Analyse, Entwurf und Implementierung eines verteilten Ansatzes zur adaptiven Optimierung technischer Systeme

Optimierungsprobleme spielen im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Umfeld eine große Rolle. Verfügbare Optimierungssoftware ist oftmals auf spezielle Anwendungen zugeschnitten und aufgrund geringer Modularität nur unter großem Aufwand für andere Anwendungsbereiche einsetzbar. Dies führt zur Forderung nach einem hohen Grad an Modularität, der es gestattet Komponenten auszutauschen oder z.B. die parallele Ausführung des Optimierungs- und Simulationscode zu ermöglichen.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Analyse, den Entwurf und die Implementierung eines verteilten Systems zur Optimierung ressourcen-intensiver Funktionen aus dem Bereich der Ingenieur- und Naturwissenschaften. An einem Beispiel zur optimalen Positionierung von Satelliten wird eine modulare Zerlegung eines Optimierungssystems motiviert. Anschließend werden die funktionalen Anforderungen an ein solches System analysiert. Basierend auf diesem Anforderungsprofil findet ein Abgleich mit bestehenden Optimierungsumgebungen statt. Zusätzlich werden software-technische Erfordernisse diskutiert, deren Einhaltung den Grad der Adaptivität und Wartbarkeit einer Software erhöhen und somit als Grundlage für die Umsetzung der funktionalen Anforderungen dienen. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird der Entwurf eines solchen Systems --- unter Verwendung bereits existierender Softwarekomponenten, die gekapselt werden --- diskutiert. Das Optimierungssystem Platon stellt die Realisierung des aufgestellten Entwurfs dar. Die Optimierung unterschiedlicher mathematischer Funktionen sowie ausgewählte Anwendungen aus dem ingenieurwissenschaftlichen Umfeld zeigen schließlich die Leistungsfähigkeit und den erreichten Grad an Adaptivität der Optimierungsumgebung.

Optimisation problems play an important role in areas of engineering applications. Available optimisation codes are often tailored to special tasks, and due to a minor degree of modularity are hard to apply to other application areas. This leads to a demand for a high degree of modularity, which allows to exchange components or, e.g. to facilitate the parallel execution of the optimisation and simulation-code.

This present work deals with the analysis, design and implementation of a distributed system for an optimisation of resource-intensive functions in areas of engineering and scientific applications. Using an example for an optimal satellite positioning, a modular decomposition of an optimisation system is motivated. After that the functional requirements of such a system are analysed. According to this requirement-profile a comparison with existing codes is performed. Additionally, software- engineering requirements are discussed to achieve a high degree of adaptivity and maintainability, which serves as a base to fulfil the functional requirements. From these results acquired the design of such a system --- integrating already existing software components by encapsulating them --- is discussed. The optimisation environment Platon represents a realisation of this design. The optimisation of different mathematical functions as well as selected engineering applications show the performance and the degree of adaptivity of the optimisation environment, which is achieved.