Wissensbasierte Agile Montage-Architektur

Heutige Fertigungssysteme reagieren häufig zu inflexibel und unausreichend anpassungsfähig an die schnell ändernden Produktanforderungen mit unvorhersehbarer und plötzlicher Fluktuation sowie an die Produktionsstillstandzeiten. Außerdem leiden solche Systeme öfters unter einer schwachen Informations- und Wissensversorgung sowie unter schwachen Informationen- und Wissensaustausch zwischen verschiedenen Unternehmensbereichen. Aufgrund dessen dass die Montage einen hohen Anteil an den Produktherstellungskosten hat und die Automatisierungsrate in diesem Arbeitsfeld sehr niedrig ist, führt die Anwendung flexiblerer Produktionsparadigma in dieser Domäne zu größten Nutzen. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer innovativen, agilen Steuerungsarchitektur um die gegenwärtigen Anforderungen, die die Montage einem Produktionsunternehmen auferlegt, zu begegnen. Um ein gemeinsames Ziel zu erreichen, können autonome Agenten Probleme lösen und miteinander kommunizieren. Mit dieser Fähigkeit bieten sie einen viel versprechenden Ansatz zur Entwicklung passender Paradigma für das Design intelligenter Fertigungssysteme und zur Steigerung derer Flexibilität und Agilität. Unser Ansatz ist die Entwicklung einer wissensintensiven Multi-Agent Architektur, welche die ontologiebasierte Kommunikation und Kooperation zwischen autonomen und heterogenen Agenten ermöglicht. Ein Agent, das Kernstück unserer Architektur, agiert basierend auf seinem Wissen, indem er das Produktionsumfeld und - Bedingungen analysiert und den Schlussfolgerungs-Prozess auslöst. Dadurch wird die entsprechende Aktion ausgewählt, welche in ihrer Ausführung wiederum das Produktionsumfeld und bzw. Produktionsbedingungen beeinflusst. Jeder Agent verfügt über das Wissen über sein Anwendungsgebiet, über Strategien, die verwendet werden können um ein spezifisches Ziel zu erreichen, sowie über die im System beteiligten Agenten. Der Agent repräsentiert die Produktionskomponente, die entweder ein physikalisches Ressource (numerisches Steuerungsmaschine, Roboter, Ladeplatte, usw.) oder eine logische Einheit (Auftrag, Zulieferung, usw.) sein kann. Eine mitbenutzte Ontologie ist entscheidend für eine erfolgreiche Kommunikation zwischen den Agenten, da sie ein gemeinsames Agreement und Verständigung über die verwendeten Konzepte liefert. Dies bietet die Möglichkeit die Interoperabilitätsproblemen zu lösen. Folglich, dient eine von Agenten gemeinsam benutzte Ontologie als Instrument dafür ein von Agenten, während ihrer Interaktionen verwendetes Vokabular zu definieren und das Verstehen des Nachrichteninhalts im Sinne einer korrekten Interpretation zu unterstutzen. Insbesondere, das wesentliche Domänewissen wird den Agenten durch die Ontologie zugänglich gemacht.

Das Hauptziel des Projekts war die Untersuchung der Anwendbarkeit und Effektivität von Multi-Agenten Systemen (MAS) für die Steuerung von verteilten Produktionssystemen in der Fertigungstechnik. Dafür war Schaffung einer innovativen, agilen Multi-Agenten Architektur, die laufend Änderungen aufgrund wandelnder Systemanforderungen erlaubt, ohne Effizienz einzubüßen, nötig. Es ist von größter Bedeutung, einen optimierten Informationsfluss zu haben, d.h. die passende Information in der gewünschten Qualität und in der kürzesten Zeit zu finden. Das System sollte weiters in der Lage sein, den Ablaufplan der Produktion unter Berücksichtigung von Systemkapazitäten und Zeitlimits dynamisch zu optimieren. Weiters muss der Ansatz die vereinfachte Integration von Software-Agenten in industrielle Anwendungen ermöglichen. Die Ergebnisse des Projektes umfassen mehrere Aspekte: Entwicklung eines wissensbasierten Multi-Agenten Systems sowie der Architektur eines einzelnen Agenten, Konzeptionierung und Anwendung einer persistenten System-Ontologie, umfangreiche Simulationen und ausführliche Tests an der realen Anlage, um die Anwendbarkeit des Ansatzes zu zeigen und desen Vorteile zu beweisen. Um die Komplexität zu reduzieren, haben wir 4 Typen von Software-Agenten geschaffen, die für die Funktion eines Produktionssystems notwendig sind (dies seind: Kontakt-, Bestell-, Versorgungs- und Maschinen-Agent). Die Zuständigkeiten und Aktivitäten der einzelnen Typen wurden dabei sorgfältig festgelegt. Jeder Agent in unserer Architektur hat ein Ontologie-basiertes Welt-Modell, das Wissen über die Aktivitäten des Agenten in seiner Umwelt als auch einer unterlagerten Software-Schichten beinhaltet. Die Bedeutung von Begriffen, die während der Kommunikation verwendet werden, wird in der Ontologie festgelegt. Dies erlaubt den Wissensaustausch von Software-Agenten. Durch die Anforderungen der industriellen Prozesse, müssen gewisse Operationen unter Echtzeit-Bedingungen ausgeführt werden. Deshalb wurde die Steuerung von Maschinen, mechatronische Komponenten, zweigeteilt: Echtzeit-kritische Operationen werden von der hardware-nahen Basis- Steuerung (low-level control) ausgeführt. Kompliziertere, wissensbasierte Operationen werden von Maschinen- Agenten (high-level control) durchgeführt. Die Anwendbarkeit unserer verteilten Architektur konnte in einer realistischen industriellen Anwendung, im "Odo Struger Labor für verteilte holonische Steuerung" am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der TU Wien gezeigt werden. Durch Simulation konnten wir weiters den Einfluss unseres Ansatzes auf die Effizienz des Systems analysieren. Untersuchungen zur Prozessplanung, Ablaufplanung und Betriebsführung unter dynamisch veränderlichen Rahmenbedingungen konnten so effizient durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Simulation, aber auch Experimente auf der realen Anlage, heben die erhöhte Rekonfigurierbarkeit, Agilität, Robustheit als auch Fehlertoleranz hervor. Die Anwendbarkeit unseres Ansatzes unter dynamischen, heterogenen Rahmenbedingungen, wo präzise Daten und Wissen zwischen System-Komponenten ausgetauscht werden müssen, ist die wichtigste Erkenntnis.