Ein Beitrag zur wissensbasierten Unterstützung bei der Auswahl technischer Ressourcen : Repräsentation und Auswertung von Prinziplösungen auf Basis multidimensionaler, heterogener, vernetzter Merkmalräume

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31784
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Automatisierungstechnik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.11.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Wissensbasiertes System , Wissensrepräsentation , Merkmal , Sensor , Aktor , Anlagenplanung , Ingenieurwissenschaften , Automation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Technische Ressource , Prinziplösung , Expertenwissen , Auswahlunterstützung , Engineering ,
Freie Schlagwörter (Englisch): -
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Im Engineering verfahrenstechnischer Anlagen treffen steigende Anlagen- und Gerätekomplexität, kombiniert mit einer stark wachsenden Anzahl technischer Lösungsmöglichkeiten, auf einen ständig zunehmenden Kosten- und Zeitdruck vor dem Hintergrund einer anspruchsvollen, globalen Wettbewerbssituation. Diese Problematik gilt insbesondere für die im Engineering der notwendigen Automatisierungstechnik einbezogene Aufgabenstellung der Auswahl geeigneter technischer Ressourcen in der Feldebene. Diese Auswahl stellt aufgrund der Häufigkeit ihrer Durchführung, aufgrund der Bedeutung der technischen Ressourcen für die Wirtschaftlichkeit und Qualität des Anlagenbetriebs und wegen des mit der Auswahl verbundenen Fehlerrisikos einen bedeutenden Kostenfaktor und -hebel für das Engineering und die gesamte Anlagenplanung dar. Gleichwohl ist die Auswahl, unter Berücksichtigung vielfältiger, spezifischer Bedingungen und Anforderungen des Einsatzortes sowie des Anwenders, eine sehr komplexe und dementsprechend wissensintensive Aufgabenstellung. In Anbetracht dieser Herausforderung verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, die Auswahl technischer Ressourcen durch den Einsatz auf Wissen basierender Methoden und Werkzeuge zu unterstützen und damit im Sinne der „Automatisierung der Automatisierung“ einen Beitrag zur Effizienzsteigerung des Engineerings zu leisten. Nach einer Einordnung der Aufgabenstellung in das Engineering verfahrenstechnischer Anlagen und einer Analyse der mit ihr verbundenen grundsätzlichen Herausforderungen, werden verfügbare Möglichkeiten zur Akquise des benötigten (Experten-)Wissens sowie Ansätze und praktizierte Vorgehensweisen zu dessen Verarbeitung untersucht. Basierend sowohl auf den Herausforderungen und Rahmenbedingungen der Aufgabenstellung als auch auf den Defiziten des Status Quo in Praxis und Forschung wird anschließend ein Anforderungskatalog für die Konzept- und Werkzeugentwicklung erarbeitet. Unter Berücksichtigung aktueller, existierender Ansätze und Methoden hinsichtlich der formalen Beschreibung technischer Objekte sowie der Wissensrepräsentation und -verarbeitung erfolgt die Entwicklung eines Konzepts zur wissensbasierten Auswahlunterstützung. Dafür wird zunächst ein theoretisches Fundament, bestehend aus Voraussetzungen, Festlegungen und Annahmen definiert. Auf diesen Grundlagen wird ein Modell für die geeignete Abbildung des benötigten Wissens entwickelt, welches sich auf die drei Abstraktionsebenen der Meta-, Klassen- und Instanzenebene erstreckt und sowohl anwendungsfallspezifische als auch anwendungsfall-unabhängige Wissensanteile repräsentiert. Zudem werden Mechanismen für die geeignete Verarbeitung des repräsentierten Wissens sowie eine Methodik für die Konzeptanwendung beschrieben. Ergänzt wird dies durch einen Ansatz zur Integration in den durchgängigen Engineeringprozess unter Nutzung etablierter Ansätze zur Beschreibung von Anlagenstrukturinformationen und Semantik. Für die Umsetzung und den praktischen Einsatz des Konzepts werden zwei funktionell kooperierende Softwarewerkzeuge implementiert: ein Wissenseditor für das konzept- und methodenkonforme Erstellen einer konsistenten Wissensbasis auf Grundlage des Wissensmodells sowie ein Werkzeug zur Auswahlunterstützung, welches die im Editor erstellten Wissensinhalte nutzt und die Wissensverarbeitung im Zusammenhang mit jeweils problemfallspezifischen Informationen durchführt. Das erstellte Konzept wird abschließend unter Verwendung der erstellten Softwarewerkzeuge anhand von verschiedenen Anwendungsfällen aus dem Bereich von Sensorik und Aktorik evaluiert. Die Erkenntnisse aus der Evaluation werden genutzt, um die anwendungsfallübergreifende Anwendbarkeit und, durch den Vergleich mit den aufgestellten Anforderungen, die Vorteilhaftigkeit von Konzept und Werkzeugen zu belegen.

Kurzfassung auf Englisch:

In process plant engineering, rising complexity of plants and devices, accompanied by an increasing number of potential technical solutions, meets rising cost and time pressure in the context of a demanding, globally competitive environment. This difficulty applies in particular to the selection of suitable technical resources in the field level as a task of automation engineering. The selection of technical resources is an important cost factor for engineering and for the entire planning process because of its frequent occurrence, the relevance of technical resources for the efficiency and quality of the plant operation, and the high impact of wrong decisions. In consideration of the various specific conditions and requirements of the operating site and the operator, the selection is a very complex and knowledge-intensive task. Considering these challenges, this thesis aims to support the selection of technical resources by knowledge-based methods and tools, and thereby to contribute to an improvement of engineering efficiency in accordance with the idea of “automation of automation”. After classification of the task within process plant engineering and an analysis of task-related challenges, available opportunities to gather required (expert) knowledge are identified, and different approaches to process and apply this knowledge are analysed. Based on the constraints and the challenges of the engineering task, including the existing shortcomings of the status quo in practice and research, a catalogue of requirements for concept and tool development is compiled. Considering state of the art approaches and methods concerning the formal description of technical objects, knowledge representation and knowledge processing, a concept for knowledge-based selection support is developed. For this purpose, a theoretical basis is first defined, comprising prerequisites, definitions and assumptions. On this basis, a model for a suitable representation of the required knowledge is developed. This model comprises three levels of abstraction, encompassing meta, class and instance level, and represents both application-independent and application-specific knowledge. Furthermore, mechanisms for an adequate inference of the represented knowledge and a method for concept application are defined. The concept is completed by an approach for the integration into the continuous engineering workflow. This approach utilizes established methods for plant description and for semantics. For the realisation and practical use, two functionally cooperating software tools are implemented: a knowledge editor for a concept- and methodcompliant generation of a knowledge base in accordance with the knowledge model. Furthermore a selection support tool that uses the edited knowledge and conducts knowledge processing by including case-specific information. Finally, the established concept is evaluated based on different cases of application in the domains of actuators and sensors, utilizing the implemented software tools. Moreover, the evaluation results are used to confirm the applicability across the cases of application and to prove the advantages of the concept and tools by benchmarking against the predefined requirements.

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