The aim of the thesis was to implement and compare control methods in a model of a main battle tank. Three controllers were implemented in a two axis gimbal model and their performances were compared. The comparisons were performed using step changes in the reference signal, frequency analysis of an oscillating reference signal and disturbances, and turret mass uncertainties. The results showed that the sliding mode controller had the best performance for both reference changes and disturbance attenuation. The PID controller had a better performance for the change in reference, compared to the model predictive controller, but a significantly worse disturbance attenuation. Due to model approximations, such as assuming ideal engines and noise reduction, the results likely show a better performance than what can be expected if applied on a real main battle tank. Therefore, the results show an upper limit of the stabilization performance of turret and barrel control and should only be used to compare the controllers. / Målet med uppsatsen var att implementera och jämföra reglermetoder för en teoretisk modell av en modern stridsvagn. Tre metoder implementerades i ett tvåaxligt gimbalsystem och deras prestanda utvärderades. Mer specifikt utvärderades regulatorernas respons för en referensändring, en referensstörning och osäkerheter i tornets massa och massfördelning. Utifrån dessa resultat jämfördes sedan reglermetoderna. Resultaten visade att sliding mode regulatorn hade bäst prestanda för både referensändring och referensstörningen när man tittar på frekvensanalys av mät- och processstörningar. PID-regulatorn hade en bättre prestanda än MPC-regulatorn för en referensändring men en sämre respons för en referensstö-rning. På grund av modellförenklingar som till exempel antaganden om ideala motorer och brusreduktion visar resultaten troligen en något bättre prestanda än vad som kan uppnås på en riktigt stridsvagn. Det medför att resultaten visar en övre gräns för vad styrsystemet för en stridsvagns torn- och eldrörsrotation kan uppnå.

The Bistable Boom Dynamic Deployment (B2D2) experiment aims to successfully demonstrate the deployment of a 2 meter self-deployable boom in order to offer an efficient alternative for small satellites to conduct higher quality magnetic field measurements. The boom will be placed in a free falling unit, following the CubeSat standard. To obtain reliable results from the deployment, the tumbling rate of the free falling unit must be reduced to acceptable levels. Two cameras located in the free falling unit will record the boom deployment, meaning that they will need to be pointed in the opposite direction of the sun vector to obtain optimal results. To meet these requirements an Attitude Determination and Control System (ADCS) is needed. In this thesis the design, implementation and testing of the ADCS is presented. For B2D2 experiment the ADCS has been developed using a feedback loop where three reaction wheels are used to control the orientation. The attitude will be determined by means of five coarse sun sensors, a three axis magnetometer and an angular rate sensor. The attitude is estimated in two stages: first a deterministic approach computes the instantaneous attitude and the result is then complemented with an multiplicative extended Kalman filter. Finally, a non-linear control law is implemented to command the actuators and close the loop. / Bistable Boom Dynamic Deployment (B2D2) experimentet ämnar att demonstrera utfällningen av en 2-meter lång självutvecklande bom för att erbjuda ett effektivt alternativ för små satelliter att genomföra magnetfältmätningar av högre kvalitet. Bommen placeras i en fritt fallande enhet, utformad enligt CubeSat-standarden. För att få tillförlitliga resultat måste tumlingshastigheten för den fritt fallande enheten reduceras till acceptabla nivåer. Den fritt fallande enheten innehåller även två kameror, vilka ska spela in utfällningen av bommen och för bästa resultat bör kamerorna peka bort från solen. För att uppfylla dessa krav behövs ett attityd bestämnings- och kontrollsystem (ADCS). I denna avhandling presenteras utvecklingen, implementeringen och testning av ADCS systemet. För B2D2 experimentet har ett ADCS utvecklats med hjälp av en återkopplad kontroll loop där tre reaktionshjul används för att kontrollera orienteringen. Experimentets attityd bestäms med hjälp av fem grova sunsensorer, en treaxlig magnetometer samt ett gyroskop. Attityden uppskattas i två steg: först beräknas en deterministiskt metod den momentana attityden, sedan kompletteras resultatet med ett multiplikativt utökat Kalman-filter. Slutligen, implementeras en olinjär kontrollag för att styra reaktionshjulen och stänga kontroll loopen.

The distribution grid has traditionally been a robust design where the lines are protected by the primary substation. Constant access to electricity is important for our society, and a power interruption can have large consequences. Power interruptions also reduce the revenue cap, i.e., how much the utility can charge its customers. Additionally, in the newest regulation from the Swedish Energy Markets Inspectorate, communication and remote control equipment obtained a regulatory value, and the revenue cap increases if that kind of equipment is installed in the grid. Therefore, it has been more attractive for the utility to invest in monitoring and remote control equipment in their distribution grids. In a customer-dense area with high interruption costs, the main question is not if monitoring and remote control should be installed. The question is how to do it and where to start. This thesis aims to give guidelines for implementing monitoring and remote control equipment in an urban distribution grid. The structure of a distribution grid, the system grounding, and the basic principles of fault identification, isolation, and restoration of the system are described. A simulation model for a single cable fault is developed. Cable fault is the most common failure in an underground cable grid. Three different levels of automation are used in the model: level 0 -no communication at all; level 1 -monitoring of the station in SCADA/DMS where at least information from fault indicators is sent; level 2 -monitoring and remote control, the switches can be operated from a SCADA/DMS system. In the simulation, two different datasets are used: reference feeder and real data feeders. The results are evaluated feeder by feeder and in a small grid where several feeders were combined. In total, as long as at least 60-75 % of the secondary substations in the feeder have level 1 or level 2 equipment, the interruption cost and SAIDI decrease by at least 70 %. The result also shows that the strategy to reduce interruption costs is different from the strategy to reduce SAIDI. The network structure is an important factor, and just introducing communication and monitoring and remote control systems will not automatically become a quality boost for the utility company. To implement the technology, broad knowledge and understanding about all parts in the distribution grid is necessary. This includes knowledge about the primary and secondary equipment, the communication, and the limitation of the different parts. / Distributionsnätet har traditionellt varit en robust konstruktion där linjerna skyddas av fördelningsstationer. Konstant tillgång till elektricitet är viktigt för vårt samhälle och ett elavbrott kan ge stora konsekvenser. Avbrott minskar även intäktsramen, det vill säga hur mycket elnätsbolaget kan debitera sina kunder. Dessutom har kommunikation och fjärrkontrollsutrustning i den senaste regleringen från Energimarknadsinspektionen fått ett regulatoriskt värde vilket gör att intäktsramen kommer att öka om den typen av utrustning installeras i nätet. Allt detta har gjort det mer hållbart och lönsamt för elnätsbolag att investera i övervakning och fjärrkontrollsutrustning i distributionsnätet. I ett kundtätt område med höga avbrottskostnader är inte huvudfrågan om övervakning och fjärrkontroll ska installeras, det är mer en fråga om hur man gör det och var man ska börja. Detta examensarbete syftar till att ge riktlinjer för hur man implementerar övervaknings- och fjärrkontrollsutrustning i ett distributionsnät i stadsmiljö. Strukturen för ett distributionsnät, systemjordning och de grundläggande principerna för felidentifiering, isolering och återställning av systemet beskrivs. En modell som simulerade effekten av ett kabelfel utvecklades, kabelfel är det vanligaste felet i ett kabelnät. Tre olika nivåer av automatisering användes i modellen. Nivå 0, ingen kommunikation alls, Nivå 1, övervakning av stationen i SCADA / DMS där åtminstone information från felindikatorer skickas. Nivå 2, övervakning och fjärrkontroll, frånskiljare och brytare kan manövreras från ett SCADA / DMS-system. I simuleringen användes två olika modeller: En referens-modell och en modell med data från verkliga linjer. Resultatet utvärderades linjevis samt i ett litet nät där flera linjer kombinerades. När minst 60–75 % av nätstationerna på linjen har Nivå 1 eller Nivå 2 utrustning minskar avbrottskostnaden och SAIDI med minst 70 %. Resultaten visar också att olika strategier kan vara nödvändigt beroende om målet är att minska avbrottskostnader eller SAIDI. Nätstrukturen är en viktig faktor, och bara genom att införa kommunikation, övervakning och fjärrkontrolls utrustning i nätet blir det inte automatiskt en större tillförlitlighet av elleveransen. För att implementera tekniken med bra resultat krävs bred kunskap och förståelse om alla delar i distributionsnätet. Detta inkluderar kunskap om den primära och sekundära utrustningen, kommunikationen och de olika delarnas begränsningar.

In dieser Arbeit wird erstmalig der Einfluss stochastischer Schwankungen auf endoreversible Modelle untersucht. Hierfür wird die Novikov-Maschine mit drei verschieden Wärmetransportgesetzen (Newton, Fourier, asymmetrisch) betrachtet. Während die maximale verrichtete Arbeit und der dazugehörige Wirkungsgrad recht einfach im Falle konstanter Wärmebadtemperaturen hergeleitet werden können, ändern sich dies, falls die Temperaturen stochastisch fluktuieren können. Im letzteren Fall muss die stochastische optimale Kontrolltheorie genutzt werden, um das Maximum der zu erwartenden Arbeit und die dazugehörige Kontrollstrategie zu ermitteln. Im Allgemeinen kann die Lösung derartiger Probleme auf eine nichtlineare, partielle Differentialgleichung, welche an eine Optimierung gekoppelt ist, zurückgeführt werden. Diese Gleichung wird stochastische Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung genannt. Allerdings können, wie in dieser Arbeit dargestellt, die Berechnungen vereinfacht werden, wenn man annimmt, dass die Fluktuationen unabhängig von der betrachteten Kontrollvariablen sind. In diesem Fall zeigen analytische Betrachtungen, dass die Gleichungen für die verrichtete Arbeit and den Wirkungsgrad ihre ursprüngliche Form behalten, aber manche Terme müssen durch entsprechende Zeitmittel bzw. Erwartungswerte ersetzt werden, jeweils abhängig von der betrachteten Art der Kontrolle. Basierend auf einer Analyse der Leistungsparameter im Falle einer Gleichverteilung der heißen Temperatur der Novikov-Maschine können Schlussfolgerungen auf deren Monotonieverhalten gezogen werden. Der Vergleich verschiedener, zeitunabhängiger, symmetrischer Verteilungen führt zu einer bis dato unbekannten Erweiterung des Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrades im Falle kleiner Schwankungen. Weiterhin wird eine Analyse einer Novikov-Maschine mit asymmetrischen Wärmetransport, bei der das Verhalten der heißen Temperatur durch einen Ornstein-Uhlenbeck-Prozess beschrieben wird, durchgeführt. Abschließend wird eine Novikov-Maschine mit Fourierscher Wärmeleitung, bei der die Dynamik der heißen Temperatur von der Kontrollvariable abhängt, betrachtet. Durch das Lösen der Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung können neuartige Schlussfolgerungen gezogen werden, wie derartige Systeme optimal zu steuern sind. / In this thesis, the influence of stochastic fluctuations on the performance of endoreversible engines is investigated for the first time. For this, a Novikov-engine with three different heat transport laws (Newtonian, Fourier, asymmetric) is considered. While the maximum work output and corresponding efficiency can be deduced easily in the case of constant heat bath temperatures, this changes, if these temperatures are allowed to fluctuate stochastically. In the latter case, stochastic optimal control theory has to be used to find the maximum of the expected work output and the corresponding control policy. In general, solving such problems leads to a non-linear, partial differential equation coupled to an optimization, called the stochastic Hamilton-Jacobi-Bellman equation. However, as presented in this thesis, calculations can be simplified, if one assumes that the fluctuations are independent of the considered control variable. In this case, analytic considerations show that the equations for performance measures like work output and efficiency keep their original form, but terms have to be replaced by appropriate time averages and expectation values, depending on the considered control type. Based on an analysis of the performance measures in the case of a uniform distribution of the hot temperature of the Novikov engine, conclusions on their monotonicity behavior are drawn. The comparison of several, time independent, symmetric distributions reveals a to date unknown extension to the Curzon-Ahlborn efficiency in the case of small fluctuations. Furthermore, an analysis of a Novikov engine with asymmetric heat transport, where the behavior of the hot temperature is described by an Ornstein-Uhlenbeck process, is performed. Finally, a Novikov engine with Fourier heat transport is considered, where the dynamics of the hot temperature depends on the control variable. By solving the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman equation, new conclusions how to optimally control such systems are drawn.

In dieser Arbeit wird erstmalig der Einfluss stochastischer Schwankungen auf endoreversible Modelle untersucht. Hierfür wird die Novikov-Maschine mit drei verschieden Wärmetransportgesetzen (Newton, Fourier, asymmetrisch) betrachtet. Während die maximale verrichtete Arbeit und der dazugehörige Wirkungsgrad recht einfach im Falle konstanter Wärmebadtemperaturen hergeleitet werden können, ändern sich dies, falls die Temperaturen stochastisch fluktuieren können. Im letzteren Fall muss die stochastische optimale Kontrolltheorie genutzt werden, um das Maximum der zu erwartenden Arbeit und die dazugehörige Kontrollstrategie zu ermitteln. Im Allgemeinen kann die Lösung derartiger Probleme auf eine nichtlineare, partielle Differentialgleichung, welche an eine Optimierung gekoppelt ist, zurückgeführt werden. Diese Gleichung wird stochastische Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung genannt. Allerdings können, wie in dieser Arbeit dargestellt, die Berechnungen vereinfacht werden, wenn man annimmt, dass die Fluktuationen unabhängig von der betrachteten Kontrollvariablen sind. In diesem Fall zeigen analytische Betrachtungen, dass die Gleichungen für die verrichtete Arbeit and den Wirkungsgrad ihre ursprüngliche Form behalten, aber manche Terme müssen durch entsprechende Zeitmittel bzw. Erwartungswerte ersetzt werden, jeweils abhängig von der betrachteten Art der Kontrolle. Basierend auf einer Analyse der Leistungsparameter im Falle einer Gleichverteilung der heißen Temperatur der Novikov-Maschine können Schlussfolgerungen auf deren Monotonieverhalten gezogen werden. Der Vergleich verschiedener, zeitunabhängiger, symmetrischer Verteilungen führt zu einer bis dato unbekannten Erweiterung des Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrades im Falle kleiner Schwankungen. Weiterhin wird eine Analyse einer Novikov-Maschine mit asymmetrischen Wärmetransport, bei der das Verhalten der heißen Temperatur durch einen Ornstein-Uhlenbeck-Prozess beschrieben wird, durchgeführt. Abschließend wird eine Novikov-Maschine mit Fourierscher Wärmeleitung, bei der die Dynamik der heißen Temperatur von der Kontrollvariable abhängt, betrachtet. Durch das Lösen der Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung können neuartige Schlussfolgerungen gezogen werden, wie derartige Systeme optimal zu steuern sind. / In this thesis, the influence of stochastic fluctuations on the performance of endoreversible engines is investigated for the first time. For this, a Novikov-engine with three different heat transport laws (Newtonian, Fourier, asymmetric) is considered. While the maximum work output and corresponding efficiency can be deduced easily in the case of constant heat bath temperatures, this changes, if these temperatures are allowed to fluctuate stochastically. In the latter case, stochastic optimal control theory has to be used to find the maximum of the expected work output and the corresponding control policy. In general, solving such problems leads to a non-linear, partial differential equation coupled to an optimization, called the stochastic Hamilton-Jacobi-Bellman equation. However, as presented in this thesis, calculations can be simplified, if one assumes that the fluctuations are independent of the considered control variable. In this case, analytic considerations show that the equations for performance measures like work output and efficiency keep their original form, but terms have to be replaced by appropriate time averages and expectation values, depending on the considered control type. Based on an analysis of the performance measures in the case of a uniform distribution of the hot temperature of the Novikov engine, conclusions on their monotonicity behavior are drawn. The comparison of several, time independent, symmetric distributions reveals a to date unknown extension to the Curzon-Ahlborn efficiency in the case of small fluctuations. Furthermore, an analysis of a Novikov engine with asymmetric heat transport, where the behavior of the hot temperature is described by an Ornstein-Uhlenbeck process, is performed. Finally, a Novikov engine with Fourier heat transport is considered, where the dynamics of the hot temperature depends on the control variable. By solving the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman equation, new conclusions how to optimally control such systems are drawn.

In Verbindung mit eingebetteten Systemen spielte Sicherheit in der Vergangenheit eher eine untergeordnete Rolle. Im Vordergrund standen vorhersagbare Ausführungszeiten und der finanzielle Rahmen. Aufgrund der zunehmenden Vernetzung und der Konzentration mehrerer Anwendungen auf einen Prozessor gewinnt dieser Gesichtspunkt jedoch stärker an Bedeutung. Der Blackfin-Prozessor des Herstellers Analog Devices, welcher die Konzepte von Mikrocontroller und digitalem Signalprozessor in sich vereint, entspricht diesem Trend, indem er die Möglichkeit des Speicherschutzes integriert. Das Betriebssystem uClinux wurde speziell auf die Bedürfnisse von eingebetteten Systemen angepasst, da es im Gegensatz zu Linux keinen virtuellen Speicher unterstützt. Es wurde zwar bereits auf die Architektur des Blackfin Prozessors portiert, verfügte jedoch bisher nicht über nennenswerte Mechanismen zum Schutz des Speichers. Der Hauptteil dieser Diplomarbeit besteht deshalb darin, Linux’ Speicherverwaltung zu analysieren, einen ähnlichen Ansatz in uClinux zu implementieren und schließlich den Einfluss auf die Leistung des Systems zu ermitteln. Die entstandene Realisierung schützt sowohl den Speicher einzelner Prozesse als auch den des Betriebssystemkerns. Obwohl die Lösung im Moment noch prototypischen Charakter besitzt, ist sie bereits voll funktionsfähig. Des Weiteren diskutiert die Arbeit auch den Ansatz des alleinigen Kernel-Schutzes und unterbreitet einen Vorschlag zur Verringerung der Interrupt-Latenzzeit. / In the past, embedded system’s security has been often omitted in order to trade it for system cost and more predictable execution timings. Due to the pressure induced by increased networking and multitasking, this issue is getting more important. Therefore, Analog Devices’ Blackfin processor, which combines capabilities of signal processing and controlling, additionally provides means for memory protection. The operating system uClinux, which is especially suitable for embedded systems because support for Virtual Memory has been removed, has already been ported to the Blackfin architecture, but still lacks support for memory protection. Thus, the main effort of this thesis consists of analysing Linux’s memory management, reimplementing similar approaches into the uClinux kernel, and measuring the resulting overhead. The implemented protection scheme does secure both particular processes and kernel space. Even if it is still in a prototypical state, memory protection is fully functional. In addition, approaches for exclusive kernel protection and reducing interrupt latency are discussed.

In Verbindung mit eingebetteten Systemen spielte Sicherheit in der Vergangenheit eher eine untergeordnete Rolle. Im Vordergrund standen vorhersagbare Ausführungszeiten und der finanzielle Rahmen. Aufgrund der zunehmenden Vernetzung und der Konzentration mehrerer Anwendungen auf einen Prozessor gewinnt dieser Gesichtspunkt jedoch stärker an Bedeutung. Der Blackfin-Prozessor des Herstellers Analog Devices, welcher die Konzepte von Mikrocontroller und digitalem Signalprozessor in sich vereint, entspricht diesem Trend, indem er die Möglichkeit des Speicherschutzes integriert. Das Betriebssystem uClinux wurde speziell auf die Bedürfnisse von eingebetteten Systemen angepasst, da es im Gegensatz zu Linux keinen virtuellen Speicher unterstützt. Es wurde zwar bereits auf die Architektur des Blackfin Prozessors portiert, verfügte jedoch bisher nicht über nennenswerte Mechanismen zum Schutz des Speichers. Der Hauptteil dieser Diplomarbeit besteht deshalb darin, Linux’ Speicherverwaltung zu analysieren, einen ähnlichen Ansatz in uClinux zu implementieren und schließlich den Einfluss auf die Leistung des Systems zu ermitteln. Die entstandene Realisierung schützt sowohl den Speicher einzelner Prozesse als auch den des Betriebssystemkerns. Obwohl die Lösung im Moment noch prototypischen Charakter besitzt, ist sie bereits voll funktionsfähig. Des Weiteren diskutiert die Arbeit auch den Ansatz des alleinigen Kernel-Schutzes und unterbreitet einen Vorschlag zur Verringerung der Interrupt-Latenzzeit. / In the past, embedded system’s security has been often omitted in order to trade it for system cost and more predictable execution timings. Due to the pressure induced by increased networking and multitasking, this issue is getting more important. Therefore, Analog Devices’ Blackfin processor, which combines capabilities of signal processing and controlling, additionally provides means for memory protection. The operating system uClinux, which is especially suitable for embedded systems because support for Virtual Memory has been removed, has already been ported to the Blackfin architecture, but still lacks support for memory protection. Thus, the main effort of this thesis consists of analysing Linux’s memory management, reimplementing similar approaches into the uClinux kernel, and measuring the resulting overhead. The implemented protection scheme does secure both particular processes and kernel space. Even if it is still in a prototypical state, memory protection is fully functional. In addition, approaches for exclusive kernel protection and reducing interrupt latency are discussed.

Die vorliegende Dissertation hat einen technologischen und einen anwendungsbezogenen Schwerpunkt. Technologisch ordnen sich die präsentierten Forschungsergebnisse in das Gebiet der "Swarm Intelligence" (dt.: Schwarm-Intelligenz) ein. Swarm Intelligence ist ein Teilbereich der Informatik, der sich an der Überschneidung zwischen der Multi-Agenten Systeme Forschung der Künstlichen Intelligenz und dem Forschungsgebiet "Artificial Life" (dt.: Künstliches Leben) befindet. Im Gegensatz zur Swarm Intelligence im allgemeinen, überträgt der spezielle Ansatz "Synthetic Ecosystems" (dt.: synthetische Ökosysteme) nicht nur Koordinationsmechanismen aus biologischen Multi-Agenten Systemen, wie zum Beispiel Insekten Kolonien, in den Entwurf künstlicher Systeme. Vielmehr sollen die grundlegenden Prinzipien "natürlich" entstandener komplexer Systeme, also auch zum Beispiel einer Aktienbörse, übernommen werden. Als anwendungsbezogener Hintergrund der Dissertation wurde die verteilte Steuerung moderner industrieller Fertigungsanlagen gewählt. Die Fertigungssteuerung ist ein geeignetes Anwendungsfeld für die Technologien, die im Rahmen der Forschungsarbeiten entwickelt wurden. Damit dient die Präsentation eines synthetischen Ökosystems für die Fertigungssteuerung der Demonstration des neuartigen Ansatzes zum Entwurf, Realisierung und Evaluierung komplexer, industriell relevanter Systeme. Gleichzeitig leistet die vorgestellte Architektur der Fertigungssteuerung und die darin verwandten Koordinationsverfahren einen Beitrag zur Weiterentwicklung holonischer Produktionssysteme. Der holonische Ansatz zur Produktionsplanung und -steuerung genießt derzeit große Aufmerksamkeit sowohl in der Forschung als auch in der Industrie. Als Teilgebiet der Entwicklung intelligenter Fertigungssysteme (engl.: IMS - Intelligent Manufacturing Systems), propagiert der holonische Ansatz eine Abkehr von der traditionell zentralistischen und hierarchischen Planung und Steuerung hin zu selbst-organisierenden Systemen autonom (inter-)agierender Individuen ("Holone"). Bei der praktischen Umsetzung holonischer Systeme werden sehr häufig Technologien aus der Multi-Agenten Systeme Forschung angewandt. Mit dieser Dissertation rücken auch synthetische Ökosysteme in das Blickfeld holonischer Systeme. Natürliche Agentensysteme im allgemeinen und Kolonien sozialer Insekten im besonderen faszinieren durch ihre Robustheit, ihre Flexibilität und ihre Anpassungsfähigkeit. Solche Systeme bestehen häufig aus sehr vielen, sehr einfachen Individuen und doch weisen sie ein komplexes und koordiniertes Gesamtverhalten auf. Es gibt mehrere Zweige in unterschiedlichen Wissenschaften, zum Beispiel in der Biologie, Physik, Ökonomie oder in der Informatik, die sich mit verteilten Systemen lokal interagierender Individuen beschäftigen. Ihre Erforschung resultiert in einer Reihe wiederholt beobachteter grundlegender Eigenschaften. Um künstlich erschaffene Systeme mit ähnlichen Eigenschaften auszustatten werden Entwurfsprinzipien für das Design von Multi-Agenten Systemen in dieser Dissertation vorgeschlagen. Jedes Entwurfsprinzip wird systematisch eingeführt, motiviert und in seinen Konsequenzen für Anwendungen in der Fertigungssteuerung diskutiert. Stigmergie ist ein grundlegendes Konzept der Koordination einer großen Anzahl von Individuen unter anderem in Kolonien sozialer Insekten. Die Formulierung dieses Konzepts ist auf den Biologen Grassè zurückzuführen, welcher in der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts das Schwarmverhalten von Termiten untersuchte. Stigmergie beruht auf der Tatsache, daß das Verhalten eines jeden Individuums durch die aktuelle Konfiguration seiner lokalen Umwelt bestimmt wird. Die Umwelt wiederum, wird durch die Aktivitäten der Individuen verändert. Diese Wechselwirkung führt in Verbindung mit entsprechend ausgelegten individuellen Verhaltensmustern zur Emergenz einer global koordinierten Erfüllung der anstehenden Aufgaben der Kolonie. Im Detail wird sematektonische von marker-basierter Stigmergie unterschieden, wobei bei sematektonischer Stigmergie der Zustand der Aufgabenerfüllung selbst (z.B. Stand des Nestbaus) das Individualverhalten beeinflußt, während marker-basierte Stigmergie aufgabenunabhängige Marker (z.B. Pheromone) in der Umwelt platziert. Multi-Agenten Systeme finden ihre Realisierung in Software, welche gegebenenfalls an physische Aktuatoren gekoppelt ist. Im allgemeinen besteht diese Software aus einer Laufzeitumgebung und den darin ausgeführten Agenten. Die vorliegende Dissertation präsentiert eine Erweiterung von Laufzeitumgebungen um eine anwendungsunabhängige Pheromon Infrastruktur (PI). Die PI ermöglicht es den Softwareagenten des jeweiligen synthetischen Ökosystems, künstliche Pheromone als Datenstrukturen in einem virtuellen Raum abzulegen und wahrzunehmen. Diese Datenstrukturen dienen als Marker in stigmergetischen Koordinationsmechanismen. Die Algorithmen der PI operieren auf diesen künstlichen Pheromonen und emulieren die natürlichen Vorgänge der räumlichen Ausbreitung und Verdunstung von Pheromonen auf abstrakter Ebene. Zusätzlich wird das natürliche Vorbild um eine automatische Aufbereitung von Informationen erweitert. Die Funktionalität der PI wird in dieser Dissertation spezifiziert. Des weiteren wird ein formales Modell erstellt, welches die Grundlage einer numerischen Analyse der Eigenschaften der PI bildet. Die Analyse liefert Vorhersagen für das Entstehen von räumlichen Mustern von Pheromonkonzentrationen in der PI. Diese Vorhersagen können dann in der Feineinstellung und der Evaluierung von Koordinationsmechanismen verwendet werden. Außerdem dient das formale Modell als Grundlage für den Beweis der globalen Stabilität der PI. Damit ist gesichert, daß unabhängig von der gewählten räumlichen Struktur und den von der jeweiligen Anwendung generierten Pheromonen die Konzentrationen der Pheromone immer in ihrer Stärke begrenzt sind. Der Beweis der globalen Stabilität ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der PI in praktischen Anwendungen. Die Spezifikation einer verteilten Realisierung der PI bildet den Abschluß der allgemeinen Betrachtung. Die Agenten, welche die (virtuelle) räumliche Struktur der PI widerspiegeln, werden im Detail spezifiziert. Auf der Basis dieser Spezifikation ist im Rahmen der Dissertation ein Prototyp der PI realisiert worden. Dieser Prototyp diente dem Nachweis des vorhergesagten Verhaltens der Infrastruktur und der späteren Evaluierung des entwickelten Fertigungssteuerungssystems. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Dissertation wird ein neuartiger Ansatz zur Fertigungssteuerung betrachtet. Die absehbaren Veränderungen der äußeren Bedingungen der industriellen Produktion, ausgelöst durch den globalen Übergang von Anbieter- zu Verbrauchermärkten, erfordert die Fertigung immer komplexerer und variantenreicherer Produkte in ständig schwankenden Stückzahlen und deutlich verkürzten Lebenszyklen bei gleichzeitig sinkenden Kosten. Zur Erfüllung dieser Anforderungen in der Massenproduktion wandelt sich die traditionell starr verkettete Strangfertigung (z.B. Transferstraßen) zur flexiblen Fließfertigung (z.B. flexible Bearbeitungszentren). Die Steuerung einer flexiblen Fließfertigung erfordert neue Herangehensweisen. In einer holonischen Fertigung, zum Beispiel, organisiert sich die Produktionsplanung und Produktionssteuerung selbst um die Erfüllung der aktuellen Aufträge. Dabei werden in der Steuerung verteilte, reaktive Verfahren verwendet, welche eine deutlich gesteigerte Robustheit und Flexibilität gegenüber Störungen und Veränderungen aufweisen. Der Übergang zur flexiblen Fließfertigung bedeutet die Einführung von Flexibilität in der Bearbeitung aber auch im Transport des Materials. Es ist eine grundlegende Eigenschaft dieser Fertigungssysteme, daß zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Reihe möglicher Transportwege und damit eine Vielzahl möglicher Muster im Materialfluß zur Verfügung stehen. Dabei führt aber nur eine kleine Menge dieser Muster zu einer bestmöglichen Erfüllung der globalen Produktionsziele (z.B. hoher globaler Durchsatz). Es ist also die Aufgabe der Fertigungssteuerung in jeder Situation das bestmögliche Materialflußmuster zu erreichen. Ist ein verteilter Ansatz für die Steuerung gewählt worden, so muß diese Optimierung nach globalen Produktionszielen in die lokalen Steuerungsentscheidungen integriert werden, ohne die Autonomie der lokalen Einheiten zu verletzen. Die Dissertation präsentiert ein sogenanntes geführtes Fertigungssteuerungssystem (GFSS), welches einen verteilten und reaktiven Steuerungsansatz mit einer Flußoptimierung unter Beachtung globaler Produktionsziele in neuartiger Weise verbindet. Der Entwurf des GFSS folgte den vorgeschlagenen Prinzipien für synthetische Ökosysteme und die Agenten im GFSS werden mit Hilfe der Pheromon Infrastruktur koordiniert. Die Agenten und Pheromone des GFSS werden detailliert spezifiziert und in einem realistischen Beispiel aus der Automobilindustrie evaluiert. In der Evaluierung wird von den Ergebnissen der Analyse der PI Gebrauch gemacht. Die dabei gewählte numerische Beschreibung des Einzelverhaltens und die darauf aufbauende Betrachtung des emergierenden Gesamtverhaltens weist den Weg zu einer systematischen Evaluierung von emergenten Systemeigenschaften in synthetischen Ökosystemen. In einem abschließenden Kapitel werden die drei inhaltlichen Schwerpunkte der Dissertation noch einmal betrachtet. Vor dem Hintergrund des GFSS werden die vorgeschlagenen Entwurfsprinzipien für synthetische Ökosysteme systematisch auf ihre Anwendbarkeit und praktische Bedeutung hin überprüft. Außerdem wird die allgemeine Verwendung der PI für den Austausch von Informationen zwischen Agenten untersucht. Und schließlich wird die Fertigungssteuerung aus der Sicht abstrakter Zustandsräume diskutiert. Die vorliegende Dissertation weist den Weg für eine Reihe weiterführender Forschungsarbeiten. So werden zum einen detaillierte Konzepte für die Erweiterung des GFSS um eine automatische Strategiebewertung und -generierung und um ein Visualisierungssystem vorgestellt. Zum anderen werden aber auch notwendige Ergänzungen der Entwurfsprinzipien und mögliche Verbesserungen der PI und des darauf basierenden Evaluierungsansatzes vorgeschlagen. / The synthetic ecosystems approach attempts to adopt basic principles of natural ecosystems in the design of multiagent systems. Natural agent systems like insect colonies are fascinating in that they are robust, flexible, and adaptive. Made up of millions of very simple entities, these systems express a highly complex and coordinated global behavior. There are several branches in different sciences, for instance in biology, physics, economics, or in computer science, that focus on distributed systems of locally interacting entities. Their research yields a number of commonly observed characteristics. To supply engineered systems with similar characteristics this thesis proposes a set of principles that should be observed when designing synthetic ecosystems. Each principle is systematically stated and motivated, and its consequences for the manufacturing control domain are discussed. Stigmergy has shown its usefulness in the coordination of large crowds of agents in a synthetic ecosystem. Sign-based stigmergy through synthetic pheromones is supported by an extension to runtime environments for software agents called the pheromone infrastructure. In this thesis the operation of the pheromone infrastructure is specified, formally modeled and analyzed, and an implementation is presented. The guided manufacturing control system for flexible flow shops is designed following the proposed principles and it uses the pheromone infrastructure to coordinate its agents. It comprises two subsystems. The control (sub)system, which enables production, is distributed and reactive. The advisory (sub)system observes the operation of the control system and advises the manufacturing execution under global considerations. This thesis specifies the guided manufacturing control system and evaluates its operation in a simple but realistic example adapted from the automotive industry. The applicability of the design principles, the usage of the pheromone infrastructure, and the operation of manufacturing control in abstract state spaces are considered on the basis of the guided manufacturing control system.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第9561号 / 工博第2147号 / 新制||工||1235(附属図書館) / UT51-2002-G319 / 京都大学大学院工学研究科機械工学専攻 / (主査)教授 吉川 恒夫, 教授 井上 紘一, 教授 足立 紀彦 / 学位規則第4条第1項該当

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第10645号 / 論工博第3567号 / 新制||工||1210(附属図書館) / UT51-2001-F443 / (主査)教授 髙山 知司, 教授 渡邊 英一, 教授 酒井 哲郎 / 学位規則第4条第2項該当