Algorithmen designen in Zukunft technische Systeme

UKUS beleuchtete im September ein zukunftsweisendes Thema

Wie können Algorithmen bei der technischen Systemoptimierung unterstützen und welche Anwendungsbeispiele gibt es? Diese Fragestellungen wurden im Rahmen der vierten UKUS-Veranstaltung dieses Jahres diskutiert, zu der die IHK Siegen und das Siegener Mittelstandsinstitut (SMI) eingeladen hatten.

Prof. Dr. Ulf Lorenz, Inhaber des Lehrstuhls für Technologiemanagement an der Universität Siegen, stellte die enormen technologischen Fortschritte, die u. a. durch Marktriesen wie Google verkörpert werden, vor und fragte mit Bezug auf die regionale Forschung und Unternehmen: "Sind oder haben wir verloren? Oder wo ist unsere Chance?" - Antwort: "Wir müssen (wohl oder übel) am technologischen Fortschritt dranbleiben!"

Im Rahmen seines Vortrages präsentierte der Referent zwei Ansätze, die die Umsetzung neuer Technologien in der Industrie verdeutlichen. Zum einen bietet das "Internet of Things" (IoT) vielfältige Möglichkeiten, Bereiche aus Produktion und Logistik miteinander zu vernetzen und ökonomisch zu gestalten. Zum anderen bildet der Bereich der Technical Operations Research (TOR), mit dem sich der Lehrstuhl für Technologiemanagement beispielsweise beschäftigt, eine Brücke zu ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen. Anhand von Beispielen aus den Bereichen der Fluidsystemtechnik, Altpapieraufbereitung und der Getriebeauslegung erläuterte Prof. Lorenz, wie Systeme von technischen Komponenten automatisiert ausgelegt und optimiert werden können.

Dabei führen effiziente Komponenten nicht automatisch zu effizienten Systemen, betonte er. Eine erfolgreiche Systemauslegung hänge maßgeblich vom optimalen Zusammenspiel der beteiligten Personen - z. B. Ingenieure, Mathematiker und Informatiker - ab. Diese sollten in Teams arbeiten und eine gemeinsame Sprache sowie gemeinsame Ziele und Teilziele definieren.

Im zweiten Vortrag des Abends beleuchtete Dipl.-Math. Thorsten Ederer, M.Sc. Physik, Leiter der Arbeitsgruppe Technische Optimierung am Institut für Fluidsystemtechnik im Fachgebiet Maschinenbau der TU Darmstadt, den Bereich der Energieeffizienz in der Fluidsystemtechnik als weiteres Anwendungsgebiet der TOR. Vor dem Hintergrund des hohen Energieverbrauchs in der EU deutete er auf die Wichtigkeit einer technischen Optimierung von entsprechenden Systemen und verwies auf bestehende Probleme bei der Systemauslegung.

Je mehr Komponenten in einem System miteinander verbunden sind, desto mehr Kombinationsmöglichkeiten entstehen und desto notwendiger wird der Einsatz computergestützter Verfahren. Für bestimmte Anwendungen reichen bereits sogenannte Heuristiken aus, die zwar nicht garantiert zur optimalen Lösung führen, jedoch in relativ kurzer Zeit entsprechend gute Ergebnisse erzielen können. Die Problematik beim Einsatz dieser Verfahren bestehe allerdings darin, ein geeignetes Abbruchkriterium für die Suche zu definieren. Im Gegensatz zu Heuristiken garantiert die mathematische Optimierung das Auffinden des globalen Optimums, allerdings verbunden mit einer notwendigen algebraischen Formulierung und einer möglicherweise hohen Rechenzeit.

Die wesentlichen Schritte bei der Formulierung eines TOR-Modells zur Findung eines optimalen Systems erläuterte Ederer anhand eines Anwendungsbeispiels aus der Fluidsystemtechnik. Besonderes Augenmerk legte er auf den sogenannten TOR-Workflow, der dem Nutzer die wesentlichen Schritte des Algorithmus auf einer graphischen Benutzeroberfläche nachvollziehbar anzeigt. Im Zuge von Industrie 4.0 soll außerdem erreicht werden, dass die Berechnung eines optimalen Systems nicht nur einmal zu Beginn erfolgt, sondern laufend an veränderte Gegebenheiten angepasst werden kann.

Abschließend bemerkte Ederer nachdrücklich die Wichtigkeit, die Planung von technischen Systemen nicht nur von Hand durchzuführen, sondern sich aufgrund der Fülle von Kombinationsmöglichkeiten computergestützter Verfahren zu bedienen. Ebenfalls solle man bei der Wahl eines Algorithmus beachten, dass es sehr große Unterschiede zwischen den einzelnen Algorithmen hinsichtlich Aufwand und Güte gebe.

Die Vorträge der Referenten stehen hier zum Download bereit:

Prof. Dr. Ulf Lorenz - Algorithmen designen in Zukunft technische Systeme
Dipl.-Math. Thorsten Ederer, M.Sc. Physik - Energieeffizienz auf Knopfdruck - Computer planen technische Systeme

Weiterführende Informationen zum Thema finden Sie auf unserem Themenflyer Technische Systemoptimierung.

Die nächste UKUS-Veranstaltung findet am 15. November 2016 zum Thema "Forschung in der Praxis - Lernfabriken & Fabrikationslabore" statt.