Neuartige Verfahren für die Überwachung und Diagnose von aktiv magnetgelagerten rotierenden Maschinen

Mit aktiven Magnetlagern ist es möglich, rotierende Körper durch magnetische Felder berührungsfrei zu lagern. Systembedingt sind bei aktiv magnetgelagerten Maschinen wesentliche Signale ohne zusätzlichen Aufwand an Messtechnik für Diagnoseaufgaben verfügbar. In der Arbeit wird ein Konzept entwickelt, das durch Verwendung der systeminhärenten Signale eine Diagnose magnetgelagerter rotierender Maschinen ermöglicht und somit neben einer kontinuierlichen Anlagenüberwachung eine schnelle Bewertung des Anlagenzustandes gestattet. Fehler können rechtzeitig und ursächlich in Art und Größe erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Anhand der erfassten Signale geschieht die Gewinnung von Merkmalen mit signal- und modellgestützten Verfahren. Für den Magnetlagerregelkreis erfolgen Untersuchungen zum Einsatz modellgestützter Parameteridentifikationsverfahren, deren Verwendbarkeit wird bei der Diagnose am Regler und Leistungsverstärker nachgewiesen. Unter Nutzung von Simulationsmodellen sowie durch Experimente an Versuchsständen werden die Merkmalsverläufe im normalen Referenzzustand und bei auftretenden Fehlern aufgenommen und die Ergebnisse in einer Wissensbasis abgelegt. Diese dient als Grundlage zur Festlegung von Grenzwerten und Regeln für die Überwachung des Systems und zur Erstellung wissensbasierter Diagnosemodelle. Bei der Überwachung werden die Merkmalsausprägungen auf das Überschreiten von Grenzwerten überprüft, Informationen über erkannte Fehler und Betriebszustände gebildet sowie gegebenenfalls Alarmmeldungen ausgegeben. Sich langsam anbahnende Fehler können durch die Berechnung der Merkmalstrends mit Hilfe der Regressionsanalyse erkannt werden. Über die bisher bei aktiven Magnetlagern übliche Überwachung von Grenzwerten hinaus erfolgt bei der Fehlerdiagnose eine Verknüpfung der extrahierten Merkmale zur Identifizierung und Lokalisierung auftretender Fehler. Die Diagnose geschieht mittels regelbasierter Fuzzy-Logik, dies gestattet die Einbeziehung von linguistischen Aussagen in Form von Expertenwissen sowie die Berücksichtigung von Unbestimmtheiten und ermöglicht damit eine Diagnose komplexer Systeme. Für Aktor-, Sensor- und Reglerfehler im Magnetlagerregelkreis sowie Fehler durch externe Kräfte und Unwuchten werden Diagnosemodelle erstellt und verifiziert. Es erfolgt der Nachweis, dass das entwickelte Diagnosekonzept mit beherrschbarem Rechenaufwand korrekte Diagnoseaussagen liefert. Durch Kaskadierung von Fuzzy-Logik-Modulen wird die Transparenz des Regelwerks gewahrt und die Abarbeitung der Regeln optimiert. Endresultat ist ein neuartiges hybrides Diagnosekonzept, welches signal- und modellgestützte Verfahren der Merkmalsgewinnung mit wissensbasierten Methoden der Fehlerdiagnose kombiniert. Das entwickelte Diagnosekonzept ist für die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen bei rotierenden Maschinen konzipiert.

Kollaboratives Wissensmanagement

Wissensmanagement in zentralisierten Wissensbasen erfordert einen hohen Aufwand für Erstellung und Wartung, und es entspricht nicht immer den Anforderungen der Benutzer. Wir geben in diesem Kapitel einen Überblick über zwei aktuelle Ansätze, die durch kollaboratives Wissensmanagement diese Probleme lösen können. Im Peer-to-Peer-Wissensmanagement unterhalten Benutzer dezentrale Wissensbasen, die dann vernetzt werden können, um andere Benutzer eigene Inhalte nutzen zu lassen. Folksonomies versprechen, die Wissensakquisition so einfach wie möglich zu gestalten und so viele Benutzer in den Aufbau und die Pflege einer gemeinsamen Wissensbasis einzubeziehen.

Regelbasiertes Reasoning auf massiv paralleler Hardware

Eine wesentliche Funktionalität bei der Verwendung semantischer Technologien besteht in dem als Reasoning bezeichneten Prozess des Ableitens von impliziten Fakten aus einer explizit gegebenen Wissensbasis. Der Vorgang des Reasonings stellt vor dem Hintergrund der stetig wachsenden Menge an (semantischen) Informationen zunehmend eine Herausforderung in Bezug auf die notwendigen Ressourcen sowie der Ausführungsgeschwindigkeit dar. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, adressiert die vorliegende Arbeit das Reasoning durch eine massive Parallelisierung der zugrunde liegenden Algorithmen und der Einführung von Konzepten für eine ressourceneffiziente Ausführung. Diese Ziele werden unter Berücksichtigung der Verwendung eines regelbasierten Systems verfolgt, dass im Gegensatz zur Implementierung einer festen Semantik die Definition der anzuwendenden Ableitungsregeln während der Laufzeit erlaubt und so eine größere Flexibilität bei der Nutzung des Systems bietet. Ausgehend von einer Betrachtung der Grundlagen des Reasonings und den verwandten Arbeiten aus den Bereichen des parallelen sowie des regelbasierten Reasonings werden zunächst die Funktionsweise von Production Systems sowie die dazu bereits existierenden Ansätze für die Optimierung und im Speziellen der Parallelisierung betrachtet. Production Systems beschreiben die grundlegende Funktionalität der regelbasierten Verarbeitung und sind somit auch die Ausgangsbasis für den RETE-Algorithmus, der zur Erreichung der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit parallelisiert und für die Ausführung auf Grafikprozessoren (GPUs) vorbereitet wird. Im Gegensatz zu bestehenden Ansätzen unterscheidet sich die Parallelisierung insbesondere durch die gewählte Granularität, die nicht durch die anzuwendenden Regeln, sondern von den Eingabedaten bestimmt wird und sich damit an der Zielarchitektur orientiert. Aufbauend auf dem Konzept der parallelen Ausführung des RETE-Algorithmus werden Methoden der Partitionierung und Verteilung der Arbeitslast eingeführt, die zusammen mit Konzepten der Datenkomprimierung sowie der Verteilung von Daten zwischen Haupt- und Festplattenspeicher ein Reasoning über Datensätze mit mehreren Milliarden Fakten auf einzelnen Rechnern erlauben. Eine Evaluation der eingeführten Konzepte durch eine prototypische Implementierung zeigt für die adressierten leichtgewichtigen Ontologiesprachen einerseits die Möglichkeit des Reasonings über eine Milliarde Fakten auf einem Laptop, was durch die Reduzierung des Speicherbedarfs um rund 90% ermöglicht wird. Andererseits kann der dabei erzielte Durchsatz mit aktuellen State of the Art Reasonern verglichen werden, die eine Vielzahl an Rechnern in einem Cluster verwenden.

Beitrag einer nutzungsabhängigen Instandhaltung zur Planung von Leistungsverfügbarkeit

Stets darauf bedacht, die Anlagen- und Maschinenverfügbarkeit bei möglichst geringem Ressourceneinsatz zu gewährleisten, wird die Rolle der Instandhaltung als unternehmerischer Wertschöpfungsfaktor immer bedeutsamer. Voraussetzung für eine Nutzbarmachung bestehender Potentiale sind neue Werkzeuge und Ansätze, deren Umsetzung eine effiziente Sicherstellung von Verfügbarkeit ermöglicht. Vor diesem Hintergrund wurde im Teilprojekt C3 des DFG Paketantrags 672 ein Konzept zur nutzungsabhängigen Instandhaltung entwickelt. Auf Grundlage des bestehenden Zusammenhangs von Nutzung und Abnutzung risikobehafteter Bauteile intralogistischer Systeme können damit die durch zukünftige Systemlasten hervorgerufenen Beanspruchungen antizipiert werden. Instandhaltungsmaßnahmen und technische Verfügbarkeiten werden dadurch anforderungsgerecht und ressourcen-optimal planbar.

Regionalwirtschaftliche Ausstrahlung von öffentlichen Forschungseinrichtungen in der Region Basel und der Nordwestschweiz

Der regionalökonomische Nutzen der universitären Hochschulen für ihre Region umfasst Einkommens-, Beschäftigungs- und Steuereffekte (Effekte der Leistungserstellung) sowie den Wissens- und Technologietransfer (WTT) aus den Hochschulen (Effekte der Leistungsabgabe). Die Effekte der Leistungserstellung werden im Rahmen einer regionalökonomischen Wirkungsanalyse für definierte Analyseregionen ermittelt. Die Steuereinnahmen werden den betreffenden Staatshaushalten zugerechnet. Die Einkommenseffekte werden zusätzlich über unendliche Wirkungsrunden für die Hochschulregion (Kanton Basel-Stadt und Basel-Landschaft) mit Hilfe einer (keynesianischen) Multiplikatoranalyse untersucht. Als Ergebnis der Analyse der Leistungserstellung kann festgehalten werden, dass die staatlichen Haushalte grosse Beträge in die Universität und die FHBB investieren, was nur teilweise durch Steuereinnahmen kompensiert werden kann. Die Wirtschaft der Hochschulregion profitiert stark von den Hochschulen, der Kanton Basel-Stadt insgesamt mehr als der Kanton Basel-Landschaft. Ersterer trägt andererseits erhebliche Zentrumslasten. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie machen deutlich, dass die staatlichen Ausgaben erhebliche positive Effekte in der Hochschulregion in Form von Einkommens-, Beschäftigungs- und Steuereffekten auslösen und dadurch in einem hohen Masse zur Wertschöpfung in der Region sowie zur Sicherung der Beschäftigung beitragen. Die Effekte der Leistungsabgabe untergliedern sich in den personengebundenen und den personenungebundenen Wissenstransfer. Der personengebundene Wissenstransfer erfolgt durch die Analyse des Verbleibs der Absolventen in der Region im Hinblick auf deren späteren Arbeitsplatz. Die Verbleibsquote gibt Aufschluss über die Attraktivität des regionalen Arbeitsmarktes für Hochschulabsolventen sowie über die Übereinstimmung von Studienangebot und Wirtschaftsstruktur der Region. Das Ergebnis zeigt, dass der basel-städtische Arbeitsmarkt für die Hochschulabsolventen deutlich attraktiver ist als jener des Kantons Basel-Landschaft. Dies ist durch die hohe Konzentration an wissensintensiven Unternehmen aus verschiedenen Branchen im Kanton Basel-Stadt zu erklären. Der personenungebundene Wissenstransfer wird durch die regionale Verankerung von Forschungskooperationen sowie durch verschiedene Merkmale der Kooperation analysiert. Es wird angenommen, dass durch Forschungskooperationen neues Wissen und Innovation entstehen. Für die Analyse wurden alle Forschungsgruppen der Universität Basel und der FHNW nach der Herkunft ihrer Mitarbeiter, der Herkunft ihrer Drittmittel und nach ihren Kooperationen befragt. Die Analyse erfolgt getrennt nach Fachbereichen, wobei diese jeweils entweder der analytischen oder der synthetischen Wissensbasis zugeordnet werden. Die Analyse der Indikatoren der regionalen Verankerung (Herkunft der Mitarbeiter, Herkunft der Drittmittel und der Kooperation) zeigte zum einen, dass synthetische Fachbereiche hinsichtlich der Rekrutierung ihrer Mitarbeiter eher regional verankert sind. Die Analyse der Herkunft der Drittmittel gibt einen deutlichen Hinweis auf einen starken Life Sciences-Standort Basel/Nordwestschweiz: Die Fachbereiche Medizin, Chemie und Biologie weisen den höchsten Anteil an Fördergeldern aus der Region auf. Die Fachbereiche Chemie und Biologie sind es auch, die am häufigsten mit Unternehmen in der Region zusammenarbeiten. Weiterhin sind die Fachbereiche Medizin und Technik in ihrer Forschung stark mit anderen öffentlichen Einrichtungen vernetzt. Die Ausgestaltung der Forschungskooperationen in Bezug auf die Erstkontaktaufnahme, die Motive und Formen einer Kooperation, die Probleme in der Zusammenarbeit, die Vorteile einer langjährigen Zusammenarbeit sowie die Faktoren einer erfolgreichen Zusammenarbeit gaben Aufschluss über die Bedeutung räumlicher, kognitiver und organisationaler Nähe. Bei der Erstkontaktaufnahme ist der bestehende persönliche Kontakt von grösster Wichtigkeit, was durch die räumliche Nähe der Kooperationspartner erleichtert wird. Die wichtigsten Motive für eine Zusammenarbeit sind der fachliche Austausch und die finanziellen Motive; letztere sind für synthetische Fachbereiche wichtiger. Zu den wichtigsten Formen einer Kooperation zählen gemeinsame Anträge für Forschungs- und Projektmittel sowie gemeinsame Publikationen. Als grösstes Hemmnis für eine Zusammenarbeit wurde der Organisationsaufwand bewertet und die Fähigkeit, die Kompetenzen des Partners richtig einschätzen zu können. Letzteres wird durch eine langjährige Zusammenarbeit erreicht, ebenso wie eine effizientere Kommunikation. Gegenseitiges Vertrauen und die sogenannte gleiche Wellenlänge sind die wichtigsten Faktoren einer erfolgreichen Zusammenarbeit. Die räumliche Nähe der Kooperationspartner ist dabei eine hilfreiche, aber keine notwendige Bedingung für eine erfolgreiche Kooperation. Insgesamt unterscheiden sich analytische und synthetische Fachbereiche in ihrem Kooperationsverhalten nicht signifikant. Jedoch unterscheiden sich die einzelnen Fachbereiche stark untereinander. Relevante zukünftige Forschungsvorhaben über den Wissens- und Technologietransfer von Hochschulen oder Forschungseinrichtungen könnten sich der Analyse einzelner Prozesse oder Phasen im Forschungsprozess verschiedener Fachbereiche, deren räumlicher Reichweite, der Bedeutung verschiedener anderer Näheformen sowie der regionalen Bedeutung von analytischen und synthetischen Elementen widmen.

Internetbasierte Wissensorganisation in der Lehrerbildung

In diesem Artikel geht es um die internetbasierte Wissensorganisation von multimedialen Lerninhalten. Die Lernenden in der Lehrerausbildung sollen nicht allein eine rezeptive Rolle bei der Nutzung multimedialer Inhalte einnehmen, sondern sie werden aufgefordert, eine aktive Rolle bei der Erstellung von Inhalten zu übernehmen. Dabei wird die Trennung zwischen dem Autor auf der einen Seite und dem Leser bzw. Nutzer von Inhalten auf der anderen Seite aufgebrochen. Basis ist die Auseinandersetzung mit konkreten Lehr-/Lern-Situationen über die Nutzung von Video- und Audiosequenzen (Situated Learning). Eine internetbasierte Wissensbasis mit multimedialen Inhalten ist dabei der Ausgangspunkt, um die individuelle Wissensorganisation in der Lehrerbildung zu unterstützen. Exemplarisch werden diese Aspekte einer internetbasierten Wissensorganisation an dem Projekt MaDiN deutlich gemacht (MathematikDidaktik im Netz). Ohne detailliert auf die in MaDiN aufgebaute Wissensbasis einzugehen, geht es in diesem Artikel um allgemeine Methoden, internetbasiertes Wissensmanagement in die Lehrerbildung zu integrieren. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung mit 1,6 Millionen Euro geförderten Projektes zum Aufbau einer Wissensbasis mit mathematischen und mathematikdidaktischen Inhalten (Primarstufe, Sekundarstufe I und II) wurde eine spezielle Methode zur internetbasierten Wissensorganisation entwickelt. Das Konzept einer internetbasierten Wissensorganisation hat einen konstruktivistischen Hintergrund. Die Umsetzung in der Lehrerbildung erfolgt über ein Autorensystem, mit dem der Nutzer ein Werkzeug zur Online-Strukturierung personalisierter Lerninhalte besitzt.(DIPF/Orig.)