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WO2018050252A1 - Verfahren und vorrichtung zum planen eines produktionsprozesses aus einer spezifikation und basifunktionen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum planen eines produktionsprozesses aus einer spezifikation und basifunktionen Download PDF

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Publication number
WO2018050252A1
WO2018050252A1 PCT/EP2016/072176 EP2016072176W WO2018050252A1 WO 2018050252 A1 WO2018050252 A1 WO 2018050252A1 EP 2016072176 W EP2016072176 W EP 2016072176W WO 2018050252 A1 WO2018050252 A1 WO 2018050252A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
production
program
execution
production process
inference
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/072176
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Albrecht
Stephan Grimm
Daniel MEYER-DELIUS DI VASTO
Maja MILICIC BRANDT
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2016/072176 priority Critical patent/WO2018050252A1/de
Publication of WO2018050252A1 publication Critical patent/WO2018050252A1/de

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    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
    • G06Q10/06311—Scheduling, planning or task assignment for a person or group
    • G—PHYSICS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for computer-aided control of a production process for producing a product composed of several partial products in a production system comprising a plurality of technical components.
  • the invention relates to a computer program or a computer program product.
  • Production systems are often used only for the automatic production of a single high-volume product. This is because the establishment of a production ⁇ tion systems for different types of products with a large ⁇ SEN expenditure connected for experts.
  • a producti ⁇ onssystems mostly on the system itself and not to the tasks to be performed of the system aligned (so-called. System-centric programming) today. Consequently, a producti ⁇ onssystem is designed as a single large complex unit and needs to be reconfigured for a new production task essentially and programmed.
  • the inventive method is used for computer-aided control of a production process for producing a composite of several partial products product in a production system of several technical components.
  • steps a) to c) of the method explained below are carried out in an automated and computer-aided manner.
  • an automated system is meant, which can carry out by means of the just ge ⁇ called technical components which are involved in the production process, the production process.
  • the term of producing a product is to be understood broadly. This may be, for example, the manufacture or assembly of a product. It can also be the production of a product via various chemical processes.
  • the technical components involved in the production process are such devices that are required to carry out the production process. In particular, it is actors, such as Ro ⁇ boter or robotic units, and possibly also to sensors that monitor the production process.
  • the current state of the production system and semantic information are stored in a knowledge base in digital form.
  • the semantic information includes data on the production system, on basic functions that can be executed as encapsulated programs by the components in the production system, on subprocesses that can be processed in the production process and on production steps that can be carried out in the production process and their dependencies. Partial products both starting materials in the production process and intermediates of this pro ⁇ zesses can be.
  • the ⁇ nen-described in the semantic information production steps are not ter loads unlike the Basisfunkti ⁇ tions as encapsulated programs in the production system back ⁇ .
  • step a) a digital specification for the production of a predetermined product is read.
  • a production process for the predetermined Pro ⁇ domestic product on the basis of the read specification is then scheduled using a planning program, and an inference in step b).
  • the planning program generates the production process in the form of a sequence of the above-mentioned basis functions using information which is derived from the knowledge base by means of the inference program via inference (ie inference).
  • step c) an execution program controls the execution of the sequence of basis functions.
  • the inventive method is characterized that are per se known concepts suited to each other combinatorial ⁇ ned to deploy a production system flexible and robust for different production tasks.
  • the concept of basic functions which are encapsulated programs for specific functionalities, is combined with a semantic knowledge representation in the form of a digital knowledge base.
  • Knowledge can be derived from the knowledge base by means of inference.
  • an inference program is used, which can consist of one or more known reasoners (eg FaCT ++).
  • the planning of the production process is reali a planning program ⁇ Siert which accesses the knowledge of the knowledge base and the knowledge derived by the inference engine.
  • the Pla ⁇ calculation program can turn se known computer-aided planner included (eg Fast Downward or Hierarchical Task Network Planner).
  • step a) and b) it is checked between step a) and b) whether a production process for producing the predetermined product in accordance with the read-in Spe ⁇ fication can be planned with ⁇ means of the knowledge base. If this is not the case, the procedure is usually already at this time tobro ⁇ chen, as the conditions do not exist for the production of the corresponding product.
  • the information in the above step b) derived through inference are stored in the knowledge base, so that the Wis ⁇ sen of the knowledge base is further increased continuously.
  • the semantic information about the production processes that can be carried out in the production process steps and their dependencies represented by one or more process graphs of nodes and edges. These process graphs describe in a simple way the possible production steps in a production system.
  • a process graph is at least designed so that each node represents a production step and the nodes are interconnected via court ⁇ preparing edges.
  • the directed edges describe a partial order such that the
  • Production step of a node in a directed Kan ⁇ te in running is performed from ⁇ after the production steps of the node from which the directed edge originates and the production step of a node from which a directed edges boils down to is carried out before the production step, in whose node runs in the directional edge.
  • variable partial products can allow variable partial products and / or one or more of the process graph can define fixed predetermined Operapro ⁇ -products.
  • the semantic information about a respective basic function comprises the following variables:
  • Performance characteristics of the respective base function e.g. the time required to execute it.
  • a respective base ⁇ function preferably comprises an interface via which the Execution program can leave the execution of the respective base function and can retrieve the runtime state of execution of the respective base function.
  • the execution program monitors the execution of the sequence of basis functions and maps the changing states of the production system into the knowledge base, the execution program being aware of the occurrence of disturbances in the execution of the sequence of basis functions (eg, false preconditions or effects ) the re-execution of steps b) and c), ie a re-planning of the production process, causes ⁇ .
  • the production process can be adapted in real time in the event of unforeseen disturbances.
  • the read-in specification is information entered or edited by a user via a user interface.
  • a user interface of the ⁇ le is provided, via which to manually set the predetermined produ ⁇ ornamental product or properties of the production process.
  • the process graphs described above for changing the production steps or their dependencies can be edited appropriately.
  • the invention relates to a device for computer-aided control of a production process for producing a product composed of several sub-products in a production system of several technical components, which are involved in the production process.
  • this device may be realized in the production system with suitable software by ei ⁇ NEN central computer.
  • a knowledge base is stored in wel ⁇ cher, the state of production ⁇ system and semantic information are stored in digital form.
  • the Semantic information includes data on the production system, on basic functions that can be executed as encapsulated programs by the components in the production system, on sub-products that can be processed in the production process, and production steps and their dependencies that can be carried out in the production process.
  • the device comprises a read-in unit, eg a user interface
  • Inference program a planning program and an execution program, with which the following steps are carried out during operation of the device:
  • the scheduling program generates the produc tion process in the form of a sequence of Basisfunktio ⁇ NEN using information which can be derived by means of the inference through inference from Wis ⁇ sensbasis;
  • the inventive apparatus is preferably arranged through ⁇ guide one or more preferred variants of the inventive method.
  • the invention further relates to a computer program with a program code for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention, when the program code is executed on a computer.
  • the invention relates to a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the invention. method according to the invention, when the program code is executed on a computer.
  • Figure 1 is a schematic representation of a production system, which is controlled with a variant of erfindungsge ⁇ MAESSEN method.
  • Fig. 2 shows the representation of a process graph
  • this system comprises a central control device CO, which can be stored, for example, in a central computer. With this control device, an embodiment of the method according to the invention is performed.
  • the individual components of the control device CO which are explained below, are software programs.
  • the production system SYS further comprises a plurality of technical components or devices, which are reproduced in the block D. By means of these devices is the automated execution of a corresponding requirementsprozes ⁇ ses.
  • the production system SYS is a production cell for assembling various products, and the assembly of a toy vehicle will be described below.
  • the reproduced in block D technical components Dl to D3 are provided. It is a monocular camera Dl with a corresponding controller DCl pre ⁇ see what the poses of the TEI used in the assembly le recorded.
  • a robot arm D2 is provided with a corresponding controller DC2, via which the components can be moved during assembly.
  • a gripper D3 with a corresponding controller DC3 is attached to the robot arm, via which gripping of the components takes place during assembly.
  • the production cell further includes a work surface (not shown) for temporarily depositing partial products during assembly.
  • the skill "pick" which specifies a picking up of a component
  • control device CO controller CO is a digital knowledge base KB rear sets, which contains knowledge on the application domain of the producti ⁇ onssystems SYS as well as the current status of the production ⁇ system.
  • the knowledge about the application domain is ba ⁇ sierend on a semantic standard, in particular in the form of a ontology language (eg OWL) deposited.
  • This knowledge is represented on the models ASM, SCM, POM and PRM.
  • the model SKM Skill Model) Knowledge about the skills of the production system.
  • the model PRM (PRM Process Model) be ⁇ writes in the production process executable requirementsschrit ⁇ te and their dependencies.
  • the model PRM (hereinafter also referred to as process model) is represented by a process graph ⁇ PG, which will be explained later with reference to Fig. 2 in more detail.
  • Performance characteristics which define performance characteristics of the skill (eg the duration of its execution).
  • a skill SK further comprising an interface to an in ⁇ to allow to the actual executable program of the skill ter syndrome. Through this interface, the white ⁇ ter execution unit EE described below can cause execution of the skill or information about the runtime state of skills to retrieve.
  • the encapsulated programs can be used more frequently in the production process
  • a CO is in the control device
  • PE Planning Engine
  • a control program CP with a control shell ie user interface parts
  • the control shell can also be used to change the models in the knowledge base KB.
  • the process graph PG described below may be adapted.
  • the specification SPEC is processed by the engineering program to calculate, based on this specification, a sequence of skills with which the desired product can be manufactured by the production system according to the specification.
  • Essential to the invention is that the planning program PE interacts with the inference program RE.
  • RE inference leads on inference semantic information from the knowledge base KB from the advertising required by the Lampspro ⁇ gram PE to determine the sequence of the Skills.
  • Inference program RE also interact iteratively with each other.
  • the planning program PE may first one un ⁇ complete macroscopic sequence of skills without all he ⁇ ford variable skill parameters based on from the
  • the planning program PE When determining the sequence of skills, the planning program PE also uses the process model PRM, among other things.
  • this model is described by a process graph PG (see FIG. 2).
  • a process graph in the embodiment described here is represented by a plurality of nodes and directed edges between the nodes.
  • Each node represents a producti ⁇ onsuze, which can be performed with the corresponding components of the production system.
  • About the directed edges a partial order is described.
  • a production step of a node into which a directed edge enters is to be carried out after the production step of the node from which the directed edge originates.
  • the production step of a node is one of directed edge out, before the production step from ⁇ feed, in whose node the directed edge runs.
  • the process graph can be a general process graph containing only essential loading restrictions with regard to the execution order of the production steps and also allows variable intermediate production ⁇ te under production.
  • the graph can be a special assembly tree that unlike ei ⁇ nem general process graph precisely specified intermediates sets during production.
  • a special exporting ⁇ approximate shape of the assembly Trees is the process sequence, which specifies the exact order of all production steps and entspre ⁇ sponding intermediates.
  • AI Artificial Intelligence
  • Inference program must be resorted to.
  • the process graph is a general process graph
  • an HTN scheduler is typically used to determine a macroscopic skill sequence.
  • Subsequently ⁇ again loading the right by means of the inference RE further information in the form of lack of skill parameters, whereupon the scheduler PE then derives the detailed executable skill sequence.
  • the exemplary program causes the off ⁇ guide the respective skills of the sequence by the individual components Dl to D3.
  • the Implementing Food Program this execution and updates the entspre ⁇ sponding state of the production system in the knowledge base KB. If faults occur in the production process, the execution program EE may optionally replanning as manufacturing processes based on the current state of the production system ⁇ tion through the scheduler PE in combination with the inference engine RE cause.
  • a specification SPEC is read in the control shell of the control program CP.
  • the knowledge base KB is checked as to whether the producti ⁇ onssystem is even able to produce the product according to the specification SPEC. It verifies whether the knowledge relevant to the production of the product exists in the knowledge base. If this is not the case, the procedure is aborted. If the above verification is positive, one or more combined inference and planning phases are performed. In each of these phases, the relevant information required by the planning program PE in addition to the already existing information in the knowledge base KB is derived from the knowledge base via inference (inference) by the inference program RE. Then a sequence of skills is calculated by the planning program PE. If the sequence of skills to execute them does not yet contain all the required information, the required information will be retrieved by the
  • Inference program RE derived from the knowledge base KB. It should be noted that all information newly derived via the inference program is also repeatedly stored in the KB knowledge base. At the end of this process you just described will contain an executable sequence of skills that can be ⁇ directly under control of the executive program EE. Upon receipt of the executable skill sequence, it is executed, as already mentioned, using the execution program EE. The execution of the encapsulated programs of the skills takes place via the corresponding controllers DC1 to DC3 of the technical components D1 to D3 of the production system SYS.
  • the process graph PG of FIG. 2 is used as the process model.
  • the process graph PG comprises a plurality of nodes NO to N9, which represent different production steps.
  • the node NO represents the start of production and node N9 the end of production.
  • These nodes are also to be understood as production steps according to which the production is initialized or terminated.
  • the nodes are connected to one another via directed edges ED, whereby the partial order already described above is determined. In other words, a production step in which a directed edge ED in running always be performed according to the Pro ⁇ dutechnischs suits from which the directed edge ED is derived.
  • the nodes N1 to N8 of FIG. 2 specify the following production steps for the assembly of a toy vehicle:
  • N2 inserting the rear axle into the chassis
  • N3 inserting the left front wheel into the front axle
  • control shell of the control program CP of FIG. 1 receives the specification SPEC for the production of a toy vehicle. Then, if the robot arm, the gripper and the camera are ready for use and whether the process graph and the PG wiee- ren necessary semantic information for the production of the toy vehicle in the knowledge base KB are stored is checked via ⁇ .
  • the inference planning phase already explained above is performed.
  • the planning program PE interacts with the inference program RE.
  • it can be derived by inference which fastening ⁇ tion is to be used for which component.
  • you will get a sequence of skills, below is a part of this sequence that shows the attachment of the axles with the corresponding wheels to the chassis:
  • X or X 'be a component which may be an axle, a chassis, a pin, or a wheel.
  • Y be a fixture for a component on the work surface, with the two fixtures fixturel and fixture2.
  • Z refers to a direction from ⁇ selected from left, right, up and down (left, right, bottom, top).
  • pick (X) denotes the gripping of the component X
  • Fixate (X, Y, Z) denotes the fixation of the component X in the attachment Y on the corresponding side Z of the component X
  • Insert (X, X ', Z) denotes the Insertion of the component X into the component X 'on the corresponding side Z of the component X'.
  • the system may self-recover due to monitoring by the execution program.
  • skill-based programs are very robust and flexible and can handle variations and errors, e.g. by feedback of the state of the system via sensors.
  • Insbesonde ⁇ re can be resorted to several times usable skills, which cost in the design of the production system can be saved in planning the production process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planung eines Produktionsprozesses eines aus mehreren Teilprodukten zusammengesetzten Produkts in einem Produktionssystem (SYS) aus mehreren technischen Komponenten (D1, D2, D3), wobei in einer Wissensbasis (KB) bzw. Datenbank der aktuelle Zustand des Produktionssystems (SYS) sowie semantische Informationen (ASM,SKM,PO,PR) hiterlegt sind. Die semantischen Informationen umfassen Daten Daten über das Produktionssystem und über Basisfunktionen (SK), welche als gekapselte Programme durch die Komponenten (D1, D2, D3) im Produktionssystem ausführbar sind, über im Produktionsprozess verarbeitbare Teilprodukte und über im Produktionsprozess ausführbare Produktionsschritte und deren Abhängigkeiten, welche als ein gerichteter Graph mit Kanten und Knoten darstelltbar ist. In dem Verfahren werden folgende Schritte durchgeführt: a) Einlesen einer digitalen Spezifikation (SPEC) zur Produktion eines vorbestimmten Produkts; b) Planen eines Produktionsprozesses für das vorbestimmte Produkt auf der Basis der eingelesenen Spezifikation (SPEC) unter Verwendung eines Planungsprogramms (PE) und eines Inferenzprogramms (RE), wobei das Planungsprogramm (PE) den Produktionsprozess in der Form einer Sequenz von Basisfunktionen (SK) unter Verwendung von Informationen generiert, welche mittels des Inferenzprogramms (RE) über Inferenz aus der Wissensbasis abgeleitet werden; c) Steuern der Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen (SK) durch ein Ausführungsprogramm (EE).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM PLANEN EINES PRODUKTIONSPROZESSES AUS EINER
SPEZIFIKATION UND BASIFUNKTIONEN
Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses zum Produzieren eines aus mehreren Teilprodukten zusammengesetzten Produkts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses zum Produzieren eines aus mehreren Teilprodukten zusammengesetz- ten Produkts in einem Produktionssystem aus mehreren techni- sehen Komponenten.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt .
Produktionssysteme werden häufig nur für die automatische Produktion eines einzelnen Produkts mit hoher Stückzahl eingesetzt. Dies liegt daran, dass die Einrichtung eines Produk¬ tionssystems für unterschiedliche Produkttypen mit einem gro¬ ßen Aufwand für Experten verbunden ist. Im Besonderen sind heutzutage der Entwurf und die Realisierung eines Produkti¬ onssystems meist auf das System selbst und nicht auf die durchzuführenden Aufgaben des Systems ausgerichtet (sog. Sys- tem-zentrierte Programmierung) . Demzufolge wird ein Produkti¬ onssystem als eine einzelne große komplexe Einheit entworfen und muss für eine neue Produktionsaufgabe im Wesentlichen neu konfiguriert und programmiert werden.
Um den Aufwand bei der Einrichtung eines Produktionssystems für eine neue Produktionsaufgabe zu vermindern, sind zwei verschiedene Vorgehensweisen bekannt. Gemäß einer Vorgehens¬ weise wird versucht, den Konfigurations- und Programmierauf¬ wand direkt zu vermindern. Gemäß einer anderen Vorgehensweise wird der Grad an Autonomie und Robustheit des Systems verbes¬ sert .
Zur direkten Verminderung des Konfigurations- und Programmieraufwands gibt es Ansätze, wonach einfache und intuitive Programmierumgebungen genutzt werden. Beispielsweise kann graphische Programmierung anstatt des textuellen Erstellens von Applikationsprogrammen eingesetzt werden. Solche Lösungen sind meist proprietär und somit nicht universell einsetzbar.
Aus dem Stand der Technik ist ferner das Konzept der sog. „Skills" bekannt, mit denen bestimmte Basisfunktionen eines robotischen Systems über gekapselte Programme realisiert wer¬ den. Hierdurch kann der Aufwand beim Entwurf und Einrichten eines robotischen Systems vermindert werden.
Ferner gibt es Ansätze, die Autonomie und Robustheit von Pro¬ duktionssystemen über digitale wissensbasierte Systeme zu verbessern. Solche wissensbasierte Systeme speichern semanti- sches Wissen über das Produktionssystem bzw. den durchzuführenden Produktionsprozess in einer Wissensbasis. Bis dato gibt es keine funktionsfähige Umsetzung eines wissensbasier¬ ten Systems für die automatische Produktion eines Produkts. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Produktionsprozesses zu schaffen, welches einfach und flexibel an unterschiedliche Produktionsaufgaben angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche ge¬ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses zum Produzieren eines aus mehreren Teilprodukten zusammengesetzten Produkts in einem Produktionssystem aus mehreren technischen Komponenten. Mit anderen Worten werden die nachfolgend erläuterten Schritte a) bis c) des Verfahrens automatisiert und rechnergestützt durchgeführt. Unter einem Produktionssystem ist ein automatisiertes System zu verstehen, welches mittels der soeben ge¬ nannten technischen Komponenten, welche am Produktionsprozess beteiligt sind, den Produktionsprozess ausführen kann. Hier und im Folgenden ist der Begriff des Produzieren eines Produkts weit zu verstehen. Es kann sich hierbei z.B. um die Fertigung bzw. den Zusammenbau eines Produkts handeln. Ferner kann es sich auch um die Herstellung eines Produkts über ver- schiedene chemische Prozesse handeln. Die am Produktionspro- zess beteiligten technischen Komponenten sind solche Geräte, welche zur Durchführung des Produktionsprozesses benötigt werden. Insbesondere handelt es sich um Aktoren, wie z.B. Ro¬ boter oder robotische Einheiten, sowie ggf. auch um Sensoren, die den Produktionsprozess überwachen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren sind in einer Wissensbasis in digitaler Form der aktuelle Zustand des Produktionssystems sowie semantische Informationen hinterlegt. Die semantischen Informationen umfassen Daten über das Produktionssystem, über Basisfunktionen, welche als gekapselte Programme durch die Komponenten im Produktionssystem ausführbar sind, über im Produktionsprozess verarbeitbare Teilprodukte und über im Produktionsprozess ausführbare Produktionsschritte und deren Abhängigkeiten. Teilprodukte können sowohl Ausgangsprodukte im Produktionsprozess als auch Zwischenprodukte dieses Pro¬ zesses sein. Die in den semantische Informationen beschriebe¬ nen Produktionsschritte sind im Gegensatz zu den Basisfunkti¬ onen nicht als gekapselte Programme im Produktionssystem hin¬ terlegt .
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die nachfolgend erläuterte Schritte a) , b) und c) durchgeführt. In Schritt a) wird eine digitale Spezifikation zur Produktion eines vorbestimmten Produkts eingelesen. Anschließend wird in Schritt b) ein Produktionsprozess für das vorbestimmte Pro¬ dukt auf der Basis der eingelesenen Spezifikation unter Verwendung eines Planungsprogramms und eines Inferenzprogramms geplant. Dabei generiert das Planungsprogramm den Produkti- onsprozess in der Form einer Sequenz der oben genannten Basisfunktionen unter Verwendung von Informationen, welche mittels des Inferenzprogramms über Inferenz (d.h. Schlussfol- gern) aus der Wissensbasis abgeleitet werden. Schließlich steuert in Schritt c) ein Ausführungsprogramm die Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass an sich bekannte Konzepte geeignet miteinander kombi¬ niert werden, um ein Produktionssystem flexibel und robust für unterschiedliche Produktionsaufgaben einzusetzen. Im Besonderen wird das Konzept von Basisfunktionen, welche gekapselte Programme für bestimmte Funktionalitäten sind, mit ei- ner semantischen Wissensrepräsentation in der Form einer digitalen Wissensbasis kombiniert. Aus der Wissensbasis kann Wissen mittels Inferenz abgeleitet werden. Hierfür wird ein Inferenzprogramm genutzt, das aus einem oder mehreren bekannten Reasonern (z.B. FaCT++) bestehen kann. Die Planung des Produktionsprozesses wird über ein Planungsprogram reali¬ siert, welches auf das Wissen der Wissensbasis und das durch das Inferenzprogramm abgeleitete Wissen zugreift. Das Pla¬ nungsprogramm kann wiederum an sich bekannte rechnergestützte Planer enthalten (z.B. Fast-Downward oder Hierarchical Task Network Planner) .
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen Schritt a) und b) überprüft, ob mit¬ tels der Wissensbasis ein Produktionsprozess zur Produktion des vorbestimmten Produkts entsprechend der eingelesenen Spe¬ zifikation planbar ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren in der Regel bereits zu diesem Zeitpunkt abgebro¬ chen, da die Voraussetzungen zur Produktion des entsprechenden Produkts nicht gegeben sind.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die im obigen Schritt b) über Inferenz abgeleiteten Informationen in der Wissensbasis abgelegt, so dass das Wis¬ sen der Wissensbasis kontinuierlich weiter vergrößert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die semantischen Informationen über die im Produktionsprozess ausführbaren Produktions- schritte und deren Abhängigkeiten durch einen oder mehrere Prozessgraphen aus Knoten und Kanten repräsentiert. Diese Prozessgraphen beschreiben auf einfache Weise die in einem Produktionssystem möglichen Produktionsschritte.
In einer besonders bevorzugten Variante ist zumindest ein Prozessgraph derart ausgestaltet, dass jeder Knoten einen Produktionsschritt repräsentiert und die Knoten über gerich¬ tete Kanten miteinander verbunden sind. Dabei beschreiben die gerichtete Kanten eine partielle Ordnung derart, dass der
Produktionsschritt eines Knotens, in den eine gerichtete Kan¬ te hineinläuft, nach dem Produktionsschritte des Knotens aus¬ zuführen ist, von dem die gerichtete Kante stammt, und der Produktionsschritt eines Knotens, aus dem eine gerichtete Kanten hinausläuft, vor dem Produktionsschritt auszuführen ist, in dessen Knoten die gerichtete Kante hineinläuft.
Je nach Ausgestaltung können einer oder mehrere der Prozessgraphen variable Teilprodukte zulassen und/oder einer oder mehrere der Prozessgraphen können fest vorgegebene Teilpro¬ dukte definieren.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die semantischen Informationen über eine jeweilige Ba- sisfunktion folgende Größen:
- Parameter, welche zur Ausführung der jeweiligen Basisfunktion benötigt werden;
- Vorbedingungen, welche der Zustand des Produktionssystems zur Ausführung der jeweiligen Basisfunktion erfüllen muss; - Effekte der Ausführung der jeweiligen Basisfunktion, welche Bedingungen sind, die der Zustand des Produktionssystems nach der Ausführung der jeweiligen Basisfunktion erfüllt;
- Performanzcharakteristika der jeweiligen Basisfunktion, z.B. die zu dessen Ausführung benötigte Zeit.
Um einen effizienten Zugriff des Ausführungsprogramms auf die Basisfunktionen zu ermöglichen, umfasst eine jeweilige Basis¬ funktion vorzugsweise eine Schnittstelle, über welche das Ausführungsprogramm die Ausführung der jeweiligen Basisfunktion verlassen kann und den Laufzeitzustand der Ausführung der jeweiligen Basisfunktion abrufen kann. In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform überwacht das Ausführungsprogramm die Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen und legt die sich dabei verändernden Zustände des Produktionssystems in der Wissensbasis ab, wobei das Ausführungsprogramm beim Auftreten von Störungen bei der Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen (z.B. falsche Vorbedingungen oder Effekte) die Neudurchführung der Schritte b) und c) , d.h. eine Neuplanung des Produktionsprozesses, veran¬ lasst. Gemäß dieser Variante der Erfindung kann der Produkti- onsprozess in Echtzeit bei Auftreten von unvorhergesehenen Störungen angepasst werden.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die eingelesene Spezifikation eine durch einen Benutzer über eine Benutzerschnittstelle eingegebene oder editierte Information. Mit anderen Worten ist eine Benutzerschnittstel¬ le vorgesehen, über welche manuell das vorbestimmte zu produ¬ zierende Produkt bzw. Eigenschaften des Produktionsprozesses festgelegt werden. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Prozessgraphen zur Veränderung der Produktionsschritte bzw. deren Abhängigkeiten geeignet editiert werden.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses zum Produzieren eines aus mehreren Teilpro- dukten zusammengesetzten Produkts in einem Produktionssystem aus mehreren technischen Komponenten, welche am Produktions- prozess beteiligt sind. Diese Vorrichtung kann z.B. durch ei¬ nen zentralen Rechner im Produktionssystem mit geeigneter Software realisiert sein.
In der Vorrichtung ist eine Wissensbasis gespeichert, in wel¬ cher in digitaler Form der aktuelle Zustand des Produktions¬ systems sowie semantische Informationen hinterlegt sind. Die semantischen Informationen umfassen Daten über das Produktionssystem, über Basisfunktionen, welche als gekapselte Programme durch die Komponenten im Produktionssystem ausführbar sind, über im Produktionsprozess verarbeitbare Teilprodukte und über im Produktionsprozess ausführbare Produktionsschrit te und deren Abhängigkeiten. Die Vorrichtung umfasst eine Einleseeinheit, z.B. eine Benutzerschnittstelle, ein
Inferenzprogramm, ein Planungsprogramm und ein Ausführungsprogramm, mit welchen im Betrieb der Vorrichtung folgende Schritte durchgeführt werden:
a) Einlesen einer digitalen Spezifikation zur Produktion ei nes vorbestimmten Produkts durch die Einleseeinheit;
b) Planen eines Produktionsprozesses für das vorbestimmte Produkt auf der Basis der eingelesenen Spezifikation unter Verwendung des Planungsprogramms und des
Inferenzprogramms , wobei das Planungsprogramm den Produk tionsprozess in der Form einer Sequenz von Basisfunktio¬ nen unter Verwendung von Informationen generiert, welche mittels des Inferenzprogramms über Inferenz aus der Wis¬ sensbasis abgeleitet werden;
c) Steuern der Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen durch das Ausführungsprogramm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durch¬ führung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfin- dungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Produktionssys- tems, welches mit einer Variante des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens gesteuert wird; und
Fig. 2 die Darstellung eines Prozessgraphen, der in der
Wissensbasis des Produktionssystems der Fig. 1 hin- terlegt ist und auf dessen Basis eine Sequenz von
Basisfunktionen abgeleitet wird.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in Fig. 1 dargestellten Produktionssystems SYS beschrieben. Die- ses System umfasst zum einen eine zentrale Steuereinrichtung CO, die beispielsweise in einem zentralen Rechner hinterlegt sein kann. Mit dieser Steuereinrichtung wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Die einzelnen Bestandteile der Steuereinrichtung CO, die im Fol- genden erläutert werden, sind dabei Softwareprogramme.
Das Produktionssystem SYS umfasst ferner eine Vielzahl von technischen Komponenten bzw. Geräten, die in dem Block D wiedergegeben sind. Mittels dieser Geräte erfolgt die automati- sierte Durchführung eines entsprechenden Produktionsprozes¬ ses. In der hier beschriebenen Ausführungsform handelt es sich bei dem Produktionssystem SYS um eine Produktionszelle zum Zusammenbau von verschiedenen Produkten, wobei nachfolgend der Zusammenbau eines Spielzeugfahrzeugs erläutert wird. Für diesen Zusammenbau sind die im Block D wiedergegebenen technischen Komponenten Dl bis D3 vorgesehen. Dabei ist eine monokulare Kamera Dl mit entsprechendem Controller DCl vorge¬ sehen, welche die Posen der beim Zusammenbau verwendeten Tei- le erfasst. Ferner ist ein Roboterarm D2 mit entsprechendem Controller DC2 vorgesehen, über den die Bauteile beim Zusammenbau bewegt werden können. An dem Roboterarm ist als weitere technische Komponente ein Greifer D3 mit entsprechendem Controller DC3 angebracht, über den ein Greifen der Bauteile beim Zusammenbau erfolgt. Die Produktionszelle umfasst ferner eine (nicht gezeigte) Arbeitsfläche, um Teilprodukte temporär während des Zusammenbaus abzulegen. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel hat das Produk¬ tionssystem folgende Basisfunktionen im Sinne der Ansprüche, wobei diese Basisfunktionen im Folgenden auch als Skills bezeichnet werden. Der Skill „pick", der ein Aufgreifen eines Bauteils spezifiziert ;
der Skill „place", der ein Ablegen eines Bauteils spezifiziert ;
der Skill „insert", der das Einsetzen eines Bauteils in ein anderes Bauteil spezifiziert;
der Skill „fixate", der die Fixierung eines Bauteils mittels einer geeigneten Befestigung auf der Arbeitsfläche spezifiziert . Bevor auf die erfindungsgemäße Erzeugung einer Sequenz von Skills zum Zusammenbau des Spielzeugfahrzeugs eingegangen wird, werden zunächst die hierfür erforderlichen Softwarekomponenten in der Steuereinrichtung CO erläutert. In der Steuereinrichtung CO ist eine digitale Wissensbasis KB hinter- legt, welche Wissen über die Anwendungsdomäne des Produkti¬ onssystems SYS sowie den aktuellen Zustand des Produktions¬ systems enthält. Das Wissen über die Anwendungsdomäne ist ba¬ sierend auf einem semantischen Standard, insbesondere in der Form einer Ontologiesprache (z.B. OWL) , hinterlegt. Dieses Wissen wird über die Modelle ASM, SKM, POM und PRM repräsentiert. Das Modell ASM (ASM = Asset Model) repräsentiert Wis¬ sen über das Produktionssystem (d.h. dessen Hardware und Ressourcen) . Das Modell SKM (SKM = Skill Model) repräsentiert Wissen über die Skills des Produktionssystems. Das Modell POM (POM = Product Model) repräsentiert Wissen über im Produkti- onsprozess des Produktionssystems verarbeitbaren Teilprodukte (d.h. Ausgangsprodukte, verwendete Materialien sowie Zwi- schenprodukte) . Das Modell PRM (PRM = Process Model) be¬ schreibt im Produktionsprozess ausführbare Produktionsschrit¬ te und deren Abhängigkeiten. Das Modell PRM (im Folgenden auch als Prozessmodell bezeichnet) wird durch einen Prozess¬ graphen PG repräsentiert, der weiter unten anhand von Fig. 2 näher erläutert wird.
Die im obigen Modell SKM beschriebenen Skills sind in Fig. 1 mit SK bezeichnet und stellen gekapselte ausführbare Program¬ me zur Umsetzung bestimmter Funktionalitäten im Produktions- System dar. Zur Ausführung der Skills werden die gekapselten Programme an die entsprechenden Controller DC1 bis DC3 der Geräte Dl bis D3 übertragen. Ein jeweiliger Skill ist durch folgende Merkmale charakterisiert, die in der Wissensbasis KB hinterlegt sind:
- Skill-Parameter, welche zur Ausführung des Skills benötigt werden;
- Skill-Vorbedingungen, welche der Zustand des Produktions¬ systems zur Ausführung des Skills erfüllen muss;
- Skill-Effekte, welche Bedingungen sind, die der Zustand des Produktionssystems nach Ausführung des Skills erfüllt;
- Performanzcharakteristika, welche Performanzmerkmale des Skills (z.B. die Zeitdauer seiner Ausführung) festlegen. Ein Skill SK umfasst ferner eine Schnittstelle, um eine In¬ teraktion mit dem eigentlichen ausführbaren Programm des Skills zu ermöglichen. Über diese Schnittstelle kann die wei¬ ter unten beschriebene Ausführungseinheit EE die Ausführung des Skills veranlassen bzw. Informationen über den Laufzeit- zustand der Skills abrufen.
Die im Vorangegangenen erläuterten Skills beruhen auf folgenden Prinzipien: - Lose Kopplung: Die Skills haben möglichst wenig Abhängigkeiten zu anderen Skills oder technischen Komponenten;
- Abstraktion: Die Steuerlogik bzw. das gekapselte Programm der Skills sowie deren interne Ressourcen sind vor anderen
Skills sowie dem restlichen System versteckt;
- Wiederverwendbarkeit: Die gekapselten Programme können im Produktionsprozess häufiger eingesetzt werden;
- Autonomie: Skills steuern autonom ihre Kontrolllogik bzw. ihr gekapseltes Programm;
- Zustandsfreiheit : Die Ausführung jedes Skills ist eine un¬ abhängige Ausführung, welche keinen Bezug zu der vorherigen Ausführung des gleichen oder eines anderen Skills hat. Aufgrund der Verwendung von semantischen Standards können weitergehende semantische Informationen aus den Modellen ASM, SKM, POM und PRM der Wissensbasis KB über Inferenz (d.h.
Schlussfolgern) mit einem oder mehreren Reasonern abgeleitet werden. Hierfür ist in der Steuereinrichtung CO ein
Inferenzprogramm RE (RE = Reasoning Engine) vorgesehen, welches mehrere Reasoner zum Schlussfolgern aus den semantischen Informationen der Wissensbasis KB umfasst.
Die Steuereinrichtung CO beinhaltet ferner ein Planungspro- gramm PE (PE = Planning Engine) , wobei das Planungsprogramm eine oder mehrere an sich bekannte rechnergestützte Planer (z.B. Fast-Downward oder HTN = Hierarchical Task Network) umfasst. In der Steuereinrichtung CO ist darüber hinaus ein Kontrollprogramm CP mit einer Kontroll-Shell (d.h. Benutzer- schnittsteile) integriert. Über die Kontroll-Shell wird durch einen Benutzer eine Spezifikation SPEC eingegeben, die festlegt, welches Produkt mit dem Produktionssystem SYS gefertigt werden soll. Über die Kontroll-Shell können ferner auch die Modelle in der Wissensbasis KB verändert werden. Zum Beispiel kann der weiter unten beschriebene Prozessgraph PG angepasst werden . Die Spezifikation SPEC wird vom Planungsprogramm verarbeitet, um basierend auf dieser Spezifikation eine Sequenz von Skills zu berechnen, mit der das gewünschte Produkt entsprechend der Spezifikation durch das Produktionssystem hergestellt werden kann. Erfindungswesentlich ist, dass das Planungsprogramm PE mit dem Inferenzprogramm RE wechselwirkt. Das
Inferenzprogramm RE leitet über Inferenz semantische Informationen aus der Wissensbasis KB ab, die von dem Planungspro¬ gramm PE zur Ermittlung der Sequenz von Skills benötigt wer- den. Dabei können das Planungsprogramm PE und das
Inferenzprogramm RE auch iterativ miteinander wechselwirken. Beispielsweise kann das Planungsprogramm PE zunächst eine un¬ vollständige makroskopische Sequenz von Skills ohne alle er¬ forderlichen Skill-Parameter basierend auf von dem
Inferenzprogramm RE ermittelten Informationen ableiten. Anschließend können dann nochmals durch das Inferenzprogramm RE weitergehende Informationen aus der Wissensbasis KB abgelei¬ tet werden, um schließlich eine detaillierte Sequenz von Skills mit allen erforderlichen Skill-Parametern über das Planungsprogramm PE zu erhalten. Diese Sequenz kann dann von den einzelnen Komponenten Dl bis D3 des Produktionssystems SYS ausgeführt werden.
Bei der Ermittlung der Sequenz von Skills greift das Pla- nungsprogramm PE unter anderem auch auf das Prozessmodell PRM zurück. Wie bereits erwähnt, wird dieses Modell durch einen Prozessgraphen PG (siehe Fig. 2) beschrieben. Ein Prozessgraph ist in der hier beschriebenen Ausführungsform durch eine Vielzahl von Knoten und gerichtete Kanten zwischen den Knoten repräsentiert. Jeder Knoten bezeichnet einen Produkti¬ onsschritt, der mit entsprechenden Komponenten des Produktionssystems ausgeführt werden kann. Über die gerichteten Kanten wird eine partielle Ordnung beschrieben. Mit anderen Worten ist ein Produktionsschritt eines Knotens, in den eine ge- richtete Kanten hineinläuft, nach dem Produktionsschritt des Knotens auszuführen, von dem die gerichtete Kante stammt. Ferner ist der Produktionsschritt eines Knotens, aus dem eine gerichtete Kante hinausläuft, vor dem Produktionsschritt aus¬ zuführen, in dessen Knoten die gerichtete Kante hineinläuft. Je nach Ausführungsform kann der Prozessgraph ein allgemeiner Prozessgraph sein, der nur die unbedingt erforderlichen Be- schränkungen im Hinblick auf die Ausführungsreihenfolge der Produktionsschritte enthält und auch variable Zwischenproduk¬ te im Rahmen der Produktion zulässt. Ebenso kann der Graph ein spezieller Assembly-Tree sein, der im Unterschied zu ei¬ nem allgemeinen Prozessgraphen genau spezifizierte Zwischen- produkte bei der Produktion festlegt. Eine spezielle Ausfüh¬ rungsform des Assembly-Trees ist die Prozess-Sequenz , welche die genaue Reihenfolge aller Produktionsschritte und entspre¬ chende Zwischenprodukte spezifiziert. Wird von dem Planungsprogramm PE ein Assembly-Tree oder eine Prozess-Sequenz verarbeitet, kann die Skill-Sequenz durch das Planungsprogramm PE unter Umständen direkt mittels eines klassischen AI Planers (z.B. Fast-Downward) berechnet werden (AI = Artificial Intelligence) . Mit anderen Worten müssen nur initial Informationen durch das Inferenzprogramm RE zur Verwendung durch das Planungsprogramm PE abgeleitet werden, so dass im Rahmen der Planung nicht nochmals auf das
Inferenzprogramm zurückgegriffen werden muss. Im Falle, dass der Prozessgraph ein allgemeiner Prozessgraph ist, wird in der Regel ein HTN-Planer verwendet, um eine makroskopische Skill-Sequenz zu bestimmen. Anschließend wer¬ den nochmals mittels des Inferenzprogramms RE weitergehende Informationen in der Form von fehlenden Skill-Parametern be- stimmt, woraufhin das Planungsprogramm PE dann die detaillierte ausführbare Skill-Sequenz ableitet.
Nach der Erzeugung der Skill-Sequenz durch das Planungsprogramm PE wird der darauf basierende Produktionsprozess unter Steuerung eines Ausführungsprogramms EE (EE = Execution Engine) durchgeführt. Das Ausführungsprogramm veranlasst die Aus¬ führung der entsprechenden Skills der Sequenz durch die einzelnen Komponenten Dl bis D3. Ferner überwacht das Ausfüh- rungsprogramm diese Ausführung und aktualisiert den entspre¬ chenden Zustand des Produktionssystems in der Wissensbasis KB. Sollten Störungen im Produktionsprozess auftreten, kann das Ausführungsprogramm EE ggf. eine Neuplanung des Produkti- onsprozesses basierend auf dem aktuellen Zustand des Produk¬ tionssystems durch das Planungsprogramm PE in Kombination mit dem Inferenzprogramm RE veranlassen.
Im Folgenden werden nochmals die durch die Programme der Steuereinrichtung CO durchgeführten Schritte erläutert. Zunächst wird eine Spezifikation SPEC an der Kontroll-Shell des Steuerprogramms CP eingelesen. In einem nächsten Schritt wird die Wissensbasis KB dahingehend überprüft, ob das Produkti¬ onssystem überhaupt in der Lage ist, das Produkt gemäß der Spezifikation SPEC zu produzieren. Dabei wird verifiziert, ob das für die Produktion des Produkts relevante Wissen in der Wissensbasis vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren abgebrochen. Ist die obige Verifikation positiv verlaufen, werden eine oder mehrere kombinierte Inferenz- und Planungsphasen durchgeführt. In jeder dieser Phasen werden die relevanten Informationen, welche von dem Planungsprogramm PE zusätzlich zu den schon vorhandenen Informationen in der Wissensbasis KB benötigt werden, über Inferenz (d.h. Schlussfolgern) durch das Inferenzprogramm RE aus der Wissensbasis abgeleitet. Dann wird eine Sequenz von Skills durch das Planungsprogramm PE berechnet. Sollte die Sequenz von Skills zu deren Ausführung noch nicht alle erforderlichen Informationen enthalten, wer- den die benötigten Informationen wieder durch das
Inferenzprogramm RE aus der Wissensbasis KB abgeleitet. Dabei ist zu beachten, dass alle über das Inferenzprogramm neu abgeleiteten Informationen auch immer wieder in der Wissensbasis KB abgelegt werden. Am Ende des gerade beschriebenen Pro- zesses enthält man dann eine ausführbare Sequenz von Skills, die direkt unter Steuerung des Ausführungsprogramms EE ausge¬ führt werden kann. Nach Erhalt der ausführbaren Skill-Sequenz wird diese, wie bereits erwähnt, unter Verwendung des Ausführungsprogramms EE ausgeführt. Die Ausführung der gekapselten Programme der Skills erfolgt über die entsprechenden Controller DCl bis DC3 der technischen Komponenten Dl bis D3 des Produktionssystems SYS .
Im Folgenden wird der Zusammenbau eines Spielzeugfahrzeugs über die Generierung einer entsprechenden Sequenz von Skills mittels des Produktionssystems der Fig. 1 erläutert. Dabei wird als Prozessmodell der Prozessgraph PG der Fig. 2 verwendet. Der Prozessgraph PG umfasst eine Mehrzahl von Knoten NO bis N9, welche verschiedene Produktionsschritte darstellen. Dabei repräsentiert der Knoten NO den Start der Produktion und der Knoten N9 das Ende der Produktion. Auch diese Knoten sind als Produktionsschritte aufzufassen, gemäß denen die Produktion initialisiert bzw. beendet wird. Die Knoten sind über gerichtete Kanten ED miteinander verbunden, wobei hierdurch die bereits oben beschriebene partielle Ordnung festge- legt ist. Mit anderen Worten ist ein Produktionsschritt, in dem eine gerichtete Kante ED hineinläuft, immer nach dem Pro¬ duktionsschritt durchzuführen, von dem die gerichtete Kante ED stammt. Ebenso ist ein Produktionsschritt, aus dem eine gerichtete Kante hinausläuft, immer vor dem Produktions- schritt durchzuführen, in dem diese gerichtete Kante hinein¬ läuft. Gemäß dem Prozessgraphen PG sind somit alle Produkti¬ onsschritte Nl bis N6 nach dem Produktionsschritt NO und vor dem Produktionsschritt N7, der Produktionsschritt N8 nach dem Produktionsschritt N7 und der Produktionsschritt N9 nach dem Produktionsschritt N8 durchzuführen. Dabei wird durch den
Graphen nicht festgelegt, in welcher Reihenfolge die Produk¬ tionsschritte Nl bis N6 durchzuführen sind.
Die Knoten Nl bis N8 der Fig. 2 legen folgende Produktions- schritte für den Zusammenbau eines Spielzeugfahrzeugs fest:
Nl : Einsetzen der Vorderachse in das Chassis;
N2 : Einsetzen der Hinterachse in das Chassis; N3: Einsetzen des linken Vorderrads in die Vorderachse;
N4 : Einsetzen des rechten Vorderrads in die Vorderachse;
N5 : Einsetzen des linken Hinterrads in die Hinterachse;
N6 : Einsetzen des rechten Hinterrads in die Hinterachse;
N7 : Einsetzen der Sitze in das Chassis;
N8 : Aufsetzen der Karosserie auf das Chassis.
Mittels dieses Prozessgraphen PG wird dann eine entsprechende Sequenz von Skills basierend auf den oben erläuterten Verfah- ren ermittelt. Zunächst erhält hierzu die Kontroll-Shell des Controllprogramms CP der Fig. 1 die Spezifikation SPEC zur Herstellung eines Spielzeugfahrzeugs. Anschließend wird über¬ prüft, ob der Roboterarm, der Greifer und die Kamera betriebsbereit sind und ob der Prozessgraph PG sowie die weite- ren erforderlichen semantischen Informationen zur Produktion des Spielzeugfahrzeugs in der Wissensbasis KB hinterlegt sind .
Nach diesen Überprüfungen wird die bereits oben erläuterte Inferenz-Planungs-Phase durchgeführt. Hierbei interagiert das Planungsprogramm PE mit dem Inferenzprogramm RE . Beispielsweise kann durch Inferenz abgeleitet werden, welche Befesti¬ gung für welches Bauteil zu verwenden ist. Am Ende dieser Phase erhält man eine Sequenz aus Skills, wobei im Folgenden ein Ausschnitt aus dieser Sequenz wiedergegeben ist, der den Anbau der Achsen mit den entsprechenden Rädern an das Chassis wiedergibt :
1 pick (axis)
2 fixate(axis, fixturel, left)
3 pick (wheel )
4 insert (wheel , axis, left)
5 pick (pin)
6 insert (pin, wheel, top)
7 pick (axis)
8 fixate(axis, fixturel, right)
9 pick (wheel )
10 insert (wheel , axis, right) 11 pick (pin)
12 insert (pin, wheel, top)
13 pick (chassis)
14 fixate (chassis, fixture2, bottom)
15 pick (axis)
16 insert (axis, chassis, bottom)
Die obigen Skills beziehen sich auf das Aufgreifen (pick) eines Bauteils, auf die Fixierung (fixate) eines Bauteils in einer entsprechenden Befestigung (fixturel oder fixture2) auf der Arbeitsfläche sowie auf das Einsetzen (insert) eines Bau¬ teils in einer bestimmten Orientierung (top, bottom, right, left) in ein anderes Bauteil. Die obige Syntax ist wie folgt zu interpretieren:
Es sei X bzw. X' ein Bauteil, welches eine Achse (axis), ein Chassis (chassis) , ein Pin (pin) oder ein Rad (wheel) sein kann. Ferner sei Y eine Befestigung für ein Bauteil auf der Arbeitsfläche, wobei es die beiden Befestigungen fixturel und fixture2 gibt. Darüber hinaus bezeichnet Z eine Richtung aus¬ gewählt aus links, rechts, oben und unten (left, right, bottom, top) .
Demzufolge bezeichnet pick (X) das Ergreifen des Bauteils X, Fixate (X, Y, Z) bezeichnet die Fixierung des Bauteils X in der Befestigung Y auf der entsprechenden Seite Z des Bauteils X. Insert (X, X', Z) bezeichnet das Einsetzen des Bauteils X in das Bauteil X' auf der entsprechenden Seite Z des Bauteils X' .
Die oben beschriebene Sequenz von Skills kann nunmehr unter Steuerung des Ausführungsprogramms EE durch das Produktions¬ system mittels der drei Komponenten Dl bis D3 durchgeführt werden .
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann für ein Produktionssystem automatisch basierend auf ei- ner spezifizierten Aufgabe zur Herstellung eines Produkts ein Skill-basiertes Programm geplant werden, um diese Aufgabe um¬ zusetzen. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen bestimmt das Produktionssystem rechnergestützt sein eigenes Verhalten für eine bestimmte Produktionsaufgabe, ohne dass vorab feste In¬ struktionen zur Durchführung der Aufgabe im System hinterlegt sein müssen.
Im Falle eines Fehlers bei der Ausführung des Produktionspro- zesses kann sich das System aufgrund der Überwachung durch das Ausführungsprogramm selbst wiederherstellen. Darüber hinaus sind Skill-basierte Programme sehr robust und flexibel und können Variationen und Fehler verarbeiten, z.B. indem eine Rückkopplung des Zustands des Systems über Sensoren er- folgt.
Ferner wird durch die Erfindung der Aufwand zum Entwurf (sog. Engineering) eines Produktionssystems vermindert. Insbesonde¬ re können bei der Planung des Produktionsprozesses auf mehr- mals verwendbare Skills zurückgegriffen werden, wodurch Kosten beim Entwurf des Produktionssystems eingespart werden.
Durch die Repräsentation von Wissen über semantische Informationen kann dynamisch eine Inferenz zum Ableiten von neuem Wissen durchgeführt werden sowie Wissen dynamisch abgefragt werden. Unter der Verwendung von an sich bekannten semantischen Standards kann auf einfache Weise auch spezielles Wis¬ sen aus externen Quellen in die Wissensbasis integriert wer¬ den .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses zum Produzieren eines aus mehreren Teilprodukten zusammengesetzten Produkts in einem Produktionssystem (SYS) aus mehreren technischen Komponenten (Dl, D2, D3) , welche am Produktionsprozess beteiligt sind, wobei in einer Wissensba¬ sis (KB) in digitaler Form der aktuelle Zustand des Produkti¬ onssystems (SYS) sowie semantische Informationen (ASM, SKM, POM, PRM) hiterlegt sind, wobei die semantischen Informatio¬ nen (ASM, SKM, POM, PRM) Daten über das Produktionssystem (SYS) , über Basisfunktionen (SK) , welche als gekapselte Pro¬ gramme durch die Komponenten (Dl, D2, D3) im Produktionssys¬ tem (SYS) ausführbar sind, über im Produktionsprozess verar- beitbare Teilprodukte und über im Produktionsprozess ausführ¬ bare Produktionsschritte und deren Abhängigkeiten umfassen, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
a) Einlesen einer digitalen Spezifikation (SPEC) zur Produktion eines vorbestimmten Produkts;
b) Planen eines Produktionsprozesses für das vorbestimmte Produkt auf der Basis der eingelesenen Spezifikation (SPEC) unter Verwendung eines Planungsprogramms (PE) und eines Inferenzprogramms (RE) , wobei das Planungsprogramm (PE) den Produktionsprozess in der Form einer Sequenz von Basisfunktionen (SK) unter Verwendung von Informationen generiert, welche mittels des Inferenzprogramms (RE) über Inferenz aus der Wissensbasis (KB) abgeleitet werden; c) Steuern der Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen (SK) durch ein Ausführungsprogramm (EE) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt a) und Schritt b) überprüft wird, ob mittels der Wissensbasis (KB) ein Produktionsprozess zur Produktion des vorbestimmten Produkts entsprechend der eingelesenen Spe- zifikation (SPEC) planbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) über Inferenz abgeleiteten Informatio¬ nen (DI) in der Wissensbasis (KB) abgelegt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die semantischen Informationen (PRM) über die im Produktionsprozess ausführbaren Produktions¬ schritte und deren Abhängigkeiten durch einen oder mehrere Prozessgraphen (PG) aus Knoten (NO, Nl, ..., N9) und Kanten (ED) repräsentiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Prozessgraph (PG) derart ausgestaltet ist, dass jeder Knoten (NO, Nl, ..., N9) einen Produktionsschritt reprä- sentiert und die Knoten (NO, Nl, ..., N9) über gerichtete Kan¬ ten (ED) miteinander verbunden sind, wobei die gerichteten Kanten (ED) eine partielle Ordnung derart beschreiben, dass der Produktionsschritt eines Knotens (NO, Nl, ..., N9) , in den eine gerichtete Kante (ED) hineinläuft, nach dem Produktions- schritt des Knotens (NO, Nl, ..., N9) auszuführen ist, von dem die gerichtete Kante (ED) stammt, und der Produktionsschritt eines Knotens (NO, Nl, ..., N9) , aus dem eine gerichtete Kante (ED) hinausläuft, vor dem Produktionsschritt auszuführen ist, in dessen Knoten (NO, Nl, ..., N9) die gerichtete Kante (ED) hineinläuft.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Prozessgraphen (PG) variable Teilprodukte zulassen und/oder einer oder mehrere der Pro- zessgraphen (PG) vorgegebenen Teilprodukte definieren.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die semantischen Informationen (SKM) über eine jeweilige Basisfunktion (SK) umfassen:
- Parameter, welche zur Ausführung der jeweiligen Basisfunktion (SK) benötigt werden; - Vorbedingungen, welche der Zustand des Produktionssystems (SYS) zur Ausführung der jeweiligen Basisfunktion (SK) erfüllen muss;
- Effekte der Ausführung der jeweiligen Basisfunktion (SK) , welche Bedingungen sind, die der Zustand des Produktions¬ systems (SYS) nach der Ausführung der jeweiligen Basisfunktion (SK) erfüllt;
- Performanzcharakteristika der jeweiligen Basisfunktion
(SK) .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das eine jeweilige Basisfunktion (SK) eine Schnittstelle umfasst, über welche das Ausführungsprogramm (EE) die Ausführung der jeweiligen Basisfunktion (BS) veran- lassen kann und den Laufzeitzustand der Ausführung der jeweiligen Basisfunktion (SK) abrufen kann.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausführungsprogramm (EE) die Ausfüh- rung der Sequenz von Basisfunktionen (SK) überwacht und die sich dabei verändernden Zustände des Produktionssystems (SYS) in der Wissensbasis (KB) ablegt, wobei das Ausführungspro¬ gramm (EE) beim Auftreten von Störungen bei der Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen (SK) die Neudurchführung der Schritte b) und c) veranlasst
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelesene Spezifikation (SPEC) eine durch einen Benutzer über eine Benutzerschnitt- stelle eingegebene oder editierte Information umfasst.
11. Vorrichtung zur rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses zum Produzieren eines aus mehreren Teilprodukten zusammengesetzten Produkts in einem Produktionssystem (SYS) aus mehreren technischen Komponenten (Dl, D2, D3) , welche am Produktionsprozess beteiligt sind, wobei in der Vor¬ richtung eine Wissensbasis (KB) gespeichert ist, in welcher in digitaler Form der aktuelle Zustand des Produktionssystems (SYS) sowie semantische Informationen (ASM, SKM, POM, PRM) hiterlegt sind, wobei die semantischen Informationen (ASM, SKM, POM, PRM) Daten über das Produktionssystem (SYS), über Basisfunktionen (SK) , welche als gekapselte Programme durch die Komponenten (Dl, D2, D3) im Produktionssystem ausführbar sind, über im Produktionsprozess verarbeitbare Teilprodukte und über im Produktionsprozess ausführbare Produktionsschrit¬ te und deren Abhängigkeiten umfassen, wobei die Vorrichtung eine Einleseeinheit, ein Inferenzprogramm (RE) , ein Planungs¬ programm (PE) und ein Ausführungsprogramm (EE) umfasst, mit welchen folgende Schritte durchführbar sind:
a) Einlesen einer digitalen Spezifikation (SPEC) zur Produktion eines vorbestimmten Produkts durch die
Einleseeinheit ;
b) Planen eines Produktionsprozesses für das vorbestimmte Produkt auf der Basis der eingelesenen Spezifikation (SPEC) unter Verwendung des Planungsprogramms (PE) und des Inferenzprogramms (RE) , wobei das Planungsprogramm (PE) den Produktionsprozess in der Form einer Sequenz von Basisfunktionen (SK) unter Verwendung von Informationen generiert, welche mittels des Inferenzprogramms (RE) über Inferenz aus der Wissensbasis abgeleitet werden;
c) Steuern der Ausführung der Sequenz von Basisfunktionen (SK) durch das Ausführungsprogramm (EE) .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 10 eingerichtet ist.
13. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
14. Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschmenle baren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung ei nes Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
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