Entwicklung einer Open-Source-Software zur Steuerung fahrerloser Transportsysteme

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1 Entwicklung einer Open-Source-Software zur Steuerung fahrerloser Transportsysteme Sebastian Naumann und Robert Hoyer Institut für Automation und Kommunikation e.v. Magdeburg Zusammenfassung Die Leitsteuerung ist die zentrale Komponente eines fahrerlosen Transportsystems (FTS). Sie hat die Aufgabe, die Fahrzeuge und die peripheren Einrichtungen so zu koordinieren, dass ein optimaler Materialfluss stattfindet. Derzeit sind fahrerlose Transportsysteme unterschiedlicher Hersteller zueinander nur eingeschränkt kompatibel. Das hat eine Bindung des Anwenders an den Hersteller zur Folge. Ein Weg aus diesem Dilemma sind offene und ausbaufähige Leitsteuerungen. In der vorliegenden Arbeit wird die Open-Source-Initiative FAHRLOS (Fahrzeugleitsteuerung Open Source) vorgestellt, die sich zum Ziel gesetzt hat, einen Standard im Bereich der Leitsteuerungen fahrerloser Transportsysteme voranzutreiben. Dies soll durch die Entwicklung eines qualitativ hochwertigen, offenen und flexiblen Frameworks erreicht werden. Neben der essentiellen Transportauftragsabwicklung sind auch verschiedene Dienste in das Framework integriert. Dazu gehören u. a. die Modellierung, die Visualisierung und die Simulation, die in dieser Arbeit näher betrachtet werden. 1 Einführung Fahrerlose Transportsysteme (FTS) werden seit den 1960er Jahren für den innerbetrieblichen Warentransport eingesetzt. Sie bestehen im Wesentlichen aus fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF), einer Leitsteuerung, Einrichtungen zur Standortbestimmung und Lageerfassung sowie peripheren Einrichtungen wie z. B. Übergabestationen und Batterieladestationen [GKS-01, VDI-97]. In Abbildung 1 sind zwei typische Strukturen fahrerloser Transportsysteme dargestellt. Bild (a) zeigt ein System mit wenigen Fahrzeugen und geringem Komplexitätsgrad; in Bild (b) ist ein System mit vielen Fahrzeugen und hohem Komplexitätsgrad zu sehen [VDI-03]. Institut für Automation und Kommunikation e.v. Magdeburg (ifak), Steinfeldstraße 3, D Barleben. {sebastian.naumann, robert.hoyer}@ifak-md.de 1

2 (a) (b) Abbildung 1: Strukturen typischer FTS (a) mit wenigen Fahrzeugen und geringem Komplexitätsgrad und (b) mit vielen Fahrzeugen und hohem Komplexitätsgrad [VDI-03] Die zentrale Komponente eines fahrerlosen Transportsystems ist die Leitsteuerung. Ihr kommt die Aufgabe zu, die fahrerlosen Transportfahrzeuge und peripheren Einrichtungen so zu koordinieren, dass ein optimaler Materialfluss stattfindet. Zu ihrer Bedienung bietet sie den beteiligten Benutzern, z. B. Planern, Herstellern und Bedienern, verschiedene Dienste an. Abbildung 2 gibt einen Überblick zu den Funktionsbausteinen einer Leitsteuerung. alle Arten von Benutzern übergeordnete Systeme (z.b. Materialflusssystem) FTS-Leitsteuerung Benutzer-Schnittstelle interne Materialflusssteuerung Service-Funktionen Statistik Modellierung Transportauftragsabwicklung Transportauftragsverwaltung Fahrzeugdisposition Fahrauftragsabwicklung Visualisierung Diagnose Simulation Hilfe Fahrzeugsteuerung periphere Einrichtungen und Infrastruktur (z.b. Lastwechselstationen) Abbildung 2: Funktionsbausteine einer FTS-Leitsteuerung nach [VDI-03] 2

3 Heutige fahrerlose Transportsysteme unterschiedlicher Hersteller sind zueinander nur eingeschränkt kompatibel, was eine Bindung des Anwenders an den Hersteller zur Folge hat. Möchte ein Anwender sein fahrerloses Transportsystem erweitern, muss er die dafür nötigen Komponenten in der Regel auch von demselben Hersteller beziehen. Dies wirkt sich besonders auf kleine und mittelständische Unternehmen aus, deren Marktzugang hierdurch erschwert ist. Vornehmlich auf Druck der Anwender wurde Anfang der 1990er Jahre versucht, Richtlinien für fahrerlose Transportsysteme zu erarbeiten. Seitdem hat ein Arbeitskreis von Experten aus verschiedenen Bereichen der Komponenten-, Sensor- und Fahrzeughersteller, aber auch der Hochschulen und der FTS-Anwender verschiedene Richtlinien erarbeitet. Für die meisten Komponenten (hierzu gehören Antriebe, Batterien, Lastmittel, Sensoren zur Spurführung und zur Hinderniserkennung, aber auch die allgemeine Infrastruktur) wurde Einigkeit erzielt. Die Leitsteuerung kam auf Grund des erwartet hohen Aufwandes bisher zu kurz. 2 Aufgabenstellung Die Standardisierung im Bereich der FTS-Leitsteuerungen voranzutreiben, kann auf vielfältige Weise geschehen. Die Mitarbeit in Gremien und Arbeitskreisen wäre hier als Erstes zu nennen. Doch nicht alle Hersteller sind mit dem beschriebenen Zustand unzufrieden und somit nicht unbedingt an einem Standard interessiert. Bei allen wettbewerblich begründeten Vorbehalten hinsichtlich der Einführung eines Standards sollten jedoch nicht die Vorteile sowie die Chancen zur weiteren Verbreitung von fahrerlosen Transportsystemen übersehen werden. Ein weiterer Weg zu einer Art Standardisierung, der schon in anderen Bereichen wie beispielsweise durch Java und Linux erfolgreich beschritten wurde, ist die kostengünstige Bereitstellung einer offenen und ausbaufähigen Software. Die hohe Qualität führte bei den genannten Beispielen zu einer weiten Verbreitung und großen Beliebtheit bei den Anwendern. Aufgrund der positiven Beispiele scheint diese Art der Vorgehensweise auch im Bereich der FTS-Leitsteuerungen ein erfolgversprechender Ansatz zu sein. Die Entwicklung einer anpassungsfähigen Open-Source-Leitsteuerung ist daher das Ziel. 3 Umsetzung Die Vielzahl unterschiedlicher Einsatzbereiche fahrerloser Transportsysteme führt zwangsläufig zu einer hohen Zahl einsatzspezifischer Realisierungen sowie einer damit verbundenen Breite technischer Ausführungsformen [GüS-99]. Dies wirkt sich auch auf die Leitsteuerungen aus: jede Realisierung eines fahrerlosen Transportsystems erfordert eine spezifische Leitsteuerung, die konkret für die jeweilige FTS-Anlage zugeschnitten sein muss. Die Grundstruktur ist jedoch allen Leitsteuerungen gleich (siehe Abbildung 2). Aber auch im Detail finden sich Übereinstimmungen: jedes fahrerlose Transportsystem 3

4 benötigt einen Fahrkurs, der aus Punkten und Strecken besteht. Ferner sind Fahrzeuge und periphere Einrichtungen ebenfalls Teil eines jeden fahrerlosen Transportsystems. Es ist daher naheliegend, das aus der Softwaretechnik bekannte Prinzip des Frameworks zu verfolgen und für Leitsteuerungen zu übernehmen. Ein Framework bietet ein Gerüst für konkrete Anwendungen mit zusätzlicher Baukastenfunktion. Die Schnittstellen, die ein Framework bereitstellt, erlauben verschiedene Implementierungen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Softwarekomponenten mit ein und derselben Schnittstelle entstehen. Je nach Bedarf wird im konkreten Fall die passende Komponente eingesetzt oder, falls diese noch nicht existiert, implementiert. Die Güte eines Frameworks orientiert sich an seiner Flexibilität hinsichtlich der Erweiterbarkeit. Entwurfsmuster [GHJ-96] sorgen für diese geforderte Flexibilität. Ein Framework mit einer hohen Dichte an Entwurfsmustern besitzt erfahrungsgemäß eine hohe Flexibilität. Der Entwicklungsaufwand für eine Leitsteuerung mit verschiedenen Service-Funktionen wie Modellierung, Visualisierung und Simulation ist beträchtlich. Aufgrund des hohen Grades an Wiederverwendung, der mit einem Framework erreicht wird, verkürzen sich die Entwicklungszeiten für konkrete Anwendungen erheblich. Ein Framework ermöglicht somit auch kleinen Unternehmen, eine Leitsteuerung zu erstellen. Benutzen viele Unternehmen das Framework, bildet sich ein De-facto-Standard. Im Projekt FAHRLOS 1 (Fahrzeugleitsteuerung Open Source) entsteht zur Zeit in Anlehnung an die Open-Source-Initiative für Lagerverwaltungssysteme mywms [URL-WMS] ein Framework für FTS-Leitsteuerungen, das neben der essentiellen Transportauftragsabwicklung auch Module für die Modellierung, die Visualisierung 2, die Simulation und die Steuerung des Materialflusses enthält. Dem Open-Source-Gedanken folgend wird nach Abschluss des Projektes der Quelltext des Frameworks auch Dritten für eigene Anpassungen und Erweiterungen zur Verfügung stehen. Damit soll das oben genannte Problem gelindert und eine Standardisierung im Bereich der FTS- Leitsteuerungen vorangetrieben werden. 1 Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) unter dem Förderkennzeichen 16 IN 0104; Partner: Bleichert Förderanlagen GmbH, WEISSEN- BURG Industrie-Technik Maschinenbau GmbH & Co. KG, Götting KG, FOX GmbH, Daum + Partner Maschinenbau GmbH Engineering, imar GmbH, Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik (IML), Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und - automatisierung (IFF) und Institut für Automation und Kommunikation e.v. Magdeburg (ifak) 2 Mit Visualisierung ist nachfolgend nicht nur die Anlagendarstellung gemeint, sondern vor allem auch die Steuerung und Bedienung durch Werker und andere Personen. 4

5 Das FAHRLOS-Konsortium besteht aus drei Forschungseinrichtungen sowie sechs kleinen mittelständischen Unternehmen aus dem Bereich der fahrerlosen Transportsysteme. Die vollständigen Koordinaten der Projektpartner sind unter [URL-TCS 3 ] zu finden. 4 Module für Planung, Bedienung/Visualisierung und Simulation Eine FTS-Kernfunktionalität ist die Transportauftragsabwicklung. Ihre Funktionsweise soll nachfolgend lediglich angedeutet werden. Der Schwerpunkt dieses Abschnitts liegt dann auf der Erläuterung der Module Simulation, Modellierung und Visualisierung einschließlich der Systembedienung. Abbildung 3 zeigt, wie sich diese Module in die Architektur des Leitsteuerungsframeworks eingliedern. Transportauftragsabwicklung Simulation Planer Transportauftragsverwaltung Fahrzeugdisposition Transportnetzverwaltung Visualisierung Werker, Bediener, Systemadministrator, Hersteller Fahrauftragsabwicklung Modellierung Planer Fahrzeug Fahrzeug Peripherie Peripherie z. B. Übergabestationen, Batterieladestationen Abbildung 3: Eingliederung der Module für die Simulation, Bedienung/Visualisierung und Planung in die Architektur des Leitsteuerungsframeworks Die Transportauftragsabwicklung ist für die Abarbeitung der Transportaufträge zuständig. Ein Transportauftrag wird zunächst von der Transportauftragsverwaltung aufgenommen. Von dort erfolgt nach Prüfung auf Ausführbarkeit die Weitergabe an die Fahrzeugdisposition. Sie hat die Aufgabe, dem Transportauftrag ein möglichst günstiges Fahrzeug zuzuweisen. Die Fahrauftragsabwicklung schließlich zerlegt den Transportauftrag in Fahraufträge und reicht diese an das Fahrzeug weiter. Sie ist zudem für die Verkehrsregelung zuständig, d. h. für die Vermeidung von Verklemmungen und Kollisionen. Damit die Transportauftragsabwicklung die genannten Aufgaben erfüllen kann, benötigt sie ein internes Abbild des realen Fahrkurses, der Fahrzeuge und der Peripherie, welches 3 OpenTCS (open Transportation Control System): Markenname des entstehenden Frameworks 5

6 in der Transportnetzverwaltung abgelegt ist. Darüber hinaus enthält die Transportnetzverwaltung die derzeit im System vorhandenen Transportaufträge. An der Bedienung eines fahrerlosen Transportsystems insbesondere der Leitsteuerung sind verschiedene Personen beteiligt: der Planer modelliert den Fahrkurs und simuliert das Systemverhalten bei unterschiedlichen Parametern, der Werker benötigt für die Systembedienung ein Abbild der Anlage und die Möglichkeit, kleine Änderungen, wie z. B. das Abmelden eines defekten Fahrzeuges oder das Sperren eines Streckenabschnitts, durchzuführen. Den genannten Personen wird mit der Simulation, der Visualisierung und der Modellierung ein Satz von Werkzeugen zu Verfügung gestellt. Diese werden als selbstständige Anwendungen entwickelt. Sie müssen mit der Transportauftragsabwicklung kommunizieren und tun dies über die Transportnetzverwaltung, die eine entsprechende Schnittstelle bereitstellt. Obwohl es sich bei der Simulation, der Visualisierung und der Modellierung um selbstständige Anwendungen handelt, gehören diese dennoch zum Framework der Leitsteuerung. Sie sind ebenso anpass- und erweiterbar wie die übrigen Komponenten. Die Abbildungen in den nächsten Abschnitten zeigen Momentaufnahmen des ersten Prototypen. 4.1 Modellierung Zur Modellierung einer FTS-Anlage sind folgende für die Leitsteuerung relevanten Schritte notwendig: Entwurf des Fahrkurses bestehend aus Meldepunkten, Strecken und Übergabestationen sowie das Versehen dieser Fahrkurselemente mit Eigenschaften Angabe der eingesetzten Fahrzeugtypen und die Fahrzeuganzahl eines jeden Typs Angabe der Transportgüter Übertragung des erstellten Modells an die Transportauftragsabwicklung Das Modellierungsmodul unterstützt den Planer bei der Umsetzung dieser Aufgaben. In Abbildung 4 ist die Benutzeroberfläche des Prototyps zu sehen. Die komfortable Eingabe der Fahrkurselemente erfolgt mit Hilfe eines grafischen Editors, der neben Cut, Copy und Paste auch eine Zoomfunktion sowie Undo und Redo bietet. Die Attribute der einzelnen Fahrkurselemente können vom Benutzer im unteren Fensterbereich gesetzt werden. Das Hinzufügen von Transportgütern, Fahrzeugtypen und Fahrzeugen wird über Dialoge abgewickelt. Die Baumansicht auf der linken Seite enthält alle zum Modell gehörigen Objekte. 6

7 Abbildung 4: Modellierung einer FTS-Anlage 4.2 Bedienung/Visualisierung Die Visualisierung zeigt dem Bediener ein aktuelles Anlagenabbild sowohl im realen Betrieb als auch während der Simulation. Er sieht z. B. die veränderlichen Aufenthaltsorte der Fahrzeuge und deren Zustände, die Status der Übergabestationen und Fahrkurselemente sowie der Transportaufträge. Die Visualisierung stellt zudem Eingriffsmöglichkeiten für den Bediener bereit: so kann er Transportaufträge auslösen und abbrechen, reparaturbedürftige Fahrzeuge abmelden, Strecken sperren oder die maximalen Fahrzeuggeschwindigkeiten auf Strecken ändern. Visualisierung und Transportauftragsabwicklung arbeiten nach dem Client-Server- Prinzip. Eine Visualisierung wird auf einem Rechner gestartet. Die Transportauftragsabwicklung überträgt das Fahrkursmodell an die gestartete Visualisierung. Alle nun folgenden Änderungen der Fahrzeuge, Transportaufträge und Fahrkurselemente werden ab sofort der Visualisierung mitgeteilt. Auf diese Weise ist es möglich, gleichzeitig mehrere Visualisierungen auf verschiedenen Rechnern zu betreiben. Die Aufnahme in Abbildung 5 stammt aus dem Prototyp und zeigt mehrere über- und untereinander angeordnete Fenster, die jeweils einen bestimmten Teil der Anlage fokussieren. 7

8 Abbildung 5: Visualisierung und Steuerung einer FTS-Anlage Neben dem Anlagenabbild und der Steuerungsfunktionen ist die Anzeige statistischer Werte eine wesentliche Eigenschaft der Visualisierung. Diese Statistiken unterstützen den Betreiber bei der Analyse und Optimierung des Materialflussgeschehens und dienen zur Beurteilung der Systemauslastung. Gängige Statistiken sind beispielsweise: Fehlerstatistik Auftragsstatistik Durchsatz System- und Fahrzeugauslastung Stillstandszeiten Transportstreckenauslastung 4.3 Simulation Die Simulation ist ein unverzichtbares Mittel für die Planung und Konfiguration fahrerloser Transportsysteme. Sie erlaubt eine Analyse des Verhaltens und eine Prognose der Leistungsfähigkeit des fahrerlosen Transportsystems bei unterschiedlichen Parametern. Doch nicht nur während der Planungsphase leistet die Simulation wertvolle Dienste. 8

9 Ändern sich beispielsweise im Laufe der Zeit die Materialflüsse oder steigt etwa das Transportvolumen, so lässt sich durch Simulation ermitteln, welche Anpassungen am System den größten Nutzen erwarten lassen, um den geänderten Anforderungen gerecht zu werden. Möglichkeiten hierfür sind z. B. die Aufstockung der Fahrzeugflotte, die Ausdehnung des Fahrkursnetzes oder auch eine Anpassung der Fahrzeugdisposition 4, wie in [GKS-01] beschrieben. Das Modul Simulation unterstützt den Planer bei der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Simulationsläufen. Die Transportauftragsverwaltung unterscheidet dabei nicht zwischen einem Realmodus und einem Simulationsmodus. Statt realer Fahrzeuge werden jedoch während eines Simulationslaufes Fahrzeugemulatoren eingesetzt, die das reale Fahrzeugverhalten nachbilden. Ein parametrierbarer Lastgenerator erzeugt die Transportaufträge. Abbildung 6 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Lastgenerator Planer Transportauftragsabwicklung Simulation Fahrzeug- und Peripherieemulatoren Abbildung 6: Simulation der FTS-Leitsteuerung Zur Vorbereitung einer Simulation können folgende Einstellungen vorgenommen werden: Simulationsdauer Zeitfaktor Anzahl der Fahrzeuge und deren Batterieleistung Strategie der Fahrzeugdisposition Verhalten des Lastgenerators Abbildung 7 zeigt die Benutzeroberfläche, über die der Planer die genannten Einstellungen festlegen kann. 4 in [GKS-01] als Einsatzplanung bezeichnet 9

10 Abbildung 7: Auswahl der Fahrzeugflotte, mit der die Anlage simuliert werden soll Die Strategie der Fahrzeugdisposition ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit des fahrerlosen Transportsystems. Als Standardstrategien sind u. a. bekannt: Nearest Vehicle: das Fahrzeug, das den kürzesten Weg zur Quelle zurückzulegen hat, erhält den Transportauftrag Longest Idle Vehicle: das Fahrzeug, das die längste Zeit keinen Transportauftrag bearbeitet hat, erhält den Transportauftrag First Come First Served: die Fahrzeuge erhalten die Transportaufträge in der Reihenfolge ihrer Bin frei -Meldung Mitunter bringen jedoch anlagenspezifische Strategien, die sich in der Regel aus einer Standardstrategie herleiten, den größten Erfolg, wie das Beispiel in [GKS-01] zeigt. Sind die Vorbereitungen abgeschlossen, kann der Simulationslauf gestartet werden. Nach erfolgreichem Simulationslauf werden die statistischen Ergebnisse grafisch aufbereitet dargestellt und geben dem Benutzer so Auskunft über die Leistungsfähigkeit des fahrerlosen Transportsystems. Es handelt sich dabei um dieselben Statistiken, die auch in der Visualisierung zum Einsatz kommen. Abbildung 8 zeigt die Darstellung von Statistiken als Tabelle und als Balkendiagramm. 10

11 Abbildung 8: Darstellung von Simulationsergebnissen 5 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden erste Arbeitsergebnisse der Open-Source-Initiative FAHRLOS (Fahrzeugleitsteuerung Open Source) vorgestellt, die sich zum Ziel gesetzt hat, einen Standard im Bereich der Leitsteuerungen fahrerloser Transportsysteme voranzutreiben. Dies soll durch die Entwicklung eines qualitativ hochwertigen, offenen und flexiblen Frameworks erreicht werden. Neben der essentiellen Transportauftragsabwicklung sind auch verschiedene Dienste in das Framework integriert. Dazu gehören u. a. die Modellierung, die Visualisierung und die Simulation, die in dieser Arbeit näher betrachtet wurden. Quellen [VDI-03] [VDI-97] VDI-Richtlinie 4451 Blatt 7: Kompatibilität von fahrerlosen Transportsystemen (FTS) Leitsteuerung für FTS. VDI-Gesellschaft Fördertechnik Materialfluss Logistik, Fachbereich Fahrerlose Transportsysteme, Düsseldorf, VDI-Richtlinie 2510: Fahrerlose Transportsysteme, VDI- Gesellschaft Fördertechnik Materialfluss Logistik, Fachbereich Fahrerlose Transportsysteme, Düsseldorf,

12 [GHJ-96] Gamma, E.; Helm, R.; Johnson, R.; Vlissides, J.: Entwurfsmuster Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software. Bonn, Addison-Wesley, [GKS-01] [GüS-99] [URL-TCS] [URL-WMS] Günther, H.-O.; Krüger, H.; Schrecker, A.: Einsatzplanung Fahrerloser Transportsysteme untersucht an einem Praxisfall aus dem Spezialmaschinenbau. logistik management 1/2001, Günther, H.-O.; Schrecker, A.: Simulationsgestützte Leistungsanalyse fahrerloser Transportsysteme. In: H. Kopfer, Ch. Bierwirth (Hrsg.), Logistik Management - Intelligente I+K Techniken, Springer, Berlin, 1999,