Entwicklung eines agentenbasierten Strategienverbundes zur Lösung von Nichtstandardproblemen in der Strukturgestaltung und -optimierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Strukturgestaltung und -optimierung im Ingenieurwesen führt in zunehmendem Maße auf simulationsbasierte Nichtstandardoptimierungsprobleme (NSP), deren Lösung aufgrund der komplizierten topologischen Verhältnisse im Suchraum der Optimierung (Nichtlinearität, Multimodalität, Unstetigkeiten etc.) allerhöchste Anforderungen an den Optimierungsexperten stellt. Relevante Optimierungskriterien und ebenso bestimmte Restriktionen lassen sich nur durch Computersimulationen berechnen, die teilweise stochastisch verrauscht sein können, durch Unschärfe gekennzeichnet sind und oftmals ein Mehrebenen- bzw. Mehrstufenproblem darstellen. Beispiele für NSP sind beispielsweise Probleme der robusten Optimierung oder Probleme zur Systemidentifikation von Ingenieurbauwerken. In dieser Situation kommt es darauf an, hochleistungsfähige, über das konventionelle Effizienzverhalten hinausgehende Optimierungsstrategien zur Verfügung zu haben. Die intelligente Optimierung von großskaligen NSP erfordert zudem eine möglichst ganzheitliche Betrachtungsweise, die zugleich verschiedene, miteinander verwobene Aspekte berücksichtigen muss, wie z. B. die Komplexität des Problems, Dauer der Evaluierung eines Entwurfsvektors, optimale Ausnutzung von Ressourcen, deklarative Modellierung von Problemen über Ontologien, Adaptivität etc. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, unter Einbeziehung von KI2-Technologien { insbesondere Multiagenten- (MAS) und Expertensystemen { eine neue Qualität für die computergerechte Lösung von Nichtstandardproblemen der Strukturgestaltung und -optimierung zu gewinnen. Die in diesem Projekt durchgeführte Forschung zur agentenbasierten Optimierung erlaubt dabei erstmals eine effiziente Entwicklung von Strategieverbünden und eine einheitliche Kopplung verschiedener { meist eigenständiger { Optimierungsstrategien. Es konnten tragfähige Lösungsansätze erarbeitet werden, die für den Bereich der simulationsbasierten Optimierung wichtig sowie neuartig sind. Es wurde ein agentenbasierter Verbund von leistungsstarken Optimierungsstrategien bzw. Optimierungsmethoden entwickelt, implementiert und erprobt. Mithilfe neuester informatischer Konzepte ist somit eine prototypische Plattform im Sinne eines Computational Steering für Experimente und Simulation von agentenbasierten Optimierungsverbünden entstanden, die sowohl die Realisierbarkeit des Gesamtkonzeptes belegt als auch eine kohärente Herangehensweise an die Lösung von Optimierungsproblemen ermöglicht. Die im Projekt entstandene Simulationsplattform wird als JASOE3-Plattform bezeichnet; sie besitzt eine fachspezifisch ausgerichtete Benutzungsoberfläche (GUI) für das Pre- und Postprocessing, insbesondere für die interaktive Steuerung und das Monitoring von Optimierungsprozessen. Beim Entwurf des Konzeptes zur adaptiven Optimierung wurde Wert darauf gelegt, unabhängig von einer konkreten Problemstellung, allgemeingültige agentenbasierte Lösungsprinzipe aufzudecken und neue informatische Methoden zu entwickeln, die einerseits die Machbarkeit, andererseits die Effektivität des gewählten Ansatzes untermauern. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projektes ist außerdem die Bereitstellung wissenschaftlicher Grundlagen für den informatischen Unterbau von ganzheitlich ausgerichteter, agentenbasierter Optimierung. Im Berichtszeitraum wurden im Einzelnen folgende Ergebnisse erzielt, die im Bereich der agentenbasierten Optimierung von simulationsbasierten Optimierungsproblemen über den heutigen Stand des Wissens hinausgehen: 1. Die effektive und effiziente Optimierung von Nichtstandardproblemen unter Verwendung von MAS anhand verschiedener Testkataloge von Optimierungsproblemen konnte nachgewiesen werden. Damit konnte eine wesentliche Zielsetzung des Projektes erreicht werden: die verteilte, adaptive Optimierung mithilfe eines MAS. 2. Die Allgemeingültigkeit und Praxistauglichkeit des entwickelten Optimierungskonzeptes konnte anhand der entwickelten Software bestätigt werden. 3. Erste inhärente Emergenzeffekte konnten nach Durchführung von Optimierungs-Experimenten beobachtet werden, die zu der Annahme berechtigen, dass der Strategienverbund auf Agentenbasis wesentlich leistungsfähiger ist als die Summe der Einzelstrategien für sich genommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Eine Simulations- und Experimentierplattform für die Strukturoptimierung mit Evolutionären Algorithmen. In: 18. Forum Bauinformatik, Weimar, 2006
Nguyen, V. V., M. Baitsch und D. Hartmann
- Evolutionary Optimization of Strategies for the Demolition of Buildings with Explosive Charges Using Multibody Dynamics. In: Topping, B. H. V., G. Montero und R. Montenegro (Herausgeber): Proceedings of the Eighth International Conference on Computational Structures Technology, Las Palmas, 2006. Civil-Comp Press
Baitsch, M., M. Breidt, M. Ilikkan und D. Hartmann
- A Computational Steering Approach towards Sensor Placement Optimization for Structural Health Monitoring using Multi-Agent Technology and Evolutionary Algorithms. In: Proceedings of the 6th International Workshop on Structural Health Monitoring (IWSHM), Stanford, CA, USA, 2007
Nguyen, V. V., K. Smarsly und D. Hartmann
- DFG Research Unit 500: Computer Aided Destruction of Complex Structures Using Controlled Explosives. it - Information Technology, 2007
Hartmann, D., M. Breidt, V. V. Nguyen, F. Stangenberg, S. Höhler, K. Schweizerhof, G. Blankenhorn, B. Möller, W. Graf und M. Liebscher
- Parallel shape optimization of three-dimensional continua with high-order finite elements. In: Herskovits, J. (Herausgeber): Proceedings of the International Conference on Engineering Optimization, Rio de Janeiro, Brazil, 2008
Baitsch, M., Y. Hu und D. Hartmann
- Simulationsbasierte Optimierung in der Bautechnik - Neue informatische Lösungskonzepte. In: Produktionsfaktor Mathematik. acatech, 2008
Hartmann, D., M. Baitsch und V. V. Nguyen
- Structural collapse simulation under consideration of uncertainty - Fundamental concept and results. Computers & Structures, 86(21-22):2064–2078, 2008
Hartmann, D., M. Breidt, V. V. Nguyen, F. Stangenberg, S. Höhler, K. Schweizerhof, S. Mattern, G. Blankenhorn, B. Möller und M. Liebscher
- A Computational Steering Approach towards Simulation-based Optimization in Engineering using an Agent-based Strategy Network of Optimization Methods. In: Third International Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization ICMSAO’09, Sharjah, United Arab Emirates, 2009
Nguyen, V. V. und D. Hartmann
- Damage Assessment and Reconstruction after War or Natural Disaster, Kapitel On a fundamental Concept of Structural Collapse Simulation taking into Account Uncertainty Phenomena, Seiten 169–191. Springer, 2009
Hartmann, D., M. Breidt, V. V. Nguyen, F. Stangenberg, S. Höhler, K. Schweizerhof, S. Mattern, G. Blankenhorn, B. Möller und M. Liebscher
