Intelligentes Führungskonzept für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug in Sondersituationen

AbstractThis thesis introduces a complete and new concept for the control of an AUV in special situations. Such a special situation occurs when an Object detected during the mission is tangential to the proposed route; in such a situation the possible actions are identification or evasion of the object. The design of the concept had to take into account a number of practical requirements (Safety, Robustness, Computation time and Optimality of the solution), for the processes and algorithms; these requirements had to be met within the hardware and software specifications and operational constraints of the AUV system. Such specifications include non-holonome, delayed motion behaviour of the AUV, the available environmental sensors, the vehicle’s software architecture, development and communication software. The operational constraints of a AUV may be characterised by manoeuvres in three dimensional space in adverse conditions with strong water currents, bad (sonar) visibility and high water pressure; taking into account safety distances to the seafloor and geographical obstacles, manmade constructions and debris.The concept developed is of modular construction and includes components for collision detection, goal generation, collision avoidance, vehicle guidance for identification tasks and general vehicle control. A two phase concept was used for the collision detection; this allows a rapid collision verification through the use of simple collision tests which leads to a pre-selection of possible collision candidates. The collision avoidance system, developed during the course of the research, has a hybrid structure, whereby reactive (Reactive Control) and planning (Route planning) components work in parallel. The reactive control takes over the vehicle guidance to avoid the collision, concurrently the route planning generates a route which will avoid the obstacle and return the vehicle back on to its original path. Once a route has been calculated the planning function takes over from the reactive control to execute the planned route.The new reactive control component contains a newly developed and original process for construction of gradient lines that combines the advantages of Harmonic Dipole Potentials process with the requirements of a path-optimal control which takes into account the non-holonome, delayed motion behaviour of the vehicle. Due to the demands of the online generation of a route whilst guaranteeing the real-time behaviour of the control system as a whole, graph based techniques for route planning were investigated in the course of the research. These techniques allow an optimal path according to defined input to be calculated within a predictable time. Two newly developed techniques for geometrical graph generation from a configuration space with elliptic-cylindrical objects and an algorithm for calculating the energy requirements (inclusive of water-current data) are described in detail. Even though the guidance concept presented in this thesis was developed for an autonomous underwater vehicle (AUV), the concept or parts of the concept are equally applicable to land based or aerial mobile autonomous systems.ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit stellt ein vollständiges und neues Konzept zur Fahrzeugführung in Sondersituationen für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug vor. Eine Sondersituation ist dann gegeben, wenn während einer Mission Objekte den abzufahrenden Routenplan tangieren. Die möglichen Handlungen bestehen im Ausweichen oder in der Identifikation dieser Objekte. Bei der Erstellung des Konzeptes gab es eine Reihe praxisrelevanter Anforderungen (Sicherheit, Robustheit, Rechenzeit, Optimalität) an die zu entwickelnden Verfahren und Algorithmen, die unter den hard- und softwaretechnischen Vorgaben und Arbeitsbedingungen einzuhalten waren. Solche Vorgaben umfassen das nichtholonome, verzögerte Bewegungsverhalten des Unterwasserfahrzeuges, die Sensorik zur Bestimmung der Umwelt, die im Fahrzeug eingesetzte Rechentechnik sowie die zu verwendende Entwicklungs- und Kommunikationssoftware. Die Arbeitsbedingungen eines Unterwasserfahrzeuges sind durch ein Manövrieren im dreidimensionalen Raum bei einer möglichen Seeströmung, schlechter Sicht und hohem Wasserdruck unter Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zum Meeresbodens und zu den geographischen Hindernissen, technischen Bauten und Altlasten charakterisiert.Das entwickelte Konzept ist modular aufgebaut und umfasst Komponenten zur Kollisionsüberwachung, Zielpunktgenerierung, Kollisionsvermeidung, Fahrzeugführung bei Identifikationsaufgaben sowie zur Fahrzeugsteuerung. Für die Kollisionsüberwachung wird ein Zwei-Phasen-Konzept eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine schnelle Kollisionsüberprüfung durch die Verwendung einfacher Kollisionstests zur Vorselektion möglicher Kollisionskandidaten. Das in dieser Arbeit entwickelte Kollisionsvermeidungssystem besitzt eine hybride Struktur, bei der ein reaktiver (Reaktive Steuerung) und ein planender Ansatz (Wegeplanung) parallel arbeiten. Die Reaktive Steuerung übernimmt die Führung des Fahrzeuges, während die Wegeplanung einen Routenplan generiert. Steht ein Routenplan zur Verfügung, arbeitet die Wegeplanung diesen ab. Für die Reaktive Steuerung wurde ein neues Verfahren zur geometrischen Konstruktion von Gradientenlinien entwickelt. Es verbindet die Vorteile des von Guldner entwickelten Verfahrens der Harmonischen Dipolpotentiale mit der Forderung einer wegoptimalen Fahrweise unter Berücksichtigung des nichtholonomen, verzögerten Bewegungsverhaltens des Fahrzeuges. Durch die Forderung der online-Erzeugung eines Routenplanes unter Gewährleistung des Echtzeitverhaltens des Systems wurden graphenbasierte Verfahren für die Wegeplanung untersucht. Diese Verfahren ermöglichen es, einen optimalen Weg nach definierten Vorgaben in einer kalkulierbaren Zeit zu ermitteln. Zwei neu entwickelte Verfahren zur Generierung eines geometrischen Graphen aus einem Konfigurationsraum mit elliptischen Objektzylindern sowie ein Algorithmus zur Bestimmung der Fahrtkosten unter Einbeziehung der Strömungsinformation werden detailliert beschrieben. Obgleich das in dieser Arbeit vorgestellte Führungskonzept für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug entwickelt wurde, können Teile dieser Arbeit auch für boden- und luftgeführte Autonome Mobile Systeme angewandt werden.Auch im Buchhandel erhältlich: Intelligentes Führungskonzept für ein autonomes Unterwasserfahrzeug in Sondersituationen / von Mike Joachim Eichhorn . - Düsseldorf : VDI-Verl., 2007. XIII, 172 S.. : Ill., graph. Darst. ISBN 978-3-18-512708-3 Preis: 51,30

Hemmnisanalyse zu Änderungen des Nutzerverhaltens und Optimierung der Organisationsprozesse zur Schaffung von Flexibilität in gewerblich und industriell genutzten Gebäuden

Ziel dieses Teilvorhabens innerhalb des FlexGeber-Projektes war die Initiierung und Begleitung eines Prozesses zur Identifikation und (idealerweise späteren) Realisierung von Effizienz-, Erneuerbaren- und Flexibilitätspotenzialen in den Industriebetrieben Taifun-Tofu GmbH (Lebensmittel) und Hermann Peter KG (Baustoffe). Dazu haben die Forschenden jeweils in einem Workshop relevante Akteure zusammengebracht und Wissen zur Bestimmung und Bewertung von Flexibilitäten aus technischer, rechtlich-politischer sowie strukturell-organisatorischer Sicht erarbeitet und vermittelt. Gemeinsam klärten sie, welche Informationen in welchem Format für Unternehmen erforderlich und relevant sind, um Flexibilitätsoptionen identifizieren und umsetzen zu können. Insgesamt gliedert sich die methodische Vorgehensweise in vier zentrale Arbeitsschritte: Vor-Ort-Begehungen bei den Reallaboren, Identifikation technischer Hotspots, Akteursworkshop sowie abschließende Auswertung. Der vorliegende Teilbericht dokumentiert diesen Prozess und fokussiert auf die Identifikation von möglichen Effizienz-, Erneuerbaren- und Flexibilitätsoptionen und der Erfassung von Hemmnissen, die einer Umsetzung von Maßnahmen zur Erschließung der Potenziale bei den Praxispartnern entgegenstehen. Da die Workshops vornehmlich auf die Unternehmen Taifun-Tofu und Hermann Peter ausgerichtet waren, fokussiert dieser Bericht auf Hemmnisse, die diese Unternehmen bzw. Unternehmen dieser Branchen betreffen. Darüber hinaus ist ein Kapitel zu Hemmnissen, die sich aus dem Demonstrationsvorhaben des Fraunhofer ISE-Campus (Ausbau des Kältenetzes und Installation von Kältespeichern) ableiten, ist in diesem Bericht enthalten

Vorausschauende und reaktive Mehrzieloptimierung für die Produktionssteuerung einer Matrixproduktion

Ein immer vielfältigeres Produktionsprogramm mit unsicheren Stückzahlen macht es schwierig, Produktionssysteme wirtschaftlich zu betreiben. Verursacht die Produktindividualisierung unterschiedliche Bearbeitungszeiten an den Produktionsstationen, entstehen Taktzeitverluste. Schwankungen in den Anteilen der Produktvarianten können zudem zu dynamischen Engpässen führen. Das Konzept der Matrixproduktion verfolgt eine Flexibilisierung der Produktionsstruktur durch Auflösung der starren Verkettung, der Taktzeitbindung sowie durch den Einsatz redundanter Mehrzweckstationen. Diese Maßnahmen erlauben es der Produktionssteuerung, die Reihenfolge der Arbeitsvorgänge innerhalb der Grenzen des Vorranggraphs zu variieren und die Route jedes Auftrags anzupassen. Eine reaktive Mehrzielsteuerung ist erforderlich, um diese Freiheitsgrade zu nutzen und die unterschiedlichen Zielgrößen der Produktionssysteme zu erfüllen. Durch die Verwendung von Domänenwissen bei der Optimierung kann die Effizienz für spezifische Problem gesteigert werden. Aufgrund der Vielfalt der Produktionssysteme und Zielgrößen sollte sich die Produktionssteuerung jedoch selbstständig an den jeweiligen Anwendungsfall und die Zielgrößen anpassen können. Da die Dauern für Bearbeitungs-, Transport- und Rüstzeiten wichtige Eingangsgrößen für die Produktionssteuerung sind, wird eine Methode zur Ermittlung realistischer Werte benötigt. Aufgrund der Komplexität der Steuerungsentscheidung sind Heuristiken am besten geeignet. Insbesondere die Monte Carlo Tree Search (MCTS) als iteratives Suchbaumverfahren hat gute Eigenschaften für den Einsatz als reaktive Produktionssteuerung. Bisher fehlten jedoch Ansätze, die den Anforderungen an die Steuerung einer Matrixproduktion gerecht werden. In dieser Arbeit wird eine reaktive Mehrzielsteuerung auf Basis von MCTS für die Produktionssteuerung einer Matrixproduktion unter Berücksichtigung von Rüst- und Transportvorgängen entwickelt. Zusätzlich wird eine auf lokaler Suche basierende Post-Optimierung in den MCTS Ablauf integriert. Um schnell eine hohe Lösungsqualität für unterschiedliche Zielsetzungen und Produktionssysteme zu erreichen, werden zwei Methoden zur selbstständigen Anpassung der Produktionssteuerung entwickelt. Um die Genauigkeit der in der Produktionssteuerung verwendeten Dauern zu gewährleisten, wird eine Methode zur Ableitung und Aktualisierung der zugrunde liegenden Verteilungen vorgestellt. Die detaillierten Auswertungen anhand verschiedener Anwendungsfälle zeigen, dass die Produktionssteuerung in der Lage ist, verschiedene Ziele erfolgreich zu optimieren. Die Methoden zur selbstständigen Anpassung führen zudem zu einem schnelleren Anstieg der Lösungsgüte. Der Vergleich mit optimalen Referenzlösungen und mit Benchmark-Problemen aus der Literatur belegt ebenfalls die hohe Lösungsgüte. Die Anwendung auf ein reales Praxisbeispiel demonstriert das Verhalten der Produktionssteuerung bei Ausfällen und Abweichungen. Diese Arbeit untersucht detailliert das Verhalten der Produktionssteuerung und den Einfluss der entwickelten Methoden auf die Erreichbarkeit der unterschiedlichen Zielgrößen, den Anstieg der Lösungsgüte und die erreichte absolute Lösungsgüte

KPI Intelligence

Zur Steuerung großer Produktionsunternehmen muss das Management Alternativen bewerten, fundierte Entscheidungen herbeiführen und Maßnahmen zur Prozesssteuerung ergreifen. Jedoch macht die Komplexität der Ursache-Wirkbeziehungen zwischen den Kennzahlen, die zur Steuerung der interdependenten Geschäftsprozesse dienen, eine Abschätzung der Auswirkungen von Maßnahmen für den Menschen ohne Hilfsmittel nahezu unmöglich. Die vorliegende Dissertation liefert daher Ansätze für die Weiterentwicklung der klassischen kennzahlenbasierten Unternehmenssteuerung durch die Einbeziehung von Advanced Analytics Algorithmik für die Analyse von Prozessinterdependenzen. Damit begegnet sie der identifizierten Lücke einer unzureichenden Integration von Advanced Analytics in die praktische Prozesssteuerung. Die entwickelte Methode beinhaltet eine Vorgehensweise und Prozessmodelle für die quantitative Analyse der Interdependenzen. Zudem bietet sie Vorschläge für den komplementären und komparativen Einsatz fortgeschrittener Analysealgorithmik. Zur Beurteilung der Eignung der jeweiligen Lösung dienen Leitmerkmale, welche die Bedürfnisse von Anwendern repräsentieren. Die Analyseergebnisse sind schließlich auf ihren Beitrag zu den in der Dissertation erarbeiteten Anforderungen an die kennzahlenbasierte Unternehmenssteuerung zu prüfen. Die Entwicklung und Evaluierung der Methode erfolgt im Rahmen einer Fallstudie mit mehreren heterogenen Anwendungsfällen bei einem OEM der Automobilindustrie. Die Forschungsergebnisse tragen dazu bei, die Vielzahl digitaler Lösungen zur Visualisierung von Daten mit dem größer werdenden Angebot an fortgeschrittenen Analysemöglichkeiten zur Unterstützung kennzahlenbasierter Managementprozesse zusammenzuführen. Dem Grundgedanken der Kybernetik folgend, ermöglicht die Methode Fachanwendern die selbständige quantitative Analyse von Ursache-Wirkbeziehungen zwischen Kennzahlen innerhalb einzelner Prozesse sowie prozess- und hierarchieübergreifend. Die Interpretation der Ergebnisse dient sodann der Ergänzung von deren implizitem Wissen und folglich einer effektiveren und effizienteren Prozesssteuerung

Präventive Maßnahmen zur Belastungskompensation an der Halswirbelsäule für Piloten des Eurofighter Typhoon

Wie aus mannigfaltigen Studien hervorgehend, werden Piloten moderner Kampfflugzeuge Belastungen an den Grenzen der physiologischen Akzeptanz ausgesetzt. Im speziellen Fall des Eurofighter Typhoon ist zu untersuchen, in wie weit anhand bereits bestehender Erkenntnisse Belastungen der Halswirbelsäule durch trainingsphysiologische Interventionsmaßnahmen als kompensierbar betrachtet werden können und wie darüber hinaus im konkreten Fall derartige kompensatorische Maßnahmen aussehen könnten. Methodik: Auf dem Wege qualitativ-hermeneutischer Forschungsmethodik wurden Studien insbesondere zur konkreten Thematik der Belastung von militärischen Einsatzpiloten herangezogen, um die grundsätzliche Notwendigkeit, Effekte und konkreten Möglichkeiten einer Trainingsintervention für die Piloten des österreichischen Bundesheeres aufzeigen zu können. Dem folgend versucht der Autor, eine grundlegende Systematik der motorischen Funktionalität der muskulären Strukturen, die neurophysiologischen Mechanismen sowie die spezifischen systemischen und taktischen Umstände des Eurofighter Typhoon zu erfassen und diesen in den weiteren Überlegungen gerecht zu werden. Darüber hinaus wurde alle österreichischen Piloten, die bereits Flugerfahrung am Eurofighter Typhoon aufweisen, einem Experteninterview unterzogen. Resultate: Ein qualitativer Vergleich der herangezogenen Studien zeigt deutlich, dass aufgrund der hohen Belastungen Trainingsinterventionen für die Piloten absolut unumgänglich sind. Trainingsinterventionen wurden in den bewerteten Studien i.d.R. als moderat-intensitäres Krafttraining verstanden, detaillierte Ausführungen zu den Umfängen, Intensitäten und Übungsformen wurden zumeist nicht genannt. Die individuelle Muskelkraft wurde vorwiegend anhand des isometrischen Kraftmaximums in verschiedenen Gelenkswinkeln bestimmt bzw. indirekt über EMG-Referenzwertmessungen während realer Übungsflüge ermittelt. Conclusio: Die offensichtlich komplexe Systematik der neuronalen Ansteuerung und Realisation von Bewegung und Stabilisation der Rückenmuskulatur bedingt auch komplexe, nicht simplifizierende Trainingsinterventionen. Diese sollten jedenfalls Trainingsformen des Krafttrainings, der propriozeptiven Kontrolle, der lokalen und globalen Koordination und einen geringen Anteil der Ausdauer umfassen. Weiters kann als unumgänglich angenommen werden, dass Trainingsinterventionen unter Einbindung in die bestehende fliegermedizinische Praxis einer fachkompetenten sportwissenschaftlichen Betreuung über den gesamten Zeitraum der Intervention hinweg bedürfen. Aufgrund der speziellen Belastungsgrößen im Eurofighter Typhoon, nicht zugänglichen Datenmaterials sowie trainingsphysiologisch-fliegermedizinisch weiterführender Fragestellungen sind bisherige Messmethoden in weiterführenden Untersuchungen zu hinterfragen und mögliche andere Methodenkomplexe zu überdenken.As various studies show, fighter pilots are put on different physical strain mainly caused by the G forces effecting them. Because of extreme narrow banking turns which the most recent generation of fighter planes - and especially the Eurofighter Typhoon type - are able to manage, it seems to be inevitable to find preventive training procedures for the cervical spine, motoring and surrounding muscle structures. The main question in the study is whether there are realistic and practical ways to compose and implement a training program that can be used by the Austrian Eurofighter pilots to eliminate or reduce neck pain and tactical lack caused by premature muscle fatigue. Methods: By hermeneutical methods, different studies where researched in order to show the necessity, effects and possibilities of special training interventions for fighter pilots. Therefore, the main attention was directed towards a systematic view of the muscular motion functions, the neurophysiological mechanisms and the special systemic and tactical demands in the Eurofighter Typhoon plane. In addition to that, the Austrian pilots who have already performed flights in the Eurofighter Typhoon and those who will fly it in near future (and have long-term experience in other fighter planes) were interviewed by the autor about the main topics “biometrical facts”, “tactical and physiological demands”, “individual troubles and types of pain” and “individual training habits at the moment”. These interviews where important for the analysis of systemic and physiological facts which otherwise could not have been extracted from empirical studies, due to the absolute new quality of strain parameters Eurofighter Typhoon is able to realize as well as due to military secrecy. Results: Drawing a comparison between the studies revealed that training intervention programs are absolutely necessary for the Eurofighter Typhoon pilots. Training interventions for pilots of different plane types and countries have shown significant effects, resulting in less neck pain and fewer lost work days. Training methods are mostly understood as muscle force training. For the most parts of the studies there where no details of the training program represented presumable put down on military interests. The muscular capacity in the studies is mostly determinated by measuring the maximum isometric force in different angels and evaluating in-flight EMGs. Conclusion: The complex control of the primary and secondary functional system of the human cervical spine column demands a complex intervention program. This requires [] muscle force training, training of proprioceptive control, coordinative training and a smaller share of endurance training. Further it is obvious that general training principles can be applied to the specific muscular and neurological system of the cervical area. At the very least training programs need to be introduced and supervised by exercise science professionals for the whole time of intervention because of the individual status and improvement regarding single types of pain, training effects and training motivation of each individual pilot. Because little is known about typical strain for this type, the neuromuscular symptoms and functions in pilots as well as the evaluation of training and therefor the validity and objectivity of the formerly used measuring methods have to be discussed later