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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren sowie ein zugehöriges Computerprogramm(produkt) ein System zur Optimierung einer Anordnung von aus wenigstens einem Gebilde gebildeten Objekten zur Nutzung derselben zur Gestaltung einer technischen Anlage.
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Anlagentechnik, z.B. in Planung von Zugmaschinen bzw. Zugfahrzeuge z.B. für Lastzüge bzw. Sattelzüge oder Güterbahnzüge. Es sind jedoch auch andere Anwendungen bzw. Anlagentypen wie z.B. Photovoltaik-, Betriebseinrichtungen für Flugzeuge und Fahrzeuge und Chipsatzplanungen möglich. Besonders geeignet sind Anlagenplanungsfelder, bei denen Teile einer Anlage innerhalb einer begrenzten Fläche oder eines begrenzten Raumes geplant werden. Im Folgenden wird dieses Anlagenplanungsfeld Flächenplanung genannt. So sind bei einer Zugmaschine z.B. die Teile Tank, Kühler, Radaufhängung, Radachsen etc. in Teilgebiete des Zugfahrzeugs, die jeweils z.B. in drei Teilgebiete durch zwei Hauptträger entlang der Unterseite des Zugfahrzeugs horizontal begrenzt und z.B. vertikal in Teilgebiete innerhalb der Fahrzeugkabine und außerhalb der Fahrzeugkabine ggf. um den Sattelaufleger herum aufgeteilt sind, platziert werden sollen.
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Auf Kunden zugeschnittene Anlagenplanung sind eine große Herausforderung. (Groß-)Anlagenplanung erfordern viele komplexe Entscheidungsprozesse, die ineinander greifen müssen, um sich ein Gesamtbild über die zu planende Anlage machen zu können. So eine Anlagenplanung wird in der Regel Software-Tool-unterstützt durchgeführt. Jedoch werden mit den Software-Tools in der Regel nur Teilaspekte einer Anlage betrachtet. Ein Gesamtbild fehlt häufig, da die Schnittstellen zwischen den Software-Tools(-Werkzeugen) oft nicht einheitlich definiert sind und jedes Werkzeug eine eigene beschreibende Darstellung von Anlagenkomponenten aufweist.
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Bei Verwendung einer regel- bzw. wissensbasierten Anlagenplanungstools ist die einheitliche Verwendung von Regeln und die optische Darstellung eines Gesamtüberblicks über die Komponenten der Anlage aus gegebenenfalls einzelnen Planungsteilprozessen schwer zu implementieren. Bei der oben beispielhaft genannten Flächenplanung sind derzeit Methoden zur vollautomatisierten Optimierung der Anlagengestaltung im Planungsprozess nicht vorhanden.
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Es ist es Aufgabe der Erfindung, das eingangs erwähnte Problem hinsichtlich der Optimierung bei der Gestaltung einer technischen Anlage zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beansprucht ein System zur Optimierung einer Anordnung von aus wenigstens einem Gebilde gebildeten Objekten zur Nutzung derselben zur Gestaltung einer technischen Anlage aufweisend:
- – eine Auswahleinrichtung zur Auswahl von Objekten, die anhand der Eigenschaften der Objekte und/oder aus deren Beziehungen untereinander abgeleiteten Anordnungsbedingungen und/oder mittels vorgebbarer Parameter aus einer Menge von bereitgestellten Objekten herausgefiltert sind,
- – eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Zuordnung jedes ausgewählten Objekts zu mindestens einem Teilgebiet der technischen Anlage zu treffen,
- – eine Optimierungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, um eine Optimierung der Anordnung der ausgewählten Objekte innerhalb ihres Teilgebiets durch Drehen und/oder durch Kippen und/oder Sortieren und/oder erneuter Anordnung derselben gegebenenfalls iterativ durchzuführen,
- – eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe der optimierten Anordnung der Objekte, um diese Anordnung für die Gestaltung der Anlage zu nutzen.
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Die Gestaltung der Anlage erfolgt in der Regel innerhalb eines technischen Planungsprozesses. Vorzugsweise lässt sich die Erfindung im Zusammenhang mit einer Flächen-/Raumplanung bzw. Bestückung- bzw. Bepackungsplanung auf einer begrenzten Fläche/Raum bzw. eines begrenzten Rahmens anwenden.
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Die Anlage kann dabei statisch oder beweglich ausgebildet sein.
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Ein aus wenigstens einem Gebilde gebildetes Objekt kann eine geometrische bzw. zweidimensionales Form z.B. ein Rechteck und/oder eine räumliche Form z.B. ein Quader sein.
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Die genannten Gebilde können mehreckeckartige Gebilde mit verschiedenartigen Ausprägungen z.B. Trapez, Fünfeck mit/ohne Ausbuchtung etc. repräsentieren, die in verschiedene Gruppen eingeteilt werden können. Mit anderen Worten ausgedrückt, können Gebilde in einem einfacheren geometrischen Objekt z.B. Rechteck gekapselt werden.
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Die bereitgestellten Objekte können anhand der Eigenschaften verschiedenen Gruppen zugeteilt sein bzw. werden.
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Bei einer beispielhaften Planung von Zugmaschinen können die zu planenden Teilkomponenten z.B. Tank, Kühler, Handaufhängung, Radachsen, durch ein Gebilde dargestellt werden.
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Die Gebilde werden dabei innerhalb eines Rahmens angeordnet. Dieser Rahmen wird vom Benutzer mittels vorgebbarer Parameter z.B. Angabe der Länge, Breite und Höhe in (Kilo-)Metern vorgegeben oder ist vordefiniert.
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Gebilde und Objekte können Eigenschaften wie z.B. rund, eckig aufweisen, Funktionen und Beziehungen zu anderen Gebilde/Objekten aufweisen. Eine solche Funktion kann auch eine Aufgabe einer Teilkomponente einer Anlage sein. Beispielsweise kann eine Teilkomponenten wie z.B. eine Lastaufhängung eines Zugfahrzeuges eine bestimmte Aufgabe übernehmen.
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Das Objekt kann mit ineinander verschachtelte Gebilden ausgebildet und/oder auch hierarchisch aufgebaut sein. Das Gebilde ergibt sich aus technischen Voraussetzungen bzw. Zwängen. Beispielsweise können bestimmte Teile eines Zugfahrzeuges nur an bestimmten Stellen miteinander verbunden bzw. montiert werden. Bestimmte Teile dürfen nicht miteinander verbunden werden.
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Es liegen Anordnungsbedingungen vor, die sich im Beispiel wie folgt, aus den Eigenschaften der der Gebilde und deren Beziehungen untereinander ergeben:
- – spezielle Gebilde dürfen nicht aneinanderstoßen
- – bestimmte Gebilde dürfen nicht überlappen
- – spezielle Gebilde dürfen nur in bestimmten Bereichen des Rahmens angebracht werden
- – spezielle Gebilde müssen bestimmte Stelle berühren (um fixiert bzw. gekoppelt werden zu können)
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Die Anordnung kann eine flächenmäßige (in der Regel zweidimensional) und/oder räumliche (dreidimensional) und/oder zeitliche (ein- = nur zeitl. bzw. vierdimensional = zeitl. und räuml.) Anordnung der Objekte repräsentieren.
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Die Anordnung kann funktional eine (Zug-)Maschinenplanung oder auch eine Chipsatzplanung repräsentierten.
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Das Teilgebiet der Anlage kann sich aus geometrisch und/oder formbedingt und/oder flächenmäßig bedingt und/oder räumlich und/oder zeitlich und/oder funktional zusammenwirkenden Teilkomponenten der Anlage zusammensetzen. Das Zusammenwirken dieser Teilkomponenten z.B. Kopplungskomponenten der Wagen, kann sich im Beispiel durch die maximale Last an der Hinterradaufhängung oder ähnliches ergeben.
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In der Regel wird liegt das Teilgebiet im begrenzten Rahmen oder ist mit diesem identisch.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Optimierung einer Anordnung von aus wenigstens einem Gebilde gebildeten Objekten zur Nutzung derselben zur Gestaltung einer technischen Anlage aufweisend folgende Schritte:
- – Auswahl von Objekten, die anhand der Eigenschaften der Objekte und/oder aus deren Beziehungen untereinander abgeleiteten Anordnungsbedingungen und/oder mittels vorgebbarer Parameter aus einer Menge von bereitgestellten Objekten herausgefiltert werden,
- – Zuordnung jedes ausgewählten Objekts zu mindestens einem Teilgebiet der technischen Anlage,
- – gegebenenfalls iterative Optimierung der Anordnung der ausgewählten Objekte innerhalb ihres Teilgebiets durch Drehen und/oder durch Kippen und/oder Sortieren und/oder erneuter Anordnung derselben,
- – Ausgeben der optimierten Anordnung der Objekte, um diese Anordnung für die Gestaltung der Anlage zu nutzen.
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Das Verfahren kann wie das oben beschriebene System entsprechend weitergebildet werden.
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Im Zusammenhang mit der Bereitstellung der Auswahl an Objekten, der Zuordnung der ausgewählten Objekt und der Optimierung ihrer Anordnung können sogenannte Solver (Problemlösungssoftware) angewandt werden. Bekannt ist beispielsweise CPLEX, ein Programmsystem zur Modellierung und Lösung von Optimierungsproblemen mithilfe der mathematischen Optimierung. CPLEX stellt neben einem kommandozeilen-basierten Solver auch die Modellierungssprache OPL und umfangreiche Bibliotheken zur Verfügung (Quelle: de.wikipedia.org/wiki/CPLEX).
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Anlage, die statisch ausgebildet sein und mindestens eine der folgenden Komponenten umfassen kann:
- – eine Automatisierungsanlage,
- – eine Produktionsanlage,
- – eine Energieanlage,
- – eine Photovoltaikanlage
- – eine Maschine.
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Die Anlage kann auch beweglich ausgebildet sein und mindestens eine der folgenden Komponenten umfassen:
- – ein Fahrzeug,
- – eine fahrbare Maschine,
- – ein Flugzeug.
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Diese genannten Komponenten können somit den Anlagentyp spezifizieren.
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Die Vorrichtung sieht Mittel/Einheiten bzw. Module zur Durchführung des oben genannten Verfahrens vor, die jeweils hardwaremäßig und/oder firmwaremäßig und/oder softwaremäßig bzw. als Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt ausgeprägt sein können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt bzw. ein Computerprogramm mit Mitteln zur Durchführung des oben genannten Verfahrens, wenn das Computerprogramm(produkt) in dem oben genannten System oder Anlage zur Ausführung gebracht wird.
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Die Erfindung weist weiterhin folgende Vorteile auf:
Mit der Erfindung wird eine (voll)automatisierter Optimierung unterstützt.
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Wirtschaftlich werden bei der Zusammenstellung und Montage der Anlagenkomponenten Zeit, ggf. Material und Planungsaufwand eingespart.
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Die Qualität wird verbessert, in dem Fehler bereits in der Planungsphase vermieden werden. Es wird ein guter Überblick über die Anlage durch die Berechnung/Ermittlung der Anordnung und deren Ausgabe auf einer Anzeigevorrichtung oder zur Weiterverarbeitung geliefert. Die Anordnung kann weiter angepasst, korrigiert oder erweitert werden. Benutzerschnittstellen können die Interaktion mit der Erfindung erleichtern.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1, 2 und 13 beispielhaft eine Problemstellung, die erfindungsgemäß gelöst und optimiert werden soll,
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3, 4, 5 und 14 mögliche Lösungen für die Problemstellung,
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6 eine Bereitstellung an Objekten, aus denen eine Auswahl getroffen wird,
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7 Verfahrensschritte und mögliche Systemeinrichtungen zur Durchführung der Verfahrensschritte,
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8, 9, 10a, 10b, 10c und 11 detaillierte Beschreibungen der Verfahrensschritte und der möglichen Systemeinrichtungen,
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12 eine mögliche Architektur für die Erfindung.
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Beispielhaft wird die Erfindung an einem Planungsprozess für ein Zugfahrzeug erläutert. An ein Zugfahrzeug, auch LKW genannt, wird normalerweise ein, ggf. mehrere (wenn zulässige) Anhänger an einer Anhängerhaltevorrichtung montiert. Das Zugfahrzeug soll für einen Kunden gestaltet bzw. entworfen werden. Es sind Teile bzw. Teilkomponenten wie z.B. Kühler, Radaufhängung, eine Anhängerhaltevorrichtung etc. möglich, die in Teilgebiete des Zugfahrzeugs angeordnet bzw. montiert werden sollen. Die Platzierung dieser Teilkomponenten sind von bestimmten Montagebedingungen bzw. Anordnungsbedingungen abhängig. Die Teilgebiete des Zugfahrzeugs können horizontal durch zwei Trägervorrichtungen abgetrennt sein. Es können vertikal weitere Begrenzungen der Teilgebiete festgelegt werden z.B. innerhalb und außerhalb der Fahrerkabine oder um die Anhängerhaltevorrichtung herum.
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In 13 sind die Träger mit Right Rail und Left Rail angedeutet. Als ein Teilgebiet ist der Bereich um die Hinterradaufhängung Rear Suspension angedeutet, der mit den Parametern in Form von Längen-, Breiten- und Höhenangaben begrenzt ist. In 2 werden die oben genannten Teilgebiete des Zugfahrzeugs angedeutet.
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Es werden Gruppen Group 1, Group 2 etc. gezeigt, zu denen jeweils Gebilde in Form von geometrischen Figuren, z.B. Rechteck, Fünfeck, Viereck mit Einbuchtung etc. gehören. In 1 wird beispielsweise Gruppe 5 gezeigt. Zu dieser gehören 3 Gebilde, das mit „Group 5:3“ beschrieben wird. Somit können drei Gebilde aus der Gruppe 5 entnommen werden, wobei doppelte bzw. redundante Gebilde zugelassen sind. Nur bestimmte Gebilde können so ineinander verschachtelt werden, dass sie ein Rechteck, also ein Objekt, ergeben. Die Gebilde haben nicht nur eine geometrische Form, sondern sie weisen auch jeweils Farben z.B. weiß, grau, grün, rot, blau, gelb etc. auf, die in den Figuren nur mit verschiedenen Grautönen dargestellt werden können. In 14 werden die Gruppen 1 bis 8 mit der Anzahl der zu ihnen gehörenden Gebilde beschrieben.
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Diese Zusammensetzung der Objekte unterliegt bestimmten Anforderungen:
- • Beispielsweise dürfen nur weiße, grüne und graue Gebilde einander berühren. Rote und blaue Gebilde dürfen beispielsweise nicht direkt miteinander verbunden werden.
- • Bestimmte Gebilde müssen einen Mindestabstand einhalten, so können diese kein Rechteck bilden.
- • Bestimmte Gebilde können ineinander verschachtelt werden, da sie in der Realität technisch einander koppelbar sind.
- • Bestimmte Gebilde bzw. aus ihnen zusammengesetzte Objekte dürfen nur in bestimmten Teilgebieten angeordnet werden z.B. zwischen den Trägern/Aufhänger etc.
- • Bestimmte Gebilde bzw. aus ihnen zusammengesetzte Objekte können nur gekippt, manche nur gedreht ggf. zu einem gewissen Grad und manche gekippt und gedreht werden etc.
- • Bestimmte Gebilde bzw. aus ihnen zusammengesetzte Objekte dürfen nicht überlappen.
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In 6 werden mögliche Zusammensetzungen an Rechtecken bzw. Objekt aus den Gebilden gezeigt. Aus dieser Menge an Objekten kann jedes Objekt anhand der oben genannten Anforderung mit einer Gewichtung bzw. mit dem Grad der Erfüllung der genannten Anforderungen versehen werden (siehe in der 13: Chucks). Demnach wird in 13 beispielsweise in der Gruppe 8 ein Gebilde mit der Zahl 8 markiert.
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Anhand der Gewichtung wird eine Auswahl an Objekte getroffen, die – wie in 4 an einem Teilgebiet gezeigt – jeweils den verschiedenen Teilgebieten zugeordnet werden. In der Optimierungsphase werden die Objekt unter Einhaltung der obigen Anforderungen bzw. Anordnungsbedingungen ggf. erneut platziert bzw. sortiert und/oder – wie in 5 gezeigt – gedreht und/oder gekippt.
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In 3 wird beispielhaft das Ergebnis gezeigt. Dort sind beispielsweise 3 mal 5 Teilgebiete mit 2 mal 4 (Rahmen-)Begrenzungen gezeigt. Die Begrenzungen können ebenfalls zu den Teilgebieten gezählt werden, da dies auch Anordnungsbedingungen aufweisen. Teilweise dürfen die Objekte diese Begrenzungen überschreiten, teilweise müssen sie die Begrenzungen ggf. mit einem gewissen Abstand einhalten. Dieses Ergebnis an Anordnung kann an einer Anzeigevorrichtung angezeigt und/oder einer Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
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In 14 wird ein mögliches Teilergebnis am „Left Rail“ gezeigt.
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In 7 wird das erfindungsgemäße System schematisch dargestellt:
Ein Rectangle Generator (Rechteckgenerierer) kann beispielsweise folgende Einrichtungen umfassen:
- – Eine Datei (Parameter File), die die bereits erläuterten Parameter bzw. Anforderungen enthält.
- – Eine Generierungseinrichtung Generator, die die in 7 gezeigten Rechtecke, die die Parameter/Anforderungen einhalten, erzeugt.
- – Eine Weitergabeeinrichtung Domination, die die Rechteckliste an den Optimierer Optimizer weitergibt.
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Die Funktionen der gezeigten Einrichtungen können auch in einer Einrichtung zusammengefasst sein.
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Der Optimierer, die die den oben genannten Solver anwenden kann, weist zunächst eine Eingabeeinrichtung auf, die mit dem mit Rectangle List bezeichneten Pfeil angedeutet wird, auf. Es ist weiter eine Auswahleinrichtung vorgesehen, die die oben bereits erläuterte Auswahl an Rechtecken trifft. Eine Verarbeitungseinrichtung ordnet dann diese Rechtecke den jeweiligen Teilgebieten zuordnet. Auswahl- und Verarbeitungseinrichtung können in einer Einrichtung zusammengefasst ein. Eine Optimierungseinrichtung optimiert die Anordnung der Rechtecke in ihren jeweiligen Teilgebieten durch Kippen, Drehen, Sortieren bzw. erneut Anordnen unter Einhaltung der Anordnungsbedingungen. Im bezeichneten Postprocessing wird das Ergebnis (siehe z.B. 3) über eine Ausgabeeinrichtung, die wiederum mit einem Pfeil angedeutet ist, an eine weitere Einrichtung Rulestream Solver, der zuvor die Anfrage (Request) an den Optimierer über eine Benutzerschnittstelle Interface gerichtet hat, ausgegeben und ggf. an einer (dreidimensionalen) Anzeigevorrichtung (3D Visualization) angezeigt bzw. im Rulestream Solver weiterverarbeitet.
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In den 8 und 9 werden die Requirements bzw. Anforderungen an den Generator detaillierter dargestellt mit den mögliche bereitzustellenden Rechtecken und der Rechteckliste (Rectangle List).
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In 10a werden die Teilgebiete gezeigt. In 10c werden Zuordnungen von den Rechtecken zu Teilgebieten gezeigt. In 10b wird das Ergebnis mit ggf. einer (erneuten) Anordnung bzw. Sortierung der Rechtecke gezeigt.
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In 11 wird das Ergebnis, d.h. die Anordnung bzw. deren Darstellung (Layout) detaillierter gezeigt, das gegenüber der 3 und 10b zusätzlich noch die Kippungen und/oder Drehungen aufweist.
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12 stellt im Prinzip die Verfahrensschritte im Kontext einer automatischen bzw. teilautomatischen Abarbeitung mit ggf. manuellen Eingriffen von Seiten des Benutzers dar. D.h. der Benutzer kann die Liste der generierten Rechtecke evaluieren (Substructure Evaluation), bevor die Auswahl der Rechtecke vorgenommen wird. Nach dem oben erwähnten Postprocessing (Nachverarbeitung) kann von Seiten des Benutzers nochmal eine Evaluierung und Qualitätskontrolle (Evaluation & Quality Check) vorgenommen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- de.wikipedia.org/wiki/CPLEX [0024]
