Von autonomen Fahrzeugen zu intelligenten Terminals

Der Hafenbetrieb steht im Zentrum des Welthandels, und die Lücke zwischen dem steigenden Containeraufkommen und den für den Transport verfügbaren Arbeitskräften hat sich seit 2020 jedes Jahr vergrößert. Autonome Fahrzeuge - von schweren fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGV) über automatisierte Terminalzugmaschinen bis hin zu intelligenten fahrerlosen Transportfahrzeugen (IGV) - sind jetzt ein zentrales Element, mit dem die Betreiber diese Lücke schließen wollen. Aber ein Hafen ist keine Autobahn. Containerstapel, Kaikräne, Stahlkonstruktionen und die ständige Bewegung der Schiffe am Liegeplatz können die Satellitensignale, auf die autonome Fahrzeuge angewiesen sind, schwächen oder stören. Eine zuverlässige Hafenautomatisierung ist in erster Linie ein Ortungsproblem, und die Lösung dieses Problems erfordert eine Navigationsarchitektur, die für die Umgebung konzipiert und nicht an sie angepasst ist. CHC Navigation baut diese Architektur als koordinierten Satz von GNSS- und Trägheitsprodukten auf, die durchgängig im gesamten Terminal eingesetzt werden.
 

GNSS allein ist in einem Hafen selten ausreichend. Die gleiche Signalblockade, die einen Lkw vor der Satellitensicht verbirgt, wiederholt sich jedes Mal, wenn sich ein Fahrzeug unter einem Kran oder zwischen zwei gestapelten Containern bewegt. Eng gekoppelte GNSS- und INS-Systeme kompensieren dies, indem sie Satellitenmessungen mit Inertialsensordaten verschmelzen: Wenn die Satellitengeometrie stark ist, hält GNSS die Inertialdrift in Grenzen; wenn die Satelliten blockiert sind, überträgt die IMU die Position, ohne den Kurs des Fahrzeugs zu verlieren. Das Ergebnis ist eine zentimetergenaue Positionierung, die unter realen Hafenbedingungen zuverlässig funktioniert und eine skalierbare Architektur nutzt, die auf Yard Trucks, Schiffen und anderen Hafenautomatisierungsplattformen eingesetzt werden kann. Der folgende Artikel erweitert unsere frühere Notiz über autonome Fahrzeuge im Hafenbetrieb, indem er das gesamte Produktportfolio vorstellt, das ein vollständig integriertes Terminal unterstützt.

Ein zuverlässiger Navigationskern für autonome Hafenfahrzeuge

Das Herzstück des autonomen Hafenbetriebs ist die Navigationseinheit des Fahrzeugs. Dies ist der Sensor, der GNSS-Rohsignale aus verschiedenen Konstellationen aufnimmt, sie mit Trägheitsmessungen zusammenführt und die Position, Lage und Geschwindigkeit ausgibt, die der autonome Stack des Fahrzeugs für die Pfadplanung und -steuerung verwendet.
 

In unserem 2024-Artikel haben wir diese Ebene mit dem CGI-610 als Einzelprodukt-Anker durchlaufen. Das Produkt ist immer noch der richtige Ausgangspunkt. Was sich in den vergangenen zwei Jahren erweitert hat, ist das übrige Portfolio, das es auf einem realen Terminal umgibt. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, wie sich die gleiche eng gekoppelte GNSS- und INS-Architektur nun von Flottenfahrzeugen über die Infrastruktur von Schiffen und Werften bis hin zu Validierungsplattformen erstreckt.
 

Das CHCNAV CGI-610 ist für diese Aufgabe in stark frequentierten Hafenumgebungen konzipiert. Es handelt sich um ein eng gekoppeltes GNSS- und INS-System mit zwei Antennen, das Position, Lage und Geschwindigkeit mit bis zu 100 Hz liefert. Die Konfiguration mit zwei Antennen ist für den Hafenbetrieb von Bedeutung, da sich die Kursgenauigkeit nicht verschlechtert, wenn das Fahrzeug steht oder sich langsam bewegt; beide Zustände sind bei Arbeitsabläufen im Containerumschlag üblich, bei denen AGVs in der Warteschlange stehen, an Kaikränen andocken oder eine Feinausrichtung unter Regalen vornehmen. Die hohe Aktualisierungsrate ermöglicht es einem Steuerungsstapel, eine enge innere Schleife für Lenkung und Drosselklappe auszuführen, ohne auf eine neue Korrektur zu warten.
 

Für den Einsatz in größeren Flotten, insbesondere bei automatisierten Terminal-Zugmaschinen und intelligenten, fahrerlosen Fahrzeugen, die längere Strecken zwischen den Werftbereichen zurücklegen, nimmt das CHCNAV CGI-230 eine andere Optimierung vor. Dabei handelt es sich um ein GNSS- und INS-System in Automobilqualität, das GNSS, Trägheitsmessung und Koppelnavigation mit Fahrzeugschnittstellen für den Produktionseinsatz kombiniert. Ein Hafenbetreiber, der von einer Pilotflotte zu einer vollautomatischen Werft übergeht, muss sich Gedanken über die Installationszeit, die Integration in den CAN-Bus des Fahrzeugs und das Verhalten bei vorübergehendem Signalverlust machen, wenn die Flotte wächst. Das CGI-230 zielt direkt auf dieses Skalierungsprofil ab. Es hält die Kontinuität bei kurzen Ausfällen aufrecht, ohne dass ein externes IMU-Modul erforderlich ist, was den Sensorstapel auf jedem Fahrzeug vereinfacht.
 

Zusammen in einem einzigen Terminal eingesetzt, decken CGI-610 und CGI-230 sowohl die präzisionsintensive Zeitlupenarbeit am Kai als auch die Bewegung der Flotte auf dem Gelände ab, wobei sie auf denselben GNSS- und INS-Prinzipien basieren, aber auf zwei unterschiedliche Betriebsprofile abgestimmt sind.

Ausweitung der Automatisierung auf das gesamte Hafen-Ökosystem

Die Hafenautomatisierung hört nicht beim autonomen Fahrzeug auf. Ein modernes Terminal ist ein System, in dem Werftbewegungen, Kaikräne, schiffsseitige Operationen und Perimeteranlagen alle denselben räumlichen Bezug haben müssen. Die Positionierung muss sich über alle Ebenen des Systems erstrecken, auch über die Teile, die sich außerhalb des Fahrzeugs befinden.
 

Die Positionierung ist eine Schicht in einem größeren Konnektivitätsstapel. V2X-Messaging über 5G überträgt die Echtzeit-Updates zu Verkehr, Hindernissen und Routenführung zwischen Fahrzeugen und der Infrastruktur, auf der ein Terminalsteuerungssystem läuft. GNSS befindet sich unter diesem Stack als gemeinsame räumliche und zeitliche Referenz, von der die Nachrichten abhängen. Die beiden Schichten ergänzen sich, und der Wert einer kohärenten GNSS- und INS-Architektur besteht darin, dass alle angeschlossenen Elemente auf dem Terminal mit demselben Positionsrahmen und derselben Zeitbasis arbeiten können.
 

Der CHCNAV P2 ist für diese breitere Rolle positioniert. Als hochpräziser GNSS-Sensor, der für raue industrielle und maritime Bedingungen ausgelegt ist, unterstützt er Anwendungen wie den Einsatz von Referenzstationen an der Terminalgrenze, die Positionsüberwachung auf Kaianlagen und die Positionierung auf See, wo die GNSS-Umgebung durch Metallaufbauten und den Seegang selbst erschwert wird. Durch das Anbringen einer konsistenten GNSS-Referenz an mehreren Ankerpunkten auf dem Terminal kann jedes autonome Fahrzeug mit derselben Ground Truth arbeiten, was verhindert, dass Automatisierungsprojekte bei ihrer Skalierung in unterschiedliche Koordinatenrahmen abdriften.
 

Unterhalb der Produkte auf Systemebene befindet sich das Inertial-Backbone. Die CHCNAV CI-710 ist eine hochpräzise MEMS-IMU, die für die anspruchsvolle Bewegungserfassung in Roboter- und Automatisierungssystemen entwickelt wurde. In der Hafenautomatisierung kommt er an Stellen zum Einsatz, die leicht zu übersehen sind: als Bewegungssensor an einem Stapelkran, der unter Windlast eine genaue Verrollung und Neigung benötigt, als Inertialeinheit in einem SLAM-basierten Kartierungssystem, das für die Aktualisierung des Yard-Layouts verwendet wird, oder als Bewegungsmessung in einem Robotersystem, das für die Inspektion des Geländes zuständig ist. Durch Komponenten wie das CI-710 wird ein Hafen nicht mehr zu einer Ansammlung eigenständiger automatisierter Maschinen, sondern zu einer Flotte kooperierender Systeme mit konsistenten Bewegungsdaten, die die zentrale Koordinierungsebene speisen.
 

Der kumulative Effekt ist ein einziger Positionierungsrahmen. Fahrzeuge, Infrastruktur und Schiffsanlagen beziehen sich alle auf dieselben Satellitenkonstellationen durch dasselbe architektonische Muster, was den integrierten Terminalbetrieb anstelle von isolierten Automatisierungspiloten möglich macht.
 

Für einen Betreiber, der die Automatisierung schrittweise über mehrere Jahre hinweg einführt, erhöht sich der Koordinationswert einer gemeinsamen Positionierungsarchitektur. Eine Pilot-AGV-Flotte, die auf CGI-610-Einheiten läuft, kann später auf Terminal-Zugmaschinen mit CGI-230-Einheiten erweitert werden, ohne dass das Koordinatensystem umgeschrieben werden muss, da beide Produkte die Position im selben geodätischen Rahmen und auf derselben Zeitbasis liefern. Durch die Hinzufügung einer P2-Referenzstation bei der neuen Erweiterung des Rangierbahnhofs wird dieser Abschnitt in dasselbe Netz integriert. Die Erweiterung eines Stapelkrans um eine CI-710-Bewegungserfassung liefert dem Zentralsystem Bewegungsdaten in Echtzeit in dem Format, das es bereits kennt. Jeder Schritt erweitert die Möglichkeiten, ohne eine neue Architektur zu erzwingen, und das ist es, was ein langfristiges Automatisierungsprogramm im Zeitplan hält.

Sicherstellung der Leistung durch Prüfung und Validierung

Autonomie in großem Maßstab steht und fällt mit der Validierung. Bevor ein FTS eine Live-Containerübergabe durchführt oder eine Terminalzugmaschine ein echtes Chassis zwischen zwei Zonen transportiert, muss das System anhand einer Bodenwahrheit getestet werden, die genauer ist als der Produktionssensor. Andernfalls gibt es keine vertretbare Möglichkeit, zu bestätigen, dass das Fahrzeug die Sicherheitsanforderungen erfüllt, und es gibt kein Signal, das in die Wahrnehmungs- und Steuerungsalgorithmen zurückfließt, wenn das Verhalten abweicht.
 

Das CHCNAV CGI-830 ist für diese Validierungsfunktion konzipiert. Es verbindet einen eng gekoppelten GNSS-Empfänger mit einer hochwertigeren MEMS-Trägheitseinheit, um Positions-, Lage- und Geschwindigkeitsdaten in Referenzqualität zu erzeugen, und ist so konzipiert, dass es in einem Testfahrzeug neben dem Navigationsstack der Produktion installiert werden kann. Die erfassten Daten dienen als Grundlage für den Vergleich mit der bordeigenen Lösung des Fahrzeugs. Die Ingenieurteams nutzen diesen Vergleich, um die Leistung in Grenzfällen zu charakterisieren, Fehlermodi zu identifizieren, die auf einer sonnigen, geraden Strecke nicht auftreten würden, und Algorithmen auf die besondere Geometrie des Hafens abzustimmen.
 

Der Validierungszyklus läuft kontinuierlich bis zur Einführung. Ein neues Container-Layout, eine neue Krananlage oder ein neuer Abschnitt einer automatisierten Fahrspur verändern die GNSS-Umgebung auf subtile Weise, und ein Hafen, der die Automatisierung ernst nimmt, wird nach jeder Veränderung eine erneute Validierung durchführen. Wenn man die Validierung als permanente Fähigkeit und nicht als Meilenstein vor der Inbetriebnahme betrachtet, bleibt ein automatisiertes Terminal vertrauenswürdig, während sich die physische Umgebung weiterentwickelt.
 

Derselbe Ground-Truth-Datensatz verdient seinen Unterhalt über die Abnahme vor dem Start hinaus. Er unterstützt die Überprüfung von Vorfällen, wenn sich ein autonomes Fahrzeug unerwartet verhält, er untermauert die regelmäßige Neukalibrierung des Produktionsnavigationsstapels, und er gibt dem Ingenieurteam eine vertretbare Referenz, wenn eine Aufsichtsbehörde oder ein Versicherer Beweise verlangt. Ein Hafen, der in eine CGI-830-Referenzanlage investiert hat, kann diese Fragen innerhalb von Stunden statt Monaten beantworten, was einer der wenig diskutierten Gründe dafür ist, dass sich disziplinierte Validierung auszahlt.

Die Zukunft der intelligenten Häfen

Die Entwicklung der Hafenautomatisierung ist deutlich genug. Einzelne autonome Fahrzeuge, isolierte Automatisierungspiloten und einmalige Konzeptnachweise weichen integrierten Terminalsystemen, bei denen jedes bewegliche Objekt und jeder feste Referenzpunkt dieselbe Ortungsarchitektur nutzt. Der Produktmix, der zur Unterstützung dieser Integration benötigt wird, ist entsprechend breit gefächert, aber die zugrundeliegende Technik ist einheitlich: eng gekoppeltes GNSS plus Trägheitssensorik, die am Fahrzeug, der Infrastruktur, der Schiffsanlage und der Validierungsplattform eingesetzt wird.
 

CHC Navigation unterstützt jede dieser Ebenen mit Produkten, die auf Interoperabilität ausgelegt sind. Das CGI-610 und das CGI-230 decken die Fahrzeugebene mit zwei Betriebsprofilen ab. Das P2 erweitert die Positionierung auf raue und maritime Bereiche des Terminals. Das CI-710 bietet die Bewegungssensorik-Komponente, die Roboter- und Kran-Subsysteme zu einem Teil des gleichen Netzwerks macht. Das CGI-830 schließt den Kreislauf mit referenztauglichen Validierungsdaten. Im Zuge der fortschreitenden Modernisierung der Häfen ermöglicht diese Art von koordiniertem Portfolio dem Betreiber den Übergang von der Automatisierung als Projekt zur Automatisierung als Betriebsweise des Terminals.
 

Eine zuverlässige Positionierung ist die Grundlage für diesen Übergang, und der Aufbau einer einzigen kohärenten GNSS- und INS-Architektur ist der direkteste Weg von den Piloten von heute zu den intelligenten Terminals von morgen.

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Über CHC Navigation

CHC Navigation (CHCNAV) entwickelt fortschrittliche Kartierungs-, Navigations- und Positionierungslösungen, die die Produktivität und Effizienz steigern. CHCNAV beliefert Branchen wie Geodaten, Landwirtschaft, Maschinensteuerung und Autonomie und liefert innovative Technologien, die Fachleute befähigen und den Fortschritt in der Branche vorantreiben. Mit einer weltweiten Präsenz in über 140 Ländern und einem Team von mehr als 2.200 Fachleuten ist CHC Navigation als führend in der Geospatial-Industrie und darüber hinaus anerkannt. Weitere Informationen über CHC Navigation [Huace:300627.SZ] finden Sie unter: https: //www.chcnav.com/about/overview