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Dipl.Ing. Johann Andorfer , Tandler.com GmbH, Buch a. Erlbach. Abstract zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1,2007, Aachen>. 2 S. (S. 136-137) Eine nachhaltige Sicherung der Funktionalität und der ökologischen Verträglichkeit eines mittleren bis großen Kanalnetzes erfordert eine umfassende und detaillierte Modellierung in Raum und Zeit. Um den in den Richtlinien geforderten statistischen Anforderungen gerecht zu werden und die jährlichen Häufigkeiten, Mengen und Zeiträume der Belastungen erwartungstreu abschätzen zu können, ist es zielführend und notwendig, lange Zeiträume und die Gesamtheit der Einzugsgebiete möglichst detailliert zu betrachten. Die hydraulische Funktionalität und Sicherheit soll meistens mit Hilfe zeitsymmetrischer (hydrodynamischer) Verfahren nur durch Betrachtung von Modellregen, allenfalls Regenserien, sichergestellt werden. Für die Abschätzung der jährlich zu erwartenden Emissionen in unsere natürlichen Gewässer mit ihren Mengen, Frequenzen und Dauern werden normalerweise Langzeitsimulationen natürlicher Regenreihen über möglichst große Zeiträume mit zeitasymmetrischen (hydrologischen) Verfahren durchgeführt. Die betrachteten Kanalnetze werden zumeist vereinfacht (Grobnetze), um die Rechenzeiten erträglicher zu gestalten. Wünschenswert wäre jedoch eine allen Anforderungen gerecht werdende wirklichkeitsnahe Modellierung des gesamten Kanalnetzes in all seinen Details, Vermaschungen und Wechselwirkungen (Feinnetz) und dessen zeitsymmetrische und damit verlässliche Simulation mit langjährigen Regenreihen. Bereits vor 15 Jahren wurde im Hause Tandler begonnen, die Berechnungssoftware durch Parallelisierung auf symmetrische Multiprozessortechnologien auszurichten. In neuerer Zeit hält diese Technik durch die Mehrkernprozessoren in normalen Notebooks und PCs Einzug in die Ingenieurbüros und Abwasserbetriebe und sorgt schon für wesentliche Einsparungen an Rechenzeit. Doch erst durch die Kombination der Parallelisierung mit dem Prinzip des verteilten Rechnens (d.h. die Einbeziehung mehrerer PCs eines Netzwerkes in die Berechnung) erhält man die Chance ausreichend Rechenkapazität zur Verfügung zu stellen, um nicht nur eine einzelne Langzeitsimulation eines Feinnetzes durchzuführen, sondern sogar mehrere Sanierungsalternativen zu überprüfen. Die zukunftsweisenden Arbeiten von Dipl. Math. R. Tandler auf diesem Gebiet sind Thema dieses Vortrags.
In den letzten 1.5 Jahren haben wir sehr deutlich gemerkt, dass es den Klimawandel wirklich gibt - ein Virus, welches unsere gesamte Welt auf links dreht, Überschwemmungskatastrophen, extreme Temperaturschwankungen, etc. Es ist also Zeit etwas zu verändern, es ist Zeit aktiv hinzusehen und zu handeln - bewusst zu leben, bewusst zu konsumieren. Das Thema Ernährung wird zwar immer wichtiger für einige von uns, jedoch reicht mir die Aufmerksamkeit bisher nicht. Es sind nicht nur Lebensmittel, welche nach dem Aufenthalt im Supermarkt in unserem Kühlschrank und anschließend in unserem Bauch landen. Mit diesen Lebensmitteln gehen außerdem folgende Aspekte einher: der Klimawandel, unsere Gesundheit, die Ausbeutung von Tieren, Menschen und Natur. Also wie sieht eigentlich der Enstehungsprozess hinter all diesen (meist) verpackten Lebensmitteln aus? Einen Teil dieser Prozesse habe ich mir im Rahmen meiner Bachelorarbeit angeschaut. Ich habe ausschließlich Bio-Höfe besucht, um mir ein eigenes Bild von "alternativer Landwirtschaft" zu machen. Die Arbeit ermöglicht Interessierten einen neutralen Einblick hinter die Kulisse unserer Lebensmittel und schafft eine Anregung für einen bewussteren Konsum.
Digital twins enable the modeling and simulation of real-world entities (objects, processes or systems), resulting in improvements in the associated value chains. The emerging field of quantum computing holds tremendous promise forevolving this virtualization towards Quantum (Digital) Twins (QDT) and ultimately Quantum Twins (QT). The quantum (digital) twin concept is not a contradiction in terms - but instead describes a hybrid approach that can be implemented using the technologies available today by combining classicalcomputing and digital twin concepts with quantum processing. This paperpresents the status quo of research and practice on quantum (digital) twins. It alsodiscuses their potential to create competitive advantage through real-timesimulation of highly complex, interconnected entities that helps companies better
address changes in their environment and differentiate their products andservices.
Algorithmic design and resilience assessment of energy efficient high-rise water supply systems
(2018)
High-rise water supply systems provide water flow and suitable pressure in all levels of tall buildings. To design such state-of-the-art systems, the consideration of energy efficiency and the anticipation of component failures are mandatory. In this paper, we use Mixed-Integer Nonlinear Programming to compute an optimal placement of pipes and pumps, as well as an optimal control strategy.Moreover, we consider the resilience of the system to pump failures. A resilient system is able to fulfill a predefined minimum functionality even though components fail or are restricted in their normal usage. We present models to measure and optimize the resilience. To demonstrate our approach, we design and analyze an optimal resilient decentralized water supply system inspired by a real-life hotel building.
On obligations in the development process of resilient systems with algorithmic design methods
(2018)
Advanced computational methods are needed both for the design of large systems and to compute high accuracy solutions. Such methods are efficient in computation, but the validation of results is very complex, and highly skilled auditors are needed to verify them. We investigate legal questions concerning obligations in the development phase, especially for technical systems developed using advanced methods. In particular, we consider methods of resilient and robust optimization. With these techniques, high performance solutions can be found, despite a high variety of input parameters. However, given the novelty of these methods, it is uncertain whether legal obligations are being met. The aim of this paper is to discuss if and how the choice of a specific computational method affects the developer’s product liability. The review of legal obligations in this paper is based on German law and focuses on the requirements that must be met during the design and development process.
Energy-efficient components do not automatically lead to energy-efficient systems. Technical Operations Research (TOR) shifts the focus from the single component to the system as a whole and finds its optimal topology and operating strategy simultaneously. In previous works, we provided a preselected construction kit of suitable components for the algorithm. This approach may give rise to a combinatorial explosion if the preselection cannot be cut down to a reasonable number by human intuition. To reduce the number of discrete decisions, we integrate laws derived from similarity theory into the optimization model. Since the physical characteristics of a production series are similar, it can be described by affinity and scaling laws. Making use of these laws, our construction kit can be modeled more efficiently: Instead of a preselection of components, it now encompasses whole model ranges. This allows us to significantly increase the number of possible set-ups in our model. In this paper, we present how to embed this new formulation into a mixed-integer program and assess the run time via benchmarks. We present our approach on the example of a ventilation system design problem.
Cheap does not imply cost-effective -- this is rule number one of zeitgeisty system design. The initial investment accounts only for a small portion of the lifecycle costs of a technical system. In fluid systems, about ninety percent of the total costs are caused by other factors like power consumption and maintenance. With modern optimization methods, it is already possible to plan an optimal technical system considering multiple objectives. In this paper, we focus on an often neglected contribution to the lifecycle costs: downtime costs due to spontaneous failures. Consequently, availability becomes an issue.
Nahezu 100.000 denkbare Strukturen kann ein Getriebe bei gleicher Funktion aufweisen - je nach Ganganzahl und gefordertem Freiheitsgrad. Mit dem traditionellen Ansatz bei der Entwicklung, einzelne vielversprechende Systemkonfigurationen manuell zu identifizieren und zu vergleichen, können leicht innovative und vor allem kostenminimale Lösungen übersehen werden. Im Rahmen eines Forschungsprojekts hat die TU Darmstadt spezielle Optimierungsmethoden angewendet, um auch bei großen Lösungsräumen zielsicher ein für die individuellen Zielstellungen optimales Layout zu finden.
Planning the layout and operation of a technical system is a common task
for an engineer. Typically, the workflow is divided into consecutive stages: First,
the engineer designs the layout of the system, with the help of his experience or of
heuristic methods. Secondly, he finds a control strategy which is often optimized
by simulation. This usually results in a good operating of an unquestioned sys-
tem topology. In contrast, we apply Operations Research (OR) methods to find a
cost-optimal solution for both stages simultaneously via mixed integer program-
ming (MILP). Technical Operations Research (TOR) allows one to find a provable
global optimal solution within the model formulation. However, the modeling error
due to the abstraction of physical reality remains unknown. We address this ubiq-
uitous problem of OR methods by comparing our computational results with mea-
surements in a test rig. For a practical test case we compute a topology and control
strategy via MILP and verify that the objectives are met up to a deviation of 8.7%.
Pure analytical or experimental methods can only find a control strategy for technical systems with a fixed setup. In former contributions we presented an approach that simultaneously finds the optimal topology and the optimal open-loop control of a system via Mixed Integer Linear Programming (MILP). In order to extend this approach by a closed-loop control we present a Mixed Integer Program for a time discretized tank level control. This model is the basis for an extension by combinatorial decisions and thus for the variation of the network topology. Furthermore, one is able to appraise feasible solutions using the global optimality gap.
In times of planned obsolescence the demand for sustainability keeps growing. Ideally, a technical system is highly reliable, without failures and down times due to fast wear of single components. At the same time, maintenance should preferably be limited to pre-defined time intervals. Dispersion of load between multiple components can increase a system’s reliability and thus its availability inbetween maintenance points. However, this also results in higher investment costs and additional efforts due to higher complexity. Given a specific load profile and resulting wear of components, it is often unclear which system structure is the optimal one. Technical Operations Research (TOR) finds an optimal structure balancing availability and effort. We present our approach by designing a hydrostatic transmission system.
Im Hinblick auf die Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland konzentriert sich das Projekt Diggi Twin auf die nachhaltige Gebäudeoptimierung. Grundlage für eine ganzheitliche Gebäudeüberwachung und -optimierung bildet dabei die Digitalisierung und Automation im Sinne eines Smart Buildings. Das interdisziplinäre Projekt der FH Aachen hat das Ziel, ein bestehendes Hochschulgebäude und einen Neubau an klimaneutrale Standards anzupassen. Im Rahmen des Projekts werden bekannte Verfahren, wie das Building Information Modeling (BIM), so erweitert, dass ein digitaler Gebäudezwilling entsteht. Dieser kann zur Optimierung des Gebäudebetriebs herangezogen werden, sowie als Basis für eine Erweiterung des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) dienen. Mithilfe von Sensortechnologie und künstlicher Intelligenz kann so ein präzises Monitoring wichtiger Gebäudedaten erfolgen, um ungenutzte Energieeinsparpotenziale zu erkennen und zu nutzen. Das Projekt erforscht und setzt methodische Erkenntnisse zu BIM und digitalen Gebäudezwillingen praxisnah um, indem es spezifische Fragen zur Energie- und Ressourceneffizienz von Gebäuden untersucht und konkrete Lösungen für die Gebäudeoptimierung entwickelt.
Gearboxes are mechanical transmission systems that provide speed and torque conversions from a rotating power source. Being a central element of the drive train, they are relevant for the efficiency and durability of motor vehicles. In this work, we present a new approach for gearbox design: Modeling the design problem as a mixed-integer nonlinear program (MINLP) allows us to create gearbox designs from scratch for arbitrary requirements and—given enough time—to compute provably globally optimal designs for a given objective. We show how different degrees of freedom influence the runtime and present an exemplary solution.