Algorithmen designen in Zukunft technische Systeme · Fakultät Wirtschaftswissenschaften, Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsrecht Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre insb

Fakultät Wirtschaftswissenschaften,

Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsrecht

Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre insb. Technologiemanagement

Algorithmen designen in Zukunft

technische Systeme

Prof. Dr. Ulf Lorenz




09.09.2016 UKUS 2016 2

http://images.google.de/imgres?imgurl=http://c.mobilegeeks.de/wp-

content/uploads/2014/05/Google-Car-2.jpg&imgrefurl=http://www.mobilegeeks.de/google-car-

selbstfahrendes-auto-prototyp-

details/&h=3459&w=5190&tbnid=HXK0mmnZm4pauM:&tbnh=90&tbnw=135&docid=camltMO5_kjo7M&us

g=__5RePNKVcLQSFSOxYWQ82y4vRh_I=&sa=X&ved=0ahUKEwi9_ozkkIbMAhWGtA4KHVzOCJgQ9QEIHzAA

Googles technologische Träume




09.09.2016 UKUS 2016 3

http://googleresearch.blogspot.de/2015/06/inceptionism-going-deeper-into-neural.html




09.09.2016 UKUS 2016 4

https://www.youtube.com/watch?v=rVlhMGQgDkY




09.09.2016 UKUS 2016 5

https://gogameguru.com/i/2016/03/deepmind-mastering-go.pdf




09.09.2016 UKUS 2016 6

https://gogameguru.com/i/2016/03/deepmind-mastering-go.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_learning

Bengio, Yoshua; LeCun, Yann; Hinton, Geoffrey (2015). "Deep Learning". Nature 521: 436–444. doi:10.1038/nature14539

https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_object_identifier

https://dx.doi.org/10.1038/nature14539




26. Februar 2016 | Thorsten Ederer | Technical Operations Research 7

Sind oder haben wir verloren?

Oder wo ist unsere Chance?




Wir LEBEN!

Wir müssen allerdings wohl oder übel

am technologischen Fortschritt dranbleiben.

13.09.2016 UKUS 2016 8




Idee 1: IoT

Ein kurzer Gedanke zu

LAGER

UKUS 2016 913.09.2016




Wie könnte ein Lager in Zukunft designed sein?

Ziele:

- Artikel werden mit „hoher

Wahrscheinlichkeit“ in

vorbestimmter Zeit gefunden

- sehr viele Anfragen gleichzeitig

- Lagerbestände nicht mehr als x%

höher als benötigt

- wenig Platz verbrauchend

- vollautomatisch

UKUS 2016 1013.09.2016




11

Wie könnte ein Lager in Zukunft designed sein?

Es wurden viele

verschiedene

Topologien untersucht

• 2-D Gitter

• 3-D Gitter

• Hypercubes

• Linien

• …

Es wurden Mitte der 90er Algorithmen entwickelt zum schnellen speichern und

lesen von Daten in Rechnernetzen…

UKUS 201613.09.2016




http://wonderfulengineering.com/amazon-uses-an-army-of-robot-workers-in-its-warehouse-to-fulfill-orders/

UKUS 2016 1213.09.2016




Idee 2: TOR

Iot = „verstöpseln“

und dann ?

UKUS 2016 1313.09.2016




Druckerhöhungsanlage(Source: KSB AG)

TOPOLOGIE / GRAPH 1

TOPOLOGIE / GRAPH 2

s

p1 p2 p3

p4 p5 p6

t

s

p1 p2 p3

p4 p5 p6

t

Stationäres Fluidbeispiel

UKUS 2016 1413.09.2016




DZ Stufe 1

Q=29 m³/h

P=950 W


Kunden-anforderungen

TIM

E P

OR

TIO

N

UKUS 2016 15

(I) (II) Fluidmechanik / Physikalische Gesetze

(III)

13.09.2016




MIP MODEL FOR ALL(!) COMBINATIONS

v,j

j

j


UKUS 2016 1613.09.2016




50%

25%

0%


UKUS 2016 1713.09.2016




Weitere Beispiele

■ Ventilatorensysteme

■ Optimales Design eines hydrostatischen Getriebes – in Bezug auf optimale Wartungsstrategien

■ Altpapieraufbereitung

■ Automatikgetriebeentwurf

UKUS 2016 1813.09.2016




Aufgabe: Frische Luft im Gebäude

BEL

EGU

NG

ZEIT ZEIT

BEL

EGU

NG

ZEITB

ELEG

UN

G

UKUS 2016 1913.09.2016




CONFERENCE ROOMBUREAU 2BUREAU 1

UKUS 2016 20

Aufgabe: Frische Luft im Gebäude

13.09.2016




Zusätzliche Information: Skalierungsgestze

ebm Papst

UKUS 2016 2113.09.2016




Ähnlichkeits- und Skalierungsgesetze

Δ𝑝𝑡 𝑛

𝑉

Pressure increase

𝜓 ∶=𝛥𝑝𝑡

𝜋2

2𝜌𝑛2𝑑2

𝑆𝐼𝑍𝐸

𝜓

𝜑

Dimension-free curve

AFF

INIT

Y

𝜆 ∶= 𝜓φ/𝜂

φ ∶= 𝑉

𝜋2

4𝑛𝑑3

𝜑

𝜂

SCA

LIN

G

𝑅𝑒 𝑐𝑓 = 0.074 𝑅𝑒−1/5d𝜂 ≈ − 1 − 𝜂d𝑐f𝑐f

𝑐𝑓 = 0.074 𝑅𝑒−1/5

Δ𝜂 =1

51 − 𝜂m

Δ𝑅𝑒

𝑅𝑒𝑚[Spurk 1992][Pelz 2012]

𝑅𝑒

𝑅𝑒 ~

d

UKUS 2016 2213.09.2016




Fan1

𝒅 = 0.52 m

𝑛 = 1259 rpm

𝑃 = 362 WattFan 2

𝒅 = 0.61 m

𝑛 = 1143 rpm

𝑃 = 617 Watt

Lösung

Fan 2

𝒅 = 0.61 m

𝑛 = 1349 rpm

𝑃 = 999 Watt

SCENARIO 1 𝑉 = 6200 m³/h

Δ𝑝𝑡 = 150 Pa


Δ𝑝𝑡 = 200 Pa


Δ𝑝𝑡 = 175 Pa

UKUS 2016 2313.09.2016




Energieeinsparung

Klassischer Ansatz

Moderner Ansatz

Ganzheitlicher Ansatz

5.30 kWh/Tag

4.98 kWh/Tag

4.80 kWh/Tag

ENERGY

90.6 %

94 %

100 %

UKUS 2016 2413.09.2016




Optimales Design eines Hydrostatischen Getriebes

e.g. für hydraulischen Stoßdämpfer

UKUS 2016 2513.09.2016




Technisches DesignproblemMOVE OUT MOVE IN

UKUS 2016 2613.09.2016




EINFAHREN

EINFAHREN

MINIMIERE INVESTMENT-UND WARTUNGSKOSTEN

Viele Topologien sind möglich

UKUS 2016 2713.09.2016




■ Control edge of a proportional valve wears out with time

where

Maintenance due to Component Wear

Δ𝑈𝑙,𝑖,𝑗 =

𝑙∈𝐿

𝑈𝑙,𝑖𝑗 ∙ 1 − exp −1

3∙ 𝒦𝑙,𝑖,𝑗∙ 𝑡𝑙

∀ 𝑖, 𝑗 ∈ Valves(𝐸):

𝒦𝑙,𝑖,𝑗 = 𝒦 Δ𝐻𝑙,𝑖,𝑗 , 𝑈𝑙,𝑖,𝑗 , 𝑈max, 𝑑, 𝜚, 𝑐𝑉

Ven

tilv

ersc

hle

iß

TIME

𝒦 = const

Experimentell bestimmtes„Verschleißgesetz“

UKUS 2016 2813.09.2016



Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre insb. TechnologiemanagementV

ALV

EW

EAR

TIME

MAX. VERSCHLEISS

WARTUNGSZEITPUNKTOPERATIONINTERVAL

UKUS 2016 31

Auffinden einer optimalen Wartungsstrategie

13.09.2016




UKUS 2016 3213.09.2016




Typische Schritte beim Papierreycling

• Manuelle Entfernung unerwünschten Materials• Papier in kleine Teile zerhacken• Stücke in Wasser auflösen und Pulp erzeugen• Säubere die Pulp von Klebstoffen etc. • Pulp entfärben• trocknen• Neue Papierrollen können produziert weden

Pictures and text parts from A. Fügenschuh, TOR workshop

UKUS 2016 3313.09.2016




Filtersysteme für Entfernung klebriger Verunreinigungen

UKUS 2016 3413.09.2016




Funktion: Transformiere Kräfte (Kreisgeschwindigkeit × Drehkraft)

Basisfunktionalität eines Getriebes

Involute Gear wheel animationClaudio Rocchini

𝑟1𝑟2=𝜔2

𝜔1=𝑀1

𝑀2

w.l.o.g. betrachteZahnräder

UKUS 2016 3513.09.2016




input shaft

output shaft

drive shaft 1

drive shaft 2

F R1

54

26

3

7F

UKUS 2016 3613.09.2016




Zentrale Frage

Wie bekommen wir das algorithmische und modellbildende know-how in das Alltagsleben der Ingenieure hinein?

UKUS 2016 3713.09.2016




Ingenieure, Mathematiker und Informatiker

Es gibt eine einfache einvernehmliche Beobachtung:

Der Gesamterfolg von Technologien hängt mehr und mehr von optimalem Zusammenspiel von Komponenten und Subsystemen ab.

■ Sehr komplex und für Menschen undurchsichtig

■ Soft objectives / ökonomische Aspekte

■ Zunehmender Wettbewerb frühe Funktions- und Kostenabschätzungen werden wichtiger

UKUS 2016 3813.09.2016




26. Februar 2016 | Thorsten Ederer | Technical Operations Research 39

Efficient components

alone do not lead to

efficient systems!




Dennoch:

Alle Beispiele, die wir sahen. Hinterlassen

den Eindruck von frühen

Hotspots.

Ein big picture mit Rigor und Relavanz wird

vermisst.

UKUS 2016 4013.09.2016




Automatischer workflow könnte halfen

COMPONENT

DATABASE

GUI

System

Subsystem

Pump A, optional

Pump B

…

SYSTEM

DESCRIPTION

LANGUAGE

MATH

DESCRIPTION

SOLVER /

ALGORITHM

…

ArmaturenAufOderZu2(5,Quelle,Pumpe1In):

+ Volumenstrom(5,Quelle,Pumpe1In)

+ 1000 ArmaturGeoeffnet(5,Quelle,Pumpe1In) >= -0

…

cplex / gurobi

Dynamic Programming

UKUS 2016 4113.09.2016




„Ingenieurwesen hat die menschliche

Kreativität kultiviert …“

…

UKUS 2016 4213.09.2016




… aber Schwierigkeiten bei Systemen

1. Keine Referenz verfügbar

2. Entscheidungen durch Intuition

UKUS 2016 4313.09.2016




„Ingenieurwesen hat die menschliche

Kreativität kultiviert …“

vs.

„Mathematiker und Informatiker

versuchen menschliche Kreativität mit

Hilfe von Algorithmen zu kompensieren “

UKUS 2016 4413.09.2016




Ignoranz gegenüber physikalischer Realität

1. Aufgewachsen in geschlossener virtual reality

2. oder reiner geschlossener Gedankenwelt

3. Fokus auf Details

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- A technischer Ausdruck der Informatik

- Bedeutet: Tupel von Input, „was ist gegeben “ plus eine Beschreibung von „was wollen wir “.

- Typisches Agreement: nutze keine komplexen Algorithmen zur Beschreibung des Problems.

- Komplikation 1: Ingenieure tut oft genau das.

- Komplikation 2: „Das Problem“ existiert oft einfach garnicht.

„Problem“

UKUS 2016 4613.09.2016




Beispiel aus der Logistik

X

• Transportiere Güter durch X,

z.B. ein Bahnhof

• Aufgabe ist, einen optimalen Prozess

zu finden.

• The Problem ist „schwer“. „Man

kann das Problem nicht trivial

dekomponieren.“

UKUS 2016 4713.09.2016




XY

Was ist das wirkliche Problem? Wie

finden wir die richtigen

Systemgrenzen?

Mit Kreativität! Wir sind alle

Ingenieure!

UKUS 2016 48

Beispiel aus der Logistik

X

• Transportiere Güter durch X,

z.B. ein Bahnhof

• Aufgabe ist, einen optimalen Prozess

zu finden.

• The Problem ist „schwer“. „Man

kann das Problem nicht trivial

dekomponieren.“

13.09.2016




■ Teams bilden.

■ Gemeinsame Sprache definieren.

■ Gemeinsame Ziele und Teilziele definieren.

UKUS 2016 49

Technical OR baut Brücken

zwischen Menschen verschiedener

wissenschaftlicher Kulturen.

13.09.2016




TOR-Quellen• Pöttgen, P. ; Ederer, T. ; Pelz, P. F. : Examination and Optimisation of a heating circuit using TOR, EST 2015, 19-21 Mai 2015, Karlsruhe. • Schänzle, C. ; Altherr, L.; Ederer, T.; Lorenz, U.; Pelz, P. F. : As good as it can be – Ventilation system design by a combined scaling and

discrete optimization method, Fan 2015, (2015)• Holl, M.; Platzer, M.; Pelz, P. F. : Optimal energy systems design applied to an innovative ocean-wind energy converter, 7th International

Conference on Sustainable Development and Planning, (2015)• Vergé, Angela ; Pöttgen, P. ; Pelz, P. F. : Hilfe von TOR - Lebensdauer als Optimierungsziel im automatisierten Systementwurf, fluid

MARKT, (2014) • Fügenschuh, A.; Hayn, C.; Michaels, D.: T Mixed-integer linear methods for layout-optimization of screening systems in recovered paper

production. In Optimization and Engineering, Volume 15, Issue 2, pp 533-573, 2014, Springer• Dörig, B. ; Ederer, T. ; Hedrich, P. ; Lorenz, U. ; Pelz, P. F. ; Pöttgen, P. : Technical Operations Research (TOR) Exemplified by a Hydrostatic

Power Transmission System, 9.IFK – Proceedings Vol.1, (2014)• Pelz, P. F. ; Lorenz, U. ; Ederer, T. ; Metzler, M. ; Pöttgen, P. : Global System Optimization and Scaling for Turbo Systems and Machines,

15th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC-15, 24.02.2014 - 28.02.2014, Honolulu, Hawaii, USA., (2014)

• Altherr, L. ; Ederer, T.; Lorenz, U.; Pelz, P. F., Pöttgen, P. : Designing a Feedback Control System via Mixed-Integer Programming, Operations Research Aachen, (2014)

• Altherr, L. ; Ederer, T.; Lorenz, U.; Pelz, P. F. , Pöttgen, P.: Experimental Validation of an Enhanced System Synthesis Approach, Operations Research Aachen, (2014)

• Pelz, P. F. ; Lorenz, U. ; Ederer, T. ; Lang, S. ; Ludwig, G. : Designing Pump Systems by Discrete Mathematical Topology Optimization: The Artificial Fluid Systems Designer (AFSD), International Rotating Equipment Conference, (2012)

• Pelz, P. F. ; Lorenz, U. : Effiziente Energiewandlung als Optimierungs- und Skalierungsaufgabe, TU Forschen, Wissenschaftsmagazin Nr. 1, 2011, (2011)

• …

UKUS 2016 5013.09.2016

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