MCIOP - Mehrkriterielle CI-basierte Optimierungsverfahren für den industriellen Einsatz

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CIplus
Band 6/2015
MCIOP - Meh k i e ielle CI-basie e
Op imie ungs e ah en ü den
indus iellen Einsa z
Thomas Ba z-Beiels ein
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MCIOP
Meh k i e ielle CI-basie e Op imie ungs e ah en ü den
indus iellen Einsa z
(Fö de kennzeichen 17N0311)
Schlussbe ich
Fö de linie „Ingenieu Nachwuchs 2011“
Im Rahmen des P og amms „Fo schung an Fachhochschulen“
P o . D . Thomas Ba z-Beiels ein
Ins i u ü In o ma ik
Fakul ä ü In o ma ik und Ingenieu wissenscha en
Fachhochschule Köln
Inhal s e zeichnis
1 Allgemeines 2
2 Vo haben 3
2.1 Au gabens ellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Vo ausse zungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Planung und Ablau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Wissenscha lich- echnische S and . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Zusammena bei mi ande en S ellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Wissenscha lich- echnische E gebnisse 15
3.1 Modul DASY „Da ene assung und Sys ema isie ung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1 DASY-1 Da ene assung und Anpassung ü Da en aus de Ene giewi scha . 16
3.1.2 DASY-2 Validie ung on Pa ame e eins ellungen mi Hil e on CFD-Modellen 17
3.1.3 DASY-3 Planung wei e e Expe imen e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Modul MB „Modellbildung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 MB-1 En wicklung und Anbindung on Su oga -Modellen . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 MB-2 Validie ung on Su oga -Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Modul EMB „E wei e e Modellbildung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1
EMB-1 In o ma ionsaus ausch zu mul ik i e iellen P ozessop imie ung ü die
Indus ie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 EMB-2 En wicklung meh k i e ielle Selek ionsope a o en . . . . . . . . . . . . 19
3.3.3 EMB-3 E wei e ung ü allgemeine Klassi ika ions- und Reg essionsp obleme 20
3.3.4 EMB-4 E wei e ung ü mul i a ia e symbolische Reg ession . . . . . . . . . . . 20
3.3.5
EMB-5 In e ak i e Visualisie ungs- und Auswahlme hoden ü E gebnisse on
MGP-Läu en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Modul AO „Anlagenop imie ung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1 Allgemeines
3.4.1 AO-1 Hie a chische Simula ion und meh k i e ielle Op imie ung . . . . . . . . 20
3.4.2 AO-2 Anbindung de meh k i e iellen Op imie ung an SPO . . . . . . . . . . . 22
3.4.3 AO-3 Expe imen e und S udien mi den neu en wickel en Ve ah en . . . . . . 23
3.4.4 AO-4 Auswe ung und Validie ung beim Anwende . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Modul GEN „Gene alisie ba kei “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5.1 GEN-1 Wei e e Anwendungen und Pa ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5.2 GEN-2 In eg a ion in Tools on E ol ed Analy ics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.3 GEN-3 Validie ungsaspek e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 Spezielle A bei spake e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.7 Wissenscha liche Publika ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 Vo aussich liche Nu zen 31
5 E gebnisse D i e 32
6 Ve ö en lichungen de P ojek eilnehme 33
7 Ve ö en lichungen D i e 36
Abkü zungs e zeichnis 43
1 | Allgemeines
Diese Schlussbe ich besch eib die im P ojek „Meh k i e ielle CI-basie e Op imie ungs e ah en
ü den indus iellen Einsa z“ (MCIOP) im Zei aum on Augus 2011 bis einschließlich Juni 2015
e ziel en E gebnisse.
Zuwendungsemp änge
Ins i u ü In o ma ik, Fakul ä In o ma ik und Ingenieu wissen-
scha en, Fachhochschule Köln
P ojek lei e P o . D . Thomas Ba z-Beiels ein
Fö de kennzeichen 17N0311
Vo habensbezeichnung
Meh k i e ielle CI-basie e Op imie ungs e ah en ü den indus-
iellen Einsa z (MCIOP)
Lau zei des Vo habens 01.08.2011 – 30.06.2015
Be ich szei aum 01.08.2011 – 30.06.2015
P ojek pa ne
S einmülle Enginee ing GmbH,E ol ed Analy ics LLC,TU Do -
mund,Uni e si ei Leiden,Uni e si ei Gen ,Uni e si ei an Tilbu g
De Be ich is wie olg gegliede : Abschni 2 gib einen Übe blick übe Au gabens ellung, Vo aus-
se zungen, Planung und Ve lau , wissenscha lich- echnischen S and und übe die Zusammena bei
mi D i en im P ojek MCIOP. Abschni 3 besch eib die e ziel en wissenscha lich- echnischen E -
gebnisse. Abschni 4 e gleich die e eich en P ojek ziele mi de u sp ünglichen A bei s-, Zei - und
Ausgabenplanung. Abschni 5 besch eib In o ma ions eche chen nach p ojek ele an en E gebnissen
D i e . Abschni 6 üh alle im P ojek e olg en Ve ö en lichungen au .
2
2 | Vo haben
2.1 Au gabens ellung
Ziel des P ojek s MCIOP wa die En wicklung on Ve ah en zu Reduk ion on Schads o emissionen
bei Be ieb und Planung on g oß echnischen Anlagen de Ene gie echnik, wie z.B. Kohlek a we ken.
Dazu wu den Ve ah en aus de Compu a ional In elligence (CI) ü hie a chische meh k i e ielle
Op imie ung genu z . Diese Ve ah en e möglichen die Be ücksich igung e schiedene kon lik ä e
Zielk i e ien wie z.B. die Minimie ung on Be iebskos en bei gleichzei ige Minimie ung on Schad-
s o emissionen. Fü die Op imie ung sind genaue und dennoch e izien aus üh ba e Su oga modelle
nö ig, die in MCIOP en wickel wu den. De wissenscha liche Fokus lag also au de En wicklung
on Me hoden, die in de Lage sind, in e p e ie ba e Modelle ü Schads o emissionen au oma isch
zu gene ie en.
Die Op imie ung on P ozessen und Sys emen in Kohlek a we ken is ein gu es Beispiel ü die
Komplexi ä indus ielle Op imie ungsp obleme. Es s ehen häu ig iele Pa ame e in Zusammenhang
mi meh e en Zielg ößen. Solche Ziele können zum Beispiel die Reduzie ung on Umwel schads o en,
die Ve besse ung de Ene giee izienz ode die Ve inge ung on Be iebs- und Wa ungskos en sein.
Pa ame e eins ellungen sind häu ig seh zei - und kos enau wändig, weil hie ü en wede eu e
Expe imen e ode au wändige Simula ionen no wendig sind.
Diese Komplexi ä e o de nich nu mode ne Op imie ungsme hoden aus dem Be eich de
CI (E olu ionä e Algo i hmen). Vielmeh sind auch geeigne e Modellie ungsme hoden on g oße
Bedeu ung. Diese können als E sa z ü die a sächlichen Zielg ößen genu z we den, so dass de
Au wand de Op imie ung e inge wi d. Hie bei kommen sog. Su oga -Modelle zum Einsa z. Im
P ojek MCIOP wu den die olgenden Me hoden einngese z :
•
Comp ua ional Fluid Dynamics (CFD) e möglichen seh genaue und um assende Simula ionen
und Modellie ungen – sind alle dings seh au wändig in ih e En wicklung, bzw. e o de n
immensen Rechenau wand.
•
Analy ische Modelle on P ozessen und Sys emen sind auch häu ig e ügba . De en deu lich
ge inge e Au wand wi d alle dings mi bedeu end ge inge e Leis ung und Gül igkei e kau .
•
Ein klassische Ansa z sind deshalb da enge iebene Modelle, die aus be ei s e olg en Simula-
ionen und Expe imen en die Zusammenhänge zwischen Pa ame e n und Zielg ößen ablei en.
Als s a ke Al e na i e zu s a is ischen Modellen (z.B. K iging ode Suppo Vec o Machines)
okussie sich das P ojek MCIOP au Gene isches P og ammie en (GP) , einem mode nen
Modellie ungsansa z aus dem Be eich Compu a ional In elligence. Dieses e möglich es im
Rahmen de sog. Symbolischen Reg ession Fo meln beliebige Komplexi ä zu e le nen, um
Zusammenhänge nich (wie bei s a is ischen Modellen) als Black-Box, sonde n ielmeh in les-
ba e und e s ändliche Fo m da zus ellen. Dami p o i ie nich nu de Op imie ungsp ozess,
sonde n auch de Anwende du ch besse en Einblick in die modellie e P oblema ik.
Das P ojek MCIOP beschä ig e sich im Ke n mi eine Anwendung aus de K a we ks echnik und
de En wicklung geeigne e Modellie ungsme hoden ü die Op imie ung eines S aubabscheide s.
3
2 Vo haben
Fokus de Me hodenen wicklung wa hie bei o allem das oben genann e GP Ve ah en, das die
o handenen Da en aus Expe imen en, CFD Simula ionen und analy ischen Modellen e wenden
soll e, um die Op imie ung eines S aubabscheide s zu e möglichen.
Die Bedeu ung de en wickel en Me hoden geh dabei wei übe die Ke nanwendung des P ojek s
hinaus. De a ige Me hoden sind in ielen Be eichen de indus iellen Anwendung on g oße
Bedeu ung, können abe auch in e schiedenen ande en Anwendungsbe eichen (z.B. wissenscha liche
P oblems ellungen) on Bedeu ung sein.
Fü die Op imie ung und Simula ion des Fliehk a abscheide s wa die Zusammena bei mi dem
P ojek pa ne S einmülle Enginee ing GmbH on g oße Bedeu ung, da diese ein g oßes In e esse an
de En wicklung e izien e S aubabscheide besi z . Übe die Thema ik de meh k i e iellen Op imie-
ung e gab sich zudem ein seh ege Aus ausch mi den uni e si ä en P ojek pa ne n (TU Do mund,
Uni e si ei Leiden). Auch mi dem Pa ne E ol ed Analy ics LLC, de übe he o agende Kenn nisse
im Be eich de Symbolischen Reg ession e üg , wu den in ensi e Gesp äche zu En wicklung und
Anwendungs ähigkei de Ve ah en ge üh .
2.2 Vo ausse zungen
Das P ojek MCIOP ha e eine Gesam lau zei on d ei Jah en und el Mona en (01.08.2011 bis
zum 30.06.2015) und wu de mi eine bewillig en Gesam summe on 259.704,00
€
(exklusi e 10%
P ojek pauschale) ge ö de . Da on en ielen
242.758,89€au Pe sonalausgaben,
12.087,48€au sächliche Ve wal ungsausgaben und
1.433,11€au Gegens ände übe 410 Eu o (In es i ionen).
Inklusi e de P ojek pauschale on 10% be ug die bewillig e Fö de summe also 285.674,40 €. Die
nachgewiesenen Kos en um ass en 256.279,48€.
Das P ojek wu de am Ins i u ü In o ma ik an de Fakul ä ü In o ma ik und Ingenieu wissen-
scha en am Campus Gumme sbach de Fachhochschule Köln du chge üh . An diese Fakul ä ha de
P ojek lei e P o . D . Ba z-Beiels ein sei Ok obe 2006 eine P o essu ü Angewand e Ma hema ik
inne. Zu P ojek beginn ha e e meh als 100 Publika ionen im Be eich CI e ö en lich . E a bei e e
on 2000 bis 2006 im Sonde o schungsbe eich „Design und Managemen komplexe echnische
P ozesse und Sys eme mi Me hoden de Compu a ional In elligence“ an de TU Do mund in einem
P ojek zu Umse zung de G undlagen esul a e in p axiso ien ie e Algo i hmen und We kzeuge.
P o . D . Ba z-Beiels ein lei e die A bei sg uppe SPOTSe en (
www.spo se en.de
), die aus einem
seh in e disziplinä gep äg en Team on Fo sche n bes eh . Die om P ojek lei e en wickel e Sequen-
ielle Pa ame e op imie ung (SPO) wu de als wich iges We kzeug zu En wicklung on Op imie ungs-
algo i hmen e olg eich eingese z . SPO is in Fo m des Open Sou ce Pake s Sequen ial Pa ame e Op-
imiza ion Toolbox (SPOT) ei e ügba , siehe auch
www.c an. -p ojec .o g/package=SPOT
.
Eine Zusammens ellung zugehö ige Ve ö en lichungen inde sich im Sch i en e zeichnis des P o-
jek lei e s und in [
45
]. SPO s ü z sich au Me hoden de Ve suchsplanung, S a is ik, Da enanalyse
und Op imie ung. Wei e e Fo schungs hemen, die in de A bei sg uppe SPOTSe en behandel we den,
s ammen aus den Be eichen s a is ische Ve suchsplanung, Simula ion und Op imie ung.
4

2.2 Vo ausse zungen
P o . Ba z-Beiels ein lei e e zudem das P ojek FIWA „Me hoden de Compu a ional In elligence
ü Vo he sagemodelle in de Finanz- und Wasse wi scha “, dass Ende e olg eich 2012 abgeschlos-
sen wu de. FIWA be ass e sich un e ande em mi GP und SPO, alle dings im Zusammenhang de
Ve besse ung on Vo he sagemodellen in den Finanz- und Wasse wi scha und wenige mi de
Modellie ung und meh k i e iellen Op imie ung in echnischen Au gabens ellungen. E ini iie e
den ex e n e aluie en Fo schungsschwe punk CIplus de FH-Köln (
www.ciplus- esea ch.de
).
Als Sp eche dieses Fo schungsschwe punk es a bei e e gemeinsam mi den P o esso en D . Bo is
Naujoks, D . Wol gang Konen und D . Ho s S enzel an Au gaben aus dem Be eich CI. Ziel diese
Zusammena bei is die Ve ne zung und besse e Sich ba kei de Fachdisziplinen Modellie ung, Si-
mula ion, Op imie ung, Da a Mining, S a is ik und Ma hema ik un e besonde e Be ücksich igung
na u analoge Ve ah en, wie z.B. e olu ionä e Algo i hmen.
De P ojek lei e is Mi glied in den P og ammkomi ees de üh enden Kon e enzen und Zei -
sch i en au dem Gebie de CI. Be ei s zu P ojek beginn exis ie e eine in ensi e Zusammena bei
des P ojek lei e s mi Fo sche n au in e na ionale Ebene, un e ande em mi den Uni e si ä en
An we pen, Tilbu g, Eindho en und Leiden.
He Dipl.-In o m. Oli e Flasch s and dem P ojek übe die gesam e Lau zei als haup e an wo -
liche Sachbea bei e und P omo end zu Ve ügung. He Flasch konn e seine P omo ion am 6. Mai
2015 e olg eich abschließen. Des Wei e en s anden D . Ka ya Vladisla le a, D . Ola Me smann und
die P omo ie enden Bea e B eide ho und Ch is ian Jung dem P ojek zei weise in Teilzei zu Ve ü-
gung. Die du chge üh en P omo ionen wu den koope a i du ch den P ojek lei e und P o . Gün e
Rudolph (Leh s uhl ü Algo i hm Enginee ing, Fakul ä ü In o ma ik, TU Do mund) be eu . Be ei s
zu Beginn des P ojek es bes and eine ak i e Zusammena bei mi P o . Gün e Rudolph. E s and dem
P ojek be a end und als Be eue de P omo ionen zu Ve ügung und o sch an CI-Ve ah en zu
Meh zielop imie ung und indus iellen Op imie ung.
Um den achlichen Aus ausch im Be eich CI zu un e s ü zen, inde inne halb de A bei sg uppe
SPOTSe en wöchen lich ein Dok o andensemina s a . An dem Semina nehmen momen an (2015)
ach Dok o andinnen und Dok o anden, Pos -Docs, sowie wei e e Bachelo - und Mas e s uden eninnen
und -s uden en aus de A bei sg uppe on P o . Ba z-Beiels ein eil. P o . Ba z-Beiels ein is zudem
assoziie es Mi glied de Kompe enzpla o m Sus ainable Technologies and Compu a ional Se ices
o En i onmen al and P oduc ion P ocesses (STEPS) , die ein Kolleg ü alle P omo ie enden de
Hochschule o ganisie .
Die am P ojek be eilig e S einmülle Enginee ing GmbH e üg übe ein b ei ge äche es P ozess-
Know-how im Be eich des Maschinen- und Anlagenbaus in de Ene gie- und Umwel echnik. Die
Mi a bei e de S einmülle Enginee ing GmbH wa en an En wicklung, Bau und Be ieb eine Vielzahl
on Anlagen de Ene gie- und Umwel echnik bei de o maligen L&C S einmülle GmbH in Gum-
me sbach be eilig . Diese E ah ungsscha z bilde das Ke ns ück des Un e nehmens und s eh den
Kunden on S einmülle Enginee ing sowohl in Fo m on Ingenieu -Be a ungsleis ungen als auch
im Rahmen on Lie e ungen on Teil- und Gesam anlagen zu Ve ügung. Im Be eich de Ve inge-
ung on Schads o emissionen bei Kohlek a we ken bes eh sei Sep embe 2009 ein egelmäßige
achliche Aus ausch de S einmülle Enginee ing GmbH mi de A bei sg uppe SPOTSe en des
P ojek lei e s. Die S einmülle Enginee ing GmbH s ell e dem P ojek um assende achliche Kenn nisse
5
2 Vo haben
und Be a ung zu Ve ügung. Ausse dem lie e e sie Da en und P ozesswissen ü die bea bei e en
P oblems ellungen. Auch s and sie ü die Be euung on Abschlussa bei en zu Ve ügung. Es anden
egelmäßige A bei s e en s a , in denen de ak uelle S and de Zusammena bei besp ochen wu de
und Abschlussa bei en und gemeinsame Semina e abges imm wu den.
Mi de A bei sg uppe on He n P o esso Gün e Rudolph de TU Do mund bes and eben alls
eine enge Zusammena bei . Diese be ei s langjäh ig und e olg eich bes ehende Aus ausch spiegel
sich auch in de Be euung de im P ojek du chge üh en P omo ions o haben und de e olg eichen
P omo ion on He n Flasch wide .
Als wei e e Pa ne s anden dem P ojek die E ol ed Analy ics LLC,Uni e si ei Gen ,Uni e si ei
Leiden und Uni e si ei an Tilbu g zu Sei e. Hie and ein ege Aus ausch zu wissenscha lich-
echnischen Themen s a . Tabelle 1 s ell eine Übe sich de Bei äge de einzelnen P ojek pa ne
im P ojek MCIOP da .
2.3 Planung und Ablau
Das P ojek MCIOP wu de in Module mi insgesam 17 Ke n-A bei spake en au ge eil , die im Gan -
Cha in Abbildung 1 da ges ell sind. Am Ende jedes Semes e s wu de in e n kon ollie , ob die
de inie en Ziele e eich wu den. Neben diesen p ojek beglei enden Kon ollen wu den sechs Mei-
lens eine (MS-1 bis MS-6) de inie . Fü die A bei spake e wu den die olgenden Bezeichnungen
e wende :
DASY
: Da ene assung und Sys ema isie ung,
MB
: Modellbildung,
EMB
: E wei e e
Modellbildung,
AO
: Anlagenop imie ung,
GEN
: Gene alisie ba kei ,
MT
: Mas e -Theses und
CS
:
Case-S udies.
MS-1: Da ene hebung
Mi diesem Meilens ein wu de die Volls ändigkei de bislang e olg en Da en-
e hebung übe p ü . Zu diesem Zei punk gab es noch deu liche Ve zöge ungen in den zugeo dne en
A bei spake en, o allem DASY-1. Dieses Pake schloss demen sp echend e s spä e ab. G und ü die
Ve zöge ungen wa en o allem die Schwie igkei en bei de u sp ünglich o gesehenen Simula ion
eines Feue aumes au einem gemeinsam on S einmülle Enginee ing GmbH und FH Köln geplan en
Rechenclus e . Um o zdem den zei igen Fo gang des P ojek es zu gewäh leis en, wu de au die
e ügba en Da en eines Zyklon (Fliehk a abscheide ) zu ückgeg i en und dessen Op imie ung und
Modellie ung mi Compu a ional Fluid Dynamics und Gene ic P og amming im wei e en Ve lau in
den Mi elpunk ge ück .
MS-2: Da en sys ema isie
Mi dem planmäßigen E eichen dieses Meilens eins wu de siche ge-
s ell , dass die no wendigen Schni s ellen (zwischen Op imie ung/Modellie ung und dem Anwen-
dungsbe eich aus de Ene giewi scha ) hin eichend gu spezi izie sind. Dies wa ü die e olg eiche
Zusammena bei mi dem P ojek pa ne S einmülle Enginee ing GmbH, sowie ü die wei e e Ve -
wendba kei en wickel e Me hoden on g oße Bedeu ung.
MS-3: Abnahme Su oga modelle
Als E gänzung zu den e wei e en Modellen soll en auch s a is-
ische Su oga modelle ge es e und alidie we den. Die en sp echenden A bei en konn en wie
6
2.3 Planung und Ablau
Tabelle 1: Übe sich de Pa ne bei äge ü das P ojek MCIOP.
P ojek pa ne Bei äge
FH Köln •
En wicklung eines inno a i en Ve ah ens zu au oma ischen E zeugung in-
e p e ie ba e Modelle ü indus ielle P ozesse und de en meh k i e ielle
Op imie ung
• Koo dina ion des P ojek es MCIOP
• Be euung s uden ische Case-S udies, Bachelo - und Mas e a bei en
• Du ch üh ung on P omo ions o haben
S einmülle Enginee-
ing GmbH
• Be ei s ellung on P ozessda en aus de K a we ks echnik
•
Be a ende Mi a bei bei de E schließung on Expe enwissen aus dem
Be eich de K a we kop imie ung
•
Du ch üh ung wei e e CFD-Simula ionen zu Validie ung de im P ojek
e zeug en Su oga modelle
• Analyse und Beu eilung de Quali ä de e zeug en Su oga modelle
• P o o ypische Einsa z de im P ojek e s ell en So wa esys eme
•
Be euung on Case-S udies sowie an eilige Be euung on Bachelo - und
Mas e a bei en
TU Do mund •
Mi a bei an gemeinsamen Publika ionen in den Be eichen GP, Expe imen -
planung und meh k i e ielle Op imie ung
• Be euung und Du ch üh ung de geplan en P omo ionen on P ojek mi -
a bei e n
• Be euung s uden ische Bachelo - und Mas e a bei en
•
Zusammena bei in Fo schung (z.B. gemeinsame Publika ionen) und Leh e
E ol ed Analy ics
LLC
•
Lie e ung on Know-How ü den Einsa z on GP in g oßindus iellen
Anwendungen
• Be ei s ellung de So wa e DATAMODELER ü Ve gleiche
•
Be a ung bei de Da enanalyse und dem Einsa z de So wa e DATAMODELER
Uni e si ei Leiden •
Zusammena bei in Fo schung (z.B. gemeinsame Publika ionen) und Leh e
•
Analyse de im P ojek en wickel en Ve ah en im Rahmen gemeinsame
Publika ionen
• Be euung und Du ch üh ung wei e e p ojek ele an e P omo ionen
Uni e si ei Gen •
Zusammena bei bei de En wicklung on Komponen en ü in e p e ie ba-
e Modelle
• Aus ausch im Rahmen on Wo kshops
Uni e si ei an Til-
bu g
•
Lie e ung on Know-How ü das Design und die Analyse expe imen elle
Simula ionen
7
2 Vo haben
geplan du chge üh we den, die no wendigen En wicklungssch i e konn en auch du ch die Fo -
sch i e im Pa ne p ojek CIMO un e s ü z we den. Die Validie ung wu de mi Hil e analy ische
Modelle eines S aubabscheide s du chge üh .
MS-4: Abnahme Simula o und GP-Sys em
Diese Meilens ein dien e zu Abnahme des in den
A bei spake en EMB-1 bis EMB-6 en wickel en meh k i e iellen GP-Sys ems RGP. Die En wicklung
neue meh k i e ielle Selek ionsope a o en ü RGP, die E wei e ung des RGP Sys ems ü mul i a ia e
P oblems ellungen, die Ve besse ung on Visualisie ungs- und Auswahlme hoden sowie die Anbindung
on RGP an die Sequen ielle Pa ame e Op imie ung (SPO) konn e e olg eich du chge üh we den.
Die E gebnisse leg en in e essan e wei e e Fo schungs ich ungen o en, die dazu üh en, dass die
en sp echenden Themen de A bei spake e auch übe ih en u sp ünglichen Rahmen hinaus wei e
bea bei e wu den.
MS-5: Abnahme hie a ch. meh k . Op imie ung
Diese Meilens ein dien e de Bewe ung, ob die
in den A bei spake en AO-1 und AO-2 en wickel en Ve ah en ko ek implemen ie wu den. Hie
e gab sich (auch du ch Ve zöge ung ühe e A bei spake e) die No wendigkei ü eine spä e e
Bea bei ung, was auch du ch die kos enneu ale Ve länge ung des P ojek es MCIOP e möglich
wu de. Mi en sp echende Ve spä ung konn e diese Meilens ein e eich we den.
MS-6: Abnahme S einmülle
Du ch die Ve zöge ung des P ojek es (Ausscheiden eines Mi a bei e s
beim P ojek pa ne S einmülle Enginee ing GmbH) wu de diese Meilens ein e s e spä e e eich .
In meh e en T e en mi S einmülle Enginee ing GmbH wu den S and und E gebnisse des P ojek es
disku ie . Da aus e gaben sich e s e Ansä ze ü Folgep ojek e und s uden ische P ojek a bei en, die
Themen aus dem P ojek MCIOP au g ei en und o üh en we den.
2.4 Wissenscha lich- echnische S and
Im P ojek MCIOP sind Me hoden aus den Be eichen Da a Mining (Reg ession) sowie Op imie ung
(E olu ionä e Algo i hmen, meh k i e iell) e o de lich. De Schwe punk des P ojek es MCIOP
lag im Schni punk diese Me hoden, also de meh k i e iellen Op imie ung mi da enge iebenen
Su oga modellen auch un e Be ücksich igung on P oblemhie a chieebenen ü den Einsa z in de
Indus ie.
Da ene assung und Sys ema isie ung
Fü die im P ojek MCIOP geplan e Vo gehensweise können
Emp ehlungen aus dem Be eichen de s a is ischen Ve suchsplanung he angezogen we den. Mon go-
me y [
110
]s ell hie ü eine gu e Re e enz da . Des Wei e en sind hie auch die A bei en on Jack
P.C. Kleijnen zu nennen, wie z.B. [87].
Ko don [
96
]g ei wich ige Aspek e de Da ene assung aus p ak ische Sich au („The Nas y
Wo ld o Real-Wo ld Applica ions“) und besch eib exempla isch die Vo gehensweise bei de Da en-
e assung, Da en o e a bei ung, Sensi i i ä sanalyse, Va iablenselek ion bis hin zu Modellie ung
und anschließende Op imie ung. Als Beispiel dien u.a. die Schads o eduk ion in K a we ken. Bei
de on ihm besch iebenen Da ene assung lagen an angs 50 un e schiedliche Eingabeg ößen o . Es
8
2.5 Zusammena bei mi ande en S ellen
2.5 Zusammena bei mi ande en S ellen
Fü MCIOP ele an e Pa ne und Koope a ionen sind in Tabelle 1 angegeben.
•
Mi S einmülle Enginee ing GmbH bes eh ein ege Aus ausch ü die wei e e Ve wendung und
En wicklung de in MCIOP en wickel en Me hoden. Eine Zusammena bei in Folgep ojek en
be inde sich de zei in Planung. Es lau en zudem auch s uden ische P ojek e und Abschlussa bei-
en, die sich un e ande em mi de E s ellung on S aubabscheide Modellen mi 3D-D ucke n
be assen.
•
In Zusammena bei mi de TU Do mund (P o . Gab iele Ke n-Isbe ne und P o . Gün e
Rudolph) wu de zudem ein P ojek geplan , das einen wich igen Themenbe eich des P ojek es
MCIOP au g ei . Dieses un e such die au oma isie e Da enanalyse mi sequen ielle Pa ame e
Op imie ung und Gene ic P og amming.
•
Es bes and ein beidsei ige Aus ausch zwischen den P ojek be eilig en aus MCIOP und CIMO
de FH Köln. Wäh end sich das P ojek CIMO o allem mi ein- und meh k i e iellen Op imie-
ungsme hoden sowie da enge iebenen Su oga modellen beschä ig , un e such das P ojek
MCIOP o allem physikalisch mo i ie e (d.h. Compu a ional Fluid Dynamics CFD) sowie ü
Anwende e s ändliche, le nba e (d.h. Gene ic P og amming) Modelle. Die E gebnisse und
E ah ungen beide P ojek e we den on den Be eilig en e o sch und ausge ausch .
•
De P ojek lei e ha zudem gu e Kon ak e zu Un e nehmen aus de Wasse indus ie. Hie
be inde sich de zei ein wei e es P ojek in Vo be ei ung. Das P ojek behandel die Gewinnung
und Nu zung meh dimensionale P ozessda en zu E zeugung kunden- und be iebsge ech e
In o ma ionen ü die P ozesss eue ung und –op imie ung bei de T inkwasse au be ei ung.
•
Als Folge de A bei en im P ojek MCIOP e gab sich auch eine neue Koope a ion mi D . O e
M. Shi (MIGAL – Galilee Resea ch Ins i u e). Es wu de ein koope a i e P ojek an ag ge-
s ell . Das bean ag e P ojek soll sich mi expe imen ielle kombina o ische Op imie ung
be assen, bzw. die anwendungso ien ie e Analyse und En wicklung on Me hoden ü solche
P obleme. Geplan e eale Anwendungsbeispiele s ammen dabei aus de Bio echnologie und
de Ene gie echnik. Die in MCIOP en wickel en Me hoden bilden eine wich ige G undlagen ü
Modellie ung und Op imie ung in diesem Zusammenhang.
Die P ojek pa ne des P ojek es MCIOP be inden sich auch wei e hin in engem Kon ak .
3 | Wissenscha lich- echnische E gebnisse
Wich igs es Ziel des P ojek s MCIOP wa die En wicklung on Ve ah en ü die hie a chische Mo-
dellie ung und Op imie ung in indus iellen Anwendungen, un e ande em zu Schads o eduk ion
in Kohlek a we ken. Die Da s ellung de wissenscha lichen- echnischen E gebnisse gliede sich
nach de Modul- und A bei spake planung en sp echend de Vo habensbesch eibung bzw. de en
Anpassung in den Zwischenbe ich en.
15

3 Wissenscha lich- echnische E gebnisse
Fü die zen alen A bei spake e des P ojek es MCIOP wu den olgende Kü zel e wende :
DASY
:
Da ene assung und Sys ema isie ung,
MB
: Modellbildung,
EMB
: E wei e e Modellbildung,
AO
:
Anlagenop imie ung, und GEN: Gene alisie ba kei .
3.1 Modul DASY „Da ene assung und Sys ema isie ung“
A bei spake e, die sich mi de sys ema ischen Au nahme und Ve a bei ung de ele an en Da en
be ass en, we den im Modul DASY bea bei e . Das Modul DASY is Vo ausse zung ü alle wei e en
P ojek sch i e.
3.1.1 DASY-1 Da ene assung und Anpassung ü Da en aus de Ene giewi scha
Ab dem P ojek s a im Augus 2011 anden egelmäßige P ojek e en mi dem P ojek pa ne
S einmülle Enginee ing GmbH s a . Es wu den e schiedene Me hoden zu Da ene assung disku ie .
S einmülle Enginee ing GmbH s ell e o handene Da ene assung e ah en im De ail o . Da übe
hinaus wu den de FH e s e Da ensä ze ü eine Analyse zu Ve ügung ges ell . Fü diese e s e
Analyse de Da en konn en zwei Mi a bei e im Be eich Da ene assung, Da enanalyse und Da a
Mining sowie ein Mi a bei e ü die Modellie ung in de indus iellen Anwendung, jeweils in Teilzei ,
ü das P ojek gewonnen we den. E s e Analysen zeig en, dass die sei ens S einmülle Enginee ing
GmbH gesammel en Da en nich di ek zu Modellie ung genu z we den konn en.
Eine komplexe e A de Da en o e a bei ung e wies sich als no wendig. Wie be ei s in de
Vo habensbesch eibung an izipie , wu de ein S uden o O bei S einmülle Enginee ing GmbH
eingese z . Diese S uden un e such e den P ozess de Da enau nahme und be ie S einmülle
Enginee ing bei de Da en o e a bei ung.
Diese Un e suchungen e gaben, dass ü die geplan e Modellie ung des Ve b ennungsp ozesses
wei e e Da en au genommen we den müssen. Diese Da en we den auch du ch um ang eiche Simula-
ions echnungen gelie e , die du ch die S einmülle Enginee ing GmbH du chge üh we den. Dazu
bescha e die S einmülle Enginee ing GmbH in 2012 nach eine um ang eichen Planungsphase
einen Rechenclus e und nahm diesen e olg eich in Be ieb. Diese Clus e kann ü die Simula i-
on/Modellie ung und Op imie ung on g oß echnischen Anlagen de K a we ks echnik eingese z
we den.
Du ch das Ausscheiden des Expe en ü Simula ions echnungen bei de S einmülle Enginee-
ing GmbH kam es bei de Modellie ung on Ve b ennungsp ozessen in Kohlek a we ken zu eine
Ve zöge ung. Um die Bea bei ung de nach olgenden A bei spake e dennoch wei gehend e minge-
ech du ch üh en zu können, wu de neben de Modellie ung de Ve b ennungsp ozesse mi de
Modellie ung eines Fliehk a abscheide s, auch Zyklon genann , begonnen. Dabei handel es sich
um einen Fil e zu Abscheidung on S aub aus dem Abgas eines Kohlek a we ks. Abbildung 2 zeig
eine Zeichnung eines Zyklon-S aubabscheide s mi den zu op imie enden Geome iepa ame e n. Fü
diese Modellie ungsau gabe wu den Da en au genommen, um die du ch die FH Köln en wickel en
Simula ionsmodelle zu alidie en und um geeigne e Su oga -Modelle anzupassen. Im Rahmen de
neu in das P ojek au genommenen Case S udies CS-5 und CS-6 wu den du ch S udie ende de FH
Köln Baus eine ü die Modellie ung on Zyklonen en wickel und dokumen ie . Das A bei spake
16
3.1 Modul DASY „Da ene assung und Sys ema isie ung“
wu de nach e olg e Zielanpassung e olg eich abgeschlossen.
3.1.2 DASY-2 Validie ung on Pa ame e eins ellungen mi Hil e on CFD-Modellen
In diesem A bei spake wu den CFD-Modelle zu Validie ung de im P ojek en wickel en hie a -
chischen Modelle e p ob . Du ch die Anwe bung eines Expe en ü Simula ions echnungen und
du ch Ins alla ion eines Rechenclus e s konn e die S einmülle Enginee ing GmbH e s e Simula ionen
on Ve b ennungsp ozessen e olg eich selbs du ch üh en, s a au einen ex e nen Diens leis e
zu ückg ei en zu müssen. Du ch Ausscheiden dieses Expe en iel diese Möglichkei zunächs weg,
wodu ch es zu Ve zöge ungen bei de P ojek du ch üh ung kam. Im spä e en Ve lau konn e ein
E sa z ge unden we den. Gleichzei ig wu de in Zusammena bei mi den P ojek pa ne n und S u-
die enden ein CFD-Modell eines Zyklon-S aubabscheide s en wickel , welches zu Validie ung on
Pa ame e eins ellungen genu z we den kann. Abbildung 3 zeig beispielha eine Visualisie ung
de D uck e eilung in einem Zyklon-S aubabscheide , wie sie du ch das im P ojek en wickel en
CFD-Modell be echne wu de. Das A bei spake wu de e olg eich abgeschlossen.
3.1.3 DASY-3 Planung wei e e Expe imen e
Die Planung wei e e Expe imen e im Be eich de Op imie ung on Zyklon-S aubabscheide n wu de
abgeschlossen. Me hoden de s a is ischen Ve suchsplanung wu den ü eine e s e Op imie ung de
Geome iepa ame e eines Zyklons eingese z . Dabei wu den e s e E kenn nisse übe den Ein luss
einzelne Pa ame e au den Abscheideg ad des Zyklons, d.h. au dessen Leis ungs ähigkei , gewonnen.
Da
D
Be
He
H
H
Be
Da
D
F on View Top View
D
Abbildung 2:
Zeichnung eines Zyklon-S aubabscheide s mi zu op imie enden Geome iepa ame e n.
17
3 Wissenscha lich- echnische E gebnisse
Abbildung 3:
Beispielha e Visualisie ung de D uck e eilung in einem Zyklon-S aubabscheide au
Basis des im P ojek s e s ell en CFD-Modells.
3.2 Modul MB „Modellbildung“
Das Modul MB um ass zwei A bei spake e, die sich mi Su oga -Modellie ung om P ozessen in
g oß echnischen Anlagen de K a we ks echnik beschä igen.
3.2.1 MB-1 En wicklung und Anbindung on Su oga -Modellen
Au Basis de im A bei spake DASY-1 gewonnenen Da en wu de ein Su oga -Modell ü die Simula ion
on Zyklon-S aubabscheide n e s ell . Dabei kamen klassische s a is ische Me hoden und sequen ielle
Pa ame e op imie ung (SPO) zum Einsa z. Die en sp echenden in de SPO Toolbox (SPOT) implemen-
ie en Ansä ze sind ei e ügba (siehe:
h p://c an. -p ojec .o g/package=SPOT
). Eine
ein ache Ein üh ung sowie eine Demons a ion zu Ve wendung de meh k i e iellen Op imie ung
sind inzwischen auch als Ve ö en lichungen e ügba [
35
,
32
]. Das A bei spake wu de e olg eich
abgeschlossen.
3.2.2 MB-2 Validie ung on Su oga -Modellen
Die im A bei spake MB-1 en wickel en Su oga -Modelle wu den hinsich lich ih e Gül igkei ü
die p ak ische Anwendung alidie . Diese Validie ung e olg e au Basis exis ie ende Modelle ü
Zyklon-S aubabscheide [105]. Das A bei spake wu de e olg eich abgeschlossen.
3.3 Modul EMB „E wei e e Modellbildung“
Das un e dem Kü zel EMB geplan e Modul um ass die A bei spake e die sich schwe punk mäßig
mi dem da enge ieben Modellie ungsansa z Gene ische P og ammie ung (GP) be assen.
18
3.3 Modul EMB „E wei e e Modellbildung“
Im Rahmen des P ojek s wu de RGP, ein mode nes GP-F amewo k, s a k wei e en wickel . Das Sys-
em wu de um meh k i e ielle Selek ionsope a o en e wei e und ü die Lösung on Klassi ika ions-
und Reg essionsp oblemen e allgemeine . Auße dem wu de das Sys em mi eine benu ze eund-
lichen g aphischen Obe läche ausges a e und is dami auch ü nich -Expe en bedienba . RGP
wu de in de Disse a ion des P ojek mi a bei e s Oli e Flasch aus üh lich dokumen ie . Das Sys em
is in Leis ung und Funk ionsum ang we bewe bs ähig zu komme ziellen Lösungen und s eh als
Open Sou ce So wa e zu Ve ügung (siehe h p://c an. -p ojec .o g/package= gp).
RGP wu de zu au oma ischen En wicklung genaue und dennoch menschenlesba e Modelle ü
P ozesse in de Ene giewi scha e wende . Im Rahmen des Moduls „Gene alisie ba kei “ wu de
das Sys em e olg eich ü ein Modellie ungsp oblem in de S ahlindus ie eingese z .
Im Pa ne p ojek CIMO wu de RGP als Policy-Gene a o im Rahmen eines Ensemble-Ansa zes
e wende . Ausse dem wu de RGP selbs genu z , um ein Reg essionsmodell (Symbolische Reg ession)
zu bilden. Beide Fälle können In o ma ionen ü die Modellie ung und Simula ion lie e n. En sp e-
chend wu de eine Anbindung an RGP auch in das an de FH Köln en wickel e Open Sou ce Pake
SPOT (Sequen ial Pa ame e Op imiza ion Toolbox) in eg ie (siehe
h p://c an. -p ojec .
o g/package=SPOT).
Es zeig e sich, dass GP als Su oga modell ü au oma isie e Op imie ung noch nich ideal geeigne
is , da de Rechenau wand ü die Modellbildung ü diese Anwendung noch zu hoch is . De nö ige
Zei au wand kann sich in de selben G ößeno dnung wie de Zei au wand eine CFD-Simula ion
bewegen, dahe bie e die Ve wendung als Su oga modell in de Op imie ung wenige Vo eile, o
allem da die Ve s ändlichkei de e zeug en Modelle eine un e geo dne e Rolle spiel e. Dahe wu den
p imä K iging-Modelle e wende .
Die Vo eile de au oma ischen En wicklung e s ändliche Modell o meln wu den in MCIOP wei e
un e such . Auße dem wu den Konzep e de Modellie ung mi GP und CFD e a bei e .
3.3.1 EMB-1 In o ma ionsaus ausch zu mul ik i e iellen P ozessop imie ung ü die Indus ie
Das A bei spake EMB-1 um ass e den ak i en Aus ausch mi P ojek pa ne n und ande en Fo schungs-
g uppen. Dabei wu den Ideen und Vo schläge ausge ausch und au ih e Anwendba kei gep ü . Die
in diesem o enen Aus ausch en s andenen An egungen und Ideen wa en ü den E olg de wei e en
A bei spake e on g oße Bedeu ung.
3.3.2 EMB-2 En wicklung meh k i e ielle Selek ionsope a o en
Das in de A bei sg uppe des P ojek lei e s en wickel e GP-Sys em RGP wu de e olg eich um die
Möglichkei zu allgemeinen meh k i e iellen Selek ion e wei e . Die Selek ionsope a o en wu -
den ü beliebige wei e e K i e ien e allgemeine , um die Lösung allgemeine meh k i e ielle
Klassi ika ions- und Reg essionsp obleme zu e möglichen. Dazu komm mi SMS-EMOA ein mo-
de ne meh k i e ielle e olu ionä e Op imie ungsalgo i hmus zum Einsa z. Dieses A bei spake
konn e o zei ig e olg eich abgeschlossen we den. De aillie e E gebnisse wu den in Kapi el 2.6.4
de Disse a ion des P ojek mi a bei e s Oli e Flasch e ö en lich [15].
19
3 Wissenscha lich- echnische E gebnisse
3.3.3 EMB-3 E wei e ung ü allgemeine Klassi ika ions- und Reg essionsp obleme
In dem A bei spake EMB-3 wu de RGP ü die Lösung allgemeine meh k i e ielle Klassi ika ions-
und Reg essionsp obleme e wei e . Au Basis des bes ehenden modula en Sys emke ns wu den
hie zu jeweils neue So wa eschni s ellen und Benu ze obe lächen e s ell , welche die e izien e
Spezi ika ion und Bea bei ung on allgemeinen Klassi ika ions- sowie on allgemeinen Reg essions-
p oblemen un e s ü zen. Wie in de Vo habenbesch eibung an izipie wa en diese E wei e ungen mi
mode a em Au wand umse zba und bie en die Basis ü die E wei e ung on GP ü mul i a ia e sym-
bolische Reg ession im A bei spake EMB-4. Zudem wu de ein Vo gehensmodell ü die Anwendung
on RGP in allgemeinen meh k i e iellen Klassi ika ions- und Reg essionsp oblemen en wickel (siehe
Abbildung 4). Dieses A bei spake konn e o zei ig e olg eich abgeschlossen we den. De aillie e
E gebnisse wu den in Kapi el 3.3 de Disse a ion des P ojek mi a bei e s Oli e Flasch e ö en lich
[15].
3.3.4 EMB-4 E wei e ung ü mul i a ia e symbolische Reg ession
Basie end au den E gebnissen de A bei spake e EMB-2 und EMB-3 soll e in diesem A bei spake GP
ü die Lösung mul i a ia e Reg essionsp obleme e wei e we den. Mi els mul i a ia e symbolische
Reg ession können Modell o meln, die meh e e Zielg ößen gleichzei ig modellie en, au oma isch
e zeug we den. Basis unk ionali ä ü mul i a ia e symbolische Reg ession s eh nun zu Ve ügung.
3.3.5 EMB-5 In e ak i e Visualisie ungs- und Auswahlme hoden ü E gebnisse on MGP-Läu en
Ziel dieses A bei spake s wa die En wicklung on in e ak i en Me hoden und We kzeugen zu Aus-
wahl eine Lösung aus eine Menge on Pa e o-op imalen E gebnissen eines meh k i e iellen GP
(MGP) Expe imen lau s. Die Ve wendung on Pa e o-basie en Ansä zen zu meh k i e iellen Op i-
mie ung in MGP e möglich die Be ei s ellung meh e e Pa e o-op imale Lösungen, die e schiedene
Komp omisse e en uell wide sp üchliche Op imie ungsk i e ien ep äsen ie en. Neue Visualisie un-
gen ü Pa e o-op imale Lösungsmengen wu den en wickel und in RGP in eg ie (siehe Abbildungen
5 - 7). Eine de aillie e Besch eibung diese Me hoden wu de in Kapi el 3.6 de Disse a ion des
P ojek mi a bei e s Oli e Flasch e ö en lich [15].
3.4 Modul AO „Anlagenop imie ung“
Die A bei spake e des Moduls AO be assen sich mi de Anwendung de in den Vo gänge modulen
MB und EMB en wickel en Ve ah en au die Modellie ung und Op imie ung g oß echnische Anlagen
de K a we ks echnik.
3.4.1 AO-1 Hie a chische Simula ion und meh k i e ielle Op imie ung
Ziel dieses A bei spake s wa die En wicklung on Vo gehensweisen ü die hie a chische Op imie ung.
Die Umse zung on en wickel en Vo gehensweisen wa gene isch zu ollziehen. Dies wu de du ch die
Einbeziehung des p ak ischen Anwendungs alls „Zyklon-S aubabscheide “ siche ges ell . Exis ie ende
meh k i e ielle Op imie ungs e ah en wu den ü den hie a chischen Ansa z gene isch übe agen.
20

3.4 Modul AO „Anlagenop imie ung“
Modeling P ojec Se up
• Fo malize P ojec Goals
• Classi y P oblem
• Who: Domain Expe s, Business Expe s, Da a Scien is s
P oblem Class?
Classi ica ion P oblem De ini ion
• De . Classes
• Selec / Cons uc Fea u es
• De . Quali y Measu e
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
Reg ession P oblem De ini ion
• De . Dependen / Independen Va iables
• De . Quali y Measu e
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
Cus om P oblem De ini ion
• De . Cus om Fi ness Func ion
• De . Quali y Measu e
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
Classi ica ion O he
Reg ession
Da a Acquisi ion
• Ex ac , T ans o m and Load (ETL) Exis ing Da a o
• Design (DoE) and Conduc Expe imen s
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
Da a P ep ocessing
• Explo a o y Da a Analysis (EDA)
• "Big" Da a? (S a i ied) Sampling
• Ou lie and Missing Da a Handling
• Da a Pa i ioning
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
P oblem Class?
Linea Modeling
• Fi Linea Model
• Analyze Resul s
• Who: Da a Scien is s
Decision T ee Modeling
• Fi Decision T ee Model
• Analyze Resul s
• Who: Da a Scien is s
Gene ic P og amming
• De . Building Block Se
• Pe o m GP Runs
• Analyze Resul s
• Who: Da a Scien is s
Reg ession
Classi ica ion O he
Sa is ac o y Resul s? Sa is ac o y Resul s? Sa is ac o y Resul s?
Symbolic Reg ession
• De . Building Block Se
• Pe o m GP Runs
• Analyze Resul s
• Who: Da a Scien is s
Symbolic Classi ica ion
• De . Building Block Se
• Pe o m GP Runs
• Analyze Resul s
• Who: Da a Scien is s
Sa is ac o y Resul s? Sa is ac o y Resul s?
no
no
yes
Model Valida ion
• Tes Model In e pola ion Quali y
• Tes Model Ex apola ion Quali y
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
Model Deploymen
• In eg a e Model
• Se up Model Main enance
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
yes
yes yes
yes
no no
no
I e a e / Pi o
• Op imize Pa ame e s (SPO)
• Adap Building Block Se
• Adap Quali y Measu e
• Reconside Model Choice
• Who: Domain Expe s, Da a Scien is s
Abbildung 4:
Vo gehensmodell ü die Anwendung on RGP in Klassi ika ions- und Reg essionsp o-
blemen.
21
3 Wissenscha lich- echnische E gebnisse
Abbildung 5: Da ene assung und Au be ei ung im meh k i e iellen GP Sys em RGP.
Die du ch das Ausscheiden des Expe en ü Ve b ennungssimula ionen beim P ojek pa ne S ein-
mülle Enginee ing GmbH beding en Ve zöge ungen mach en, wie im Zwischenbe ich 2013 e wähn ,
eine Ve länge ung de Bea bei ungszei ü dieses A bei spake nö ig.
Ein F amewo k ü die hie a chische meh k i e ielle Op imie ung au Basis mode ne s a is i-
sche Modellie ungs e ah en wu de konzipie , implemen ie und au syn he ischen Tes da en
e p ob . Analy ische Modelle ü Zyklon-S aubabscheide s ehen zu Ve ügung [
14
,
27
](CS-2) und
Mul iphasen-CFD Modelle sind en wickel wo den (CS-1). Das hie a chische Op imie ungs-F amewo k
wu de mi den en wickel en Simula ionsmodellen ü den Zyklon-S aubabscheide in eg ie . Das
A bei spake konn e nach Ve länge ung e olg eich abgeschlossen we den.
3.4.2 AO-2 Anbindung de meh k i e iellen Op imie ung an SPO
Meh k i e ielle Op imie ungsme hoden s ehen in SPO zu Ve ügung. Eine en sp echend e wei e e
Ve sion de SPO-Implemen ie ung SPOT (siehe
h p://c an. -p ojec .o g/package=SPOT
)
is e ö en lich (M-SPOT). Das A bei spake is dami abgeschlossen[29, 26].
22
3.4 Modul AO „Anlagenop imie ung“
Abbildung 6: Au oma isie e e wei e e Modellbildung im meh k i e iellen GP Sys em RGP.
3.4.3 AO-3 Expe imen e und S udien mi den neu en wickel en Ve ah en
Ziel dieses A bei spake s wa die Anaylse und Op imie ung de neu en wickel en Ve ah en im Hinblick
au Robus hei und E gebnisquali ä . Dazu wu den die Me hodik de SPO wei e en wickel und au
MGP angewende [
16
]. Wei e hin wu de ein Ve ah en en wickel , dass die Robus hei on MGP nich
nu ü einzelne Anwendungsbeispiele, sonde n ü olls ändige Anwendungsklassen ga an ie .
Das A bei spake wu de e olg eich abgeschlossen. Die e zeug en Modelle lie e en dabei ep o-
duzie ba genaue e Vo he sagen als al e na i e Ve ah en. Nu K iging Modelle konn en genaue e
Vo he sagen lie e n (siehe Abbildungen 9 und 10). Im Gegensa z zu K iging sind MGP Modelle jedoch
menschenles- und -in e p e ie ba . Wei e e E gebnisse wu den in de Disse a ion des P ojek mi a -
bei e s Oli e Flasch e ö en lich .
3.4.4 AO-4 Auswe ung und Validie ung beim Anwende
Im Rahmen dieses A bei spake es wu den die en wickel en Ve ah en de hie a chischen meh k i e iel-
len Op imie ung ü das Modell im P ojek ge es e . Dazu wu den die Lösungen un e Gesich spunk en
de meh k i e iellen Op imie ung be ach e . Die e ziel en E gebnisse wu den ü eine Validie ung
23
3 Wissenscha lich- echnische E gebnisse
Abbildung 7:
Visualisie ung de Pa e o-op imalen Lösungsmenge im meh k i e iellen GP Sys em RGP.
des im P ojek implemen ie en Sys ems he angezogen. Au Basis diese E gebnisse konn en Vo ge-
hensweise ü die Implemen ie ung de Ve ah en in ande en Indus iezweigen o geschlagen und
Emp ehlungen ausgesp ochen we den, siehe dazu auch die E gebnisse des Moduls GEN.
3.5 Modul GEN „Gene alisie ba kei “
Die A bei spake e des Moduls GEN be ass en sich mi de Un e suchung de Gene alisie ba kei de
im P ojek MCIOP en wickel en Ve ah en.
3.5.1 GEN-1 Wei e e Anwendungen und Pa ne
In diesem A bei spake wu den Anwendungs elde ü die im P ojek MCIOP en wickel en Ve ah en
gesuch und e p ob .
Zusä zlich and gemeinsam mi P o esso en aus dem Ins i u ü Allgemeinen Maschinenbau (IAM)
de FH Köln (D . Simone Lake, D .-Ing. Jü gen Schmi z, D . Hans Rühmann) eine Zusammena bei
im Be eich de Op imie ung on P ozess a iablen beim Sp i zgießen s a . Diese A bei en wu de im
Rahmen on s uden ischen P axisp ojek en und Abschlussa bei en du chge üh .
24
3.7 Wissenscha liche Publika ionen
3.7 Wissenscha liche Publika ionen
Du ch die Mi a bei e des P ojek es MCIOP wu den zahl eiche Publika ionen e ö en lich . Dabei zähl
P o . D . Ba z-Beiels ein zu den Fo sche n de FH Köln mi den meis en begu ach e en Publika ionen.
Im P ojek zei aum wu den Buchbei äge [
6
,
17
](im D uck: [
11
]), Zei sch i enau sä ze [
23
,
1
],
Kon e enzbei äge [
34
,
33
,
26
,
30
,
29
,
10
,
14
,
28
,
24
,
25
,
22
], Technische Be ich e [
8
,
2
,
3
,
32
,
35
,
31
,
21
,
20
,
19
,
18
]und eine Disse a ion [
15
] e ö en lich . Meh e e eingeladene Vo äge und
Tu o ien [12, 4, 13, 9]und sons ige Vo äge [5]wu den im P ojek MCIOP gehal en.
Des Wei e en wa de P ojek lei e als P og am Chai bei de O ganisa ion de 13. Kon e enz zu
Pa allel P oblem Sol ing om Na u e (PPSN 2014) ä ig [7].
Schließlich wu den auch egelmäßige Semina e und Kolloquien du chge üh , bei denen Dok o an-
den ih e Themen und A bei s o sch i e o s ellen konn en.
2
Dies un e s eich den hohen S ellenwe
de Nachwuchs ö de ung im P ojek und wa du ch den uch ba en gegensei igen Aus ausch ü die
En wicklung des P ojek es on g oße Bedeu ung.
4 | Vo aussich liche Nu zen
Im P ojek MCIOP konn en wich ige Meilens eine plangemäß e eich we den und in e essan e
wissenscha liche E gebnisse sowohl ü die akademische Ve we ung als auch ü Anwendungen
in de Indus ie e zeug we den. Ein de aillie e Ve gleich des P ojek s andes mi de u sp ünglich
e anschlag en Zei planung wu de be ei s in Abschni 3 du chge üh .
Fokus de En wicklung im P ojek wa en Op imie ungs- und o allem Modellie ungsme hoden.
Diese anden Eingang in zwei on P ojek be eilig en en wickel en So wa emodulen ü die eie
S a is ik-P og ammie sp ache R: dem R So wa e Pake
SPOT
(Sequen ial Pa ame e Op imiza ion
Toolbox)3und dem R So wa e Pake gp (R Gene ic P og amming amewo k)4.
Beide Pake e sind in ak uellen Ve sionen ei übe die Dis ibu ionspla o m CRAN e ügba , und
s ehen dami di ek ü ande e Fo sche ode S udie ende zu Ve ügung und können auch ü ande e
P oblems ellungen lexibel eingese z we den.
RGP is ein Haup hema de im P ojek e olg eich abgeschlossenen P omo ion „A Modula Gene ic
P og amming Sys em“ on Oli e Flasch[
15
]. Die Disse a ion is ei zum Download e ügba und
wi d in de e s en Jah eshäl e 2016 zusä zlich in Buch o m bei Sp inge e scheinen. Dadu ch we den
wich ige E gebnisse des P ojek s MCIOP einem b ei en Publikum bekann gemach .
Wei e e Nu zen läss sich be ei s in e schiedenen Be eichen beobach en. Hie sind zue s de
wissenscha liche und de wi scha liche Be eich zu nennen. Die im P ojek MCIOP en wickel en
Me hoden we den ak i du ch die P ojek pa ne eingese z .
Das in de Vo habensbesch eibung besch iebene MCIOP-Nachwuchs eam is in de P ojek lau zei
deu lich gewachsen. Die A bei sg uppe des P ojek lei e s (SPOTSe en) um ass un e ande em
inzwischen ach P omo ie ende, de en A bei en in einem wöchen lich du chge üh en Semina
besp ochen und ausge ausch we den. Einen ak uellen Übe blick übe Themen und Ak i i ä en
2Siehe h p://www.spo se en.de/spo -symposia/ ü eine Lis e de ak uellen Vo äge.
3Siehe: c an. -p ojec .o g/package=SPOT
4Siehe: c an. -p ojec .o g/package= gp
31

5 E gebnisse D i e
lie e de en Web-Sei e
www.spo se en.de
. Themen aus dem P ojek MCIOP inden be ei s bei d ei
P omo ionsp ojek en eine Anwendung.
Die Inhal e und E gebnisse des P ojek es wu den in meh e en Vo lesungen des P ojek lei e s
eingese z . So we den K iging und Co-K iging G undlagen mi le weile in den Vo lesungen Da a D i en
Modeling and Op imiza ion und Ad anced P ocess Con ol and Op imiza ion im Mas e -S udiengang
Au oma ion & IT einge üh und du ch Beispiele aus dem P ojek e gänz .
Schließlich e gaben die E gebnisse des P ojek es auch neue Fo schungs- und En wicklungsansä ze.
Wie im Abschni 2.5 besch ieben be inden sich e schiedene An äge in Vo be ei ung, bei denen
Modellie ung und modellge iebene Op imie ung eine wich ige Rolle spielen. Dabei soll eine sei s aus
wissenscha liche Pe spek i e die Me hodik wei e en wickel we den (au oma isie en Da enanalyse
mi sequen ielle Pa ame e Op imie ung und Gene ic P og amming). Ande e sei s sollen (z.B. mi
Anwendungsbeispielen aus de Wasse wi scha , Bio echnologie und Ene gie echnik) die E gebnisse
au wei e e p ak ische Anwendungs elde ausgedehn we den.
5 | E gebnisse D i e
Auch du ch ande e Fo sche g uppen wu den die En wicklung und Anwendung on modellges ü z e ,
meh k i e ielle Me hoden o ange ieben. Mi diesen G uppen bes and bes eh ein enge Aus ausch
im Rahmen on Koope a ionen.
Su oga modelle in de meh k i e iellen Op imie ung
Zum K i e ium des Expec ed Imp o emen
in Hype olume wu den e schiedene wich ige E gebnisse e ziel , wie zum Beispiel heo e ische
E gebnisse zu Eigenscha en ode zu exak en und e izien en Be echnung [69, 81, 80].
Modellie ung und Simula ion mi meh e en Hie a chieebenen
Im Be eich Modellie ung und Simu-
la ion mi meh e en Hie a chieebenen wu den e schiedene A bei en zu Co-K iging e ö en lich .
G a ie [
78
]schläg eine eku si e Va ian e des Co-K iging Ansa zes o , die bei gleiche p ädik i e
Quali ä wenige komplex is . Co-K iging and auch in e schiedenen Gebie en aus Fo schung und En -
wicklung Anwendung, wie zum Beispiel de Op imie ung on An ennen [
101
], Mik owellen il e [
102
]
und in de Ae odynamik [79].
Gene ic P og amming und Symbolische Reg ession
De Be eich Symbolische Reg ession und Ge-
ne ic P og amming wu de im P ojek zei aum du ch wich ige Fo schungse gebnisse wei e en wickel .
Ko ns [
99
,
100
,
98
]en wickel e neue Ansä ze ü die E zeugung ex em genaue Modelle du ch
Symbolische Reg ession. Winkle [
118
]besch eib einen inno a i en Ansa z zu E kennung on
Ände ungen in dynamischen Sys emen du ch Symbolische Reg ession.
Ko don [
97
]s ell ein hyb ides Ve ah en zu Zei eihenp ognose o , welches ARIMAX und Symbo-
lische Reg ession kombinie , um kompak e und e s ändliche Modelle zu e zeugen, die nich linea e
Zusammenhänge e assen können.
A enzelle [
36
]gib einen Übe blick zu Me hoden de Wissensgewinnung aus du ch Symbolische
Reg ession e s elle Modelle. Diese Ve ah en illus ie en die Vo eile des in MCIOP e olg en Ansa zes
32
de Whi e-Box-Modellie ung und zeigen wei e e Nu zungsmöglichkei de im P ojek e zeug en
E gebnisse au .
Op imie ung on S aubabscheide n
Ein wich ige Anwendungs all im P ojek MCIOP wa die
Geome ie-Op imie ung eines Zyklon /Fliehk a abscheide s. In diesem Be eich be ass en sich o
allem Elsayed e al. mi de eink i e iellen Op imie ung un e Ve wendung Neu onale Ne zwe ke und
Gene ische Algo i hmen [
68
], Co-K iging [
67
], sowie des sog. Adjoin Ve ah ens [
66
]. Ein wei e e
Ansa z, de auch ü die Behandlung on Nebenbedingungen in e essan is , wi d on Sg o und
ande en un e such . Dabei wi d eine Va ian e des Simplex Algo i hmus, COMPLEX (COns ained
SIMPLEX) e wende [83].
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