handhabungsroboter und autonomer Fahrzeuge für logistische Prozesse ist aufgrund heterogener Objekte, variablen Umgebungsbedingungen und komplexen Eigenschaften der 3D-Sensorik eine große Herausforderung, die mit hohen finanziellen Risiken verbunden ist. Die 3D-Sensorik kann aus mehreren Sensoren bestehen und sich in der Sensortechnologie unterscheiden. Die Auswahl, Konfiguration und Positionierung der Sensoren werden aufwändig manuell und anwendungsspezifisch durchgeführt, simulative Tests sind bisher nicht möglich. Erst im Anschluss können Algorithmen entwickelt werden, die auf der Sensorkonfiguration basieren. Im Rahmen des Projektes VirtuOS soll ein online frei verfügbares Werkzeug entwickelt werden, mit dem Anwendungsszenarien im VR-Raum frei konfiguriert und Sensordaten realitätsnah simuliert werden können. Eine multi-kriterielle Optimierung liefert, abhängig von unterschiedlichen Optimierungskriterien anwendungsspezifisch optimale Sensorkonfigurationen. Abschließend werden dem Nutzer notwendige technische Anforderungen an die Sensorik übermittelt. Die Arbeitshypothese ist, dass sich die technologischen und umgebungsspezifischen Eigenschaften realitätsnah in der virtuellen Arbeitsumgebung abbilden lassen. Die KMU, insbesondere Automatisierungsunternehmen, Systemintegratoren sowie Anbieter von Sensorik und Bildverarbeitungslösungen können somit bei der Auswahl und Konfiguration der Sensorik für neue Arbeitsstationen bzw. Roboter unterstützt werden, wobei bisher ein sehr hohes Expertenwissen notwendig ist. Zudem beschleunigt das Werkzeug die Entwicklungszyklen und damit die schnelle Erschließung neuer Geschäftsfelder. Durch die Generierung von Test- bzw. Trainingsdaten für das Trainieren von maschinellen Lernsystemen profitieren KI-Startups ebenfalls, da ihnen durch den fehlenden Marktzugang bzw. das anwendungsspezifische Wissen häufig diese zur Produktentwicklung notwendigen Daten fehlen.

Shuttle-Systeme bilden eine flexible und dynamische Möglichkeit zur Lagerung kleiner Ladeeinheiten. Im Zuge der Entwicklung haben sich innerhalb weniger Jahre unterschiedliche Systemtypen herausgebildet, die sich beispielsweise durch die Bewegungsachsen der Shuttle-Fahrzeuge charakterisieren lassen. Den höchsten Durchsatz ermöglichen Shuttle-Systeme mit gassen- und ebenen-gebundenen Fahrzeugen. Sie entsprechen damit dem Trend zu steigender Dynamik automatisierter Lagersysteme. Der maximal erzielbare Durchsatz ist jedoch durch die Leistungsfähigkeit der Behälterlifte oder der einzelnen Shuttle-Fahrzeuge beschränkt. Weitere Lift- und Shuttle-Fahrzeuge in Schacht bzw. Gasse können den Durchsatz steigern – wenn die Koordination mehrerer Fahrzeuge im selben Schacht bzw. in derselben Gasse gelingt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Steigerung des Durchsatzes von Shuttle-Systemen mit gassen- und ebenen-gebundenen Fahrzeugen durch den Einsatz mehrerer Fahrzeuge in derselben Gasse und demselben Schacht. Um solche Systeme robust und effizient zu betreiben, sind Steuerungsstrategien zu entwickeln. Um eine durchsatzoptimale Konfiguration der Systeme zu ermöglichen, wird ein parametrierbares Simulationstool erstellt, in welches die entwickelten Strategien hinterlegt werden und das die Analyse und Bewertung unterschiedlicher Konfigurationen erlaubt. Durch die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse können alle in die Planungs- und Betriebsphase von Shuttle-Systemen eingebunden Parteien profitieren. Planungsunternehmen – häufig KMU – werden befähigt, für jeden Planungsfall eine möglichst wirtschaftliche Systemausprägung zu ermitteln, die den Anforderungen hinsichtlich des Durchsatzes und der Kapazität gerecht wird. Hier entsteht unmittelbarer Nutzen durch die Erkenntnisse zu den Steuerungsstrategien sowie durch das demonstratorische, simulationsbasierte Softwaretool zur Bestimmung des Durchsatzes und der zugehörigen Konfiguration.

Weltweit sind etwa 400 Mio. Euro-Paletten in Umlauf. Durch Umschlag und Transport werden die Ladungsträger abgenutzt und beschädigt, sodass ein Umlauf bis zu 4,96 € Wertverlust pro Palette bedeutet. Hierbei spielt auch eine entscheidende Rolle, ob Paletten bedarfsgerecht eingesetzt werden. Damit ist gemeint, dass je nach erforderlicher Qualitätsklasse auch eine entsprechende Palette genutzt wird. Auf diese Weise kann vorhersehbarer Wertverlust z. B. in Form von Verschmutzungen durch Baustoffe, die auf der Palette transportiert wurden, verhindert werden. Bedingt durch die großflächige Nutzung von Palettendienstleistern bzw. dem zeitversetzten Palettentausch gegen Scheine, tritt dieses Problem in den letzten Jahren besonders in den Vordergrund. Aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren und Abhängigkeit der Akteure im Palettentausch untereinander ist die Identifikation von Verbesserungspotentialen und darauf aufbauend eine aktive Gestaltung der Kooperationen in dieser Richtung insbesondere für KMU nur schwer möglich. An dieser Stelle setzt das Forschungsvorhaben SUPa – Simulationsbasierte Untersuchung im Palettentausch an. Mit Hilfe einer agenten-basierten Simulation werden die Auswirkungen spezifischer Rahmenbedingungen und des Verhaltens der beteiligten Akteure modelliert und quantifiziert. Hierfür werden zunächst relevante Szenarien identifiziert und den Ausprägungen der Einflussfaktoren (z. B. Verfügbarkeit von tauschbaren Leerpaletten der richtigen Qualitätsklasse, vorsortierte Paletten, Risiko des Wertverlusts durch Gütereigenschaften) jeweils Kosten zugeordnet. Durch Anpassung an die spezifischen Anforderungen eines Spediteurs kann dieser vor Angebotserstellung die zu erwartenden Kosten des Palettentauschs kalkulieren und entsprechend im Angebot berücksichtigen bzw. Kooperationsvereinbarungen treffen.

In Deutschland gibt es ca. 4500 professionelle Lohnunternehmer (LU), welche das Gros landwirtschaftlicher Logistikdienstleistungen übernehmen. Ihr Umsatz ist seit 2004 von 1,43 Mrd. € auf 2.25 Mrd. € in 2013 kontinuierlich gestiegen wächst weiter. Bei LU handelt es sich ausschließlich um kmU. Die gestiegene Komplexität bei der Beplanung ihrer Ressourcen, z.B. durch eine Zunahme der Auftragsvielfalt oder die gestiegene Volatilität in der Auftragslast und der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Verfahrensalternativen bringen LU an organisatorische Grenzen. Gleichzeitig erhöht sich das Potential als auch die Notwendigkeit der Optimierung bei der Projektierung landwirtschaftlicher Logistikdienstleistungen. Derzeit fehlt es an geeigneten Ansätzen um wesentliche Prozesse, Ressourcen und Partner optimal und aufwandsarm abzustimmen. Zielgerichtete, automatisierbare Konzepte reduzieren nicht nur spürbar Planungsaufwände sondern machen reproduzierbare Analysen bezüglich der Auswirkung von Änderungen (z.B. Zukauf neuer Maschinen, Terminverschiebungen) erst möglich. Definierte Zielfunktionen lassen schließlich eine Optimierung der Ressourcenzuteilung und Prozesskettenwahl zu - die Wirtschaftlichkeit der Dienstleister wird deutlich gesteigert. Anhand von Einflussfaktoren, Wirkzusammenhängen und Restriktionen wird ein generisches Modell zur Beschreibung von Ernte- und TUL-Prozessen in der Landwirtschaft angegeben. Davon ausgehend können Verfahrensalternativen bei der Auftragsbearbeitung automatisiert abgeleitet werden. Diese Alternativen sind wesentliche Eingangsgrößen für das ressourcenbeschränkte Optimierungsproblem, welches bei der Auftragsplanung zu lösen ist. Dieses Problem wird durch die Antragsteller formalisiert und damit berechenbar gemacht. Zur Ermittlung optimaler Auftragspläne wird ein Algorithmus angegeben und in einem Berechnungswerkzeug implementiert, so dass entsprechende Anwender (z.B. Mitglieder des PA) die Erkenntnisse aus dem Projekt produktiv nutzen können.

Die Bereitstellung digitaler Logistikmodelle zur Planung und Steuerung der Baustellenlogistik für die Vor-Ort-Montage von Großanlagen durch KMU ist für eine effiziente Projektdurchführung zwingend erforderlich, findet aber bisher nur bedingt statt. Gründe sind fehlende informationstechnische Unterstützung und hoher manueller Aufwand zur Erstellung der digitalen Logistikmodelle. Ziel des Vorhabens ist daher, die Logistikplanung und -steuerung auf der Baustelle mittels digitaler Methoden unter Berücksichtigung projektspezifischer Randbedingungen für den durch KMU geprägten Anlagenbau zu unterstützen. Dadurch können den ausführenden KMU neuartige Hilfsmittel zur effizienten Baustellenorganisation an die Hand gegeben werden, um einen effizienten und qualitativ hochwertigen Bau der Anlage vor Ort sicherzustellen. Vorhandende Modelle auf Basis von Building Information Modeling (BIM) sind so aufzubereiten, dass diese zur Planung der logistischen Prozesse verwendet werden können. Die Herausforderung besteht darin, die BIM-Modelle um Logistikbeschreibungen zu erweitern und unter den jeweiligen Umgebungsbedingungen in konkrete Logistikmodelle zu überführen. Die geplanten Ergebnisse umfassen Konzepte zur Formalisierung von produktindividuellen Logistikanforderungen auf Basis projektspezifischer Randbedingungen, Methoden zur semi-automatischen Generierung von Logistikmodellen für die Analyse und Planung der Baustellenlogistik sowie Visualisierungs- und Adaptionskonzepte zur Verwendung und Steuerung auf der Baustelle. Die entwickelten Methoden werden anhand eines Demonstrators evaluiert und mit dem Projektbegleitenden Ausschuss diskutiert. Die Innovation liegt in für KMU einsetzbaren digitalen projekt- und produktspezifischen Logistikmodellen für den Anlagenbau, so dass die KMU durch hohe Qualität, effiziente Prozesse und bestmögliche Zusammenarbeit aller Akteure auf der Baustelle ihre Wettbewerbsfähigkeit stärken können.

City Crowd Logistics (CCL) ist eine innovative Idee für den ressourcenschonenden Transport im städtischen Umfeld. Dabei arbeiten zahlreiche Individuen (z.B. Pendler) – die Crowd - und professionelle Transportdienstleister (insbesondere auch KMUs wie z.B. lokale Fahrradkuriere) übergreifend zusammen, um die urbanen Transporte unter Nutzung verschiedener Verkehrsträger - S-Bahn, Tram, Bus, LKW, PKW, (elektro) Scooter, (elektro) Fahrrad und Fußweg - kooperativ durchzuführen. Nachdem allererste regionale Versuchsprojekte in Europa dazu insbesondere mit den Themen Lieferzuverlässigkeit, Kosten-Ertragsverhältnis und Kooperationspartnerschaften zu kämpfen hatten (vgl. Bringbee CH, myWays S), nimmt diese neue Art der Logistik weltweit derzeit deutlich an Fahrt auf. (vgl. z.B. UberCARGO).Diese Entwicklung ist vermutlich nicht aufzuhalten. Sie bietet für transportierende KMU sowohl Gefahren (z.B. Billigkonkurrenz) als auch Chancen (z.B. für neue Geschäftsmodelle oder in der Reduktion von Leerfahrten / Wartezeiten). Entscheiden dabei ist, wie effizient und zu welchen Kosten die Transportdienstleistung durch die Crowd erbracht werden kann, welche Technologien (z.B. Optimierungsverfahren, ICT-Systeme, automatisierte Warenübergabeeinrichtungen) dafür genutzt werden und zu welchen Kosten und bei welchen Erträgen die Einbindung professioneller Dienstleister zusätzlich zur Crowd möglich oder sogar notwendig ist. Die Untersuchung dieser Fragen ist Ziel des Forschungsprojekts CCL, das insbesondere KMU (sowohl Transportdienstleistern als auch Technologielieferanten) helfen soll, neue Chancen gewinnbringend zu nutzen, potentielle Gefahren rechtzeitig zu erkennen und sich technische Innovationen im CCL-Kontext effizient zu erschließen, um so insbesondere im Wettbewerb mit den großen Anbietern mittel- & langfristig bestehen zu können. Dafür werden im Projekt verschiedene Strukturen, Technologien, Planungsverfahren und Geschäftsmodellvarianten im CCL-Business analysiert und bewertet

Die Güte eines Fabrikplanungsprojekts wird maßgeblich durch die Layoutplanung bestimmt, da das Layout den marktgerechten Produktionsbetrieb und Unternehmenserfolg erheblich beeinflusset. Zur Planung von Fabriklayouts existieren verschiedene Herangehensweisen. Bei der manuellen Planung wird durch Experten ein Layout auf Basis vorab definierter Zielstellungen manuell geplant. Dies ist aufwändig, die Ergebnisse sind oft subjektiv und die Lösungsqualität hängt stark von der Erfahrung und der Methodenkompetenz der Planer ab. Alternativ können Methoden des Operations-Research (OR) genutzt werden, welche unter gegebenen Rahmenbedingungen das bestmögliche Fabriklayout berechnen, wobei dies allerdings bezüglich einer stark eingeschränkten Zielstellung erfolgt. Das hier beschriebene Vorhaben strebt an, die Vorteile beider Verfahren zu vereinen. Das zugrunde liegende Forschungsziel ist die Entwicklung einer Methode zur automatisierten mehrdimensionalen, quantitativen Fabrikplanung auf Basis von Elementarzellen. Dieses Ziel lässt sich unterteilen in die Formulierung eines Optimierungsmodells zur mehrdimensionalen Fabrikplanung auf Basis von Elementarzellen, der anschließenden Entwicklung und Umsetzung eines geeigneten Lösungsverfahrens und der Implementierung in einem Software Demonstrator sowie die abschließende Validierung. Eine mehrdimensionale Optimierung des Layouts realisiert einen großen Nutzen und damit eine Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit für KMU. Konkret entsteht ein Effizienzgewinn bezüglich der Qualität der Planungsergebnisse und der hierzu erforderlichen Kosten und Zeit, wovon insbesondere KMU aufgrund ihrer oftmals unzureichenden Methodenkompetenz im Bereich Fabrikplanung profitieren. Kurzfristig können hierdurch Planungskosten der beteiligten internen Personen oder externen Berater reduziert werden. Mittel- und langfristig ist zudem durch die verbesserten Planungsergebnisse eine Reduzierung von nachträglichen Änderungs- und Betriebskosten zu erwarten.