An environment for heterogeneous model management in chemical process engineering

Abstract:
Modellierung und Simulation haben als Werkzeuge zur Analyse und Verbesserung chemischer Anlagen und Prozesse in jüngster Zeit stark an Bedeutung gewonnen. Jedoch ist die Modellentwicklung oft eine langwierige Aufgabe, die die Erfahrung eines Experten bedarf, um zu guten Ergebnissen zu gelangen. Die Beschleunigung der Modellentwicklung ist daher ein wichtiges Ziel, um modellbasierte Methoden ökonomisch nutzen zu können. Dabei stellt die Wiederverwendung von Modellen eine wichtige Technik dar. In der Praxis ist die Wiederverwendung eines Modells jedoch nicht immer einfach. Modelle werden durch verschiedene Mitarbeiter in einer Firma bearbeitet, die über die Lebenszeit einer Anlage die Position oder gar die Firma gewechselt haben können. Dazu kommt, dass oft eine Vielzahl von alternativen Modellen entwickelt wird um Prozessalternativen oder Parametervariationen zu untersuchen. Diese Modelle sind meist in verschiedenen Werkzeugen implementiert um verschiedene Aufgaben bestmöglich zu unterstützen. Gebräuchliche Werkzeuge reichen von Spreadsheet-Programmen wie MS Excel zur Unterstützung ökonomischer Abschätzungen bis hin zu komplexen Programmpaketen wie etwa gPROMS zur dynamischen Optimierung. Modellwiederverwendung führt daher in der Praxis zu Integrationsproblemen, deren Lösung die Effizienz der Modellentwicklung steigern kann. Das eine Integrationsproblem ist die Vereinheitlichung der unterschiedlichen und inkompatiblen Modellformate und -repräsentationen in eine durchgängige Bibliothek die einfach durchblät rt oder durchsucht werden kann. Das zweite Problem betrifft die Integration der Modelle zur Laufzeit der Simulation. Diese ist nötig, damit Modelle gemeinsam in ihrer jeweils nativen Simulationsumgebung wiederverwendet werden können ohne umgeschrieben werden zu müssen. Die genannten Probleme werden in der vorliegenden Arbeit beispielhaft an einer Fallstudie der Entwicklung von Polyamid-6 erläutert. Die Fähigkeiten von Werkzeugen, die derzeit in der Praxis genutzt werden, werden in Bezug auf Modellverwaltung und -wiederverwendung dokumentiert. Ferner wird gezeigt, wie die Ergebnisse dieser Arbeit die Lösung dieser Probleme ermöglichen. Dazu wird zunächst die Architektur REALMS (Repository-based environment architecture for lifecycle modeling and simulation) einer Umgebung für das Modellieren mit heterogenen Modellen dargestellt. Diese Architektur definiert Module, die die Lösung der beiden oben angesprochenen Probleme ermöglicht. Der Modellspeicher ROME (Repository for Open Modeling Environments) erlaubt die Speicherung, Archivierung, und Aggregation heterogener Prozessmodelle. Die Simulationsplattform CHEOPS übernimmt die Integration verschiedenartiger Modelle in ein gemeinsames Simulationsexperiment und die Koordination der dazugehörigen Simulatoren. Diese beiden Komponenten der Umgebung sind derart integriert, dass in ROME zusammengesetzte Modelle mit Hilfe von CHEOPS simuliert werden können. Die Bedienung übernimmt eine flexible grafische Oberfläche die ebenfalls in die Architektur integriert ist. In einer näheren Betrachtung des Modellspeichers ROME wird das zu Grunde liegende Metamodell diskutiert, welches eine vereinheitlichende Sicht relevanter Eigenschaften mathematischer Modelle über verschiedene Modellformate hinweg definiert. Die Darstellung des Metamodells wird ergänzt durch eine Erläuterung der Abbildung von Modellen aus dem Polyamid-6-Szenario in das Metamodell. Schließlich wird die auf Basis des Metamodells realisierte Funktionalität und die Implementierung in einer objekt-orientierten atenbank vorgestellt. Die Vorstellung der Simulationsplattform CHEOPS beginnt mit einer Diskussion wichtiger Eigenschaften von Simulatorarchitekturen. Existierende Werkzeuge werden hinsichtlich dieser Eigenschaften bewertet, so dass wünschenswerte Eigenschaften einer flexiblen Simulatorarchitektur herausgearbeitet werden können. Basierend darauf werden die Architektur und die komponentenbasierte Implementierung der Plattform CHEOPS erläutert.
Schließlich wird die Anwendung der Methoden und Werkzeuge am vorgestellten Szenario der Herstellung von Polyamid-6 demonstriert.

Keywords:
Modeling, reuse, database, simulation, repository, tool integration, CORBA