Management Wie Roboter die Logistik revolutionieren

Effizienter und flexibler: In Dortmund entwickeln Fraunhofer-Forscher Roboterschwärme mit künstlicher Intelligenz – und leiten eine neue Ära in der Lagerlogistik an.

Manchmal stellt sich Michael ten Hompel einfach für eine Stunde oder auch zwei in eine Ecke der nagelneuen Versuchshalle am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik (IML) in Dortmund und beobachtet, was die Krönung seines Forscherlebens gerade so treibt. Vor ihm wuseln dann kleine gelbe Roboter, die sogenannten Shuttles, kreuz und quer durch eine klinisch saubere Lagerhalle. Sie fahren an, gucken, bremsen, lassen andere passieren und rollen weiter – völlig frei und nie auf demselben Weg. Die Aufgabe der flachen Gefährte ist es, Güter aus dem Regallager auf der einen Hallenseite abzuholen und sie zu einer der acht Arbeitsstationen auf der anderen Seite zu bringen. Selbstständig suchen sie den Eingang in die Regalschienen, packen sich einen der 600 grauen Plastikbehälter auf den Rücken und finden den kürzesten Weg zurück. All das passiert völlig autonom. Kein Zentralrechner steuert das Gewusel. Die 50 Logistikroboter des zellularen Transportsystems arbeiten wie eine Ameisenkolonie mit Schwarmintelligenz.

Abstract
Die Anforderungen an die Flexibilität der Lagerlogistik wachsen rasant. Zellulare Transportsysteme aus Schwärmen von Transportrobotern, die sich selbst steuern, sind schneller, preiswerter und effizienter als herkömmliche Fördersysteme. Sie passen sich dem Bedarf flexibel an. Anwendungsgebiete sind kleine und mittlere Distributionszentren oder Produktionsbetriebe.

Was seit rund einem Jahr in der unscheinbaren Halle auf einer Dortmunder Wiese abläuft, ist das größte Experiment künstlicher Intelligenz in der Intralogistik weltweit. 5,5 Mio. Euro wurden investiert. Die Fraunhofer-Forscher entwickeln die Technik. Der Lagertechnikanbieter Dematic produziert die kleinen Fahrzeuge namens Multishuttle Move. Inzwischen ist die Technik ausgereift.

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„Früher hätte ich gedacht, so etwas wird es nie geben“, sagt Michael ten Hompel. „Das ist das, wovon ich immer geträumt habe.“ Der Professor für Förder- und Lagerwesen an der TU Dortmund, der auch das Fraunhofer IML geschäftsführend leitet, gilt als der Erfinder dieser hoch flexiblen Form der Lagerlogistik.

Schwarmintelligenz
Schwarmintelligenz bezeichnet das selbstorganisierte Zusammenspiel von Individuen in einem sogenannten Superorganismus. Dieser weist kollektive Verhaltensmuster auf, die als intelligent bezeichnet werden können, obwohl die einzelnen Individuen bloß über ein sehr begrenztes Verhaltensrepertoire verfügen. Das klassische naturwissenschaftliche Beispiel für Schwarmintelligenz ist der Ameisenstaat.

Tatsächlich ist das, was die Fraunhofer- Forscher in ihrer 1000-Quadratmeter-Halle vorführen, eine Revolution. Bislang funktioniert die Logistik des Warenlagers völlig anders.

Die Logistik muss flexibler werden

Selbst in den modernsten Distributionszentren, Lagerhallen oder Fabriken rattern die Waren in standardisierten Behältern über endlose, statisch aufgebaute Förderbänder. Damit von allen Plätzen im Regal aus auch alle Arbeitsstationen erreicht werden können, muss bislang ein Fördersystem aus lauter Einzelelementen gebildet werden. Die Lagerhallen der Unternehmen sind proppenvoll mit Geraden, Kurven, Weichen, Zusammenführungen, Sortierteilen und Pufferstrecken, kurzum: mit „viel Stahl“, wie ten Hompel es nennt. Doch je mehr davon verbaut wird, desto komplexer werden die Berechnungen, die der Zentralcomputer anstellen muss, um den optimalen Weg durch das Labyrinth für jede einzelne Kiste zu bestimmen. Und der direkte und kürzeste Weg kann es schon allein aufgrund des statischen Aufbaus der Anlage nie sein.

Dabei wachsen die Anforderungen an die Flexibilität der Logistiklösungen stetig. 4,3 Milliarden Tonnen Waren werden allein in Deutschland pro Jahr transportiert. Das entspricht etwa 50 Tonnen pro Einwohner, Tendenz steigend. Doch nicht nur die schiere Masse, die bewegt wird, bringt klassische Lösungen an ihre Grenzen. Vor allem der Onlineversandhandel und die zunehmende Individualisierung der Ware durch Mass Customization sorgen dafür, dass auch die Logistik innerhalb der Warenlager flexibler werden muss. „Wenn ein Kunde im Internet ein Produkt seinen eigenen Vorstellungen anpassen kann, diese individualisierte Ware aber trotzdem übermorgen im Briefkasten haben will, ist das bisher logistisch betrachtet ein Albtraum“, sagt ten Hompel. Denn das bedeutet, dass etwa der individuell bedruckte Schuh nur einmal in den Tiefen des Hochregals lagert und möglichst schnell zu der Arbeitsstation gebracht werden muss, an der ein Mitarbeiter die Bestellung gerade verschicken möchte.

Aber auch Produktionsbetriebe mit niedriger Fertigungstiefe, die viele kleinteilige Vorprodukte verarbeiten, oft auch noch just in time, benötigen immer mehr Flexibilität im Lager. Statische Systeme geraten hier an ihre Grenzen. Sie sind schlicht nicht flexibel genug.

Der ideale logistische Raum ist leer

Die Fraunhofer-Forscher begannen daher noch einmal ganz von vorn. „Wir haben uns mit einem leeren Blatt Papier hingesetzt und uns gefragt: Wie sieht der ideale logistische Raum eigentlich aus?“, erinnert sich ten Hompel. Das Ergebnis des Brain- stormings war so einfach wie genial: „Der ideale logistische Raum ist leer“, sagt ten Hompel. Die Vorteile, die sich ergeben, wenn man statt auf starre Förderbänder auf flexible Roboter setzt, sind beeindruckend:

Mass Customization
Mass Customization zu Deutsch kundenindividuelle Massenproduktion, bezeichnet ein Produktionskonzept, bei dem Kunden Merkmale eines standardisierten Massenprodukts individuell ändern können. Meist werden dazu Onlinekonfiguratoren eingesetzt, etwa um das Design eines Schuhs den eigenen Wünschen anzupassen.

Bis zu 40 Prozent kürzere Wege, deutlich weniger Stromverbrauch, weniger Kosten für Umbauten und Anpassungen. Und vor allem: Die Anlagen können mit dem tatsächlichen Bedarf wachsen. Herkömmliche Fördersysteme müssten schon überdimensioniert gebaut werden, um künftigen Anforderungen zu genügen oder um einzelne Transportspitzen abzufedern, schreiben die Forscher um ten Hompel in einem Papier, das sie auf einer Fachkonferenz in Neuseeland erstmals vorstellten. Bei zellularen Transportsystemen hingegen „orientiert sich der maximale am tatsächlich benötigten Durchsatz“. Soll die Anlage mehr transportieren, muss man nur weitere Roboter auf die Fläche schicken. Diese einfache Skalierbarkeit erhöht die Effizienz enorm. Doch wie soll solch ein maximal flexibles System zentral gesteuert werden? Die überraschende Antwort der Ingenieure: gar nicht.

Die Ameisen kennen die Lösung

„Die Natur hat Schwärme entwickelt, um wandelbar zu reagieren“, sagt ten Hompel. „Die Bionik hat vier Milliarden Jahre Zeit gehabt und sie ist auf den Ameisenschwarm gekommen, um Transporte hochgradig effizient und flexibel zu organisieren.“ Da traf es sich gut, dass der italienische Mathematiker Marco Dorigo Ende der 1990er-Jahre einen Algorithmus entwickelt hat, der das Verhalten der Ameisen mathematisch abbildet. Dieser Ameisenalgorithmus diente den Fraunhofer-Forschern als Grundlage für die Entwicklung.

„Jedes Fahrzeug redet mit den anderen, tauscht seine Position aus, verabredet sich“, erläutert Andreas Kamagaew, Abteilungsleiter Automation und eingebettete Systeme am Fraunhofer IML und verantwortlich für das Experiment. Erhält der Schwarm den Auftrag, eine bestimmte Transportschale abzuholen, handeln die einzelnen Shuttles über Funk untereinander aus, welches am nächsten ist. Dieses sucht sich dann den kürzesten Weg und reagiert dynamisch auf seine Umgebung. Tauchen etwa plötzlich Hindernisse auf, werden Kollisionen durch Lasersensoren vermieden. Das Prinzip hinter dieser Art der Selbststeuerung, das längst auch andere Logistikbereiche erfasst, bezeichnen Forscher als Internet der Dinge (siehe auch „Wie die Dinge denken lernen“, impulse Wissen, Winter 2011/12).

Internet der Dinge
Künftig werden sich nicht nur Menschen in einem weltumspannenden Datennetz miteinander austauschen, sondern auch intelligente Gegenstände, die mit einem digitalen Speicher ausgestattet sind. So ist es möglich, dass Waren ihren Weg zum Ziel selbst organisieren.

Doch für wen lohnt sich der Einsatz der gelben Schwärme? „Wegen der vergleichbaren Kosten haben zellulare Transportsysteme in Bezug auf Flexibilität und Veränderlichkeit den Vorteil gegenüber herkömmlichen Systemen“, schreiben die Forscher in ihrem Konferenzpaper. Michael ten Hompel, der selbst zwölf Jahre geschäftsführender Gesellschafter eines Logistikunternehmens war, meint, dass gerade kleine und mittlere Unternehmen die Vorteile der Ameisenlogistik für sich nutzen können.

Gerade sie müssten künftig hoch flexibel sein und ihren Lagerdurchsatz einfach anpassen können. „Bis 2020 wird die zellulare Transporttechnik Standard sein“, ist er sich sicher. „Sie brauchen die Schwarmintelligenz einfach, um die Komplexität der künftigen Lagerlogistik zu bewältigen.“ Dann könnte Michael ten Hompel seine Ameisen bald überall beim Arbeiten beobachten.

Literatur
Andreas Kamagaew, Jonas Stenzel, Andreas Nettsträter, Michael ten Hompel: Concept of Cellular Transport Systems in Facility Logistics, Icara Conference Paper 2011.
Andreas Kamagaew ist Abteilungsleiter Automation und eingebettete Systeme am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik (IML), er leitet das Living Lab Zellulare Transportsysteme.
Jonas Stenzel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IML in Dortmund und stellvertretender Leiter des Living Lab Zellulare Transportsysteme.
Andreas Nettsträter arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IML und beschäftigt sich unter anderem mit dem Internet der Dinge.
Prof. Dr. Michael ten Hompel hat den Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen an der TU Dortmund inne und ist geschäftsführender Leiter des Fraunhofer IML.

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