Automatisierung in der Landwirtschaft#

Von Christian Aschauer, Norbert Barta, Andreas Gronauer
März 2017

Department für Nachhaltige Agrarsysteme, Institut für Landtechnik, Peter Jordan Straße 82, 1190 Wien

Die Landwirtschaft strebt seit dem Übergang der Menschen als Jäger und Sammler zum Ackerbau kontinuierlich danach, die Effektivität in der Landwirtschaft zu verbessern. Ausgehend von der Entwicklung des Pfluges und der Entwicklung von vielfältigen Handgeräten trachtete der Mensch immer danach, Arbeiten zu erleichtern (z. B. durch Ersatz von manuell betriebenen Geräten durch Maschinen und mechanische Geräte). Mit dem Einsatz von Zugtieren und später durch den Verbrennungsmotor und den Elektromotor fanden Entwicklungssprünge in der Mechanisierung der Landwirtschaft statt. Mit dieser Entwicklung ging auch der Wandel von der Agrargesellschaft zur Industriegesellschaft einher. Im Zuge dieser gesellschaftlichen Entwicklungen veränderten sich auch wesentliche Kennwerte, wie die eingesetzten Energieträger, die Besiedelungsdichte des Landes, die Anzahl der Menschen, die von einer landwirtschaftlichen Arbeitskraft versorgt werden und somit auch der Anteil der in der Landwirtschaft tätigen Menschen an der Gesamtbevölkerung (Tabelle 1).

Periode		500.000 bis 10.000 v. Chr.	10.000 v. Chr. bis 19. Jh.	20. Jh. bis heute	Trend
Gesellschaftsform		Jäger/Sammler	Agrargesellschaft	Industriegesellschaft	Informationsgesellschaft
Energieträger		Mensch	regenerativ	fossil/nuklear	regenerativ
Endenergieverbrauch	kWh/Kopf/Tag	5	28	≤ 270	> 300
Besiedelungsdichte	Menschen/km2	≤ 0,3	≤ 30	≤ 300	> 350
Versorgungsleistung der Landwirtschaft	Menschen/lw.AK[1]	0	≤ 3	≤ 60	> 90
Anteil landwirtschaftlicher Arbeitskräfte an der Bevölkerung	%	100	≈ 80	≈ 3	< 2

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Elektronik, der Informations- und Kommunikationstechnologie, zusammengefasst unter dem Begriff „Digitalisierung“, stehen nach Ansicht vieler Autoren am Anfang eines weiteren Entwicklungssprungs, der alle Bereiche des täglichen Lebens und die gesamte Gesellschaft erfassen wird. So spricht der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft von der „digitalen Zeitenwende“, die unseren Alltag in einer faszinierenden Geschwindigkeit verändert – man denke allein an das Smartphone und die mit diesem Gerät verbundenen Möglichkeiten. Die daraus folgende Informationsverfügbarkeit zu jedem Ort und zu jeder Zeit eröffnet noch ungeahnte Möglichkeiten der „Online“-Kommunikation zwischen Maschinen untereinander sowie zwischen Mensch und Maschine. In Verbindung mit der satellitengestützten Navigation von Maschinen entwickeln sich Technologien, die zu einer drastischen Veränderung der Aufgaben und Arbeiten der in der Landwirtschaft tätigen Menschen führen wird.

Hohe wöchentliche Arbeitszeiten (Abbildung 1) erklären den Bedarf und Wunsch nach Automatisierungslösungen im landwirtschaftlichen Bereich.

Die Entwicklung der Technik in der Landwirtschaft steht in engem Zusammenhang mit dem Strukturwandel in diesem Bereich. Noch vor 1950 war die landwirtschaftliche Produktion durch sehr viel Handarbeit geprägt. Durch den technischen Fortschritt und den Einsatz von Traktoren, Mähdreschern und Melkmaschinen wurde es möglich, mit weniger Arbeitskräften größere Flächen zu bewirtschaften und größere Tierbestände zu halten. Tierställe sind für die Automatisierung gut geeignet; innerhalb von Ställen haben sich deshalb je nach Aufgabe unterschiedliche Systeme entwickelt.

Im Folgenden werden diese Systeme am Beispiel der Milchviehhaltung erklärt. Mit Hilfe der bestehenden, am Markt verfügbaren Geräte, können die zeitaufwändigsten Arbeiten vom Füttern über das Melken bis zum Entmisten automatisiert werden. Für die Fütterung gibt es sogenannte automatische Fütterungssysteme, welche das Mischen und Füttern übernehmen (Abbildung 2).

Die Gründe für den Einsatz von automatischen Fütterungssystemen sind vielfältig, jedoch stehen Arbeitserleichterung und Zeiteinsparung für viele Landwirte im Vordergrund. Ein System, welches die Beschickung eines mobilen Futtermischwagens anders mit einem automatischen Greifer löst, zeigen die folgenden Abbildungen.

Bei diesem System werden Futterblöcke in der Futterküche gelagert. Die von der Decke hängende Greifeinrichtung (Abbildung 4) greift das Futter, welches auf vordefinierten Plätzen liegt, und transportiert es in den mobilen Futtermischwagen (Abbildung 3). Mit Hilfe von am Boden montierten Metallplatten findet die mobile Einheit den Weg in den Tierbereich. Über eine seitliche Auswurföffnung wird das Futter auf den Futtertisch gebracht, damit die Tiere es erreichen können.

Um das von den Tieren weggeschobene Futter wieder in Reichweite der Tiere zu bringen, gibt es automatische Futternachschieber. Dabei wird das Futter durch Entlangfahren am Futtergitter durch eine Schneckenfördereinrichtung (Abbildung 5) in die Reichweite der Tiere befördert. Die Orientierung erfolgt beispielsweise mittels im Boden eingesetzter Magnete, denen der Roboter folgt.

Automatische Melksysteme (Abbildung 6) werden umgangssprachlich Melkroboter genannt und automatisieren den Melkvorgang. Während die Kuh gemolken wird, kann Sie auch gleichzeitig gewogen und die Milch auch auf Inhaltsstoffe untersucht werden. Dadurch erhält der Landwirt umfangreiche Informationen über den Gesundheitsstatus der Tiere und die Möglichkeit, Krankheiten sehr früh zu erkennen und gleichzeitig eine Kontrollfunktion über die Qualität der gemolkenen Milch.

Der Arbeitsvorgang des Einstreuens kann mit Hilfe von automatischen Einstreusystemen (Abbildung 7) erledigt werden. Im Bereich der Entmistung sind für Ställe mit Spaltenboden autonom navigierende Spaltenreiniger am Markt verfügbar (Abbildung 8).

In der Außenwirtschaft haben ebenfalls teilautonome Systeme Einzug gehalten. Für eine zeit-, kosten- und ressourceneffiziente Bewirtschaftung der Felder muss darauf geachtet werden, dass doppelte Bearbeitung vermieden wird, um Kraftstoff, Düngemittel und Pflanzenschutzmittel zu sparen. Wo früher Markierungen am Feldboden (Spurreißer, Markierschaum) den Landwirt bei einer genauen Anschlussfahrt unterstützt haben, werden heute GNSS[3]-Systeme (z.B. GPS) eingesetzt (Abbildung 9). Im einfachsten Fall erfolgt dies mit Lenkhilfen, die über eine optische Anzeige dem Fahrer die optimale Spur anzeigen. Diese Systeme bieten gegenüber den traditionellen Methoden den Vorteil, dass die Bearbeitung unabhängig von den Sichtverhältnissen (Nebel, Finsternis) durchgeführt werden kann. Es können auch Spuren übersprungen werden, um eine direkte Wende ohne Reversieren zu ermöglichen. Dies ist besonders bei kleineren Arbeitsbreiten ein zeitsparender Vorteil.

Den ersten Schritt in Richtung Automatisierung ermöglichen sogenannte Lenkassistenzsysteme für spurgenaues Fahren. Bei diesen greift ein Stellmotor in das Lenkrad des Traktors ein und übernimmt so die Steuerung des Fahrzeuges. Die höchste Präzision bieten Lenkautomaten, bei welchen Spurabweichungen mit Hilfe eines GNSS-Signals durch einen Navigationsrechner aufbereitet und direkt mittels Eingriff in das Lenksystem korrigiert werden.

Für Arbeiten in der Außenwirtschaft ist jedoch das GNSS-Signal mit einer Genauigkeit von 10 m, wie es auch für Navigationssysteme im PKW verwendet wird, zu ungenau. Hier sind Korrektursingale von stationären Referenzstationen erforderlich, um präzisere Ergebnisse zu erzielen. Die Korrekturdaten können von geostationären Satelliten oder von Referenzstationen per Funk oder Mobilfunk übertragen werden. Durch kostenpflichtige Korrektursingale (z.B. RTK-Lizenz sind Positionierungsgenauigkeiten von bis zu 1,5 cm möglich.

Die Wende am Ende des Feldes – dem sogenannten Vorgewende – wird vom Landwirt weitgehend noch manuell durchgeführt. Zuvor muss auch das Anbaugerät für die Wende abgeschaltet und vorbereitet werden. Mit dem Vorgewendemanagement können diese Abläufe für die unterschiedlichen Geräte (Sämaschine, Front und Heckmähwerk, usw.) vorprogrammiert und auf Kopfdruck abgerufen werden. Bei Lenkautomaten der neueren Generation kann selbst die Wende automatisch vom Traktor gefahren werden. Dies ermöglicht ein effizienteres und schnelleres Einfinden in die nächste Spur.

Aber nicht immer ist es erwünscht, dass der Traktor nur virtuellen, vorprogrammierten Spuren folgt. Oft soll nach bestehenden Pflanzenreihen, aufbereiteten Schwaden (zusammengerechte Bahnen von getrocknetem Gras) oder entlang der Kante von gemähtem Erntegut und ungemähtem Erntegut navigiert werden. Hierfür werden mechanische Taster oder berührungslose Sensoren wie Ultraschall, Laserfächer oder Kamerasysteme eingesetzt, um die Maschinen selbständig zu navigieren. Die durch diese Sensoren gewonnenen Informationen können zusätzlich für eine Prozesssteuerung herangezogen werden. So kann zum Beispiel auch die Geschwindigkeit des Traktors an das Volumen eines Schwads und somit an die Erntemenge angepasst werden.

Ein moderner Traktor ist für verschiedene Anwendungen in seiner Leistungsklasse einsetzbar und stellt für den Prozess universell verfügbar Zugkraft und Arbeitsleistung in hydraulischer, elektrischer und mechanischer Form bereit. Er liefert auch Sensordaten wie z.B. Position, radbasierte Geschwindigkeit, tatsächliche Geschwindigkeit und Position. Das eigentliche „Prozesswissen“ ist jedoch meist in den Steuerungen des Anbaugerätes enthalten. Sensordaten zwischen Traktor und Anbaugeräten verschiedener Hersteller werden über eine international genormte Schnittstelle, den ISO-Bus übertragen. Bei ISO-Bus Systemen der neuesten Generation kann die Energiebereitstellung des Traktors vom Anbaugerät gesteuert werden. Dies bedeutet, dass Lenkung, Geschwindigkeit, Hydraulikventile, Front- und Heckhubwerk sowie die Zapfwellendrehzahl des Traktors ausgehend vom Anbaugerät entsprechend den Prozessanforderungen gesteuert werden. Das heißt: Die Anbaugeräte steuern also den Traktor auf dem Feld.

Hauptaufgabe der Prozesssteuerung ist die positions- und sensorabhängige Regelung von Ausbringmengen bei Saatgut, Düngern und z.B. positionsgenaue Steuerung von mechanischen oder thermischen Pflanzenschutzgeräten. Bei großen Arbeitsbreiten von bis zu 30 m und größer ist es auch möglich, die Ausbringbreite des Gerätes über die Abschaltung von Teilbereichen anzupassen. So wird eine doppelte Ausbringung zum Beispiel bei der letzten Spur oder schrägen Feldgrenzen vermieden. Diese zunehmende Automatisierung dient dazu, die Prozesse sensorbasiert zu optimieren und so Betriebsmittel wie Kraftstoff, Saatgut, Dünger und Pflanzenschutzmittel einzusparen. Damit werden sowohl ökonomische als auch ökologische Verbesserungen erreicht und weitere Schritte getan, die Landwirtschaft nachhaltiger und umweltverträglicher zu gestalten. Die zukünftigen Trends in der Landtechnik liegen in den Bereichen autonome Maschinen, Digitalisierung, Sensorik und Algorithmen. Ausgehend von den aktuellen Entwicklungen im Bereich der selbstfahrenden Kraftfahrzeuge wird auch an selbstfahrenden Zugmaschinen gearbeitet. Ein Konzept zeigt der Konzern CNH[4] (Abbildung 10).

Der kabinenlose und autonom fahrende Traktor soll laut Hersteller die Produktivität, Umweltfreundlichkeit und Arbeitsbedingungen in der Landwirtschaft weltweit voranbringen. Um die Digitalisierung voranzubringen sind neue Standards für die Kommunikation zwischen den Geräten notwendig. Um die Datenerfassung während der Arbeit zu vereinfachen setzen viele der Anbieter wie zum Beispiel 365Farmnet[5] auf das Smartphone in Kombination mit einer Speichermöglichkeit in der Cloud.

Um autonome Maschinen zu ermöglichen, benötigen sie umfangreiche Sensorik zur Wahrnehmung der Umgebung und zur Steuerung der Prozesse, wie zum Beispiel der Bodenbearbeitung, Ernte oder des Handlings von Gras oder Heu. Beispiele für eingesetzte Sensorik sind Laserscanner, Stereo-Vision-Systeme oder TOF -Kameras, welche ein 3D-Abbild der Umgebung oder von Objekten erstellen. Im Bereich des Unterglasanbaus (Gewächs- und Folienhäuser) wurde im Jahr 2016 ein Robotersystem zum automatisierten Abschneiden von Tomatenblättern, basierend auf dem Einsatz eines Stereokamerasystems, vorgestellt. Dieses Beispiel zeigt die praktische Anwendung von fortgeschrittenen Bildverarbeitungstechnologien und markiert damit den aktuellen Trend, mit Hilfe von Sensorik für Maschinen auch komplexe Arbeiten zu automatisieren.

Während in Studien davon ausgegangen wird, dass in Zukunft durch die Digitalisierung und Automatisierung erhebliche Verschiebungen auf dem Arbeitsmarkt zu erwarten sind, bleibt abzuwarten inwieweit sich diese Entwicklungen in der Landwirtschaft manifestieren werden. Die Automatisierungstechnik ist in der Landwirtschaft seit langem bekannt und erfährt mit der Digitalisierung eine weitere Entwicklung. Damit verbundene Vorteile ermöglichen dem/der Landwirt(in) in der Innenwirtschaft (Tierhaltung, Lagerhaltung) ein flexibleres Arbeiten, Zeitersparnis und damit Entlastung. In der Außenwirtschaft (Acker-, Gartenbau, Grünlandbewirtschaftung) wird durch satellitengestützte Positionierung und Lenkautomaten die Arbeit am Acker erleichtert. Die zunehmende Autonomie der Maschinen wird in den nächsten Jahren dazu führen, dass sich die Lücken zwischen den Teilprozessen schließen und damit ganze Prozessketten vollautomatisiert werden. Inwieweit sich diese Technologien letzten Endes betriebswirtschaftlich rentieren und in welchen Prozess- und Logistikketten sie ihre Vorteile ausspielen können, muss sich erst zeigen. Gleiches gilt für die Verknüpfung von vielfältigen Daten zu nutzbaren Informationen, um einzel- und überbetriebliches Management zu optimieren. Schlussendlich wird die detailgetreue und automatisierte Dokumentation der landwirtschaftlichen Produktion Möglichkeiten eröffnen, sowohl den Nachweis „guter landwirtschaftlicher Praxis“ mit geringem Aufwand zu erbringen, als auch diese Informationen im Rahmen des „food marketing“ (Nachverfolgbarkeit bis zum Endkunden) gezielt einzusetzen.

Danksagung: Die Autoren danken den jeweils genannten Firmen für die Bereitstellung der Fotos.

Weierführendes#

• Wiener Zeitung: Digitalisierung der Landwirtschaft: Big Tech greift zur Scholle (Essay)
• Weitere Beiträge und Firmen zu den Themen Landwirtschaft, Agrartechnik und Automation.