Article in yearbook 2023

General Development Interoperability in agriculture

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Abstract:

The connection of several agricultural machines to form a working machine has a history of more than 120 years. The standardization of mechanical interfaces has been specified over time and continuously developed to meet the needs of users. The current task of the industry is to enable various proprietary systems to access process data from each other. This is particularly important in view of the growing automation of agricultural processes.

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Einleitung

Die Weltbevölkerung wird zwischen den Jahren 2021 und 2100 von 7,9 auf über 10 Milliarden anwachsen. Während die Bevölkerung in Asien und Lateinamerika annährend konstant bleibt, gleichen die Bevölkerungszuwächse in Nordamerika und Ozeanien den Verlust aus Europa aus (s. Bild 1). Die afrikanische Bevölkerung hingegen wird sich verdreifachen [1]. Zugleich sind die Auswirkungen des Klimawandels und der Erderwärmung in Afrika überproportional zu spüren. Dürre, Überschwemmungen, Waldbrände und Wüstenbildung beuteln besonders den Osten Afrikas [2]. Im Umkehrschluss bedeutet das wiederum, dass die Ernteausfälle in Afrika weltweit kompensiert und umverteilt werden müssen. Zudem sollen auch datengetriebene Technologien der Landwirtschaft vor Ort beim Aufbau von Frühwarnsystemen unterstützen und Ernteausfälle minimieren.

Bild 1: Prognose der Bevölkerung in den Kontinenten in den Jahren 2012 und 2100 [3].

Figure 1: Forecast about the development of the population on each continent in the years 2012 and 2100 [3].

 

Zugleich ist besonders in den europäischen und nordamerikanischen Ländern ein Rückgang der Anzahl an Beschäftigten im landwirtschaftlichen Bereich zu beobachten. Ernährte eine in der Landwirtschaft angestellte Person im Jahr 1949 noch zehn Personen, so sind es mittlerweile 137. Diese Entwicklung ist nur durch den Einsatz Effizienterer Techniken und Digitalisierung möglich [4].

In Deutschland werden mit sinkender Tendenz rund die Hälfte der Gesamtfläche für die Landwirtschaft genutzt. Jedoch verringern der Siedlungs- und Straßenbau sowie die Zunahme von Waldflächen jährlich die Agrarnutzfläche. Zudem ist ein Rückgang der Anzahl von kleinstrukturierten Betrieben zu erkennen, während die Anzahl der Großbetriebe mit mehr als 200 Hektar Fläche zunehmen. Diese Entwicklung verdeutlicht den wirtschaftlichen Druck, dem die Landwirtschaft ausgesetzt ist [5]. Die Kombination aus der wachsenden Weltbevölkerung bei gleichzeitiger Verringerung der Anzahl an Arbeitskräfte im Landwirtschaftlichem Sektor und einer Reduzierung der Nutzflächen, erfordern neue Technologien für eine effizientere und effektivere Landwirtschaft. Blickt man auf die Entwicklung der Landtechnik zurück, dann ist unverkennbar die Intention zu erkennen, eine möglichst vielfältige Anbindung von Traktor und Anbaugerät zu ermöglichen. So wurden erst mechanische dann hydraulische und elektrische Schnittstellen zwischen Traktor und Anbaugerät definiert. In der heutigen Arbeitsmaschine bestehend aus Traktor und Anbaugerät kommt noch der Austausch von Daten hinzu. Der Austausch von realen Felddaten mit dem Planungsrechner oder einer Cloud wird ebenfalls an Bedeutung gewinnen. Somit wird die Daten-Interoperabilität entlang der gesamten Datenwertschöpfung umso wichtiger.

Entwicklung und Normierung der mechanischen Schnittstellen

Historisch gesehen, steht die mechanische Anbindung der Arbeitsgeräte mit der Zugmaschine als erster Schritt von der Kompatibilität zwischen zwei Maschinen und Interoperabilität zwischen allen verfügbaren Geräten nach Bild 2.

Bild 2: Weg bis zur Interoperabilität [6].

Figure 2: Steps towards interoperability [6].

 

Aus den Landwirtschaftlichen Bedürfnisse zur Anbindung von Anhänger mit einer Zugmaschine entstehen Normen, die einen breiteren Einsatz der Maschinen untereinander ermöglichen. Demnach sind unter anderem in den Normenreihen ISO 6489 für das Zugfahrzeug und ISO 5692 (s. Bild 3) für das angehängte Gerät die Schnittstellen zueinander definiert.

Bild 3: Normierte Anhängevorrichtungen für den Landwirtschaftlichen Betrieb [7].

Figure 3: Standardized connection for the agricultural purpose [7].

 

Ein weiterer wichtiger Meilenstein in der Entwicklung von Anbindungen zwischen Traktor und Arbeitsgerät stellt der Übertrag von rotatorischen Kräften über eine Zapfwelle dar. Diese wurde erstmals 1908 durch die International Harvest Company patentiert und schon 1914 von Lanz verbaut [8]. Eine Normierung der Zapfwellen-Schnittstellen im Heck- und Frontanbau in den Normenreihen ISO 500 und ISO 8759 sichert eine Markenübergreifende Anbindung von Arbeitsgeräten mit Antriebsleistungsnutzung über eine Zapfwelle (z.B. Mähwerke und Pumpen).

Des Weiteren entsteht aus dem Bedarf die Arbeitshöhe der Geräte einzustellen in den 1930er Jahren die Dreipunktaufhängung. Die von Harry Ferguson entwickelte Technologie ermöglicht es, das Arbeitsgerät (z.B. ein Pflug) bei Bedarf anzuheben und verteilt zudem ein Teil des Gewichtes auf die Antriebsachse des Traktors. Der Dreipunktanbau ist als Heckhubwerk in der Normenserien ISO 730 definiert und dimensioniert (s. Bild 4).

Die Regelung der Höhe des Hubwerkes bringt eine weitere Standardisierung von Schnittstellen mit sich. 1983 löst die vollhydraulische Hubwerkregelung (SHR) die klassische mechanische Hubwerkregelung (MHR) ab. Diese erfordert zusätzlich zu den genannten Normierten mechanischen Schnittstellen auch noch eine hydraulische Verbindung, die im landtechnischen Bereich von der ISO 7241 Serie beschrieben wird. Als Stand der Technik der Hubwerkregelung gilt heutzutage die elektronische Hubwerkregelung (EHR). Diese ermöglicht eine zugkraft- oder lageabhängige Regelung sowie einen Mischbetrieb beider Regelungsarten.

Bild 4: Komponenten und Abmessungen der Dreipunktaufhängung [9].

Figure 4: Components and dimensions of three-point linkage [9].

 

Die Konstruktion der Kopplungspunkte des Traktors und des angehängten Geräts und der Kraftübertragung unter Berücksichtigung der Normenvorschriften sichert die Interoperabilität der mechanischen Schnittstellen. Die Normen beschreiben den Stand der Technik ohne welchen ein Produkt auf dem Markt keine Verkaufschance hätte. Die mechanischen Anbindungspunkte zwischen Traktor und angehängtem Gerät entsprechen demnach einem offenen, frei verfügbaren Standard nach Bild 2.

Elektronische Schnittstellen

Die Erscheinung der EHR und die damit verbundenen Möglichkeiten den Landwirtschaftlichen Arbeitsprozess zu optimieren, erfordert die Entwicklung einer Kommunikationsschnittstelle zwischen Traktor und Anbaugerät. In den 1980er Jahren wurden in Deutschland mehrere elektronische Kontroll- und Regeleinheiten für den landwirtschaftlichen Betrieb entwickelt. Für die Regelung der elektronisch gesteuerten Sähmaschinen und Pflanzenschutzspritzen wird die Fahrgeschwindigkeit benötigt. Nach ersten Nachrüstlösungen von Geschwindigkeitssen­soren wurde die Schnittstelle zur Signalübertragung in der Norm DIN 9684 im Jahr 1988 entwickelt. Diese Schnittstelle beinhaltet die Radgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit auf Radbasis, die Geschwindigkeit der Zapfwelle und den Zustand der Dreipunktaufhängung. Die ursprüngliche Norm DIN 9684 wurde ergänzt und im Jahr 1995 unter ISO 11786 veröffentlicht. Bild 5 zeigt die Steckerbelegung in der DIN 9684 und in der ISO 11786.

Bild 5: Steckerbelegung der DIN 9684 (links) und der ISO 11786 (rechts) [10].

Figure 5: Signal connector of DIN 9684 (left) and ISO 11786 (right) [10].

 

In diesem Zusammenhang sind ab diesem Zeitpunkt die Weitergabe von Informationen vom Traktor zum Anbaugerät möglich. So wird eine vorausgeplante Ausbringung von Saatgut, Dünger und Pflanzenschutzmittel in Echtzeit anhand der realen Parameter auf dem Acker angepasst.

Der Bedarf nach weiteren Funktionalitäten erfordert eine bidirektionale Kommunikation zwischen Traktor und Anbaugerät und läutet die Geburtsstunde des ISOBUS ein (zu Beginn noch Landwirtschaftliches Bus-System). Die Spezifikationen werden von nun an im ISO Technical Committee 23 Sub-Committee 19 (ISO/TC 23/SC 19) in der ISO 11786 für den Stecker und in der 14-teiligen ISO 11783-Serie für das Bussystem definiert. Dabei stellt die ISO-Norm 11783 zusammen mit den Conformance Tests der Agriculture Electronics Foundation e.V. (AEF) sicher, dass sich die im Feld befindlichen Traktoren und Geräte, Daten austauschen können und somit zufriedenstellend arbeiten können. Dabei hat der Käufer die Möglichkeit die Funktionalitäten und Kompatibilität verschiedener Landmaschinen in der AEF-ISOBUS-Datenbank zu prüfen.

 

 

Analog zu der erwähnten Normierung der mechanischen Kopplungspunkte, spielen auch die ISOBUS-Funktionalitäten der Maschinen eine wichtige Rolle in der Kaufentscheidung, so dass alle Hersteller eine möglichst breite Kompatibilität durch die Einhaltung der ISO 11783 und der AEF-Conformance Tests anstreben. Die volle Ausschöpfung des Potentials des kommunizierenden Systems Traktor-/angehängtes Gerät wird unter TIM (Tractor Implement Management) erreicht. Dabei werden aus den erforderlichen landwirtschaftlichen Prozessgrößen des Anbaugeräts (z.B. auszubringende Saatgut- oder Düngermenge) sicherheitskritische Größen des Traktors (z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit oder Spurführung) gesteuert. Die TIM-Funktionalitäten sind zurzeit in der AEF Released International Guideline ISOBUS Automation Principles (AEF RIG 023) definiert. Dabei sind sowohl die Sicherheitsanforderungen, die Implementierung als auch die Authentifizierung und der Zertifikataustausch beschrieben (s. Bild 6).

Bild 6: Regelung der landwirtschaftlichen Prozesse anhand der realen Acker-Daten [10].

Figure 6: Closed-loop control of agricultural processes [10].

Daten Schnittstellen

Die Weiterentwicklung der Funktionalitäten der Landmaschinen in Richtung hochautomatisierten oder autonomen Geräte-Systeme (Kombination aus Zugmaschine und Arbeitsgerät) und damit verbundene Echtzeitfähigkeit erfordert neue technische Lösungen. In diesem Zusammenhang wird zurzeit industrieübergreifend eine neue Kommunikationstechnologie entwickelt. Hierfür entwickeln parallel in ISO und in AEF die Landtechnik-, die Baumaschinen-, die Bergbau-, die Forstmaschinen- und die Nutzfahrzeug-Industrie ein neues Kommunikationsnetzwerk, das zukünftige Bedürfnisse dieser Branchen stillen soll. Das Netzwerk soll sowohl auf der Ethernet-Technologie als auch auf drahtloser Kommunikation basieren und eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 1 Gbit/s pro Sekunde ermöglichen. Im Landtechnikbereich wird das neue Netzwerk High-Speed-ISOBUS genannt und auf ISO-Ebene in der Normenreihe ISO 23870 - Mobile machinery - High speed interconnect spezifiziert. Wie in Bild 7 zu erkennen, soll das HSI-Netzwerk ergänzend zur aktuellen ISOBUS nach ISO 11783 implementiert werden und soll zudem über HSI-TECU eine Schnittstelle zum ISOBUS bieten. Diese greift die Informationen vom ISOBUS ab und legt diese auf den HSI ab. Von dort aus ist eine schnelle Ethernet-Kommunikation in der Maschine möglich, aber auch eine drahtlose Kommunikation mit anderen Geräten.

 

Bild 7: HSI-Architektur [11].

Figure 7: HSI-architecture [11].

 

Die Gründung der europäischen Dateninfrastruktur GAIA-X soll die Möglichkeiten der Systeme erweitern unter der Voraussetzung, dass sie über geeignete Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Ziel ist dabei ein sicheres föderiertes Datenökosystem zu schaffen, um auf Open-source Basis Dienste und Daten auszutauschen. Dies soll neue Geschäftsmodelle erschließen und Innovationen durch Verknüpfung und Datenverarbeitung fördern [12]. Auf dieser Basis werden KI-Dienste für die Anwendung in der Landwirtschaft in Forschungsprojekten wie NaLamKI (Nachhaltige Landwirtschaft mit Künstlicher Intelligenz) [13] entwickelt. Die Nutzung der Verfügbaren Daten dienen der Anpassung vorhandener KI-Methoden an landwirtschaftsspezifischen Anwendungen und das Training neuer KI-Modelle. In diesem Kontext können aggregierte Daten von z.B. Maschinen, Sensoren, Fernerkundung zu einer Optimierung von Bewässerung, Düngung und Schädlingsbekämpfung bei gelichzeitiger Ressourcen- und Umweltschonung genutzt werden.

Die Verbindung von "On-board" und "Off-board" Daten über z.B. herstellerspezifische Farm-Management und Informationssysteme (FMIS) stellt sich heutzutage jedoch noch als herausfordern dar. Dennoch sind Industrie und Politik bemüht diese Lücke zu schließen. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft hat im August 2023 eine Richtlinie zur Förderung der Interoperabilität in der Landwirtschaft veröffentlicht. Dabei sollen Projekte mit Fokus auf die Datenübertragung entlang der Wertschöpfungskette gefördert werden, aber auch diejenigen, die die Kommunikation mit bestehenden Datenräume oder Lösungen zur Ressourcenschonung und zur Steigerung der Effizienz zum Ziel haben. Die Landtechnikhersteller arbeiten ebenso an einer Lösung. Dabei soll das Agriculture Interoperability Network (AgIN) über Konnektoren den Austausch von einer proprietären Lösung zur anderen ermöglichen [14]. Dabei sollen Schritt für Schritt verschiedene Use-Cases implementiert werden, zum Beispiel um eine Ortung von Maschinen unterschiedlicher Hersteller in einer Oberfläche zu ermöglichen [15]. Auch in der Normung wird der Bedarf nach Interoperabilität entlang der Wertschöpfungskette erkannt und die  International Organization for Standardization (ISO) hat im Jahr 2023 das Smart Farming Coordination Commitee (SFCC) gegründet. Dieses soll die technischen Komitees entlang der Lebensmittelwertschöpfungskette bei der Veröffentlichung sog. "Smart Farming Ready" Standards unterstützen. Dabei liegt der Fokus des SFCC auf die Förderung der Kommunikation zwischen zwei technischen Komitees, die Schnittstellen in der Wertschöpfung besitzen. So sollen Datenbrüche eliminiert werden.

Zusammenfassung

Während in der Vergangenheit ein möglichst vielseitiges Arbeitsgerät durch seine mechanischen Schnittstellen definiert wurde, reicht dies heutzutage nicht mehr aus. Es ist essenziell, dass Geräte ohne viel Aufwand Daten On- und Offboard sicher austauschen können. Im Hinblick auf eine steigende Automatisierung der landwirtschaftlichen Prozesse, ist eine Lückenlose Datenverarbeitung und Weitergabe entlang der Wertschöpfungskette von hoher Wichtigkeit. Dabei müssen Systeme geschaffen werden, die eine Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Ressourcenschonung erzielen und sie müssen dabei intuitiv bedienbar sein und einen Nutzermehrwert bieten. Die Initiativen aus Industrie, Forschung und Politik streben nach diesem Ziel, so dass die Landwirtschaft hoffentlich bald von einer fairen Datenökonomie profitieren kann.

Literatur

[1]     Statista: Prognose der Bevölkerung in den Kontinenten in den Jahren 2021 und 2100. URL: https://​de.statista.com​/​statistik/​daten/​studie/​184686/​umfrage/​weltbevoelkerung-​nach-​kontinenten/​, Zugriff am: 12.01.2024.

[2]     Sueddeustche Zeitung: Klimawandel zwingt 2,5 Millionen in Afrika zur Flucht. URL: https://​www.sueddeutsche.de​/​wissen/​klima-​klimawandel-​zwingt-​2-​5-​millionen-​in-​afrika-​zur-​flucht-​dpa.urn-​newsml-​dpa-​com-​20090101-​220908-​99-​678145, Zugriff am 25.03.2024.

[3]     Statista: Prognose der Bevölkerung in den Kontinenten in den Jahren 2021 und 2100. URL: https://​de.statista.com​/​statistik/​daten/​studie/​184686/​umfrage/​weltbevoelkerung-​nach-​kontinenten/, Zugriff am 25.03.2024​.

[4]     Statista: Anzahl der landwirtschaftlichen Betriebe und Bauernhöfe in Deutschland bis 2022. URL: https://​de.statista.com​/​statistik/​daten/​studie/​36094/​umfrage/​landwirtschaft---​anzahl-​der-​betriebe-​in-​deutschland/, Zugriff am 25.03.2024​.

[5]     Statista: Landwirtschaftliche Nutzfläche in Deutschland in den Jahren 1949 bis 2023. URL: https://​de.statista.com​/​statistik/​daten/​studie/​206250/​umfrage/​landwirtschaftliche-​nutzflaeche-​in-​deutschland/​, Zugriff am 25.03.2024.

[6]     Le Chevallier, F.: How to fix Interoperability in Healthcare. URL: https://​medium.com​/​lifen-​engineering/​how-​to-​fix-​interoperability-​in-​healthcare-​afda61a8785c, Zugriff am 25.03.2024.

[7]     DLG-Ausschuss für Normen und Vorschriften: Anhängevorrichtungen an Traktoren. DLG-Merkblatt, Bd. 387, DLG e.V. Testzentrum Technik und Betriebsmittel (Hrsg.), 2013.

[8]     Nienhaus, C.; Stuhrmann, H.: Verbindungseinrichtungen (Schnittstellen) zwischen Traktor und Arbeitsgerät (2019).

[9]     ISO: ISO 730:2009 Agricultural wheeled tractors – Rear-mounted three-point linkage. ISO 730:2009.

[10]   Oksanen, T.; Auernhammer, H.: The Open Hard-Wired Network Standard for Tractor-Implement Communication, 1987-2020. ASABE Distinguished Lecture, Bd. 42, American Society of Agricultural and Biological Engineers (Hrsg.), St. Joseph Februar 2021.

[11]   AEF e.V.: HSI - CAN-Tunneling. Agricultural Industry Electronics Foundation e.V., ISO/TC 127/SC3/JWG16 Meeting in Orlando 2023-03-06 2023.

[12]   GAIA-XURL: https://​gaia-x-hub.de​/​.

[13]   NaLamKI: Nachhaltige Landwirtschaft mit Künstlicher Intelligenz. URL: https://​nalamki.de​/​.

[14]   N.N.: AEF stellt auf der Agritechnica wegweisende Technologien für die Interoperabilität in der Landtechnik vor, 26.09.2023.

[15]   AEF e.V.: Executive Summary – Agricultural Interoperability Network. Agricultural Industry Electronics Foundation e.V., 2023.

 

 

Autorendaten

M.Sc. Nicolas Hummel ist Referent für Digitalisierung in der Landtechnik beim VDMA-Landtechnik.

Keywords:
standardization, Interoperabilität, Datenraum, Schnittstellen
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Hummel, Nicolas: Interoperability in agriculture. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2023. Braunschweig: TU Braunschweig / Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2024. – pp. 1-11

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