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Ein Beitrag zur Identifikation und Beherrschung von Unsicherheit bei der Modellierung technischer Systeme

Würtenberger, Jan (2018):
Ein Beitrag zur Identifikation und Beherrschung von Unsicherheit bei der Modellierung technischer Systeme.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7348],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Die Motivation dieser Arbeit resultiert aus der steigenden Anzahl an Produktrückrufen, deren Ursachen sich häufig auf eine nicht beachtete Kombination von relevanten Informationen aus Lebenslaufprozessen bei der Auslegung der Produkte zurückführen lässt. Es stellt sich die zentrale Forschungsfrage, inwiefern der Entwickler bei der Auslegung unterstützt werden kann, um ungewollte Abweichungen zwischen geforderten und realisierten Produkteigenschaften minimieren und somit die Gefahr von Produktrückrufen reduzieren zu können. D-rauf aufbauend wird in der Arbeit die Bedeutung der Verwendung von Produktmodellen im Produktentwicklungsprozess herausgestellt. Bei der Erstellung eines Produktmodells findet eine Informationsverarbeitung statt, auf deren Basis Entscheidungen zur Auslegung des Produkts getroffen werden. Kommt es hierbei zur ungewollten Vernachlässigung von relevanten Informationen und somit zu Unsicherheit im Produktmodell, steigt die Gefahr von Fehlentscheidungen in der Produktentwicklung deutlich an. Somit besteht durch die Identifikation und Be-herrschung von Unsicherheit bei der Erstellung von Produktmodellen die Möglichkeit, die Gefahr von Fehlentscheidungen in der Produktentwicklung zu redu-zieren. Zur Identifikation von Unsicherheit wird anschließend zunächst eine repräsentative Konsolidierung auf Basis des Stands der Forschung vorgenommen, welche Produktmodelltypen für welche Tätigkeiten im Produktentwicklungsprozess verwendet werden. Zentrales Ergebnis hierbei ist eine vorgenommene Zuordnung der Produktmodelltypen Zielmodell, Entwicklungsmodell, Analysemodell und Problemmodell zu den Tätigkeiten Identifikation von Zielen, Durchführung von Produktsynthese, Identifikation von Abhängigkeiten festgelegter Merkmale und Analyse von Eigenschaften. Anschließend wird auf die Verwendung von Analysemodellen fokussiert und der Lebenszyklus eines Produktmodells betrachtet, um anhand des Begriffspaars Verifikation und Validierung das Unsicherheitsverständnis bei der Verwendung von Produktmodellen schärfen zu können. Hierbei ist erkannt worden, dass Unsicherheit im Rahmen einer Validierung identifiziert und durch eine sich anschlie-ßende Verifikation reduziert werden kann. Der Zusammenhang dieses Begriffspaars stellt somit ein Mechanismus dar, mit deren Hilfe sich ein Vorgehen zur Beherrschung Unsicherheit entwickeln lässt. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird davon ausgegangen, dass im Rahmen einer Validierung Unsicherheit bereits erkannt wurde. Somit ist der Fokus auf die Reduktion von Unsicherheit im Rahmen einer Verifikation gelegt worden. Hierfür wurde zunächst eruiert, welche Unterstützungsmöglichkeiten es bisher für den Entwickler gibt. Es konnte festgestellt werden, dass sich bisherige Unterstützungen meistens nur auf späte Phasen des Lebenszyklus eines Produktmodells beziehen, beispielsweise auf den Übergang eines konzeptionellen Modells in eine rechnergestützte Form. Hieraus ist der Bedarf abgeleitet worden, eine Unterstützung für die frühen Phasen des Lebenszyklus eines Produktmodells zu entwickeln, da vernachlässigte Informationen in diesen Phasen zu einer besonders hohen Ausprägung von Unsicherheit in Produktmodellen führen. Im Rahmen der Beschreibung des Lebenszyklus eines Produktmodells ist weiterhin herausgestellt worden, dass der Entwickler bei der Verarbeitung von Informationen stets An-nahmen auf Basis einer als relevant erachteten Informationsmenge trifft. Um prinzipielle Einflussmöglichkeiten zur Unterstützung des Entwicklers zu identifizieren, wurde zur untersucht, welche Annahmen der Entwickler bei der Erstellung von Produktmodellen trifft. Die identifizierten Annahmen wurden strukturiert und beziehen sich auf die Festlegung des Betrachtungsrahmens, der Wahl von Modellbausteinen, der Erstellung einer Modellstruktur und der Individualisierung von Produktmodellelementen. Darauf aufbauend wird untersucht, wie der Entwickler bei der Festlegung einer als relevant erachteten Informationsmenge unterstützt werden kann. Hierzu wurde eine vierstufige Methodik entwickelt worden, mit deren Hilfe sich durch eine systematische Identifikation und Auswertung von Lebenslaufprozessen neben der bestehenden, produktmodellbezogenen Perspektive noch eine prozess-bezogene Perspektive auf das untersuchte Produkt legen lässt. Dadurch kann der Entwickler die Menge an relevant erachteten Informationen gezielt erweitern und die getroffenen Annahmen des Produktmodells im Rahmen einer Verifikation überprüfen und gegebenenfalls anpassen. Der Nutzen der Methodik wird abschließend am Beispiel eines Hydraulikmembranaktors und einer elektrischen Parkbremse evaluiert, wobei jeweils eine Reduktion von Modellunsicherheit bewirkt werden konnte.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Würtenberger, Jan
Title: Ein Beitrag zur Identifikation und Beherrschung von Unsicherheit bei der Modellierung technischer Systeme
Language: German
Abstract:

Die Motivation dieser Arbeit resultiert aus der steigenden Anzahl an Produktrückrufen, deren Ursachen sich häufig auf eine nicht beachtete Kombination von relevanten Informationen aus Lebenslaufprozessen bei der Auslegung der Produkte zurückführen lässt. Es stellt sich die zentrale Forschungsfrage, inwiefern der Entwickler bei der Auslegung unterstützt werden kann, um ungewollte Abweichungen zwischen geforderten und realisierten Produkteigenschaften minimieren und somit die Gefahr von Produktrückrufen reduzieren zu können. D-rauf aufbauend wird in der Arbeit die Bedeutung der Verwendung von Produktmodellen im Produktentwicklungsprozess herausgestellt. Bei der Erstellung eines Produktmodells findet eine Informationsverarbeitung statt, auf deren Basis Entscheidungen zur Auslegung des Produkts getroffen werden. Kommt es hierbei zur ungewollten Vernachlässigung von relevanten Informationen und somit zu Unsicherheit im Produktmodell, steigt die Gefahr von Fehlentscheidungen in der Produktentwicklung deutlich an. Somit besteht durch die Identifikation und Be-herrschung von Unsicherheit bei der Erstellung von Produktmodellen die Möglichkeit, die Gefahr von Fehlentscheidungen in der Produktentwicklung zu redu-zieren. Zur Identifikation von Unsicherheit wird anschließend zunächst eine repräsentative Konsolidierung auf Basis des Stands der Forschung vorgenommen, welche Produktmodelltypen für welche Tätigkeiten im Produktentwicklungsprozess verwendet werden. Zentrales Ergebnis hierbei ist eine vorgenommene Zuordnung der Produktmodelltypen Zielmodell, Entwicklungsmodell, Analysemodell und Problemmodell zu den Tätigkeiten Identifikation von Zielen, Durchführung von Produktsynthese, Identifikation von Abhängigkeiten festgelegter Merkmale und Analyse von Eigenschaften. Anschließend wird auf die Verwendung von Analysemodellen fokussiert und der Lebenszyklus eines Produktmodells betrachtet, um anhand des Begriffspaars Verifikation und Validierung das Unsicherheitsverständnis bei der Verwendung von Produktmodellen schärfen zu können. Hierbei ist erkannt worden, dass Unsicherheit im Rahmen einer Validierung identifiziert und durch eine sich anschlie-ßende Verifikation reduziert werden kann. Der Zusammenhang dieses Begriffspaars stellt somit ein Mechanismus dar, mit deren Hilfe sich ein Vorgehen zur Beherrschung Unsicherheit entwickeln lässt. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird davon ausgegangen, dass im Rahmen einer Validierung Unsicherheit bereits erkannt wurde. Somit ist der Fokus auf die Reduktion von Unsicherheit im Rahmen einer Verifikation gelegt worden. Hierfür wurde zunächst eruiert, welche Unterstützungsmöglichkeiten es bisher für den Entwickler gibt. Es konnte festgestellt werden, dass sich bisherige Unterstützungen meistens nur auf späte Phasen des Lebenszyklus eines Produktmodells beziehen, beispielsweise auf den Übergang eines konzeptionellen Modells in eine rechnergestützte Form. Hieraus ist der Bedarf abgeleitet worden, eine Unterstützung für die frühen Phasen des Lebenszyklus eines Produktmodells zu entwickeln, da vernachlässigte Informationen in diesen Phasen zu einer besonders hohen Ausprägung von Unsicherheit in Produktmodellen führen. Im Rahmen der Beschreibung des Lebenszyklus eines Produktmodells ist weiterhin herausgestellt worden, dass der Entwickler bei der Verarbeitung von Informationen stets An-nahmen auf Basis einer als relevant erachteten Informationsmenge trifft. Um prinzipielle Einflussmöglichkeiten zur Unterstützung des Entwicklers zu identifizieren, wurde zur untersucht, welche Annahmen der Entwickler bei der Erstellung von Produktmodellen trifft. Die identifizierten Annahmen wurden strukturiert und beziehen sich auf die Festlegung des Betrachtungsrahmens, der Wahl von Modellbausteinen, der Erstellung einer Modellstruktur und der Individualisierung von Produktmodellelementen. Darauf aufbauend wird untersucht, wie der Entwickler bei der Festlegung einer als relevant erachteten Informationsmenge unterstützt werden kann. Hierzu wurde eine vierstufige Methodik entwickelt worden, mit deren Hilfe sich durch eine systematische Identifikation und Auswertung von Lebenslaufprozessen neben der bestehenden, produktmodellbezogenen Perspektive noch eine prozess-bezogene Perspektive auf das untersuchte Produkt legen lässt. Dadurch kann der Entwickler die Menge an relevant erachteten Informationen gezielt erweitern und die getroffenen Annahmen des Produktmodells im Rahmen einer Verifikation überprüfen und gegebenenfalls anpassen. Der Nutzen der Methodik wird abschließend am Beispiel eines Hydraulikmembranaktors und einer elektrischen Parkbremse evaluiert, wobei jeweils eine Reduktion von Modellunsicherheit bewirkt werden konnte.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd) > Robust Design
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 805: Control of Uncertainty in Load-Carrying Structures in Mechanical Engineering
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio)
Date Deposited: 22 Apr 2018 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7348
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73482
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard and Weber, Prof. Dr. Christian
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 October 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Product models represent the product at a defined abstract level with a certain purpose and contain all the relevant properties and information. They are used as a basis for decision making during the product development process, e.g. to define or verify product properties. Product modelling is based on assumptions by the designer. There‘s always a lack of information during the product development process, so the designer has to make assumptions under uncertainty. Uncertain assumptions during product modelling affect the product lifecycle, whereby variations between the realized and the planned product behavior may occur. This dissertation systematizes the process of product modelling to assist understanding of what the designer do during that process. With the help of that, the methodical support IDEA is developed which the designer can use to evaluate the assumptions which are made during product modelling to minimize uncertainty.English
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