Cooperative optimization of compartment air flows using agent-based measuring-, operation- and control-techniques within a Computational Steering environment

Die Planung eines Bauwerks im konstruktiven Ingenieurbau erfordert zur Vermeidung von Konstruktionsfehlern eine enge Kooperation zwischen den beteiligten Fachplanern. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Ansatz verfolgt, durch eine kooperative und interaktive Simulation von Entwurfs- und Konstruktionsvarianten der einzelnen Fachmodelle mit gleichzeitiger Visualisierung ihrer Zielfunktionswerte über einen gemeinsamen virtuellen Entwurfsraum eine gegenseitige Verständigung zu verbessern. Durch die schrittweise Modifizierung der einzelnen Fachmodelle, welche in einem IFC Produktmodell vorgehalten werden, ist die interaktive Optimierung des Modells möglich. Der virtuelle Entwurfsraum wird als Softwarelösung realisiert und koppelt Module zur dreidimensionalen Modellierung, Simulation und Visualisierung, welche für einen interaktiven Prozessablauf über automatisierte Schnittstellen verknüpft sind. Ein CAD-System wird zur Modellierung eingesetzt, ein CFD-Kern ermöglicht die Optimierung von Raumluftströmungen unter Berücksichtigung des Klimakomforts. Eine Multi-User-Umgebung erlaubt den vernetzten Zugriff der Fachplaner. Interaktive Elemente des Entwurfsraums wurden durch die Verwendung des Computational Steering Ansatzes unter Einbezug einer Virtual Reality Umgebung sowie einer Großrechenanlage realisiert. Das als Datenbasis eingesetzte IFC Produktmodell wird über einen automatisierten Modelltransfer in ein für den Simulationskern ein interpretierbares Berechnungsmodell abgeleitet, welches auch für die Strömungssimulation notwendige Randbedingungen beinhaltet. Der Software-Prototyp ermöglicht die Konzeption von HVAC-Systemen. Hierbei werden mess-, steuer- und regeltechnische Prozesse einer Klimaanlageninstallation emuliert und mit dem Entwurfsraum gekoppelt. Durch sensorisch erfasste Größen wie Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit wird die einströmende Luft aus den Klimamodulen dynamisch angepasst. Dies erfolgt durch den Einsatz von Software-Agenten.Functional Design of complex CAE objects in civil engineering requires a close co-operation of specialists in various disciplines. An automated computer-assisted system serving as a framework for this process would presuppose a consistent theoretical description of all partial models as part of an object and process oriented generalized theory about the interactions of all building components and processes. This thesis describes a heuristic strategy: A group of engineers from different disciplines come together in an interactive and virtual design space and evaluate in close cooperation the mutual implications of their specific design variants. In the course of a step-by-step modification of the partial models which are condensed into a single IFC product model, the interactive optimization of this model is potential. The virtual design space is developed as a software-prototype and is based on several linked modules for three-dimensional modeling, simulation and visualization with automated interfaces to allow an interactive process flow. The basis for the modeler is a CAD-system. A CFD-kernel allows the optimization of the airflow within a room with respect to the human wellness index. The virtual design space may externally be modified by additional engineers by utilizing a multi-user-environment. Interactive elements of the design space are introduced by utilizing a computational steering system, a virtual reality environment and a pc-cluster as compute server. The IFC product model as a data basis is transformed into an interpretable calculation model for the CFD simulation within an automated model transfer. The dynamical behavior of HVAC installations depending on the climatic conditions inside a room which is controlled by measuring-, operation- and control- techniques can be emulated by interactive software-agents, which are bidirectionally coupled with the simulation kernel and wrap the HVAC objects of the modeler

Entwurf und Realisierung von komplexen intelligenten Steuerungssystemen

Summary of the Dissertation Subject: "Design and implementation of complex and intelligent control systems" presented by: Dipl.-Ing. Hartmut Wächter Since decentralized event- or objectoriented automation technology could be rarely found in the first half of the 90s, a way to implement complex intelligent automation systems as it was approached especially by "Wächter Engineering Consultants" is presented in this work. The automation system, MKS16 (modular communicative control with 16-bit ?C) designed by the author with the GRIPS design system (graphic interactive planning system) is a solution which is superior in the modular variety of many PLC systems and is ideally suitable for field bus systems and remote control technology. The software solution GRIPS is a very simple design system for process technologists. It comprises intelligent functions such as fuzzy logic and neural networks and allows the crea- tion of new special functions for further developments and project adaptation. Extensive functions can be integrated in projects as C-constructs. The field bus comparison highlights the particular suitability of the LON (local operating net- work) for distributed intelligent systems with project orientation through the standardization of layer 7 of the ISO/OSI layer model. The LONWORKS? technology as well as the MKS16 system are very good for combining devices with totally different tasks, construction and scope of functions. Based on the observations of the Ethernet with TCP/IP, project compatibility and wireless automation systems, some applications implemented with the MKS16 system and LON- WORKS are described. The main emphasis of these projects are remote control solutions with low-cost visualizations (E-control) and intelligent distributed controls with fuzzy logic for environment-technical, biomechatronic devices and systems. In the last demo project a com- plex, inter-trade, house-technical implementation for a school sports hall is illustrated, which represents a successful solution in the combination of a locking system with lighting and heat- ing systems for energy saving. The technical basis is made up of LONWORKS and a visualiza- tion for Facility Management.Da Automatisierungstechnik mit dezentralen ereignisgesteuerten Funktionsprinzipien und Objektorientierung in der ersten Hälfte der 90er Jahre selten zu finden war, stellt die vorliegende Arbeit einen Weg zur Realisierung komplexer intelligenter Automatisierungssysteme vor, wie er speziell im Ingenieurbüro Wächter gegangen wurde. Das vom Autor konzipierte Automatisierungssystem MKS16 (Modulare Kommunikative Steuerung mit 16-Bit-?C) mit dem Entwurfssystem GRIPS (Grafisches interaktives Projektiersystem) ist eine Lösung, die sich in der modularen Vielfalt von vielen SPS-Systemen abhebt und auch für Feldbussysteme und Fernwirktechnik bestens geeignet ist. Die Softwarelösung GRIPS ist ein sehr einfaches Entwurfssystem für Prozesstechnologen. Es beinhaltet bereits intelligente Funktionen wie Fuzzy-Logic und Neuronale Netze, ermöglicht aber auch die Kreation von neuen speziellen Funktionen für die kontinuierliche Weiterentwicklung und Projektanpassung. Man kann auch beliebige C-Konstrukte als umfangreichere Funktionen in Projekte einfügen. Der Feldbusvergleich stellt die besondere Eignung des LON (local operating network) für dezentrale intelligente Systeme mit Projektorientierung durch die Normung der Schicht 7 des ISO/OSI-Schichtenmodells heraus. Die LONWORKS?-Technologie eignet sich genau wie das MKS16-System besonders gut zum Zusammenführen von Geräten mit völlig unterschiedlichen Aufgaben, Ausstattungen und Funktionsumfang. Nach einigen Betrachtungen zu Ethernet mit TCP/IP, Projektkompatibilität und kabellosen Automatisierungssystemen werden einige realisierte Anwendungen mit dem MKS16-System und LONWORKS beschrieben. Schwerpunkte dieser Projekte sind Fernwirklösungen mit preisgünstigen Visualisierungen (E-Control) und intelligente dezentrale Steuerungen mit Fuzzy- Logik für umwelttechnische biomechatronische Geräte und Anlagen. Im letzten Beispielprojekt ist eine komplexe, gewerkeübergreifende, haustechnische Realisierung für eine Schulsporthalle aufgezeigt, die eine gelungene Lösung in der Kombination von einem Schließsystem mit Beleuchtungs- und Heizungsanlagen zur Energieeinsparung darstellt. Die technische Basis bildet LONWORKS und eine Visualisierung für Fassility-Management