Smart Underground – Robotik, Sensorik und IoT unter Tage

Kurzbeschreibung:

Die sensorische Überwachung und automatisierte Wartung unterirdischer Infrastrukturen wie z. B. von Verkehrs- und Versorgungstunneln, untertägigen Materiallagern und Deponien, aktivem und stillgelegtem Bergbau stellt einerseits spezielle Anforderungen, bietet andererseits aber besondere Chancen für den Einsatz von Internet of Things (IoT)-Technologien. Der Smart Underground Trail demonstriert Basistechnologien und Einsatzmöglichkeiten für Untertage-IoT anhand verschiedener Stationen und führt unter anderem in das Forschungs- und Lehrbergwerk der TU Bergakademie Freiberg. Gezeigt werden beispielsweise vernetzte Sensoren zur Umweltüberwachung und zum Tracking von Material und Personen sowie mobile Roboter zur automatisierten 3D-Kartierung unterirdischer Anlagen.

Koordinatoren:

Prof. Dr.-Ing. Helmut Mischo, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bergbau und Spezialtiefbau
M. Sc. Frederic Güth, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Elektronik- und Sensormaterialien
M. Sc. Robert Lösch, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Informatik
M. Sc. Sebastian Varga, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Markscheidewesen und Geodäsie
Dipl.-Ing. Franziska Günther, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bergbau und Spezialtiefbau

Zielgruppen:

Sensor- und Aktoranwender, Systemintegratoren, Anwender aus dem Bereich Industrie 4.0, Forschungs- und Bildungseinrichtungen, Bergwerksunternehmen, Sanierungsbetriebe, Grubenwehren, Hochschullehrer, Robotikunternehmen, Studenten

Partner:

Alle Partner des Trails sind Einrichtungen der TU Bergakademie Freiberg.

Name Typ Kompetenz Ansprechpartner
Institut für Informatik, Professur für Virtuelle Realität Forschung Virtuelle Realität, Robotik Prof. Dr.-Ing. Bernhard Jung
Institut für Elektronik und Sensormaterialien Forschung Sensorik, Internet of Things Prof. Dr. rer. nat. Yvonne Joseph
Institut für Markscheidewesen und Geodäsie Forschung Geologische Vorerkundung, Datenmanagement Prof. Dr.-Ing. Jörg Benndorf
Institut für Bergbau und Spezialtiefbau, Professur für Rohstoffabbau und Spezialverfahren unter Tage Forschung Bergbau, Untertagetechnik Prof. Dr.-Ing. Helmut Mischo
Institut für Automatisierungstechnik Forschung Automatisierungstechnik Prof. Dr.-Ing. Andreas Rehkopf
Forschungs- und Lehrbergwerk Reiche Zeche Forschung Bergbau, Besucherzentrum Prof. Dr.-Ing. Helmut Mischo

Stationen:

Der Smart Underground Trail steht nach Terminvereinbarung von Montag bis Freitag zur Verfügung. Entsprechend der Schwerpunkte absolvieren die Besucher den Intensiv-Trail in 2 Tagen. Die Abbildung 1 zeigt den beispielhaften Ablauf des Smart Underground Trails.

Abbildung 1. Beispielhafter Verlauf des Smart Underground Trails

Der interdisziplinäre Smart Underground Trail führt die Besucher durch Vorträge und Präsentationen an den Instituten in die Forschung zu IoT und Robotik unter Tage ein. Dies geschieht im Zusammenhang mit dem Besuch moderner Labore. Dabei sind die einzelnen Fachbereiche maßgeblich an der Entwicklung aller Komponenten zum Aufbau einer IoT-Infrastruktur unter Tage beteiligt. Von der Entwicklung des SmartEquipments, wie Sensoren, im Reinraumlabor über die Konstruktion eines Bergwerksroboters und die Implementierung des SmartEquipments werden einzelne Forschungsprojekte vorgestellt. Im Visualisierungslabor CAVE stehen die Besucher direkt in der Projektion der untertägig aufgenommenen Daten. Die Entwicklungen in der Automatisierungstechnik tragen ebenso wie die Mapping- und Lokalisierungstechnologien im untertägigen Bereich zur Vision eines autonomen Roboters in einer vernetzten Bergwerksumgebung bei. Es wird gezeigt, wie bestehende und neu entwickelte Technologien speziell auf die Bedingungen untertage zugeschnitten werden. Eine Befahrung des Forschungs- und Lehrbergwerkes der TU Bergakademie Freiberg mit der Besichtigung der dort installierten Demonstratoren stellt den Abschluss des Trails dar. Unter Tage befinden sich die Teilnehmer unmittelbar in einer IoT-Umgebung, in der sie zugeschnittene Anwendungen ausgewählter Partner selbst erleben. Ein abschließendes Vernetzungstreffen, das der Auswertung und Auslotung möglicher Kooperationen dient, rundet den Intensiv-Trail ab.

Wertversprechen des Trails:

Die vorgestellten Forschungsvorhaben erschließen ein signifikantes Anwendungspotential in der Montanregion Erzgebirge. Beispielsweise ermöglichen Erkenntnisse aus der autonomen Exploration eine Neuerkundung historischer Bergwerke. Auf diese Art und Weise entstehen dreidimensionale und texturierte Aufnahmen zu Dokumentationszwecken. Das schützt das kulturelle Erbe und ein Stück Bergbaugeschichte. Bestehende Bergwerke stehen im Fokus voranschreitender Automatisierung und Digitalisierung. Der Smart Underground Trail ergründet und beantwortet Fragen nach der Eignung, notwendigen Kerneigenschaften und Anforderungen sowie dem Nutzen vorgestellter Technologien. Robotersysteme benötigen intelligente Sensorik, um Aufgaben, wie die Unterstützung von Einsatzkräften bei Rettung oder Gefahrenabwehr, zu bewältigen. Das Smart Equipment ist dabei selbst ein Novum. Das Zusammenspiel von Robotik und Internet of Things-Technologien in einer untertägigen Umgebung ist am Bergbaustandort Freiberg einzigartig. Bestehende Kooperationen mit Firmen und Forschungseinrichtungen dienen als Plattform für die Verbreitung und Vermarktung der Forschungsergebnisse. Aus dem, mit einem Bergwerksroboter aufgenommenen, 3D-Modell des Forschungs- und Lehrbergwerkes wurde in Zusammenarbeit mit der Hochschule Mittweida durch die Firma Cinector GmbH ein Grubenwehrsimulator entwickelt. Dieser dient der Ausbildung im Grubenrettungswesen nicht nur in Sachsen, sondern mittlerweile auch bundes- und europaweit. Der Grubenwehrsimulator war 2017 für den Förderpreis Arbeit-Sicherheit-Gesundheit der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie (BGRCI) nominiert. Das „Living Lab Reiche Zeche“ wurde ausgestattet durch Bluetooth-Sender und Empfänger der Firma safectory GmbH und leistet einen Beitrag zur modernen Personenkontrolle für die Besucher des Forschungs- und Lehrbergwerkes. Durch die Einzigartigkeit der Bedingungen in Freiberg entsteht hier ein deutlicher Wettbewerbsvorteil, der als Grundlage für die Erforschung von Zukunftstechnologien dient. Ein Technologietransfer mit lokalen Firmen ist vorgesehen und gewünscht.

Pain Killers:
    • Klarheit über verfügbare IoT-Technologien, deren Limitierungen und Möglichkeiten im Bergbau
    • Detaillierte Präsentation von Sensoren, Robotern und deren Interaktion durch Experten mit offener Diskussion
    • Informationen über den aktuellen Stand der Forschung: Was ist derzeit zu welchen Kosten möglich?
    • Wissenschaftliche Beurteilung eigener Ideen und Lösungsansätze durch Forscher auf den Kerngebieten: Robotik, Sensorik und Bergbau
Gain Creators:
    • Schaffung eines Konzepts einer digitalen Infrastruktur für untertägige Anlagen
    • Erhöhung der Informationsdichte durch kontinuierliches Monitoring aller relevanten Grubendaten
    • Einblick in die Entwicklung von Hilfsmitteln zur technischen, infrastrukturellen und logistischen Unterstützung von beispielsweise Grubenwehren im Einsatzfall nach Schadensereignissen

Charakter:

Intensiv-Trail: 2 Tage mit interaktiven Präsentationen und Einfahrt ins Bergwerk
Der Trail wird ab einer Mindestteilnehmerzahl von 4 Personen angeboten, die maximale Teilnehmerzahl beträgt 8.

Demonstratoren:

INFRASTRUKTUR „LIVING LAB REICHE ZECHE“

(vertreten durch das Institut für Elektronik- und Sensormaterialien)

Die Infrastruktur „Living Lab Reiche Zeche“ ist ein Sensornetzwerk, bestehend aus unterschiedlichsten Sensorelementen, das zur Überwachung von im Bergwerk befindlichen Menschen, Maschinen und Robotern sowie deren Umgebung dient. Es erfasst (in der Regel anonym) den Ort und die Aktivität aller Personen im Bergwerk und kann auch zur Überwachung von Maschinen und Robotern dienen. Ziel ist die Zusammenführung dieser Aspekte mit der Überwachung von Umweltparametern, die ebenfalls sensorisch erfasst werden. Weitere Informationen: http://tu-freiberg.de/esm/forschung/projekte/living-lab

SMARTSENSORBOX

(Institut für Elektronik- und Sensormaterialien)

Die SmartSensorBox stellt die Entwicklung eines Smart-Housing-Systems für vernetzte Sensoren und Kommunikationseinheiten dar. Im Projekt ARIDuA wird eine solche einheitliche und modulare Sensorplattform einschließlich einer Schnittstellenlösung zur Integration auf Roboterplattformen und Bergbaugeräten entwickelt.

ZENTRALES REINRAUMLABOR

(vertreten durch das Institut für Elektronik- und Sensormaterialien)

Im Zentralen Reinraumlabor (ZRL) stehen Grundtechnologien der Halbleiterfertigung zur Verfügung: der Lithographiebereich zur Strukturierung, ein nasschemischer Bereich für Ätz- und Reinigungsschritte, der Ofen- und CVD-Bereich zur Temperaturbehandlung und chemischen Schichtabscheidung, der PVD-Bereich zur physikalischen Schichtabscheidung mittels Bedampfungs- und Sputteranlagen, ALD-Anlagen zur Abscheidung einzelner Atomlagen, ein Trockenätzcluster und eine PECVD-Anlage zur Schichtabscheidung bei geringen Temperaturen. Außerdem verfügt das ZRL über Geräte zur Charakterisierung der erzeugten Schichten und Strukturen wie z. B. ein spektrales Ellipsometer zur Schichtdickenbestimmung. All diese Technologien werden unter anderem für die Herstellung von Sensorschichten und -strukturen genutzt, die in den IoT-bezogenen Projekten ARIDuA und Living Lab Verwendung finden. Weitere Informationen: http://tu-freiberg.de/einrichtungen/zentrales-reinraumlabor

Abbildung 2. Mitarbeiterin des Zentralen Reinraumlabors an einer Sputteranlage zur Abscheidung dünner funktionaler Schichten
CAVE

(Institut für Informatik)

Am Institut für Informatik existiert mit der X-SITE CAVE ein innovativer Projektionsraum. Dieser erlaubt den Eintritt in die virtuelle Realität. Mit Hilfe der CAVE lernen Teilnehmer verschiedene virtuelle Modelle des Forschungs- und Lehrbergwerkes kennen. In mehreren Abstraktionsstufen erlebt der Besucher eine virtuelle Befahrung und erhält einen ersten Eindruck von der Größe und Struktur der untertägigen Anlage. Weitere Informationen: http://tu-freiberg.de/fakult1/organisation/ausstattung/cave

Abbildung 3. Der autonome Roboter Alexander steht vor einem virtuellen Modell des Forschungs- und Lehrbergwerkes in der CAVE
FORSCHUNGSROBOTER

(Institut für Informatik)

Die komplexe und herausfordernde Umgebung eines Bergwerks verlangt spezielle Roboter. Mit zwei mobilen Robotern, einem Boot und einer Drohne ist das Institut für Informatik bestens auf den Einsatz über und unter Tage vorbereitet. Laserscanner, Bild- und Tiefenkameras sowie omnidirektionale Kameras ermöglichen die Konstruktion von 3D-Modellen. Dabei explorieren die autonomen Roboter selbstständig ihre Umgebung und generieren Karten, während sie Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftdruck und Radioaktivität aufzeichnen. Dieses komplexe Zusammenspiel ist nur mittels robuster und innovativer Algorithmen möglich. Die Erstellung entsprechender Software zählt hier zu den Kernkompetenzen des Robotikteams. Lernen Sie Alexander, Julius, Elisabeth und Elios kennen und erforschen Sie mit uns deren Zusammenspiel mit der IoT-Technologie.

AUTONOMES MOBILE

(Institut für Markscheidewesen und Geodäsie)

Das autonome Mobile dient zur online Erfassung von Geo-Merkmalen in der Rohstoffgewinnung (Integrierte Sensorik für unter Tage). Es findet eine Vorführung zur Aktualisierung von Geomodellen basierend auf online-Daten statt.

Abbildung 4. Forschungsdrohne Elios im Einsatz unter Tage, ein spezieller Käfig schützt die Drohne
Abbildung 5. Autonomes Mobile zur Erfassung von Geo-Merkmalen im Forschungs- und Lehrbergwerk
GRUBENWEHRSIMULATOR

(Institut für Bergbau und Spezialtiefbau)

Der Grubenwehrsimulator ist eine Software, in der ein Trainingssimulator für Grubenwehren beruhend auf einer 3D-Game-Engine entwickelt wurde. Das virtuelle Grubenmodell des Simulators basiert auf 3D-Scans der realen Einsatzumgebung des Forschungs- und Lehrbergwerkes. Der Simulator wird aktiv in der Ausbildung der studentischen Grubenwehr an der TU Bergakademie Freiberg eingesetzt.

Laufende Projekte:

    • ARIDuA – Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen, gefördert durch den Freistaat Sachsen aus Mitteln des ESF (http://tu-freiberg.de/aridua)
    • Real Time Mining – Real-time optimization of extraction and the logistic process in highly complex geological and selective mining settings, gefördert durch Horizon 2020 (https://www.realtime-mining.eu/)
    • Infrastruktur „Living Lab Reiche Zeche“ (http://tu-freiberg.de/esm/forschung/projekte/living-lab)
    • UPNS4D+ – Untertägiges 4D+ Positionierungs- Navigations- und Mapping System zur hochselek-tiven, effizienten und im höchsten Maße sicheren Gewinnung wirtschaftsstrategischer mineralischer Rohstoffe, gefördert durch das BMBF (http://tu-freiberg.de/fakult3/mage/forschung/upns4d)
    • Mining-RoX – Robotik im untertägigen Bergbau gefördert durch das SMWK, Projektende 2016
    • iDeepMon – Intelligent Deep Mine Shaft Monitoring: Erstellung komplexer 3D-Modelle zum Moni-toring von Sicherheitsaspekten in Bergwerksschächten, gefördert durch das EIT (http://www.ideepmon.eu/project/)
    • UNDROMEDA – Underground Robotic System for Monitoring, Evaluation and Detection Applications: Zusammenspiel von mobiler Roboterplattform und autonomer Drohne im Bergwerk, gefördert durch das EIT
    • Assoziierte Promotionen – Neben den Promotionen der Nachwuchswissenschaftler im ARIDuA-Projekt laufen weitere thematisch eng verknüpfte Promotionsvorhaben: „Cyberchemische Systeme für mobile Bergbauroboter“ (Landesstipendium Sachsen) und „Nanolaminate für die feldeffektbasierte pH-Sensorik“ (ESF-Promotion)

Möglichkeiten für Projekte und Förderinstrumente:

    • Forschungsbergwerk als Testumgebung für Robotik, Sensorik, IoT-Technologie
    • Individuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Kontext Robotik, Sensorik, IoT unter Tage
    • Industrielle Auftragsforschung und Studien in den oben genannten Bereichen
    • Beratung zum Einsatz von mobilen Robotern, IoT-Komponenten, Sensorik in rauen Umgebungen
    • Speziell für sächsische Unternehmen FuE-Verbundförderung sowie InnoTeams (https://www.sab.sachsen.de/vereine/förderprogramme/innoteam.jsp)
    • Speziell für Unternehmen aus dem Rohstoffsektor: Verbundprojekte im Rahmen des European Insti-tute of Innovation and Technology (EIT) Raw Materials
    • Spezielle Förderinstrumente für High-Tech-Startups bei Anwendungsinteresse im Rohstoffsektor durch das EIT Raw Materials

Teilnehmern des Smart Underground Trails können nachgeschaltete individuelle Workshops zur Diskussion eigener Ideen mit den Trail Partnern angeboten werden. Weiterhin wird auf das Fachkolloquium „Robotik, Automation und IT im Bergbau“ im Rahmen des jährlich stattfindenden Berg- und Hüttenmännischen Tages der TU Bergakademie Freiberg im Juni hingewiesen.

Sie haben Interesse an diesem Trail? Dann kontaktieren Sie uns!
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