title: A case study on automated classification, mathematical model generation and solution space exploration of formalised product knowledge
Creators: name: Bauer, Christoph
Publisher: name: FH Vorarlberg
Year: 2020
Subjects: subject: 004 Informatik

description: This thesis aims to support the product development process. Therefore, an approach is developed, implemented as a prototype and evaluated, for automated solution space exploration of formally predefined design automation tasks holding the product knowledge of engineers. For this reason, a classification of product development tasks related to the representation of the mathematical model is evaluated based on the parameters defined in this thesis. In a second step, the mathematical model should be solved. A Solver is identified able to handle the given problem class. Due to the context of this work, System Modelling Language (SysML) is chosen for the product knowledge formalisation. In the next step the given SysML model has to be translated into an object-oriented model. This translation is implemented by extracting information of a ".xml"-file using the XML Metadata Interchanging (XMI) standard. The information contained in the file is structured using the Unified Modelling Language (UML) profile for SysML. Afterwards a mathematical model in MiniZinc language is generated. MiniZinc is a mathematical modelling language interpretable by many different Solvers. The generated mathematical model is classified related to the Variable Type and Linearity of the Constraints and Objective of the generated mathematical model. The output is stored in a ".txt"-file. To evaluate the functionality of the prototype, time consumption of the different performed procedures is measured. This data shows that models containing Continuous Variables need a longer time to be classified and optimised. Another observation shows that the transformation into an object-oriented model and the translation of this model into a mathematical representation are dependent on the number of SysML model elements. Using MiniZinc resulted in the restriction that models which use non-linear functions and Boolean Expressions cannot be solved. This is because the implementation of non-linear Solvers at MiniZinc is still in the development phase. An investigation of the optimally of the results, provided by the Solvers, was left for further work.
description: Diese Arbeit zielt darauf ab, den Produktentwicklungsprozess zu unterstützen. Dazu wird ein Ansatz zur automatisierten Untersuchung von Lösungsräumen von formal vordefinierten Entwurfsautomatisierungsaufgaben, die das Produktwissen von Ingenieuren beinhalten, gesucht, umgesetzt und evaluiert. Dazu wird eine Klassifikation von Produktentwicklungsaufgaben, die sich auf das darstellende mathematische Modell beziehen, anhand der in dieser Arbeit definierten Parameter evaluiert. In einem zweiten Schritt soll das mathematische Modell gelöst werden. Es wird ein Solver identifiziert, der in der Lage ist, die gegebene Problemklasse zu bearbeiten. Aufgrund des Kontextes dieser Arbeit wird System Modelling Language (SysML) für die Formalisierung des Produktwissens gewählt. In einem nächsten Schritt muss das gegebene SysML Modell in ein objektorientiertes Modell übersetzt werden. Diese Übersetzung wird durch Extraktion von Informationen aus einer Extensible Markup Language (XML)-Datei unter Verwendung des XML Metadata Interchanging (XMI) Standards realisiert. Die in der Datei enthaltenen Informationen werden unter Verwendung des Unified Modelling Language (UML) Profils für SysML strukturiert. Anschließend wird ein mathematisches Modell in der Sprache MiniZinc generiert. MiniZinc ist eine mathematische Modellierungssprache, die von vielen verschiedenen Solvern interpretiert werden kann. Das generierte mathematische Modell wird in Bezug auf Variablentyp, sowie Linearität der Constraints und Objektivs des Modells klassifiziert. Die Ausgabe wird in einer ".txt"-Datei gespeichert. Um die Funktionalität des Prototyps zu bewerten, wird der Zeitaufwand der verschiedenen durchgeführten Verfahren gemessen. Diese Messungen zeigen, dass Modelle, die Kontinuierliche Variablen enthalten, länger brauchen, um klassifiziert und optimiert zu werden. Eine weitere Beobachtung zeigt, dass die Transformation in ein objektorientiertes Modell und die Übersetzung dieses Modells in eine mathematische Repräsentation von der Anzahl der SysML Modellelemente abhängig ist. Die Verwendung von MiniZinc führte zu der Einschränkung, dass Modelle, die nicht-lineare Funktionen und Boolesche Ausdrücke verwenden, nicht gelöst werden können. Dies liegt daran, dass sich die Implementierung von nicht-linearen Solvern bei MiniZinc noch in der Entwicklungsphase ist. Eine Untersuchung des Optimums der von den Solvern gelieferten Ergebnisse wird für eine weiterführende Arbeit vorgeschlagen.