Lichtblicke in der Produktion: Zuverlässiger Datenaustausch zwischen kooperativen fahrerlosen Transportsystemen

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Mit der WiFi-Funktechnologie allein lässt sich kein zuverlässiger Datenaustausch zwischen kooperativen fahrerlosen Transportsystemen (FTS) bewerkstelligen. SEW-Eurodrive setzt deshalb zusätzlich auf die Visible Light Communication.

Ein fahrerloses Transportsystem (FTS) und weitere mobile Systeme werden für moderne Industrieeinrichtungen immer wichtiger. Entscheidend für ihre Rolle in der flexiblen Fabrik der Zukunft sind Kommunikation und Kooperation. Befördern beispielsweise zwei oder mehr FTS gemeinsam eine Last, müssen sie Steuerungsinformationen zur genauen Formationssteuerung austauschen. Bei diesem Austausch würde eine hohe Latenz eine unerwünschte Relativbewegung in der Formation verursachen. Daher erfordern kooperierende FTS eine besonders zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz – oft bezeichnet als ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC). Um uRLLC zu gewährleisten, muss man interferenzreiche Bereiche des Spektrums umgehen. Sichtbares Licht ist ein solches inter­ferenzarmes Spektrum.

VLC + WiFi = zuverlässig, schnell und hoher Durchsatz

SEW-Eurodrive wählte hierfür als Kommunikationstechnologie die Visible Light Communication (VLC). VLC ist ein draht­loses Peer-to-Peer-Kommunikationssystem für kurze Reichweiten im Frequenzbereich 400 - 800 THz (750 - 375 nm) und bietet sowohl die erforderliche niedrige Latenz als auch die notwendige hohe Zuverlässigkeit. VLC sorgt für die Kommunikation zwischen kooperierenden, benachbarten FTS mit niedriger Latenz. Da neben dieser lokalen Kommunikation auch eine globale Kommunikation mit hohem Durchsatz erforderlich ist, kommen bei den FTS zwei Kommunikationsschnittstellen zum Einsatz. Eine zusätzliche WiFi-Schnittstelle ist für die Kommunikation mit der Infrastruktur und für andere allgemeine Zwecke zuständig. Aus dieser Lösung ergibt sich eine weitere Herausforderung: die Entscheidung, welche Pakete an welche Schnittstelle gesendet werden sollen. Ziel ist die Vermeidung von Schnittstellenwechseln, da diese zu Latenzspitzen führen. Dafür benötigt man ein Routing-Verfahren, das die Zahl der Übergaben zwischen dem WiFi-Netzwerk und dem VLC-Netzwerk minimiert.

Fahrerloses Transportsystem – Netzwerkoptimierung durch lokale Cluster

Aus kooperierenden FTS werden lokale Cluster erstellt, die für die Kommunikation innerhalb des Clusters VLC verwenden, sowie WiFi für die Kommunikation mit anderen Teilnehmern. Die Entscheidung, welche Pakete über welche Verbindung gesendet werden, trifft ein SDN-Switch. Diese Netzwerksteuerung ermöglicht das Routing auf Grundlage von globalen Systeminformationen wie kooperativen Aufgaben, deren Dauer und Teilnehmern. Die Steuerung des Netzwerks mittels SDN hat dabei den Vorteil, dass man diese globalen Kenntnisse über die FTS-Flottensteuerung für die Planung des Routings nutzen kann.

Interferenzen zählen zu den größten Her­ausforderungen für die Kommunikation innerhalb dichter Netzwerkcluster. Da die Netzwerkteilnehmer selbst die Lichtsignale vollständig blockieren, verringert dies die effektive topologische Dichte und führt zu interferenzarmer Kommunikation.

Implementierung mit weißen LED-Arrays

Die ausgewählte VLC-Schnittstelle, eine proprietäre Implementierung durch SEW-Eurodrive, verwendet ein Array aus weißen LEDs zur Übermittlung des Signals und vier unabhängige Empfänger für dessen Empfang. Jedes FTS ist mit vier VLC-Modulen mit einem Öffnungswinkel von 120 Grad ausgestattet. Dadurch kann das Fahrzeug VLC-Signale in alle Richtungen senden beziehungsweise aus allen Richtungen empfangen. Die Kommunikation ist innerhalb eines Bereichs von fünf Metern möglich. Die Signalübertragung kann nur bei einer direkten Sichtverbindung erfolgen.

SEW hat die Latenz einer Verbindung zwischen FTS gemessen, wobei mehrere Verbindungen in räumlicher Nähe aktiv waren – wie bei einem realen Anwendungsfall. Dabei ist es zu keiner gegenseitigen Beeinflussung gekommen, und es zeigte sich, dass sich Umlaufzeiten kleiner 40 ms bei einer Verlässlichkeit von wesentlich größer als 99 Prozent erreichen lassen.

Fahrerloses Transportsystem – VLC-Routen auf Grundlage kooperativer Aufgaben

Auf dem FTS sind mehrere Kommunika­tionstechnologien vorhanden. Dadurch ergeben sich zwei Herausforderungen: die Festlegung der Regeln für die Schnittstellenauswahl und die Verteilung dieser Regeln auf die Netzwerkknoten (FTS). Die Wechsel der Kommunikationstechnologien müssen dabei minimiert werden. VLC sollte man grundsätzlich den Vorzug geben; dadurch werden Ressourcen im WLAN frei. Bei Tests zeigte sich, dass der erzwungene, nicht geplante Wechsel der Kommunikationstechnologie die Latenz bis zu verzehnfacht hat. Daher ist es wichtig, die Kommunikationsverbindungen zwischen FTS (Routen) mit einer langen Lebens­dauer auszuwählen, das heißt, keine Unter­brechungen oder neue Knoten. Es gilt, die VLC-Routen auf Grundlage von aktiven ­kooperativen Aufgaben auszuwählen, um die kooperierenden FTS zu gruppieren. Dadurch entstehen VLC-Cluster.

Praktische Messungen zur Lebensdauer der Routen

Empirische Untersuchungen und Simula­tionen haben gezeigt: Die Dauer kooperativer Aufgaben ist im Mittel einhundert Mal länger als die Verbindungsdauer in einem Peer-to-Peer-Netzwerk zwischen FTS. Man nimmt an, dass während der Ausführung einer kooperativen Aufgabe zwischen FTS die VLC-Verbindungen nicht unterbrochen werden, weil die Sichtverbindung zwischen den Fahrzeugen aufgrund der engen Zusammenarbeit nicht abreißt. Während der Sichtverbindung gibt es keinen Paketverlust. In Dauertests ließ sich kein Paketverlust auf VLC-Verbindungen beobachten, bei denen Sender und Empfänger nur geringe Relativbewegungen erfahren haben.

Verteilung von Routing-Regeln an mobile Clients

Für die Verteilung von Routing-Regeln an Clients gibt es verschiedene Strategien. Bei der dezentralisierten Erstellung dieser ­Regeln erstellt und pflegt ein Client eigene Routing-Tabellen. Alternativ kann das Routing von einer zentralen Einheit organisiert und geplant werden und die daraus resultierenden Regeln an die Clients verteilen. Diese Lösung ist von Vorteil, da die implementierte Strategie auf globalen Informationen basiert. Das Clustering wird mithilfe von SDN implementiert. Eine zentrale SDN-Steuerung gewinnt aus dem FTS-Flotten­managementsystem die Informationen zu den geplanten Aufgaben. Diese Informationen werden durch die Steuerung in Routing-Informationen (Flow Table Entries) umgewandelt und an die SDN-Switches, das heißt an die FTS, übertragen. Das beschriebene Verhalten wurde mittels des Click Modular-Routers in einer Implementierung nachgewiesen.

Fahrerloses Transportsystem: Lichtkommunikation ist praktisch und flexibel

Fazit: Kooperierende fahrerlose Transportsysteme in Industrie­umgebungen sind eine wichtige Herausforderung für die Fabrik der Zukunft. Industrielle WiFi-Implementierungen reichen häufig nicht aus, um die Anforderungen hinsichtlich niedriger Latenz und hoher Zuverlässigkeit bei kooperativen Aufgaben zu erfüllen. Die Visible Light Communication stellt eine vorteilhafte Alternative dar. Ein FTS-Clustering auf Grundlage dieser Kommunikationstechnologie kombiniert die Vorteile beider Schnittstellen. Die gemischte Architektur wurde mithilfe von SDN implementiert, in dem alle Fahrzeuge Software-Switches enthalten, die sich durch eine zentrale SDN-Steuerung konfigurieren lassen. Diese Architektur ermöglicht eine ­lokale Kommunikation via VLC, ohne die übergeordnete Kommunikation der FTS über WiFi zu beeinträchtigen.

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Von Eike Lyczkowski und Christian Sauer.

Die Autoren danken Prof. Dr. Wolfgang Kiess von der Hochschule Koblenz für die Unterstützung.