Entwicklung eines intelligenten kognitiven Assistenzsystems für dynamische Produktionsumgebungen - am Beispiel eines Assistenzsystems zur Unterstützung von Mitarbeitern in der Nacharbeit

Kognitive Assistenzsysteme in der Produktion unterstützen Mitarbeiter bei der Bewältigung manueller Tätigkeiten. Im laufenden (Montage-)Prozess versorgen sie den Mitarbeiter mit Informationen zur auszuführenden Tätigkeit. Fortschrittlichere Assistenzsysteme überprüfen zugleich den Prozess und melden etwaige Fehler zurück. Herkömmliche Kognitive Assistenzsysteme eignen sich für lineare Prozessabfolgen, wie sie bspw. in der Linienmontage vorzufinden sind. In Produktionsbereichen, wo Prozesse von unterschiedlichen Einflussfaktoren abhängig sind, eignen sich bisherige Assistenzsysteme kaum. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Kognitiven Assistenzsystems für den Einsatz in dynamischen Produktionsbereichen am Beispiel der Nacharbeit beschrieben. Grundlage hierfür ist eine Graphenstruktur, die den Produktfortschritt abbildet. Diese wird mit unterschiedlichen Prozessdaten angereichert und erlaubt die Generierung einer Prozessliste mit variablem Ziel. Diese Liste steht in digitaler Form zur Verfügung und steuert das Kognitive Assistenzsystem an. Zudem werden am Assistenzsystem Daten aufgenommen. Diese ermöglichen den Rückschluss auf die Vertrautheit einer Person mit bestimmten Montageprozessen. Diese Information wird genutzt, um Aufträge den Mitarbeitern derart zuzuweisen, dass Auftragsbestände besser reduziert werden. Hierzu werden Metaheuristiken genutzt, da auch eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten (Auftrag an Mitarbeiter) zu berücksichtigen ist.Cognitive Assistance Systems used in production provide operators with valuable in-formation about the assembly process to assist in decision-making. Some systems can even check processes and give feedback in case of any errors. Commonly available assistance systems work well in sequentially organized processes like those of an as-sembly line. However, they are barely able to operate in more dynamic environments such as rework areas, where the processes depend on numerous factors. This work aims to describe a Cognitive Assistance System suitable for use in these dynamic pro-duction environments. A graph structure poses as the backbone for this Cognitive As-sistance System as it represents the production stream. This graph structure is then enriched with process-related data and is able to generate a digital process list that serves as the program for the Cognitive Assistance System. The data collected by the system is used to determine the operator’s familiarity with the task to be performed. The information is then used to assign a suitable rework job to the operator in order to reduce the amount of pending rework jobs. Meta-heuristics help to handle the huge number of combinations (job-to-operator) that this system would generate

Semi-Präemptives Transportieren

Das Problem, einen Roboter (oder ein Fahrzeug) so zwischen n Stationen zu steuern, daß m Objekte von ihrem Ausgangspunkt zu ihrem Ziel transportiert werden können und dabei die zurückgelegte Fahrstrecke minimiert wird, bezeichnet man als Pickup--And--Delivery--Problem. Diese Aufgabenstellung ist in der Vergangenheit gut untersucht worden, sogar wenn die Stationen auf eine besondere Weise angeordnet sind, z.B. in einer Reihe oder im Kreis. Üblicherweise darf der Roboter entweder jede oder keine Station als Umladestation benutzen. Man spricht in diesen Fällen von einem präemptiven bzw. nicht--präemptiven Transport. Wir werden diese Konzepte verallgemeinern, indem nur ein Teil der Stationen für das Umladen benutzt werden darf. In Anlehnung an die beiden anderen Versionen soll diese Fragestellung semi--präemptiv heißen. Dabei differenzieren wir zwischen einer exogenen und einer endogenen Variante. In der ersten darf der Roboter nur an gekennzeichneten Stationen umladen. In der zweiten teilen wir ihm eine Zahl k mit, und es ist Teil der Aufgabenstellung zu entscheiden, an welchen k Stationen umgeladen wird. Wir zeigen, daß sowohl die exogene als auch die endogene Version auf einem Pfad und auf einem Kreis effizient lösbar ist und geben jeweils dynamische Lösungverfahren an. Beide Varianten sind auf Bäumen NP--vollständig. Für den exogenen Fall geben wir einen Approximationsalgorithmus mit einer Güte von 4/3 an. Für die endogene Aufgabenstellung präsentieren wir eine (4/3+c)--Approximation für beliebiges c > 0. Schließlich nutzen ein bekanntes Resultat, um eine Approximation für das exogene und endogene Transportproblem auf metrisch gewichteten Graphen angeben zu können. Aus der angewandten Problemstellung ergibt sich ein graphentheoretisches Teilproblem, das wir näher untersuchen. In einem gerichteten Graphen G=(V,E^r\dot\cup E^b) mit einer rot/blau--partitionierten Kantenmenge soll zu gegebener Kostenfunktion eine kostenminimale und aufspannende Arboreszenz bestimmt werden, die höchstens d blaue Kanten benutzt. Wir geben ein voll polynomielles Approximationsschema an. Dieses nutzen wir, um das endogene Transportproblem auf Bäumen zu approximieren

Untersuchung zur Eignung von Graphdatenbanksystemen für die Analyse von Informationsnetzwerken

In der vorliegenden Masterarbeit werden verschiedene Graphdatenbanksysteme in einer funktionalen und technischen Evaluation hinsichtlich ihrer Eignung für ein aktuelles Forschungsvorhaben der Abteilung Datenbanken der Universität Leipzig untersucht. Ziel des Forschungsprojektes ist die Integration von Unternehmensdaten in ein Informationsnetzwerk und eine darauf aufbauendegraphenorientierte Analyse der Daten

Vergleichen und Aggregieren von partiellen Ordnungen

Das Vergleichen und Aggregieren von Informationen ist ein zentraler Bereich in der Analyse von Wahlsystemen. In diesen müssen die verschiedenen Meinungen von Wählern über eine Menge von Kandidaten zu einem möglichst gerechten Wahlergebnis aggregiert werden. In den meisten politischen Wahlen entscheidet sich jeder Wähler durch Ankreuzen für einen einzigen Kandidaten. Daneben werden aber auch Rangordnungsprobleme als eine Variante von Wahlsystemen untersucht. Bei diesen bringt jeder Wähler seine Meinung in Form einer totalen Ordnung über der Menge der Kandidaten zum Ausdruck, wodurch seine oftmals komplexe Meinung exakter repräsentiert werden kann als durch die Auswahl eines einzigen, favorisierten Kandidaten. Das Wahlergebnis eines Rangordnungsproblems ist dann eine ebenfalls totale Ordnung der Kandidaten, welche die geringste Distanz zu den Meinungen der Wähler aufweist. Als Distanzmaße zwischen zwei totalen Ordnungen haben sich neben anderen Kendalls Tau-Distanz und Spearmans Footrule-Distanz etabliert. Durch moderne Anwendungsmöglichkeiten von Rangordnungsproblemen im maschinellen Lernen, in der künstlichen Intelligenz, in der Bioinformatik und vor allem in verschiedenen Bereichen des World Wide Web rücken bereits bekannte, jedoch bislang eher wenig studierte Aspekte in den Fokus der Forschung. Zum einen gewinnt die algorithmische Komplexität von Rangordnungsproblemen an Bedeutung. Zum anderen existieren in vielen dieser Anwendungen unvollständige „Wählermeinungen“ mit unentschiedenen oder unvergleichbaren Kandidaten, so dass totale Ordnungen zu deren Repräsentation nicht länger geeignet sind. Die vorliegende Arbeit greift diese beiden Aspekte auf und betrachtet die algorithmische Komplexität von Rangordnungsproblemen, in denen Wählermeinungen anstatt durch totale Ordnungen durch schwache oder partielle Ordnungen repräsentiert werden. Dazu werden Kendalls Tau-Distanz und Spearmans Footrule-Distanz auf verschiedene nahe liegende Arten verallgemeinert. Es zeigt sich dabei, dass nun bereits die Distanzberechnung zwischen zwei Ordnungen ein algorithmisch komplexes Problem darstellt. So ist die Berechnung der verallgemeinerten Versionen von Kendalls Tau-Distanz oder Spearmans Footrule-Distanz für schwache Ordnungen noch effizient möglich. Sobald jedoch partielle Ordnungen betrachtet werden, sind die Probleme NP-vollständig, also vermutlich nicht mehr effizient lösbar. In diesem Fall werden Resultate zur Approximierbarkeit und zur parametrisierten Komplexität der Probleme vorgestellt. Auch die Komplexität der Rangordnungsprobleme selbst erhöht sich. Für totale Ordnungen effizient lösbare Varianten werden für schwache Ordnungen NP-vollständig, für totale Ordnungen NP-vollständige Varianten hingegen liegen für partielle Ordnungen teilweise außerhalb der Komplexitätsklasse NP. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf offene Problemstellungen

Plug and Produce für modulare verfahrenstechnische Anlagen

Sales market in process industry, especially for chemical, pharmaceutical and food industry, is becoming more and more volatile. Furthermore, the global availability of alternative products shortens the product life cycle. At the same time, the requested volumes depend on strong regional and temporal fluctuations, which are increasingly difficult to predict. To be able to bring product innovations successfully to market, rapid series-production readiness of the prototype is needed. However, the competition after successful approval is increasingly getting tougher. As soon as the product has been accepted by the market, the time necessary to reach sufficient product quantities with required product quality is essential for its profitability. By the end of the product life cycle, the production should be close to the largest remaining sales markets, which means that the production can be shifted accordingly. Classical production processes in process industry do not fulfil these requirements jet. Conti-systems are optimized for a certain production quantity per unit of time, which should not be changed for years, if possible. The higher flexibility of conventional batch plants is associated with unproductive times, for example during conversion. However, modularization of process plants with flexible combinatory design would allow faster turnover times and higher productivity. Individual modules realize standardized production steps and can be combined according to the requested product. Changes to the product are achieved by the exchange of modules, the production quantity can be increased by adding more of the same modules. The integration of a module into an upper classic process control system is laborious using the information models and tools available today. Various aspects of automation, such as human machine interfaces, statuses of sequences or interlocks must be added manually for the visualization and guidance of the module in an upper process control system. However, today's control systems are not prepared to provide the required flexibility of a system based on different modules. This drawback requires a modular plug-and-production methodology. Therefore, an outright modeling of information, beginning with modular and function-oriented integrated engineering is needed. On the one hand, this work considers with a selection of integration aspects, a detailed modeling of this aspects in an information carrier and the integration into the process control level. On the other hand, the concrete selection of one or more descriptive formats is analyzed. For this purpose, a uniform integration architecture and an integration process is described, this allows integration into an upper process control system level. This analysis shows that, with the available descriptive formats, a mapping of the individual integration aspects into an information carrier is possible. It is important to distinguish whether a separate mapping is chosen for each aspect, as chosen by GrapML in the second practical implementation, or whether a uniform format is used for the entire information carrier. The evaluation of the description formats suggests for the use in the information carrier AutomationML. The practical implementation and investigation with AutomationML are already in the scope of the Namur MTP developments and couldn’t therefore investigated deeply in this work. For the most important aspects, the human machine interface as well as the process management, detailed information modeling is available and was checked during implementation. Two different possibilities were presented and discussed for the selection of description formats. To allow flexible extensibility, it is advantageous to choose a description means in which the integration aspects are described separately from each other, independently of the specifically chosen format. A uniform interface within automation systems is required for the needs of the so-called industry 4.0 for the networking and consistency of all components involved throughout the entire life cycle. This work provides the first building blocks of this approach and enables application in process industry but also manufacturing industry

Strategic technology planning using the example of Automotive Service Robotics

Im Technologiefeld der Automobilen Service Robotik werden innovative Robotersysteme für Service- und Wartungstätigkeiten an automatisiert fahrenden Fahrzeugen untersucht. Um die wirtschaftlichen und technologischen Zielstellungen in den zukünftigen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten ressourceneffizient bearbeiten zu können, müssen im Rahmen des Technologiemanagements frühzeitig strategisch wichtige Handlungsbedarfe aufgedeckt und bewertet werden. Insbesondere innovative Technologiefelder befinden sich in frühen Reifegradphasen in einem Spannungsfeld aus hohen Unsicherheiten in der Potenzialabschätzung, interdisziplinären Abhängigkeiten zwischen Technologieprojekten und hoher Entwicklungsdynamik technischer und wirtschaftlicher Leistungsparameter. Bestehende Ansätze weisen durch ihren meist intuitiven Charakter Defizite in der Berücksichtigung von vielschichtigen Abhängigkeiten zwischen Einzelprojekten und dynamischen Reifegradentwicklungen auf. Eine effiziente und projektübergreifende Bewertung von Handlungsalternativen im Sinne der übergeordneten Technologiestrategie ist somit nicht möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen strukturieren Ansatz zur Planung von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für innovative Technologiefelder mit komplexen dynamischen Wechselwirkungen zu schaffen, der eine Priorisierung von Handlungsalternativen auf Technologieebene ermöglicht und so die strategische Ausrichtung unterstützt. Hierzu wird ein mehrstufiger Ansatz entwickelt, der auf der Wechselwirkungsanalyse aufbaut, diese um Ansätze der Graphentheorie erweitert und mit der Methodik des Technologieroadmappings kombiniert. Im Rahmen des zyklisch aufgebauten Methodenansatzes werden zunächst relevante Einsatzszenarien zukünftiger Produkte identifiziert und mögliche Anwendungsfälle in ihrer funktionalen Struktur beschrieben. Die funktionale Beschreibung der Anwendungsfälle ermöglicht hierbei die Identifikation umsetzungsrelevanter Technologien und bestehender Konzepte. Ein Relationsmodell zur Abbildung technologischer, zeitlicher und monetärer Abhängigkeiten verknüpft die identifizierten Elemente miteinander, überführt das Technologiefeld in eine dynamische Graphendarstellung und strukturiert die Informationsgrundlage. Durch die Verwendung erweiterter Ansätze der Wechselwirkungsanalyse wird die technologische Realisierbarkeit von Einsatzszenarien und Anwendungsfällen systematisch untersucht und die Relevanz von einzelnen Technologieprojekten bestimmt.Automotive Service Robotics is a new research topic in the field of robotics. Motivated by the ongoing trend of automated driving, innovative robot systems for service and maintenance tasks on automated vehicles are investigated. In order to address the economic and technological objectives in future research and development activities in a resource-efficient manner, strategically important needs for action must be identified and evaluated in an early stage. Especially innovative technology fields are in an early stage of maturity in a conflict of aims between high uncertainties in the assessment, interdisciplinary dependencies between technology projects and high development dynamics of technical and economic performance parameters. Existing approaches in the field of strategic technology planning have major deficits in the consideration of complex dependencies between individual projects and dynamic maturity developments due to their mostly intuitive character. An efficient and cross-project evaluation of alternative courses of action in the sense of an overarching technology strategy is therefore not possible. The aim of this thesis is to create a structured approach for planning research and development activities in innovative technology fields with complex dynamic interactions, which enables prioritization of alternative courses of action at a technology level and thus supports the strategic alignment. To support the planning process, a multi-level approach is developed. This approach is based on the principles of cross-impact analysis and technology roadmapping, augmented by elements from the mathematical field of graph theory. In the first step of the cyclical approach, relevant application scenarios for future products are identified and possible applications are described in their functional structure. Through the abstraction of a functional description for each use case, potentially applicable technologies and existing products can be identified. A relationship model for mapping technological, temporal and financial dependencies links the identified elements with each other, converts the technology field into a dynamic graph representation and structures the information. Using adapted approaches of graph theory, the technological feasibility of scenarios and use cases can be examined. Furthermore, the relevance of technologies is determined and a need for action can be derived by balancing requirements and technological potentials

Vererbungsalgorithmen von semantischen Eigenschaften auf Assoziationsgraphen und deren Nutzung zur Klassifikation von natürlichsprachlichen Daten

Ziel dieser Arbeit ist es, Kollokationen auf Satzbasis aus dem Wortschatz-Lexikon Leipzig als Datenbasis nehmend, ein Verfahren zu entwickeln, welches die den Satzkollokationen immanenten Beziehungen zwischen den Wörtern erkennen und handhaben kann. Weiterhin ist es Ziel, diese Beziehungen für wortbedeutungsorientierte Klassifikationsverfahren zu erschliessen und deren unmittelbare Anwendung zu demonstrieren, indem Sachgebietszuweisungen über diese Beziehungen weitervererbt werden können. Es wird gezeigt, dass Cluster in den Satzkollokationen mit einer Approximation für die maximale Clustersuche mit rechnerisch geringem Aufwand gefunden werden können, wenn diese als ein Graph mit der seit kurzem untersuchten small-world Eigenschaft betrachtet werden. Es wird daraufhin ein Disambiguierungsverfahren konstruiert, welches Beziehungen zwischen einem Wort und seinen unmittelbar angrenzenden Clustern berechnet, wobei die verschiedenen Cluster den diversen Gebrauchskontexten und damit auch unter anderem den Bedeutungen des Wortes entsprechen. Dieses Disambiguierungsverfahren dient dann als Grundlage für den Entwurf eines Sachgebietsklassifizierungsverfahrens, welches zu einer inhaltlich homogenen Wortgruppe, zum Beispiel einem Sachgebiet, weitere passende Wörter finden kann. Die vorgeschlagenen Verfahren wurden prototypisch implementiert und Beispiele werden auch im Hinblick auf eine Praxisanwendung diskutiert

Funktionale Sicherheit nach ISO 26262 in der Konzeptphase der Entwicklung von Elektrik/Elektronik Architekturen von Fahrzeugen

Die Entwicklung von softwarebasierten Fahrzeugsystemen unter Befolgung des neuen Standards IO 26262 erfordert ein gemeinsames Verständnis sowie die Verzahnung des Vorgehens in beiden Domänen. Ziel dieser Arbeit ist die Berücksichtigung von Anforderungen der funktionalen Sicherheit während der Modellierung von Elektrik/Elektronik Architekturen, ihre formale Zuteilung zu Modellinhalten sowie die Unterstützung nebenläufiger und nachfolgender Aktivitäten der Fahrzeugentwicklung