RFID als Innovationsmotor in der Logistik

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Ausgangslage
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

2 Grundlagen
2.1 Die technologische Basis: RFID
2.1.1 Aufbau und Funktionsweise
2.1.2 Unterscheidungsmerkmale
2.1.3 Bauformen
2.2 Die betriebswirtschaftliche Basis: Logistik
2.2.1 Begriffliche Einführung
2.2.2 Entwicklungsschritte in der Logistik
2.2.3 Logistik als strategischer Wettbewerbsfaktor

3 RFID - Integration in der Logistik
3.1 Standards
3.1.1 EPC und EAN
3.1.2 Hardwarestandards und Middleware
3.1.3 Normen und gesetzliche Vorschriften
3.2 Die RFID basierte Supply Chain
3.2.1 Supply Chain Management (SCM)
3.2.2 Information als Schlüsselfaktor
3.2.3 Automation in der Supply Chain

4 Innovationsfelder für Logistikdienstleister
4.1 Übersicht
4.2 Betriebsmitteloptimierung
4.2.1 Container Management
4.2.2 Tracking
4.2.3 Wartung
4.3 Operativer Einsatz
4.3.1 Volumenplanung
4.3.2 Automatische Datenerfassung und Sortierung
4.3.3 Liefereffizienz
4.4 Sicherheit
4.4.1 Warenrückverfolgung
4.4.2 Gefahrgüter
4.5 Kontrolle

5 Anwendungen in der Logistik
5.1 Modernisierung im Handel: Die Metro Group
5.1.1 Einführung
5.1.2 METRO Group Future Store
5.1.3 METRO Innovation Center
5.2 Szenarien in der Holzwirtschaft
5.2.1 Einführung
5.2.2 Lagerung von Schnittholz am Beispiel der Fa. Schaffer
5.2.3 Prozessinnovationen in der Holzwirtschaft
5.2.4 Produktinnovationen in der Holzwirtschaft
5.3 Industrielle Fertigung in der Automobilbranche
5.3.1 Einführung
5.3.2 Ford in Mexiko
5.3.3 Toyota Südafrika
5.4 Temperaturüberwachung und Transportlogistik
5.4.1 Einführung
5.4.2 Migros Ostschweiz

6 Aussichten und Erfolgsfaktoren von RFID in der Logistik
6.1 Studien bezüglich der Aussichten von RFID
6.1.1 Booz Allen Hamilton
6.1.2 Accenture
6.2 Erfolgsfaktoren
6.2.1 Technik
6.2.2 Beherrschung der Komplexität
6.2.3 Vernetzte Wertschöpfungskette
6.2.4 Kosten- / Nutzenanalyse

7 Fazit

Literaturverzeichnis

Ehrenwörtliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Grundaufbau von RFID-Systemen

Abbildung 2: Frequenzen und Reichweiten von RFID-Systemen

Abbildung 3: Die Säulen der Logistik

Abbildung 4: Anteil der Logistikkosten an den Gesamtkosten

Abbildung 5: Der Aufbau des EPC

Abbildung 6: RFID im Vergleich mit Barcode

Abbildung 7: Savant-Rechner im EPC-Nerzwerk

Abbildung 8: RFID in der Supply-Chain

Abbildung 9: Waren- und Informationsfluss im EPC-Netzwerk

Abbildung 10: Innovationsfelder für Logistikdienstleister

Abbildung 11: Ursachen für „Out of Stock“

Abbildung 12: Nutzung neuer Technologien im Future Store

Abbildung 13: Metro Innovation Center

Abbildung 14: Ein- und Ausfahrtserfassung mit RFID

Abbildung 15: Kurzfristige Vorteile durch RFID in Logistik und Transport

Abbildung 16: Kosten für RFID-Systeme

Abbildung 17: Beispiel einer Kosten- /Nutzenrechnung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Ausgangslage

Automatische Identifikationssysteme spielen in der Logistikbranche schon seit längerer Zeit eine wichtige Rolle, da sie in der Lage sind, Informationen über Objekte bereitzustellen. Die sehr verbreiteten Barcodeetiketten lösten bereits vor vielen Jahren eine Revolution im Bereich der Identifizierung von Waren aus. Nachteilig sind hier aber z.B. die geringe Speicherfähigkeit und die Unmöglichkeit der Umprogrammierung.

Die Technik der Radio Frequency Identification (RFID), also die drahtlose Übertragung von Informationen eines individuellen Gegenstandes, beginnt nun aufgrund zahlreicher Vorteile gegenüber konventionellen Auto-ID-Systemen, neue Massenmärkte zu erobern. Am Produkt werden dazu so genannte Transponder befestigt, die eine eindeutige Identifikation ermöglichen, aber auch zusätzliche Objektinformationen speichern können. Diese individuellen Informationen sind Grundlage einer effizienten Steuerung logistischer Prozesse und einer verbesserten Transparenz im gesamten Lieferkettenmanagement.

Die Entwicklung von RFID begann bereits in den 60er Jahren. Durch zu hohe Chippreise und eine noch nicht ausgereifte Technologie wurden jedoch nur in Spezialanwendungen wirtschaftliche Vorteile erzielt. Diese Situation hat sich in den letzten Jahren grundlegend geändert. Branchenriesen wie Walmart und Metro investieren massiv in RFID und treiben die Entwicklung voran. Gleichzeitig fallen die Preise für RFID-Transponder drastisch und in den kommenden Jahren wird mit weiteren Preissenkungen gerechnet

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

Durch die Einführung von RFID- basierten Systemen in der Logistik ver-sprechen sich viele Unternehmen und Logistikdienstleister Kosten- und Effizienzvorteile. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, aufzuzeigen, wie der Einsatz von RFID die Entwicklung der Logistik in dieser Hinsicht entscheidend vorantreibt.

Einführend werden die Grundlagenkenntnisse der beiden Teilgebiete RFID und Logistik vermittelt, die für eine weitere übergreifende Betrachtung unerlässlich sind. Die darauf folgende gemeinsame Betrachtung geht auf Integra-tionsstandards und RFID als Bestandteil der Supply Chain ein, da eine Integration entlang der gesamten Wertschöpfungskette als sinnvoll erachtet wird. An dieser Stelle wird aber auch auf Unterschiede und Vorteile gegenüber konventionellen Barcode-Systemen eingegangen.

Im Anschluss werden innovative Einsatzfelder von RFID erläutert, wie sie sich aus der Sicht von Logistikdienstleistern darstellen, da Unternehmen logistische Aufgaben immer öfter an derartige Spezialisten übertragen.

Anhand von detaillierten Anwendungsbeispielen soll einerseits gezeigt werden, in welchen Bereichen der Logistik Veränderungen durch RFID stattfinden bzw. schon stattgefunden haben, und andererseits wie sich RFID in vorhandene Systeme integrieren lässt. Es werden aber auch Szenarien entworfen, die für einen zukünftigen Einsatz denkbar sind. Aufgrund der umfangreichen Darstellung bildet dieses Kapitel den Schwerpunkt der Arbeit.

In der abschließenden kritischen Betrachtung werden die Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche Investition in RFID herausgestellt. Erfolgskritische Faktoren werden im Einzelnen erläutert, Studien belegen Zukunftseinschätzungen und Meinungen zu RFID aus Unternehmenssicht.

2 Grundlagen

Die Teilkomplexe dieser Arbeit, RFID und Logistik, werden an dieser Stelle zunächst einzeln betrachtet. Anfangs werden die Grundlagen der RFID-Technologie vermittelt, anschließend wird der Logistikbegriff im betriebswirtschaftlichen Sinne abgegrenzt und die Bedeutung der Logistik erläutert. Diese Vorgangsweise wurde gewählt, da mit den jeweiligen Grundlagenkenntnissen die anschließende Gesamtbetrachtung verständlicher ist, und spätere Ausführungen zielgerichteter formuliert werden können. Details, die von der eigentlichen Thematik wegführen, können an der betreffenden Stelle dann weitestgehend vermieden werden.

2.1 Die technologische Basis: RFID

Die Technik der Radio Frequency Identification (RFID) ermöglicht die kontaktlose Übertragung von Informationen und die eindeutige Identifikation von Objekten. Ein Sender, auch Transponder genannt, kommuniziert dazu über die Luftschnittstelle mit einer Basiseinheit.

2.1.1 Aufbau und Funktionsweise

Alle RFID-Systeme bestehen aus einem Transponder, der einen elektronischen Datenspeicher darstellt, und einem Erfassungs- bzw. Lesegerät. Befindet sich der Transponder im Empfangsbereich des Lesegerätes wird eine wechsel-seitige Kommunikation ausgelöst.^[1] Dazu verfügen beide Geräte über Kopplungselemente in Form von Spulen oder Antennen. Der Energie- bzw. Datenaustausch erfolgt durch elektromagnetische Wellen nach dem Prinzip der induktiven Kopplung. Den Grundaufbau und die Funktionsweise von RFID-Systemen verdeutlicht Abbildung 1:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Grundaufbau von RFID-Systemen^[2]

Transponder

Transponder sind die Bestandteile in RFID-Systemen, die Informationen über die Objekte senden, an denen sie befestigt sind. Synonym wird im Folgenden auch die Bezeichnung (RFID-)Tag verwendet. Die wesentlichen Bestandteile sind Kopplungselemente (Antennen, Spulen), ein Mikrochip, der als Daten-speicher dient, sowie ein Kondensator.

Bereits in den 60er Jahren wurde der 1-Bit-Transponder zur Diebstahlsicherung in Warenhäusern (EAS) entwickelt. Diese Urform des Transponders befindet sich auch heute noch im Einsatz. Das Lesegerät registriert hierbei lediglich, ob sich ein Transponder im Empfangsbereich befindet. Weitere Informationen können jedoch nicht gesendet werden, da diese Transponder über keinerlei Speicher verfügen. Erst später entstanden aus dieser Grundform dann Transponder mit eigenem Datenspeicher. Dadurch konnten Artikel eindeutig identifiziert werden, darüber hinaus konnten noch zusätzliche Informationen gespeichert werden. Schnell wurden neue Einsatzbereiche erkannt, der Preisverfall von Speicherchips und die Entwicklung immer kleinerer Transponder bewirkten den heutigen Hype rund um das Thema RFID.^[3]

Passive Tags verfügen über keine eigene Stromversorgung und beziehen die benötigte Energie von der Schreib- / Leseeinheit.^[4] Hierzu muss sich der Transponder im elektromagnetischen Wechselfeld des Detektors befinden. Die Kopplungseinheit des Tags ist auf die Resonanzfrequenz des Lesegerätes abgeglichen und entzieht diesem durch Induktion Energie.^[5] Durch Reflektion und Veränderung des Sendesignals können Tags ihren Speicherinhalt an die Lesegeräte übermitteln.

Die typische Größe des Tag-Speichers reicht von wenigen Bytes bis zu mehr als 100 KB und wird meist in Form eines EEPROM realisiert.^[6]

Gegenüber den üblichen passiven RFID-Tags besitzen aktive High-End-Transponder zusätzlich noch einen Prozessor, einen segmentierbaren, beschreibbaren Speicher mit fest installiertem Betriebsystem und eine eigene Stromversorgung. Da aber in der logistischen Praxis passive RFID-Systeme wesentlich häufiger vorkommen, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auch auf diesen Systemen.

Schreib- / Lesegerät

Das Erfassungs- bzw. Lesegerät dient in erster Linie dem Auslesen der Transponderinformationen. In bestimmten Fällen kann es auch Tags beschreiben. Es sendet ein permanentes hochfrequentes Dauersignal, welches auf den Schwingkreis des Transponders abgestimmt ist.^[7] Hierdurch wird einerseits Energie für passive Tags bereitgestellt, die für die Funktions-tüchtigkeit benötigt wird. Andererseits werden durch Modulation und Demodulation des Signals Daten ausgetauscht. Das reflektierte und veränderte Signal des Transponders wird dazu wieder dekodiert, und die gespeicherten Informationen des RFID-Tags gehen auf das Lesegerät über. Zusätzlich zum Energie- und Datenaustausch erzeugen und senden Lesegeräte aber auch den zur Ablaufsteuerung und Systemsynchronisation benötigten Takt.^[8]

Die einzelnen Bestandteile eines Lesegerätes sind Hochfrequenzmodul (Sender und Empfänger), Controller, und Kopplungselement in Form einer Spule. In der Regel findet sich noch eine Schnittstelle zu einem Computer.^[9] Auf diesem Rechner läuft gewöhnlich eine Middleware, die die Rohdaten für die Weiterbearbeitung in einem Warenwirtschaftssystem entsprechend aufbereitet.

Der Informations- und Energiefluss zwischen Transponder und Lesegerät besteht zusammenfassend also aus drei Schritten:^[10]

- Erzeugung einer hochfrequenten Sendeleistung zur Aktivierung und Bereitstellung der Energieversorgung eines Transponders. Tags werden erst aktiv, wenn sie sich im elektromagnetischen Wechselfeld eines Lesegerätes befinden. Ansonsten verhalten sie sich passiv.
- Modulation des Sendesignals zur Übertragung von Daten (z.B. eindeutige Identifikationsnummer) durch den Transponder
- Empfang und Dekodierung des vom Transponder modulierten RF-Signals durch die Leseeinheit.

2.1.2 Unterscheidungsmerkmale

Um nicht den Überblick über die unzähligen Varianten von RFID-Systemen zu verlieren, ist es sinnvoll, Unterscheidungsmerkmale zu finden.^[11] Anforderungen an RFID-Systeme hängen von der spezifischen Anwendung ab, und so haben sich in der Praxis drei Hauptunterscheidungsmerkmale herausgebildet. Man unterscheidet nach der Art der Energieversorgung, nach der Betriebsfrequenz und der damit verbundenen Reichweite, sowie nach verschiedenen Datenüber-tragungsverfahren.

Energieversorgung

Im Bereich der Energieversorgung unterscheidet man passive und aktive RFID-Systeme. Die Transponder passiver Systeme kommen ohne eigene Stromversorgung aus, bei aktiven Systemen benötigen sie eine eigene Stromquelle in Form einer Batterie.

Die Lesegeräte passiver Systeme erzeugen ein hochfrequentes elektromag-netisches Wechselfeld, das den Transpondern als Energiequelle dient. Die Energieübertragung erfolgt dabei durch induktive Kopplung, sobald sich ein Tag in entsprechender Reichweite des Lesegerätes befindet.^[12] Steht genügend Energie zur Verfügung, sendet die Sendeelektronik des Transponders die Speicherinformationen über die Antenne an das Lesegerät.^[13]

Bei aktiven Systemen geht aufgrund der zurückgelegten Distanz zu viel Energie verloren und reicht zur Versorgung des Chips nicht mehr aus. Die übertragene Energie dient lediglich der Erzeugung eines Wake-Up-Signals.^[14] Durch eine separate Stützbatterie wird die eigentliche Energieversorgung sichergestellt.

Frequenz und Reichweite

Der Einsatzbereich einer RFID-Anwendung hängt stark von der maximalen Reichweite eines Systems ab und diese resultiert wiederum aus der verwendeten Sendefrequenz.

Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht der wichtigsten RFID-Frequenzen und den damit verbundenen Reichweiten, und nennt typische Einsatzbereiche.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Frequenzen und Reichweiten von RFID-Systemen^[15]

Grundsätzlich kann man die Frequenzen in drei Bereiche einteilen. Der Bereich bis 300 KHz wird dabei als Low Frequency (LF) bezeichnet und ist größtenteils frei zugänglich. Durch den einfachen Aufbau sind Systeme in diesem Bereich kostengünstig. Die Bandbreite bis 100 MHz wird dagegen als High Frequency (HF) bezeichnet. Das universelle HF-Band zeichnet sich durch hohe Übertrags- und Taktraten aus, der Einsatz ist aufwendiger aber auch flexibler. Bei Frequenzen, die über 100 MHz liegen, spricht man nur noch von Ultra High Frequency (UHF). UHF-Systeme haben sehr hohe Reichweiten, und sind relativ unempfindlich gegen Übertragungsstörungen. Nachteilig sind die höheren Kosten, die größeren Bauformen, die meist separate Energieversorgung, sowie örtliche Zulassungsbeschränkungen.^[16]

Einer Studie zufolge sind die favorisierten Frequenzen im industriellen Einsatz 13,56 MHz mit 58 Prozent und 860-930 MHz mit 25 Prozent.^[17]

Hinsichtlich der Reichweite unterscheidet man die Bereiche Close Coupling, Remote Coupling und Long Range.

- Close Coupling

Die Reichweite beträgt 0 bis 1 cm und die Transponder müssen sich beim Lesen an einer exakt definierten Position befinden. Dies kann beispielsweise durch das Einstecken in ein Lesgerät erfolgen. Der Frequenzbereich liegt zwischen 1 Hz und 30 MHz. Durch die enge Bindung können hohe Energiemengen übertragen werden. Dieses Verfahren kommt zum Einsatz, wenn hohe Sicherheitsstandards erfüllt werden müssen.^[18]

- Remote Coupling

Es werden bei diesen Systemen Reichweiten bis zu 1 m erreicht, der Betrieb erfolgt bei Sendefrequenzen zwischen 100 und 135 kHz, 6.75 MHz, 13.56 MHz und 27.125 MHz. Die Datenübertragung und die Energieversorgung werden durch induktive Kopplung erreicht, es kommen also in der Regel nur passive Transponder zum Einsatz.^[19]

- Long Range

Bei Long-Range-Systemen werden typische Reichweiten von 1 - 10 m erreicht, und die Betriebsfrequenz liegt im Mikrowellenbereich. Es werden hauptsächlich aktive Transponder mit eigener Stützbatterie eingesetzt, da die übertragene Energie zum Betrieb nicht ausreicht.^[20]

Datenübertragungsverfahren

Bei der Datenübertragung unterscheidet man zwischen unidirektionalen und bidirektionalen Verfahren, je nachdem, ob Daten in beide Richtungen oder lediglich in eine Richtung fließen. Reine Identifikationssysteme benötigen nur eine Kommunikationsmöglichkeit in Richtung Lesegerät. Im Ansprechbereich sendet der Transponder kontinuierlich seine ID, ein direktes Ansprechen durch das Lesegerät ist jedoch nicht möglich. Sollen weitere Daten aus dem Speicher eines RFID-Tags übermittelt werden, so muss eine Kommunikation in beide Richtungen (bidirektional) möglich sein. Damit sind Transponder auch einzeln ansprechbar.^[21]

Findet die Datenübertragung in beide Richtungen statt, kann man eine weitere Einteilung nach der Art der Übertragung vornehmen. Zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren kommen zum Einsatz: Duplex-Verfahren (Voll- und Halbduplex), sowie sequentielle Verfahren.

- Duplex-Verfahren

Beim Vollduplexverfahren findet die Datenübertragung, vom Transponder in Richtung Lesegerät und umgekehrt, zeitgleich statt. Das Halbduplex-Verfahren dagegen zeichnet sich durch eine abwechselnde Datenübertragung aus. Es kommt hauptsächlich bei induktiv gekoppelten Systemen zum Einsatz und bietet einen höheren Wirkungsgrad, kostet jedoch auch mehr. Sowohl beim Voll- als auch beim Halbduplexverfahren wird kontinuierlich und unabhängig von der Datenübertragung Energie übertragen.^[22]

- Sequenzielle Verfahren

Bei den sequenziellen Verfahren findet die Daten- und Energie-übertragung vom Lesegerät zum Transponder zeitversetzt mit der Datenübertragung vom Transponder in Richtung Lesegerät statt. Das Lesegerät sendet Daten während der Energieübertragungsphase. Anschließend erfolgt eine Pause in der Energieübertragung, währenddessen der Transponder seine Daten sendet. Da sich dieser Zyklus ständig wiederholt, spricht man auch von gepulsten Systemen.^[23]

2.1.3 Bauformen

RFID-Transponder kommen in den unterschiedlichsten Bauformen vor. Dabei resultiert die Bauform in erster Linie aus dem Anwendungsbereich.

Die folgende Auflistung^[24] erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.

- Disk-Transponder werden in der Praxis am häufigsten verwendet und eignen sich für ein breites Anwendungsspektrum. Sie bestehen aus einem runden Spritzgussgehäuse, das eine Größe von einigen Millimetern bis zu 10 cm hat.
- Glasgehäuse wurden speziell für die Tieridentifikation entwickelt, und lassen sich unter die Haut injizieren.
- Für mechanisch anspruchsvolle Anwendungen dagegen bietet sich ein Gehäuse aus Plastik an. Die Belastungsfähigkeit gegenüber mecha-nischen Vibrationen ist sehr hoch, darum werden sie häufig in der Automobilproduktion eingesetzt.
- Der Einbau von induktiv gekoppelten Tags in eine Metalloberfläche, beispielsweise bei der Werkstatt- und Gasflaschenidentifikation, macht ebenfalls eine spezielle Bauform erforderlich, da Interferenzen mit Metall die Übertragung stören. Die Transponderspule wird auf einem Ferritkern gewickelt und in einer Halbschale aus Plastik vergossen.
- Kontaktlose Chipkarten bieten den Vorteil einer großen Spulenfläche (hohe Reichweite) und eignen sich sehr gut für den Bereich Ticketing.
- Im Logistikbereich kommen wegen ihrer einfachen Handhabung häufig so genannte Smart Labels, Selbstklebeetiketten ähnlich den Barcodeaufklebern, zum Einsatz. Dabei wird die Transponderspule durch Siebdruck oder Ätztechnik auf eine nur 0,1 mm dünne Plastikfolie aufgebracht. Die Etiketten lassen sich bedrucken und leicht an Waren, Paketen, etc. anheften.

2.2 Die betriebswirtschaftliche Basis: Logistik

2.2.1 Begriffliche Einführung

Versucht man den Begriff „Logistik“ zu erläutern, muss man zunächst feststellen, dass viele unterschiedliche Definitionen existieren. So definieren Bichler / Schröter Logistik als

„ganzheitliche Planung, Steuerung, Durchführung und Kontrolle des außer- und innerbetrieblichen Materialflusses und des dazugehörigen Datenflusses mit dem Ziel der bedarfsgerechten Unterstützung der betrieblichen Leistungserstellung und -verwertung.“^[25]

Steinbuch empfiehlt eher eine praxisgerechte, prägnante und leicht merkfähige Definition und beschreibt Logistik einfach als „Bedarfsbefriedigung“. Demnach muss für jede Logistikleistung ein Bedarf vorhanden sein, und dieser Bedarf muss durch die Verfügbarmachung der erforderlichen Objekte, erfüllt und abgedeckt werden.^[26]

[...]

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^[1] Vgl. AIBIS (2004), S.3

^[2] Finkenzeller, K. (2000), S.9

^[3] Vgl. C’t-Magazin (2004), S.122f

^[4] Vgl. EDA-Zentrum (2003), S.5

^[5] Vgl. C’t-Magazin (2004), S. 122f

^[6] Vgl. ebd.

^[7] Vgl. Siemens Business Services (2004), S.4

^[8] Vgl. Finkenzeller, K. (2000), S.247

^[9] Vgl. ebd., S.9

^[10] Vgl. Uni-Duisburg, S.4

^[11] Vgl. Finkenzeller, K. (2000), S.11

^[12] Vgl. Elektronik-Kompendium (2005)

^[13] Vgl. AIBIS (2004), S.3

^[14] Vgl. C’t-Magazin (2004), S.122f

^[15] Vgl. Decker, J. (2004), S.2

^[16] Vgl. Uni-Duisburg, S.6f

^[17] Vgl. Fraunhofer IML (2004), S.11

^[18] Vgl. Finkenzeller, K. (2000), S.23

^[19] Vgl. ebd., S.24

^[20] Vgl. EDA-Zentrum (2003), S.4f

^[21] Vgl. Uni-Duisburg, S.11f

^[22] Vgl. Finkenzeller, K. (2000), S. 39

^[23] Vgl. ebd., S. 39 und S. 52

^[24] Vgl. ebd., S.14ff

^[25] Bichler, K.; Schröter, N. (2004), S.17

^[26] Vgl. Steinbuch, P. A. (2001), S.2