Entwicklung eines diskreten agentenbasierten Simulationsmodells zur Abbildung modularer cyber-physischer Montagesysteme

Abstract

Die steigende Variantenvielfalt an Produkten, immer kleiner werdende Losgrößen und kürzere Lebenszyklen stellen produzierende Unternehmen in der heutigen Zeit vor Herausforderungen. Diese Treiber haben den Einsatz von wandlungsfähigen modularen Montagesystemen, die über modernste Informationsund Kommunikationsfähigkeit verfügen, etabliert. Im Stand der Technik weist jedoch die Planung und Steuerung dieser Systeme durch intelligente Agenten noch erhebliche Lücken auf. Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung eines Modells zur Abbildung von modularen cyber-physischen Montagesystemen, deren Planung und Steuerung unter Verwendung von autonom handelnden Agenten in einer diskreten ereignisorientierten Simulation erfolgt. Zu diesem Zweck werden die Phasen der Anforderungsanalyse, des Entwurfs, der Implementierung und des Tests des erweiterten Wasserfallmodells unter Anwendung von Methoden durchlaufen. Dadurch wird ein schrittweises Vorgehen zur Entwicklung einer Simulation für modulare cyber-physische Montagesysteme auf der Produktionsebene der Arbeitsstation präsentiert. In der Phase der Anforderungsanalyse wird ein Anforderungsinterview mit zukünftigen Benutzern des Systems und eine systematische Literaturrecherche mit mehr als 8.500 Suchergebnissen durchgeführt. Im Entwurf wird mit Hilfe der objektorientierten Modellierung in der Unified Modeling Language (UML) der Aufbau der einzelnen Grundelemente des Montagesystems und das Ablaufschema der Simulation entwickelt. Das präsentierte Modell besteht im Aufbau aus den vier Grundelementen „Auftrag“, „Produkt“, „Arbeitsstation“ und „Modul“. Die Abarbeitung der Aufträge erfolgt über Auftragsund Arbeitsstationsagenten unter Verwendung des Interaktionsprotokolls „Contract Net“. In der Phase der Implementierung wird das Modell in eine objektorientierte Simulationssprache überführt. In der abschließenden Testphase sorgt die Methode der funktionalen Äquivalenzklassenbildung für eine ausreichende Funktionalität der Software. Erste Simulationsläufe mit Testdaten zu einem Spielzeug-Lkw aus der TU Wien Pilotfabrik Industrie 4.0 zeigen die Anwendbarkeit des Ansatzes.

The increasing diversity of product variants, ever smaller lot sizes and short life cycles pose challenges for manufacturing companies nowadays. These drivers have established the use of versatile modular assembly systems with most modern information and communication capabilities. The planning and control of these systems by intelligent agents still contains considerable gaps in the state of the art. The aim of this thesis is to develop a model for the representation of modular cyber physical assembly systems, which are planned and controlled by autonomously acting agents in a discrete event simulation. For this purpose, the phases of the requirements analysis, design, implementation and testing of the extended waterfall model were carried out using methods. Thus, a step by-step procedure for the development of a simulation for modular cyber physical assembly systems on the production level of the workstation is presented. In the phase of the requirements analysis, a requirements interview with future users of the system, and a systematic literature review with more than 8,500 results are conducted. In the design, the structure of the individual basic elements of the assembly system and the procedure of the simulation are developed with the aid of object-oriented modeling in the Unified Modeling Language (UML). The presented model consists of the four basic elements “order”, “product”, “workstation” and “module”. The orders are processed by order and workstation agents using the interaction protocol "Contract Net". During the implementation phase, the model is transferred into an object-oriented simulation language. In the final test phase, the method of the functional equivalence partitioning ensures sufficient functionality of the software. Preliminary simulation runs with test data from a toy truck from the TU Vienna Pilot Factory Industry 4.0 show the applicability of the approach.