Vorwort

Automatisierung und Autonomisierung sind zentrale Schlagworte der letzten Jahre in der Landtechnik. Dabei gewinnt die Sicherheitsbetrachtung zunehmend an Relevanz, um die Systeme vom bisherigen Prototypenstadium auch in den Endkundenmarkt zu bringen. Vor dem Hintergrund eines fahrerlosen Betriebs ist dazu auch eine Prozessüberwachung nötig, da der Bediener als Kontrollinstanz nicht mehr durchgehend zur Verfügung steht. Der vorliegende Beitrag soll einen Überblick über aktuelle Entwicklungen geben und dabei sowohl das Gesamtsicherheitskonzept als auch den besonders landtechnischen Aspekt der Prozesssicherheit adressieren.

Allgemeine Sicherheitsentwicklung

Einer der Kernpunkte in der Automatisierung und Autonomisierung von Landmaschinen ist die Entwicklung und Validierung von Sicherheitskonzepten, die sich für die stetig verändernde unstrukturierte Umgebung, in welcher sich diese Maschinen bewegen, eignen. Erschwerend kommt hinzu, dass die in der Landwirtschaft übliche und erforderliche Modularität der Arbeitsmaschinen die Validierung eines universellen Sicherheitskonzeptes für alle möglichen Konfigurationen unter den verschiedensten Bedingungen unübersichtlich und hochkomplex macht.

Der Einsatzbereich des Fahrzeuges muss daher klar beschrieben und limitiert werden, wobei die Vorgehensweisen aus dem Automotiv-Sektor hierfür einen Ausgangspunkt liefern können. Die Eingrenzung des Einsatzbereiches, auch „Operational Design Domain“ (kurz ODD) genannt, wird bereits bei Entwicklungsbeginn der Landmaschine erstmals festgelegt. Im weiteren Verlauf der Entwicklung und im Rahmen der Verifizierung und Validierung wird die ODD iterativ weiter angepasst, um einen Einsatz der Maschine unter ungetesteten Bedingungen auszuschließen. Um sicherzugehen, dass die Maschine die Grenzen ihres vorgesehenen Einsatzbereiches erkennen kann und bei einer Überschreitung dieser Grenzen in einen sicheren Zustand übergeht, sind in der Validierung besonders Testfälle am Rand der ODD von Interesse.

Durch die häufig gegebene Aufteilung in Zugmaschine und Anbaugerät ergibt sich zudem die Schnittstellen- und Verantwortlichkeitsfrage zwischen den beteiligten Systemen. Je nach Abmessungen und Gefahrenpotential lässt sich nicht die ganze Fahrzeugumgebung zentral erfassen und bewerten. Während bei kleineren Anbaugeräten diese möglicherweise von der Zugmaschine mit überwacht werden können, ist dies bei ausladenden Maschinen nicht mehr der Fall. Bei besonders weit nach vorne ausragenden Teilen mit einem Überhang von über 3,5 m vom Lenkradmittelpunkt ist bereits heute eine Vorbau-Kamera zur Überwachung des Querverkehrs erforderlich [1].

Aufgrund der Relevanz für die rechtssichere Inbetriebnahme dieser Maschinen sind derzeit viele Landtechnikhersteller sowie die angeschlossenen Verbände wie VDMA, CEMA PT4 und AEF an einem Vorantreiben einer Standardisierung interessiert [2]. Forschungsprojekte wie das Vorhaben GESAL „Ganzheitlicher Entwicklungsleitfaden für ein umsetzbares Sicherheits- und Automatisierungskonzept für Landmaschinen“ versuchen, diesen Prozess durch ein ganzheitliches Vorgehen zu unterstützen, wobei Partner aus dem Automotiv- und dem Landtechnik-Bereich mit rechtswissenschaftlicher Unterstützung zusammenarbeiten. Auch wird das Normungsgeschehen kontinuierlich vorangetrieben. In Korrespondenz zur ISO 26262 im Automotivsektor gibt es für Landmaschinen die ISO 25119 für die funktionale Sicherheit. Mit besonderem Fokus auf hochautomatisierte Landmaschinen ist die ISO 18497 entstanden, welche mittlerweile in zweiter, überarbeiteter Version als vierteilige Normenreihe verfügbar ist.

Herausforderung Prozessüberwachung und -sicherheit

Prozessüberwachung

Die Ziele jedes landwirtschaftlichen Arbeitsganges sind ein gutes Arbeitsergebnis und eine hohe Effizienz. Dafür muss der Arbeitsprozess sowohl zu Beginn voreingestellt werden, sowie während der Durchführung kontinuierlich mittels verschiedenster Parameter wie Fahrgeschwindigkeit, Arbeitstiefe, Ausbringungsmenge etc. den aktuellen Bedingungen angepasst werden. Diese Anpassungen werden heute zumeist durch den Fahrer vorgenommen, der anhand seiner Erfahrung das Arbeitsergebnis kontrolliert und die Maschine auf Verstopfungen, beispielsweise beim Grubbern, prüft sowie andere Fehler und Anomalien erkennt. Auf einer autonomen Maschine steht der Fahrer jedoch nicht mehr als unmittelbares Kontrollorgan zur Verfügung, weshalb die Aufgaben der Prozessüberwachung von der Zugmaschine oder dem Anbaugerät übernommen werden müssen. Aufgrund der Modularität von landwirtschaftlichen Maschinen und der Vielfalt landwirtschaftlicher Prozesse ist die Überwachung auf dem entsprechenden Anbaugerät die funktionellere Lösung. Die daraus folgende Überlegung, dass die Zugmaschine durch das Arbeitsgerät gesteuert wird, ist im Bereich der Landwirtschaft nicht neu. Mit der Entwicklung des „Tractor Implement Management“ (TIM) hat die AEF (Agricultural Industry Electronics Foundation) bereits Ende 2019 einen Standard auf den Markt gebracht, der genau diese Symbiose zwischen Anbaugerät und Traktor unterstützt, um den Fahrer zu entlasten. [3]

Prozesssicherheit

Während die Prozesssicherheit in Hinsicht auf Stabilität und Zuverlässigkeit mittels der Erkenntnisse aus der Prozessüberwachung optimiert werden kann, bleibt der Bereich der Sicherheit für Umwelt, Mensch und Maschine zunächst offen. Je nach Arbeitsgerät und Prozess geht von der Maschinenkombination eine erhöhte Gefahr für die Umwelt, Personen und andere Maschinen im Umfeld aus. Daher müssen auch diese Aspekte der Prozesssicherheit von der Maschine übernommen werden. Sensorik für die Überwachung der Maschinenumgebung ist meist teuer und wird standardmäßig, wenn auch in unterschiedlichem Umfang, auf allen automatisierten mobilen Maschinen eingesetzt. Anbaugeräte mögen zwar Anforderungen an Sicherheits- und Gefahrenbereiche haben, da sie jedoch meistens extern angetrieben werden und keinen eigenen Vorschub besitzen, geht die Verantwortung für die Absicherung dieser Bereiche an die antreibende Maschine über. Die Anforderungen an den Sicherheits- und Gefahrenbereich der Maschine und des Anbaugeräts werden oft voneinander abweichen. Daher ist es notwendig, diese Anforderungen abzugleichen sowie die Sicherheits- und Gefahrenbereiche der Maschine mit denen des Prozesses zusammenzuführen und entsprechende Anpassungen vorzunehmen. Dies kann manuell durch den Anwender, der die Maschinenkombination zusammenstellt, geschehen oder zukünftig durch eine standardisierte Schnittstelle abgedeckt werden. Das Einstellen von variierenden Sicherheitsbereichen bei unterschiedlichen Gerätekombinationen durch den Anwender birgt ein hohes Risiko für fehlerhafte Eintragungen.

Praxisbeispiele für Prozessüberwachung und Automatisierung

Die Kombination von Traktoren mit unterschiedlichsten Anbaugeräten von verschiedenen Herstellern für unterschiedlichste Prozesse erfordert eine hohe Flexibilität des Navigations- und Steuerungssystems auf dem Traktor. Während manche Prozesse kaum Einfluss auf die Fahrplanung und die Gefahrenbereiche des Traktors haben, erfordern andere Prozesse einen aktiven Eingriff in die Spurplanung, die Geschwindigkeit und die Sicherheitsbereiche des Traktors. Im Folgenden werden beispielhaft drei Prozesse mit Blick auf Automatisierung, Prozessüberwachung und Sicherheit betrachtet.

Rundballenpressen

Um das Wickeln und Auswerfen von Rundballen sowie das dafür nötige Stoppen des Gespanns zu automatisieren, wird in der Praxis das TIM genutzt, um Steuersignale von der Rundballenpresse an den Traktor zu senden. Hat der Ballen seine Sollgröße erreicht, wird der Traktor durch die Presse gestoppt und die Steuergeräte für das Öffnen/Schließen der Ballenkammer sowie das Auswerfen des Ballens werden betätigt. Der Prozessablauf und die mittels TIM automatisierten Funktionen sind in Bild 1 beispielhaft dargestellt. Dafür muss auf der Presse die notwendige Sensorik für die Zustandserkennung der Maschine installiert sein, welche in Kombination mit dem Know-how des Herstellers über den Prozess und dessen Abläufe genutzt wird, um die Steuersignale zum richtigen Zeitpunkt bzw. Prozesszustand zu senden. Daraus ergibt sich eine verbesserte Prozessqualität und Zuverlässigkeit, die zusätzlich den Bediener der Maschine entlastet und den Weg für den autonomen Einsatz der Maschine vorbereitet. [4]

Bild 1: Automatisierung des Prozessablaufs beim Rundballenpressen mittels TIM [4]

Figure 1: Automation of the round balling process steps using TIM [4]

Grubber

Ein anderes Beispiel aus dem Bereich der Bodenbearbeitung bietet das iQblue System der Firma Lemken. Hier liegt das Augenmerk weniger auf der Automatisierung von Prozessabläufen, sondern mehr auf der Optimierung des Prozesses mittels TIM. Um einen Prozess effektiv und ganzheitlich überwachen sowie optimieren zu können, sind meistens mehrere Systeme in Kombination notwendig. Mit dem System iQblue smart implement präsentiert das Unternehmen einen automation-ready Grubber, indem es die drei Bausteine iQblue flow control, iQblue slippage control und iQblue tool monitoring kombiniert. Dabei finden sowohl eine bildgestützte Materialfluss- als auch eine drehzahlbasierte Walzenschlupf-Überwachung sowie eine Zustandsüberwachung der Grubberschare statt. [5]

Mähen

Das Thema Prozessüberwachung wird auch im Rahmen des Förderprojekts GESAL vorangetrieben, wobei das Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge von Professor Frerichs den Use Case Mähen untersucht. Hierbei kommt zusätzlich zu der Überwachung der Prozessqualität und des Anbaugerätezustandes auch das Einhalten von Gefahrenbereichen, wie in Bild 2 dargestellt, zum Tragen. Dabei wird zwischen dem Gefahrenbereich, der von dem Traktor und seiner Bewegung ausgeht, und dem erweiterten Gefahrenbereich, der durch den Anbau von Geräten und den ausgeführten Prozess entsteht, unterschieden. Ist der erweiterte prozessbedingte Gefahrenbereich, wie in Bild 2 zu sehen, besonders groß, kann dieser auch über Feldgrenzen hinweg ausgedehnt sein und angrenzende Wege betreffen. Auch sind der erstmalige Start sowie die selbstständige Wiederaufnahme der Arbeit nach einem Stillstand, wie er prozessbedingt häufiger vorkommen kann, zu berücksichtigen. Dafür müssen Personen, die sich im Umfeld der Maschine befinden, sicher erkannt werden und von anderen Hindernissen unterschieden werden, da die Maschine nur stoppen soll, wenn sich eine Person im Gefahrenbereich aufhält. Die dafür notwendige Überwachung des Umfeldes und Klassifizierung von Hindernissen ist auf der Zugmaschine bereits vorhanden und sollte, soweit möglich, genutzt werden, um den Gefahrenbereich des Prozesses bzw. des Anbaugerätes mit abzudecken.

Bild 2: Gefahrenbereiche des Traktors und Prozesses

Figure 2: Hazardous areas of the tractor and process

Sicherheitsbewertung

Diese drei Prozesse, bzw. die Anbaugeräte, die für ihre Durchführung genutzt werden, stellen unterschiedliche Anforderungen an den Traktor, dessen Assistenzsysteme und Fahrer. Damit ergeben sich auch unterschiedliche Anforderungen an die Überwachungssysteme für die Automatisierung der Prozesse. Das liegt nicht zuletzt daran, dass von ihnen ganz unterschiedliche Gefahren ausgehen, die eine höhere Aufmerksamkeit durch den Fahrer und das automatisierte System erfordern. Um Gefahren und Risiken in Bezug auf land- und forstwirtschaftliche Maschinen zu betrachten, wird in ISO 25119 ein „Hazard Analysis and Risk Assessment“ kurz HARA angewendet. In ISO 25119 werden dabei Fehlfunktionen des Systems betrachtet und nach dem von ihnen ausgehenden Risiko entsprechend, in die Agricultural Performance Level (AgPL) „a-e“ eingeordnet. Das jeweilige AgPL ergibt sich dabei aus der Kombination der Schadensschwere „S“, der Exposition gegenüber der Gefährdungssituation „E“ und der Möglichkeit der Beteiligten, den Schaden abzuwenden „C“. [6] Betrachtet man nun die vom Fahrer des Traktors ausgeführten Überwachungsfunktionen mit Kontext zum Umfeld der Maschine für die verschiedenen Prozesse, verlässt man jedoch den Bereich der Funktionalen Sicherheit (FuSi) und damit auch den Bereich der ISO 25119. Die Sensorik und Hinderniserkennung wird im Automotive Bereich im Rahmen der ISO 21448 unter der „Safety of the Intended Functionality“ (SOTIF) behandelt, allerdings bisher nicht offiziell auf Agraranwendungen übertragen. Auch im Rahmen der SOTIF werden mittels HARA Risiken Identifiziert. Bezogen auf die Überwachung des Prozesses durch die Sensorik für die Umgebungswahrnehmung, besteht mittels der resultierenden identifizierten Risiken eine mögliche Einteilung der Prozesse in Risikogruppen. Anhand der identifizierten Risiken können entsprechende Anforderungen an die Fahrzeugkombination erhoben werden. [7]

Zusammenfassung

Um die Entwicklungen im Bereich hochautomatisierter Fahrfunktionen und Fahrzeuge sicherheitstechnisch abzusichern, gibt es aktuell eine Vielzahl von Initiativen. Während das Normungsgeschehen bisher neben einer Norm ISO 18497 bisher vor allem auf die funktionale Sicherheit abzielt, gibt es vermehrt Ansätze, Techniken aus dem Automotivsektor auf die Landtechnik zu übertragen. Zentral ist dabei die Definition einer umfassenden ODD, welche vor allem in den Randbereichen zu testen ist. Bereits heute gibt es verschiedene Produkte, die die Autonomie in die Praxis bringen. Diese reichen von Rundballenpressen mit TIM-Technik bis zu Grubbern, die über eine integrierte Prozess- und Zustandsüberwachung verfügen. Spannende zukünftige Fragestellungen ergeben sich im Zusammenspiel von Anbaugeräten und Zugmaschinen, beispielsweise hinsichtlich der aufgeteilten Umfeldüberwachung und gegenseitigen Steuerung.

Literatur

[1]      Brigade Electronics (EU) B.V. Germany: Unfallvermeidung in der Landwirtschaft, URL: https://brigade-electronics.com/de/kamera-systeme/vorbau-kamera-monitor-system/, Zugriff am 15.12.2025.

[2]      G. Happich, A. Grever, J. Schöning: Agricultural Industry Initiatives on Autonomy: How collaborative initiatives of VDMA and AEF can facilitate complexity in domain crossing harmonization needs, Preprint, URL: https://arxiv.org/abs/2501.17962, 2025.

[3]      Agricultural Industry Electronics Foundation e.V.: First TIM products are present in the AEF ISOBUS Database, URL: https://www.aef-online.org/aef-news/first-tim-products-are-present-in-the-aef-isobus-database.html, Zugriff am 15.12.2025.

[4]      Innovationfarm - Höhere Bundeslehr- und Forschungsanstalt: TIM – Presse steuert Traktor, URL: https://www.innovationfarm.at/wp-content/uploads/TIM-Wenn-die-Presse-den-Traktor-steuert.pdf, Zugriff am 15.12.2025.

[5]      LEMKEN GmbH & Co. KG: iQblue smart implement: LEMKEN präsentiert intelligenten Grubber „automation ready“, URL: https://lemken.com/de-de/lemken-aktuelles/landtechnik-news/detail/iqblue-smart-implement-grubber-automation-ready, Zugriff am 15.12.2025.

[6]      Deutsches Institut für Normung: Traktoren und Maschinen für die Land- und Forstwirtschaft - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen - Teil 1: Allgemeine Gestaltungs- und Entwicklungsleitsätze. Norm DIN EN ISO 25119-1, 2024.

[7]      International Organization for Standardization: Straßenfahrzeuge – Sicherheit der beabsichtigten Funktionalität. Norm ISO 21448, 2022.

Autorendaten

M. Sc. Lars Gerloff und M. Sc. Adrian Grimm sind wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge der Technischen Universität Braunschweig.

Dr.-Ing. Jan Schattenberg ist stellvertretender Institutsleiter am Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge der Technischen Universität Braunschweig.