ARTUS: Dezentrale Kommunikation mobiler Bergbaumaschinen

Das Forschungsprojekt ARTUS zielte auf die Entwicklung von Systemen für die ganzheitliche Umsetzung eines vollständigen Belade-Entlade-Zyklus durch eine autonome Sonderfahrzeugflotte ab. Eine Herausforderung hierbei ist der Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur für Bergbauumgebungen und die Sicherstellung benötigter Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M). Dieser Artikel präsentiert Projektinhalte und Forschungsergebnisse des Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen University (RWTH), Aachen, im Bereich der M2M-Kommunikation mobiler Bergbaumaschinen innerhalb des ARTUS-Projekts. Als prototypischer Lösungsansatz zu dieser Problematik wurde am AMT das M2X-Gateway entwickelt, das, maßgeschneidert auf die Anforderungen des Bergbaus, die Kommunikation von Bergbaumaschinen auf den ISO-Kommunikationsebenen 1 bis 7 ermöglicht.

Einführung

Die Entwicklung autonomer Bergbaumaschinen sowie autonomer Transportsysteme (AHS) für den Bergbau hat in den vergangenen Jahren die Aufmerksamkeit zahlreicher Maschinenhersteller auf sich gezogen (1, 2). Diese Systeme automatisieren den Materialtransport in Truck-and-Shovel-Bergbaubetrieben und haben laut Herstellerangaben in zahlreichen Bergbauoperationen zu Verbesserungen in Produktivität und Sicherheit geführt (3). Das Forschungsprojekt ARTUS (Autonomes robustes Transportsystem für hybride umweltschonende Rohstoffgewinnung auf Basis knickgelenkter Sonderfahrzeuge) zielte über reinen Materialtransport hinaus auf die Entwicklung von Systemen für die ganzheitliche Umsetzung eines vollständigen Belade-Entlade-Zyklus durch eine autonome Sonderfahrzeugflotte ab. In diesem Zusammenhang wurde eine Flotte aus mehreren knickgelenkten Muldenkippern sowie einem Beladefahrzeug zum autonomen Betrieb umgerüstet. An der Realisierung der Forschungsziele des ARTUS-Projekts war ein breites Konsortium aus akademischen und privatwirtschaftlichen Partnern beteiligt:

• Umrüstung knickgelenkter Muldenkipper für den autonomen Betrieb (Fritz Rensmann GmbH),
• sensorische Ausstattung und Automatisierung knickgelenkter Muldenkipper (mascor-Institut, FH Aachen und xtonomy GmbH),
• Lokalisierung und Trajektorienfolgeregelung knickgelenkter Muldenkipper (Institut für Regelungstechnik, RWTH Aachen),
• Flottenplanung (mascor-Institut, FH Aachen),
• Automatisierung des Beladefahrzeugs (nerospec SK GmbH) und
• M2M Kommunikation der Prozessteilnehmer (Institute for Advanced Mining Technologies, RWTH Aachen).

Dieser Artikel präsentiert Forschungsergebnisse des Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen University (RWTH), Aachen, im Bereich der Maschine-zu-Maschine (M2M)-Kommunikation mobiler Bergbaumaschinen. Die dargestellten Inhalte wurden im Rahmen des ARTUS-Projekts erarbeitet. Hintergrund und Problemstellung der M2M-Kommunikation im Bergbau sowie ein Lösungsansatz gegenwärtig verfügbarer Systeme werden dargelegt. Darauffolgend wird der entwickelte Lösungsansatz mittels M2X-Gateways erläutert und abschließend auf die technische Umsetzung und Evaluierung eingegangen.

Interaktion und Kommunikation

Der Lade- und Transportzyklus dient dem effizienten Transport großer Mengen Materials von der Abbaustelle und ist somit ein zentraler Teil des Bergbauprozesses. Im diskontinuierlichen Bergbau bezeichnet der Lade- und Transportzyklus die Aufnahme von Material durch Ladegeräte, das Verladen des Materials auf Transportfahrzeuge und den Transport zu einer Kippstelle. Aufgrund seiner integralen Rolle ist die Effizienz dieses Zyklus ausschlaggebend für den Gesamterfolg eines Bergbaubetriebs. Für diesen kooperativen Prozess mit physischer Interaktion schwerer Maschinen ist darüber hinaus ein hohes Maß der Koordination zwischen den Prozessteilnehmern erforderlich, um neben Effizienz auch die reibungslose und sichere Durchführung des Prozesses zu gewährleisten. Über die technisch anspruchsvolle Realisierung einzelner autonomer Bergbaumaschinen hinaus ist ein weiterer zentraler Aspekt autonomer Flotten somit die Interaktion mehrerer Prozessteilnehmer. Eine Herausforderung hierbei ist der Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur für Bergbauumgebungen und die Sicherstellung benötigter M2M-Kommunikation.

Am Markt befindliche AHS lösen diese Pro­blematik mittels flächendeckender Netzwerkabdeckung und dauerhafter Anbindung aller Teilnehmer an ein zentralisiertes Netzwerk (4). Solche konventionellen Netzwerke in Sterntopologie sind für die Aufrechterhaltung der Kommunikationsfähigkeit immer auf eine intakte Verbindung zu einem zentralen Knoten (Router) angewiesen, der für das Routing der Datenpakete an die jeweiligen adressierten Netzteilnehmer verantwortlich ist. Diese Netzwerke besitzen somit einen Single-Point-of-Failure. Bild 1 verdeutlicht den Aufbau eines zentralisierten Netzwerks.

Eine Unterbrechung der Verbindung zum Router bedeutet hier neben dem Verlust der Überwachung in einem Flottenmanagementsystem (FMS) auch einen Ausfall der Kommunikation mit anderen Prozessteilnehmern in direkter räumlicher Nähe.

Der Lagerstätte folgend und über die Zeit wachsend sind über- und untertägige Bergwerke jedoch weitläufige und veränderliche Umgebungen. Somit erfordert das Fortschreiten der Abbaufront eine ständige Erweiterung des Netzwerks und das regelmäßige Nachrüsten von Infrastruktur. Vorrichtung und Instandhaltung einer flächendeckenden, zentralisierten Netzwerkinfrastruktur bedeuten vor diesem Hintergrund einen erheblichen Kosten- und Arbeitsaufwand, weshalb das Problem der Konnektivität im Bergbau häufig ein Innovationshemmnis darstellt. (5)

Dezentrale Kommunikation via M2X-Gateway

Um diesen erhöhten Anforderungen gerecht zu werden, wurde im ARTUS-Projekt ein Ad-hoc-Kommunikationssystem für bergbauliche Sonderfahrzeuge entwickelt, um die dezentrale Kommunikation der Teilnehmer im Bergbauprozess zu ermöglichen. Die Entwicklung, Evaluation und Integration der Kommunikationshardware und -software in ein M2X-Gateway wurden im ARTUS-Projekt durch das AMT übernommen.

Zur Erfüllung der aus dem bergbaulichen Prozess resultierenden Anforderungen werden im M2X-Gateway zwei Kommunikationstechnologien synergetisch miteinander vereint. Auf diese Weise wird sowohl die direkte Kommunikation zwischen Maschinen in räumlicher Nähe gewährleistet als auch eine robuste, grundlegende Überwachung der Maschinen durch ein FMS ermöglicht.

Die dezentrale M2M-Kommunikation basiert auf einem Mesh-Kommunikationsnetzwerk, das eine direkte Kommunikation ermöglicht. In einem solchen mobilen Ad-hoc-Netzwerk für Fahrzeuge (Vehicular Ad-Hoc Network – VANET) fungiert jedes Fahrzeug als eigener Netzwerkknoten, der mit benachbarten Knoten auf direktem Weg kommunizieren sowie durch „multi-hopping“ auch entfernte Systeme adaptiv anbinden kann. Im Gegensatz zu einer Stern-Topologie eines Netzwerks wird das VANET nicht durch stationäre Access Points aufgespannt, sondern durch das M2X-Gateway der Fahrzeuge selbst. Auf diese Weise können Prozessteilnehmer in räumlicher Nähe miteinander kommunizieren, ohne auf die Verbindung zu externer Netzwerkinfrastruktur angewiesen zu sein. Darüber hinaus kann das Mesh-Netzwerk durch die strategische Platzierung weiterer M2X-Gateways als Netzwerkknoten flexibel erweitert werden.

Als physische Netzwerkschicht nutzt das M2X-Gateway den IEEE802.11n-Standard, auch als Wi-Fi 4 bezeichnet, um eine möglichst hohe Funkreichweite bei hohem Datendurchsatz zu erreichen. Dabei werden alle Wi-Fi-Stationen des M2X-Netzwerks im IBSS-Modus (Independent Basic Service Set) genutzt, sodass diese direkt miteinander kommunizieren können. Ein Betriebssystemkernel-basierter Mesh-Netzwerk-Treiber implementiert ein Mesh-Routing-Protokoll, das ein multi-hopping über mehrere Wi-Fi-Stationen ermöglicht. Das Mesh-Routing-Protokoll arbeitet dabei auf dem Data-Link-Layer, was eine agnostische Anwendung verschiedenster Netzwerkprotokolle der höheren Schichten ermöglicht.

Zur Überwachung der Bergbaufahrzeuge in entlegenen Bereichen wird als zweiter Funkstandard die Long-Range-Kommunika­tionstechnologie (LoRa) genutzt. Bei der LoRa-Technologie handelt es sich um eine Funktechnologie (868 MHz), die sich gegenüber anderen Funktechnologien wie Wi-Fi oder Bluetooth durch besonders hohe Funkreichweite auszeichnet. Da diese Eigenschaften auf Kosten der erreichbaren Datenrate erzielt werden, ist der LoRa-Standard besonders im Anwendungsbereich entlegener Sensorsysteme und Internet of Things (IoT)-Systeme populär, wo in längeren Zyklen kleine Mengen an Sensordaten gesendet werden müssen. Tabelle 1 verdeutlicht schematisch den Vergleich der LoRa- und Wi-Fi Funktechnologien.

Analog zu seinen Anwendungen im IoT-Bereich wurden die Eigenschaften der LoRa-Technologie im ARTUS-Projekt genutzt, kleinere Status-Updates der Maschine zyklisch an das FMS zu übermitteln. Auf diese Weise kann eine robuste, grundlegende Überwachung der Maschinenflotte mit deutlich verringertem infrastrukturellem Aufwand realisiert werden. Bild 2 stellt stilistisch die synergetische Nutzung beider Funktechnologien im ARTUS-Projekt heraus.

Neben der physischen Bereitstellung eines Kommunikationswegs stellt die Spezifizierung von Art und Inhalt der benötigten Kommunikation eine weitere Herausforderung dar. Erste Bestrebungen der Standardisierung in diesem Bereich zielen darauf ab, durch Definition einer herstellerunabhängigen und standardisierten Kommunikationsschnittstelle, die Erweiterung der Fahrzeugflotte und Integration neuer Fahrzeuge zu erleichtern (7). Aufbauend auf dem Mesh-Kommunikationsnetzwerk wurde mit OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) eine herstellerinteroperable und standardisierte Protokollschnittstelle ab ISO-Layer 5 implementiert und in das M2X-Gateway integriert. Somit werden relevante Fahrzeugdaten semantisch strukturiert über einen OPC UA-Server zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht beispielsweise die Implementierung der OPC UA Companion Mining, welche die relevanten Informationen zur Abwicklung u. a. des Be- und Entladeprozesses im Bergbau spezifiziert.

Technische Umsetzung und Evaluierung

Die physische Integration des entwickelten Systems erfolgt als zusätzliche Hardware in staub- und wasserdichten Gehäusen, die nachträglich auf den Maschinen integriert und über kabelgebundenes Ethernet-LAN an das maschineninterne Netzwerk angeschlossen werden. Die Energieversorgung erfolgt über ­einen fahrzeugtypischen 24 VDC-Spannungskreis.

Neben der Versorgung über Fahrzeugspannung wurden weitere Gateways für den Akkubetrieb entworfen, um durch zusätzliche Platzierung von Knoten eine flexible Erweiterung des Mesh-Netzwerks zu ermöglichen. Bild 3 zeigt das entwickelte M2X Gateway, Bild 4 den umgerüsteten Muldenkipper mit integriertem M2X-Gateway.

In Testmessungen erfüllt das VANET die Anforderungen zur Übertragung standardisierter textbasierter Nachrichten. Das Re-routing des Netzwerkspfads über einen oder mehrere Hops erfolgt nahtlos und ohne wahrnehmbare Verzögerung. Die Evaluierung der Netzwerkabdeckung erfolgt über ein entwickeltes Kartentool (Heatmap), das ausgewählte Netzwerkmetriken in räumlicher Relation für den Benutzer lesbar darstellt. Bild 5 zeigt einen Ausschnitt dieser Heatmap über der bergbaulichen Testumgebung. Zu erkennen ist die Trajektorie des mobilen Knotens anhand der Messpunkte (rot).

Farblich dargestellt wird die Signalstärke eines mobilen Netzwerkknotens, wobei grün eine höhere und rot eine geringere Signalstärke zum jeweils nächstbesten in der Umgebung befindlichen Knoten symbolisiert. Das LoRa-Netzwerk zur Datenübertragung von sporadischen Statusnachrichten hat sich gemäß den Anforderungen bewährt. Über das gesamte Testgelände eines Tagebaus konnten Daten bestehend aus GPS-Position und Zustand der Maschine mittels eines einzigen Transceiver-Paars übertragen werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Ziel des ARTUS-Projekts war die Umsetzung einer autonomen Fahrzeugflotte für einen Truck-and-Shovel-Bergbaubetrieb. Integraler Bestandteil war die Interaktion der Prozessteilnehmer und damit die M2M-Kommunikation mobiler Bergbaufahrzeuge. Das AMT hat in diesem Zuge das M2X-Gateway entwickelt, das als Prototyp die dezentrale Kommunikation der Prozessteilnehmer über ein VANET ermöglicht. Die Funktechnologien LoRa und Wi-Fi wurden hier implementiert, um die Stärken beider Technologien im Anwendungsfall synergetisch zu nutzen. Während die direkte M2M-Kommunikation über das durchsatzstärkere Wi-Fi-VANET erfolgt, wird die LoRa-Kommunikation für eine sporadische Statusmitteilung der Maschine an das FMS herangezogen. Zur Standardisierung der M2M-Kommunikation auf den höheren Netzwerkschichten wurde eine OPC UA-Schnittstelle implementiert, die relevante und definierte Informationen der Maschine zugänglich macht. Aspekte des in ARTUS entwickelten M2X-Gateways werden am AMT im Zuge weiterführender Projekte aufgegriffen. Innerhalb des NexGen-SIMS Projekts wird u. a. die Nutzung der LoRa-Technologie für untertägige Umgebungen evaluiert. Im ELMAR-Projekt werden KI-gestützte Algorithmen zur Protokollverhandlung der Anwendungsschicht implementiert und getestet.

Förderung

Das Projekt wurde durch das Förderprogramm „IKT 2020 – Forschung und Innovationen“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter der Projektfördernummer 033R126DN gefördert.