Agentenorientierte Konzepte in der Automatisierungstechnik

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1 Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich Agentenorientierte Konzepte in der Automatisierungstechnik Wo können Agenten gewinnbringend eingesetzt werden? Peter Göhner Summer School TuLAUT

2 Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Peter Göhner Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (Prof. Dr.-Ing. R. Lauber) 1981 Promotion zum Doktor-Ingenieur an der Universität Stuttgart mit dem Dissertationsthema "Ingenieurgerechte Spezifikation der Synchronisierung paralleler Rechenprozesse" Mitarbeiter der Gesellschaft für Prozessrechnerprogrammierung mbh in München Geschäftsführer in der Gesellschaft für Prozessrechnerprogrammierung mbh in München Geschäftsführer in der Firma ist (innovative Softwaretechnologie GmbH) Seit 1995 Ordentlicher Professor an der Universität Stuttgart, Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Vorsitzender des VDE Bezirksvereins Württemberg e.v Kommissarischer Leiter des Rechenzentrums der Universität Stuttgart (RUS) 2

3 Motivation Planung/Entwicklung Operativer Betrieb Operativer Betrieb Organisation/Überwachung 3

4 Gliederung Einführung in Agenten Agenten als operative Einheiten zur Organisation und Überwachung als Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Zusammenfassung 4

5 Einführung in Agenten Agentenorientierte Konzepte Agent (gemäß GMA 5.15): (Software-)Einheit mit definiertem Ziel Autonomes Verhalten zur Erreichung des Ziels Interaktion mit Umgebung und anderen Agenten Dauerhafte Beibehaltung des inneren Zustandes Grundkonzepte der agentenorientierten Denkweise: Kontrolle über Zustand und Verhalten Hohe Abstraktion (z.b. Verhandlung) Zustand und Verhalten Autonomie Interaktion Kapselung Mobilität Anpassungsfähigkeit Zielorientierung Aktivität Ziele vorgegeben Bestimmt Verhalten Ggf. anpassbar Proaktivität (vorausschauendes Verhalten, Eigeninitiative Fortlaufender Kontrollfluss Unabhängig von Aktivierung Persistenz Reaktivität (Umwelt wahrnehmen und reagieren) 5

6 Einführung in Agenten Aufbau eines Agenten Aufbau des Agenten muss agentenorientierte Konzepte realisieren Agent beinhaltet: Abbild der relevanten Umgebung Umgebungsmodell Ziele Verhaltensregeln Mögliche Aktionen Fähigkeiten Agent Umgebungsmodell Ziele Ziele Ziele Fähigkeiten Verhalten Wahrnehmung Beeinflussung U m g e b u n g 6

7 Einführung in Agenten Aufbau von Agentensystemen Agentensystem muss Agenteninteraktion und Agentenlebenszyklus unterstützen: Wissen über die Existenz anderer Agenten in der Umgebung Bekanntgabe der Fähigkeiten aller Agenten Kommunikationsmedium Standard für Systemarchitektur von Agentensystemen Auskunftsdienst (White pages): Agentenverzeichnis Agent Agent Agent Management System Directory Facilitator Weitere Agentensysteme Auskunftsdienst (Gelbe-Seiten): Diensteverzeichnis Kommunikationsinfrastruktur Message Transport System 7

8 Einführung in Agenten Dezentrale Agentensysteme auf Mikrocontrollern Auskunftsdienste müssen dezentral realisiert werden Ressourcenoptimierte Agentensysteme werden eingesetzt Ethernet CAN CAN/Ethernet Gateway 8

9 Einführung in Agenten Einsatzgebiete für agentenorientierte Softwareentwicklung Dezentrale Systeme Natürlich verteilt, modular Strukturell veränderbare Systeme Nicht alle Strukturinformation zur Entwurfszeit bekannt Struktur ändert sich dynamisch Bsp.: Automatisierungsanlagen, Transportsysteme, Handelssysteme Systeme mit komplexen, variablen Abläufen Bsp.: Produktionssysteme, Roboter, Flugleitsysteme Kooperative Systeme Umfangreiche Koordinationsprozesse erforderlich Bsp.: E-Commerce, Informations-Management, Energiemanagement 9

10 Gliederung Einführung in Agenten Agenten als operative Einheiten zur Organisation und Überwachung als Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Zusammenfassung 10

11 Operative Einheiten Planung/Entwicklung Operativer Betrieb Operativer Betrieb Organisation/Überwachung 11

12 Operative Einheiten Agentenorientiertes dezentrales Energiemanagement für Kfz Elektronische Systeme im Fahrzeug Verbraucherleistung = 3-5 mal größer als Generatorleistung Problemstellung Verteilung der verfügbaren Energie auf Verbraucher Dr. Thomas Verfügbarkeit elektrischer Energie für sicherheits-relevante Wagner Verbraucher (X-by-Wire Systeme) Bedarfsorientierte temporäre Deaktivierung von Verbrauchern Bisher zentrale Lösungen Single Point of Failure Agentenorientiert entwickelte Lösung Verbraucher, Generator und Batterie werden durch Agenten vertreten Situationsabhängige Verhandlung über Energieverteilung Resultat Fehlertolerante, effiziente und dynamisch skalierbare Lösung Praxistaugliche Implementierung (Speicherplatz, Reaktionsgeschwindigkeit) Patentanmeldung durch Fa. Daimler AG 12

13 Operative Einheiten Selbstmanagende Automatisierungssysteme Selbstständige Durchführung von Selbstheilung Selbstkonfiguration durch das Automatisierungssystem Bereitstellung von Self-X-Funktionalitäten durch agentenorientiertes Selbstmanagementsystem Autonome Ausführung und Koordination von Self-X-Funktionalitäten durch Selbstmanagementagenten Dr. Hisham Mubarak selbstmanagendes Automatisierungssystem Selbstmanagementsystem Handeln Informationserfassung Handlungsbedarfsermittlung Maßnahmenauswahl Selbstmanagementschnittstelle operatives Automatisierungssystem operatives Automatisierungssystem 13

14 Agenten als operative Einheiten Agentenorientierte Entwicklung komplexer Automatisierungs- und Regelungssysteme (DFG-Projekt AUREG) Einsatz von Agenten für komplexe Regelungsaufgaben Einsatz von qualitativen Modellen zur Beherrschung der Komplexität Konzeption einer Entwicklungsmethode für flexible, dezentrale Agentensysteme Softwaretechnologie zur effizienten Realisierung ressourcenschonender Agentensysteme Stephan Pech Steuerungs- und Regelungssystem Regler-Agent 1 Interaktionen Regler-Agent 2 Regler-Agent n Regelstrecke 1 Wechselwirkungen Regelstrecke 2 Regelstrecke n Technischer Prozess 14

15 Gliederung Einführung in Agenten Agenten als operative Einheiten zur Organisation und Überwachung als Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Zusammenfassung 15

16 Organisation und Überwachung Planung/Entwicklung Operativer Betrieb Operativer Betrieb Organisation/Überwachung 16

17 Organisation und Überwachung Agentenorientierte Ablaufplanung für Fertigungssysteme Zeitliche Ablaufplanung durch zielorientierte Verhandlung der beteiligten Agenten Automatische Anpassung der Ablaufplanung aufgrund unvorhergesehener Ereignisse möglich Strukturelle Änderungen der Fertigungsanlage werden zur Laufzeit berücksichtigt Dr. Iman Badr Geplante Aufträge Auftrag 1 Auftrag Auftrags- Auftrags- Auftrags- Auftrags- Agent Auftrags- Agent Agent Agent Agent M1 M2 M3 t Planung Überwachung und globale Optimierung Auftragsbezogene Optimierung Optimierung der Auslastung der redundanten Ressourcen Ressourcenbezogene Optimierung Anlagen- Agent Anlagen- Agent Anlagen- Agent Fertigungssteuerung 17

18 Organisation und Überwachung Agentenbasierte Informationsgewinnung Innovativer Ansatz zur systematischen Datensuche und Informationsgewinnung in Automatisierungssystemen Transparente, technologieunabhängige Bereitstellung prozess- und anlagenbezogener Informationen durch Agenten Dynamische Erweiterbarkeit des Systems zur Laufzeit durch flexible Interaktionsbeziehungen der Agenten untereinander Anwender A 1? Anfrageagent 1 Globale Ontologie Anfrageagent n Stephan Pech Lokale Ontologie 1 Suchagent 1 Suchagent n Lokale Ontologie n Metamodell 1 Metamodell n Datenquelle 1 Datenquellenagent 1 Datenquellenagent n Datenquelle n 18

19 Organisation und Überwachung Agentenbasierte Simulation und Überwachung von kritischen Systemen Simulation kritischer Flugzeugsysteme und Überwachung von Sicherheitsanforderungen Prüfung von Anforderungen (funktional/nichtfunktional) Durchführung von Test-Cases Repräsentation von Systemelementen (Aggregate/Knoten) Repräsentation von Verbindungen/Pfaden Struktur- Agent Validierungs- & Verifikations-Agent Monitoring- Agent Abbild des Systems (offline) Filterung und Komprimierung von Informationen Unterstützung bei der Einhaltung von Anforderungen Überwachung der Struktur 19

20 Gliederung Einführung in Agenten Agenten als operative Einheiten zur Organisation und Überwachung als Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Zusammenfassung 20

21 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Planung/Entwicklung Operativer Betrieb Operativer Betrieb Organisation/Überwachung 21

22 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Engineering von Automatisierungssystemen CAE-Werkzeug Dr. Thomas Wagner Komponenten auswählen konfigurieren verknüpfen Prüfungen Anpassungen Konsistenzsicherung Fehlererkennung Vertretung von realen Komponenten durch Agenten beim Engineering Integration von Entwicklungs-Know-how in Agentensystem Übernahme komplexer menschlicher Aufgaben Erkennung und Handhabung von Komponenten-Wechselwirkungen durch Interaktionen Unterstützung durch flexible Prüfung und Teilanpassung nach Vorgaben des Ingenieurs 22

23 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Agentenbasiertes Testmanagement Einsatz von Agenten zur Unterstützung und Überwachung des Managements von Testzyklen Dr. Christoph Malz Testfallpriorisierung Ressourcenzuteilung Vertretung von Testobjekten des Modul-, Integrations- und Systemtests durch Agenten 5 Testfall agent agent agent Testfall T1 T1 T1 Testfälle Testteam T1 2 Testobjektagent SYS System Vertretung von Testfällen durch Agenten Vertretung von Testressourcen durch Agenten Verhandlungen über Priorität und Ressourcennutzung Testfälle Testfallagent E1 E1 Testobjektagent A 1 Modul A Testobjektagent AB Teilsystem AB A B Integration Entwicklungsteam E1 Testobjektagent B Modul B 23

24 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Agentengestützte Konstruktion (DFG-Projekt ProKon) Einsatz von Agenten zur Unterstützung und Überwachung von Konstruktionsprozessen Vertretung von Konstruktionselementen und Baugruppen durch Agenten Reem Kadadihi Identifikation von neu erstellten Konstruktionselementen Identifikation von Abhängigkeiten zwischen Konstruktionselementen Vertretung von Konstruktionsaspekten (Geometrie, Werkstoff, ) durch Agenten Ausführung von Konstruktionsprüfungen hinsichtlich des jeweiligen Aspekts KE-Agent Welle BG-Agent Welle-Nabe KE-Agent Nabe Aspekt-Agent Werkstoff Aspekt-Agent Funktion Ermittlung von Lösungen bei auftretenden Interessenskonflikten Aspekt-Agent Kosten KE-Agent Lager 24

25 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Agentenbasierte Konsistenzprüfung von Entwicklungsmodellen von mechatronischen Systemen Konsistenzprüfung der voneinander abhängigen Modelle Vertretung von Modellen und Teilmodellen durch Agenten Erkennen von Änderungen Ermittlung der Auswirkungen von Änderungen Abgleich der Modelle mit Hilfe von Konsistenzregeln Ontologien zur Beschreibung der Modelle Michael Rauscher 25

26 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Agentenbasierte Kopplung von heterogenen Engineering-Werkzeugen Propagieren von Änderungen in die einzelnen Werkzeuge Agenten vertreten Werkzeuge Erkennen und propagieren Änderungen Empfangen und beurteilen Änderungsinformationen Setzen Änderungen an den passenden Stellen um Ontologien beschreiben Werkzeuge und Modelle Lokale Ontologie I Globale Ontologie Allgemeine Zusammenhänge Begriffe & Synonyme Physikalische Größen & Einheiten Lokale Ontologie II Übersetzung Werkzeugbegriffe Allgemeinwissen Werkzeugmodellbeschreibung Zusammenhang Werkzeugbegriffe & Datensätze Werkzeug I Eagle S Agent I Agent II Schaltplan S Werkzeug II Matlab/Simulink Simulationsmodell 26

27 Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Agentenbasierte Lösung von gekoppelten numerischen Problemstellungen Intelligente Kopplung von verteilten numerischen Simulationen Zerlegung komplexer numerischer Probleme in Teilprobleme Durchführung einzelner Teilsimulationen durch Agenten Abgleich der Teilsimulationen Abbruch, Anpassung der Startwerte und Neustart der Teilsimulationen Zusammenführung der Teilergebnisse Temperatur- Agent Teilproblem 1: Temperatur Teilproblem 2: Strom Koordinations- Agent Gesamtproblem Strom-Agent 27

28 Gliederung Einführung in Agenten Agenten als operative Einheiten zur Organisation und Überwachung als Unterstützung in Entwicklung und Betrieb Zusammenfassung 28

29 Zusammenfassung Agentenorientierte Softwareentwicklung in der Automatisierungstechnik inhärente funktionale Verteilung Agentensystem komplexe, variable Abläufe strukturelle Veränderbarkeit umfangreiche Koordinationsprozesse Unterstützung durch Agenten im operativen Betrieb von Automatisierungssystemen bei Organisations-, Überwachungs- und Testaufgaben bei Entwicklung und Engineering von Automatisierungssystemen Konzepte für die Softwareentwicklung Hilfsmittel für Analyse, Entwurf und Implementierung von verteilten, komplexen Automatisierungssystemen Autonome Softwareeinheiten: zielorientiert, aktiv, kooperativ, flexibel und anpassungsfähig Zukünftige Automatisierungssysteme: flexible, dezentrale Netzwerke aus autonomen, kooperierenden Elementen 29

30 Ausblick: Industrie 4.0 Planung/Entwicklung Operativer Betrieb Operativer Betrieb Organisation/Überwachung 30

31 Vielen Dank für Ihr Interesse! 31