SFB 614:  Self-Optimizing Concepts and Structures in Mechanical Engineering

• Subject Area: Mechanical and Industrial Engineering ; Computer Science, Systems and Electrical Engineering
• Term: from 2002 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5485260

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Der Sonderforschungsbereich 614 „Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus“ beruhte im Kern auf einer der herausragenden Stärken der Universität Paderborn, der Symbiose von Informatik, Ingenieurwissenschaften und Mathematik. Diese äußert sich u. a. in der ausgeprägten Mechatronik-Kompetenz, die in Verbindung mit Optimierungsmethoden die Ausgangsbasis des SFB 614 bildete. Gegenstand des SFB waren maschinenbauliche Systeme von morgen. Diese bestehen aus Konfigurationen von Systemelementen mit einer inhärenten Teilintelligenz. Das Verhalten des Gesamtsystems wird durch die Kommunikation und Kooperation der intelligenten Systemelemente geprägt. Aus informationstechnischer Sicht handelt es sich nach unserem Verständnis um verteilte Systeme von miteinander kooperierenden Agenten. Daraus eröffnen sich faszinierende Möglichkeiten für die Gestaltung von maschinenbaulichen Erzeugnissen. Der Begriff Selbstoptimierung charakterisiert diese Perspektive: Unter Selbstoptimierung eines technischen Systems wird die endogene Änderung der Ziele des Systems auf veränderte Einflüsse und die daraus resultierende zielkonforme autonome Anpassung der Parameter und ggf. der Struktur und somit des Verhaltens dieses Systems verstanden. Damit geht Selbstoptimierung über die bekannten Regel- und Adaptionsstrategien wesentlich hinaus; Selbstoptimierung ermöglicht handlungsfähige Systeme mit inhärenter „Intelligenz“, die in der Lage sind, selbstständig und flexibel auf veränderte Betriebsbedingungen zu reagieren. Die langfristige Vision des SFB war eine neue Schule des Entwurfs der maschinenbaulichen Systeme von morgen. Das entsprechende Instrumentarium bestehet aus einem Referenzprozess, Entwurfsmethoden und -werkzeugen sowie Praktiken. Auf dem Weg zur Verwirklichung dieser Vision wurden in der 1. Förderperiode die grundlegenden Leitlinien des wissenschaftlichen Programms sowie die Basiskonzepte wie beispielsweise die Operator-Controller-Architektur und die Spezifikationstechnik zur domänenübergreifenden Beschreibung der Prinziplösung eines intelligenten mechatronischen Systems im Sinne eines ersten Entwurfs erarbeitet und validiert. In der 2. Förderperiode bestätigten sich die Leitlinien und Basiskonzepte. Zudem waren die Ergebnisse zu diesem Zeitpunkt bereits so konkret und von höchster Praxisrelevanz, dass in der 2. Hälfte 2008 fünf Transferprojekte gestartet werden konnten. Andererseits war noch in erheblichem Umfang grundlegende Forschungsarbeit, aber auch aufwändige Konkretisierung und Komplementierung notwendig, um dem Maschinenbau und verwandten Branchen die angestrebten Impulse für den Wettbewerb von morgen geben zu können. In der 3. Förderperiode wurde der Schwerpunkt weiter auf die domänenübergreifende Konzipierung von selbstoptimierenden Systemen gelegt. Diese hat sich als Schlüsselfeld auf dem Weg zu einer neuen Konstruktionslehre erwiesen. Die Ergebnisse der 2. Förderperiode wurden um eine formale Modellierung der Prinziplösung, Modellierungs-Tools und die Unterstützung des Übergangs in den domänenspezifischen Entwurf ergänzt. Ferner wurden Techniken für den Entwurf von selbstoptimierenden Systemen mit kognitiven Fähigkeiten entwickelt. Die Ergebnisse der Projektbereiche wurden zum Ende des SFB noch stärker verzahnt, sodass ein durchgäniges Vorgehen für die Entwicklung selbstoptimierender Systeme enstanden ist. Das Gesamtprogramm ist von Beginn an so durchdacht worden, dass der SFB über die Jahre kontinuierlich an der Verwirklichung seiner Vision arbeiten konnte. Die Klarheit der konzeptionellen Linie des SFB hat das zielorientierte Zusammenwirken der Teilprojekte und Arbeitskreise sehr gefördert. Das sehr fruchtbare Zusammenwirken der Teilprojekte und Arbeitskreise äußert sich am Ende in der außergewöhnlich hohen Anzahl der Demonstratoren. Diese beruhen auf einem teilprojektübergreifenden Wechselspiel von Analyse und Synthese. Der SFB hat die gesetzten Ziele erreicht, die Vision konnte verwirklicht werden. Es hat sich gezeigt, dass die Ergebnisse eine sehr gute Grundlage für Unternehmen bieten einen Innovationssprung von der Mechatronik hin zu intelligenten technischen Systemen zu ermöglichen. Die Ergebnisse des SFB 614 haben entscheidend zum Gewinn des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente Technische Systeme Ostwestfalen- Lippe (it’s OWL)“ 2012 beigetragen. Damit besteht eine hervorragende Möglichkeit, die Methoden und Werkzeuge in die industrielle Praxis nachhaltig zu transferieren. Insbesondere die gegen Ende der Förderung des SFB noch offenen Forschungsfragen können auf diese Weise bearbeitet und gelöst werden:  Welche Informationen müssen neben den erarbeiteten Methoden und Verfahren bereitgestellt werden, damit beispielsweise auch nicht mathematisch geschultes Personal Verfahren zur Mehrzieloptimierung eigenständig einsetzen kann?  Welche Anwendungshemmnisse treten beim Einsatz von mathematischen Optimierungsverfahren, selbstoptimierenden Regelungen sowie Lernverfahren auf und wie können diese Hemmnisse für die Entwickler beseitigt werden?  An welchen Stellen ist das Vorgehen für die Entwicklung selbstoptimierender Systeme aus Sicht der Entwickler in den Unternehmen bislang unzureichend bzw. unvollständig und muss somit durch zusätzliche Methoden vervollständigt werden?  Wie können Zielfunktionen systematisch identifiziert, formuliert und integriert werden, die explizit zur Steigerung der Verlässlichkeit eines Systems beitragen?  Wie kann das Wirkparadigma der Selbstoptimierung auf Produktionssysteme im Kontext Industrie 4.0 übertragen werden?

Publications

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