Der Einsatz von Drohnen zur Unterstützung in der deutschen Express Paketzustellung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Diagrammverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau und Methodik

2. Theoretische Grundlagen und Status Quo
2.1 Begriffserklärungen
2.2 Charakteristiken von Drohnen
2.3 Verschiedene Bauformen von Drohnen
2.4 Unterschiedliche Einsatzgebiete
2.5 Partnerschaften und Zusammenschlüsse

3. Voraussetzungen für den Einsatz von Drohnen
3.1 Gesetzliche Voraussetzungen
3.2 Datenschutzrechtliche Voraussetzungen
3.3 Infrastrukturelle und gesellschaftliche Voraussetzungen

4. Nutzwertanalyse von verschiedenen Drohnen-Modellen
4.1 Kalkulation der Ausgaben
4.2 Akkulaufzeiten verschiedener Drohnenarten
4.3 Maximale Traglasten verschiedener Drohnenarten
4.4 Reichweiten verschiedener Drohnenarten
4.5 Umweltkompatibilität
4.6 Nutzwertanalyse
4.7 Ansätze zur Implementierung

5. Zusammenfassung und Fazit

Literaturverzeichnis

Anhang A: Weitere Einsatzgebiete von UAS

Anhang B: Genaue Kalkulation der Personalkosten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kompass in kardanischer Aufhängung

Abbildung 2: Quadrocopter in Kreuzform & Flugrichtung

Abbildung 3: Quadrocopter in X-Form & Flugrichtung

Abbildung 4: Hexacopter & Flugrichtung

Abbildung 5: Octocopter & Flugrichtung

Abbildung 6: Umfrage Paketlieferung per Drohne

Abbildung 7: Präferenzmatrix

Abbildung 8: Analyse der Drohnen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Auswahl an Flugmodi

Tabelle 2: Zusätzliche Beschreibung und Vorgaben der verschiedenen Klassen

Tabelle 3: Beispielhafte Berechnung Kosten einer Drohne

Tabelle 4: Auswahl Drohnen-Modelle

Tabelle 5: Monatliche Schätzung der Personalkosten bei einer 38,5-Stunden-Woche

Tabelle 6: Berechnung effektive Arbeitstage

Diagrammverzeichnis

Diagramm 1: Gewichtete Erfüllung der Kriterien

Diagramm 2: Erfüllung der Kriterien nach Punktevergabe

Abkürzungsverzeichnis

AfA Absetzung für Abnutzung

BDSG Bundesdatenschutzgesetz

B2B Business to Business

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

BMZ Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung

BVLOS Beyond visual line of sight / außerhalb der Sichtweite

DFS Deutsche Flugsicherung

DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

DRK Deutsches Rotes Kreuz

DSGVO Datenschutzgrundverordnung

EASA European Union Aviation Safety Agency / Europäische Agentur für Flugsicherheit

FTS Flurgebundene Transportsystemen

GFZ deutsches GeoForschungsZentrum

GPS Global Positioning System

GIZ Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit

HOD Hook-on-Device

IMU Internal Measurement Unit

IoT Internet of Things / Internet der Dinge

KEP Kurier-, Express- und Paketdienste

LBA Luftfahrtbundesamt

LiDAR Light Detection And Ranging

LUC Light UAS Operator Certificate

MTOM Maximum Take-off Mass

RPAS Remotely Piloted Aircraft Systems

THW Technisches Hilfswerk

TOW Take-off Weight

UAS Unmanned Aerial System

UAV Unmanned Aerial Vehicles

UGV Unmanned Ground Vehicle

UPSFF UPS Flight Forward (UPS-Tochterunternehmen)

USV Unmanned Sea Vehicle

UTM UAS Traffic Management System

VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen

1. Einleitung

Heutzutage ist es seitens der Kunden von zunehmender Bedeutung, kostengünstige sowie umweltschonende Lieferungen zu erhalten. In Stadtbereichen parken Lieferfahrzeuge von Paketdienstleistern bereits in zweiter Reihe und verhindern somit einen durchgehenden Verkehrsfluss. Zudem steigt dadurch die Umweltbelastung eklatant. Daher geraten alternative Zustelloptionen immer mehr in den Fokus. Hierzu zählt unter anderem die Drohnenzustellung von Paketen.

1.1 Problemstellung

Mit dem Ausbau globaler Online-Handels-Plattformen ist ein stetiges und ausgeprägtes Wachstum des Online-Handels zu verzeichnen. Betrug der Umsatz im Online-Handel 2010 noch 20,2 Mrd. EUR, so hat sich dieser bis zum Jahr 2019 mit 57,9 Mrd. EUR nahezu verdreifacht.¹ Dem Trend folgend stieg im Dezember 2020 der Umsatz im Versand- und Internet-Einzelhandel real um 31% im Vergleich zum Dezember des Jahres 2019.²

Die seit dem zweiten Quartal 2020 aufkommende Corona-Pandemie wirkt als Katalysator auf die Nachfrage von Online-Retail: vermehrt werden Non-Food-Artikel online gekauft.³ Ebenso steigern sich fortwährend die Kundenanforderungen an den Zustellungsservice: Kunden wollen die Waren schnellstmöglich, günstig und in einer hohen Lieferqualität erhalten. Zudem zeichnet sich in der Gesellschaft zunehmend ein stärkeres Umweltbewusstsein ab, sodass auch Logistikprozesse zu einem nachhaltigen Klimaschutz beitragen sollten. Eine Wartezeit von mehr als zwei bis drei Tagen für beispielsweise Bücher ist für einen Großteil kaum noch akzeptabel.

Durch das zunehmende Wirtschaftswachstum steigt auch der Güter- und Individualverkehr, dessen Auswirkungen in vielen Bereichen spürbar sind: Städte und deren Infrastruktur sind durch den erhöhten Verkehr überlastet, Landschaften und Lebensräume werden mit steigendem Netzausbau zerstört, das Unfallrisiko nimmt zu und die gesteigerten Schadstoffemissionen belasten permanent die Umwelt. Zwar werden Umwelt- und Sicherheitstechnologien stetig weiterentwickelt, jedoch zählen der Straßen- und der Schiffverkehr nach wie vor zu den Hauptverursachern in Bezug auf Umweltverschmutzung.

1.2 Zielsetzung

Vor allem Schnelligkeit und Klimafreundlichkeit sind zwei Faktoren, die für die Nutzung von Drohnen in der Logistik sprechen. Da unterschiedliche Einsatzgebiete auch verschiedene Arten von Drohnen erfordern, werden vordergründig Drohnen für den transportlogistischen Bereich betrachtet.Weiterhin die Umweltkompatibilität von Drohnen kritisch betrachtet werden.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht in der Darstellung des Status Quo hinsichtlich der Verwendung von Drohnen sowie der gesetzlichen, datenschutzrechtlichen, infrastrukturellen und gesellschaftlichen Gegebenheiten, die einen Drohneneinsatz ermöglichen. Bestehende Partnerschaften sollen als Beispiel für Synergien erläutert werden. Zudem sollen erste Ansätze vorgestellt werden, wie moderne Drohnen in logistische Prozesse implementiert werden können. Eine Nutzwertanalyse soll außerdem dazu beitragen, geeignete Modelle entsprechend zu vergleichen, zu validieren und auszuwählen.

1.3 Aufbau und Methodik

Aufgrund einer besseren Lesbarkeit wird in dieser Arbeit lediglich die männliche Form verwendet. Dennoch gelten alle Aussagen für alle Geschlechter.

Das zweite Kapitel startet mit der Klärung begrifflicher Grundlagen. Anschließend werden sowohl Charakteristiken, verschiedene Bauformen und Einsatzgebiete von UAS (engl.: Unmanned Aerial Systems) als auch bestehende Partnerschaften zwischen verschiedenen Drohnenherstellern und Logistikdienstleistern dargelegt.

Gesetzliche und datenschutzrechtliche Voraussetzungen für den Gebrauch von UAV (engl.: Unmanned Aerial Vehicle) bilden das Hauptaugenmerk des dritten Kapitels. Zudem werden sowohl infrastrukturelle als auch gesellschaftliche Voraussetzungen für eine flächendeckende Nutzung von UAV aufgezeigt.

Kapitel vier befasst sich mit einer Nutzwertanalyse zu verschiedenen Drohnen-Modelle, bevor abschließend im fünften Kapitel die wichtigsten Erkenntnisse aufgegriffen und zusammengefasst werden.

2. Theoretische Grundlagen und Status Quo

In diesem Kapitel werden verschiedene Begrifflichkeiten erklärt, die die Basis für das Verständnis dieser Arbeit bilden sollen. Zusätzlich stehen Charakteristiken von Drohnen sowie Bauformen und Einsatzgebiete im Mittelpunkt. Den Abschluss dieses Kapitels begründet eine Auswahl an bereits bestehenden Partnerschaften zwischen Drohnenherstellern und Logistikdienstleistern.

2.1 Begriffserklärungen

Drohne

Weltweit gibt es verschiedene, technische Bezeichnungen für unbemannte Fluggeräte, jedoch hat sich auch der Name Drohne etabliert. Der Terminus UAV (engl.: Unmanned Aerial Vehicle) umfasst eine Vielzahl von Modellen, wie beispielsweise Wetterballone oder landwirtschaftlich genutzte Geräte zu der Ausbringung von Düngemitteln. Auch findet sich der Ausdruck UAS (engl.: Unmanned Aerial System). Im Unterschied zu UAV beschreibt UAS zusätzlich zu der fliegenden Komponente auch die Komponenten der Sensorik.⁴

Drohnen werden nach verschiedene Einsatzgebiete untergliedert. Dazu zählen unter anderem der militärische, wissenschaftliche sowie der wirtschaftliche Bereich. Neben UAV werden diese Geräte in UGV (engl.: Unmanned Ground Vehicle) und USV (engl.: Unmanned Sea Vehicle) unterteilt. Der Begriff Drohne umfasst somit auch Boden- und Wasserfahrzeuge.⁵ Es wird differenziert zwischen vollkommen autonom fliegenden UAS und RPAS (engl.: Remotely Piloted Aircraft Systems). Hierbei handelt es sich um Luftfahrzeuge, die keinen Piloten an Board besitzen, aber vom Menschen gesteuert werden.⁶

Computer Vision

Mittels der Computer-Vision-Technologie kann ein Computer Gegenstände und Bilder räumlich erfassen, Objekte erkennen, Bewegungen interpretieren sowie selbstständig navigieren.⁷ Dazu werden mit einem Computer-Vision-System Bilder oder Objekte ausgemessen und anschließend an ein Mustererkennungssystem gemeldet.⁸

Last Mile

Die letzte Meile (engl.: Last Mile) bezeichnet den finalen Transport einer Ware zum Kunden. Während des Prozesses der Paketzustellung entstehen die meisten Kosten, weshalb dieser Prozessabschnitt für KEP-Dienstleister (Kurier-, Express- und Paketdienste) als besonders herausfordernd gilt.⁹ In den meisten Fällen wird die letzte Meile outgesourct. Das bedeutet, dass die Mitarbeiter des KEP auch den Auftraggeber vertreten.¹⁰

Personenbezogene Daten

Gemäß § 46 BDSG sind all jene Daten personenbezogen, „die sich auf eine identifizierte oder identifizierbare natürliche Person […] beziehen“.¹¹ Als identifizierbar gilt eine Person, wenn ihr ein Name, eine Kennnummer, besondere Merkmale, ein Standort oder Ähnliche zugeordnet werden kann. Entsprechend Nummer 1 Artikel 4 DSGVO¹² beinhaltet dies auch die kulturelle oder soziale Identität einer Person.¹³

Brushless-Motor

Ein bürstenloser Motor (engl.: Brushless-Motor) ist ein mit Gleichstrom arbeitender Elektromotor. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektromotoren kommt dieser Motor ohne mechanische Bürsten und Kommutatoren aus. So minimiert sich die Kontaktfläche und damit auch die Verschleißanfälligkeit. Trotz höherer Finanzierungskosten ist ein bürstenloser Motor durch geringere Verschleiß- und Wartungskosten und höhere Lebensdauer langfristig wirtschaftlicher und nachhaltiger als andere Elektromotoren.¹⁴

Redundanz

Redundanz meint das doppelte Vorhandensein bestimmter Komponenten, um die Sicherheit des Geräts zu erhöhen (Ersatz-Systeme). Beispiele dafür sind Steuerung, Akkus, Rotoren und Navigation redundante Systeme.¹⁵

2.2 Charakteristiken von Drohnen

Ein UAV hat verschiedene Bauteile, deren Funktionen vor Gebrauch bekannt sein sollten. Der Flugcontroller erfasst, bündelt und verarbeitet alle Informationen, die zu der Standorterfassung und Navigation gebraucht werden (IMU, GPS, Kompass und Fernsteuerungsempfänger). Die IMU ist eine Sensoreinheit (engl.: Internal Measurement Unit), die die Lage und Beschleunigung des UAV kontinuierlich räumlich misst. Mittels GPS (engl.: Global Positioning System) kann eine Position exakt bestimmt werden. Hierzu erforderlich ist der Empfang von mindestens vier, von insgesamt dreißig im Erdumlauf befindlichen, Satelliten. Zusätzlich besitzen Drohnen ein Barometer, mit dem die Flughöhe ermittelt wird, während der integrierte Kompass für die Richtungserkennung zuständig ist. Mittels des Fernsteuerungssignalempfängers werden diverse Befehle zu der Steuerung des UAS vom Controller empfangen. Dazu zählen unter anderem das Steigen oder Sinken des unbemannten Flugobjekts sowie das Variieren zwischen der verschiedenen wählbaren Flugmodi. Durch die Brushless-Motoren lässt sich die Drehzahl exakt und ohne Verzögerung heben oder senken. Ferner können UAS ein Gimbal, eine kardanische Aufhängung, aufweisen. Diese dient der Bildstabilisierung und ermöglicht es Bewegungen der Umgebung (wie etwa Wind oder Eigenbewegungen der Drohne) auszugleichen. Akkus sichern die Stromversorgung ab.¹⁶

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten¹⁷

Viele Drohnen sind mit Kameras ausgestattet, die sowohl Standbilder als auch Bewegtbilder aufzeichnen können. Hierbei ist der Zweck entscheidend, welchem die Aufnahmen dienen, da es zahlreiche Modelle gibt, die sich in Auflösung, Speichertechnik, et cetera unterscheiden. Hohe Auflösungen oder Wärmebildaufnahmen sind beispielsweise für die Anlageninspektion aus der Luft oder für die Paketzustellung im urbanen Raum von primärer Bedeutung. Diese werden unterteilt: solche, mit fest montierten, und jene mit auswechselbaren Kameras.¹⁸

Die klassische Steuerung ist durch eine Konsole mit Trageband gekennzeichnet. Dabei werden mittels zweier Joysticks, die sich in acht Richtungen drehen lassen, Signale an die Drohne geschickt. Je weiter ein Joystick in eine Richtung gedrückt wird, desto stärker wird das Signal interpretiert. UAS können auch mit dem Smartphone, Tablet oder Laptop gesteuert werden, was für eine bessere visuelle Darstellung sorgt.¹⁹

Das Gefahrenrisiko, welches von Drohnen ausgeht, ist nicht unerheblich. Daher müssen gewisse Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Hersteller haben beispielsweise die Pflicht für Redundanz sorgen: Wenn eine wichtige technische Komponente (beispielsweise Rotor oder Akku) ausfällt, muss das UAV dennoch weiterfliegen und sicher landen können. Ferner müssen verschiedene Flugmodi vorhanden sein. Tabelle 1 soll einen Überblick über einige Modi verschaffen.²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Auswahl an Flugmodi ²¹

Mittels W-LAN oder GPS kann eine Route vorgegeben werden, die das UAS abfliegen kann.²² Die Steuerung der Drohne mittels GPS ermöglicht es diese durch unwegsames Gebiet zu navigieren. Problematisch wird es, wenn das GPS-Signal unzureichend oder nicht vorhanden ist. Abhilfe schafft hier beispielsweise die LiDAR-Technologie (engl.: Light Detection And Ranging), die das Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt hat. Mittels dieser Technologie lassen sich Karten der Umgebung erstellen. Dabei nutzt das UAV Laser für die Distanzkalkulation. Ferner wird eine 3D-Karte erstellt, sodass zwischen erforschten und unerforschten Gebieten differenziert werden kann.²³ Der Hersteller DJI hat ebenfalls ein entsprechendes System entwickelt: „Guidance“ scannt mit Hilfe von Ultraschall durchgehend den umgebenden Raum und kann permanent die Entfernung zu Hindernissen erkennen.²⁴

Eine wichtige redundante Funktion ist „FailSafe“, mit der eine Drohne bei niedrigem Akku oder Verbindungsverlust autonom an ihren Ausgangspunkt zurückfliegen kann. Manuell lässt sich dies durch den Modus RTH (siehe Tabelle 1) durchführen. Der „FailSafe“-Modus birgt jedoch das intrinsische Risiko, dass UAS auf dem direkten Rückweg gegen Hindernisse navigieren. Dazu muss ausreichend Akku-Leistung für den Rückweg vorhanden sein. Erhöhte Sicherheit bietet daher das Programmieren von Notfalllandeplätzen.²⁵

Zusätzlich müssen Drohnen mit einer intelligenten Abschaltautomatik in der Nähe von Flughäfen ausgestattet sein, damit es nicht zu Sach- oder Personenschäden kommt. Nur in besonderen Fällen und in Zusammenarbeit mit bestimmten Unternehmen dürfen Hersteller diese Abschaltautomatik deaktivieren.²⁶

Ferner sollte vor dem Start der Planetary K-Index geprüft werden. Das Beeinflussen der Magnetfelder durch Sonneneruptionen kann Satellitendaten, und somit die Navigation von Drohnen, beeinträchtigen. Dies führt im schlimmsten Fall zum Absturz des UAS sowie Personenschaden. Das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) kann genaue Auskunft über den Index geben.²⁷

Um eine gute Übertragung in Echtzeit zu erreichen, brauchen UAS eine schnelle und stabile Internetverbindung. Die bisherigen Netzwerke sind jedoch nicht dafür ausgelegt. Eine Drohne hat Zugang zu mehreren Basisstationen, welche durch eine hohe Auslastung des Mobilfunknetzes die Echtzeitübertragung stören kann.²⁸ Minimale Latenzzeiten in der Datenübertragung sind jedoch für eine schnelle Reaktion notwendig, damit eventuelle Unfälle verhindert werden können. Echtzeitkommunikation ist mittels 5G, der fünften Generation des Mobilfunknetzes, möglich, da diese Verbindung sehr geringe Verzögerungszeiten bei der Verarbeitung von Datenraten aufweist. Die Betreiber streben eine Signallaufzeit von 3 Millisekunden an. Die Stabilisierung und Steigerung der Datenübertragungsqualität auf 10 GB im 5G Netz ist die Grundvoraussetzung für den flächendeckenden Einsatz von Drohnen.²⁹

2.3 Verschiedene Bauformen von Drohnen

Es existieren verschiedene Formen von Drohnen. Sofern nicht explizit auf die Anzahl der Rotoren eingegangen wird, wird von Multicoptern gesprochen. Dazu zählen beispielsweise Quadrocopter, Hexacopter und Octocopter. Auch Duocopter und Tricopter fallen in diese Kategorie, sind jedoch nicht weit verbreitet. Ferner lassen sich Drohnen in Fixed-Wing-Drohnen und Hybride unterscheiden.³⁰

Der Begriff des Quadrocopter leitet sich aus dem Lateinischen „quadrum“ für „Viereck“ und dem Griechischen „pteron“ für „Flügel“ ab. Dementsprechend handelt es sich hierbei um eine Drohne mit vier Rotoren, die entweder in einer Kreuzform (siehe Abbildung 2) oder in einer X-Form (siehe Abbildung 3) angeordnet sind.³¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Quadrocopter in Kreuzform & Flugrichtung ³²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Quadrocopter in X-Form & Flugrichtung ³³

Beim Hexacopter (siehe Abbildung 4) leitet sich der Name von der griechischen Vorsilbe „hexa“ für die Zahl sechs ab. Die sechs Rotoren ermöglichen einer Drohne das Aufsteigen mit einer höheren Traglast. Zudem liegt der Hexacopter aufgrund seiner erhöhten Eigenmasse ruhiger in der Luft und kann, trotz möglichen Ausfalls eines Rotors, sicher landen.³⁴

Entsprechend verweist die griechische Vorsilbe „octa“ beim Octocopter (siehe Abbildung 5) auf acht Rotoren, welche nebeneinander angeordnet sind. Durch die vielen Rotoren kann ein wesentlich höherer Auftrieb erzeugt werden, der wiederum den Transport von schwereren Lasten ermöglicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Hexacopter & Flugrichtung ³⁵

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Octocopter & Flugrichtung ³⁶

Die sogenannte Fixed-Wing-Drohne besitzt, ähnlich einem Flugzeug, starre Tragflächen. Da sie keine Rotoren besitzen, mit denen sie starten und landen können, benötigen diese UAS eine Startbahn oder ein Katapult beziehungsweise einen Fallschirm oder ein Netz für die Landung. Dadurch verbrauchen sie weniger Energie und sind für Flüge über mehrere Stunden geeignet. Dem steht gegenüber, dass diese Art nicht auf der Stelle schweben kann und somit für Luftaufnahmen nicht geeignet ist.³⁷

[...]

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¹ Vgl. Handelsverband Deutschland (2020)

² Vgl. Poleshova (2021)

³ Vgl. Poleshova (2020)

⁴ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S.2f.

⁵ Vgl. Bendel (2019)

⁶ Vgl. Schmitt (2020)

⁷ Vgl. Sablatnig et al. (o.J.)

⁸ Vgl. Snyder, Hairong (2017), S. 3f.

⁹ Vgl. Völkert (2019)

¹⁰ Vgl. Hausladen (2020), S. 204.

¹¹ Artikel 4 DSGVO

¹² Vgl. Artikel 4 DSGVO

¹³ Vgl. Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz (o.J.)

¹⁴ Vgl. Trenchlesspedia (2017)

¹⁵ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S. 14.

¹⁶ Vgl. Schneider (2020), S. 138ff.

¹⁷ vhttps://studienart.gko.uni-leipzig.de/ansichtssachen/2016/05/26/kompass/ (zuletzt geprüft am 14.03.2021)

¹⁸ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S. 16.

¹⁹ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S.19.

²⁰ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S.14.

²¹ In Anlehnung an Schneider (2020) S.146ff.

²² Vgl. Bendel (2019)

²³ Vgl. Lücke (2018)

²⁴ Vgl. DJI (o.J.)

²⁵ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S. 14.

²⁶ Vgl. Dill et. al (2021)

²⁷ Vgl. Landrock, Baumgärtel (2018), S. 15.

²⁸ Vgl. Raffelsberger, Bettstetter (2020)

²⁹ Vgl. Bernard (2020)

³⁰ Vgl. Westphal (2020)

³¹ Vgl. Schneider (2020), S. 137f.

³² Eigene Darstellung

³³ Eigene Darstellung

³⁴ Vgl. zu Hohenlohe (2015), S. 8f.

³⁵ Eigene Darstellung

³⁶ Eigene Darstellung

³⁷ Vgl. Chapman (2020)