Ziel des Teilprojekts ist ein umfassendes Entwurfsinstrumentarium, das Dritte in die Lage versetzt s.o. Systeme zu entwickeln. Den Kern bilden eine entsprechende Methodik sowie eine domänenübergreifende Spezifikationstechnik. In der 3. Förderperiode sollen Methoden zur Unterstützung frühzeitiger Design-Entscheidungen (einzusetzende Wirkmuster, Verlässlichkeitsaspekte, Einsatz von S.O.) und zur Sicherung der Konsistenz des spezifizierten Verhaltens entwickelt werden. Das Paradigma der S.O. wird auf die Steuerung von Entwicklungsprozessen übertragen.
Vereinfachtes Vorgehensmodell für den Entwurf s.o. Systeme am Bei- spiel eines Shuttles (Maßstab 1:2,5)
Aufbauend auf den Ergebnissen der 1. Förderperiode wurde in der 2. Förderperiode der Entwurfsprozess für s.o. Systeme, insbesondere die domänenübergreifende Konzipierung detailliert und systematisiert. Einzusetzende Methoden, Spezifikationstechniken und Werkzeuge wurden erweitert bzw. neu entwickelt. Die bisher im Sinne eines ersten Entwurfs erarbeitete Spezifikationstechnik wurde weiterentwickelt, validiert und teils formalisiert. Neu entstandene Methoden sind eine Methode zur Identifikation von S.O.-Potential und eine Methode zur Strukturierung intelligenter mechatronischer Systeme. Ferner wurde evaluiert, inwieweit die Nutzung etablierter Methoden der Sicherheitstechnik bereits in der Konzipierung möglich ist. Für den Übergang von der domänenübergreifenden Konzipierung in die domänenspezifische Konkretisierung der Regelungstechnik wurde eine Systematik erarbeitet, mit der sich die in der Prinziplösung spezifizierten Reglerkonzepte identifizieren und in die domänenspezifischen Modelle der Regelungstechnik übertragen lassen. Analog wurde der Übergang in die Modelle der Softwaretechnik systematisiert. Hier wurden Techniken der Modelltransformation für einen automatisierten Übergang eingesetzt. Zur Steuerung und Analyse des Entwicklungsgeschehens wurden eine Methode zur Prozessevolution und ein Verfahren zum Workflow Mining entwickelt. Die Ergebnisse sind in eine Architektur für eine Entwurfsumgebung für s.o. Systeme eingeflossen. Sämtliche Methoden, Spezifikationstechniken und Werkzeuge wurden anhand der anspruchsvollen Demonstratoren des SFB validiert und in das Entwurfsintrumentarium integriert.
Die Validierung des Entwurfsinstrumentariums bestätigt dessen wissenschaftliche Konzeption und die hohe Praxisrelevanz für den Maschinenbau von morgen. Gleichwohl besteht auf dem Weg zu einem umfassenden Instrumentarium für den Entwurf intelligenter maschinenbaulicher Systeme, das dem Anspruch einer neuen Schule des Entwurfs genügen soll, noch grundlegender Forschungsbedarf. In der 3. Förderperiode wird dasTeilprojekt das Entwurfsinstrumentarium daher in fünf Punkten weiterentwickeln.
Instrumentarium für den Entwurf s.o. Systeme
1) Methode zur Identifikation einzusetzender Wirkmuster zur Selbstoptimierung: Das bisherige Vorgehen in der Konzipierung setzt für die Auswahl von Wirkmustern zur Selbstoptimierung (WMSO) umfangreiche Kenntnisse des Entwicklers über mögliche Strategien der Selbstoptimierung voraus, die dieser in der Regel nicht hat. Zu seiner Entlastung soll aufbauend auf der in der 2. Förderperiode entwickelten Methode zur Identifikation von S.O.-Potential eine Methode zur Identifikation und Implementierung ein zusetzender WMSO erarbeitet werden.
2) Entwurf verlässlicher s.o. Systeme: Den Entwicklern stehen eine Fülle von Methoden zur Steigerung der Verlässlichkeit s.o. Systeme zu Verfügung. Welche Methode wann und wie am effektivsten einzusetzen ist, wird nicht vermittelt. Daher soll ein Leitfaden für die Auswahl von Methoden und Verfahren zur Steigerung der Verlässlichkeit s.o. Systeme erarbeitet werden. Abhängig von der jeweiligen Entwicklungsaufgabe sollen frühzeitig die einzusetzenden Methoden identifiziert und deren zeitliche Abfolge geplant werden. Insbesondere soll der Leitfaden die Möglichkeit berücksichtigen, die S.O. selbst zur Steigerung der Verlässlichkeit eines mechatronischen Systems zu verwenden.
3) Methode zur Ermittlung des Nutzenpotentials s.o. Systeme: Bisher ist der SFB den Beweis, dass S.O. auch monetäre Vorteile gegenüber konventionellen mechatronischen Systemen bietet, schuldig geblieben. Mit der Methode zur Ermittlung des Nutzenpotentials s.o. Systeme soll dieser Beweis angetreten werden. Aufbauend auf einem Katalog von Nutzenpotentialen der S.O. sollen die Potentiale anhand spezifischer Indikatoren innerhalb eines s.o. Systems identifiziert und quantifiziert werden. Für die Einordung der Potentiale in den Produktlebenszyklus soll eine Roadmap erstellt werden, anhand derer die Entstehung des Nutzens über den Produktlebenszyklus nachvollzogen werden kann. In Kombination mit der Zuordnung von Eintrittswahrscheinlichkeiten für die einzelnen Potentiale können unterschiedliche Produkt-Konzepte miteinander verglichen werden.
Partialmodelle zur Beschreibung der Prinziplösung s.o. Systeme
4) Selbstoptimierender Entwicklungsprozess: Für die Entwicklung s.o. Systeme lässt sich kein generischer Prozess mit konkreten Handlungsanweisungen definieren. Die notwendigen Entwicklungsschritte sind für verschiedene Systeme unterschiedlich. Sie werden abhängig vom jeweilig zu entwickelnden System und den jeweils geltenden Randbedingungen geplant. Ändern sich während einer Entwicklung die Randbedingungen, die Entwicklungsziele oder die Architektur des Systems, müssen die geplanten Entwicklungsschritte angepasst werden. Hierzu soll das Paradigma der Selbstoptimierung genutzt werden. Die Konzepte der S.O. und die drei Schritte des S.O.-Prozesses sind auf die Planung und situationsspezifische Anpassung von Entwicklungsprozessen zu übertragen.
5) Konsistenz von Verhaltensmodellen s.o. Systeme: Die Spezifikation des Verhaltens ist ein Kernaspekt bei der Entwicklung s.o. Systeme. Die Konsistenz der während der Konzipierung und Konkretisierung entstehenden domänen übergreifenden und domänenspezifischen Verhaltensmodelle ist von entscheidender Bedeutung für eine erfolgreiche Entwicklung. Mit Hilfe formaler Analyse- und Synthesemethoden soll die Konsistenz der während der Konzipierung entstehenden domänenübergreifenden Verhaltensmodelle sichergestellt werden. Die verhaltensbeschreibenden Partialmodelle sollen dementsprechend weiterentwickelt werden. Zum anderen soll die Prinziplösung in der Konkretisierungsphase als Grundlage dafür dienen, in einer Domäne auftretende, domänenübergreifend relevante Änderungen automatisch erkennen und an andere, von diesen Änderungen betroffene Domänen propagieren zu können. Die in der 2. Förderperiode bereits eingesetzten Techniken zur Modelltransformation sollen zu diesem Zweck weiterentwickelt werden.
Teilprojektkoordinator:
Publikationen (seit 6/2005)
Begutachtete Veröffentlichungen
Adelt, P.; Donoth, J.; Gausemeier, J.; Geisler, J.; Henkler, S.; Kahl, S.; Klöpper, B.; Krupp, A.; Münch, E.; Oberthür, S.; Paiz, C.; Podlogar, H.; Porrmann, M.; Radkowski, R.; Romaus, C.; Schmidt, A.; Schulz, B.; Vöcking, H.; Witkowski, U.; Witting, K.; Znamenshchykov, O.: Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus – Definitionen, Anwendungen, Konzepte. HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 234, Paderborn, 2009
Anacker, H.; Dorociak, R.; Dumitrescu, R.; Gausemeier, J.: Integrated Tool-Based Approach for the Conceptual Design of Advanced Mechatronic Systems. In: Proceedings of the 5th Annual IEEE International Systems Conference, Montreal, Quebec, Canada, April 4-7, 2011
Axenath, B.; Giese, H.; Klein, F.; Frank, U.: Systematic Requirements-Driven Evaluation and Synthesis of Alternative Principle Solutions for Advanced Mechatronic Systems. In: Proceedings of the 14th IEEE International Requirements Engineering Conference (RE'06), September 11-15, 2006, Minneapolis/St. Paul, Minnesota, USA, 2006, pp. 159-168
Axenath, B.; Sudmann, O.: Project Planning Support by Model Checking. Proceedings of INFORMATIK 2009 – Im Focus das Leben, Workshop Modellierung und Beherrschung der Komplexität, 2009
Dangelmeier, W.; Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Frank, U.; Klöpper, B.; Schmidt, A.: Using active patterns for the conceptual design of self-optimizing systems examplified by an air gap adjustment system. In: ASME International, 27th Computers and Information in Engineering (CIE'07) Conference, September 4-7, 2007, Las Vegas, Nevada, USA, 2007
Donoth, J.; Klöpper, B.; Romaus, C.; Schmidt, A.; Vöcking, H.: Defining a system of objectives for multi agent coordination of function modules within mechatronic systems. In: Proceedings of idetc/cie 2008 asme 2008 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, August 3-6, 2008, New York, USA
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Dumitrescu, R.; Gausemeier, J.; Romaus, C.: Towards the design of cognitive functions in self-optimizing Systems exemplified by a Hybrid Energy Storage System. REM 2009, Glasgow; 10-11 September 2009
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Dumitrescu, R.; Kahl, S.: DeeP View (Development Process Viewer) – a Tool for the Interactive Visualization of Product Development Processes. In: Proceedings of the 1st International Conference on Modelling and Management of Engineering Processes (MMEP2010), Cambridge, UK, July 19-20
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Ferrari, R.; Sudmann, O.; Henke, C.; Geisler, J.; Schäfer, W.; Madhavji, N.: Requirements Engineering Decisions in the Context of an Existing Architecture: A Case Study of a Prototypical Project. In.: Proc. of 18th IEEE Int. Requirements Engineering Conference (RE2010), Sydney, Australia, 2010
Ferrari, R.; Sudmann, O.; Henke, C.; Geisler, J.; Schäfer, W.; Madhavji, N.: Requirements and Systems Architecture Interaction in a Prototypical Project: Emerging Results. In: Requirements Engineering: Foundation for Software Quality (REFSQ2010), Essen, 2010
Gausemeier, J.: From mechatronics to self-optimizing concepts and structures in mechanical engineering: new approaches to design methodology. International Journal of Computer Intergrated Manufacturing, Volume 18, Number 7, 2005
Gausemeier, J.; Donoth, J.; Dumitrescu, R.; Trächtler, A.; Reinold, P.: Self-Optimization – An Approach for Intelligent Mechatronics Exemplified by an X-by-wire Vehicle. 8th IEEE International Conference on Industrial Informatics – INDIN2010, July 13-16, 2010, Osaka, Japan
Gausemeier, J.; Dorociak, R.; Kaiser, L.: Computer-Aided Modeling of the Principle Solution of Mechatronic Systems: A Domain-Spanning Methodology for the Conceptual Design of Mechatronic Systems. In: Proceedings of IDETC/CIE 2010 ASME 2010 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, Montreal, Quebec, Canada, August 15-18, 2010
Gausemeier, J.; Dorociak, R.; Nyßen, A.: The Mechatronic Modeller: A Software Tool for Computer-Aided Modeling of the Principle Solution of an Advanced Mechatronic System. In: 11th International Workshop on Research and Education in Mechatronics, Ostrava, Czech Republic, September 9-10, 2010
Gausemeier, J.; Dorociak, R.; Pook, S.; Nyßen, A.; Terfloth, A.: Computer-Aided Cross-Domain Modeling of Mechatronic Systems. In: Proceedings of the International Design Conference - DESIGN 2010, Dubrovnik - Croatia, May 17 - 20, 2010
Gausemeier, J.; Dumitrescu, R.; Kahl, S., Nordsiek, D.: Integrative Development of Product and Production System for Mechatronic Products. In: Proceedings of FAIM2010, July 12-14, Oakland
Gausemeier, J.; Dumitrescu, R.; Podlogar, H.: Implementing Cognitive Functions with Active Pattern in Self-Optimizing Systems. In: Proceedings of AISM 2008 Third Asia International Symposium on Mechatronics, Hokkaido University, August 27-31, Sapporo, Japan, 2008
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Gausemeier, J.; Frank, U.; Donoth, J.; Kahl, S.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme des Maschinenbaus. In: Konstruktion, Ausgaben 7/8-2008 und 9-2008, Springer VDI-Verlag, Düsseldorf, 2008
Gausemeier, J.; Frank, U.; Donoth, J.; Kahl, S.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme des Maschinenbaus ' Teil 1. Konstruktion, Juli/August, Heft 7/8, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf, 2008, S. 59-66
Gausemeier, J.; Frank, U.; Donoth, J.; Kahl, S.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme des Maschinenbaus ' Teil 2. Konstruktion, September, Heft 9, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf, 2008, S. 91-108
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Gausemeier, J.; Kahl, S.; Low, C.Y.; Schulz, B.: Systematic Development of Controllers based on the Principle Solution of Self-Optimizing Systems. In: 10th International Design Conference, May 19-22, 2008, Dubrovnik, Croatia, 2008
Gausemeier, J.; Kahl, S.; Low, C.Y.; Schulz, B.: From the Principle Solution towards Controller Design of Self-Optimizing Systems. In: 7. Internationales Heinz Nixdorf Symposium, 20.-21. Februar 2008, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 223, Paderborn 2008
Gausemeier, J.; Kahl, S.; Low, C.Y.; Schulz, B.: Systematic Development of Controllers based on the Principle Solution of Self-Optimizing Systems. In: Proceedings of the International Design Conference - DESIGN 2008 Dubrovnik - Croatia, May 19 - 22, 2008
Gausemeier, J.; Kahl, S.; Pook, S.: From Mechatronics to Self-Optimizing Systems. In: 7. Internationales Heinz Nixdorf Symposium, 20.-21. Februar 2008, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 223, Paderborn 2008
Gausemeier, J.; Kahl, S.; Radkowski, R.: Selbstoptimierende Produkte – neue Perspektiven zur Steigerung der Energieeffizienz. In: 1. Internationales Kolloquium des Spitzentechnologieclusters eniPROD – Wissenschaftliche Grundlagen zur energetischen Bewertung im Maschinenbau – Analysen und Prognosen, 24. und 25. Juni 2010 Chemnitz, Springerverlag, 2010
Gausemeier, J.; Kahl, S.; Schmidt, A.; Zimmer, D.: Holistic Conceptual Design of Self-Optimizing Systems. In: Proceedings of AISM 2008 Third Asia International Symposium on Mechatronics, Hokkaido University, August 27-31, Sapporo, Japan, 2008
Gausemeier, J.; Kahl, S.; Zimmer, D.; Schmidt, A.: Holistic Conceptual Design of Self-Optimizing Mechatronic Systems. In: Proceedings of the Asia International Symposium on Mechatronics (AISM) 2008, 27-31 August, Hokkaido University, Japan, 2008
Gausemeier, J.; Kaiser, I.; Frank, U.: Knowledge-Based Design of 3D electronic Circuit Carriers. In: ASME International, 27th Computers and Information in Engineering (CIE'07) Conference, September 4-7, 2007, Las Vegas, Nevada, USA, 2007
Gausemeier, J.; Low, C. Y.; Steffen, D.; Deyter, S.: Specifying the Principle Solution in Mechatronic Development Enterprises. In: Proceedings of the SysCon 2008 - IEEE International Systems Conference, Montreal, Canada, April 7-10, 2008
Gausemeier, J.; Low, C.Y.; Deyter, S.; Steffen, D.; Deppe, U.: Specifying the Principle Solution in Mechatronic Development Enterprises. In: Proceedings of the IEEE International Systems Conference, Montreal, Canada, April 7-10, 2008
Gausemeier, J.; Schäfer, W.; Greenyer, J.; Kahl, S.; Pook, S.; Rieke, J.: Management of Cross-Domain Model Consistency During the Development of Advanced Mechatronic Systems. Proc. of the 17th Int. Conference on Engineering Design (ICED'09), August 24-27, Stanford, 2009
Gausemeier, J.; Schäfer, W.; Greenyer, J.; Kahl, S.; Pook, S.; Rieke, J.: Consistency Management Between Domain-Spanning Specification and Domain-Specific Models. In: Proceedings of 17th International Conference On Engineering Design, 24-27 August, Stanford, USA, 2009
Gausemeier, J.; Steffen, D.; Donoth, J.; Kahl, S.: Conceptual Design of Modularized Advanced Mechatronic Systems. In: Proceedings 17th International Conference On Engineering Design, 24-27 August, Stanford, USA, 2009
Gausemeier, J.; Steffen, D.; Kahl, S.: Using DSM for the Modularization of Self-Optimizing Systems. In: Proceedings 9th International Design Structure Matrix Conference, DSM'07, 16-18 October, Munich, Germany, 2007
Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Donoth, J.; Pook, S.; Schmidt, A.: Conceptual Design of Self-Optimizing Mechatronic Systems. In: 7. Internationales Heinz Nixdorf Symposium, 20.-21. Februar 2008, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 223, Paderborn 2008
Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Donoth, J.; Pook, S.; Schmidt, A.: Proceeding for the Conceptual Design of Self-Optimizing Mechatronic Systems. In: Proceedings of the International Design Conference - DESIGN 2008, Dubrovnik - Croatia, May 19 - 22, 2008
Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Donoth, J.; Pook, S.; Schmidt, A.: Proceeding for the Conceptual Design of Self-Optimizing Mechatronic Systems. In: 10th International Design Conference, May 19-22, 2008, Dubrovnik, Croatia, 2008
Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Frank, U.; Pook, S.; Schmidt, A.: Conceptual Design of Self-optimizing Systems Exemplified by a Magnetic Linear Drive. In: 16th International Conference on Engineering Design (ICED'07), August 28-31, 2007, Paris, France, 2007
Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Frank, U.; Schmidt, A.: Von der Mechatronik zur Selbstoptimierung. In: 3. Internationales Forum Mechatronik ifm 2007, 12.-13. September, Winterthur, Schweiz, 2007
Gausemeier, J.; Zimmer, D.; Podlogar, H.; Schmidt, A.; Donoth, J.: Determination of Active Pattern during the Conceptual Design of Self-Optimizing Systems demonstrated by an Air Gap Adjustment System. In: Proceedings of the 19th International Conference on Systems Engineering (ICSEng 2008), August 19-21, 2008, Las Vegas, USA
Geiger, C.; Reckter, H.; Dumitrescu, R.; Kahl, S.; Berssenbrügge, J.: A Zoomable User Interface for Presenting Hierarchical Diagrams on Large Screens. 13th International Conference on Human-Computer Interaction, 19-24 Juli, San Diego, 2009
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Greenyer, J.; Kindler, E.: Reconciling TGGs with QVT. In: Engels, G., Opdyke, B., Schmidt, D., Weil, F. (Eds.): Proceedings of the 10th International Conference on Model Driven Engineering Languages and Systems, MoDELS 2007, September 30 - October 5, 2007, Nashville, USA, LNCS, Springer Verlag, Volume 4735, Berlin, 2007, pp. 16-30
Greenyer, J.; Rieke, J.; Schäfer, W.; Sudmann, O.: The Mechatronic UML Development Process. Engineering of Software, Springer, Berlin Heidelberg, 2011
Henkler, S.; Greenyer, J.; Hirsch, M.; Schäfer, W.; Alhawash, K.; Eckardt, T.; Heinzemann, C.; Löffler, R.; Seibel, A.; Giese, H.: Synthesis of Timed Behavior From Scenarios in the Fujaba Real-Time Tool Suite. In: Proc. of the 31th International Conference on Software Engineering (ICSE), Vancouver, Canada, May 2009, pp. 615-618
Henkler, S.; Hirsch, M.; Kahl, S.; Schmidt, A.: Continuous development of a self-optimizing airgap adjustment system for autonomous vehicles. In: Proceedings of idetc/cie 2008 asme 2008 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, New York, USA, August 3-6, 2008
Henkler, S.; Hirsch, M.; Kahl, S.; Schmidt, A.: Development of Self-Optimizing Systems: Domain-Spanning and Domain-Specific Models Exemplified by an Air Gap Adjustment System for Autonomous Vehicles. In: Proceedings of the ASME 2008 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and and Information in Engineering Conference, August 3-6, Brooklyn, New York, USA, 2008
Kahl, S; Gausemeier, j; Dumitrescu, R.: Interactive Visualization of Development Processes in Mechatronic Engineering. In: Proceedings of the 1st International Conference on Modelling and Management of Engineering Processes (MMEP2010), Cambridge, UK, July 19-20
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Müller, S.; Schimmel, B.; Geiger, C.; Reckter, H.; Dumitrescu, R.; Weinreich, P.; Schulze, S.: Eine skalierbare Benutzerschnittstelle zur Visualisierung komplexer Diagramme. Mensch und Computer 2009, 6-9 September, Berlin, 2009
Redenius, A.; Steffen, D.: Instruments for planning of development-processes. In: The 1st International Conference on Design Engineering and Sciene, October 28-31, 2005, Vienna, Austria, Wien, 2005, pp. 69-74
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Schäfer, W.; Eckardt, T.; Henke, C.; Kaiser, L.; Kerstan, T.; Rieke, J.; Tichy, M.: Der Softwareentwurf im Entwicklungsprozess mechatronischer Systeme. In: 7. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 272, März, 2010
Sondermann-Wölke, C.; Hemsel, T.; Sextro, W.; Gausemeier, J.; Pook, S.: Guideline for the dependability-oriented design of self-optimizing systems. In: 8th IEEE International Conference on Industrial Informatics – INDIN2010, July 13-16, 2010, Osaka, Japan
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Steffen, D.; Kahl, S.: Mechatronische Produktarchitektur – zentraler Startpunkt der Produktentwicklung. In: ProdukDatenJournal, Ausgabe 2.200, ProSTEP iViP e.V., Darmstadt, 2009
Dissertationen
Frank, U.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn, HNIVerlagsschriftenreihe, Paderborn, Band 175, 2006
Redenius, A.: Verfahren zur Planung von Entwicklungsprozessen für fortgeschrittene mechatronische Systeme. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band 194, 2006
Rubin, V.: A Workflow Mining Approach for Deriving Software Process Models. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, 2007
Schmidt, A.: Wirkmuster zur Selbstoptimierung - Konstrukte für den Entwurf selbstoptimierender Systeme. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band 204, 2006
Steffen, D.: Ein Verfahren zur Produktstrukturierung für fortgeschrittene mechatronische Systeme. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn, HNIVerlagsschriftenreihe, Paderborn, Band 207, 2007
