Assistenzsysteme als Brücke zur „autonomen Walze“
Assistenzsysteme halten zunehmend Einzug in die Baumaschinen – und in der Verdichtungstechnik gehört die HAMM AG zu den Unternehmen, die neue Technologien früh einsetzen. Aktuell setzt HAMM einen Schwerpunkt auf das Zukunftsprojekt „autonome Walzen“. Was heute noch auf abgegrenzten Testarealen stattfindet, soll langfristig Qualität und Wirtschaftlichkeit der Verdichtung steigern. Bis Walzen vollständig autonom fahren und verdichten, wird es nach Einschätzung des Unternehmens allerdings noch viele Jahre dauern.
Die Richtung ist klar: Aus Analysen und Versuchen leitet HAMM ab, dass autonom fahrende Walzen Verdichtungsqualität und Effizienz spürbar verbessern können. Damit knüpft das Unternehmen an Entwicklungen aus dem Pkw- und Lkw-Bereich an, in dem Assistenzfunktionen wie GNSS-Navigation, Tempomat, Abstandshalter, Spurassistenz oder Einparkhilfen in vielen Ländern längst zum Standard bei Neufahrzeugen gehören.
"Diese Entwicklung wird vor den Baumaschinen keinen Halt machen. Dabei werden Walzen für die Asphalt- und Erdverdichtung zu den ersten Geräten gehören, in denen sich solche Systeme großflächig durchsetzen. Der Grund: Sie ähneln dem Auto in mehr Aspekten als viele andere Maschinentypen. Genau deshalb befassen wir uns bei HAMM schon länger mit diesem Thema", erklärt Dr. Stefan Klumpp, Vorstand Technik der HAMM AG.
Vorreiterrolle und Dialog mit Kunden
HAMM sieht sich beim Thema autonome Walze als Vorreiter und berichtet von einem fortlaufenden Austausch mit Kunden. Hintergrund ist die Optimierung von Bauprozessen bei eingeschränkter Verfügbarkeit von Fachpersonal und dem Anspruch an qualitativ hochwertigen, effizienten und ressourcensparenden Maschineneinsatz.
„Derzeit kennen wir kein anderes Unternehmen in unserer Branche, das eine autonom fahrende Walze hat. Durch unsere Untersuchungen wissen wir, dass unsere Kunden mit solchen Walzen die Verdichtungsqualität und die Wirtschaftlichkeit steigern können. Wir erleben, dass sich auch andere, in ihrem Sektor führende Unternehmen, bereits mit den Chancen und Auswirkungen der 'autonomen Baustelle' auseinandersetzen. So stehen wir mit einigen Kunden bereits seit geraumer Zeit im Dialog zu diesem Thema. Ziel ist die weitere Optimierung der Bauprozesse vor dem Hintergrund eingeschränkter Verfügbarkeit von Fachpersonal einerseits und qualitativ hochwertigem, hocheffizientem und Ressourcen sparendem Maschineneinsatz andererseits."
Designstudie: Walze ohne Fahrerstand, mit mehr Sensorik
Wie eine autonome Walze aussehen könnte, hat die Entwicklung bereits in Studien bewertet. Eine fahrerlose Walze benötigt keinen Fahrerstand, dafür aber deutlich mehr Sensoren – sowohl zur Erfassung von Verdichtungsparametern als auch zur Umfeldüberwachung. Das eröffnet neue konstruktive Spielräume, etwa für größere Bandagendurchmesser, einen größeren Wassertank oder Bauraum für Akkus einer elektrisch angetriebenen Walze.
"Wir haben technische, konstruktive und wirtschaftliche Aspekte betrachtet und in verschiedenen Studien bewertet. Das Ergebnis: eine Walze ohne Fahrer benötigt keinen Fahrerstand, aber deutlich mehr Sensoren, die neben den Verdichtungsparametern auch das Umfeld der Walze überwachen. Wir haben diese Anforderungen verknüpft und sehen eine Menge neuer, konstruktiver Möglichkeiten. So könnten wir autonome Walzen mit deutlich größeren Bandagendurchmessern, größerem Wassertank und Platz für Akkus einer elektrisch angetriebenen Walze bauen. Das bringt Vorteile bei der Qualität, der Umweltfreundlichkeit und der Effizienz."
In Zusammenarbeit mit Industriedesignern entstand ein Konzept samt Designstudie. Hervorgehoben wird dabei eine Bandage einer 9-t-Maschine mit knapp zwei Metern Durchmesser, bei gleichzeitig geringerer Gesamtmaschinenhöhe als bei heutigen Maschinen mit Kabine oder Dach.
Assistenzsysteme heute: HCQ Navigator und automatisierte Fahrfunktionen
Bis autonome Walzen in der Praxis arbeiten, nutzt HAMM bereits zahlreiche Assistenzsysteme. Der HCQ Navigator zeigt auf Basis von GNSS-Daten in Echtzeit, wo und wie oft beziehungsweise wie stark verdichtet wurde. Weitere Funktionen wie automatisches Reversieren, Tempomat sowie Sicherheitsfeatures wie Rückfahrkameras entlasten den Fahrer und steigern die Verdichtungsqualität. An weiteren Lösungen wie Spurassistent, zusätzlichen Lenkhilfen und der Weiterentwicklung des HCQ Navigators arbeitet das Unternehmen nach eigener Darstellung bereits.
Technische Hürde: Sensorik, Datenfusion und Verdichtungsstrategie
Für vollständig autonomes Verdichten sind deutlich mehr Sensoren und eine intelligentere Software nötig als bei heutigen Walzen. Erfasst werden müssen unter anderem Position, Fahrtrichtung, Abstände zu Objekten, Materialparameter der Fläche wie Temperatur und Steifigkeit sowie Wetterinformationen wie Wind oder Abkühlgeschwindigkeit. Diese Daten sind mit Vorgaben zur Fläche, zum Walzschema und zur Zielverdichtung abzugleichen. Zusätzlich muss die Verdichtungsstrategie abgebildet werden – inklusive Einlenken vor dem Reversieren, Kantenbearbeitung, Fahrgeschwindigkeit und Einsatz der Erregersysteme.
Praxis in Tirschenreuth: 10.000 Stunden autonomer Testbetrieb
Konkrete Entwicklungsarbeit findet seit 2014 auf einer Dauerteststrecke im Werk in Tirschenreuth statt. Dort laufen Prototypen unter reproduzierbaren Bedingungen über Wochen Tag und Nacht im autonomen Testbetrieb – ohne Fahrer. Die Maschine absolviert ein festgelegtes Programm, fährt selbstständig zum Tanken und stellt sich nach Ende der Tests eigenständig ab. Für die Kollisionsvermeidung wurde eine umfangreiche Umfeldüberwachung installiert.
"Wir haben auf dieser Teststrecke mittlerweile über 10.000 Betriebsstunden gefahren und dabei einiges über das autonome Fahren gelernt", erklärt Dipl.-Ing. Hans-Peter Patzner, der die Steuerung dieser Anlage mit entwickelt hat.
Als nächster Schritt entsteht eine zweite Teststrecke, damit künftig zwei Walzen zeitgleich fahren können. Dafür wurde eine Kollisionsüberwachung erarbeitet.
"Dafür haben wir eine Kollisionsüberwachung erarbeitet – ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung autonomes Fahren", berichtet der Automatisierungs-Fachmann.
„Schattenwalze“: automatisiert hinter dem Fertiger
In einem weiteren Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Hochschule Osnabrück eine Walze umgerüstet, die automatisiert hinter einem simulierten Straßenfertiger fährt. Das Konzept zielt darauf, Potenziale durch Automatisierung im Verdichtungsprozess zu heben: Einhaltung von Geschwindigkeitsfenstern und Spuren, gezieltes Abbremsen zur Vermeidung von Überverdichtung sowie ein präziser Wechsel der Walzbahn, um Verdrückungen zu verhindern. HAMM sieht hier Effizienzgewinne, insbesondere bei flottenübergreifender Anwendung.
"Denkt man den Ansatz dieser 'Schattenwalze' weiter, können wir viele Potenziale durch die Automatisierung des Verdichtungsprozesses heben. So wird durch die Einhaltung von Geschwindigkeitsfenstern und Spuren die Qualität steigen. Durch ein gezieltes Abbremsen der Walze kann man Überschreitungen der Walzfelder und damit die Überverdichtung vermeiden. Nicht zuletzt kann ein sehr präziser Wechsel der Walzbahn Verdrückungen verhindern. Dabei führen all diese Systeme automatisch zu mehr Effizienz – insbesondere, wenn solche Konzepte flottenübergreifend angewendet werden."
Rechtliche Fragen und Bauprozess: Standardisierung als Voraussetzung
Neben der Technik sieht HAMM rechtliche und organisatorische Fragen als Voraussetzung für die „autonome Baustelle“. Diskutiert werden müssen Haftungsfragen sowie die Auslegung der Steuerung in Zweifelsfällen. Zudem geht das Unternehmen davon aus, dass sich Bauprozesse verändern müssen, etwa durch größere Baulose und mehr Standardisierung im Straßenbau. Als Vergleich nennt HAMM autonomes Arbeiten im Mining, wo in abgeschlossenen und stark standardisierten Systemen bereits heute fahrerlose Dumper eingesetzt werden.
"Wir denken, dass Straßen aus Asphalt und Beton auch noch in 50 Jahren benötigt und gebaut werden. Um den Schritt hin zu autonom fahrenden Maschinen zu gehen, müssen sich allerdings das Umfeld und damit die Bauprozesse ändern. Im Straßenbau sind die Abläufe im Vergleich dazu sehr viel unbestimmter und weniger stark strukturierbar. Jede Baustelle ist ein bisschen anders. Dabei gibt es viel mehr Kontakt zur Umgebung (und damit mehr Gefährdungspotenzial), und das Nutzerverhalten ist nicht einheitlich. Damit wir die Potenziale durch Automatisierung weiter heben können, müssten zum Beispiel größere Baulose und mehr Standardisierung im Straßenbau Einzug halten. Das wiederum erfordert auch eine Änderung im Denken bei den Planern und den ausführenden Unternehmen."
Berufsbild im Wandel: vom Fahrer zum „Walzenmanager“
HAMM erwartet, dass sich das Berufsbild des Walzenfahrers langfristig verändert. Zunächst sollen Assistenzsysteme die Fahrer schrittweise entlasten. Mit weitergehender Automatisierung, etwa durch Schattenwalzen oder weitgehend ferngesteuerte Walzen, verlagert sich die Aufgabe in Richtung Parametrierung und Überwachung einer Maschinenflotte – potenziell auch aus dem Büro heraus.
Roadmap: Schritt für Schritt zum autonomen Verdichten
HAMM beschreibt eine Roadmap, die aus der formulierten Vision einzelne Projekte ableitet, die sukzessive zum autonomen Verdichten führen sollen. Der Zeithorizont wird in Jahrzehnten gesehen.
"Wir haben unsere Vision formuliert. Daraus ergeben sich nun einzelne Projekte, die Stück für Stück zum autonomen Verdichten führen werden. Vielleicht klingt unser Fernziel für manchen noch wie Science Fiction. Aber in 20 bis 30 Jahren werden viele Aspekte davon bereits Wirklichkeit oder Alltag sein. Letztendlich wird der Straßenbau der Zukunft mit Hilfe unserer Entwicklungen noch wirtschaftlicher, effizienter und besser werden."