Digitalisierung logistischer Prozesse auf der Baustelle

Die zumeist mittelständischen Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus sind geprägt durch ein klassisches Projektgeschäft [1]. Eine gezielte Projektsteuerung für die termingerechte Inbetriebnahme kundenindividueller Produkte wird durch transparente Projektverläufe erleichtert, die eine valide Planungsdatenbasis mit echtzeitnahen Statusmeldungen erfordern. Die durchgängige Erhebung projektrelevanter Daten zu Logistikprozessen findet heute jedoch auf den Baustellen selten statt [2], obwohl eine detaillierte Planung logistischer Prozesse neben der Montageplanung den Unternehmenserfolg bestimmt [3, 4].

Stattdessen erfolgen keine oder nur sehr wenige Statusrückmeldungen während der Projektdurchführung [2]. Infolgedessen führen fehlende, analoge oder manuell im Nachgang kumulierte Rückmeldungen zu einem intransparenten Projektverlauf und verursachen durch verzögerte Reaktionszeiten zusätzliche Kosten [5].

Eine Herausforderung des Maschinen- und Anlagenbaus stellt u. a. die Planung des Einsatzes von Arbeits(hilfs-)mitteln dar, da deren genauer Aufenthaltsort aufgrund des Transportes zu und der Verwendung auf verschiedenen Baustellen häufig unbekannt ist. Unklare Verfügbarkeiten, mangelnde Planung oder sogar Diebstahl führen zu Komplikationen im Projektablauf, weil benötigte Arbeits(hilfs-)mittel entweder fehlen oder nicht mehr am ursprünglichen Ort zu finden sind. Die Erhebung der relevanten Daten zu Arbeits(hilfs-)mitteln, wie deren genauer Standort, Status, geplante Nutzungsdauer sowie Wartungsintervalle, schafft die erforderliche Transparenz auf der Baustelle im Sinne eines logistischen Digitalen Schattens.

Im Rahmen dieses Beitrags wird der Digitale Schatten in Anlehnung an [6] als hinreichend genaues Abbild der Realität von Prozessen in Produktion und Logistik verstanden, um eine echtzeitfähige Auswertungsbasis aller relevanten Daten zu erschließen. Somit werden mittels des Digitalen Schattens die realen Prozesse in die virtuelle Welt überführt, sodass beispielsweise Arbeits(hilfs-)mittel auf dem Weg zur und auf der Baustelle verfolgt werden können. Digitale Zwillinge als eine digitale Darstellung realer Prozesse und Systeme [7], beispielsweise unter Verwendung von Simulationsmodellen, werden in diesem Beitrag nicht adressiert.

Basis der Entwicklung eines Digitalen Schattens der Logistikprozesse sind die Festlegung und formale Beschreibung der logistischen Prozesse selbst einschließlich ihrer relevanten Informations- und Kommunikationsprozesse (IuK-Prozesse) und der auszutauschenden Informationen, die die Struktur für ein semantisches Informationsmodell vorgeben. Das Informationsmodell wird als Datenbank instanziiert, in der die auf der Baustelle erfassten Logistikdaten gespeichert und in Beziehung zueinander gesetzt werden. Das ist notwendig, damit unterschiedliche Anwendungen, wie beispielsweise für das Projektmanagement, über die Datenbank auf die Logistikdaten zugreifen und diese für die weitere Verwendung aufbereiten können.

Informations- und Kommunikationsprozesse eines Logistikprozesses

Für den Aufbau eines Digitalen Schattens logistischer Prozesse auf der Baustelle werden die Beschaffungs- und Versorgungslogistik, die Baustelle beim Kunden, die Baustellen- und Produktionslogistik sowie abschließend die Entsorgungs- und Rückführungslogistik betrachtet [9, 10]. Material und Arbeits(hilfs-)mittel werden typischerweise zur Baustelle transportiert und auf einer Anlieferungsfläche bereitgestellt. Neben der Montage- bzw. Einbaustelle stehen nach Bedarf Baustellen- und/oder Zwischenlager zur Verfügung. Auf der Baustelle wird das eigentliche Produkt unter Zuhilfenahme der Arbeits(hilfs-)mittel montiert und in Betrieb genommen. Im letzten Schritt werden entstandene Abfälle entsorgt und wiederverwendbare Materialien sowie Arbeits(hilfs-)mittel rückgeführt.

Die Identifikation und Erfassung der für den Digitalen Schatten relevanten Informationen basiert auf einer Klassifizierung aller durchzuführenden Logistikprozesse als Referenz- prozesse unter Berücksichtigung evaluierter Ausarbeitungen aus [10] und [11]. Nach [12] werden durch Logistikprozesse räumliche, zeitliche, sorten- oder mengenmäßige Transformationen oder eine Transformation des Servicegrads eines Objektes beschrieben. Logistikreferenzprozesse beschreiben Vorgänge wie z. B. Transport, Umschlag, Lagerung oder Kommissionierung.

Um die Informationsflüsse und die auszutauschenden Informationen zu ermitteln und möglichst allgemeingültig zu modellieren, werden die Logistikreferenzprozesse um IuK-Prozesse für die Datenerhebung erweitert und über einschlägige Literaturanalysen und semistrukturierte Experteninterviews bei Unternehmen, die das Forschungsvorhaben begleiten, auf Vollständigkeit geprüft und bewertet.

In Bild 1 ist exemplarisch der Referenzprozess „Transport“ mit seinen für die Datenerhebung notwendigen IuK-Prozessen mit der grafischen Beschreibungssprache Business Process Modell and Notation (BPMN) beschrieben. Der untere Pool Transport beschreibt den physischen Transportprozess und damit die logistischen Tätigkeiten während der Ausführung. In den vier darüber liegenden Pools IuK-Transportanmeldung, IuK-Transportstartmeldung, IuK-Transportstatusupdate und IuK-Transportendmeldung werden diejenigen IuK-Prozesse modelliert, die den Transportprozess begleiten und die Datenerfassung realisieren.

Der dargestellte Transportprozess beginnt in dieser Form nach einer abgeschlossenen Beladung. Optional erfolgt die Anmeldung des Transports; in diesem Fall werden Transportdokumente angefordert, geprüft, quittiert und übermittelt. Die Anmeldung ist optional, da der Referenzprozess allgemeingütig alle Transportvorgänge zur und auf der Baustelle abbildet. Deshalb erfolgen zu Transportbeginn eine Protokollierung und persistente Speicherung von Startzeit und -ort. Parallel zum eigentlichen Transport selbst ist ein Tracking [13] möglich. Dabei werden in regelmäßigen Abständen aktuelle Statusmeldungen über den Transportvorgang gespeichert (wie Standort, Uhrzeit oder mögliche Gründe für Verzögerungen).

Bei Transportende wird eine Transportendmeldung abgesetzt, die den Abschluss des Transports sowie Ankunftszeit und -ort umfasst. In Bezug zu obigem Anwendungsfall stellt die Einführung eines solch definierten IuK-Prozesses sicher, dass immer alle für die Verfolgung von Arbeits(hilfs-)mitteln notwendigen Informationen prozessbezogen erhoben werden; die Projektplanung kann den genauen Standort von Arbeits(hilfs-)mitteln jederzeit abrufen und bei der Planung berücksichtigen.

Um alle prozessbezogenen Informationen bereitzustellen, werden diese in einem semantischen Modell abgelegt, das als Datenbank instanziiert wird. Für dessen Entwicklung wird ein Ontologieansatz gewählt [14], der eine geordnete Darstellung der fachspezifischen Terminologien und deren semantischen Zusammenhänge ermöglicht. Dies führt dazu, dass die Ontologie alle Informationen über die modellierten Logistikreferenzprozesse berücksichtigt, diese verknüpft und sie in Beziehung zueinander setzt. Die Ontologie ist somit allgemeingültig, um möglichst alle Informationen aus logistischen Systemen abzubilden.

Da zwischen dem Umfang und Inhalt der zu erfassenden Daten und den für die Datenerfassung einzusetzenden Technologien ein enger Bezug besteht, ist eine systematische Einordnung der am Markt vorhandenen Technologien in Form eines Technologiekatalogs notwendig. Die Leistungsparameter und Restriktionen der Technologien ergänzen die Ontologie, deren Nutzung den Anwender in Bezug auf seine Bedarfe und spezifischen Prozesse auch bei der Technologieauswahl unterstützt. Die Datenerfassung sollte – wenn möglich – automatisch erfolgen; eine manuelle oder zumindest teilautomatische Datenerhebung wird anwendungsspezifisch und prozessabhängig aber nicht ausgeschlossen.

Um eine hohe Akzeptanz für die Technologienutzung zu erreichen, ist in diesem Fall der Aufwand zur Datenerfassung durch die Mitarbeitenden auf der Baustelle zu minimieren. Im Falle des betrachteten Anwendungsfalls sind für die Verfolgung von Arbeits(hilfs-)mitteln beispielsweise GPS-Sensoren (Global Positioning System) einsetzbar, die Bewegungen aufzeichnen oder personenbezogene Daten erfassen. Alternativ kann auch ein RFID-Chip (Radio-Frequency Identification) zur Verfolgung verwendet werden, der bei Verlassen des Unternehmens und bei Ankunft auf der Baustelle ausgelesen wird. Zur technischen Umsetzung werden u. a. Cloudlösungen eingesetzt, um mit einem Echtzeit-Monitoring von Assets, wie Lkw oder Gerüsten auf Großbaustellen, eine überregionale, datenbasierte Kommunikationsstruktur bereitzustellen, die die Basis für Managemententscheidungen darstellt.

Konzept zur Umsetzung und Nutzung eines Digitalen Schattens

Alle Komponenten zur Umsetzung und Nutzung eines Digitalen Schattens sind in Bild 2 zusammengefasst. Für eine Anwendung der Ontologie in der Praxis ist eine Anpassung auf die unternehmens- und projektspezifischen Anforderungen notwendig. Jedes Projekt und jedes Unternehmen bringt eigene Besonderheiten mit sich, die in einer allgemeingültigen Ontologie nicht abgebildet werden können; so können beim Transport von Gütern zu Baustellen über Landesgrenzen hinaus zusätzliche Informationen zu Zollbestimmungen notwendig werden.

Die für die unternehmensspezifische Anpassung notwendigen Informationen werden soweit möglich aus vorhandenen betrieblichen Informationssystemen übernommen. Zu diesen zählen u. a. PLM-Systeme (PLM: Product Lifecycle Management) oder ERP-Systeme (Enterprise Ressource Planning) sowie alle weiteren im Projektmanagement verwendeten Werkzeuge und Anwendungen (PM-Werkzeuge). Der Aufbau einer unternehmensspezifischen Ontologie ist notwendig, da sie den zentralen Verbindungspunkt zwischen den im Projektmanagement verwendeten Werkzeugen und den auf der Baustelle erfassten Daten darstellt.

Die roten Pfeile stellen den Datenaustausch sowohl zwischen den physischen Prozessen auf der Baustelle und der Ontologie als auch zwischen der Ontologie und den betrieblichen Informationssystemen dar. Auf der Baustelle werden Daten mittels verschiedener Technologien (beispielsweise Scanner, Kamera oder Ortungssystem) manuell oder (teil-) automatisch erfasst und über WLAN (Wireless Local Area Network) oder Mobilfunk der Ontologie zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig ist es auf der Baustelle möglich, projektrelevante Informationen aus der Ontologie abzurufen.

Die Ontologie aktualisiert die betrieblichen Informationssysteme auf Grundlage der von der Baustelle erhaltenen Informationen und gibt im Gegenzug auf Basis der Informationen erstellte Anweisungen, z. B. Änderung der Montagepläne und Ressourcenzuteilung für Mitarbeitende oder Werkzeuge, auf die Baustelle zurück. So werden im Anwendungsbeispiel GPS-Positionen und zugehörige Zeitstempel zu Arbeits(hilfs-)mitteln automatisch erfasst und in der projektspezifischen Ontologie abgelegt. Folglich liegt ein stets aktueller Digitaler Schatten der Arbeits(hilfs-)mittel vor. Das Projektmanagement ruft die Informationen zu den Arbeits(hilfs-)mitteln aus der Ontologie ab und plant deren Einsatz ein.

Zusammenfassung und Ausblick

Das im Beitrag vorgestellte Konzept zum Aufbau und zur Nutzung eines digitalen Schattens zeigt die Möglichkeit, logistische Prozessinformationen auf der Baustelle zeitnah zu erfassen und in das Projektmanagement einzubeziehen. Durch die Sicherstellung einer adäquaten Datenerhebung auf der Baustelle mit Hilfe definierter IuK-Prozesse und der Vernetzung der erhaltenen Informationen in einer Ontologie wird ein Digitaler Schatten der logistischen Prozesse geschaffen.Eine aktuell offene Herausforderung besteht in der bedarfsgerechten Auswahl der Technologien zur Datenerhebung auf der Baustelle, um eine möglichst komfortable und gleichzeitig konsistente Erhebung relevanter Daten durchzuführen.

Weitere Forschungsarbeiten im Vorhaben adressieren die Entwicklung einer Methode zur Bewertung von Technologien zur Datenerhebung entlang der logistischen Prozesse und die prototypische Umsetzung eines semantischen Modells zur Beschreibung eines Digitalen Schattens der Logistikprozesse in Form einer Ontologie unter Nutzung eines Demonstrators. Dieser wird bei verschiedenen Unternehmen evaluiert.

Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Forschungsprojekts „Dataject.log – Entwicklung eines semantischen Modells zur Beschreibung eines Digitalen Schattens der Logistikprozesse im Maschinen- und Anlagenbau zur Verwendung im Projektmanagement“, das unter der IGF-Vorhaben-Nummer 21755 der Bundesvereinigung Logistik (BVL) geführt und über die Allianz industrieller Forschung (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wird.