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Automation of the Hazard and Operability Method Using Ontology-based Scenario Causation Models
(2022)
The hazard and operability (HAZOP) method is widely used in chemical and process industries to identify and evaluate hazards. Due to its human-centered nature, it is time-consuming, and the results depend on the team composition. In addition, the factors time pressure, type of implementation, experience of the participants, and participant involvement affect the results. This research aims to digitize the HAZOP method. The investigation shows that knowledge-based systems with ontologies for knowledge representation are suitable to achieve the objective. Complex interdisciplinary knowledge regarding facility, process, substance, and site information must be represented to perform the task. A result of this work is a plant part taxonomy and a developed object-oriented equipment entity library. During ontology development, typical HAZOP scenarios, as well as their structure, components, and underlying causal model, were investigated. Based on these observations, semantic relationships between the scenario components were identified. The likelihood of causes and severity of consequences were determined as part of an automatic risk assessment using a risk matrix to determine safeguards reliably. An inference algorithm based on semantic reasoners and case-based reasoning was developed to exploit the ontology and evaluate the input data object containing the plant representation. With consideration given to topology, aspects like the propagation of sub-scenarios through plant parts were considered. The results of the developed knowledge-based system were automatically generated HAZOP worksheets. Evaluation of the achieved results was based on representative case studies in which the relevance, comprehensibility, and completeness of the automatically identified scenarios were considered. The achieved results were compared with conventionally prepared HAZOP tables for benchmark purposes. By paying particular attention to the causal relationships between scenario components, the risk assessment, and with consideration of safeguards, the quality of the automatically generated results was comparable to conventional HAZOP worksheets. This research shows that formal ontologies are suitable for representing complex interdisciplinary knowledge in the field of process and plant safety. The results contribute to the use of knowledge-based systems for digitizing the HAZOP method. When used correctly, knowledge-based systems can help decrease the preparation time and repetitious nature of HAZOP studies and standardize results.
The present situation of control engineering in the context of automated production can be described as a tension field between its desired outcome and its actual consideration. On the one hand, the share of control engineering compared to the other engineering domains has significantly increased within the last decades due to rising automation degrees of production processes and equipment. On the other hand, the control engineering domain is still underrepresented within the production engineering process. Another limiting factor constitutes a lack of methods and tools to decrease the amount of software engineering efforts and to permit the development of innovative automation applications that ideally support the business requirements.
This thesis addresses this challenging situation by means of the development of a new control engineering methodology. The foundation is built by concepts from computer science to promote structuring and abstraction mechanisms for the software development. In this context, the key sources for this thesis are the paradigm of Service-oriented Architecture and concepts from Model-driven Engineering. To mold these concepts into an integrated engineering procedure, ideas from Systems Engineering are applied. The overall objective is to develop an engineering methodology to improve the efficiency of control engineering by a higher adaptability of control software and decreased programming efforts by reuse.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch eine Automatisierung von Software-Entwicklungsaktivitäten sowohl Effizienz- als auch Qualitätsgewinne erzielt und komplexe Aktivitäten beherrschbar gemacht werden können. Dazu wird zunächst eine solide Basis für eine modellbasierte Software-Entwicklung geschaffen. Nach der Identifikation der Probleme der bisher üblicherweise eingesetzten Metamodellierung wird eine verbesserte Multiebenenmodellierung vorgeschlagen, welche die explizite Angabe der Instanziierbarkeit (Tiefe und Automatismus der Instanziierung) der Modellelemente erlaubt und damit eine deutliche Vereinfachung und bessere Verständlichkeit der Metamodelle ermöglicht. Zur operationalen Beschreibung von Modelltransformationen im Kontext dieser Multiebenenmodellierung wird sodann die Aktionssprache AL++ konzipiert. Insbesondere durch die Einführung von Sprachelementen für die Handhabung von Relationen und Attributen und die Aufnahme von Reflexionskonstrukten in die Sprache AL++ werden Transformationen kompakt und generisch beschreibbar. Anwendung finden diese Ansätze in der modellbasierten Entwicklung reaktiver Systeme. Dazu wird eine existierende Entwicklungsmethode erweitert, um eine durchgängige Automatisierung realisieren zu können. Die wichtigste Erweiterung ist dabei die modifizierte Automatenmodellierung, bei welcher erweiterte Endliche Automaten durch die Komposition getrennt modellierter Zustandsübergänge spezifiziert werden, was eine eindeutige Verfolgbarkeit zu den Anforderungen erlaubt. Eingesetzt werden obige Techniken für die statische Analyse von Spezifikationen, wobei insbesondere die automatische Detektion von Feature-Interaktionen (also die Feststellung kritischer Wechselwirkungen zwischen Produktmerkmalen) in dieser Form erstmalig für den Bereich der reaktiven Systeme durchgeführt wird. Daneben werden automatisierte dynamische Analysen auf der Basis generierter Prototypen betrachtet. Die Analyseergebnisse können automatisiert für die Modifikation und Neukonstruktion der Prototypen genutzt werden, womit Software-Entwicklungsexperimente vollständig in einem „virtuellen Labor“ durchgeführt werden können. Wichtigstes experimentelles Ergebnis ist, dass eine statische Parametrisierung einer „intelligenten“ Temperaturregelung möglich ist und daher eine Reduktion der notwendigen Produktmerkmale (und damit der Komplexität) erreicht werden kann. In Fallstudien wird am Ende der Arbeit nachgewiesen, dass alleine durch die automatische Erzeugung von Entwicklungsdokumenten und die konsistente Änderung vorhergehender Dokumente durch die in dieser Arbeit implementierten Werkzeuge ein Effizienzgewinn von 54 % erreicht werden kann. Die Erstellung der eingesetzten Werkzeuge hätte sich dabei bereits nach zwei ähnlichen Projekten bezahlt gemacht.