Wissensbasierte Überprüfung mikrotechnologischer Fertigungsabläufe

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein wissensbasiertes System zur Konsistenzprüfung von mikrotechnischen Fertigungsabläufen. Die Inhalte führen von einer allgemeinen Betrachtung des Entwurfs in der Mikrotechnik und der noch benötigten Unterstützung im fertigungsgerechten Entwurf hin zur Vorstellung und Implementierung eines geeigneten Lösungskonzepts. Des Weiteren sind die Einbindung in eine bestehende Konstruktionsumgebung sowie die Verdeutlichung des Entwurfsvorgehens durch Beispiele Gegenstand der Ausarbeitung. Der Entwurfsprozess in der Mikrotechnik verlangt im Gegensatz zu den verwandten Domänen der Mikroelektronik und Mechatronik eine wesentlich stärkere Betonung der Fertigungsgerechtheit. Dies ist bedingt durch die Vielfalt einsetzbarer Fertigungsmethoden, die in der Regel nur sehr eingeschränkt zueinander kompatibel sind und zudem meist nur begrenzte Möglichkeiten zur Materialbearbeitung bieten. Aufgrund mangelnder Entwurfsunterstützung ist der Entwickler auf fundierte technologische Erfahrung angewiesen. Eine zeit- und kostenaufwändige iterative Optimierung des Bauteildesigns in Entwurf und Fertigung ist daher häufig die Regel. Entwurfswerkzeuge müssen diesen besonderen Anforderungen der Mikrotechnik gerecht werden. Bei den bisherigen Bemühungen, diesen Aspekt des Entwurfs mikrotechnischer Bauteile stärker zu berücksichtigen, lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Herstellbarkeit konkreter Mikrostrukturen mit einzelnen Fertigungstechnologien. Hinsichtlich der technologischen Wechselwirkungen innerhalb der Fertigung wird in Analogie zur Mikroelektronik versucht, diese Probleme durch die Standardisierung von Fertigungsprozessen, kompatiblen Prozessfolgen und Komponenten zu umgehen. Die hierbei notwendige Festlegung auf bestimmte Technologien und deren Einstellungen führt jedoch zu einer Einschränkung der Lösungsmöglichkeiten. Der Entwurf domänenübergreifender Anwendungen, die z.B. elektromechanische, fluidische, optische oder andere Funktionselemente beinhalten, ist auf diese Weise bislang nicht möglich. Nur wenige Werkzeuge versuchen dagegen, eine Untersuchung der Wechselwirkungen von Technologien direkt in den Entwurf einzubeziehen, indem Inkonsistenzen in Fertigungsabläufen automatisiert erkannt werden. Die derzeit bestehende Unterstützung auf diesem Gebiet ist allerdings noch sehr elementar. Das in dieser Arbeit entwickelte Werkzeug RUMTOPF nutzt den aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz stammenden Ansatz der regelbasierten Systeme, um diese Problemstellung des mikrotechnischen Entwurfs zu adressieren. Die Philosophie des Gesamtsystems liegt darin, seitens des Anwenders möglichst wenig technologisches Expertenwissen vorauszusetzen. Das zur Definition und Prüfung einer Fertigungsprozessfolge benötigte Wissen kann in im Netzwerk verfügbaren Wissensbasen bereitgestellt werden. Da die Strukturierung dieser Basen entscheidenden Einfluss auf die Flexibilität und Erweiterbarkeit des Gesamtsystems hat, wurden angepasste objektorientierte Datenmodelle zur Wissensrepräsentation von Technologien, Fertigungsabläufen und Kompatibilitätsbeziehungen entwickelt und implementiert. Den gleichen Stellenwert haben geeignete Anwenderschnittstellen, die zum einen zum Erwerb zusätzlichen Wissens und zur Information des Anwenders dienen, zum anderen die Nutzung dieses Wissens zur Konsistenzprüfung von Fertigungsabläufen ermöglichen. Dem Anwender wird daher u.a. eine graphische Oberfläche geboten, mit der Prozessfolgen einfach aus dem vorhandenen Technologiewissen konfigurierbar sind. Die schrittweisen Änderungen des zu fertigenden Mikrobauteils werden für jeden Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung visualisiert. Mit technologie-orientierten Regeln kann die definierte Prozessfolge auf mögliche Wechselwirkungen der eingesetzten Prozessierung geprüft werden. Hierzu wird die Diagnosekomponente des Werkzeugs genutzt, welche mit dem Anwender zur Meldung und Erklärung gefundener Mängel kommuniziert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Möglichkeiten zur Formulierung von komplexen, möglichst allgemeingültigen Zusammenhängen gelegt, um die Inkompatibilitäten der Fertigung flexibel und kontextbezogen beschreiben zu können. Eine entsprechende Regelbeschreibungssprache wurde entwickelt. Für die Verwendung der erstellten und geprüften Prozessplänen in der Praxis wird die Möglichkeit zum Ausdruck gegeben. Ein generelles Defizit der Entwurfsunterstützung in der Mikrotechnik ist die mangelnde Integration der vorhandenen Werkzeuge. Sie stellen in sich Insellösungen dar, die lediglich einen konkreten Bereich des fertigungsgerechten Entwurfs abdecken können. Zusätzlich zur Prüfung der technologischen Wechselwirkungen ist die Fertigbarkeit der geometrischen Zielvorgaben durch den jeweiligen Fertigungsprozess zu untersuchen. In diesem Bereich ist bereits umfangreiche Entwurfsunterstützung vorhanden, sodass eine Integration der vorgestellten Anwendung mit technologiebezogenen Werkzeugen vollzogen werden kann. Das Vorgehen wurde am Beispiel des am Institut für Mikrotechnik entwickelten Ätzsimulationsprogramms SUZANA aufgezeigt. Abschließende Beispiele zur Herstellung einer planaren Mikrospule und eines 3D-Beschleunigungssensors zeigen die Möglichkeiten und eine generelle Vorgehensweise bei der Nutzung des Werkzeuges. In der Praxis wird ein paralleler Entwurf von Mikrobauteil und Fertigungsablauf angestrebt. Funktionale und somit geometrische Aspekte müssen bezüglich ihrer Herstellbarkeit mit einzelnen Technologien sowie im Rahmen der Gesamtfertigung untersucht werden. Dieses iterative Vorgehen, das bislang häufig erst in der Herstellung stattgefunden hat, kann somit in den eigentlichen Entwurfsprozess eingebunden und somit der fertigungsgerechte Entwurf in der Mikrotechnik umfassend unterstützt werden

Wissensbasierte Prozesskonfiguration im Bauwesen

Das Ziel der Prozesskonfiguration besteht darin, typische Bauprozesse wie Planungsprozesse, Ausführungsprozesse, Steuerungs- und Entscheidungsprozesse zu unterstützen. Infolgedessen bilden die Prozesse und der Einsatz von Prozessmodellen für verschiedene Aufgabenbereiche im Bauwesen die Grundlage für die computerunterstützte Bearbeitung von Bauvorhaben. Die Bauprozessmodelle werden meistens in einer semi-formalen Sprache dargestellt. Das erlaubt die weitere Formalisierung zum Zweck der intelligenten Konfiguration der Prozesse. Das bedeutet, dass die Prozesse auf Basis des formal beschriebenen Prozesswissens konfiguriert, zusammengestellt und instanziiert werden können. Solche Prozesse sind besonders aktuell im Bereich des Risikomanagements, das in den letzten Jahren im Bauwesen an Bedeutung gewonnen hat. Die Prozesse sollen bei der Suche nach einem alternativen Ablauf im Fall einer Prozessstörung ad-hoc konfiguriert und zur Verfügung gestellt werden. Dies kann semi-automatisch mit Einsatz wissensbasierter Methoden realisiert werden. Die Prozesse im Bauwesen bergen diverse spezielle Eigenschaften in sich, die die Problematik der typischen Konfigurationsvorgehensweise sichtbar werden lassen. Wesentliche Merkmale der Bauprozesse sind der durchgängige Informationsfluss und der hohe Kommunikationsbedarf zwischen allen Beteiligten im Bauprojekt. Das impliziert Anforderungen an eine effektive Interoperabilität innerhalb des Bauprojekts. In einem signifikant großen Projekt wie beispielsweise dem Flughafenbau, bei dem sich die Baustelle auf tausenden Hektar Fläche erstreckt und mehrere Dutzende Baufirmen involviert sind, die über unterschiedliche Software und Baudatenmodelle und Standards verfügen, ist die Koordination sowie ein effektiver Informationsaustausch und als Folge die Prozesskonfiguration gravierend erschwert. Dementsprechend spielt die Anwendung einer übergeordneten Struktur, die die Heterogenität der verteilten Umgebung einkapselt, eine bedeutende Rolle. Des Weiteren bringt ein ontologiebasierter Ansatz wesentliche Vorteile bei der Betrachtung der existierenden Problematik. Ontologie ist eine explizite, formale Spezifikation einer gemeinsamen Konzeptualisierung (Gruber 1993). Darunter kann eine konzeptuelle Formalisierung von Wissensbereichen und Begriffssystemen verstanden werden. Mittels Ontologie kann Wissen verteilt werden, was eine verbesserte Interoperabilität in komplexen Systemen mit vielen heterogenen Ressourcen, wie beispielsweise Bauwesensystemen, gewährleistet. Anwendungsbereiche der Ontologie sind Kommunikation und Repräsentation sowie Wiederverwendung von Wissen. Die Ontologie wird in der Regel in Form einer Taxonomie dargestellt. Solche Konstrukte ermöglichen es, Struktur in ein heterogenes Umfeld zu bringen. So kann eine allgemeine bereichsübergreifende Ontologie, eine Top-Level Ontology, eine übergeordnete Baustruktur gut abbilden. Potenziell ermöglicht eine Ontologie die Analyse des Domänenwissens auf semantischer Basis, wie Schlussfolgerung, Konsistenzprüfung und gezielte Suche. Die Flexibilität bei der Konfiguration wird durch die regelbasierte Anwendung unterstützt. Darüber hinaus können intelligente Lösungen durch Anwendung verschiedener Baustrategien, die den Prozessablauf optimieren, erzielt werden. Die Prozesse, Ontologien und Regeln können verschiedene Arten von Wissen abbilden und als Kombination eine effiziente, wissensbasierte Prozesskonfiguration ermöglichen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Schließen der Prozesskonfigurationslücke, in dem eine Kombination aus Prozessen, Prozesskonfiguration, Ontologien und Regeln präsentiert wird. Dabei zählt zu den wichtigsten Beiträgen der Arbeit, Interoperabilität innerhalb des Bauprojekts voran zu bringen, eine unternehmensübergreifende, übergeordnete ontologische Struktur für die effektive Zusammenarbeit in den verteilten Bauumgebungen zu erarbeiten und eine intelligente Prozesskonfiguration und -rekonfiguration zu gewährleisten