Kollege Maschine

Robot-Straßenbau 4.0 heißt ein vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördertes Projekt, in dem STRABAG zusammen mit weiteren Partnern ein autonomes System für den Asphalteinbau untersucht.
Martin Muschalla
Projektleiter TPA GmbH

Auf einem Testgelände in Limburg an der Lahn setzen sich die Motoren eines Asphaltfertigers in Bewegung. Sechs Männer und eine Frau prüfen aufmerksam mehr als 30 Sensoren und Verbindungen an der Einbaubohle. Kabel beranken die gesamte Maschine. Stecker und Module verzweigen sich und laufen in einem Laptop im Fahrerhaus des beeindruckenden Gefährts zusammen – verfolgen Sie hier einen Feldversuch mit dem automatisierten Asphaltfertiger.

Der Bedarf für autonome Technologien im Straßenbau ist groß. „Dort, wo die Maschine jetzt mit Messtechnik ausgestattet ist, steht in der Praxis bisher noch ein Mensch direkt zur Verkehrsseite. Mitten auf der Baustelle ist er zudem Belastungen durch Dämpfe, Lärm und Vibrationen ausgesetzt“, erklärt TPA-Projektingenieur Sebastian Czaja. In Zukunft soll die Einbaubohle autonom arbeiten, damit sich niemand mehr im Gefahrenbereich aufhalten muss.

„Man hat schon ein mulmiges Gefühl“

Thomas Wagener ist gelernter Straßenbauer und asphaltiert bei STRABAG seit 22 Jahren Straßen in ganz Deutschland. Als Polier begleitet er den Einbau direkt an der Bohle, prüft die Einbaubreite und Schichtdicke, überwacht das Mischgut und begibt sich dabei ständig in den Risikobereich zwischen Fertiger und Fahrbahn. „Wenn Autos mit bis zu 100 km/h nur wenige Meter an uns vorbeifahren, hat man schon ein mulmiges Gefühl“, erzählt Wagener. Künftig soll ihn die Maschine unterstützen, die Prozesse autonom kontrollieren und steuern. Straßenbauer wie Wagener werden dann als Prozesscontroller vom klimatisierten und sicheren Fahrerhaus aus die Arbeit des Kollegen Maschine überwachen.

Aus Fehlern lernen

In den Feldversuch werden bewusst „Fehler“ eingebaut, auch daraus lernt die Maschine, zum Beispiel beim Erkennen der richtigen Temperatur, wie Alfons Horn, Entwicklungsvorstand der auf mobile Automationslösungen spezialisierten MOBA AG, erklärt: „Ist eine Transportmulde zu spät da und das Mischgut kühlt ab, verhalten sich die Bohle und das gesamte System auch anders. Im Versuch senken die Techniker die Mischtemperatur bis auf einen Wert, bei dem sich der Asphalt nicht mehr auftragen lässt. „Mit diesen Testdaten werden später die Regelkreise optimiert, Einstellungen festgelegt und das autonome Verhalten des Fertigers weiter verbessert“, so Horn.

Die Sensorik am Fertiger stammt größtenteils von den Projektpartnern wie MOBA. Sie erfasst u. a. die Einbaubreite und Schichtdicke, auch hier muss die Maschine Details erkennen können. Etwa das Verhalten beim Anhalten und Anfahren, um sogenannte Anfahrbuckel zu vermeiden. Das ist wichtig, um eine ebene Straße zu erhalten.

Torsten Schönbach, Gruppenleiter bei der MOBA AG, ist auf der Seite des Technologiekonzerns für das Projekt Robot 4.0 verantwortlich.
Läuft nach Plan: Für den Feldversuch in Limburg an der Lahn wurden für den Einbau genaue Parameter definiert. Das sorgt auch für einen reibungslosen Ablauf des Versuchs.
TPA-Mitarbeiter Sebastian Czaja begleitet das Projekt „Autonom arbeitende Maschinen im Straßenbau 4.0“ als Projektingenieur.
Der Fertiger ist mit mehr als 30 Sensoren ausgestattet, um genau definierte Prozesse an der Einbaubohle zu erfassen.
Start des Feldversuchs: Nachdem der Fertiger mit Asphalt beschickt wurde, beginnt der Einbau auf der Teststrecke.
Straßenbau-Mitarbeiter Thomas Wagener misst während des Versuchs die Schichtdicke des Asphalts.
Der Asphalt wird erst mit einer Temperatur von 120 Grad eingebaut, danach findet auf der gleichen Fläche ein Temperaturwechsel auf 160 Grad statt. Dadurch wird die Reaktion der Maschine auf den Materialwechsel untersucht.
Die Sensorsysteme werden von MOBA-Entwicklungsvorstand Alfons Horn kontrolliert.
Projektingenieur Sebastian Czaja prüft die Temperatur des eingebauten Asphalts.
Schon während des Bauprozesses erfassen Sensoren an den Maschinen den aktuellen Belagszustand und die Positionen von Fräsen oder Walzen.
Die Asphaltbeschickung ist ein wichtiger Bestandteil im Einbauprozess. Wird der Einbau für die Beschickung unterbrochen, entsteht ein Anfahrbuckel. Auch diese Situation wird im Feldversuch simuliert und sensorisch erfasst.
Projektpartner 3D-Mapping führt einen Laserscan auf der Teststrecke vor und nach dem Einbau durch. In einem Modell werden die Werte anschließend zusammengetragen und dienen der Auswertung des Feldversuchs.
Für den Laserscan fährt Christoph Weber, Entwicklungsingenieur bei 3D-Mapping, die Teststrecke mit einem speziell für die Vermessung entwickelten Auto ab. Auf dem Dach des Wagens sind Kameras installiert, die den Scan durchführen.
Für die Asphaltbeschickung wird der Feldversuch kurzzeitig unterbrochen. Im Feldversuch wird auch das Anhalten und Anfahren getestet, um sogenannte Anfahrbuckel zu vermeiden.
Thomas Wagener überwacht den Einbau an der Bohle, prüft die Einbaubreite und Schichtdicke und untersucht das Mischgut. In seinem Berufsalltag begibt er sich dabei ständig in den Gefahrenbereich zwischen Fertiger und Fahrbahn.
Auf zwei Teststrecken wurde der Asphalteinbau unter verschiedenen Voraussetzungen durchgeführt und sensorisch erfasst.

Das Projekt „Autonom arbeitende Maschinen im Straßenbau 4.0”

Ziel des Forschungsprojekts ist die Automatisierung des Asphalteinbaus zur Entlastung des Einbaupersonals durch die Vernetzung autonom arbeitender Straßenbaumaschinen. Ein 3D-Modell mit dem Soll-Wert der zu bauenden Straße bildet den Ausgangspunkt. Während des Bauprozesses erfassen Sensoren an den Maschinen den aktuellen Belagszustand und ermitteln die Positionen von Fräsen oder Walzen. In einem Informationssystem laufen diese Daten zusammen: Es regelt und steuert die arbeitenden Antriebe so, dass keine Abweichungen mehr zwischen dem 3D-Sollwertmodell der Straße sowie den gemessenen Ist-Positionen von Fräswalze, Einbaubohle und Walzbandage bestehen. Der Einsatz dieser technischen Systeme gewährleistet während des Einbaus auch die Qualitätssicherung.

Vernetzung des Gesamtprozesses

Vernetzung des Gesamtprozesses als Grafik
Quelle: STRABAG Flyer Robot 4.0

Alles unter Kontrolle – die Sensoren bei Robot-Straßenbau 4.0:

Seilzugsensoren sind an der Einbaubohle befestigt und bewegen sich beim Ausfahren der Bohle mit. Auf diese Weise messen sie die Schichtbreite des Belags.

Ultraschallsensoren kommen an der Seite des Fertigers zum Einsatz und ermitteln die Schichtdicke. 

Infrarotsensoren messen die Temperaturen des Asphalts.

Lidarsensoren bestimmen mittels Lasertechnologie die Abstände zwischen den Maschinen.  

Projekt-Partner:

  • TPA GmbH, Gruppe Prozess-Stabilität im Straßenbau (PSS)
  • Technische Hochschule Köln, Kölner Labor für Baumaschinen (KLB)
  • Technische Universität Darmstadt, Institut für Straßenwesen
  • 3D-Mapping Solutions GmbH, Kinematische Vermessung von Verkehrsnetzen
  • MOBA Mobile Automation AG, Qualitätssysteme in der mobilen Automation

Gefördert durch:

Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)

Förderpartner: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur & Bundesanstalt für Straßenwesen Logos

Projektlaufzeit:

November 2017 – Oktober 2020

„Erfahrung allein
reicht nicht“
Alfred Ulrich
Professor am Institut für Bau- und Landmaschinentechnik der Technischen Hochschule Köln