Transportterminal von heute für die Technologie von morgen

Pekka Yli-Paunu, Direktor, Automatisierungsforschung, Kalmar

Abbildung 1: Privates 4G / LTE kombiniert das Beste aus WLAN und Ethernet und sorgt für schnelle Mobilität.

Matthias Jablonowski, weltweiter Praxisleiter des Ports-Programms bei Nokia.

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LTE / 5G industrial wireless bereitet Endgeräte auf eine digitale Zukunft vor.

Nachdem in den letzten Jahrzehnten mehrere Wellen digitaler Technologie implementiert wurden, verfügen die meisten Terminalbetriebe in Häfen weltweit über eine Vielzahl drahtgebundener und drahtloser Netzwerktechnologien, die von UHF und VHF über drahtlose Sensornetzwerke (WSN) und LPWA bis hin zu Ethernet, vermaschten drahtlosen und drahtlosen Netzen reichen Wi-Fi - jede unterstützt eine andere Anwendung des Terminals. Mit den heutigen 4G / LTE-Netzen und dem kommenden 5G ist es nun möglich, viele dieser digitalen Anwendungen in einem einzigen sicheren drahtlosen Netzwerk zu konsolidieren, das die Grundlage für weitere Automatisierung und signifikante Produktivitätssteigerungen bildet.

Angesichts der volatilen globalen Märkte und des wachsenden Volumens müssen die Terminalbetreiber agiler und reaktionsfähiger werden. Kürzere Durchlaufzeiten, eine bessere Koordination mit Lkw- und Bahnbetreibern sowie die Möglichkeit, sich an wechselnde Schiffsgrößen anzupassen, setzen den Terminalbetrieb zusätzlich unter Druck. Über Liegeplätze, Werften, LKWs und Züge hinweg besteht eine wachsende Abhängigkeit von digitalen Technologien. Industrie-4.0-Technologien wie IoT, Maschinelles Lernen und KI werden eine immer wichtigere Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen spielen, unter anderem indem sie die Automatisierung von Terminals ermöglichen, was wiederum zu mehr Flexibilität und Betriebseinsparungen führt.

Die 'Siled'-Terminal-Technologien von heute
Aktuelle Kommunikationstechnologien, die in den meisten Häfen zum Einsatz kommen, reichen nicht aus, um die zukünftigen Anforderungen des Terminalbetriebs zu erfüllen, da sie die digitale Transformation umfassen - insbesondere die Anforderungen von Industrie 4.0-Anwendungen im Bereich des autonomen und des Fernbetriebs. Die meisten Terminals haben heute eine drahtlose Infrastruktur auf Wi-Fi-Basis für die Datenkommunikation zwischen den zentralen TOS- und TOS-Clients implementiert, die auf fahrzeugmontierten Computern und Tablets in Kränen, Terminal-Trucks und Straddle-Carriern ausgeführt werden. Dies wird hauptsächlich für die Zuweisung von Aufträgen und die Workflow-Koordination verwendet.

Die Sprachkommunikation wird in der Regel über TETRA- oder UKW-Funk für die Mitarbeiterkommunikation abgewickelt. In der Regel werden die Wi-Fi-Zugangspunkte über ein Ethernet-LAN zurückgespult und Kameras und stationärere Geräte, z. B. Schienenkräne, mit den zentralen Betriebs- und Geschäftsanwendungen verbunden.
Der drahtlose Teil ist der Bereich, der mit der heutigen 4G / LTE-Technologie am besten verbessert werden kann. Das hohe Maß an Mobilität im Hafenbetrieb stellt Wi-Fi vor Herausforderungen und ist im Allgemeinen bei weitem nicht so zuverlässig, sicher oder vorhersehbar.

Die 4G / LTE-Technologie, die für Mobilfunknetze entwickelt wurde, ist auch viel sicherer, kann eine größere Anzahl von Benutzern pro Funk verarbeiten und ist in der Lage, Anwendungen mit höherer Bandbreite wie Video zu verarbeiten. Entscheidend ist, dass Videokameras, gummibereifte Krane oder jede andere Anwendung, die heutzutage eine teure Verkabelungsinfrastruktur erfordert, eine Leistung auf Ethernet-Ebene aufweisen können.

Obwohl LTE seit fast einem Jahrzehnt verfügbar ist, wurde es größtenteils von Mobilfunknetzbetreibern monopolisiert, die das Spektrum für die weltweite Nutzung durch 4G / LTE-Mobilfunknetze lizenziert haben. Einige dieser öffentlichen Betreiber haben das Spektrum für industrielle Anwendungen angemietet, aber die Kosten waren in der Regel zu hoch, um seine Nutzung zu rechtfertigen. Daher ist das weit verbreitete Vertrauen in Wi-Fi, das nie als eine bestmögliche Netzwerktechnologie konzipiert wurde, für geschäftliche oder unternehmenskritische Anwendungen ungeeignet. Leider war es die einzige drahtlose Netzwerkoption für die meisten Unternehmen.

Future Tech für Terminals
Gleichzeitig hat der weit verbreitete Druck auf die Regierungen das Spektrum für die Nutzung durch Unternehmen in industriellen und anderen Anwendungen von der Gesundheitsversorgung bis zum Bergbau freigesetzt. Darüber hinaus haben 4G / LTE-Anbieter Lösungen entwickelt, die nicht lizenziertes (z. B. Multefire) oder "leicht" lizenziertes Spektrum verwenden. Sie haben auch begonnen, Versionen der Technologie in Unternehmensgröße zu produzieren, die nicht schwieriger zu installieren und zu warten sind als ein Standard-LAN oder ein Wi-Fi-Mesh-Netzwerk. Das Ergebnis ist, dass Hafenbehörden und Terminalbetreiber jetzt bessere Wahlmöglichkeiten haben, wenn sie ihre digitale Zukunft planen.

In Abbildung 1 sind die Vor- und Nachteile von Ethernet und Wi-Fi im Vergleich zu einem privaten LTE-Netzwerk zusammengefasst. Es gibt zusätzliche Funktionen mit den neuesten Versionen. Release 4.9G bietet spezielle Verbesserungen für die Handhabung von IoT-Geräten sowie die Möglichkeit, sichere Slices innerhalb des Netzwerks zu erstellen, um spezifische Qualitätskontrollen (Quality Level Control, QoS) für Anwendungen bereitzustellen, z. B. höhere Bandbreite für Video oder niedrige Latenz für automatisierte oder Remotezugriffe kontrollierter Betrieb.

In den kommenden fünf Jahren soll sich 4G / LTE zu 5G entwickeln, was einem überladenen drahtlosen Ethernet ähnelt. Mit anderen Worten, es wird in der Lage sein, alle derzeit über Ethernet ausgeführten Anwendungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Sicherheit und Kapazität zu handhaben, wobei es wesentlich besser skaliert werden kann, Anwendungen mit extrem geringer Latenz handhabt und im Allgemeinen die industrielle Automatisierung unterstützt.

Obwohl die allgemeine Verfügbarkeit von 5G für industrielle Anwendungen noch einige Jahre in Anspruch nimmt, ist 4G / LTE heute in der Lage, die Kommunikationsanforderungen des Terminals mit einer einzigen Netzwerkinfrastruktur zu erfüllen. Wie wir gesehen haben, kann es Wi-Fi durch ein viel robusteres, sichereres und zuverlässigeres Netzwerk ersetzen, aber es kann auch das TETRA- oder VHF-Netzwerk ersetzen. Es unterstützt die dynamische Gruppenkommunikation, Push-to-Talk und Push-to-Video sowie die Steuerung und Verwaltung des Anrufversands.

Auf der Mobilitätsseite ermöglicht 4G / LTE auch sofort Anwendungen wie unbemannte Luft- oder Drohneninspektionen. Drohnen haben sich als Schlüsseltechnologie in Notsituationen bewährt, in denen sie sofortige Situationserkennung ermöglichen. Sie eignen sich besonders für den Betrieb von Terminals und Werften, wo sie eine visuelle Fernprüfung, die Überwachung gefährlicher Güter und die Überwachung des Perimeters ermöglichen. Es gibt LTE-basierte Drohnenlösungen, die die Steuerung und Kontrolle der Drohnen im Flug sowie den Transport des HDTV-Signals umfassen.

Autonomie, Fernbetrieb… und darüber hinaus
Die Fernsteuerung von Geräten wie gummibereiften Portalkranen ist eine weitere Anwendung, die die Fähigkeiten von 4G / LTE und 5G demonstriert. Remote-Vorgänge erfordern eine Kommunikation mit sehr geringer Latenz, da der Remote-Operator fast sofort reagieren muss. LTE / 5G-Systeme unterstützen diese geringen Latenzanforderungen, einschließlich der Unterstützung des Layer-2-Transports von PROFINET. Sie unterstützen auch die Video-Uplink-Anforderungen mehrerer Kameras, die für die Fernsteuerung und -steuerung des Geräts erforderlich wären.

Die Vorteile der mobilen Mobilfunktechnologie gehen über Drohnen und die Fernsteuerung von sich bewegenden Geräten hinaus. Die größte Herausforderung für öffentliche 4G- und LTE-Netze besteht darin, eine ausreichende Abdeckung für dichte Stadtkerne bereitzustellen, in denen es zahlreiche hohe Gebäude gibt, die eine Vielzahl von Herausforderungen für drahtlose Verbindungen schaffen - Herausforderungen, die 4G / LTE speziell bewältigen sollte. In kleinerem Maßstab ist dies auch beim Betrieb von Terminals und Werften der Fall, bei denen Stapel von Containern für viele Arten von drahtlosen Netzwerken echte Schwierigkeiten bereiten können. LTE / 5G-Technologien können diese Herausforderungen problemlos bewältigen, um eine allgegenwärtige Abdeckung auf dem Terminalyard zu gewährleisten.

Mit Blick auf die Zukunft werden Industrie 4.0-Anwendungen den Terminalbetrieb weiterhin digital verändern. Neben Automatisierungs- und Fernsteuerungsanwendungen sehen wir auch die Möglichkeit, alle betrieblichen Prozesse durchgängig auf der Basis von Echtzeitdaten und einer ausgeklügelten Workflow-Management-Software zu verwalten.

Die Verknüpfung der verschiedenen digitalen Punktlösungen erfordert ein robustes, unternehmenskritisches Kommunikationssystem, um mobile Geräte, Sensoren und Aktoren zu verbinden. Dies ermöglicht die Erstellung eines digitalen Zwillings, mit dem Software Analytics beispielsweise den gesamten Workflow optimieren kann. In Bezug auf den Terminalbetrieb können allein durch die Workflow-Optimierung zwischen 7 und 10 Prozent der Gesamteffizienz des Betriebs eingespart werden.

Ein privates LTE-Netzwerk kann nach seiner Installation als Plattform für zukünftige Entwicklungen dienen. Steveco, ein Terminalbetreiber im Hafen HaminaKotka in Kotka, Finnland, baute zusammen mit Nokia ein privates LTE-Netzwerk auf, um Videokameras zu unterstützen, die auf Kranen an Land installiert waren. Die Anwendung wurde einfach entwickelt, um den Status von Behältern vor und nach der Handhabung aufzuzeichnen. So war es bei zukünftigen Versicherungsansprüchen einfach, klare Verantwortlichkeiten zu ermitteln.

Steveco hat seitdem andere Anwendungen auf dem LTE-Netzwerk aufgebaut, weil es dort war. Sie haben Perimeterüberwachung und Anlagenüberwachung per Video hinzugefügt. Alle Umschlaggeräte und das Personal in den Terminals und Lagern kommunizieren über das LTE-Netzwerk. Und sie erwägen zukünftige Industrie 4.0-Anwendungen, die sie aus dem LTE-Netz heraus starten können.

Unabhängig davon forscht Kalmar, Teil von Cargotec, derzeit an der Terminalautomatisierung und am energieeffizienten Umschlag von Gütern. Ihr Forschungsteststand umfasst auch ein privates LTE-Netz von Nokia. „Die digitale Automatisierungsplattform mit ihren Konnektivitäts- und Anwendungsebenen ermöglicht es uns, neue Serviceprodukte und -konzepte zu testen. Das gibt uns die Möglichkeit, unseren Kunden zu demonstrieren, wie unsere neuen Dienstleistungen funktionieren, was besonders wertvoll ist “, sagt Pekka Yli-Paunu, Direktor, Automation Research, Kalmar.

Die digitale Transformation aller Branchen kommt sehr schnell voran. Terminaloperationen sind keine Ausnahme. Als Teil eines lebenswichtigen Glieds in der heutigen industriellen Lieferkette wird es für zukünftige Häfen unverzichtbar sein, das digitale Bewusstsein und Management für alles, was sie durchlaufen, in Echtzeit zu haben. Automatisierung und autonome Technologien werden im Hafenbetrieb eine neue Rolle spielen, so wie sie in vielen anderen Bereichen der Wirtschaft eingesetzt werden. Es gibt bereits ein starkes Geschäftsmodell für den Umstieg auf 4G / LTE, das sich mit der Zeit nur noch verstärken wird.

Matthias Jablonowski ist weltweiter Übungsleiter des Ports-Programms bei Nokia. Er ist fasziniert von den Möglichkeiten vernetzter Technologien und der digitalen Transformation und arbeitet mit Hafenbehörden und Terminalbetreibern an Port 4.0- und Terminalautomatisierungsprojekten zusammen, während diese ihre intelligenten Hafenreisen antreten. Matthias war maßgeblich an der Expansion von Nokia in die Transportbranche beteiligt.

Dieser Artikel erschien zum ersten Mal in der Printausgabe von JULI / AUG des Magazins Maritime Logistics Professional .