Autonome Systeme – fünf Jahre später

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Alf Isaksson, ABB Corporate Research, Västerås, Sweden, alf.isaksson@se.abb.com
Thomas Gamer, ABB Corporate Research, Ladenburg, Germany, thomas.gamer@
de.abb.com

Traditionell wird ein autonomes System als ein System definiert, das ohne manuellen Eingriff in der Lage ist, sein Verhalten im laufenden Betrieb an vorhergesehene und unvorhergesehene Ereignisse anzupassen. Im Jahr 2018 erschien in der ABB Review ein Meinungsbeitrag, in dem eine umfassendere Definition und einige potenzielle Anwendungsbereiche für autonome Systeme skizziert wurden [1] →01–02. Ziel des Artikels war es, zur Diskussion über das Thema anzuregen. Eine längere Version des Beitrags wurde auf einer Konferenz über die Dynamik chemischer Prozesse (IFAC Dycops 2019) prä-sentiert und ist 2020 als Zeitschriftenartikel erschienen [2].

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Zudem hat die Industrie-4.0-Community die Ideen aufgegriffen und zum Beispiel die von ABB vorgeschlagenen Autonomiestufen veröffentlicht [3]. Die Arbeiten wurden inspiriert durch die bereits stattfindende Entwicklung selbstfahrender Autos und resultierten in einer ersten Taxonomie, welche die industrielle Autonomie auf ähnliche Weise, d. h. anhand von Stufen von 0 bis 5, beschreibt →03. Der ABB-Review-Artikel ging davon aus, dass die Autonomie – für ABB – zuerst in Anwendungen Einzug halten würde, die selbstfahrenden Autos ähnlich sind, wie mobile Roboter, Bergbauahrzeuge und -maschinen, Schiffe, Kräne usw., und beschrieb mögliche Implementierungen im Bergbau und in der Schifffahrt. Der Konferenzbeitrag und der Zeitschriftenartikel setzten die Diskussion fort und befassten sich mit der Frage, wie die Autonomie den Weg in die Prozessautomatisierung finden könnte.

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Seit dem Erscheinen des ABB-Review-Artikels sind fünf Jahre vergangen – ein guter Zeitpunkt, um zu schauen, was sich in diesem Bereich getan hat.

Autonomie im Bergbau und in der Schifffahrt
Auch im Hinblick auf die hier betrachtete Prozessautomatisierung sind der Bergbau und die Schifffahrt noch immer die führenden Kandidaten für mögliche Anwendungen. Der ABB-Review-Artikel aus dem Jahr 2018 erwähnt die Möglichkeit eines Roboters, der in einem Untertagebergwerk autonom Sprengladungen in vorgebohrte Löcher einbringt. Ein solcher Roboter wurde mittlerweile zweimal in einem schwedischen Bergwerk getestet, und ein dritter Test läuft zurzeit →04.

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Da ein großer Teil der zusätzlichen Arbeitssicherheit darin besteht, den Einsatz von Personal unter Tage zu reduzieren, hat ABB auch eine Fernbedienstation entwickelt. Diese wurde an mehrere Kunden geliefert und funktioniert sowohl mit ABB- als auch Drittanbieteranwendungen. Dank dieser universellen Einsetzbarkeit kann auf die Benutzung mehrerer Bedienschnittstellen von verschiedenen Anbietern, die jeweils über ihr eigenes Look-and-Feel verfügen, verzichtet werden. Außerhalb von ABB machen die Anbieter von Bergbaufahrzeugen und -maschinen große Fortschritte, was die Autonomie ihrer Ausrüstungen angeht. So hat Epiroc (ein schwedischer Hersteller von Ausrüstung für den Berg- und Infrastrukturbau) 2023 bekanntgegeben, dass das Unternehmen 96 Muldenkipper für die Roy Hill Mine in Westaustralien auf fahrerlosen Betrieb umrüsten wird [4].

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Auch die Schifffahrt verzeichnet erhebliche Fortschritte. Vor fünf Jahren präsentierte ABB das System ABB Ability™ Marine Pilot Vision, das Schiffsbesatzungen mithilfe verschiedener Sensorquellen wie Radar, Lidar und Kameras bei der Lagebeurteilung unterstützt. Seitdem hat ABB ein Kollisionsvermeidungssystem entwickelt, das Bildklassifizierung und die Verfolgung anderer Schiffe (und Hindernisse) nutzt, um bei Erkennung eines Hindernisses einem neuen, kollisionsfreien Kurs zu folgen →05. Die Lösung wurde auf einem Schlepper im Hafen von Singapur implementiert und erfolgreich getestet [5]. Darüber hinaus hat ABB Algorithmen für ein autonomes Anlegen entwickelt, die aber noch in der Praxis getestet werden müssen →06.

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ABB hatte zudem einen starken Einfluss auf die von der One Sea Association (ein weltweiter, nicht profitorientierter Zusammenschluss führender Hersteller, Integratoren und Betreiber maritimer Technik) veröffentlichten Autonomiestufen [6] →07. Aufgrund des hohen Maßes an manueller Tätigkeit, die zum Betrieb eines Schiffs erforderlich ist, sind die Autonomiestufen im Dokument von One Sea mit greifbaren Attributen wie „Eyes-on“ oder „Eyes-off“ (mit/ohne Augen) und „Hands-on“ oder „Hands-off“ (mit/ohne Hände) beschrieben.

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Fortschritte in anderen Bereichen
Auch wenn ABB schon in den ersten Veröffent-
lichungen auf die Relevanz von Autonomiestufen für die Prozessindustrie hingewiesen hatte, entwickelte sich das Kundeninteresse in diesem Bereich dennoch überraschend schnell. So hat das norwegische Unternehmen Equinor zum Beispiel schon im Jahr 2020 Pläne zum Bau einer unbemannten Öl- und Gasplattform im Krafla-Feld in der Nordsee bekanntgegeben. Seitdem hat ABB ein Projekt für das 300 km vor der Küste im Europäischen Nordmeer gelegene Gasfeld Aasta Hansteen realisiert, das ein schnelles automatisches Anfahren der Anlage auf Knopfdruck ermöglicht [7]. Die Lösung erspart 5.000 Bedienklicks und verkürzt die Zeit des Anfahrens um bis zu 10 Stunden. Der Schlüssel hierzu lag in der Automatisierung des Wissens über den Betrieb von Öl- und Gasplattformen, das sich Lieferant und Kunde über viele Jahre hinweg angeeignet hatten.

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ABB Augmented Operator
Unter dem Namen Augmented Operator hat ABB vor Kurzem ein Forschungsprojekt mit dem Ziel durchgeführt, den Grad der Autonomie in industriellen Betriebsabläufen mithilfe einer künstlichen Intelligenz (KI) zu erhöhen, die mit bisherigen Bedieneingriffen trainiert wird. Der Workflow, der das Bedienpersonal zum Beispiel durch die Erkennung von Anomalien unterstützt, ist in →08 dargestellt [8]. Die Ergebnisse des Projekts wurden in die Produktentwicklung übertragen und 2023 auf dem ARC Advisory Group Forum vorgestellt [9]. Im selben Jahr startete ABB ein verwandtes Forschungsprojekt mit dem Ziel, die Bedieneingriffe mithilfe von KI weiter zu reduzieren. Das übergeordnete Ziel besteht hier darin, verschiedene Betriebsszenarien zu bewältigen und – mithilfe mehrerer autonomer Agenten – größere Prozessabschnitte bzw. die gesamte Anlage autonom zu steuern.

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Selbstfahrende Autos überholen
ABB geht davon aus, dass in bestimmten industriellen Anwendungsfällen die Autonomiestufen 4 oder 5 schneller erreicht werden können als bei selbstfahrenden Autos, wo der Fortschritt in den letzten Jahren zu stagnieren scheint. Dies ist nicht überraschend, da die Autonomie beispielsweise im Bergbau oder in Prozessanlagen in wohlkontrollierten, abgesperrten Umgebungen und unter Beteiligung von sicherheitsgeschultem Personal passiert. Auch die autonome Schifffahrt dürfte in einem stärker regulierten Umfeld stattfinden als das Fahren im öffentlichen Straßenverkehr.

Fortschritt seit 2018?
Es lässt sich mit Gewissheit sagen, dass seit 2018 erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der autonomen industriellen Systeme erzielt wurden. Es gibt einen klaren Trend zur Erhöhung der Autonomie in industriellen Anwendungen durch den Einsatz von KI in Kombination mit klassischen Steuerungsmethoden basierend auf verschiedenen KI-Lernverfahren, historischen Prozessdaten, bisherigen Bedieneingriffen und physikbasierten Prozessmodellen. Die dadurch erreichten höheren Autonomiestufen bieten erhebliche Vorteile für den Kunden wie eine verbesserte Arbeitssicherheit, einen geringeren Energieverbrauch und eine höhere Produktivität.

Faktoren wie der Fachkräftemangel oder die Wartung an entlegenen Standorten bieten weitere Anreize dafür, Automatisierungstechnologien zu nutzen, die den Einsatz von qualifiziertem Personal optimieren. Nach der Corona-Pandemie ist die Telearbeit für viele eine wünschenswerte und effiziente Möglichkeit, die durch die verfügbare Technologie gut unterstützt wird. Für ABB ist es wichtig, diesen sich rasch entwickelnden Kundenbedürfnissen mit der Unterstützung zu begegnen, die eine weitere Verbesserung der Automatisierung bieten kann.

Um ihr Engagement bei der Gestaltung der Zukunft autonomer Systeme zu unterstreichen, fördert ABB eine Stelle im Department of Chemical Engineering am Imperial College London (ICL). Dank dieser Initiative führt der ehemalige ABB-Kollege Mehmet Mercangöz nun den Jobtitel „ABB Reader in Autonomous Industrial Systems“.

Literaturhinweise
[1] T. Gamer, A. Isaksson, “Autonomous Systems,” ABB Review, 04/2018, pp. 08 – 11.
[2] T. Gamer et al., “The autonomous industrial plant - future of process engineering, operations and maintenance,” Journal of Process Control 88, pp. 101 – 110, 2020.
[3] Plattform Industrie 4.0, “Technology Scenario Artificial Intelligence in Industrie 4.0,” June 2019: Available: https://www.plattform-i40.de/IP/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/AI-in-Industrie4.0.html [Accessed 8 January, 2024.]
[4] Epiroc, “Epiroc to support Roy Hill as it enters final stage of project to create world’s largest autonomous mine.” Available: https://www.epirocgroup.com/en/media/corporate-press-releases/2023/20230112-epiroc-to-support-roy-hill-as-it-enters-final-stage-of-project-to-create-world-s-largest-autonomous-mine. [Accessed December 13, 2023.]
[5] ABB “ABB and Keppel O&M verify next level of vessel autonomy with collision avoidance trials.” Available: https://new.abb.com/news/detail/94104/abb-and-keppel-om-verify-next-level-of-vessel-autonomy-with-collision-avoidance-trials. [Accessed 13 December, 2023.]
[6] One Sea Association, “Autonomous Ships – Terms of reference for rule development, White Paper.” Available: https://www.one-sea.org/documents/ [Accessed 21 December, 2023.]
[7] ABB, “ABB to deliver fast upstream start-up for Aasta Hansteen’s first gas production.” Available: https://new.abb.com/news/detail/54140/abb-to-deliver-fast-upstream-start-up-for-aasta-hansteens-first-gas-production [Accessed 21 December, 2023.]
[8] R. Tan et al., “Smooth Operation – Augmented Operator for Efficiency and Consistency,” ABB Review, 03/2022, pp. 18 – 23.
[9] Automation World, “ABB Previews its Forthcoming Autonomous Operator Technology,” April 2023. Available: https://www.automationworld.com/home/article/33002550/abb-previews-its-forthcoming-autonomous-operator-technology. [Accessed 13 December, 2023.]