Anwendungsspezifische Entwicklung eines proaktiven Konstruktionssystems auf Basis von Softwareagenten

Abstract

Innerhalb des ProKon-Projekts wurde der Kern eines proaktiven Konstruktionssystems auf Basis von Softwareagenten entwickelt. Zum Nachweis der grundlegenden Funktionsweise erfolgte darin ebenso die Ausrichtung dieses Kernsystems auf eine fiktive Anwendung, die in der Industrie evaluiert werden konnte. Zur Erbringung der Funktionalität müssen Softwareagenten generell Aufbau- und Ablaufstrukturen in einer Organisation repräsentieren, die sich jedoch nach Unternehmen, Branche und Produkt unterscheiden. Dem entsprechend kann ein proaktives Konstruktionssystem nicht alle Anwendungen gleichermaßen unterstützen. Das Kernsystem muss vielmehr auf eine spezifische Anwendung ausgerichtet werden. Unter Beachtung des Stands der Forschung ist dafür eine modellbasierte Vorgehensweise notwendig, die die Abgrenzung von Wissens- und Symbolebene berücksichtigt. Bisherige Vorgehensweisen zur Entwicklung von wissensbasierten Systemen und Agentensystemen konnten die aufgestellten Anforderungen nur punktuell erfüllen. Aus der Analyse des bereits existierenden Kernsystems aus dem ProKon-Projekt resultierte, dass ein Organisations-, ein Agenten- und ein Organisationsmodell von einem Wissensingenieur zu erarbeiten ist. Die Erarbeitung des Organisationsmodells als erstes Modell der Vorgehensweise hat das Ziel, den Einsatzkontext des proaktiven Konstruktionssystems anwendungsspezifisch zu analysieren und abzubilden. Generell leistet das auf eine Anwendung ausgerichtete, proaktive Konstruktionssystem besonders bei Variantenkonstruktionen Unterstützung. Dort werden geometrische Änderungen an einem bestehenden Produktmodell durchgeführt, was sich mit der Funktionalität des Systems deckt. Durch den Abgleich des so erhobenen Einsatzkontextes mit 31 vordefinierten Kriterien, ist es dem Wissensingenieur möglich, zu entscheiden, in wie fern der Einsatz des proaktiven Konstruktionssystems unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll ist. Das Agentenmodell als zweites Modell in der Vorgehensweise beinhaltet die Agenten, die für die Unterstützung der spezifischen Anwendung notwendig sind. An dieser Stelle erfolgt der Einsatz des Contact and Channel Approaches (C&C²-A) als Möglichkeit zur systematischen Produktanalyse. Letztlich ist es die Aufgabe des Wissensingenieurs, ein Wissensmodell zu erarbeiten um den identifizierten Agenten das richtige Wissen zur Unterstützung der spezifischen Anwendung zuzuweisen. Das Wissensmodell wird durch semi-formale Wissensbeschreibungen in Form von Wissenskarten dargestellt, die in einen Zusammenhang gebracht und Agenten zugewiesen werden. Die Erarbeitung der drei Modelle befindet sich auf der informalen Wissensebene. Die Ergebnisse aus der Vorgehensweise werden dem Softwareingenieur zur formalen Entwicklung des proaktiven Konstruktionssystems übergeben, der auf der Symbolebene operiert. Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der Vorgehensweise konnte durch sechs Fachexperten bestätigt werden, wobei die Anwendbarkeit durch Untersuchungen mit Probanden zudem gesondert untersucht wurde. Eine Ergänzung fand durch die Evaluation des ProKon-Systems im industriellen Kontext statt, wobei acht Konstrukteure das ProKon-System testen konnten. Zur Entwicklung des Prototyps wurden zwei der drei Modelle erarbeitet und von einem Softwareingenieur umgesetzt. Die gesamte Evaluation ergab, dass 17 der 22 Anforderungen erfüllt wurden. Fünf Anforderungen wurden teilweise erfüllt.

The ProKon project deals with the development of a multi-agent design system (MADS) as one form of knowledge based system, whereby the project served as a feasibility study. The basic functionality of the ProKon system comprises a consistency check of a product model in accordance with requirements, the function and Design for X-guidelines. If there are some inconsistencies, the ProKon system finds solutions and autonomously realises them into the product model. The ProKon system serves as a personal assistant to design engineers, whereby they get assisted and not overruled. The aim of the system is to increase the level of accordance with Design for X-guidelines. Besides that, the time for gathering, assessing and internalising knowledge and the time for improving and revising complex product models should decrease. Then, design engineers are able to concentrate more on the value-added activities. As a result, a core system has been developed which includes the basic functionality, the communication between the agents, the fundamentals of knowledge processing and the architecture. However, the core system is not aligned to a specific application and organisation. Therefore, it does not comprise neither application oriented agents nor organisational knowledge. But those are needed to really support design engineers. To align the core system to a specific application and organisation, the present work describes a model-based procedure. As foundations, the CommonKADS approach as well as the distinction between the knowledge level and the symbol level is used. Three models are intended: organisation model, agent model and knowledge model. They are located on the knowledge level without sparing a thought about computer aspects. First, the organisation model represents the ideal application within an organisation for the ProKon system. This application for the ProKon system is defined, inter alia, by an engineering design process in which the product is developed by changing geometrical dimensions and material configurations (variant design). Original designs and adaptive designs cannot be effectively supported by the ProKon system. Moreover, the engineering design process should be iterative and has to have different process owners with opposed goals. The product should not exceed a certain level of complexity and the organisation itself needs to be susceptible to methods in knowledge management. Within the organisation model, the approach of Hubka and Eder is used to figure out which success factors have to be considered in order to analyse organisations. By means of these success factors and subsequent criteria, knowledge engineers are empowered to identify the application in which the ProKon system can be used. Once a suitable application in an organisation has to be identified, the application specific agents have to be identified. This is done by carrying out a graphical product analysis by using the Contact and Channel Approach (C&C²-A). Knowledge engineers model the product by means of system boundaries, working surface pairs and channel structures in order to identify the force transmission. With an analogy, the needed object agents and specialist agents are identified and stored in the agent model. One specialist agent deals with one knowledge domain. Therefore, it has to be ensured that this agent can access formalised knowledge within this knowledge domain. In addition to specialist agents, knowledge for aspect agents has to be acquired. This is realised by five steps to achieve a knowledge model. The knowledge model finally stores knowledge on a semi-formal level by neglecting computer specific integration aspects. The specific outcomes of the knowledge model are ProKon-knowledge forms, knowledge distributions and knowledge-to-role structures. The knowledge engineer passes the models to software engineers. They operate on the symbol level and realise the ProKon system for an application. Both knowledge engineers and software engineers are the decisive roles in the development process of the ProKon system. Supporting roles are decision makers and leading design engineers. Within the ProKon project a fictive application has been developed. A gear shaft with spur wheels, bearings, sealings, circlips and one fitted key serves as the application scenario. Due to the fact that the ProKon project is publicly funded, the participation of industrial organisations is not common practice. The organisation model could not be used in this case. However, the agent model and the knowledge model were developed to build up the foundation of the prototype.