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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Gewichts einer Last, die auf ein Fahrzeug aufgeladen wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Gewichts eines Containers, der auf ein fahrerloses Boden- bzw. Transportfahrzeug aufgeladen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät und eine Servereinheit zum Durchführen des Verfahrens, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Zur Lagerung und zum Transport von Gütern werden Großraum-Behälter, die auch als Container bezeichnet werden, eingesetzt. Zu beachten ist, dass in der Transportkette dieser Container, bspw. beim Beladen von Containerschiffen, das Gewicht eine große Rolle spielt. So soll sichergestellt werden, dass das Gesamtgewicht nicht überschritten wird. Zudem soll eine symmetrische Gewichtsverteilung erreicht werden, um eine Schieflage des Schiffs zu vermeiden. Darüber hinaus beeinflusst die Stapelung den Schwerpunkt und damit die Stabilität des Schiffs.
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Auch beim Beladen von Lastkraftwagen (Lkw) und Güterzügen für Container, die über den Landweg ein Containerterminal verlassen, ist das Gewicht von Bedeutung. So soll ein Überladen vermieden und das zulässige Gesamtgewicht optimal ausgenutzt werden.
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Im Containerhafen selbst ist ebenfalls zu berücksichtigen, dass die Wahl des optimalen Lagerorts vom Gewicht abhängt. Außerdem ist die Windstabilität der gestapelten Container gewichtsabhängig. Dies ist zu beachten, um ein unnötiges Umstapeln zu vermeiden.
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Es ist jedoch festzustellen, dass keine einheitlichen Vorgaben bestehen, wie bei der Ermittlung des Containergesamtgewichts vorgegangen werden soll. So ist in vielen Fällen unklar, ob der betreffende Container überhaupt zur Fracht dazuzählt. Daneben gibt es Interpretationsfehler der Begriffe „brutto/netto“ in Bezug auf „mit/ohne Verpackung“ gegenüber „mit/ohne Container“, was zu Fehlern führt. Außerdem ist zu klären, wer mit welcher Genauigkeit wiegt, der Hersteller der Güter oder die Spedition.
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Es besteht somit ein Optimierungspotential von bis zu 6%, da aus Sicherheitsgründen Transportkapazitäten nicht genutzt werden bzw. ein nicht notwendiger Extraaufwand entsteht. Standards und vereinheitlichende Vorgaben zum Wiegen, die z. B. Containerhäfen verpflichten, alle eintreffenden Container zu wiegen, könnten hierbei helfen. In einzelnen Fällen zeigt sich, dass bis zu 275 Waagen an den Kränen notwendig sind, um ein paralleles Wiegen zu ermöglichen und die Abläufe nicht unnötig zu verzögern. Dennoch könnte sich selbst dieser Aufwand lohnen, um die genannten ungenutzten Transportkapazitäten zu erschließen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1, ein Steuergerät gemäß Anspruch 11, eine Servereinheit nach Anspruch 12, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein maschinenlesbares Speichermedium nach Anspruch 14 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Bestimmen des Gewichts einer Last bzw. zum Wiegen einer Last, insbesondere eines Containers, die bzw. der auf einem Fahrzeug, insbesondere einem fahrerlosen Bodenfahrzeug, aufgeladen wird, wobei eine durch das Aufladen bewirkte Lageänderung des Fahrzeugs, insbesondere des fahrerlosen Bodenfahrzeugs, erfasst wird, um das Gewicht der Last bzw. des Containers zu bestimmen, wobei die erfasste Lageänderung berücksichtigt wird.
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Es wird somit ein Verfahren vorgestellt, das dazu vorgesehen sein kann, das Wiegen eines Containers zu Beginn und/oder während des Transports auf einem automatisierten bzw. fahrerlosen Bodenfahrzeug bzw. AGV (Automated Ground Vehicle) durchzuführen. Da das Gewicht des Containers zum Zeitpunkt des Beladens des AGVs ermittelt werden kann, entsteht keine Verzögerung beim Containertransport. Das beschriebene Verfahren vermeidet dediziert für das Wiegen notwendige Hardware-Kosten, da die Sensorik für die AD-Funktionalität (AD: Automated Driving) ohnehin verbaut ist. Das Wiegen ist eine Mehrwert- bzw. Value-Added-Funktion, die die teure AD-Sensorik querfinanzieren kann. Nachfolgend wird, insbesondere in Verbindung mit den Figuren, aufgezeigt, wie ein korrektes Containergewicht genutzt werden kann.
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Das vorgestellte Steuergerät dient zum Durchführen des Verfahrens, die einzelnen Schritte des vorgestellten Verfahrens können dabei durch eine Hardware und/oder Software umgesetzt werden. Das Steuergerät kommt bspw. in einem AGV zur Anwendung. Alternativ kann es auch in einem landwirtschaftlichen Fahrzeug oder einem Baufahrzeug zum Einsatz kommen. Auch diese Fahrzeuge transportieren Lasten, deren Gewicht für unterschiedliche Anwendungen bekannt sein sollte.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein Steuersignal basierend auf dem bestimmten Gewicht der Last an eine Einheit des Fahrzeugs mittels des Steuergeräts ausgegeben wird. Zum Beispiel kann das bestimmte Gewicht unter Verwendung des Steuersignals auf einer Anzeigeeinheit des Fahrzeugs angezeigt werden und/oder einer Navigationseinheit des Fahrzeugs bereitgestellt werden. Denkbar ist auch, dass basierend auf dem Steuersignal eine Maximalgeschwindigkeit für das Fahrzeug beim Transportieren der Last vorgegeben wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Darstellung ein AGV.
- 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Umgebung, in der das beschriebene Verfahren umgesetzt wird.
- 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführung des beschriebenen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein fahrerloses Bodenfahrzeug (AGV), das zum Transport von Containern dient und insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Auf diesem AGV 10 ist ein Container 12 aufgeladen, der mit dem AGV 10 transportiert wird.
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AGVs, die hierin betrachtet werden, finden zunehmend weltweite Verbreitung in Containerhäfen, da sich die Betreiber eine Ersparnis an Arbeitskosten erwarten bzw. es lokal schwierig sein kann, geeignetes Personal zu finden. AGVs müssen dabei mit einer Umfeldsensorik ausgestattet werden, um deren grundlegende Eigenschaft, das automatisierte Fahren, zu ermöglichen. Anstatt nun auf den Kränen Waagen zu installieren und zusätzliche Arbeitsschritte einzuführen, lässt sich das Gewicht ohne Mehrkosten, insbesondere keine Mehrkosten verursacht durch einen zusätzlichen Zeitbedarf noch durch Hardware-Kosten, direkt mittels der Onboard-Sensorik ableiten.
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Die beschriebenen AGVs haben ein Leergewicht von 28t. Die Container wiegen dabei bis zu 60t und damit ein Vielfaches des AGVs. Daraus ergibt sich, wie ohne weiteres ersichtlich ist, eine starke und leicht messbare Lageänderung des AGVs. Insbesondere ist zu beachten, dass es während des Verladevorgangs zu einem starken Einfluss auf die Lageänderung kommt. Hierbei ist auch die Änderung des Abstands des Stoßfängers zur Straße vor und nach der Beladung zu beachten.
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Diese durch die Beladung ausgelöste Lageänderung kann in Bezug zu gut messbaren Elementen in der Umwelt ausgewertet werden. So führt die Beladung bspw. zu einer veränderten Lage der Horizontkante, deren Lageänderung mittels Kameras an der Vorder- und Rückseite des AGVs ermittelt werden kann. Um die Genauigkeit der Schätzung zu erhöhen, eignet sich ein Ansatz, der die Lageänderung in Bezug zu mehreren Elementen der Umwelt gleichzeitig bestimmt. Damit lässt sich über eine Statistik bzw. über statistische Verfahren, bspw. ein Histogramm an ermittelten Einzelmessungen an Gewichtswerten, eine robuste Schätzung ggf. mit einer Genauigkeitsangabe, z. B. u. a. eine Standardabweichung des Histogramms, ermitteln. Die Nutzung von Lidardaten ist hierbei und allgemein bei dem vorgestellten Verfahren ebenso möglich und erhöht in einer Kombination mit Videodaten die Genauigkeit der Schätzung der Lageänderung. In einer konkreten Umsetzung kann ein Verfahren des maschinellen Lernens, z. B. mit neuronalen Netzen, verwendet werden.
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Typischerweise ist es nicht in jedem Fall erforderlich, die Lageänderung durch Beladung explizit zu bestimmen bzw. zu schätzen, da das AD-System ohnehin zu jedem Zeitpunkt eine gute Lageschätzung der Sensorik zur Welt benötig. Hierfür kann eine sogenannte Online-Kalibrierung durchgeführt werden. Grundsätzlich wird für alle Sensoren eine solche Online-Kalibrierung vorgenommen, da die relativen Lageänderungen zur Umwelt auch das Leistungsvermögen der Lokalisierung und AD-Funktionalität beeinflusst. Somit ist die Änderung der Sensorpose, d. h. Position und Winkel relativ zur Umwelt, durch Beladung leicht zu ermitteln. Es ist dann nur zu bestimmen, wie das Gewicht und die Lage des Containers auf dem AGV die Sensorpose verändert hat. Hierfür ist ein Modell zu erstellen, ggf. unter Nutzung von maschinellem Lernverfahren oder ein Fahrzeugmodell. Durch Inversion des ermittelten Zusammenhangs lässt sich das Gewicht schätzen.
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Der aufgezeigte Zusammenhang kann sich über längere Zeit verändern. Es ist jedoch dem System bekannt, wann das AGV beladen bzw. unbeladen ist, was eine beständige Kalibrierung für den unbeladenen Zustand ermöglicht. Auch ist denkbar, in größeren Abständen ein bekanntes Referenzgewicht auf das AGV zu laden, um auch den beladenen Zustand kalibrieren zu können. Damit lässt sich der Einfluss von Alterungseffekten und Reifenverschleiß eliminieren.
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Das auf solche Weise bestimmte Gewicht des Containers kann weitergegeben werden und lässt sich auf unterschiedliche Weise vorteilhaft nutzen:
- - Das AGV kann direkt nach dem Beladen und Wiegen des Containers das Gewicht an ein Terminal Operation System (TOS) schicken, das den optimalen Lagerplatz des Containers berechnet und dem AGV die u. a. gewichtsabhängige optimale Route sendet.
- - Das ermittelte Gewicht kann bspw. über einen Blockketten- bzw. Blockchain-Ansatz virtuell an den Container gehängt werden. Damit ist das Gewicht als sogenannte single source sofort allen interessierten Stellen bekannt. Single source bedeutet, dass das Gewicht nur an einem Ort hinterlegt bzw. gespeichert ist.
- - Wurde der Container vorher schon einmal gewogen, lässt sich eine Änderung des Gewichts ermitteln, bspw. mit einer Anomalie-Detektion. Dieses könnte auf eindringendes Wasser, Diebstahl oder Beschädigung, was zu im Container auslaufende Flüssigkeiten führt, hinweisen. Eine Anomalie-Detektion bezeichnet die Erkennung einer unerwarteten Abweichung vom Normalzustand.
- - Auf Basis der auf allen Seiten des AGV angebrachten Sensoren lässt sich im stationären Fall die zweidimensionale Gewichtsverteilung (2D-Schwerpunkt) im Container schätzen, da die Ecken des AGV unterschiedlich belastet werden. Fährt das AGV, lässt sich aus der Dynamik bzw. Wankrate auch die Höhe des Schwerpunkts schätzen. Stellt man über alte Messwerte Veränderungen fest, lässt sich die Verschiebung der Ladung im Container feststellen.
- - Vermeidung von unnötigen Sicherheitsspannen in der Beladung von Zügen, Schiffen, Lkw und Sicherheitsbereichen, die aktuell wegen Ungenauigkeiten bzw. Unwissen über das reale Gewicht der Container eingehalten werden. Eine vollständigere Ausnutzung der Transportkapazitäten wird möglich.
- - Vermeidung des Umstapelns von zumindest einigen Containern bei Wind ermöglicht das Bestimmen des genauen Gewichts und des erwarteten Winds.
- - Der Hafenbetreiber kann das Wiegen und die genannte Gewichtsänderung (Anomalie-Detektion) dem Schiffsbetreiber oder Auftraggeber der Transportdienstleistung in Rechnung stellen und somit die AGVs querfinanzieren.
- - Das geschätzte Gewicht kann, neben der Nutzung im Hafen, auch für die Beladung und Optimierung im Schiff genutzt werden. Dazu kann das AGV das ermittelte Gewicht im TOS hinterlegen und dem Lademeister auf dem Schiff zur Verfügung stellen.
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Grundsätzlich lässt sich das beschriebene Verfahren auch auf die Landwirtschaft und/oder Baumaschinen ausweiten. So wird ein zukünftig automatisiert fahrender Bagger oder Radlader ähnlich zum genannten AGV mit einer 360° Umfeldsensorik ausgestattet werden. Daraus lässt sich, wie dies vorstehend beschrieben ist, der Schwerpunkt des beladenen Fahrzeugs, bspw. zur Sicherstellung der Stabilität, ggf. ladungsabhängige Beschränkung der Kurvengeschwindigkeit des beladenen Fahrzeugs, oder die durchschnittliche Dichte des verladenen Materials schätzen, um bspw. bei den folgenden Verladevorgängen die Zuladung so zu steigern, dass das zulässige Gesamtgewicht effizienzoptimal, vollständig ausgenutzt werden kann.
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Es werden somit eine Umgebung bzw. ein System und ein Verfahren zum Wiegen von Lasten bzw. Containern vor und während des Transports durch ein Fahrzeug bspw. AGV vorgestellt, mit denen Zusatzkosten vermieden werden können.
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2 zeigt eine Umgebung 20, in der das vorgestellte Verfahren umgesetzt werden kann. Die Darstellung zeigt als Komponenten ein Schiff 30, ein TOS 40, wobei hier auch eine Leitstelle bzw. ein Vehicle Control Center (VCC) vorliegen kann, und ein Fahrzeug 50, in diesem Fall ein AGV.
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In dem Schiff 30 sind in einer Einheit 32, die Hardware und/oder Software umfasst, Funktionen implementiert, die eine Optimierung der Ladung hinsichtlich der Lage im Schiff, der Gesamtauslastung usw. vornehmen. Weiterhin ist in dem Schiff 30 ein Kommunikationsmodul 34 zur Kommunikation mit weiteren Komponenten vorgesehen.
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In dem TOS 40 sind in einem Bereich 42 Funktionen implementiert, die bspw. und u. a. eine Anomalie-Detektion und eine Routenoptimierung durchführen. Weiterhin sind in dem TOS 40 ein Speicher 44 zum Speichern von Containergewichten und ein Kommunikationsmodul 46 vorgesehen.
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In dem Fahrzeug 50 sind Sensoren 52, ein Kommunikationsmodul 54, eine Einheit 56 zur Poseschätzung, die Hardware und/oder Software umfasst, ein Modell 58, das einen Zusammenhang zwischen Poseänderung und Containergewicht beschreibt, und eine Einheit 60 zur Modellkalibrierung, die Hardware und/oder Software umfasst, vorgesehen. Weiterhin sind ein AD-System 62 zur Online-Kalibrierung der Einheit 56 und eine Einheit 64 für statistische Betrachtungen mit einem Tiefpassfilter für eine stabilisierte Gewichtsschätzung vorgesehen.
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Die hierin beschriebene Umgebung 20 verwendet somit bestehende AD-Hardware-Elemente im AGV, wie bspw. Sensoren, Rechner, Kommunikationseinrichtungen für eine Anbindung an das TOS 40 bzw. ein Vehicle Control Center und kombiniert diese Elemente in geeigneter neuartiger Weise.
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Das vorgestellte Verfahren kann als Value-Added-Funktion für ein AD-Kit eines AGVs sowie für ein Vehicle Control Center, das Kunden im Gesamtpaket angeboten werden kann, dienen.
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Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass das Verfahren immer dann angewendet werden kann, wenn das Gewicht einer Last, die mit einem Fahrzeug transportiert wird, zu bestimmen ist, Das Verfahren ist somit nicht auf AGVs und Container beschränkt.
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3 zeigt mögliche weitere Ausführungen des vorgestellten Verfahrens. Die Darstellung zeigt ein Fahrzeug 80, auf dem eine Last 82 abgelegt ist, deren Gewicht zu bestimmen ist. Hierzu wird ein Sensor 84 verwendet, der eine durch das Aufladen der Last 82 bewirkte Lageänderung des Fahrzeugs 80 erfasst. Ensprechende Sensordaten können nun an ein Steuergerät 90 weitergegeben werden, das dann das Gewicht bestimmt. Alternativ oder ergänzend können die Sensordaten auch an eine Servereinheit 92, bspw. per Funk 94, übertragen werden. Die Servereinheit 92 berechnet dann auf Grundlage der Sensordaten das Gewicht. Berechnen sowohl das Steuergerät 90 als auch die Servereinheit 92 das Gewicht, so kann ein Abgleich oder auch eine Plausibilisierung erfolgen.
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Weiterhin kann dann die Servereinheit 92 das bestimmte Gewicht per Funk 94 an das Fahrzeug 80 senden. Alternativ oder ergänzend kann das bestimmte Gewicht auch mittels eines Blockchain Ansatzes durch die Servereinheit 92 virtuell an die Last 82 angehängt werden. Eine Blockchain (Blockkette) ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen, die mittels kryptographischer Verfahren miteinander verkettet sind. Es ist somit eine verteilte und verschlüsselte Speicherung der Daten möglich.
