Neue Forschung für zuverlässige automatisierte Prozesse in der Logistik: 5G bietet leistungsstarke, stabile Funknetze und so die Voraussetzung zur Effizienzsteigerung. Private Networks, auch Campusnetze genannt, sind die Schlüsseltechnologie für aktuelle und kommende Aufgaben. Was fehlt noch zur flächendeckenden Etablierung markttauglicher Lösungen für private 5G Netzwerke? Unter anderem dieser Frage ist das praktische Forschungsprojekt CampusOS nachgegangen. Welche Erkenntnisse für die Branche sind dabei entstanden?
Wenn es allgemein um Digitalisierung geht, befinden sich Logistik-Unternehmen in einer Voreiterrolle. Smart Warehouses, also hoch automatisierte Systeme zum Betrieb von Lagerhallen und zur Verwaltung von Waren, sind in der Branche seit mindestens 30 Jahren ein Thema, das mit der Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Frei nach dem Motto „Höher, schneller, weiter“ zählen hier Geschwindigkeit und die Optimierung wiederkehrender Prozesse. Für die Logistikleitung ergeben sich vielfältige Herausforderung bei der Lagerung, Verwaltung und den Versand von Waren. Die Durchlaufzeiten im Lager müssen beispielsweise verringert werden, um Kosten zu senken. Für mehr Effizienz sorgt zudem die zunehmende Zentralisierung von Lagern; sie bedingt jedoch auch immer größere Einzelchargen. Während im B2C-Sektor in der Regel kleinere Pakete verwaltet werden müssen, die mit den gängigen Identifikatoren markiert sind, geht es im B2B-Bereich häufig um ganze Lieferungen, bei denen Einzelpakete nicht getaggt sind. Deren Identifizierung erfolgt KI-gestützt, was zuverlässige Echtzeitdaten voraussetzt. Den Überblick über den Warenbestand zu behalten, wird immer komplexer und ist auf Basis manueller Prozesse praktisch nicht denkbar. Das Smart Warehouse rückt mehr und mehr in den Fokus.
Private 5G-Netzwerke: ideal für smarte Logistik
Im Forschungsprojekt CampusOS haben sich führende Unternehmen zusammengeschlossen, um die Weiterentwicklung und Etablierung von 5G-Campusnetzen – häufig auch Private Networks genannt – voranzutreiben. Für die Logistikbranche ist 5G der Mobilfunkstandard, auf dem heutige und künftige Innovationen beruhen, weshalb einer der Use Cases des Projektes im Logistikumfeld angesiedelt ist. Die Hauptanforderung hier ist weniger die massenhafte Datenübertragung, da die typischen Statusinformationen, die etwa ein autonomer Gabelstapler mit einem Paket austauscht, verhältnismäßig kleine Datenmengen ergeben. Stattdessen zählt die Geschwindigkeit der Übertragung und dass die Informationen zuverlässig vollständig ankommen. Ebenso wenig wie auf dem Transportweg physische Pakete verloren gehen dürfen, darf auch beim Datenaustausch nichts auf der Strecke bleiben. Andernfalls fehlen Informationen, ohne die zum Beispiel autonome Drohnen ihre Aufgabe im Lager nicht erfüllen können.
Im Vergleich zu WLAN-Funknetzen bietet die 5G-Technologie eine deutlich höhere Zuverlässigkeit, weil sie auf viele Teilnehmer ausgelegt ist, während WLAN in dieser Hinsicht beschränkt ist. 5G ermöglicht Millionen Verbindungen pro Quadratmeter, während WLAN maximal etwa 300 Geräte versorgen kann. Auch wenn es darum geht, große Bereiche in der Tiefe mit Mobilfunk abzudecken, ist 5G aufgrund der höheren Sendeleistung im Vorteil. Die Nutzung eines eigenen, privaten Mobilfunknetzes bietet Logistikunternehmen die maximale Konnektivität, die Echtzeitdatenübertragung ermöglicht. So lassen sich Anwendungsfälle wie Predictive Maintenance im Hochregallager oder die Echtzeitüberwachung des Lagerbestands zur Optimierung des Bestandsmanagement umsetzen. Hinzu kommt die größere Kontrolle über die Daten und deren sicherer Transfer. Damit diese Vorteile jedoch greifen, braucht es eine vollständige Netzabdeckung als durchgängige Infrastruktur über das gesamte Warehouse.
Vollständige Netzabdeckung – aber wie?
Wie kann diese Herausforderung gemeistert werden? Das klassische Smart Warehouse besteht aus Shopfloor, kundenspezifischen Anwendungen, dem Monitoring des Systems und den Netzwerkkomponenten. Mit Shopfloor ist die physische Umgebung gemeint, die aus Verkehrsflächen, Interaktionsflächen und Regalen besteht. Die Regale dienen zur Aufbewahrung des Storage, die Verkehrsfläche dient der Organisation und die Interaktionsfläche als Schnittstelle zu Dritten, wie etwa Zu- und Auslieferern (s. Schaubild). Das Funknetz, das in diesem Raum bestehen soll, wird also durch viele verschiedene, teils bewegliche Hindernisse unterbrochen.
Denn ähnlich wie Lichtwellen, werden auch Funknetzwellen von Hindernissen in ihrem Weg abgelenkt, aufgehalten und reflektiert. Als Lösung massenhaft Antennen aufzustellen, um die entstehenden Bereiche mit niedriger Netzabdeckung zu vermeiden, wäre aber nicht nur unwirtschaftlich und eine Verschwendung von Energie. Die Funkwellen würden sich vor allem überschneiden und gegenseitig stören. Stattdessen errichteten die Partner aus dem CampusOS-Projekt für ihre Tests ein 5G-Netz aus möglichst wenigen Komponenten. Ziel war ein ständiges Echtzeit-Monitoring des Netzes, das Optimierungsbedarfe erkennt, Gegenmaßnahmen vorschlägt und die automatisierte Umsetzung dieser Maßnahmen ermöglicht.
Heatmap als digitaler Zwilling des Funknetzes
Selbst ein gut geplantes Netz kann durch veränderte Beladungssituationen in Regalgängen, neu platzierte Fördertechnik oder saisonale Spitzen an seine Grenzen geraten. Aus diesem Grund entwickelten die Projektpartner eine dynamische Heatmap, die als Digital Twin des Funknetzes im Smart Warehouse fungierte und alle Bereiche von hoher bis niedriger Netzabdeckung darstellt. Die Kernanforderung dabei ist die Gewinnung von Daten in ausreichender Qualität. Theoretisch wäre dies durch die Nutzung hochspezialisierter Messinstrumente möglich, doch stellt in der Praxis die Relation zwischen Kosten und Messergebnis einen Hemmschuh dar: Das Vorgehen ist unter dem Strich nicht kosteneffizient.
Die zur Erstellung der Heatmap benötigten Verbindungsdaten werden stattdessen direkt am Funkzugriffsnetz erfasst. Hierzu nutze das CampusOS-Projekt die Software CARAT (Classification and Root-Cause Analyzing Tool), das unmittelbar beim Verbindungsaufbau Fehler detektiert und beschreibt, um im nächsten Schritt Optimierungsmaßnahmen abzuleiten, die wiederum automatisiert umgesetzt werden können. Aus der Erfassung der Verbindungsdaten im Moment ihrer Entstehung ergibt sich ein entscheidender Vorteil für die qualitative Analyse: Die Heatmap aktualisiert sich, verändert sich aufgrund der aktuellen Realsituation des Netzes und bietet damit eine Datenbasis, auf der im Anschluss Optimierungsmaßnahmen ergriffen werden können. Sozusagen als Nebeneffekt erhält die Lagerleitung einen visuellen Eindruck vom aktuellen Netzzustand.
Die Befehle für diese Optimierungen müssen jedoch ebenfalls kommuniziert werden und belasteten bisher selbst die Grundfunktionen des Netzes. Der Mechanismus zur Abwägung zwischen den Datenflüssen zur Optimierung und denen, die dem eigentlichen Zweck des Netzes dienen, gehört zu den wichtigsten Errungenschaften dieses Use Cases im Rahmen des Forschungsprojektes.
Privacy als Herausforderung
Eine zusätzliche Herausforderung bezieht sich auf Privacy-Anforderungen: Aus den Verbindungsdaten lässt sich die reale Position von Waren, Geräten und Fahrzeugen ermitteln. So wird deutlich, an welcher Stelle Daten entstehen und dadurch, in welchem Zustand sich das Netz an dieser Stelle befindet. Allerdings lassen sich auf diese Weise auch die Bewegungen von Beschäftigten verfolgen. Diese zu tracken ist jedoch illegal und somit zu verhindern. Hier sind die Projektpartner entscheidend vorangekommen: Ein wichtiges Ergebnis des CampusOS-Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens, das selbstständig die Position aus den erfassten Daten ermittelt und somit die Privatsphäre der Angestellten unangetastet lässt.
Ausblick: Noch hemmen fehlende Interoperabilität und hohe Kosten
Private 5G-Netzwerke sind ein entscheidender Baustein für zuverlässige digitale Prozesse und Automatisierung in der Logistik. Neben der besseren Performance im Vergleich zu anderen Mobilfunknetzen bieten sie weitere Mehrwerte, wie etwa den Schutz der Datenhoheit. Die Fähigkeit, entsprechende Netze selbstständig aufbauen zu können, stärkt die digitale Souveränität Europas. Die Voraussetzungen auf technologischer Ebene für die Entwicklung und Etablierung kommerzieller Lösungen für 5G Campusnetze sind gegeben, doch noch fehlen kostengünstige und interoperable Endgeräte für den flächendeckenden Einsatz. Mit der zu erwartenden steigenden Nachfrage werden diese Hemmnisse künftig allerdings entfallen. Bis dahin gilt es, die Forschung weiter voranzutreiben, um jederzeit auf dem Stand der Technik agieren zu können.