Dit essay geeft een systeemvisie op het ontwikkelen van embedded software voor slimme systemen: (mobiele) robots en sensornetwerken.
DOCUMENT
Elke periode kent zijn eigen revolutie en elke revolutie brengt zijn eigen organisatorische model met zich mee. We bevinden ons nu in de 4e industri¨ele revolutie, waar het internet van dingen ons verbindt met autonome embedded systemen. Deze systemen zijn actief in de virtuele ’cyber’ wereld, alsook in de echte ’fysieke’ wereld om ons heen. Deze zogenoemde ’Cyber-Fysieke’ Systemen volgen daarmee een modern organisatorisch model, namelijk zelfmanagement, en zijn dan ook in staat zelf proactieve acties te ondernemen. Dit proefschrift belicht productiesystemen vanuit het Cyber-Fysieke perspectief. De productiesystemen zijn hier herconfigureerbaar, autonoom en zeer flexibel. Dit kan enkel worden bereikt door het ontwikkelen van nieuwe methodes en het toepassen van nieuwe technologie¨en die flexibiliteit verder bevorderen. Echter, effici¨entie is ook van belang, bijvoorbeeld door productassemblage zo flexibel te maken dat het daardoor kosteneffici¨ent is om de productie van diverse producten met een lage oplage, zogenaamde high-mix, low volume producten, te automatiseren. De mogelijkheid om zo flexibel te kunnen produceren moet bereikt worden door de creatie van nieuwe methoden en middelen, waarbij nieuwe technologie¨en worden gecombineerd; een belangrijk aspect hierbij is dat dit toepasbaar getest moet worden door gebruik van simulatoren en speciaal hiervoor ontwikkelde productiesystemen. Dit onderzoek zal beginnen met het introduceren van het concept achter de bijbehorende productiemethodologie, welke Grid Manufacturing is genoemd. Grid Manufacturing wordt uitgevoerd door autonome entiteiten (agenten) die zowel de productiesystemen zelf, als de producten representeren. Producten leven dan al in de virtuele cyber wereld voordat zij daadwerkelijk zijn gebouwd, en zijn zich bewust uit welke onderdelen zij gemaakt moeten worden. De producten communiceren en overleggen met de autonome herconfigureerbare productiesystemen, de zogenaamde equiplets. Deze equiplets leveren generieke diensten aan een grote diversiteit aan producten, die hierdoor op elk moment geproduceerd kunnen worden. Het onderzoek focust hierbij specifiek op de equiplets en de technische uitdagingen om dynamisch geautomatiseerde productie mogelijk te maken. Om Grid Manufacturing mogelijk te maken is er een set van technologische uitdagingen onderzocht. De achtergrond, onderzoeksaanpak en concepten zijn dan ook de eerste drie inleidende hoofdstukken. Daarna begint het onderzoek met Hoofdstuk 4 Object Awareness. Dit hoofdstuk beschrijft een dynamische manier waarop informatie uit verschillende autonome systemen gecombineerd wordt om objecten te herkennen, lokaliseren en daarmee te kunnen manipuleren. Hoofdstuk 5 Herconfiguratie beschrijft hoe producten communiceren met de equiplets en welke achterliggende systemen ervoor zorgen dat, ondanks | Dutch Summary 232 dat het product niet bekend is met de hardware van de equiplet, deze toch in staat is acties uit te voeren. Tevens beschrijft het hoofdstuk hoe de equiplets omgaan met verschillende hardwareconfiguraties en ondanks de aanpassingen zichzelf toch kunnen besturen. De equiplet kan dan ook aangepast worden zonder dat deze opnieuw geprogrammeerd hoeft te worden. In Hoofdstuk 6 Architectuur wordt vervolgens dieper ingegaan op de bovenliggende architectuur van de equiplets. Hier worden prestaties gecombineerd met flexibiliteit, waarvoor een hybride architectuur is ontwikkeld die het grid van equiplets controleert door het gebruik van twee platformen: Multi-Agent System (MAS) en Robot Operating System (ROS). Nadat de architectuur is vastgesteld, wordt er in Hoofdstuk 7 onderzocht hoe deze veilig ingezet kan worden. Hierbij wordt een controlesysteem ingevoerd dat het systeemgedrag bepaalt, waarmee het gedrag van de equiplets transparant wordt gemaakt. Tevens zal een simulatie met input van de sensoren uit de fysieke wereld ’live’ controleren of alle bewegingen veilig uitgevoerd kunnen worden. Nadat de basisfunctionaliteit van het Grid nu compleet is, wordt in Hoofdstuk 8 Validatie en Utilisatie gekeken naar hoe Grid Manufacturing gebruikt kan worden en welke nieuwe mogelijkheden deze kan opleveren. Zo wordt er besproken hoe zowel een hi¨erarchische als een heterarchische aanpak, waar alle systemen gelijk zijn, gebruikt kan worden. Daarnaast laat het hoofdstuk o.a. aan de hand van enkele voorbeelden en simulaties zien welke effecten herconfiguratie kan hebben, en welke voordelen deze aanpak zoal kan bieden.. Het proefschrift laat zien hoe met technische middelen geautomatiseerde flexibiliteit mogelijk wordt gemaakt. Hoewel het gehele concept nog volwassen zal moeten worden, worden er enkele aspecten getoond die op de korte termijn toepasbaar zijn in de industrie. Enkele voorbeelden hiervan zijn: (1) het combineren van gegevens uit diverse (autonome) bronnen voor 6D-lokalisatie; (2) een data-gedreven systeem, de zogeheten hardware-abstractielaag, die herconfigureerbare systemen controleert en de mogelijkheid biedt om deze productiesystemen aan te passen zonder deze te hoeven herprogrammeren; en (3) het gebruik van Cyber-Fysieke systemen om de veiligheid te verhogen.
MULTIFILE
De kernvraag van dit lectoraat is: hoe is governance effectief te organiseren in deze complexe netwerken? In dit essay wordt allereerst de veranderende wereld, de context waarin governance plaatsvindt, beschreven. Daarna zal worden ingegaan op de veranderende governance systemen zelf. Gevolgd door een beschrijving van wat in het optiek van dit lectoraat de centrale spelers in die nieuwe governance systemen zijn: beleidsmakers. Het essay sluit af met de contouren van een onderzoeksagenda voor dit lectoraat.
DOCUMENT
Systeemdenken is een belangrijke vaardigheid voor het begrijpen en oplossen van problemen m.b.t. complexe dynamische systemen (klimaat, voedselvoorziening, natuurbeheer, recessie, etc.). Echter, systeemdenken wordt niet structureel onderwezen in het voortgezet onderwijs en het is bekend dat leerlingen een dergelijke denkwijze niet vanzelf ontwikkelen. Daardoor blijven leerlingen beperkt vaardig en onvoldoende toegerust voor de uitdagingen van de moderne samenleving. Een belangrijke vraag is derhalve: Hoe kunnen leerlingen effectief ondersteund worden in het ontwikkelen van hun vaardigheid in kritisch systeemdenken? Veel onderwerpen die aan bod komen in het voortgezet onderwijs zijn dynamische systemen (hormoonsystemen, varkenscyclus, faseovergangen, etc.). Het probleem is echter dat leerlingen de onderliggende structuur en het dynamische gedrag onvoldoende leren begrijpen. Er is geen sprake van een systematische aanpak om leerlingen kritisch systeemdenken aan te leren. Daarnaast zijn diagrammen die deze systemen in lesboeken beschrijven statisch. Ze lenen zich slecht voor actieve werkvormen die leerlingen cognitief uitdagen tot kritisch systeemdenken. Ook zijn docenten beperkt in het achterhalen of leerlingen complexe systemen begrijpen en om gedifferentieerde ondersteuning te kunnen geven. Hoe kan dit worden opgelost? Interactieve software kan een doorbraak genereren, mits deze leerlingen zelfstandig en op eigen niveau laat werken, passende hulp geeft, en de docent informeert over de voortgang van leerlingen. Wij stellen voor om een methodiek te onderzoeken en ontwikkelen, gebaseerd op een digitaal instrument, dat hierin voorziet. Hierbij worden technieken uit de Kunstmatige Intelligentie ingezet. Het basisidee is om leerlingen in een leerlijn middels conceptueel modelleren te laten werken met interactieve systeemdiagrammen. Omdat het software betreft, kan het niveau en de hulp geautomatiseerd worden en krijgt de docent informatie over voortgang en eventuele problemen. Het project sluit nauw aan bij de praktijkvraag, geeft invulling aan moderne onderwijsvormen en zorgt dat vaardigheden in systeemdenken expliciet worden getraind. De kern van het project betreft een PhD promotieonderzoek.
Het belang van systeemdenken in het onderwijs wordt breed erkend, vooral vanwege de complexe systemen waarmee leerlingen in vakken zoals biologie, economie en aardrijkskunde te maken krijgen. Het gebruik van computermodellen van dynamische systemen door leerlingen wordt beschouwd als een veelbelovende aanpak om systeemdenken te bevorderen. Echter, onderzoek toont aan dat leerlingen modelleren lastig vinden en dat ze ondersteuning nodig hebben. Ondanks deze uitdaging is er in het onderwijsveld een sterke behoefte dat leerlingen leren systeemdenken en vakinhoudelijke kennis verwerven door zelf modellen te maken, en daardoor ook epistemologische kennis ontwikkelen over modelleren. Het verbeteren van de ondersteuning van modelleringsprogramma's bij het zelf maken van modellen is dus een belangrijk doel. Het gezamenlijk maken van een model is een effectieve manier van leren. Samenwerken stimuleert leerlingen om actief concepten te ontwikkelen en hun ideeën expliciet te maken. Echter, effectief samenwerkend leren vereist ondersteuning, aangezien leerlingen moeite hebben met samenwerken en docenten het lastig vinden om passende begeleiding te bieden. Een belangrijke uitdaging bij modelleren en samenwerkend leren is dus het bieden van adequate ondersteuning. Het huidige project richt zich daarom op het ontwikkelen van een computer-gebaseerde leeromgeving die automatisch gegenereerde ondersteuning biedt bij het samen maken van een specifiek type model, nl. een kwalitatieve representatie. Kwalitatieve representaties beschrijven systemen zonder precieze kwantitatieve informatie te gebruiken. Deze representaties sluiten aan bij de menselijke manier van causaal redeneren over dynamische systemen. In de leeromgeving krijgen leerlingen gerichte feedback op de kwaliteit van hun representaties en het proces van samenwerken. Het voorgestelde onderzoek omvat de ontwikkeling van lessenseries en software-innovaties in samenwerking met scholen. Vervolgens zal een effectstudie worden uitgevoerd om het effect te meten van samenwerkend leren op de ontwikkeling van zowel systeemdenken als vakinhoudelijke kennis.
Lectoraat, onderdeel van NHL Stenden Hogeschool
