Grenzen überschreiten: Die Bauindustrie fördert neue Wege zur autonomen Entwicklung

Von entscheidender Bedeutung für die halb- oder vollständig autonome Baustelle ist die Entwicklung eines vollständig vernetzten 3D-Ökosystems mit IoT-Verbindungen, das sich in Echtzeit an veränderte Bedingungen anpasst. Fotos mit freundlicher Genehmigung von Topcon Positioning und Trimble.

Arbeit, Maschinen und Materialien – die drei entscheidenden Elemente jeder Infrastrukturbaumaßnahme – haben begonnen, sich auf eine Weise neu auszurichten, die die Art und Weise, wie Infrastruktur gebaut und wahrscheinlich betrieben wird, für immer verändern wird.

Auch wenn einige skeptisch sein mögen, wird die Zukunft autonomer Fahrzeuge wahrscheinlich zumindest teilweise auf den Lehren beruhen, die beim physischen Bau von Straßen, Brücken, Verkehrssystemen und anderer Infrastruktur gewonnen wurden.

Autonome Maschinen arbeiten bereits koordiniert am Bau von Staudämmen und großflächigen Landentwicklungen wie Solar- und Windstandorten. Synchronisierte selbstfahrende Lkw sind an vielen Bergbaustandorten auf der ganzen Welt die Norm. Während es bei Straßen-, Schienen- und Brückenprojekten weniger Beispiele gibt, binden Roboter Bewehrungsstäbe für neue Brückendecks, führen Baustelleninspektionen in der Luft und am Boden durch und werden Transportunternehmen bald in die Lage versetzen, Schlaglöcher autonom zu reparieren. In vielerlei Hinsicht ist der Bausektor zu einem Testgelände für autonome Weiterentwicklung geworden – und Investoren nehmen dies zur Kenntnis.

Der ResearchAndMarkets.com-Bericht „Global Autonomous Construction Equipment Market Opportunities and Strategies to 2030: COVID-19 Growth and Change“ stellte fest, dass der globale Markt für autonome Baumaschinen im Jahr 2020 etwa 8,45 Milliarden US-Dollar betrug, was einem stetigen, aber bescheidenen Anstieg von 3,4 % seither entspricht 2015. Es wird erwartet, dass sich diese Investitionen bis 2025 auf 16,89 Milliarden US-Dollar verdoppeln, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 14,9 % entspricht, und bis 2030 um ein weiteres Drittel auf 26,16 Milliarden US-Dollar steigen.

Abgesehen von den Investitionssummen gehen die Autoren des Berichts davon aus, dass das Segment der vollständig autonomen Baumaschinen mit 49,1 % im Zeitraum 2020–2025 das am schnellsten wachsende Teil des autonomen Puzzles sein wird. Das ist eine große Veränderung, wenn man bedenkt, dass der Markt für teil-/halbautonome Fahrzeuge im Jahr 2020 97 % des Gesamtmarktes ausmachte. Ein Vorbehalt gegenüber dem prognostizierten Wachstum besteht darin, dass ein Großteil der autonomen Einheiten voraussichtlich in der Erdbewegung und im Materialtransport für den Hochbau angesiedelt sein wird Markt – kein tatsächlicher Straßenbau.

Fortschritte bei halb- und vollständig autonomen Baggern, Planierraupen, Walzen, Bodenverdichtern, Kompaktladern und anderen Maschinen durch Technologieinnovatoren und OEMs könnten diese Vorhersagen jedoch ändern. Thomas Hansen, Senior Director OEM Development bei der Topcon Positioning Group, bemerkte: „Diejenigen außerhalb des Bausektors könnten überrascht sein, wie weit wir sind und wie schnell sich unsere Vision für den autonomen Weg in die Zukunft kristallisiert.“

Fortschritte bei der Maschinensteuerung, einschließlich der automatischen Lenkung, sind notwendige Meilensteine ​​für echte autonome Funktionalität.

Ähnlich wie selbstfahrende Autos sind halb- oder vollautonome Baumaschinen auf eine Kombination aus Kameras und Sensoren angewiesen. Daten von LiDAR, Kameras, GNSS, Vibrations- und Temperatursensoren usw. sorgen zusammen für eine optimale Wahrnehmung und zuverlässige Umgebungskartierung, die für autonome Lösungen von entscheidender Bedeutung sind.

„Wir erleben eine große Konvergenz von Schlüsseltechnologien, die es der Branche ermöglichen, sowohl Maschinen zu automatisieren als auch die Standortverwaltung/Maschinenarbeitsgruppen zu optimieren“, sagte Finlay Wood, Geschäftsbereichsleiter Autonomous Solutions bei Trimble. „Es gibt keinen einzelnen Entwicklungsbereich, der dafür verantwortlich ist; vielmehr eine Reifung in mehreren Bereichen, darunter Kommunikation, fortschrittliche Wahrnehmungslösungen, Edge Computing, Maschinensteuerungslösungen, Site-Management-Software und viele mehr.“

Beispielsweise ist die Maschinensteuerung ein klarer Schritt in Richtung echter autonomer Funktionalität. Lösungen wie der Autos-Modus von Trimble sind in die Neigungskontrollsoftware Earthworks integriert. Bei Autos an einem Bagger steuert die Maschine den Ausleger und die Schaufel so, dass sie auf dem Niveau bleiben, während der Bediener den Steuerknüppel steuert. Kürzlich hat das Unternehmen die horizontale Lenksteuerung für Bodenverdichter hinzugefügt, was angeblich ein Novum in der Branche ist. Die Trimble Earthworks Horizontal Steering Control steuert einen Bodenverdichter automatisch anhand eines 3D-Modells oder einer Verdichtungslinie.

Built Robotics, ein Startup für Fahrzeugautomatisierung aus San Francisco, das herstellerunabhängige Systeme entwickelt, hat nach Angaben des Unternehmens im Jahr 2019 die erste kommerzielle autonome Baumaschine in den USA – das Exosystem – eingeführt. Das auf Baggern installierte Exosystem ermöglicht den autonomen Betrieb großer Maschinen. Mit einem Hochleistungscomputer, IMUs, GNSS, Radar und 360-Grad-Kameras ist die Lösung darauf ausgelegt, bei verschiedenen Bodenbedingungen und gewünschten Tiefen völlig autonom zu graben. Mortenson, einer der 20 größten Bauunternehmer, Entwickler und Ingenieurdienstleister des Landes, hat das Exosystem bei Erdbewegungsprojekten im Bereich saubere Energie für Wind- und Solarparks eingesetzt. Und nicht nur die Auftragnehmer erkennen den Wert. Die International Union of Operating Engineers hat sich mit Built Robotics zusammengetan, um in ihrem Werk in Crosby, Texas, mit der Schulung ihrer Mitglieder in den Fähigkeiten der nächsten Generation zu beginnen, die für den Betrieb von Robotern erforderlich sind.

Hyundai Doosan Infracore, eine Tochtergesellschaft der Hyundai Heavy Industries Group, einem führenden Hersteller von Schwermaschinen, baut auch seine Maschinenführungs- und Maschinensteuerungsfähigkeiten aus.

Konkret konzentriert sich das Concept-X-Projekt des Unternehmens, das auf dem Boryeong Proving Grounds in Südkorea läuft, auf die Kommerzialisierung der Entwicklung schrittweiser Elementtechnologien wie Maschinenführung und Maschinensteuerung für Maschinen wie Bagger und Planierraupen wurden bereits veröffentlicht.

„Im Jahr 2022 entwickeln und veröffentlichen wir die Maschinenführungs- und Maschinensteuerungstechnologien für unsere Bagger, Planierraupen und Radlader“, sagte Todd Roecker, Direktor für Wachstumsinitiativen bei Hyundai Doosan Infracore North America.

Aber das ist erst der Anfang. In Zusammenarbeit mit Experten der Seoul National University, der Yonsei University und der Hanyang University konzentriert sich das Doosan-Team auf eine digitale Bauplattform für intelligentes Bauen und Automatisierung – die XiteCloud-Plattform. Die XiteCloud vereint Informations-, Kommunikations- und KI-Technologien und wird eine Grundlage für Autonomie bilden.

„Wir bereiten uns auf die Erprobung der autonomen Baulösungen in realen Feldanwendungen mit unseren koreanischen Bauunternehmenspartnern vor“, fügte Roecker hinzu. Und Doosan ist nicht der Einzige, der sich auf eine intelligente Plattform konzentriert, um zukünftige Innovationen im Bauwesen voranzutreiben.

Ein grundlegendes Element aller jüngsten Fortschritte und eines echten Schritts zur Autonomie ist ein 3D-Datenökosystem.

Erol Ahmed, Kommunikationsdirektor von Built Robotics, sagte: „Daten sind der Elefant im Raum für jede Form autonomer Operationen.“ Das und die Interoperabilität werden diesen Maschinen ihre Leistungsfähigkeit verleihen.“

Hansen von Topcon stimmt dem zu und fügt hinzu: „3D ist die Grundlage, die die nächste Stufe der Autonomie im Bauwesen ermöglichen wird.“ Alles an der Maschine, alle zusammenarbeitenden Sensoren werden in diesem Modell dargestellt. Es ist unerlässlich, dass wir als Branche eine stabil wachsende und interoperable Plattform aufbauen, die die Integration aller aktuellen und zukünftigen Produktdaten ermöglicht.“

Es gibt noch viel zu tun. „Die Maschinen müssen sich der Umgebung bewusst sein, und die Umwelt muss sich der Maschinen bewusst sein“, sagte Jason Hallett, CEO von Digital Construction Works (DCW), einem Technologieintegrator. „Im Moment ist das bei den meisten Systemen nicht der Fall.“

Selbst Maschinen mit modernster Technologie wissen dank Sensoren und GNSS nur, wo sie sich befinden und bis zu einem gewissen Grad auch über die Dinge um sie herum.

„Sie sind nicht in der Lage, sich an veränderte Bedingungen anzupassen“, fuhr Hallett fort. „Im Gegensatz zu autonomen Autos, die auf einer kartierten Straße unterwegs sind, verändert sich eine Baustelle ständig und kann innerhalb weniger Tage völlig anders aussehen.“

Beispielsweise optimiert die vom Unternehmen entwickelte DCW 4D-Massentransport-Erdbaulösung Erdbewegungsvorgänge mit integrierten Bauplanungsabläufen, einschließlich 4D-Erdbau-Projektplanung, Simulation, Massentransportplänen und -mengen. Die Lösung funktioniert dank einer Integration mit Bentleys Synchro, einer 4D-Softwareplattform, die virtuell und visuell Planung, Terminierung und Steuerung mit den MAGNET Project- und Sitelink3D-Technologien von Topcon ermöglicht, die das Wiegen und Transportieren von Baustellenmaterial planen und verfolgen.

„Die Idee besteht darin, Pläne für Massentransporte mit dem Geschehen am Arbeitsplatz zu synchronisieren, um eine Massentransportaktualisierung nahezu in Echtzeit bereitzustellen“, sagte Hallett. „Durch die Synchronisierung von Ein- und Ausgängen können die Besatzungen fundiertere und zeitnahere Entscheidungen in Bezug auf Zeitplan und Ressourcen treffen.“

Es ist dieser Projekt- und Standortfokus, der auch Trimbles Fortschritte im 3D-Ökosystem vorantreibt. „Es reicht nicht aus, einen fantastischen Roboter bei der Arbeit zu haben, wenn man nicht aus der Ferne den Arbeitsauftrag erstellen und dann sicherstellen kann, dass die Maschine die Aufgabe optimal ausführt, und dann relevante Daten an die Site-Management-Lösung zurückgeben kann.“ “, sagte Wood. „Wir müssen in der Lage sein, Echtzeitdaten in Echtzeitinformationen umzuwandeln, um die Arbeitsgruppen von Maschinen und Standort zu optimieren und zu koordinieren – was weit über Punktlösungen hinausgeht.“

Eine Möglichkeit, dies wahrscheinlich zu erreichen, sind Partnerschaften wie eine Trimble-VayaVision-Allianz, um die intelligente Automatisierung noch intelligenter zu machen. Die Idee besteht darin, Auftragnehmern beispielsweise dabei zu helfen, Automatisierungsbemühungen von Fahrerassistenzfunktionen bis hin zu vollständig autonomen Lösungen zu skalieren und die menschliche Kontrolle zu erweitern oder zu ersetzen, um durch Wegoptimierung, Hindernisvermeidung und Situationsbewusstsein eine sicherere Arbeitsumgebung zu schaffen.

„Wir glauben, dass eine robuste 3D-Umgebung die Pfadplanung und autonome Systeme sowohl im Gelände als auch auf der Straße vorantreiben wird“, fuhr Wood fort.

Die Tatsache, dass ein 3D-Ökosystem noch nicht vollständig entwickelt ist, hat OEMs, Technologieentwickler und Auftragnehmer jedoch nicht davon abgehalten, die Autonomie voranzutreiben. Einer der notwendigen Weiterentwicklungsbereiche ist die Fähigkeit mehrerer Maschinen, zusammenarbeiten zu können.

Wie Ahmed bestätigte: „So sehr eine Maschine große Effizienz und Produktivität bieten kann, umfasst ein Bauprojekt verschiedene OEMs, Gerätealter, Auftragnehmer usw. Die Flottenkommunikation ist für das Bauökosystem und die Zukunft der Autonomie von entscheidender Bedeutung.“

Eine der sichtbarsten Demonstrationen einer autonomen Flottenlösung im Straßenbau wurde in Asien vorgestellt: die autonome Straßenwalze des chinesischen Baumaschinenherstellers XCMG, die zusammen mit der Sichuan Railway Investment Group und der Tsinghua-Universität entwickelt wurde. Laut XCMG ist die Straßenwalze in der Lage, unter schwierigen Bedingungen mit einer Genauigkeit von 2-3 Zentimetern autonom zu arbeiten. Die Straßenwalze verfügt über verschiedene integrierte Sicherheitsfunktionen, darunter ein Echtzeit-Überwachungssystem, das Warnungen ertönen lassen, einen Notstopp einleiten, Standorte automatisch betreten und verlassen und Hindernissen ausweichen kann.

Ende 2021 demonstrierten XCMG und seine Partner auf dem mehr als 48 Kilometer langen, vierspurigen Zhengzhou-Xixia Express, was ihrer Meinung nach die weltweit größte unbemannte Clusterpflasterung und intelligente Wartungsbaumaßnahme sein könnte. Für das Projekt nutzten zehn fahrerlose XCMG-Doppelstahlradwalzen und zwei XCMG-Fertiger mit großer Breite hochpräzise BeiDou-Positionierung, Trägheitsnavigation, Hinderniserkennung und mehrere Sicherheitssysteme, um die Straße auch bei extremen Wetterbedingungen und in besonderem Gelände zu pflastern. Das autonome Flottennetzwerk umfasste KI und 5G sowie eine Reihe von Sensoren für Sicherheit und Visualisierung. Zukünftig wird sich die Partnerschaft auf die Forschung und Entwicklung sowie die Umsetzung intelligenter Entwicklungsstrategien für den Transport konzentrieren.

Die digitale Bauplattform Concept-X von Hyundai Doosan Infracore für intelligentes Bauen soll dieses Jahr in der Praxis zum Einsatz kommen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Hyundai Doosan Infracore.

Im Rahmen der autonomen Vision für das Bauwesen haben Hersteller eine Reihe innovativer Programme initiiert, die die Branche in den letzten Jahren vorangebracht haben.

Für viele liegt der autonome Fokus immer noch weitgehend auf Grünflächen oder geschlossenen Umgebungen wie Minengeländen. Beispielsweise arbeitete Honda mit Black & Veatch zusammen, einem globalen Engineering-, Beschaffungs-, Beratungs- und Bauunternehmen, das auf Infrastrukturentwicklung spezialisiert ist, um den Prototyp des Honda Autonomous Work Vehicle (AWV) bei einem großen Black & Veatch-Solarenergiebauprojekt in zu testen New Mexico letztes Jahr. Zu den Aufgaben gehörten Abschlepparbeiten sowie der Transport von Baumaterialien, Wasser und anderen Hilfsgütern zu festgelegten Zielorten auf der Baustelle.

Volvo Construction Equipment stellte den Volvo LX03, einen autonomen Konzept-Radlader, und den autonomen, selbstnivellierenden Asphaltverdichter-Prototyp CX01 vor. Insbesondere der Kompaktor ist ferngesteuert oder völlig autonom bedienbar. Der Radlader ist besonders einzigartig, da er das erste reale Beispiel eines selbstlernenden Radladers ist, der darauf ausgelegt ist, Entscheidungen zu treffen, Aufgaben auszuführen und mit Menschen zu interagieren. Auch wenn der LX03 nicht im Handel erhältlich ist, erwarten Ingenieure, dass wertvolle Erkenntnisse aus dem LX03 in Anwendungen für heute und morgen einfließen werden.

Anfang dieses Jahres hat sich Bell Trucks America mit Sitz in Houston mit Pronto AI aus San Francisco zusammengetan, um den angeblich ersten kommerziell erhältlichen selbstfahrenden knickgelenkten Muldenkipper im Gelände mit Level 4-Autonomie der Society of Automotive Engineers (SAE) zu entwickeln Fähigkeit, in den allermeisten Situationen ohne menschliches Eingreifen zu handeln).

Die Lösung kombiniert die Plug-and-Play-KI-Hardware und -Software von Pronto mit der autonomen Plattform von Bell. Obwohl die Technologie bisher nur an Minenstandorten getestet wurde, ist sie für die sichere Navigation in unvorhersehbaren, stark befahrenen Autobahnumgebungen konzipiert. Kurzfristig wird die selbstfahrende Lösung bei weniger überlasteten und vorhersehbareren Offroad-Einsätzen getestet, um alle wichtigen Sicherheitsmaßnahmen und betriebliche Wirksamkeit sicherzustellen.

Auch der japanische Baumaschinenhersteller Komatsu hat Bulldozer mit autonomer Schildsteuerung auf den Markt gebracht. Laut Komatsu sammelt das System Daten an den Schienen (anstelle der üblicheren Erfassung am Schild) und liefert so in Echtzeit ein 3D-Bild des Bodens um die Maschine herum – ein potenziell entscheidendes Unterscheidungsmerkmal für autonome Lösungen.

Auch Unternehmer stürzen sich in den Bausektor. Ein Beispiel ist das im Silicon Valley ansässige Unternehmen SafeAI, ein Technologieinnovator, der Lastkraftwagen, Bulldozer und Lader mit KI-gestützten Lösungen so umrüstet, dass sie autonom arbeiten. Führungskräfte von SafeAI sagen, dass sie bereits kleine, reale Tests für Kompaktlader entwickelt haben.

Built Robotics hat das Exosystem entwickelt und eingesetzt, ein autonomes Betriebssystem für Baggergräben an Solar- und Windstandorten in den USA.

Die Zukunft der Autonomie im Bauwesen ist rosig.

„Ich glaube, dass wir als Branche auf dem richtigen Weg sind, das bestmögliche 3D-Ökosystem aufzubauen, aber es müssen noch einige andere Dinge passieren“, sagte Hansen. „Wir müssen die Kosten für Sensoren senken, damit die Investition für die Bauindustrie sinnvoll ist. Darüber hinaus wird es einige regulatorische Anpassungen, eine gewisse Klarheit bei den Versicherungsbedingungen und natürlich einen weiteren Fokus auf Cybersicherheit geben. Aber die Technologie kommt.“

Ahmed beschreibt das sich verändernde Umfeld: „Wir befinden uns in einer neuen Ära der Integration, einer praktischen Phase der Fortschritte in der Robotik, in der Technologieanbieter, OEMs und Branchenexperten zusammenarbeiten, um wirklich interoperable Lösungen zu liefern.“ Tatsächlich ist das Bauwesen zu einem der heißesten Bereiche für die Weiterentwicklung sowohl der Robotik als auch des Übergangs zur Autonomie geworden. Sogar kleine und mittlere Auftragnehmer kommen zu uns und fragen nach Lösungen.“

Als Beispiele für Akzeptanz und Vertrauen in der Branche verwies er auf Drohnen zum Bewehrungsbinden und robotergestützte Brückeninspektionssysteme. „Die Frage ist nicht mehr, was Robotik ist, sondern: ‚Wie bekomme ich sie?‘ Es wird zu einem weiteren Werkzeug im Werkzeugkasten – und das Exosystem ist ein großer Fortschritt, der den Baustellen mehr Autonomie verleiht und so beim Aufbau und der Reparatur unserer Welt des 21. Jahrhunderts hilft“, sagte er.

Roecker von Doosan sagte, seine Organisation werde in den Jahren 2023 bis 2025 durch öffentliche Demonstrationen und Kommerzialisierung große Fortschritte erzielen. „Im Hinblick auf autonome Lösungen arbeiten wir mit Baupartnern zusammen, um autonome Lösungen bis 2025 weltweit zu kommerzialisieren.“

Hansen von Topcon kam zu dem Schluss: „Das Blatt wendet sich. Vor fünf Jahren fragten Baufachleute noch nach GNSS. Das ist nicht mehr der Fall. Jetzt erkennen Bauunternehmer jeder Größe, vom Landschaftsgärtner bis zum Erdbewegungsunternehmen, die Vorteile der Automatisierung und digitaler Daten, insbesondere angesichts des Arbeitskräftemangels, beschleunigter Projekte und der Nachfrage nach verbesserter Produktivität in einem Unternehmen mit niedrigen Margen. Die nächsten 10-15 Jahre werden sehr interessant!“