Autonome Baumaschinen und Roboter: Sicherheit im Fokus

So, die Fußball EM ist vorbei. Kane fährt als zweiter Sieger nach Hause und Cucurella lässt sich als frisch gekürter Meister feiern. By the way: Es gibt nicht nur in Europa Fußball. Argentinien gewann mit Messi gegen Kolumbien die Copa America (siehe hier). Der eine oder andere hat das EM Endspiel vor dem TV oder sogar im Stadion in Berlin verfolgt. Jetzt stellen Sie sich vor sie fahren nachmittags auf dem Weg zum Stadion durch ein Schlagloch und Abends nach dem Spiel ist das Schlagloch schon wieder weg (rein hypothetisch, Berlin hat natürlich keine Schlaglöcher 😉 ) . Für die einen ist es ein Traum, für andere wohl schon Utopie und für ganz andere würde eher der Schicksalsberg in Mordor zufrieren als das so schnell ein Schlagloch verschwindet.

Aber ich sage Ihnen, sowas passiert bereits – zumindest in definierten Use-Cases von Forschungsprojekten. Und das mit Unterstützung von autonomen Baumaschinen (einen einführenden Beitrag dazu finden Sie hier). Diese Maschinen werden in der nahen Zukunft erheblich an Bedeutung gewinnen. Sie bieten die Möglichkeit, die Effizienz und Genauigkeit von Bauprojekten erheblich zu verbessern. Gleichzeitig stellen sie jedoch auch neue Herausforderungen dar. Im Folgenden konzentriere ich mich auf einen wichtigen Aspekte im Zusammenhang mit autonomen Baumaschinen: die Sicherheit.

Autonome Kraftfahrzeuge und Autonome Mobilität

Bevor wir in den eigentlichen Inhalt einsteigen, eine kleine Einführung in autonome Kraftfahrzeuge. Diese werden oft auch als selbstfahrende Autos bezeichnet. Das sind Fahrzeuge, die in der Lage sind, ohne menschliches Eingreifen zu fahren. Solche Fahrzeuge kennen wir wahrscheinlich bereits unter dem Begriff Robotaxi. Diese Fahrzeuge nutzen eine Kombination aus verschiedenen Technologien, um sicher von A nach B zu fahren. Meine Frau und ich hatten letzten Sommer die Möglichkeit mit Mario Herger ein Robotaxi aus erster Hand zu “er-fahren”. Und glauben Sie mir, man fühlt sich darin gar nicht so unsicher wie man meinen mag.

5 Stufen des Autonomen Fahrens

So wie es für künstliche Intelligenz verschiedene Stufen bzw. Typen gibt (siehe in diesem Beitrag) wird auch das autonome Fahren in verschiedene Stufen unterteilt. Diese beschreiben den Grad der Automatisierung. Die Stufen werden von der Society of Automotive Engineers (SAE) definiert und reichen gem. SAE (2021) von Stufe 0 (keine Automatisierung) bis Stufe 5 (vollständige Automatisierung).

Stufe	Beschreibung	Beispiel
0	Keine Automatisierung: Fahrer/in hat die vollständige Kontrolle über das Fahrzeug zu jeder Zeit.	Traditionelle Fahrzeuge ohne Fahrerassistenzsysteme.
1	Fahrerassistenz: Automatisierung von einzelnen Aufgaben, wie adaptiver Tempomat oder Spurhalteassistent.	Ein Auto mit adaptivem Tempomaten, das den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug hält.
2	Teilautomatisierung: Das Fahrzeug kann zwei oder mehr Aufgaben gleichzeitig ausführen, z.B. Lenken und Beschleunigen.	Tesla Autopilot in seiner aktuellen Form, bei dem Fahrer/in jedoch aufmerksam bleiben muss.
3	Bedingte Automatisierung: Das Fahrzeug kann unter bestimmten Bedingungen alle Aufgaben übernehmen, Fahrer/in muss jedoch eingreifen können.	Audi A8 mit Staupilot, der auf Autobahnen bis 60 km/h selbständig fahren kann (Hat Audi wieder aus dem Programm genommen).
4	Hohe Automatisierung: Das Fahrzeug kann in den meisten Situationen selbstständig fahren, menschliches Eingreifen ist nur in wenigen Fällen erforderlich.	Waymo Fahrzeuge in bestimmten urbanen Gebieten, die vollständig autonom operieren können. Robotaxi KIRA (im Pilotbetrieb in Deutschland, Beitrag dazu hier)
5	Volle Automatisierung: Das Fahrzeug benötigt keine menschliche Fahrer und kann in allen Situationen selbständig operieren.	Zukünftige autonome Taxis, die ohne Fahrer in jeder Umgebung und Situation fahren können.

Technologien hinter autonomen Fahrzeugen

So ein autonomes Fahrzeug fährt sich gefühlt von alleine, aber so alleine ist das Fahrzeug nicht. Während der ersten Testphasen der Robotaxis in San Francisco hat jeder Hersteller mit verschiedenartigen Konfigurationen experimentiert, um für den Anwendungsfall den optimalen Mix aus Komponenten herauszufinden. Das ist unter anderem auch ein Grund, warum die Robotaxis so unterschiedlich aussahen. Im Allgemeinen gehören die folgenden Technologien zu einem autonomen Fahrzeug:

• Sensorik: LIDAR, Radar, Ultraschallsensoren und Kameras erfassen die Umgebung des Fahrzeugs.
• Künstliche Intelligenz (KI): Algorithmen analysieren die Sensordaten, treffen Entscheidungen und steuern das Fahrzeug.
• Karten und GPS: Hochpräzise Karten und GPS-Daten helfen dem Fahrzeug, seine Position zu bestimmen und die beste Route zu berechnen.
• Vernetzung: Fahrzeuge können mit anderen Fahrzeugen (Vehicle-to-Vehicle, kurz V2V) und der Infrastruktur (Vehicle-to-Infrastructure, V2I) kommunizieren, um Verkehrs- und Sicherheitsinformationen auszutauschen. Daneben gibt es noch weitere Konzepte wie z.B. Vehicle-to-Network (V2N), Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Pedestrian (V2P) und Vehicle-to-Device (V2D). Für alles zusammen gibt es den Begriff Vehicle-to-Everything (V2X).

Anwendungen im Bauwesen

Die autonome Mobilität kann im Bauwesen zahlreiche Anwendungen finden. Hier sind einige Beispiele:

Autonome Baumaschinen und Roboter

• Autonome Bagger und Radlader: Solche Maschinen können selbständig Gelände vermessen, graben und Erde bewegen, was die Effizienz auf Baustellen erhöht. Wir können uns das als Beipspiel so vorstellen, dass ein GPS gesteuerter Grader technisch weiter aufgerüstet wird und schließlich ohne Fahrerin oder Fahrer unterwegs ist.
• Autonome Muldenkipper: Diese Fahrzeuge können automatisch Baumaterialien von A nach B transportieren, ohne dass eine Fahrerin oder ein Fahrer erforderlich ist. Das kann besonders in gefährlichen oder schwer zugänglichen Gebieten nützlich sein.
• Mauerroboter: Solche Roboter können selbstständig Steine setzen und Mauern errichten, was die Baugeschwindigkeit erhöht und die Arbeitskosten senkt (als Beispiel siehe das Projekt RobotVETcon).
• Bohr- und Fräsroboter: Basierend auf den digitalen Planungsdaten kann ein autonomer Bohrroboter eigenständig durch ein Gebäude fahren und dort wo notwendig Löcher für Installationen bohren. Ein erstes Beispiel für einen (Semi-)autonomen Bohrroboter hat Hilti mit dem Jaibot vorgestellt.
• autonome 3D-Drucker: Roboter, die eigenständig Material “drucken”, können präzise und konsistente Arbeiten durchführen, die von menschlichen Arbeitskräften oftmals nicht zu erreichen sind. Näheres zum 3D-Druck im Bauwesen finden Sie in diesem Beitrag.

Vernetzte Baustellen

Gehen wir einen Schritt weiter und versuchen verschiedene technologische Komponenten zu verknüpfen, so befinden wir uns im Bereich der vernetzten Baustelle. In diesem Kontext ergeben sich auch Potentiale für autonome Vehikel.

• Drohnen: Eine autonome Drohne kann selbständig Baustellen überwachen, Vermessungen durchführen und den Fortschritt dokumentieren. Sie können auch kontinuierlich Informationen sammeln, die anderen autonomen Geräten zur Verfügung gestellt werden. Das ermöglicht eine bessere Projektverwaltung und Überwachung der Sicherheit auf der Baustelle. In diesem Beitrag habe ich bereits das Potential der KI-gesteuerten Drohnenüberwachung angesprochen.
• Logistikroboter: Autonome Roboter können bedarfsgerecht Materialien und Werkzeuge auf der Baustelle transportieren und an verschiedenen Standorten bereitstellen (wie ein Cobot). Als Beispiel könnte ein Mauerroboter von einem autonomen Stapler Paletten mit Steinen zugeführt bekommen. Dadurch lässt sich die Effizienz der Baustelle noch weiter steigern.

Das die oben genannten Technologien wie auch die vernetzte Baustelle gar nicht so weit weg sind zeigen uns die von der EU geförderten Projekte Beeyonders, InfraROB, Hephaestus oder das unter Beteiligung meines geschätzten Kollegen Ioannis Brilakis umgesetzte Omicron Projekt.

Sicherheit im Fokus

Es ist natürlich schön darüber zu lesen, wie toll alles sein kann. Aber für eine flächendeckenden Verbreitung bedarf es mehr als nur einiger funktinierender Use-Cases. Im Folgen stelle ich Ihnen wesentliche Punkte vor, die für eine sichere Nutzung von autonomen Baumaschinen und Robotern wichtig sind.

1. Regulierung und Normung

Die Regulierung und Normung autonomer Baumaschinen ist sehr relevant. Vor allem bei der Gewährleistung der Sicherheit. In den USA wird die Regulierung in erster Linie von der Occupational Safety and Health Administration (OSHA) überwacht. OSHA hat bereits Regelungen für Roboter veröffentlicht (hier) doch einen spezifischen Schwerpunkt auf autonome Baumaschinen gibt es noch nicht. Stattdessen müssen die bestehenden Sicherheitsstandards auf diese neuen Technologien angewendet werden (wie man das z.B. in Deutschland bei Richtlinien von Hubschrauberplattformen von Bohrinseln auf Hubschrauberplattformen von Konverteranlagen versucht hat – naja, ging beim ersten Mal so semi gut 🙁 ). Dieses Regulierungsvakuum führt zu einer gewissen Unsicherheit, da die Anpassung der bestehenden Regulierungen an die Besonderheiten autonomer Baumaschinen und Roboter oft nicht ganz so einfach ist.

In Europa gibt es eine ähnliche Situation, in der die Regulierung von autonomen Baumaschinen und Robotern noch in den Kinderschuhen steckt. Die Europäische Agentur für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz (EU-OSHA) hat jedoch begonnen, Leitlinien und Empfehlungen zur Sicherheit in der digitalen und automatisierten Welt zu entwickeln (näheres zu dem Thema auf der EU-OSHA Webseite). Es ist zu erwarten, dass in den kommenden Jahren spezifische Regelungen erlassen werden, um die Verwendung autonomer Baumaschinen in der Bauwirtschaft sicherer zu gestalten.

2. Passive und aktive Kommunikation

Da autonome Baumaschinen und Roboter in der Regel in der Nähe von Arbeitskräften und oft in komplexen und sich ständig verändernden Umgebungen eingesetzt werden ist die Sicherheit gerade in einem solchen Umfeld ein nicht zu unterschätzender Punkt. Ein Schlüsselaspekt ist dabei die Vermeidung von Unfällen durch Kollisionen. Autonome Baumaschinen sind mit fortschrittlichen Sensoren und Algorithmen ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, Hindernisse zu erkennen und zu vermeiden. Dennoch sind diese Systeme nicht fehlerfrei und können in bestimmten Situationen versagen.

Zusätzliche Wearables (Schutzhelme, Datenbrillen, Kleidung oder Schuhe), welche die Mitarbeitenden bei Annäherung von Maschinen aktiv warnen, wären zum Beispiel eine weitere Komponente, um die Zusammenarbeit sicherer zu gestalten. Mein Kollege Jochen Teizer hat beispielsweise 2008 – 2011 in einem Projekt einen solchen Smart Hat entwickelt (SmartHat: Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology for Hazard Avoidance and Training,  Fördernummer NSF #0800858, siehe u.a. dieses Paper). Eine solche Idee wurde u.a. im ConWearID Projekt auch berücksichtigt. Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) hat zum Einsatz von Wearables im Arbeitsschutz auch einen interessanten Beitrag veröffentlicht.

Denken wir weiter, ist die aktive Kommunikation zwischen autonomen Maschinen und Menschen ein weiterer Schritt. Es ist wichtig, dass die Arbeitskräfte auf der Baustelle in der Lage sind, mit den autonomen Maschinen zu interagieren und diese bei Bedarf zu steuern, wenn es erforderlich ist. Das erfordert klare Schnittstellen und Schulungen für die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

3. Qualifikationen und Schulung

Wie oben bereits erwähnt erfordert die Einführung autonomer Baumaschinen und Roboter eine Anpassung der Qualifikationen und damit der Schulung der Arbeitskräfte (Karl & Spengler, 2017, Karl et al., 2018). Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter müssen in der Lage sein, die Technologie sicher und effizient zu bedienen. Das erfordert Schulungsprogramme und Zertifizierungen, die speziell auf autonome Baumaschinen zugeschnitten sind. Und das sollte nicht erst auf dem Gebiet der Fort- und Weiterbildung geschehen. Bereits in der Ausbildung – und damit meine ich sowohl die gewerblich-technische als auch die akademische – müssen solche Themen auf den Tisch. Der technologische Fortschritt ist so schnell, da können wir nicht erst drei Jahre warten bis die Ausbildung vorbei ist. Die Zukunft beginnt jetzt! In unserem netzwerk bau:ausbildung adressieren wir genau das (Interesse an der Netzwerkarbeit? Gerne melden!).

4. Wartung und Instandhaltung

Die Wartung und Instandhaltung autonomer Baumaschinen ist ein weiterer Aspekt, der die Sicherheit beeinflusst. Die regelmäßige Überprüfung und Wartung der Sensorik, Software und mechanischen Komponenten muss durch fachkundiges Personal gewährleistet sein, um potenzielle Ausfälle oder gar schwere Unfälle zu verhindern. Dazu gehört es auch, die Betreibenden entsprechend zu informieren, Wartungspläne und Dokumentationsprozesse zu entwickeln und umzusetzen wie auch entsprechende Qualifizierungen vorzusehen. In diesem Feld sind nicht nur die Hersteller und Betreibenden angesprochen sondern auch Organisationen wie die BG Bau, die als Interessenvertretung der Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer eine wichtige Stimme ist.

5. Versicherung und Haftung

Klopfen wir auf Holz, dass wir das nicht brauchen, aber die Einführung autonomer Baumaschinen wirft auch Fragen zur Versicherung und Haftung auf. Wenn nun doch ein Unfall oder eine Beschädigung auftritt, muss klar und nachvollziehbar geklärt werden, wer dafür verantwortlich ist. Das erfordert aller Wahrscheinlichkeit nach die Entwicklung neuer oder angepasster Versicherungsmodelle und die Klärung rechtlicher Fragen. Das ist kein neues, unlösbares Problem, denn ähnliche Fragestellungen hat ja auch die Automobilindustrie in dieser Beziehung zu klären (DPMA, 2024).

Und nun?

Autonome Kraftfahrzeuge und autonome Mobilität bieten ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Effizienz nicht nur im öffentlichen Straßenverkehr, sondern auch im Bauwesen. Durch die Integration von autonomen Maschinen und Robotern können Bauprojekte schneller und kosteneffizienter umgesetzt werden. Die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologien wird in den kommenden Jahren noch mehr innovative Anwendungen, Vorteile aber auch Herausforderungen mit sich bringen.

Und wie bei der Automobilindustrie sind Sicherheit und Regulierung wesentliche Faktoren bei der zielgerichteten Integration autonomer Baumaschinen und Roboter. Es ist wichtig, dass die Regulierungsbehörden in Zusammenarbeit mit der Industrie klare Vorschriften entwickeln, um die Sicherheit zu gewährleisten und gleichzeitig die Vorteile dieser Technologien für das Bauwesen zu nutzen. Hier kann z.B. der VDI (Verein Deutscher Ingenieure) eine Schlüsselrolle spielen bei der Entwicklung von notwendigen Richtlinien. Daneben sind aber auch alle anderen Akteure gefragt sich einzubringen. Denn die Technologie läßt sich nicht aufhalten, es ist deshalb unumgänglich einen sicheren Umgang mit der Technologie zu gewährleisten. Oder um mit einem abgewandelten Avengers Zitat abzuschließen: Autonomes Fahren ist unvermeidbar. …. Und RDJ kommt als Iron Man zurück (siehe hier). Wie sehr hab ich mir das gewünscht 😁

Quellenverzeichnis:

DPMA (2024). Autonomes Fahren, Teil 2: Recht, Ethik und Datenschutz. Deutsches Patent- und Markenamt, online

Karl, C.K. & Spengler, A. (2017). Digitalisierung in der Bauwirtschaft – Konsequenzen für den Mittelstand und die gewerblich-technische Ausbildung, Bauingenieur, Jahresausgabe 2017/2018, S. 26 – 30 

Karl, C.K., Spengler, A., Bruckmann, T. & Ibbs, C. W. (2018). Influence of automated building construction systems on vocational education and training In: 2018 Proceedings of the 35th ISARC, Berlin, Germany, 2018, S. 228-235, online

SAE (2021). SAE Levels of Driving Automation™ Refined for Clarity and International Audience. Society of Automotive Engineers (SAE), online

Schlagwörter: autonomes Fahren, Robotaxi, autonome Baumaschinen, Regulierung, Sicherheit, Schulungen, Versicherung, Haftung, Roboter

Diesen Beitrag zitieren: Karl, C. [Christian K. Karl]. (2024). Autonome Baumaschinen und Roboter: Sicherheit im Fokus [Blog-Beitrag]. 15.07.2024. BauVolution, ISSN 2942-9145. online verfügbar