Musterklassifikation
Entwicklung einer automatisierten Musterklassifikation zur interpretierbaren Auswertung von Maschinendaten
| Finanzierung: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) |
| Förderkennzeichen: | IGF-Vorhaben Nr. 01IF22483N |
| Forschungsvereinigung: |
Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. Forschungsvereinigung Baumaschinen- und Baustoffanlagen e. V (FVB) |
| Partner: |
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| Laufzeit: |
07/2022 – 03/2025 |
| Kontakt: |
Die Zielsetzung des Projektes bestand darin eine durchgängige Bewertungsmöglichkeit von Tätigkeiten mobiler Arbeitsmaschinen zu schaffen. Das zu entwickelnde Gesamtsystem sollte dabei die Erkennung eines vollumfänglich auftretenden Nutzungskollektives einer mobilen Arbeitsmaschine, sowie eine darauf aufbauende Bewertung der Arbeitstätigkeit bzw. des Bedienverhaltens umfassen. Verknüpft man nämlich herkömmlich verfügbare bzw. berechenbare Maschinendaten mit den Kenntnissen vorgenommener Arbeitstätigkeiten, lassen sich Arbeitsprozesse automatisiert aus- bzw. bewerten. Solche Bewertungen können z.B. mit Hilfe technologischer Kenngrößen, wie umgeschlagene Masse pro Zeit oder Spritverbrauch pro umgeschlagene Masse, genutzt werden, um Einsatzplanungen auf Baustellen oder Bedienverhalten von Geräteführern zu bewerten und zu optimieren.
Das Vorgehen zur Erreichung des Forschungsziels erfolgte im Wesentlichen in vier Schritten. Zu Beginn erfolgte in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) die Wahl eines 18to Mobilbaggers als Demonstratormaschine, auf der das Erkennungs- und Bewertungssystem umzusetzen war, sowie die Fokussierung innerhalb des Forschungsprojekte auf vorrangig Tiefbautätigkeiten. Des Weiteren wurden zusammen mit dem PA potentiell geeignete Indikatoren / Merkmale in Kombination mit Zielakteuren zur Bewertung von Arbeitstätigkeiten festgelegt, wobei der Fokus allgemein auf Themenstellungen wie Energie- und Arbeitseffizienz, aber auch auf Baukalkulation bzw. –planung und-überwachung gelegt wurden.
Aufbauend auf diesen Festlegungen wurden im zweiten Schritt von den beiden beteiligten Professuren verschiedene Maschinenfunktionen entwickelt. Schwerpunkt der FE 2 (Professur für Baumaschinen) bildete dabei die Entwicklung einer echtzeitfähigen Onlinemethode für die Tätigkeitserkennung. Die Berechnung verschiedener Echtzeit-Maschinengrößen, wie der aktuellen Lademasse oder Energieflüsse, bildete den Schwerpunkt von FE 1 (Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik). Wichtig war hierbei die Verständigung auf eine einheitliche Systemarchitektur des Demonstrators inkl. definierter Schnittstellen der Maschinenfunktionen. Dadurch konnten durch FE 1 Auswertefunktionen zur Bewertung der Tätigkeiten definiert werden, welche die unterschiedlichen Informationen miteinander verknüpfen und für verschiedene Zielakteure, wie Maschinenbediener oder Bauunternehmer aufbereiten.
Im dritten Schritt wurde die einzelnen Funktionen als Softwarebausteine umgesetzt. Mit Hilfe der Methoden Software-in-the-Loop (SiL) und Hadware-in-the-Loop (HiL) wurde in Verknüpfung mit echtzeitfähigen Simulationsmodellen die Funktionalität der einzelnen Softwarebausteine, sowie des gesamten Bewertungs- und Erkennungssystem inkl. einer GUI zur Bedienung erprobt.
Im finalen vierten Schritt folgte eine ausführliche Validierung des Gesamtsystems in Kooperation mit dem Bau Bildung Sachsen e.V.. Auf einem Testgelände des Überbetrieblichen Ausbildungszentrums (ÜAZ) in Glauchau wurden unter realen Einsatzbedingungen mit Maschinenbedienern unterschiedlicher Qualifikationsgrade verschiedene Tiefbautätigkeiten durchgeführt um sowohl die grundsätzliche Robustheit der entwickelten Lösungen zu überprüfen, als auch die Eignung der definierten Merkmale / Indikatoren zu untersuchen.
Das Projekt lieferte umfangreiche Erkenntnisse zur Erfassung typischer Erdbewegungsarbeiten von Hydraulikbaggern, sowie deren Aus- bzw. Bewertung. Die Mustererkennung basiert auf der Auswertung kinematischer Daten wie Neigungswinkeln und den Zylinderdrücken. Das System erkannte verschiedene Prozesszyklen, darunter Leerlauf, Graben und Planum ziehen. Es wurden Erkennungsraten von bis zu 98% und eine Zykluszeitgenauigkeit von 90% erreicht. Die Funktionalität wurde unter realen Bedingungen validiert und zeigte sich auch bei unerfahrenen Bedienern für eindeutige Muster als robust. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für ein übergeordnetes Bewertungssystem, das eine quantitative Analyse und Bewertung individueller Bedienstile ermöglicht. Im Projekt zeigte sich, dass grundsätzlich die Verknüpfung konventioneller Maschineninformationen, welche bereits heute oftmals auf Steuergeräten oder anderen Hardwarekomponenten mobiler Arbeitsmaschinen vorliegen, mit Informationen bzgl. aktuell in der Ausführung befindlicher Arbeitstätigkeiten, eine zuverlässige automatisierte Bewertung von Arbeitsprozessen ermöglicht, wodurch enorme Potentiale freigelegt werden. Besonders für die Zielakteure Bauunternehmer, Maschinenbediener und Entwicklungsingenieure können mit dem Bewertungs- und Erkennungssystem hilfreiche Analysen generiert werden. So lassen sich beispielsweise für Bauunternehmer gezielt real erzielte Kennwerte von Bautätigkeiten, wie Nutzleistung, Aushubvolumen oder Kraftstoffbedarf, erfassen und diesen denen im Rahmen der Baukalkulation angenommenen Werten gegenüberstellen. Hierdurch wird eine Überprüfung der eigenen Baukalkulation, sowie der Maschinen- und Werkzeugauswahl ermöglicht. Für Entwicklungsingenieure lassen sich zeit- oder tätigkeitsbasierte Reports zu Energieeffizienzen der einzelnen Subsysteme, wie Dieselmotor oder Ventilblock der Arbeitshydraulik inkl. dazugehörigen Parametern wie durchschnittlichen Motordrehzahlen- oder auslastungen erstellen. Hierdurch kann eine Wissensbasis aufgebaut werden, die es Maschinenherstellern ermöglicht die Auslegung ihrer Maschinen in Anbetracht der realen Nutzung zu optimieren. Maschinenbedienern können nach Abschluss einer Bautätigkeit grundsätzlich ähnliche Informationen wie den Bauunternehmen bereitgestellt werden, aber auch zusätzliche Kenngrößen, wie Gleichzeitigkeitsgrad der Joystickbedienung oder Dauer des aktiven Drückens von Hydraulikzylindern in Endanschlägen, die eine Optimierung des Bedienungsverhaltens ermöglichen sollen.
Der Schlussbericht kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. als betreuende Forschungsvereinigung bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de).
Die Foschungsstellen danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für die Bereitstellung der Mittel.
