Anwendungsmöglichkeiten neuartiger EDV-gestützter Erkennungsmethoden zur Identifizierung gefährlicher Betriebszustände in Chemieanlagen (I)

Das Vorhaben erbrachte einen Beitrag zur operatorunabhängigen Beurteilung des Prozeß- und Anlagenzustandes chemischer Reaktoren, insbesondere zur Identifizierung gefährlicher Betriebszustände bei der diskontinuierlichen Fahrweise exothermer Reaktionen. Die Eignung von Mustererkennungsmethoden zur Prozeßdiagnose wurde am Beispiel eines chemischen Laborreaktors für einen stark exothermen Referenzprozeß - säurekatalysierte Veresterung von Essigsäureanhydrid mit Methanol - untersucht. Vor ihrer Anwendung als Zustandsklassifikator mußten die Mustererkennungssysteme zunächst mit den Prozeßdaten des normalen und gestörter Reaktionsverläufe unter Zuhilfenahme von Expertenwissen trainiert werden, um das komplexe nichtlineare Prozeßverhalten bis hin zum Entscheidungsresultat abzubilden. Danach konnte der trainierte Klassifikator zur Prozeßdiagnose genutzt werden. Die besten Ergebnisse bei der Erkennung von Betriebszuständen in Semibatch-Prozessen wurden mit dreischichtigen Perceptron-Netzen erreicht. Sie konnten auch Mehrfachfehler und nichttrainierte Reaktionsverläufe klassifizieren. Um das Gefährdungspotential von fehlerhaften Betriebszuständen beurteilen zu können, wurden separate Perceptron-Netze für die Gefahren- und Fehlerklassifikation eingesetzt. Ihre Leistungsfähigkeit wurde sowohl für den Semibatch-Betrieb als auch für die kontinuierliche Fahrweise experimentell nachgewiesen

Innovationspotentiale in der rechnerintegrierten Produktion durch wissensbasierte Systeme

Die Realisierung einer Rechnergeführten Fabrik unter dem Schlagwort CIM ist eine der größten Herausforderungen für die industrielle Produktionstechnik. Komplexe Informations- und Automatisierungssysteme steuern und überwachen die Fabrik der Zukunft. Doch die konventionelle Informations- und Datenverarbeitung erreicht ihre Grenzen dort, wo Wissen und Erfahrung zur Problemlösung im Vordergrund steht, und wo komplexe, unstrukturierte und nicht algorithmierbare Zusammenhänge angetroffen werden. Hier eröffnen die Methoden der Künstlichen Intelligenz und Wissensverarbeitung vielfältig neue Möglichkeiten. Unter diesen Randbedingungen will die vorliegende Arbeit Innovationspotentiale in der Rechnerintegrierten Produktion durch den Einsatz wissensbasierter Systeme erschließen. Dazu werden eingangs die grundsätzlichen Methoden und Hilfsmittel der Wissensverarbeitung erläutert. Diese Ausführungen erstrecken sich auf den Wissensbegriff selbst, auf die Methoden zur Wissensrepräsentation, Manipulation und auch Akquisition. Eine grobe Klassifizierung der Softwarehilfsmittel in Programmiersprachen und Werkzeugsysteme schließt sich an. Das nächste Kapitel beschäftigt sich mit dem Einsatz wissensbasierter Systeme in der Produktion allgemein. Erfolgreiche Systeme und interessante Prototypen aus den Anwendungsgebieten Diagnose, Arbeitsplanung, Konstruktion und Simulation werden vorgestellt. Die Wissensverarbeitung erfordert eine neue Qualifikation an Engineeringleistung. Die Aufgaben eines Wissensingenieurs werden im Zusammenhang mit dem Entwicklungsprozeß von wissensbasierten Systemen erläutert. Im anschließenden Kapitel wird ein wissensbasiertes Rahmensystem (WWS) für die Lösung von Planungs- und Konfigurationsaufgaben vorgestellt. Es besteht aus Komponenten für den Dialog, für die Wissensrepräsentation, für die Problemlösung und für den Wissenserwerb. Ein ereignisorientiertes Simulationssystem ist in die Problemlösungskomponente voll integriert. Mit Hilfe dieser logischen und programmtechnischen Integration von Konfigurations- und Simulationswerkzeugen ist es erstmals gelungen, völlig neue Möglichkeiten der Optimierung von Planungstätigkeiten in einem ganzheitlichen und wissensbasierten Ansatz zu erschließen. Innerhalb der industriellen Produktion gilt die Montagetechnik als weitgehend unerschlossenes Rationalisierungspotential. Als exemplarische Anwendung des wissensbasierten Werkzeugsystems (WWS) wurde das Expertensystem MOPLAN zur Planung von Montageanlagen implementiert. Als einziges System seiner Art ist es hardware- und softwareseitig voll in ein CIM-Konzept für die Montage integriert und kommuniziert mit einem dreidimensionalen Modellierer (ROMULUS). Damit steht der Montageplanung erstmals ein rechnergestütztes Werkzeug zur Verfügung, das für einen Großteil der Aufgaben bei der Grobplanung eingesetzt werden kann. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit alternativen Einsatzmöglichkeiten für das wissensbasierte Werkzeugsystem WWS. Hier ist in erster Linie die Planung von produktionstechnischen Anlagen im allgemeinen und die Planung von Flexiblen Fertigungssystemen im speziellen zu nennen. Aber auch zur Planung von Fertigungsabläufen und Fertigungsaufträgen kann das Werkzeug eingesetzt werden. Für die implizite offline-Programmierung von Industrierobotern wird hierzu ein Beispiel gegeben. Die vorliegende Arbeit zeigt das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten wissensbasierter Systeme in einer Rechnerintegrierten Produktion auf. Angefangen bei der Konstruktion, über die Fertigungsplanung und -steuerung, bis hin zur Diagnose können mit Hilfe von wissensbasierten Konzepten vielfältige Innovationspotentiale erschlossen werden. Es wird deutlich, daß die Wissensverarbeitung eine wesentliche Komponente in der Fabrik der Zukunft darstellt. Mit dem Rahmensystem WWS und dem Expertensystem MOPLAN ist es gelungen, breit einsetzbare Werkzeuge als Basis für viele weiterführende Arbeiten im Bereich der Planung und Konfiguration zu schaffen. Damit wird auch ein Beitrag dazu geleistet, die Wissensverarbeitung in Forschung und Lehre zu etablieren.The realization of a computer-controlled factory under the catchphrase CIM is one of the greatest challenges for industrial production technology. Complex information and automation systems control and monitor the factory of the future. But conventional information and data processing reaches its limits where knowledge and experience are the focus of problem-solving and where complex, unstructured and non-algorithmic relationships are encountered. The methods of artificial intelligence and knowledge processing open up a variety of new possibilities here. Under these boundary conditions, the present work aims to develop innovation potential in computer-integrated production through the use of knowledge-based systems. To this end, the basic methods and tools of knowledge processing are explained. These explanations extend to the concept of knowledge itself, to the methods for representing knowledge, manipulation and also acquisition. This is followed by a rough classification of software tools in programming languages and tool systems. The next chapter deals with the use of knowledge-based systems in production in general. Successful systems and interesting prototypes from the fields of diagnosis, work planning, construction and simulation are presented. Knowledge processing requires a new qualification in engineering performance. The tasks of a knowledge engineer are explained in connection with the development process of knowledge-based systems. In the following chapter, a knowledge-based framework system (WWS) for the solution of planning and configuration tasks is presented. It consists of components for dialogue, for representing knowledge, for solving problems and for acquiring knowledge. An event-oriented simulation system is fully integrated in the problem-solving component. With the help of this logical and technical integration of configuration and simulation tools, it was possible for the first time to open up completely new possibilities for optimizing planning activities in a holistic and knowledge-based approach. In industrial production, assembly technology is considered a largely untapped rationalization potential. The MOPLAN expert system for planning assembly systems was implemented as an exemplary application of the knowledge-based tool system (WWS). As the only system of its kind, it is fully integrated in terms of hardware and software into a CIM concept for assembly and communicates with a three-dimensional modeller (ROMULUS). For the first time, assembly planning now has a computer-aided tool that can be used for a large part of the rough planning tasks. The last chapter deals with alternative uses for the knowledge-based tool system WWS. The planning of production engineering systems in general and the planning of flexible manufacturing systems in particular should be mentioned here. The tool can also be used to plan production processes and production orders. An example is given for the implicit offline programming of industrial robots. The present work shows the spectrum of possible uses of knowledge-based systems in computer-integrated production. Starting with the construction, through the production planning and control, up to the diagnosis, knowledge-based concepts can be used to open up a wide range of innovation potential. It becomes clear that knowledge processing is an essential component in the factory of the future. With the WWS frame system and the MOPLAN expert system, it has been possible to create widely applicable tools as the basis for many further work in the area of planning and configuration. This also makes a contribution to establishing knowledge processing in research and teaching

Transiente Prozesse beim Laserstrahlschweißen

Ziel der Arbeit war es, die Wirkzusammenhänge zu verstehen, die am Anfang und Ende eines Laserstrahlschweißprozesses, bei der Bearbeitung von Konturelementen, aber auch während quasistationärer Phasen zu Schweißnahtfehlern fuhren. Die Kenntnis der für diese Fehler verantwortlichen transienten Prozesse war die Voraussetzung für die Entwicklung verbesserter Prozeßführungsstrategien zur Optimierung der Bearbeitungsergebnisse. Grundsätzlich wurden zwei verschiedene Formen transienter Prozesse beim Laserstrahlschweißen unterschieden. Extrinsisch transiente Prozesse treten auf, wenn sich während der Bearbeitung Einflußparameter ändern. Intrinsisch transiente Prozesse werden durch die inhärente Eigendynamik des Laserstrahlschweißprozesses ausgelöst und während des gesamten Schweißprozesses beobachtet. Die Korrelation von Bearbeitungsparametern, Prozeßemissionen und Bearbeitungsergebnis in Verbindung mit FEM-Simulationen der thermomechanischen Vorgänge beim Laserstrahlschweißen ermöglichte die Identifizierung der Ursachen von Bearbeitungsfehlem durch extrinsisch transiente Prozesse. So konnten Prozeßführungsstrategien entwickelt werden, mit denen diese Bearbeitungsfehler weitgehend vermieden werden. Intrinsisch transiente Prozesse wurden erstmals mit Verfahren behandelt, die auf den Grundlagen der Theorie nichtlinear dynamischer Systeme beruhen. Beispielsweise konnten durch eine resonante Anregung des Schweißprozesses Prozeßfluktuationen minimiert und das Bearbeitungsergebnis deutlich verbessert werden.The aim of the thesis was the understanding of the transient processes that lead to welding failures at the beginning and end of the laser beam welding process, during the machining of contour elements or even during quasi stationary phases. This was the basis for the development of improved processing strategies that lead to optimized machining results. Basically two different kinds of transient processes have been separated. Extrinsic transient processes occur, if processing parameters change during the machining. Intrinsic transient are caused by the inherent dynamics of the welding process itself and can be observed during the whole welding process. An identification of the reasons for machining failures caused by extrinsic transient processes was possible by means of a correlation between the machining parameters, process emissions and the machining result in combination with FEM simulations of the thermo-mechanical processes during laser beam welding. So it was possible to develop machining strategies to avoid these machining failures. To characterize and to deal with intrinsic transient processes new methods have been introduced, that base on the theory of nonlinear dynamic systems. For example it was possible to minimize process fluctuations by means of a resonant stimulation of the welding process, so that machining results were improved considerably

Belastung und Beanspruchung von Fluglotsen

Ein Fazit der Belastungs- und Beanspruchungsforschung (Rohmert, 1984; Schönpflug, 1987; Oesterreich & Volpert, 1999) ist das auch heute noch als unbefriedigend zu bezeichnende Ergebnis bisheriger Erhebungen zur subjektiven Belastung und Beanspruchung. Dies wird auf methodische und theoretische Defizite der Erhebungsinstrumente zurückgeführt. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Klärung dieser Defizite hinsichtlich subjektiver Arbeitsanalyseverfahren, die die wahrgenommene Arbeitsbelastung erfassen. 63 Arbeitsanalyseverfahren wurden bezüglich ihrer Besonderheiten zusammengefaßt und klassifiziert. Die Erhebungsinstrumente SynBA-GA (Synthetische Beanspruchungsanalyse, Wieland-Eckelmann et al., 1996 a) und BEBA (Belastungsanalysehilfe für Bildschirmarbeit, Pohlandt et al., 1996 a) wurden an über 650 Fluglotsen untersucht und mit dem etablierten Verfahren SAA (Fragebogen zur subjektiven Arbeitsanalyse, Udris & Alioth, 1980) verglichen. Ihre Ergebnisse zeigen, daß sie insgesamt die Fluglotsenarbeitsplätze mit einer guten Validität erfassen. Hingegen erreichte die Reliablität nicht den üblichen Standard bei der Untersuchung der Flugsicherung. Bei allen Verfahren wich die interne Konsistenz (Cronbach´s alpha) deutlich von früheren Untersuchungsergebnissen der Autoren ab. Dies wird auf die im Vergleich zu Industrie- und Büroarbeitsplätzen sehr unterschiedliche Fluglotsentätigkeit zurückgeführt. Auffallend ist ferner, daß die drei Verfahren unterschiedliche Aspekte der Belas-tung erheben und nur geringfügige Überschneidungsbereiche aufweisen. Für den Arbeitsbereich Flughafen und Luftverkehr wird empfohlen, die Verfahren in entsprechenden Bereichen zu überarbeiten.Ein weiterer wichtiger Ertrag der Arbeit sind die Ergebnisse dieser Arbeitsanalyseverfahren bei Fluglotsenarbeitsplätzen. Es zeigte sich, daß die Fluglotsen im Tower etwas stärker belastet waren als die der Radararbeitsplätze. Von den Radarlotsen waren speziell diejenigen, die für den oberen Luftraum verantwortlich sind (UAC), geringer belastet als ihre Kollegen mit unterer (APP) und mittleren Luftraumverantwortlichkeit (ACC). Weiterhin wurden an allen Arbeitsplatztypen schlechte Arbeitsbedingungen durch die technische Ausstattung festgestellt. Beim Betriebs- und Organisationsklima wurden betriebliche Leistungen, Organisation und Kollegenverhalten besonders positiv, Information und Mitsprache sowie Interessenvertretung hingegen negativ eingeschätzt.Although work stress research proceeded well during the last decades (Rohmert, 1984; Schönpflug, 1987; Oesterreich & Volpert, 1999), some aspects are not clarified satisfactory. Due to methodological as well as theoretical problems, especially self-report instruments obtaining the perception of work tasks and the resulting subjective stress need improvement. The thesis at hand contributes new methodological and theoretical evidence.63 task analyses instruments were summarised. Two of them, the SynBA-GA (Synthetische Beanspruchungsanalyse, Wieland-Eckelmann et al., 1996 a) and BEBA (Belastungsanalysehilfe für Bildschirmarbeit, Pohlandt et al., 1996 a) were conducted with over 650 German air traffic controllers (ATCOs). Moreover, they filled in the SAA (Fragebogen zur subjektiven Arbeitsanalyse, Udris & Alioth, 1980), which is well established and served for validation. All instruments modelled the ATCO task with good validity. However, reliability did not meet the usual standard in the investigation of air traffic controlling. The internal consistency (Cronbach´s alpha) of all instruments was significantly smaller than reported by the authors for other personnel. Certainly, the ATCO work is very different from previously investigated tasks, which most probably can explain part of the decreased reliability. However, the investigation also revealed that the three instruments obtained different aspects of stress and therefore are not concurrent. For this reason, the development of a specific instrument in air traffic management (ATM) is recommended. An important contribution of the thesis to ATM is the fact that tower work tended to be more stressful than radar work. Within the radar ATCOs, those of the upper air space (upper air control, UAC) described their work as less stressful than their colleagues in approach (APP) and area centre control (ACC). However, all ATCOs reported bad ergonomics and poor technical support. Especially, the management was criticised with respect to information policy and for not involving the operational staff in management decisions. In contrast, the co-operation with colleagues, work climate, wages, and social contributions were appreciated