Lagertechnik Gitterbasierte Lagersysteme – neue Lösungen für Frühgepäckspeicher Bewegungen auf kleiner Fläche Die Intralogistik hat in den vergangenen Jahren eine Vielzahl an Innovationen im Bereich der Lagersysteme erlebt. Ein Beispiel hierfür sind gitterbasierte Lager systeme. Ob ihr Einsatz als Früh gepäckspeicher an Flughäfen möglich ist, soll im Rahmen des aktuellen Projekts „Fluidsim“ simulativerprobt werden. ■■ Altan Yalcin ■■ Oliver Schocke ■■ Achim Koberstein Das Flugzeug ist für Geschäftsleute und Touristen als Verkehrsmittel auf vielen internationalen Strecken fast alternativlos. Laut Prognose des Luftfahrtverbands IATA werden im Jahr 2034 rd. 7,3 Mrd. Passagiere weltweit mit dem Flugzeug unterwegs sein – doppelt so viele wie 2014. Die rapide wachsenden Passagierzahlen und der damit einhergehende Anstieg des Gepäckvolumens stellen Flughäfen vor signifikante logistische Probleme. Um konkurrenzfähig zu bleiben, müssen die Flughäfen große Gepäckmengen in geringen Zeitspannen bewältigen. Daraus resultiert der ständige Druck, bestehende Prozesse weiter zu optimieren und ggf. neue Technologien zu implementieren. Gepäckstücken in e iner gewissen Zeitspanne reduziert. Die Abgabe der Ge päckstücke wird so über die Zeit verteilt. Infolgedessen kommt es zu einer leichten Entlastung der Gepäckförderanlage in Peak-Zeiten. Ebenso werden Gepäckstücke vor ihrer Einlagerung durch die Sicherheitskontrollen geleitet. Dies führt dazu, dass abgerufenes Gepäck aus dem Frühgepäckspeicher direkt zum Flugzeug transportiert werden kann und so die Sicherheitskontrollen für Gepäckstücke, die kurz vor Ende des Check-in aufgegeben werden, zur Verfügung stehen [3]. Es gibt verschiedene Umsetzungen für das Layout und die Funktionsweise des Frühgepäckspeichers. Unterschieden werden statische und dynamische Frühgepäckspeicher sowie zentrale und dezentrale Speicher. Allgemein gilt, dass größere Flughäfen hochkomplexe Aufbewahrungseinrichtungen benötigen, während kleinere Flughäfen die Aufbewahrung manuell ausführen oder gar keinenFrühgepäckspeicher haben [4, S. 59]. Statische Frühgepäckspeicher treten in verschiedenen Ausführungen auf Dynamische Speichersysteme sind Fördersysteme, die in e iner Endlosschleife aus Gurtförderern betrieben werden (Bild ➋, l.). Sie weisen oft ein mäan drierendes Layout auf. Die kontinuierlich angetriebenen Fördersysteme sind platz-, kosten- und wartungsintensiv. Ein weiterer ihrer Nachteile besteht darin, dass einzelne Gepäckstücke nicht gezielt abgerufen werden können. Das System kann auf dieser endlosen Förderstrecke Gepäck nur an bestimmten Ausschleusstellen ausgeben. Falls sich ein benötigtes Gepäckstück in einem Abschnitt ohne Ausschleusstelle befindet, gestaltet sich dieser Vorgang bei entsprechender Größe der Anlage als zeitintensiv [5, S. 1 f.]. Statische Frühgepäckspeicher treten in vielen verschiedenen Ausführungen auf. Das Hauptmerkmal besteht in der ruhenden Lagerung. Am Flughafen Montréal-Trudeau z. B. wird jedes Gepäck- Gepäckausgabe Ankunft Früh- und Transfergepäckspeicher entlasten die Gepäckförderanlage Ein Frühgepäckspeicher ist e in integriertes Teilsystem der Gepäckförderanlage, um Frühgepäck und Transfergepäck temporär zu lagern (Bild ➊). Frühgepäckspeicher ermöglichen flexiblere Checkin-Zeiten, da die Passagiere bereits vor dem eigentlichen Beginn des Check-in – meist am Vorabend – ihr Gepäck aufgeben können. Damit sind mehrere Vorteile verbunden: Einerseits wird durch den Frühgepäckspeicher e ine Komfortfunk tion für Passagiere angeboten, andererseits führt diese Maßnahme zu einer Glättung des allgemeinen Andrangs am Check-in-Schalter. Darüber hinaus wird der Frühgepäckspeicher – entgegen seiner Bezeichnung – als Speicherort für Transfergepäck genutzt. Dies ist der Fall, wenn der Anschlussflug mit großem Zeitabstand stattfindet und das Gepäck noch nicht verladen werden kann [2, S. 4]. Durch den Frühgepäckspeicher wird auch die Gesamtzahl an abgegebenen 386 Eingabestelle 1 Eingabestelle i Frühgepäckspeicher A Check-In Gepäcksortierung Frühgepäckspeicher n Entnahmestelle 1 Entnahmestelle m Abflug ➊ Prozessdarstellung der Gepäckbeförderung von Flugpassagieren [1] www.hebezeuge-foerdermittel.de · Hebezeuge Fördermittel, Berlin 55 (2015) 7-8 systemen (Bild ➋, r.) als hybride Lösung könnte die Vorteile beider Speicherarten vereinen. Gitterbasierte Systeme als intelligente Lösung Gitterbasierte Systeme bestehen aus vielen aneinandergrenzenden, gleichgroßen rechteckigen Zellen, die e in physisches Fördersystem in logische Partitionen diskretisieren. Im optimalen Fall sind die Zellen und die bewegten Transporteinheiten (z. B. Roboter, Fördermodul, FTF) kongruent zueinander (Bild ➋). Die transportierenden Einheiten können entweder stationär oder mobil sein. Im ersten Fall handelt es sich um ortsfeste Förder module, die das Transportgut zur benachbarten Zelle weiterfördern. Im anderen Fall sind die Einheiten ortsungebunden, z. B. fahrerlose Transportfahrzeuge oder Roboter, die das Transportgut durch das System tragen. In beiden Fällen sind die Einheiten fähig, translatorische Bewegungen in die vier kardinalen Richtun- gen auf der Ebene auszuführen. Somit ist es im Extremfall möglich, eine Systemfläche ähnlich wie bei e inem 15-PuzzleSpiel zu befüllen und einzelne Einheiten aus der Fläche zu schleusen. Es existieren bereits e inige intralogistische Lösungen, die mit diesem Paradigma vereinbar sind. Der „Flexconveyor“, entwickelt vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Gebhardt Fördertechnik GmbH in Sinsheim, ist ein Fördermodul mit eigener Steuerung. Werden mehrere dieser Module miteinander kombiniert, lassen sich wahlweise eine Förderstrecke zum Transport oder eine Förderfläche zur Sortierung [7] oder Pufferung [8] von Material zusammensetzen. Eine weitere Lösung liefert beispielsweise das zu Amazon gehörende Unternehmen Kiva Systems. Dabei werden in Distributionszentren Lagerroboter eingesetzt, die die „Ware zum Mann“ bringen. Die Lagerfläche ist gitterartig aufgebaut und in verschiedene Lagerzonen sowie Fahrgassen für die Roboter aufgeteilt [9]. ➋ Gepäckspeicher als Schleifensystem (l.) und als gitterbasiertes System (r.) © 2015 · Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigungen auf Datenträgern jeglicher Art sind verboten. HUSS-MEDIEN GmbH · Am Friedrichshain 22 · 10407 Berlin · Tel. 030 42151-0 · Fax 030 42151-207 · www.hebezeuge-foerdermitHebezeuge Fördermittel, Berlin 55 (2015) 7-8 · www.hebezeuge-foerdermittel.de 387 © 2015 · Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigungen auf Datenträgern jeglicher Art sind verboten. HUSS-MEDIEN GmbH · Am Friedrichshain 22 · 10407 Berlin · Tel. 030 42151-0 · Fax 030 42151-207 · www.hebezeuge-foerdermit- stück auf einem separaten Platz gelagert [6, S. 68]. Dabei werden die Gepäckstücke von sog. Destination Coded Vehicles an die Lagerstellen transportiert und dem Lagerplatz übergeben. Der besteht im Grunde aus einem Taktförderer, der Platz für e in Gepäckstück bietet. Sobald das Gepäckstück abgerufen wird, transportiert der Taktförderer dieses zurück auf ein bereitstehendes Destination Coded Vehicle. Außerdem existieren Frühgepäck speicher in Form eines Hochregallagers. Jedes Gepäckstück bekommt einen freien Lagerplatz zugewiesen und wird – u. a. mit Vertikalförderern – auf den ermittelten Lagerplatz transportiert. Die Lagerung im Hochregal lager ist platz effi zient und ermöglicht einen individuellen Zugriff auf die Gepäckstücke. Die Lagerung kann je nach eingesetztem System mit oder ohne Behälter ausgeführt werden. Der Grenzdurchsatz dieser Systeme ist jedoch durch die Kapazität der Regal bediengeräte beschränkt [4, S. 62 f.]. Der Einsatz von gitterbasierten Lager- © 2015 · Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigungen auf Datenträgern jeglicher Art sind verboten. HUSS-MEDIEN GmbH · Am Friedrichshain 22 · 10407 Berlin · Tel. 030 42151-0 · Fax 030 42151-207 · www.hebezeuge-foerdermittel.de Lagertechnik Lagertechnik ➌ Wandlungsfähigkeit von gitterbasierten Lagersystemen: a) konventionelles Lagerlayout, b) hochdichtes Lagerlayout mit Gassensystem, c) gassenloses Lagersystem Transporte müssen zielrichtig und kollisionsfrei durchgeführt werden Eine neue und e inzigartige Lösung ist „Fluide Logistik“, die die Benjamin Systems GmbH in Roßdorf derzeit entwickelt. Sie ist eine Mischform aus Förder technik und fahrerlosem Transportsystem (FTS). Mithilfe eines elektromagnetischen Antriebs soll das Transportgut auf der freien Fläche bewegt werden, ähnlich wie bei einer Münze auf dem Tisch, die von unten mit einem Magneten bewegt wird. Für e inen reibungslosen Materialfluss muss der Transport zielrichtig, kollisions frei und blockierungsfrei durchgeführt werden. Automatisierte Fördertechnik und FTS werden entweder zentraloder dezentral gesteuert. Bei einem zentralen Ansatz werden alle Entscheidungen von e inem zentralen Rechner getroffen, der über alle Informa tionen verfügt. Das System kann bestimmte Bereiche reservieren, um kollisionsfreie Hochgeschwindigkeitsbewegungen auszuführen. Hingegenhaben Systeme mit einer dezentralen Steuerung keinen zentralen Rechner. Alle Entscheidungen werden von dezentralen Einheiten selbstständig getroffen, was e ine robustere Alternative verspricht, da sobald eine Einheit gestört ist, die verbleibenden Einheiten hiervon nicht betroffen sind und der Verlust der Systemleistung insgesamt 388 minimiert wird. Diese Robustheit führt allerdings nicht zwangsläufig zu einer höheren Systemleistung als bei zentralen Ansätzen. So können dezentrale Systeme bei kleinenLayouts effizienter arbeiten, stoßen bei wachsender Komplexität aber an ihre Grenzen [10]. In konventionellen Lagersystemen wird das Lagerlayout durch die Bauweise festgelegt. Ausgehend von e inem konven tionellen Lagerlayout mit einfacher Lagertiefe und Gassensystem, lassen sich Ein- und Auslagerung relativ schnell ausführen. Um e inen besseren Flächennutzungsgrad oder e ine höhere Lagerdichte zu erreichen, kann die Lagertiefe vergrößert werden. Existierende Systeme bieten Lösungen mit doppelter Lagertiefe an. Theoretisch lässt sich die Lagertiefe k bei einer Lagergrundfläche von m × n auf k = (n-2)/2 vergrößern und gleichzeitig ein Gassensystem beibehalten [11]. Allerdings birgt e ine tiefere Lagerung auch Ineffizienz, die aus dem Umräumen von blockierendem Lagergut resultiert. Gitterbasierte Lagersysteme sind nicht an Gassen gebunden Hingegen wird in gitterbasierten Lagersystemen das Lagerlayout nicht durch die Bauweise, sondern durch die Steuerung vorgegeben. Diese Systeme sind nicht an Gassen gebunden, sodass der Platz zur Lagerung genutzt werden kann und sich die Dichte weiter erhöhen lässt. Demgegenüber steht jedoch eine längere Einlagerungs- und Auslagerungszeit. Abhängig vom Lageraufkommen kann das Layout angepasst werden. Bei einer geringen Auslastung der Kapazität kann beispielweise e in Layout mit einfacher Lagertiefe konfiguriert werden, und bei einer hohen Auslastung könnten die Gassen ausgelöst werden, um die Speichergröße zu erhöhen. Diese Eigenschaft von gitterbasierten Lagersystemen wird als Polymorphismus oder Wandlungsfähigkeit bezeichnet (Bild ➌). Simulationsstudie über den Einsatz gitterbasierter Lagersysteme Systemfunktionen, wie das Fördern, Sortieren und Lagern von Gütern, werden in Anlagen mechanisch vorgegeben. Änderungen des Systemlayouts sind oft mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Materialflusssimulationen eignen sich zur Studie von geplanten oder bereits vorhandenen Systemen. Sie helfen dabei, das Systemverhalten bei geänderten Bedingungen zu analysieren und unterstützen die Suche nach Engpässen sowie Fehlern im System. Im Rahmen einer Simulationsstudie1) soll der Einsatz von gitterbasierten Lagersystemen am Beispiel des Frühgepäck- www.hebezeuge-foerdermittel.de · Hebezeuge Fördermittel, Berlin 55 (2015) 7-8 speichers am Flughafen Frankfurt (Main) unter Einsatz der fluiden Logistik untersucht werden. Die erforderlichen Daten liefert die Fraport AG, Betreiber des größten deutschen Verkehrsflughafens. Die Gepäckförderanlage des Flug hafens Frankfurt feierte kürzlich ihr 40-jähriges Jubiläum. Im Laufe der Jahre ist die Förderstrecke auf rd. 80 km angewachsen. Prinzipiell handelt es sich bei der Anlage um Behälterfördertechnik, bei der das Gepäck in Wannen transportiert wird, was Fördergeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s ermöglicht. Am Flughafen Frankfurt beträgt der Anteil Schnellstmögliche Ausschleusung bei minimalem Ressourcenaufwand Die Leistungsfähigkeit des Algorithmus zeichnet sich durch eine schnellstmögliche Ausschleusung von Gepäckstücken bei minimalem Ressourcenaufwand aus. Im vorliegenden Fall wurde ein zentraler Steuerungsansatz favorisiert. Das Simulationsmodell (Bild ➍) besteht aus zwei wesentlichen Komponenten: Die erste bildet die Physikab und wurde in Plant Simulation modelliert. Sie basiert auf der Klassenbibliothek Fluidsim, die von der S implan AG, Maintal entwickelt ➍ Das „Fluidsim“-Simulationsmodell des Frühgepäcks, gemessen am abgehenden Gepäck, rd. 35 %. So müssen in Spitzenlastzeiten rd. 10 000 Gepäckstücke in den insgesamt vier Frühgepäckspeichern zwischengepuffert und stündlich rd. 4000 Gepäckstücke gleichzeitig einoder ausgelagert werden [12]. Das wesentliche Ziel der Simulations studie ist die Entwicklung e ines gitterbasierten Lagersystems im Einsatz als Frühgepäckspeicher. Aus dieser weit ge steckten Zielsetzung ergeben sich verschiedene Teilaufgaben. So müssen beispielweise die Größe und das Layout der Lagerfläche sowie die Anzahl der Einund Ausgänge bestimmt werden, die die Lagerfläche haben muss, um den besonderen Lastbedingungen des Flughafenbetriebs gerecht zu werden. Da e ine große Menge von Gepäckstücken gleichzeitig ein- und ausgelagert wird, muss e in ausgeklügelter Steuerungsalgorithmus entwickelt werden. 1) Diese Studie wurde im Rahmen von H essen ModellProjekte (Projektnummer HA 422/14-32) aus Mitteln der LandesOffensive zur Entwicklung wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (LOEWE), Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert. Dank an die Fraport AG für die Bereits tellung der Daten der G epäckförderanlage des Flughafens Frankfurt sowie an die Simplan AG für die Bereitstellung der Klassenbibliothek Fluidsim. wurde. Die zweite Komponente dient zur Planung und Entscheidung von Steue rungsabläufen. Sie entscheidetz. B. bei der Ankunft eines Gepäckstücks im System,wo dieseszunächst gelagert und über welche Streckees zu dieser Position gelangen soll. Beide Komponenten kommunizieren über Socket-Schnitt stellen und tauschenTelegramme miteinander aus. Zur Bewertung der logistischen Leistungsfähigkeit sowie Energieeffi zienz unterschiedlicher Konfigurationen wurde e in Kennzahlensystem entwickelt. Mit ersten Ergebnissen der Studie ist im 4. Quartal 2015 zu rechnen. ∙ Literatur [1] Siemens AG: Interview with AENA: Madrid baggage handling system successfully extended. In: Airport Logistics01/2009, S. 4 – 5. Adresse: http://sie.ag/1Mng5af. [2] Fikse, K.: Are Detailed Decisions Better Decisions? Improving the performance of high-capacity sorter systems using inbound container assignment algorithms. University of Twente, 2011. Adresse: http://bit.ly/1AgymhX. [3] Beumer Group: New processes for BHS: Why not a bag factory?, 2012. Adresse: http://bit.ly/1GjyNM1. [4] Richter, A.: Gepäcklogistik auf Flughäfen: Grundlagen, Systeme, Konzepte und Perspektiven. Berlin, Heidelberg: Springer Gabler, 2013. Hebezeuge Fördermittel, Berlin 55 (2015) 7-8 · www.hebezeuge-foerdermittel.de [5] Sandusky, D.; Taylor, R; Anderson, D.: Multiple tray carriers for early bag storage system. US Patent US5575375 A, 1996. Adresse: http://bit.ly/1C27bNQ. [6] Alstef: Storage Solution: For airports looking for an easy way to temporarily store early or transfer baggage, an early bag store could be the answer. Passenger Terminal World, 6/2013, S. 68. Adresse: http://bit.ly/1Mndq07. [7] Seibold, Z.; Gebhardt, M.; Stoll, T.: Modularer, dezentral gesteuerter Plug&Play-Sorter. Mehr Nutzen mit dem Gridsorter. Hebezeuge Förder mittel, Berlin 54 (2014) 5, S. 260 – 262. Adresse: http://bit.ly/1E1dMDj. [8] Gue, K. R.; Furmans, K.; Seibold, Z.; Uludag, O.: Gridstore: A Puzzle-Sased Storage System with Decentralized Control. IEEE T. Automation Science and Engineering, 11 (2014) 2, S. 429 – 438. Adresse: http://bit.ly/1842KVc. [9] Kiva Systems, How Kiva Systems and Warehouse Management Systems Interact, 2010. Adresse: http://bit.ly/1Gy73Xr. [10]Schmidt, T.: Materialflusssteuerung: Der Schlüssel zu Effizienz und Flexibilität, Vortrag auf dem TeamLogistikforum, Paderborn, 2014. [11]Gue, K. R.: Very High Density Storage Systems, IIE Transactions 38 (2006) 1, S. 93 –104. Adresse: http://bit.ly/1PQuOu0. [12]Fraport AG: Fraport Baggage Management and Infrastructure: Frankfurt/Main Airport, 2012. Adresse: http://bit.ly/1AaI8C3. M.Sc. Altan Yalcin ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Logistik an der Frankfurt University of Applied Sciences Prof. Dr. Kai-Oliver Schocke ist Professor für Logistik- und Produktionsmanagement an der Frankfurt University of Applied Sciences Prof. Dr. Achim Koberstein ist Hochschullehrer für Wirtschaftsinformatik an der EuropaUniversität Viadrina in Frankfurt (Oder) 389 © 2015 · Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigungen auf Datenträgern jeglicher Art sind verboten. 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