Strukturen und Werkzeuge für eine durch das Anlagenpersonal modifizierbare und ergänzbare Petrinetzanlagensteuerung

Die Zielsetzung dieser Arbeit ist ein System, das den Rückgriff auf den Systementwickler für den Nutzer einer Fertigungsanlage auch bei Produktänderungen, Maschinenveränderungen und neu einzufügender automatischer Fehlerhandhabung möglichst weitgehend überflüssig macht. Das System soll auf die in der Praxis vorkommenden Fertigungsstrukturen anwendbar sein. Dazu gehören Fertigungsanjagen mit bzw. ohne Routing-Flexibilität, mit über beschränkte Puffer oder unmittelbar zwischen Maschinen realisiertem Werkstücktransport, mit mehreren Auftragstypen bzw. Produkt-Varianten, mit Montage- bzw. Demontageaktivitäten sowie mit fehlerbehafteten Abläufen. Aus der Anforderung der Umsetzung einfacher Spezifikationen in Petrinetze folgt die Zielsetzung der Abbildung des Wissens eines Petrinetzexperten in die Form eines (wissensbasierten) Programmes. Die grundsätzliche Realisierbarkeit eines solchen Programmes erscheint deshalb plausibel, weil ein Petrinetzexperte bei der Generierung eines Petrinetzes aus Spezifikationen der Fertigungsfachleute nach bestimmten Generierungsregeln vorgeht. Die Schwierigkeit ist, daß die von einem Petrinetzfachmann „benutzten“ Regeln und sonstigen Modelle zunächst nur implizit als Expertenwissen vorhanden sind. Eine Umsetzung in ein Programm erfordert die Ermittlung der Regeln in expliziter Form und eine Modellierung des nicht-regelbasierten deskriptiven Wissens sowie eine Strukturierung dieses Wissens sowie der Petrinetzmodellierung. D.h. zunächst muß gefragt werden, wie wir als Petrinetzexperten aus einer Spezifikation eines Facharbeiters oder Betriebsingenieurs ein Petrinetz generieren. Die Ergebnisse der hierzu durchgeführten Untersuchungen und das daraus entwickelte und implementierte Programmsystem sind Gegenstand von Kapitel 2, ebenso wie ein exemplarischer Fertigungsprozeß, eine Softwareduplizierzelle (Testzelle), die zur Verifizierung der Ansätze und zur Illustration der Einzelschritte in dieser Arbeit dient. Das in Kapitel 2 dargestellte Programmsystem generiert übersichtliche Petrinetze basierend auf einer Aufspaltung in eine vom Systemingenieur zu implementierende Anlagenbeschreibung und eine vom Facharbeiter vorgebbare Anlagennutzung. Es werden die auf der Ebene der Anlagenbeschreibung und der Ebene der Petrinetz-Anlagensteuerung notwendigen Informationen und geeigneten Basis-Strukturen erläutert. Darüberhinaus wird zur verbesserten Strukturierung und Steigerung der Übersichtlichkeit der Petrinetz-Anlagensteuerung in Kapitel 3 ein neu entwickeltes Verfahren zur automatischen Bildung hierarchischer Petrinetze erläutert. Scheduling-Algorithmen und Verklemmungsbehebungsverfahren für die generierten Petrinetze werden anschließend in Kapitel 4 beschrieben. Hier werden lokale Suchverfahren erläutert und mit einigen heuristischen Prioritätsregeln verglichen, die optimierte Schaltfolgen zur Überführung eines Petrinetzes von einer Anfangs- in eine Zielmarkierung ermitteln. Das in dieser Arbeit gewählte Optimierungskriterium ist der Makespan. Als Basis dienen Petrinetzmodelle, die für das Scheduling durch das Petrinetzgenerierungssystem ebenfalls automatisch erzeugt werden und sich von den Petrinetzen zur Steuerung im wesentlichen dadurch unterscheiden, daß die den Fertigungs- und Transportoperationen zugeordneten Ausführungszeiten im Petrinetz modelliert und somit die Rückmeldungen der unterlagerten Ebenen an die Petrinetzsteuerung (z.B. „Operation fertig“) durch die Zeitbewertungen ersetzt werden. Kapitel 5 faßt die Arbeit zusammen und bewertet die Ergebnisse

Entwurf eines Objektmodells für semistrukturierte Daten im Kontext von XML Content Management Systemen

Seit einigen Jahren werden zur Erstellung und Pflege umfangreicher Websites vornehmlich Content Management Systeme (CMS) eingesetzt. Die überwiegende Entwicklungsarbeit wurde bei diesen Systemen in immer mächtigere Templatesprachen und aufwändigere Benutzeroberflächen investiert. Aspekte, die das zugrunde liegende Datenmodell betreffen, wurden dabei allerdings vernachlässigt: zumeist wird mehr oder weniger direkt auf eine Datenbank zugegriffen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf einer auf die CMS-Aufgabenstellung ausgerichteten Architektur, deren Datenmodell zusammen mit einer darauf abgestimmten Templatesprache die Entwicklung neuer Webangebote effizienter und einfacher machen kann. Zunächst werden die Anforderungen an ein Datenmodell für CMS erarbeitet. Darauf basierend wird ein objektorientiertes Modell entwickelt und mittels einer formalen Semantikbeschreibung definiert. Das Modell unterstützt inhärent die typischen hierarchischen Strukturen von Websites. Vererbung ist durch Verwendung einer speziellen Form der Familienpolymorphie sowohl zwischen einzelnen Klassen als auch zwischen kompletten Webanwendungen möglich. Ein Entwickler kann große Teile von vorhandenem Code auf dem Wege der Vererbung wiederverwenden. Eine Zerlegung von Objekten in feingranulare Bestandteile ermöglicht eine weitere Reduzierung von Redundanzen bei der Modellierung. Als Bindeglied zwischen Daten und publizierten Dokumenten haben sich Templates bewährt. Eine Analyse der Anforderungen und vorhandenen Ansätze führt zu der Entscheidung für eine funktionale Templatesprache. Diese Templatesprache und die Beschreibung des objektorientierten Datenmodells werden zu einer einheitlichen Sprache integriert, die zudem durch die die Einbindung von XML die Ausgabe in unterschiedlichen Dokumentenformaten unterstützt.Design of an object model for semistructured data in context of XML content management systems For several years, mostly Content Management Systems (CMS) are used for the creation and maintenance of large web sites. Most of the development effort of these systems has been put in more sophisticated template languages und complex user interfaces. Aspects regarding the underlying data model have been neglected though: the database is accessed more or less directly in most cases. The goal of the present thesis is the design of an architecture which is attuned to the tasks of CMS, the data model of which together with a template language can make the development of new web sites more efficient and easier. At first, the requirements on a data model for CMS are compiled. Thereupon an object-oriented model is developed and defined by means of a formal semantic description. This model inherently supports the typical hierarchical structures of websites. Inheritance is possible between single classes as well as between entire web applications by utilizing a special kind of family polymorphism. A developer can re-use large parts of existing code through inheritance. Moreover, a decomposition of objects into fine-grained parts allows the reduction of redundancies in modelling. Templates have proved as the crucial link between data and published pages. An analysis of requirements and existing approaches leads to the decision for a functional template language. This template language and the description of the objekt-oriented data model are integrated into a uniform language which furthermore supports the output in different document formats by integrating XML

Analyse von OODBMS für die technische Modellierung

Im Rahmen des Projekts POWER (Product modelling in object-oriented Databases with efficient Methods for Retrieval) werden die Anforderungen an eine integrierte, umfassende Produktdatenmodellierung untersucht und richtungsweisende Konzepte für ganzheitliche, bereichsübergreifende Informationssysteme im CAD/CAM-Bereich entwickelt. Im Rahmen dieser Studienarbeit werden objektorientierte Datenbankmanagementsysteme (OODBMS) daraufhin untersucht, inwieweit sie für die technische Modellierung geeignet sind. Zunächst werden die Anforderungen an eine Produktmodellierung untersucht. Aufgrund der Komplexität technischer Objekte besteht die Notwendigkeit, Objekte nicht nur geometrisch zu modellieren, wie es bei herkömmlichen CAD-Systemen der Fall ist. Zusätzlich müssen die technischen Aspekte modelliert werden, wie z.B. Beziehungen und Funktionen zu anderen Objekten. Ein Lösungsansatz bietet das Konzept der technischen Modellierung, das hier vorgestellt wird. Anhand eines Szenarios aus dem Bereich der technischen Modellierung wird eine Baugruppe konkret modelliert, dabei ist das Szenario stellvertretend für technische Anwendungen anzusehen. Die Baugruppe umfaßt eine Metallscheibe mit einer durchgehenden, mittigen Bohrung und einen symmetrischen, konzentrischen Bohrkranz, sowie eine zugehörige Achse. Trotz der Einfachheit der Baugruppe existieren Beziehungen und Abhängigkeiten der Objekte untereinander. Für die Verwaltung der aus dem Produktmodell entstehenden komplexen Daten werden geeignete Datenbanksysteme benötigt. Im darauffolgenden Kapitel erfolgt eine Einführung in Datenbanksysteme (DBS). Vorgestellt werden die Konzepte von relationalen und objektorientierten DBS. Relationale Datenbanken haben sich im Verwaltungsbereich bewährt. Im technischen Bereich jedoch, wo es sich meist um komplexe Objkete handelt, reichen sie zur Beschreibung dieser nicht aus. Deshalb wird nun eine neue Generation von DBS – die objektorientierten DBS - untersucht. Sie sollen die Unzulänglichkeiten der relationalen DBS beheben. In Kapitel 4 werden die Anforderungen der technischen Modellierung an Datenbanksysteme anhand des Szenarios ermittelt. Die DBS sind u.A. auf Datenstrukturmöglichkeiten, Versions- und Variantenbildung, Darstellung von Beziehungen von Objekten, etc. zu untersuchen. Im Anschluß daran werden diese erarbeiteten Anforderungen in den beiden ausgewählten Datenbanken - Postgres und OBST - evaluiert. Das Ergebnis dieser Analyse ergibt die Bewertung der Eignung und Leistungsfähigkeit der beiden DBS für die technische Modellierung. Abschließend werden die beiden Datenbanken gegenübergestellt und Stärken und Schwächen der Systeme herausgestellt. Die Durchführung der Arbeit erfolgt an HP-Workstations der Serie 9000/700. Zur Verfügung standen die Versionen Postgres 4.01 und OBST 3-4

Lernen komplexer Aufgaben aus Demonstration und eigener Erfahrung

Heutige Industrieproduktionen wären nicht möglich ohne die Erfindung von Robotern, die effizient und präzise sich ständig wiederholende Aufgaben ausführen. Gleichzeitig stellt die industrielle Fertigung das bisher einzige Gebiet dar, in dem Roboter in großem Maßstab eingesetzt werden. Dabei gibt es auch in anderen Bereichen des Alltags Aufgaben, bei denen Roboter Menschen sinnvoll unterstützen können. Für die Entwicklung von Servicerobotern für diese neuen Einsatzgebiete ergeben sich eine Reihe von Herausforderungen. So ist etwa eine Programmierung, die ab Werk alle Ausprägungen der Aufgabe und Rahmenbedingungen berücksichtigt, nicht mehr praktikabel. In diesem Vortrag werden daher Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe Roboter die benötigten Fähigkeiten auf eine intuitive Art und Weise erlernen und sie bei Bedarf an neue Situationen anpassen und ergänzen können. Als Voraussetzung zum Erlernen von Aktionen wird zunächst ein Verfahren zur Segmentierung und Klassifizierung von Bewegungstrajektorien einerseits und zur Erzeugung generalisierter Bewegungen zwischen beliebigen Endpunkten andererseits vorgestellt. Durch den Einsatz einesiterativen Segmentierungs- und Klassifizierungsalgorithmus sowie eines gemeinsamen probabilistischen Aktionsmodells werden dabei systematische Segmentierungsfehler vermieden. Darauf aufbauend werden Lernverfahren vorgestellt, die Bestärkendes Lernen und Lernen aus Demonstrationen kombinieren, um Robotern das Lösen komplexer Aufgaben durch eine gezielte Kombination einfacher Fähigkeiten beizubringen. Dabei werden zunächst sequentielle Aufgaben betrachtet, bei denen die heterogene Zusammensetzung des Zustands- und Aktionsraumes sowie die variable Länge der zu lernenden Aktionssequenzen besondere Herausforderungen darstellen. Diesen begegnet der daraufhin vorgestellte Ansatz durch eine probabilistische Approximation der Nutzenfunktion über Zustands- und Aktionspaare mit einem speziell entwickelten, kombinierten Kernel. Diese Approximation liefert die Grundlage für eine Bayessche Explorationsstrategie, die auf der Optimierung der Erwarteten Veränderung basiert und ein effizientes Bestärkendes Lernen ermöglicht. Um eine bestmögliche Integration des Bestärkenden Lernens mit Expertenwissen aus Demonstrationen zu erreichen, wird ein mehrstufiges Entscheidungssystem genutzt, das in jeder Situation bestimmt, welches der beiden Lernmodule das geeignetere ist und so ein sicheres, aber gleichzeitig auch effizientes Lernen von Bewegungssequenzen ermöglicht. Um auch komplexe Aufgaben effizient lösen zu können, wird zu guter Letzt ein hierarchisches Lernverfahren vorgestellt, das durch Nutzung von Abstraktionsmöglichkeiten eine verbesserte Skalierbarkeit bietet. Dabei wird die MAXQ-Methode für hierarchisches Bestärkendes Lernen für die Nutzung in kontinuierlichen Zustandsräumen erweitert. Mittels einer Gauß-Prozess-Approximation der MAXQ-Zerlegung für jede Teilaufgabe werden dabei rekursiv probabilistische Schätzungen der Q-Werte entlang der Aufgabenhierarchie berechnet. Auf diese Weise kann das bereits erfolgreich zum Lernen von Aktionssequenzen eingesetzte Bayessche Explorationskriterium auch zum effizienten Lernen von MAXQ-Hierarchien angewandt werden.Darüber hinaus nutzt das Verfahren die hierarchische Aufgabenstruktur, um gezielt Demonstrationen nur für Aufgabenteile anfordern werden, in denen diese tatsächlich benötigt werden und somit unnötige redundante Demonstrationen zu vermeiden. Die vorgestellten Verfahrenwurden durch Experimente in einer simulierten Umgebung und auf einem humanoiden Roboter evaluiert

Wissensökonomie und die Entwicklung von Städtesystemen

Der wirtschaftliche Strukturwandel in Richtung Wissensökonomie und die Entwicklung eines spezifischen Städtesystems bilden einen engen Wirkungszusammenhang. Obwohl die Verzahnung beider Prozesse auf der Hand liegt, stellt sie die Raum- und Regionalforschung vor neue theoretische Herausforderungen. Die Klassiker der ökonomischen Regionalforschung, deren Überlegungen von der neuen Regionalökonomik wieder aufgegriffen worden sind, haben zwar die positiven ökonomischen Effekte einer räumlichen Ballung von mobilen Produktionsfaktoren theoretisch herausgearbeitet. Insbesondere machen sie auf die so genannten 'external economies' aufmerksam, die z.B. aus einem räumlich dichten Arbeitsmarkt oder aus einem erleichterten Austausch von Wissen und Informationen in räumlicher Nähe entstehen. In diesem Arbeitspapier wird deshalb ein neuer Anlauf genommen, die vorhandenen theoretischen Grundlagen für eine Analyse des von der Wissensökonomie getragenen neuen Interaktions- und Kommunikationssystems zwischen Städten weiterzuentwickeln. Zum Ersten konzentriert sich die Darstellung auf eine systematische Modellierung der funktionalen Differenzierungen der Wissensökonomie selbst, die keine Branche und kein Wirtschaftssektor ist, sondern sich im Rahmen einer funktionalen Arbeitsteilung quer zu den Branchen und über alle Branchen hinweg ausdifferenziert. Es werden insbesondere die in der Wissensökonomie bedeutenden Differenzen zwischen den Teilökonomien mit Transaktionsfunktionen, Transformationsfunktionen, High- Tech-Funktionen und den Funktionen der Informations- und Medienindustrie behandelt. Dabei stehen die jeweils spezifischen Formen der Wissensumwandlung und des Wissensaustausches im Mittelpunkt, weil diese Prozesse den Kern der Wissensökonomie ausmachen und damit auch die Reorganisation des räumlichen Beziehungssystems der Wissensökonomie bestimmen. Zum Zweiten werden die Konsequenzen dieses wirtschaftsstrukturellen Wandels für die Entwicklung des Städtesystems diskutiert und herausgearbeitet, welche Rolle die Städte als Standorte von Wissensclustern innerhalb des wissensökonomischen Systemzusammenhangs spielen. Die Autoren beziehen sich in dieser Darstellung auf bereits elaborierte Ansätze neuerer sozialwissenschaftlicher Systemtheorien. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Strukturen des von uns betrachteten Systems, seine Interaktions-, Kommunikations- und Organisationsstrukturen rekonstruieren, die Grenzen des Systems bestimmen sowie die Wirkungen von Umwelt-Einflüssen auf das Städtesystem modellieren. Schließlich werden drei theoretische Modelle zur Struktur von Städtesystemen unter einem systemtheoretischen Blickwinkel in Hinblick auf ihre Erklärungskraft für die strukturellen und räumlichen Besonderheiten des hier betrachteten Systems der Wissensökonomie bewertet. (ICD2

Ein Bedingungsmodell für Planungsprobleme in strukturierten Domänen

Computerunterstützte Beratungssysteme finden sowohl in der Industrie als auch im akademischen Bereich eine zunehmende Bedeutung. Die Anforderungen an solche Systeme sind hinsichtlich der abbildbaren Strukturen, der Flexibilität der Anfragen und der Vollständigkeit und Korrektheit der Antworten hoch. Dies gilt insbesondere für Planungsprobleme in strukturierten Domänen. Derartige Probleme treten beispielsweise bei der Erstellung von Tests auf der Grundlage einer Menge von Fragen und gewissen Anforderungen an den Test, bei der Konsistenzprüfung von Studienordnungen und bei der computerunterstützten Studienberatung auf. In der vorliegenden Arbeit wird ein Framework zur Behandlung eben genannter Probleme präsentiert. Die vorgestellte Lösung bietet durch den modellbasierten Ansatz und die entwickelte anwendungsnahe Modellierungssprache – gerade auch im Vergleich zu existierenden Ansätzen – einen sehr hohen Grad an Abstraktion, Allgemeingültigkeit, Ausdrucksstärke, Flexibilität und Integrierbarkeit. Im Rahmen des entwickelten Modells wird eine geeignete Verzahnung von strukturellen und constraintbasierten Aspekten erreicht. Der hierbei in Syntax und Semantik definierte Constraintbegriff kann darüber hinaus als Formalisierung und Verallgemeinerung von Pfadconstraints bzw. Pfadanfragen in hierarchischen Datenmodellen aufgefasst werden. Für die interne Repräsentation erweist sich ein logikbasierter Ansatz mit Constraints, nämlich Answer Set Programming mit Gewichten, als eine ausgezeichnete Methode bezüglich der Ausdrucksstärke, Mächtigkeit und Adäquatheit. Die Praxistauglichkeit des verfolgten Ansatzes im Hinblick auf Performanz und Skalierbarkeit wird in verschiedenen realen Anwendungsfällen demonstriert