Distributed Planning for Self-Organizing Production Systems

Für automatisierte Produktionsanlagen gibt es einen fundamentalen Tradeoff zwischen Effizienz und Flexibilität. In den meisten Fällen sind die Abläufe nicht nur durch den physischen Aufbau der Produktionsanlage, sondern auch durch die spezielle zugeschnittene Programmierung der Anlagensteuerung fest vorgegeben. Änderungen müssen aufwändig in einer Vielzahl von Systemen nachgezogen werden. Das macht die Herstellung kleiner Stückzahlen unrentabel. In dieser Dissertation wird ein Ansatz entwickelt, um eine automatische Anpassung des Verhaltens von Produktionsanlagen an wechselnde Aufträge und Rahmenbedingungen zu erreichen. Dabei kommt das Prinzip der Selbstorganisation durch verteilte Planung zum Einsatz. Die aufeinander aufbauenden Ergebnisse der Dissertation sind wie folgt: 1. Es wird ein Modell von Produktionsanlagen entwickelt, dass nahtlos von der detaillierten Betrachtung physikalischer Produktionsprozesse bis hin zu Lieferbeziehungen zwischen Unternehmen skaliert. Im Vergleich zu existierenden Modellen von Produktionsanlagen werden weniger limitierende Annahmen gestellt. In diesem Sinne ist der Modellierungsansatz ein Kandidat für eine häufig geforderte "Theorie der Produktion". 2. Für die so modellierten Szenarien wird ein Algorithmus zur Optimierung der nebenläufigen Abläufe entwickelt. Der Algorithmus verbindet Techniken für die kombinatorische und die kontinuierliche Optimierung: Je nach Detailgrad und Ausgestaltung des modellierten Szenarios kann der identische Algorithmus kombinatorische Fertigungsfeinplanung (Scheduling) vornehmen, weltweite Lieferbeziehungen unter Einbezug von Unsicherheiten und Risiko optimieren und physikalische Prozesse prädiktiv regeln. Dafür werden Techniken der Monte-Carlo Baumsuche (die auch bei Deepminds Alpha Go zum Einsatz kommen) weiterentwickelt. Durch Ausnutzung zusätzlicher Struktur in den Modellen skaliert der Ansatz auch auf große Szenarien. 3. Der Planungsalgorithmus wird auf die verteilte Optimierung durch unabhängige Agenten übertragen. Dafür wird die sogenannte "Nutzen-Propagation" als Koordinations-Mechanismus entwickelt. Diese ist von der Belief-Propagation zur Inferenz in Probabilistischen Graphischen Modellen inspiriert. Jeder teilnehmende Agent hat einen lokalen Handlungsraum, in dem er den Systemzustand beobachten und handelnd eingreifen kann. Die Agenten sind an der Maximierung der Gesamtwohlfahrt über alle Agenten hinweg interessiert. Die dafür notwendige Kooperation entsteht über den Austausch von Nachrichten zwischen benachbarten Agenten. Die Nachrichten beschreiben den erwarteten Nutzen für ein angenommenes Verhalten im Handlungsraum beider Agenten. 4. Es wird eine Beschreibung der wiederverwendbaren Fähigkeiten von Maschinen und Anlagen auf Basis formaler Beschreibungslogiken entwickelt. Ausgehend von den beschriebenen Fähigkeiten, sowie der vorliegenden Aufträge mit ihren notwendigen Produktionsschritten, werden ausführbare Aktionen abgeleitet. Die ausführbaren Aktionen, mit wohldefinierten Vorbedingungen und Effekten, kapseln benötigte Parametrierungen, programmierte Abläufe und die Synchronisation von Maschinen zur Laufzeit. Die Ergebnisse zusammenfassend werden Grundlagen für flexible automatisierte Produktionssysteme geschaffen -- in einer Werkshalle, aber auch über Standorte und Organisationen verteilt -- welche die ihnen innewohnenden Freiheitsgrade durch Planung zur Laufzeit und agentenbasierte Koordination gezielt einsetzen können. Der Bezug zur Praxis wird durch Anwendungsbeispiele hergestellt. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde mit realen Maschinen im Rahmen des EU-Projekts SkillPro und in einer Simulationsumgebung mit weiteren Szenarien demonstriert

Attention-based Point Cloud Edge Sampling

Point cloud sampling is a less explored research topic for this data representation. The most commonly used sampling methods are still classical random sampling and farthest point sampling. With the development of neural networks, various methods have been proposed to sample point clouds in a task-based learning manner. However, these methods are mostly generative-based, rather than selecting points directly using mathematical statistics. Inspired by the Canny edge detection algorithm for images and with the help of the attention mechanism, this paper proposes a non-generative Attention-based Point cloud Edge Sampling method (APES), which captures salient points in the point cloud outline. Both qualitative and quantitative experimental results show the superior performance of our sampling method on common benchmark tasks

Attention-based Part Assembly for 3D Volumetric Shape Modeling

Modeling a 3D volumetric shape as an assembly of decomposed shape parts is much more challenging, but semantically more valuable than direct reconstruction from a full shape representation. The neural network needs to implicitly learn part relations coherently, which is typically performed by dedicated network layers that can generate transformation matrices for each part. In this paper, we propose a VoxAttention network architecture for attention-based part assembly. We further propose a variant of using channel-wise part attention and show the advantages of this approach. Experimental results show that our method outperforms most state-of-the-art methods for the part relation-aware 3D shape modeling task

Self-Supervised Generative-Contrastive Learning of Multi-Modal Euclidean Input for 3D Shape Latent Representations: A Dynamic Switching Approach

We propose a combined generative and contrastive neural architecture for learning latent representations of 3D volumetric shapes. The architecture uses two encoder branches for voxel grids and multi-view images from the same underlying shape. The main idea is to combine a contrastive loss between the resulting latent representations with an additional reconstruction loss. That helps to avoid collapsing the latent representations as a trivial solution for minimizing the contrastive loss. A novel dynamic switching approach is used to cross-train two encoders with a shared decoder. The switching approach also enables the stop gradient operation on a random branch. Further classification experiments show that the latent representations learned with our self-supervised method integrate more useful information from the additional input data implicitly, thus leading to better reconstruction and classification performance

Object Detection in 3D Point Clouds via Local Correlation-Aware Point Embedding

We present an improved approach for 3D object detection in point clouds data based on the Frustum PointNet (F-PointNet). Compared to the original F-PointNet, our newly proposed method considers the point neighborhood when computing point features. The newly introduced local neighborhood embedding operation mimics the convolutional operations in 2D neural networks. Thus features of each point are not only computed with the features of its own or of the whole point cloud, but also computed especially with respect to the features of its neighbors. Experiments show that our proposed method achieves better performance than the F-Pointnet baseline on 3D object detection tasks

Application and Evaluation of Meta-Model Assisted Optimisation Strategies for Gripper-Assisted Fabric Draping in Composite Manufacturing

With respect to their extraordinary weight-specific mechanical properties, continuous Fibre Reinforced Plastics (CoFRP) have drawn increasing attention for use in load bearing structures. Contrasting metals, manufacturing of CoFRPs components requires multiple steps, often including a draping process of textiles. To predict and optimise the manufacturing process, Finite-Element (FE) simulation methods are being developed along virtual process chains. For maximum part quality, draping process parameters need to be optimised, which requires numerous computationally expensive iterations. While efforts have been made for time-efficient process optimisation in metal forming, composite draping optimisation has is a comparably young discipline and still lacks time-efficient optimisation strategies. In this work, modelling strategies for time-efficient optimisation using computationally inexpensive meta-models are examined, which are used to guide the search for optima in the parameter space. The meta-models are trained by observations of FE-based draping simulations of an automotive part, thereby learning the relationship between variable gripper forces (input) and the resulting shear angles (output). Parametric model functions are compared against deep neural networks (DNN) as non-parametric models with respect to prediction accuracy. Best results are achieved using a DNN that predicts the shear angles of more than 24 000 fabric shell elements

SecurePLUGandWORK – Abschlussbericht

Industrie 4.0 umfasst unter anderem intelligente Anlagenkomponenten, Maschinen und Anlagen sowie IT-Systeme, die miteinander vernetzt und über die relevanten ‚Partner\u27 mit ihren Fähigkeiten informiert sind. Bei einem Neuaufbau oder Umbau von Anlagen, Maschinen und Komponenten können alle Partner auf die Veränderung entsprechend reagieren. Änderungen sind beispielsweise in der eingebetteten Software der Feldgeräte, im Programmcode der Steuerungen, aber auch in überlagerten IT-Systemen wie bspw. MES nötig