Framework für Konstrukteure

STW hat ein Modell entwickelt, das eine übergeordnete Vergleichbarkeit des Automationsgrades mobiler Maschinen erlaubt – sowohl hinsichtlich der Fahr- als auch der Arbeitsfunktionen.

Die zunehmende Automatisierung mobiler Arbeitsmaschinen erfordert eine präzise Systematik zur Klassifikation der verschiedenen Stufen der Automation. Während sich die Automobilindustrie auf die SAE-Norm J3016 stützt, lassen sich deren Definitionen aufgrund der komplexen und widrigen Einsatzumgebungen und Aufgaben mobiler Maschinen nicht direkt übertragen. Die Automatisierungsspezialisten von STW haben daher ein eigenes Rahmen- und Regelwerk für die Klassifizierung entwickelt, das diese besonderen technischen und funktionalen Anforderungen berücksichtigt. Das Ziel ist eine einheitliche Nomenklatur und ein standardisiertes Regelwerk für Hersteller, Betreiber und Entwickler, um Systeme besser vergleichen, regulatorisch einordnen und sicher auslegen zu können. 

Automation und Autonomie 

Zunächst muss definiert werden: Was ist „Automation“ und was ist „Autonomie“? Automation beschreibt die Nutzung technischer Systeme, um Aufgaben zu übernehmen, die bislang durch Menschen ausgeführt wurden. Autonomie dagegen bezeichnet die Fähigkeit eines Systems, unabhängig und eigenverantwortlich Entscheidungen zu treffen und ohne menschliche Eingriffe zu handeln. Folglich ist Autonomie keine alternative Form von Automation, sondern deren höchste Ausprägung. Nur hochautomatisierte Systeme können autonom agieren. Ein Bagger mit Hinderniserkennung und -vermeidung gilt als automatisiert, nicht aber als autonom, weil er keine eigenständige Planung komplexer Aufgaben leisten kann. Ein autonomes System müsste in der Lage sein, seine Umgebung wahrzunehmen, zu analysieren, Handlungsoptionen zu bewerten und selbstständig Strategien zu wählen – vergleichbar mit einem virtuellen Operator, der Entscheidungen auf Basis wechselnder Umweltbedingungen trifft. 

Das vorgeschlagene Modell unterscheidet zwei Dimensionen der Automation: Driving Automation (DA), die das Fahren und Bewegen der Maschine betrifft, und Work Process Automation (WPA), welche die eigentliche Arbeitsfunktion der Maschine abbildet. Beide Aspekte verlaufen parallel, da mobile Arbeitsmaschinen typischerweise während der Bewegung Aufgaben ausführen. Ein Müllsammelfahrzeug muss etwa gleichzeitig sicher navigieren und den Sammelvorgang koordinieren. Um die verschiedenen Stufen der Automation einzuordnen, haben die Experten ein sechsstufiges System entwickelt (vgl. Tabelle 1). Die Stufen reichen sowohl für DA als auch WPA von Level 0, operatorgeführte Maschine ohne Assistenzfunktionalitäten, bis Level 5, vollautonome Maschine.  

Der Bediener als Teil des Regelkreises 

Jede Stufe beschreibt, wie das Automatisierungssystem strukturiert ist, wie hoch die kognitive Belastung des Fahrers bleibt und welche Aufgabenverteilung zwischen dem Maschinenführer und der Maschine erfolgt. Dabei wird der Bediener als Teil des Regelkreises verstanden und abgebildet. 

Auf Level 0 agiert der Bediener vollständig eigenständig. Alle Regelkreise – von der Wahrnehmung über die Sollwertvorgabe bis zur Aktorsteuerung – liegen in seiner Verantwortung. Sensorik oder elektronische Steuerungen (ECUs) unterstützen nicht.  

Auf Level 1 (Notification) beginnt die Maschine, den Bediener über Betriebszustände zu informieren. Sensoren erfassen Prozessgrößen und geben Warnungen oder Empfehlungen aus. Das System greift jedoch nicht aktiv in die Regelung ein. Der Mensch bleibt alleinige Führungs- und Kontrollinstanz und muss seine Aufmerksamkeit zwischen mehreren Prozessgrößen verteilen. 

Mit Level 2 (Aid Assistance) übernimmt die Maschine Hilfsfunktionen. Sie kann gleichzeitig Lenk- und Beschleunigungsfunktionen unterstützen oder beim Arbeitsprozess einzelne Achsen teilautomatisiert führen. Die ECU reduziert den kognitiven Aufwand, der Bediener bleibt aber stets Teil des Regelkreises. Diese Stufe ist typisch für heutige Fahrerassistenzsysteme oder teilautomatisierte Steuerungen von Hydraulikfunktionen. 

Ab Level 3 (Partial/Conditional Automation) übernimmt ein automatisiertes Fahrsystem wesentliche Steuerungsfunktionen, solange definierte Bedingungen erfüllt sind. Der Mensch muss jedoch eingriffsbereit bleiben. Bei WPA-Level 3 definiert der Bediener Zielwerte oder Start-/Stopp-Befehle, während die Maschine die Prozessführung selbstständig realisiert. 

Auf Level 4 (Full Automation) führt das System alle Fahraufgaben oder Arbeitsprozesse selbständig aus, solange es sich in bekannten und vorhersehbaren Umgebungsbedingungen befindet. Der Bediener wird entlastet und greift nur noch bei unvorhergesehenen Ereignissen ein. Die Hochleistungssteuerung (HPX) übernimmt die Prozessoptimierung, der Maschinenführer agiert lediglich als Aufsichtsperson und strategischer Entscheider.  

Level 5 (Autonomy) schließlich beschreibt die autonome Maschine. Sie übernimmt sämtliche Aufgaben des Bedieners, von der Wahrnehmung über die Planung bis zur Ausführung. Eine virtuelle Operator-Instanz führt Echtzeit-Analysen durch, wählt Handlungsstrategien und lernt aus den Ergebnissen. Der Mensch wird vollständig aus der Prozessführung entbunden und durch die Hochleistungssteuerung ersetzt. In dieser Stufe muss das System in der Lage sein, auch in unbekannten Situationen geeignete Entscheidungen zu treffen. 

Dieser Ansatz - den Bediener als Teil des Regelkreises zu verstehen - erlaubt eine präzise Beschreibung der Interaktion zwischen Mensch und Maschine und die Eingruppierung in das Framework – ein entscheidender Vorteil für Systemarchitekten und Entwicklungsingenieure. Sie können damit klar definieren, welche Sensorik, Aktuatorik und Rechenleistung erforderlich ist, um den jeweiligen Automationsgrad sicher zu realisieren.

Rolle der Konnektivität 

Ein Aspekt, der neben der Automationsstruktur berücksichtig werden muss, ist die notwendige Konnektivität. Mit steigendem Automationsgrad wächst die Bedeutung der Vernetzung, um Sensor- und Steuerungsdaten mit weiteren Prozessbeteiligten auszutauschen. Ab Level 3 ist eine leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur zwingend erforderlich, um den Anforderungen an Latenzen für Echtzeitanwendungen sowie Safety und Security zu genügen. Zu berücksichtigen sind hierbei die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M), zur Infrastruktur (M2I) und zu Services (M2S) wie etwa Cloud-Computing-Diensten. Über diese Kanäle fließen Sensordaten, Steuerbefehle, Zustandsmeldungen und Software-Updates. 

Klare Orientierung 

Das vorgeschlagene Framework bietet eine klare Orientierung bei der Entwicklung, Integration und Validierung automatisierter Funktionen. Das STW-Framework für die Automationsstufen mobiler Arbeitsmaschinen schafft eine praxisorientierte, technisch fundierte Klassifikation, die sowohl Fahr- als auch Arbeitsfunktionen berücksichtigt und erlaubt, diese voneinander unabhängig einzuordnen. Beispielsweise kann eine Maschine im Fahrbetrieb auf Level 2 (DA-2), im Arbeitsprozess aber auf Level 4 (WPA-4) eingestuft sein. Diese Flexibilität spiegelt die Vielfalt mobiler Arbeitsmaschinen wider und verhindert Über- oder Unterklassifizierung durch ein zu generell gefasstes Regelwerk, das nicht zwischen Fahr- und Arbeitsfunktionen unterscheidet. 

Das Framework definiert präzise, welche Aufgaben vom Menschen und welche von der Maschine übernommen werden, welche Sensorik und Rechenleistung erforderlich ist und wie die kognitive Belastung des Bedieners sinkt. Es erleichtert die Auswahl geeigneter Steuergeräte und Sensor- sowie Kommunikationsausstattung sowie die Risikobewertung nach funktionalen Sicherheitsnormen. Gleichzeitig bildet das Modell die Grundlage für künftige Normierungs- und Zulassungsverfahren, die bisher durch uneinheitliche Begriffsverwendungen erschwert werden. Damit ist die Voraussetzung für die Definition und Umsetzung sicherer, produktiver und lernfähiger Systeme geschaffen, die den Übergang von der reinen Automation zu echten autonomen mobilen Arbeitsmaschinen beschleunigen. 

Autor: Peter Becker, Becker Storystelling 

Bilder: Sensor-Technik Wiedemann GmbH