Article in yearbook 2021

Digitization and Automation Logistics

Abstract:

The last two years under Corona restrictions have also slowed down the development of agricultural logistics due to the lack of trade fairs and congresses. Overall, a consolidation in the development can be observed. There were no new adjustments in the area of legislation. In the current situation, it was much more a question of transport being carried out at all. There are few changes in logistics technology. What is important for the sector is the future orientation of the drive systems. Here, battery-electric drives and hydrogen fuel cells are to be observed as new systems in commercial freight transport. Agricultural robots are now also spreading in practical farming. The first logistics robots are mainly found in horticulture and fruit growing. Digital systems are now more and more accurately depicting the influencing factors in agricultural logistics, especially through the networking of different models, the chains can be better represented.

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Entwicklung der logistischen Rahmenbedingungen

Bezüglich der gesetzlichen Rahmenbedingungen kam es in den letzten beiden Jahren zu keinen bedeutenden Veränderungen für die Landwirtschaft. [1] Die Diskussion, in wie weit die landwirtschaftliche Logistik den Regelungen des gewerblichen Güterkraftverkehrs unterliegen sollte, ist abgeflacht.

Bezüglich der zulässigen Breite von Traktoren und Anhängern gab es im Rahmen der Änderung der 35. Ausnahmeverordnung zur StVZO entsprechende Diskussionen. Die Regelung, dass Traktoren und ihre Anhänger bei Verwendung von Breitreifen oder Gleisketten unter bestimmten Bedingungen einschließlich erforderlicher Verbreiterung der Radabdeckungen bis zu 3 m breit sein dürfen, ist weiterhin allgemein über das europäische Recht abgedeckt. [2; 3]

Transportfahrzeuge

Zugmaschinen

In der allgemeinen gesellschaftlichen Diskussion zur energetischen Ausrichtung der Mobilität weg von der Verbrennung fossiler Rohstoffe [4; 5] ergeben sich auch für die Agrarlogistik neue Herausforderungen [6]. Im Güterkraftverkehr zeigen sich aktuell eine entsprechende Bereitschaft [7] und verschiedene Diskussionsansätze.

Die Diskussion ist dabei sehr vielschichtig und aktiv. Teilweise wird für Wasserstoff mit Brennstoffzelle eine Präferenz für mittlere bis schwere LKW und Langstreckenverkehr gesehen [8; 9] und für elektrische Antriebe mit Batterie im Bereich kleiner und mittlerer LKW im Kurzstreckenverkehr. [10; 11]

In der Schweiz läuft aktuell ein größerer Versuch mit 46 LKW (36 t zGG) mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie. In der Versorgungslogistik sind dabei 400 km Reichweite bei einer Betankungszeit von 10 Minuten möglich. [12 - 14] Ein großes Problem für die Verbreitung von Wasserstoff stellt aktuell noch die fehlende Infrastruktur dar. [15; 16] Aktuell laufen auch erste Versuche mit batterieelektrischen LKW (40 t zGG). Hierbei sind Transporte bis 230 km Umkreis bei 2 Stunden Ladezeit möglich. [17; 18] Beide Ansätze könnten für Bereiche interessant sein, bei denen bereits jetzt LKW in der Agrarlogistik eingesetzt werden.

Bei anderen Logistikaufgaben stehen aber noch typische landwirtschaftliche Anforderungen im Weg, wie z.B. Gewicht und Bodendruck bei Batterien [19] oder Staub bei Brennstoffzellen. Hier könnten CO2-neutrale Verbrennungskraftstoffe wie z.B. Pflanzenöle [20], E-Fuels [21; 22], Biomethan [23 - 25] oder Wasserstoff [26] eine Alternative bieten. Die Schwierigkeit ist hierbei: Findet man Motoren, die mit verschiedensten Treibstoffen auskommen oder stimmt man sich auf eine Alternative ab?

Eine Möglichkeit, die für die Infield-Logistik bei Erntegut oder Dünger zwischen Feldrand und Fläche interessant sein kann, ist der kabelgebundene Elektroantrieb. [27; 28] Hierbei wird die Transporteinheit über eine selbst regulierende Kabelrolle mit elektrischer Energie versorgt. Mit entsprechender Gestaltung ist hier bei gleicher Leistung eine Reduzierung des Fahrzeuggewichtes möglich, was besonders für Transportaufgaben und Bodenschutz interessant ist.

Transporter

Eine interessante Entwicklung im Bereich Transporter ist der Universal Transportwagen von Krone. [29] Bei diesem Rollbandwagen wird zur Entladung das Bodenband mit der Frontwand nach hinten bewegt. Damit ist eine gleichmäßige und schonende Entladung der verschiedensten Güter möglich.

Über die Entladeregelung wird das Band und die mit nach hinten laufende Frontwand so gesteuert, dass das Transportgut auf einer vorher festgelegten Strecke gleichmäßig verteilt werden kann. Dabei spielt die Geschwindigkeit des Gespanns innerhalb des Geschwindigkeitsfensters (bis 3,5 km/h) keine Rolle. Damit ist unabhängig vom Fahrer eine gleichmäßige Verteilung möglich und die Verdichtungsfahrzeuge brauchen weniger Gut zu verschieben. Dies trägt zu einer gleichmäßigeren Verdichtung und somit zu einer hohen Silagequalität bei. Außerdem werden Kraftstoff und Zeit gespart, der Silostock weniger durch den Radschlupf der Verteilfahrzeuge wieder gelockert und Kapazität für das qualitätsrelevante Verdichten gewonnen. [30]

Bild 1: Rollbandwagen

Figure 1: general-purpose wagon

Agrarroboter

Mit der immer stärkeren Akzeptanz von Robotern in der Landwirtschaft [31] spielen sie auch in der Logistik eine entsprechende Rolle. Dabei sind mehrere Entwicklungen in der Logistik zu sehen: die Versorgungslogistik für kleine Säh- und Pflanzroboter, die Maschinenlogistik und die Erntelogistik im Ackerbau sowie Garten- und Obstbau.

Bei der Versorgungslogistik wird an autonomen Systemen gearbeitet, die es ermöglichen, die aktuell kleinen Sä- und Pflanzroboter auch auf größeren Flächen durch eine entsprechende Materialversorgung einsetzen zu können. [32; 33] Da die Feldroboter aktuell größer werden [34], sind auch neue Konzepte für den Maschinentransport über die Straße von Feld zu Feld gefragt. Beim Horsch RO 1 wird der Feldroboter an einen LKW angehängt, der auch als Versorgungsfahrzeug für das Saatgut dient. [35]

Bild 2: Horsch RO 1 beim Transport

Figure 2: Horsch RO 1 during transport

 

Bei Robotern in der Erntelogistik im Ackerbau stellen die Feldgrenzen aktuell in Europa auch die Einsatzgrenzen dar, da das Konstrukt des autonomen Fahrens im öffentlichen Raum bezüglich der Haftung noch nicht gesellschaftlich geklärt ist. [36] Somit stellt die Rechtsfrage hier noch vor technischen Aspekten den größten Forschungsbedarf dar. In Asien ist man besonders bei der Gemüseproduktion [37] in Städten bei Erntelogistikrobotern schon weiter. [38; 39] Im Obstbau werden aktuell mehrere Wege beschritten: Zum einen die Kombination von Ernte durch Menschen und Logistik durch Roboter [40; 41] oder zum anderen die Zusammenarbeit von Pflückroboter [42; 43] und entsprechenden Logistikrobotern [44; 45] als nächste Stufe.

Smart Farming in der Agrarlogistik

Die digitale Agrarlogistik verbreitet sich aktuell intensiv. Ein wichtiger Teil ist dabei die Optimierung von Sammelprozessen landwirtschaftlicher Rohstoffe, um die Prozesskosten und Arbeitszeit zu reduzieren. [46 - 49] Auch im Hinblick auf die 17 Sustainable Development Goals (SDGs) der UN werden digitale Logistikmodelle angewendet [50], um die Verluste von z.B. Frischgemüse auf der Transportkette zu reduzieren. Dies kann bei der Lebensmittelqualität durch die allgemeine Optimierung der Systeme geschehen [51] oder durch die Optimierung der Logistikprozesse hin zu kurzen Lieferketten [52]. Auch Modelle aus der Spieltheorie [53] werden angewendet, um die Frischgemüselogistik zu optimieren.

Beim Thema Rückverfolgbarkeit in der Logistik zeigt sich häufig das Problem der geringen digitalen Technisierung von Transport- und Umschlagtechnik. Teilweise geht man hier den Weg, über die GNSS Positionsdaten den Gutstrom für die Rückverfolgbarkeit zurück zu modellieren [54]. Hierzu müssen aber auch alle GNSS-Daten durchgängig erfasst sein und besonders an Knotenpunkten wie der Getreideannahme kommt es leicht zu Unschärfen. Ziel muss es deshalb sein, trotz der großen Anzahl „nicht intelligenter“ Maschinen in der Agrarlogistik eigenständige Datenketten aufzubauen. [55] Eine interessante Technologielösung ist hier die Telematik-Box Krone Smart Collect (KSC) von Krone, die eigentlich für den gewerblichen Güterkraftverkehr entwickelt wurde, aber auch in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann [56]. Die robuste Box verfügt über GNSS, eine eigene Energieversorgung über Solarpanel, Bluetooth-Schnittstellen für externe Sensoren und offene Datenschnittstellen für verschiedenste Anwender. [57] Auch bei der Datenübertragung, die in den letzten Jahren häufig zusätzliche Aufgaben wie die Agrarlogistik ausgebremst hat, gibt es inzwischen neue Entwicklungen in Form von kabellosen Netzwerken auf der Fläche [58] und eines leistungsstärkeren ISOBUS [59; 60].

Bild 3: Smart Telematics - Einbindung von Navigation und Logistik in ein FMS

Figure 3: Smart Telematics - Integration of navigation and logistics in a FMS

 

Auch komplexe Logistiksysteme für die Landwirtschaft entwickeln sich. So stellt SRADI [61] ein Logistik-Metamodell dar, in das eine IoT Infrastruktur auf LoraWan Basis und verteilte Daten-Dienstleister auf Basis von OpenSource integriert sind.

Im Bereich Navigation auf der Fläche konzentriert sich die Entwicklung aktuell auf die Fahrspurplanung für Agrarroboter. Im technischen Bereich sind dies z.B. Mehrgelenkmodelle [62] oder eine Fuzzy-Logik [63].

Logistikroboter in der Obst- und Gemüseernte müssen teilweise über einen langen Zeitraum immer wieder die gleiche Fläche befahren. Dafür ist neben einer GNSS-Navigation auch eine Umfeld-Navigation notwendig. Aktuell sind die meisten Systeme beim Anlernen ferngesteuert oder basieren auf einer einmaligen Umgebungsanalyse. Diese festen Karten und Aktionsschemata schränken jedoch die Flexibilität der Systeme ein. Da sich innerhalb der Vegetationsperioden die Umgebung schnell ändern kann, ist eine kontextsensitive Navigation notwendig. Hierzu sind erste Systeme in der Entwicklung, die Bestandskarten über einen gesamten Vegetationszeitraum ohne Benutzereingriff erstellen können. [64]

Bei den digitalen Logistikunterstützungssystemen ist zu beobachten, dass die Einzelsysteme untereinander abgestimmt werden, um den Gesamtprozess zu optimieren. Beispiele dafür sind z.B. die Routenplanung auf dem Feld mit der Prozessoptimierung im Mähdrescher, um Fehloptimierungen zu verhindern [65], oder die Integration des Mengenmodells bei der Planung der In-Field-Wegstrecke zum Bodenschutz [66; 67]. Auch die Abstimmung zwischen Mähdrescher und Überladewagen durch ein Assistenzsystem für den Mähdrescherfahrer verringert die Zeit, die der Fahrer mit Beobachtung des Überladeprozesses beschäftigt ist um 1/3 und führt insgesamt zu einer deutlichen Arbeitsentlastung. [68]

Wichtig bei der Betrachtung der digitalen Modelle für die Agrarlogistik ist aber auch, dass diese gegenüber der Praxis geprüft werden müssen, um keine Einflussfaktoren zu übersehen. [69; 70]

Zusammenfassung

Die beiden Jahre Corona hatten auch Auswirkungen auf die Entwicklung im Bereich Agrarlogistik. In der den Bereich betreffenden Gesetzgebung gab es keine weitere Diskussion oder Veränderung. In der Transporttechnik gab es auch keine großen Veränderungen. Die meisten Transportketten sind über die letzten Jahre optimiert worden. Der Bereich Silagelogistik für Biogasproduktion, der früher häufig Veränderungen angetrieben hat, reduziert sich insgesamt. Interessant für die Transporttechnik wird die zukünftige Entwicklung in Richtung klimaneutraler Logistik. Hier sind im LKW-Bereich die beiden Entwicklungen Batterie-elektrische Antriebe und Antriebe auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen zu beobachten. Welche Auswirkungen dies auf das Universaltransportfahrzeug Traktor hat ist zu beobachten. Entwickelt sich die Technik auch in diese Richtung oder führen die Gesamtheit der Anforderungen zu einer anderen Ausrichtung? Auch eine Option wäre die noch stärkere Verschiebung der Agrarlogistik in Richtung LKW-Technologie und der dann dort genutzten Antriebssysteme.

Im Bereich Agrarrobotik spielt die Logistik auch eine entscheidende Rolle. Zum einen müssen Systeme entwickelt werden, die die aktuellen kleinen Robotereinheiten zukünftig auf der Fläche mit Verbrauchsmaterial (Energie, Saatgut, Dünger, Pflanzenschutz, …) versorgen können, um sie weitestgehend autonom auf großen Flächen agieren zu lassen. Zum anderen werden Logistiksysteme benötigt, um Roboter zwischen verschiedenen Flächen transportieren zu können.

Abschließend wurde noch die Digitalisierung der Agrarlogistik betrachtet. Hier zeigt sich, dass die Modelle immer mehr die verschiedenen Einflussgrößen der Agrarlogistik integrieren können und somit Systemlücken schließen. Auch durch die Vernetzung mehrerer verschiedener Modelle kann die gesamte Kette besser abgebildet werden.

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[70]   Stettmer, M.; Treiber, M.; Heizinger, V.; Bernhardt, h.: Einfluss von schlagformspezifisch geplanten Befahrungsstrategien auf die Wendezeiten in der Bodenbearbeitung. 41. GIL-Jahrestagung, 08.-09.03.2021, Potsdam. In: Meyer-Aurich, A.; Gandorfer, M.; Hoffmann, C.; Weltzien, C.; Bellingrath-Kimura, S.; Floto, H. (Hrsg.): Informatik in der Land-, Forst- und Ernährungswirtschaft – Informations- und Kommunikationstechnologien in kritischen Zeiten, Bonn: Gesellschaft für Informatik 2021, S. 301-306.

 

Autorendaten

Prof. Dr. agr. Heinz Bernhardt ist Leiter des Lehrstuhls für Agrarsystemtechnik an der Technischen Universität München.

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digital logistics, drive systems, logistics robots
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Bernhardt, Heinz: Logistics. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2021. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2022. – pp. 1-13

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