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Dokumentenidentifikation DE10237748A1 11.03.2004
Titel Verfahren und System zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien
Anmelder ABB Patent GmbH, 68526 Ladenburg, DE
Erfinder Schmitt, Oliver, Dr.-Ing., 57271 Hilchenbach, DE;
Balzer, Gerd, Prof. Dr.-Ing., 64625 Bensheim, DE
DE-Anmeldedatum 17.08.2002
DE-Aktenzeichen 10237748
Offenlegungstag 11.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.2004
IPC-Hauptklasse G06N 7/02
IPC-Nebenklasse G06F 17/60   
Zusammenfassung Verfahren und System zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel mittels Methoden der unscharfen Wissensverarbeitung, indem mittels wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung (40), die mit wenigstens einem Datenspeicher (48) zusammenwirkt, scharfe Eingangsgrößen (10), den technischen Zustand des jeweiligen Betriebsmittels eines Betriebsmittelverbundes und/oder einer Anlage betreffend, in unscharfe Kenngrößen (12) umgewandelt und deren jeweilige Zugehörigkeitsgrade bestimmt werden. Die umgewandelten unscharfen Kenngrößen (12) bzw. die Zugehörigkeitsfunktionen und jeweiligen Zugehörigkeitsgrade der verschiedenen Betriebsmittel oder Anlagen werden über logische Verknüpfungen regelbasiert zusammengeführt und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen der verschiedenen Betriebsmittel jeweils ein Flächenergebnisbeitrag (15) bestimmt. Durch Summation über alle Flächenergebnisbeiträge (15) wird resultierend eine aggregierte Zugehörigkeitsfunktion (17) gebildet und als Ergebniskennwert (19) deren Flächenschwerpunkt bestimmt. Durch Vergleich des Flächenschwerpunktes mit wenigstens einem empirisch vorbestimmten Schwellenwert wird resultierend eine Entscheidungsfindung bezüglich der anlagen- und/oder betriebsmittelabhängig tendenziell am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie (22) erreicht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien, welches mittels unscharfer Wissensverarbeitung eine Entscheidungsfindung bezüglich der jeweils anlagen- und/oder betriebsmittelabhängig am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie erlaubt. Außerdem beansprucht wird ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Geänderte Rahmenbedingungen in den liberalisierten und deregulierten Energiemärkten führen aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus zu immer neuen Instandhaltungsüberlegungen hinsichtlich zustandsorientierter Instandhaltungsstrategien. Neben einer Berücksichtigung des technischen Zustandes des jeweiligen Betriebsmittels bzw. der jeweiligen Anlage wird hierbei unter anderem auch die Wichtigkeit des einzelnen Betriebsmittels in einem Verbund bzw. Netz und/oder innerhalb eines Anlagenkomplexes berücksichtigt. Bekannte Verfahren und darauf basierende Systeme bzw. Applikationen stellen in aller Regel Dialoge zur Verfügung, um den technischen Zustand eines Betriebsmittels und/oder eine Anlage sowie seine Wichtigkeit im Verbund bzw. Netz zu bestimmen. Beide Informationen werden erfasst, verknüpft und bewertet, sowie resultierend die optimale Reihenfolge bzw. ein optimierter zeitlicher Ablaufplan für die Instandhaltung der verschiedenen Betriebsmittel sowie eine Prioritätenliste, festgelegt.

Die vorgenommene Bewertung bzw. Beurteilung wird für alle erfaßten Betriebsmittel und/oder Anlagen in einem Koordinatensystem graphisch festgehalten und in einem sortierten Instandhaltungsplan, vorzugsweise tabellarisch, bereitgestellt. Für eine herkömmliche Instandhaltungsplanung maßgeblich relevant sind hierbei der technische Zustand des Betriebsmittels und die Wichtigkeit bzw. Wertigkeit des Betriebsmittels bzw. der Anlage für bzw. innerhalb des Gesamtnetzes bzw. des Verbundes. Resultierend wird eine Prioritätenliste der betrachteten Anlagen bzw. Betriebsmittel -maßgeblich bestimmt durch ihren technischen Zustand- ermittelt, die darüber hinaus aber auch die jeweilige technisch/soziale Bedeutung des Betriebsmittels und/oder der Anlage für das Gesamtsystem bzw. den Verbund und/oder das Netz berücksichtigt.

Wie aus dem im ABB Technik 4/2000 Journal veröffentlichten Artikel „Zustandsabhängige Bewertung-Neuer Ansatz zum Lebensdauermanagement für elektrische Betriebsmittel" bekannt, lassen sich mittels Fuzzy-Logik-Verfahren neben exakten, numerischen Daten auch unscharfe Angaben und Informationen, das jeweilige Betriebsmittel und/oder die Anlage betreffend, verwenden, sodass für eine effiziente Zustandsbewertung technischer Betriebsmittel und/oder Anlagen eine größere Menge an verwertbaren Informationen und Daten zur Verfügung stehen. Auch bestehende Abhängigkeiten lassen sich in natürlicher Sprache formulieren. Abgeleitete unscharfe Ausgabewerte bzw. Kenngrößen, wie beispielsweise «die Temperatur ist mittel» können in exakte numerische Werte umgewandelt und als solche für die Zustandsbewertung technischer Betriebsmittel und/oder Anlagen eingesetzt werden.

Bei der Zustandsbestimmung bzw. -bewertung beispielsweise einer Anlage oder eines Betriebsmittelverbundes wird herkömmlich ein gewichteter, diskreter Kennwert ermittelt, der sich aus den verschiedenen Zuständen der einzelnen Komponenten bzw. Betriebsmittel zusammensetzt. Demgemäss basiert die Gesamtbeurteilung einer Anlage und/oder eines Betriebsmittelverbundes auf den jeweiligen Zustandsbeurteilungen bzw. Zustandswerten der einzelnen Betriebsmittel dieser Anlage oder Verbundes, wobei sich die jeweiligen Zustände signifikant voneinander unterscheiden können. Eine Instandhaltung der Anlage oder des Betriebsmittelverbundes, aber auch einzelner technischer Betriebsmittel kann im Bedarfsfalle, insbesondere bei Auftreten einer Störung und/oder eines Ausfalls wenigstens eines Betriebsmittels, prinzipiell durch zwei alternativ anwendbare Maßnahmen, nämlich den Ersatz der Gesamtanlage bzw. aller Betriebsmittel oder den Austausch einzelner Komponenten und/oder Betriebsmittel erreicht werden. Welche der beiden vorgenannten Maßnahmen durchgeführt wird, hängt hierbei sowohl von den Kosten und der Wertigkeit des jeweiligen Anlagenteils und/oder Betriebsmittels ab, als auch von einer wechselseitigen Einflussnahme bzw. Kopplung der verschiedenen Betriebsmittel untereinander.

So beinhalten Instandhaltungs- und/oder Erneuerungsmaßnahmen, insbesondere in elektrischen Energieversorgungssystemen neben Maßnahmen an den eigentlichen Installationen und/oder Betriebsmitteln, der sog. Primär- und Sekundärtechnik, grundsätzlich auch begleitende Maßnahmen, beispielsweise an Gebäuden, Fundamenten und Grundstücken. Funktional lassen sich die verschiedenen Bereiche oft weitgehend entkoppeln. Die Erneuerung alter Installationen und/oder Betriebsmittel kann, muss aber nicht unbedingt auch die Erneuerung des umgebenden Gebäudes nach sich ziehen. Umgekehrt kann es jedoch oft plausible technische und wirtschaftliche Gründe dafür geben, eine – eher betagte – Anlage und/oder Anlagenkomponente trotz beispielsweise umfassender Gebäudesanierung weiter zu betreiben. Die Entscheidung für oder wider eine Teil- oder Komplettsanierung bewegt sich in diesen Fällen in einer Grauzone und ist nur schwer objektivierbar. Aber beispielsweise auch bei ausschließlicher Betrachtung elektrotechnischer Installationen, wie zum Beispiel bei Freiluftanlagen, lässt sich die Frage nach teilweiser Sanierung oder vollständiger Erneuerung nicht immer eindeutig beantworten.

Eine automatisierte Entscheidungsfindung, welche der vorgenannten Instandhaltungsund/oder Erneuerungsmaßnahmen gegebenenfalls bei einer Anlage und/oder einem Betriebsmittel durchzuführen ist und damit eine Evaluierung der am zweckmäßigsten durchzuführenden Instandhaltungsstrategie, lässt sich auf herkömmliche Art und Weise nicht ableiten. Zwar ist bestimmbar, dass beispielsweise der Zustand einer Anlage in ihrer Gesamtheit nicht ausreichend ist, es sind jedoch keine Aussagen dahingehend treffbar, welche Maßnahmen im einzelnen abzuleiten und/oder vorzunehmen sind, um dies zu beheben bzw. zu ändern. Auch alternativ mögliche Instandhaltungsstrategien im wirtschaftlichen Vergleich quantitativ aufzuzeigen und nahe zu bringen, ist mit herkömmlichen Verfahren und Systemen bislang nicht realisierbar bzw. nicht erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine systematische Bestimmung zweck- und/oder bedarfsgerechter Instandhaltungsmaßnahmen und/oder Instandhaltungsstrategien technische Betriebsmittel oder technische Anlagen betreffend, unter Vermeidung vorgenannter Nachteile und mit möglichst geringem Aufwand zu ermöglichen.

Vorgenannte Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie ein System zu dessen Ausführung sind in den weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Verfahrens- und systemgemäß werden zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel Methoden der unscharfen Wissensverarbeitung, vorzugsweise Fuzzy-Logik-Methoden, eingesetzt. Mittels wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung, die mit wenigstens einem Datenspeicher und/oder wenigstens einer Datenbank zusammenwirkt, werden schrittweise scharfe Eingangsgrößen, den technischen Zustand des jeweiligen Betriebsmittels eines Betriebsmittelverbundes und/oder einer Anlage betreffend, insbesondere exakte Zahlen- und/oder Kennwerte aus der Zustandsbewertung, vermittels mehrerer vorbestimmter Zugehörigkeitsfunktionen in unscharfe Kenngrößen, wie beispielsweise „schlecht", „mäßig" „mittel", „gut", „sehr gut" oder „niedrig", „mittel", „hoch", umgewandelt. Die unscharfen Kenngrößen können hierbei zwei oder mehr Abstufungen aufweisen. Wird als Eingangsgröße beispielsweise der Zustandswert eines Betriebsmittels eingegeben, so kann die Eingangsgröße, entsprechend der Definition von unscharfen Mengen, hier der Zustand c, eines Gerätes bzw. Betriebsmittels, beispielsweise einer oder mehreren Zugehörigkeitsfunktionen „niedrig", „mittel", „hoch" zugeordnet werden. Der Grad oder das Maß der Zuordenbarkeit wird hierbei als Zugehörigkeitsgrad bezeichnet.

Unter einer Zugehörigkeitsfunktion ist hierbei eine Funktion zu verstehen, die jedem Element x aus einem im Allgemeinen numerischen Grund- oder Wertebereich einen Zugehörigkeitsgrad oder Wahrheitswert zu einer Fuzzy-Menge &mgr;(x) zuordnet. Ein Zugehörigkeitsgrad von &mgr;(x) = 1 bedeutet, dass der Wert x vollständig zur Fuzzy-Menge gehört, ein Zugehörigkeitsgrad von &mgr;(x) = 0, dass der Wert x überhaupt nicht zur Fuzzy-Menge gehört. Werte für &mgr;(x) zwischen Null und Eins bedeuten, dass der Wert x teilweise zur Fuzzy-Menge gehört. Typische Zugehörigkeitsfunktionen können dreieckförmig, trapezförmig, gaußförmig oder exponentiell sein.

Die umgewandelten unscharfen Kenngrößen der verschiedenen zu berücksichtigenden Betriebsmittel bzw. ihre jeweiligen Zugehörigkeitsfunktionen und Zugehörigkeitsgrade werden über vordefinierte logische Verknüpfungen regelbasiert zusammengeführt und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen bzw. Kenngrößen der verschiedenen Betriebsmittel jeweils eine unscharfe Gesamtkenngröße mit entsprechender Gesamtzugehörigkeitsfunktion und Gesamtzugehörigkeitsgrad bestimmt.

Die unscharfen Fuzzy-Kenngrößen werden regelbasiert logisch miteinander verknüpft, insbesondere durch die Verknüpfungen UND, ODER, NICHT. Im Falle der UND-Verknüpfung (Konjunktion) ist der resultierende Gesamtzugehörigkeitsgrad durch das Minimum der Zugehörigkeitsgrade der Eingangsgrößen bestimmt. Erfüllt beispielsweise Größe A Bedingung 1 zu 20 % und erfüllt Größe B Bedingung 2 zu 40 %, dann wird das zugehörige Ergebnis entsprechend der Aussage, daß sowohl Bedingung 1 als auch Bedingung 2 erfüllt wird, nur zu 20 % erfüllt. Dies kann graphisch als „abschneiden" der Gesamtzugehörigkeitsfunktion auf dem Zugehörigkeitsgrad der minimal erfüllten Eingangs-Zugehörigkeitsfunktion angesehen werden. In vorgenanntem Beispiel wurde ohne Beschränkung der Allgemeinheit ausschließlich die logische Verknüpfung UND und somit die Minimalmethode verwendet. Die Minimalmethode stellt jedoch nur eine Möglichkeit der Wissensverarbeitung dar; in Abhängigkeit von der gewählten Regelbasis können auch beispielsweise die Maximalmethode, entsprechend einer reinen ODER-Verknüpfung, sowie andere Methoden aus der Fuzzy-Set-Theorie angewendet werden. Die jeweils graphisch durch den Gesamtzugehörigkeitsgrad begrenzte oder beschnittene, eingeschlossene Fläche einer Gesamtzugehörigkeitsfunktion bildet den Flächenergebnisbeitrag der jeweiligen Gesamtzugehörigkeitsfunktion.

Durch Summation über alle bestimmten Gesamtkenngrößen bzw. durch Summation aller Flächenergebnisbeiträge der Gesamtzugehörigkeitsfunktionen wird resultierend eine aggregierte bzw. gewichtete Zugehörigkeitsfunktion gebildet. Die Summation erfolgt hierbei vorzugsweise basierend auf der Maximalmethode, entsprechend einer reinen logischen ODER-Verknüpfung zwischen den ermittelten Flächenergebnisbeiträgen, wobei prinzipiell auch andere Methoden aus der Fuzzy-Set-Theorie angewendet werden können. Die gewichtete oder aggregierte Zugehörigkeitsfunktion ist somit das Ergebnis der graphischen Aufsummierung der Flächenergebnisbeiträge aller Gesamtzugehörigkeitsfunktionen.

Die regelbasiert gewichtete Gesamtzugehörigkeitsfunktion berücksichtigt hierbei die jeweiligen Wahrheitswerte der einzelnen betrachteten unscharfen Aussagen, die auf diese Weise zu einer gewichteten bzw. aggregierten, resultierenden Zugehörigkeitsfunktion zusammengefasst werden.

Zur weiteren Entscheidungsfindung, bezüglich der auf die Anlage in Abhängigkeit der scharfen bzw. diskreten Eingangsgrößen vorzugsweise anzuwendenden Instandhaltungsstrategie bzw. -maßnahmen und demgemäßen Bestimmung einer Entscheidungskenngröße wird die, aus der Fuzzy-Set-Theorie bekannte Schwerpunktsmethode auf die resultierende aggregierte Zugehörigkeitsfunktion angewendet und daraus resultierend ein scharfer bzw. diskreter Entscheidungskennwert bestimmt. Bei der Schwerpunktmethode handelt es sich um eine Defuzzifizierungsmethode, welche das numerische Ergebnis der unscharfen Wissensverarbeitung anhand des Flächenschwerpunkts der resultierenden Zugehörigkeitsfunktion ermittelt. Mit Hilfe der Schwerpunktmethode ermittelte Fuzzy-Ergebnisse sind hierbei in aller Regel geeignet, beispielsweise auf Hundert, zu normieren.

Durch Vergleich des ermittelten Entscheidungskennwertes, nämlich des Flächenschwerpunktes der aggregierten Zugehörigkeitsfunktion, mit wenigstens einem empirisch vorbestimmten Schwellenwert und/oder Übergangsbereich, wird eine Entscheidungsfindung und Aussage bezüglich der tendenziell am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie erreicht und ermöglicht. Hierbei wird mittels des wenigstens einen Schwellenwertes unter verschiedenen vorbestimmten Instandhaltungsstrategien und/oder -maßnahmen, die am zweckmäßigsten und effektivsten erscheinende selektiert.

Ein Computerprogramm zur Ausführung auf einer entsprechend eingerichteten Datenverarbeitungseinrichtung, das die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, führt zu einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. Ein Computerprogramm, insbesondere ein auf einem Datenträger gespeichertes Computerprogramm, das die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wird daher ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen.

Die weitere Erläuterung und Darlegung der Erfindung sowie weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen erfolgt anhand von einigen Figuren und Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

1 Beispielhafter Verfahrensablauf zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel

2 Zugehörigkeitsfunktionen

3 Regelbasierte unscharfe Wissensverarbeitung

4 Beispielhaftes System zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand von 1 in Verbindung mit 2 näher erläutert.

In 1 ist ein beispielhaftes Verfahrensschema gezeigt. Zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technische Anlagen und/oder technische Betriebsmittel, wie beispielsweise Transformatoren, Antriebe, Pumpen, Armaturen, Roboter, Schaltanlagen und/oder Kraftanlagen, derselben betreffend, werden mittels Fuzzy-Logik-Elementen scharfe Eingangsgrößen 10, insbesondere exakte Zahlen- und/oder Kennwerte den technischen Zustand des jeweiligen Betriebsmittels und/oder der jeweiligen Anlage bzw. derjeweiligen Komponente des Betriebsmittels betreffend vermittels mehrerer Zugehörigkeitsfunktionen in einem ersten Schritt 11 in unscharfe Kenngrößen 12 umgewandelt. Die umgewandelten Kenngrößen sowie die entsprechenden Zugehörigkeitsfunktionen decken hierbei den gesamten relevanten Wertebereich der jeweiligen Eingangsgröße, wie beispielsweise der technische Zustand, die Effizienz, der Wirkungsgrad, die Wertigkeit bzw. Wichtigkeit oder die Wirtschaftlichkeit einer Komponente und/oder eines Betriebsmittels und/oder einer Anlage, ab.

Wie in 2 gezeigt, kommen als unscharfe Kenngrößen 12 (vgl. 1} mit entsprechenden Zugehörigkeitsfunktionen bei der Zustandsbewertung beispielsweise die Kenngrößen und Zugehörigkeitsfunktionen „niedrig" 22, „mittel" 24 und „hoch" 26 in Betracht. In 2 aufgetragen ist hierbei der auf Eins normierte Zugehörigkeitsgrad in Abhängigkeit des Zustandswertes, dessen relevanter Wertebereich von 0 bis 100 reicht. Die unscharfe Zustandsbewertung erfolgt hier beispielhaft in drei Abstufungen. Prinzipiell ist jedoch eine beliebige Anzahl an Abstufungen, beispielsweise mittels weiterer unscharfer Kenngrößen wie „sehr niedrig" und/oder „sehr hoch" sowie entsprechender Funktionen möglich. Je mehr Abstufungen vorhanden sind, desto schärfer ist die Kenngröße definiert. Die in 2 gezeigten Zugehörigkeitsfunktionen sind dreieckförmig, es sind jedoch beispielsweise auch trapezförmige, gaußförmige oder exponentielle Zugehörigkeitsfunktionen bekannt und verwendbar. Ein beispielhaft vorgegebener, diskreter bzw. scharfer Zustandskennwert c1 von 70, der in 2 durch eine senkrechte Markierung 28 verdeutlicht ist, führt auf die unscharfen Aussagen, daß

  • – der Wert c1 mit 0 % der unscharfen Größe "niedrig" entspricht, das heißt die senkrechte Markierung 28 besitzt keinen Schnittpunkt mit der durchgezogenen Zugehörigkeitsfunktion „niedrig" 22 bzw. der Zugehörigkeitsgrad des Wertes c1 zur Zugehörigkeitsfunktion „niedrig" 22 ist gleich 0,
  • – der Wert c1 mit 60 % der unscharfen Größe "mittel" entspricht, das heißt die senkrechte Markierung 28 hat mit der punktiert gezeichneten Zugehörigkeitsfunktion „mittel" 24 einen Schnittpunkt bei einem Ordinatenwert von 0,6 bzw. der Zugehörigkeitsgrad des Wertes c1 zur Zugehörigkeitsfunktion „mittel" 24 beträgt 0,6, und
  • – der Wert c1 mit 40 % der unscharfen Größe "hoch" entspricht, das heißt die senkrechte Markierung 28 hat mit der gestrichelt gezeichneten Zugehörigkeitsfunktion „hoch" 26 einen Schnittpunkt bei einem Ordinatenwert von 0,4 bzw. der Zugehörigkeitsgrad des Wertes c1 zur Zugehörigkeitsfunktion „hoch" 26 beträgt demgemäss 0,4.

Wie in 1 gezeigt, werden die umgewandelten unscharfen Kenngrößen 12 (vgl. 1) bzw. Zugehörigkeitsfunktionen aller zu berücksichtigenden Betriebsmittel und/oder Komponenten und/oder Anlagen in einem zweiten Schritt 14 über vordefinierte Regeln 13 zusammengeführt und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen der verschiedenen Betriebsmittel und/oder Komponenten und/oder Anlagen jeweils eine unscharfe Gesamtkenngröße und zugehörige Gesamtzugehörigkeitsfunktion bestimmt. Die vorbestimmten Regeln 13 stellen hierbei den Zusammenhang zwischen den umgewandelten unscharfen Kenngrößen 12 der verschiedenen Komponenten und/oder Betriebsmitteln und/oder Anlagen bzw. den resultierenden unscharfen Gesamtkenngrößen her. Vorgenannte Regeln können hierbei beispielsweise die folgende Gestalt aufweisen:

wenn das technische Betriebsmittel 1 den Zustand bzw. die Kenngröße "hoch" und Betriebsmittel 2 die Kenngröße "mittel" aufweist, dann bestimmt sich daraus die Gesamtkenngröße "hoch";

wenn das technische Betriebsmittel 1 den Zustand bzw. die Kenngröße "mittel" und Betriebsmittel 2 die Kenngröße "mittel" aufweist, dann bestimmt sich daraus die Gesamtkenngröße "mittel";

wenn das technische Betriebsmittel 1 den Zustand bzw. die Kenngröße "niedrig" und Betriebsmittel 2 die Kenngröße "mittel" aufweist, dann bestimmt sich daraus die Gesamtkenngröße "niedrig", usw.

Durch regelbasierte logische Verknüpfung der Zugehörigkeitsgrade der unscharfen Fuzzy-Kenngrößen, insbesondere mittels den Verknüpfungen UND, ODER, NICHT, ergeben sich die Flächenergebnisbeiträge 15 der einzelnen Gesamtzugehörigkeitsfunktionen bzw. deren Gesamtzugehörigkeitsgrade. Im Falle der UND-Verknüpfung (Konjunktion) ist der resultierende Gesamtzugehörigkeitsgrad durch das Minimum der Zugehörigkeitsgrade der Eingangsgrößen bestimmt.

In dem in 1 gezeigten Verfahrensablauf wird in einem dritten Schritt 16 durch Summation über alle Flächenergebnisbeiträge der Gesamtzugehörigkeitsfunktionen resultierend eine aggregierte Zugehörigkeitsfunktion 17 gebildet. Zur Entscheidungsfindung bezüglich der anzuwendenden Instandhaltungsstrategie bzw. der anzuwendenden Instandhaltungsmaßnahmen und Bestimmung einer Ausgangskenngröße wird in einem vierten Schritt 18 mittels Schwerpunktmethode ein scharfer Ergebniskennwert 19 in Form des Flächenschwerpunktes der aggregierten Zugehörigkeitsfunktion bestimmt.

Durch Vergleich mit wenigstens einem mittels empirischer Daten 20 und/oder technischer Überlegungen bestimmten Schwellenwert wird in einem fünften Schritt 21 eine Entscheidungsfindung bezüglich der anlagen- und/oder betriebsmittelabhängig tendenziell am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie 22 bzw. - maßnahme erreicht, indem automatisiert zwischen mehreren vorgebbaren Instandhaltungsmaßnahmen bzw. -strategien schwellenwertabhängig selektiert wird.

Die umgewandelten unscharfen Kenngrößen 12 der verschiedenen zu berücksichtigenden Betriebsmittel bzw. ihre jeweiligen Zugehörigkeitsfunktionen 22, 24, 26 werden, wie in 3 gezeigt, über vordefinierte Regeln 13 (vgl. 1) zusammengeführt und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen der verschiedenen Betriebsmittel jeweils eine unscharfe Gesamtkenngröße mit entsprechender Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 bestimmt.

In 3 ist die regelbasierte unscharfe Wissensverarbeitung anhand einer beispielhaften Anlage, zusammengesetzt aus Betriebsmittel 1, mit einem scharfen Zustandskennwert c1 von 94,4 und Betriebsmittel 2, mit einem scharfen Zustandskennwert c2 von 53,3, die in 3 durch jeweils einen senkrechten Strich 35, 36 angegeben sind, gezeigt.

Die Gesamtkenngröße 34 beschreibt bzw. kennzeichnet hierbei den Gesamtzustand der Anlage. Bei drei möglichen einnehmbaren unscharfen Zuständen ergeben sich, wie in 3 gezeigt, neun mögliche Zustandskombinationen mit entsprechenden Gesamtzugehörigkeitsfunktionen- und -kenngrößen 34. Verallgemeinert man diesen Ansatz, so erhält man bei n Betriebsmitteln, von denen sich jedes alternativ in k unscharfen Zuständen befinden kann bzw. jedes alternativ k unterschiedliche Kenngrößen aufweisen kann, insgesamt k" Zustandskombinationen bzw. k" Gesamtkenngrößen 34. Die anzuwendenden Regeln 13 (vgl. 1) zur Bildung der k" Gesamtkenngrößen 34 werden aus praktischen Erfahrungen und/oder technischen Überlegungen heraus abgeleitet bzw. empirisch gebildet und geben hinsichtlich der Entscheidungsfindung bei vorliegender Betriebsmittelzustands- und/oder Kenngrößenkombination eine tendenzielle Empfehlung zur Anwendung einer bestimmten Instandhaltungsstrategie, insbesondere zum Ersatz oder der Wartung einzelner Betriebsmittel und/oder Komponenten oder dem Ersatz oder der Wartung der Gesamtanlage bzw. aller Betriebsmittel der Anlage wider.

Dem in 3 angegebenen Beispiel liegt bezüglich der unscharfen Wissensverarbeitung das folgende System aus neun Regeln zugrunde:

Die in 3 gezeigten unscharfen Fuzzy-Kenngrößen 12 bzw. die ihnen entsprechenden Zugehörigkeitsgrade werden logisch miteinander verknüpft, insbesondere mittels den Verknüpfungen UND, ODER, NICHT. Im Falle der UND-Verknüpfung (Konjunktion) ist der resultierende Zugehörigkeitsgrad durch das Minimum der Zugehörigkeitsgrade der Eingangsgrößen 12 (vgl. 1) bestimmt. Erfüllt beispielsweise Größe A Bedingung 1 zu 20 % und erfüllt Größe B Bedingung 2 zu 40 %, dann wird das zugehörige Ergebnis entsprechend der Aussage, daß sowohl Bedingung 1 als auch Bedingung 2 erfüllt wird nur zu 20 % erfüllt. Dies kann graphisch als „abschneiden" der Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 auf dem Zugehörigkeitsgrad der minimal erfüllten Eingangs-Zugehörigkeitsfunktion 22, 24, 26 angesehen werden. Die Höhe des Zugehörigkeits- bzw. Wahrheitsgrades die jeweilige Funktion betreffend wird in 3 durch eine jeweils horizontal verlaufende, gestrichelte Linie angegeben. Die eingehüllte Fläche der durch den jeweiligen Zugehörigkeitsgrad bzw. die vorgenannte gestrichelte Linie begrenzten und/oder graphisch beschnittenen Zugehörigkeitsfunktion 22, 24, 26 und/oder Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 ist in 3 zum besseren Verständnis schraffiert dargestellt.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist in dem in 3 gezeigten Beispiel ausschließlich die logische Verknüpfung UND und somit die Minimalmethode zur Verknüpfung der unscharfen Fuzzy-Kenngrößen 12 bzw. der jeweiligen Zugehörigkeitsgrade eingesetzt. Die Minimalmethode stellt jedoch nur eine Möglichkeit der Wissensverarbeitung dar. In Abhängigkeit von der gewählten Regelbasis können auch beispielsweise die Maximalmethode, entsprechend einer reinen ODER-Verknüpfung sowie andere Methoden aus der Fuzzy-Set-Theorie angewendet werden.

Durch Summation über alle bestimmten Gesamtkenngrößen bzw, der durch den minimalen Zugehörigkeitsgrad der Eingangsgrößen bestimmten Flächenergebnisbeiträge 15 der Gesamtzugehörigkeitsfunktionen 34 wird, wie in 3 gezeigt, resultierend eine aggregierte bzw. gewichtete Zugehörigkeitsfunktion 17 gebildet. Die Summation der Flächenergebnisbeiträge 15 der Gesamtzugehörigkeitsfunktionen 34 erfolgt hierbei vorzugsweise basierend auf der Maximalmethode, entsprechend einer reinen logischen ODER-Verknüpfung zwischen den ermittelten Flächenergebnisbeiträgen 15. Prinzipiell sind auch andere Methoden aus der Fuzzy-Set-Theorie anwendbar. Die gewichtete oder aggregierte Zugehörigkeitsfunktion 17 ist somit das Ergebnis der graphischen Aufsummierung der Flächenergebnisbeiträge 15 aller Einzelregeln 13 (vgl. 1).

Die regelbasiert gewichtete Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 berücksichtigt hierbei die jeweiligen Wahrheitswerte der einzelnen betrachteten unscharfen Aussagen, die auf diese Weise zu einer gewichteten bzw. aggregierten, resultierenden Zugehörigkeitsfunktion 17 zusammengefasst werden.

Der sich gemäß Schwerpunktsmethode ergebende Flächenschwerpunkt der aggregierten Zugehörigkeitsfunktion 17 ist durch eine in die aggregierte Zugehörigkeitsfunktion 17 eingetragenen senkrechte Markierung 38 angegeben.

In 4 ist ein beispielhaftes System zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen oder technischer Betriebsmittel mittels Methoden der unscharfen Wissensverarbeitung gezeigt, welches eine Datenverarbeitungsvorrichtung 40 mit Anzeige- 44 und Eingabevorrichtung 42, sowie Mittel 46 mit Fuzzy-Logik-Elementen aufweist und die Datenverarbeitungseinrichtung 40 mit wenigstens einem Datenspeicher 48 zusammenwirkt, auf dem beispielsweise die scharfen Eingangsgrößen 10 (vgl. 1) aus der Betriebsmittel- und/oder Anlagenzustandsbewertung sowie untereinander vergleichbare, vorbestimmte Instandhaltungsstrategien 22 (vgl. 1) und/oder -maßnahmen abrufbar gespeichert sind. Vorgenannte Mittel 46 der Datenver- arbeitungseinrichtung 40 sind hierbei dafür eingerichtet, mittels Fuzzy-Logik-Elementen scharfe Eingangsgrößen 10 (vgl. 1), insbesondere exakte Zahlen- und/oder Kennwerte, den technischen Zustand des jeweiligen Betriebsmittels eines Betriebsmittelverbundes und/oder einer Anlage betreffend vermittels mehrerer vorbestimmter Zugehörigkeitsfunktionen 22, 24, 26 (vgl. 2) in unscharfe Kenngrößen 12 (vgl. 1) umzuwandeln, die umgewandelten unscharfen Kenngrößen 12 (vgl. 1) der verschiedenen zu berücksichtigenden Betriebsmittel bzw. ihre jeweiligen Zugehörigkeitsfunktionen über vordefinierte Regeln 13 (vgl. 1) zusammenzuführen und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen 22, 24, 26 (vgl. 2) der verschiedenen Betriebsmittel jeweils eine unscharfe Gesamtkenngröße mit entsprechender Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 (vgl. 3) zu bestimmen. Systemgemäß wird durch logische Verknüpfung der Zugehörigkeits- bzw. Wahrheitsgrade aller zugrunde gelegten Zugehörigkeitsfunktionen 22, 24, 26 (vgl. 2) jeweils einer Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 (vgl. 3) der Zugehörigkeitsgrad vorgenannter Gesamtzugehörigkeitsfunktion 34 (vgl. 3) und damit deren Flächenergebnisbeitrag 15 (vgl. 1) bestimmt. Die Mittel 46 (vgl. 4) des Systems sind darüber hinaus dafür eingerichtet, durch Summation der Flächenergebnisbeiträge 15 (vgl. 1) aller regelbasiert evaluierten Gesamtzugehörigkeitsfunktionen 34 (vgl. 3) resultierend eine aggregierte Zugehörigkeitsfunktion 17 (vgl. 1) zu bilden und zur Entscheidungsfindung und Bestimmung einer Ausgangskenngröße mittels Schwerpunktsmethode den Flächenschwerpunkt der aggregierten Zugehörigkeitsfunktion 17 (vgl. 1) zu bestimmen. Durch systemgemäßen Vergleich mit wenigstens einem, anhand empirischer Daten 20 (vgl. 1) vorbestimmten Schwellenwert wird eine Entscheidungsfindung bezüglich der jeweils anlagen- und/oder betriebsmittelabhängig tendenziell am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie 22 ( vgl. 1) erreicht. Alle ermittelten Größen und Kennwerte sind hierbei vorteilhaft auf dem Datenspeicher 48, vorzugsweise in einer entsprechend konfigurierten Datenbank, fakultativ speicherbar.

Vorteilhaft sind systemgemäß bereits mehrere vorbestimmte, schwellenwertindizierte Instandhaltungsstrategien und/oder -maßnahmen auf dem Datenspeicher 48 selektier- und abrufbar bereitgestellt.

Die systemgemäßen Mittel 46 (vgl. 4) können in festverdrahteter Form, unter Verwendung analoger und/oder digitaler Bauelemente und Mikroprozessoren und/oder im Rahmen eines Computerprogramms bzw. einer Computerprogrammkomponente mit entsprechenden Programmcodemitteln zur Ausführung auf mindestens einer Datenverarbeitungseinrichtung 40 realisiert werden. Darüber hinaus weist das System eine Ausgabevorrichtung 50, vorzugsweise in Form eines Druckers oder Plotters, zur Ausgabe der basierend auf Fuzzy-Logik evaluierten Instandhaltungsstrategie 22 (vgl. 1) auf.

Auch betriebs- und/oder anlagenspezifische Eingabemasken 52 mit darin vorgesehenen Datenfeldern zur Erfassung und Widergabe der scharfen Eingangsgrößen 10 (vgl. 1) werden vom System vorteilhaft bereitgestellt. Die scharfen Eingangsgrößen 10 (vgl. 1) können hierbei vorteilhaft vorbereitend auf einem Datenspeicher 48 (vgl. 4) und/oder in einer Datenbank abruf- und/oder änderbar gespeichert und bedarfsabhängig aufgerufen werden.

Auch eine systemgemäße Client/Server-Architektur mit mehreren sekundären Datenverarbeitungseinrichtungen, den Clients, die über eine Kommunikationsverbindung, beispielsweise ein lokales oder globales Netzwerk, insbesondere das Internet, mit einer primären Datenverarbeitungseinrichtung, dem Server, verknüpft sind und mit diesem zusammenwirken ist prinzipiell realisierbar. Der Aufruf des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der zu seiner Durchführung eingesetzten Programmkomponente, sowie erforderliche Dateneingaben erfolgen hierbei von einem der Clients über die bestehende Kommunikationsverbindung mittels eines Fern- bzw. „remote access"-Zugriffs auf dem Server.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel mittels Methoden der unscharfen Wissensverarbeitung, wobei mittels wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung (40), die mit wenigstens einem Datenspeicher (48) zusammenwirkt, schrittweise

    – scharfe Eingangsgrößen (10), den technischen Zustand des jeweiligen Betriebsmittels eines Betriebsmittelverbundes und/oder einer Anlage betreffend in unscharfe Kenngrößen (12) umgewandelt und deren jeweilige Zugehörigkeitsgrade bestimmt werden,

    – die umgewandelten unscharfen Kenngrößen (12) bzw. die Zugehörigkeitsfunktionen und jeweiligen Zugehörigkeitsgrade der verschiedenen Betriebsmittel oder Anlagen über logische Verknüpfungen regelbasiert zusammengeführt und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen der verschiedenen Betriebsmittel jeweils ein Flächenergebnisbeitrag (15) bestimmt wird,

    – durch Summation über alle Flächenergebnisbeiträge (15) resultierend eine aggregierte Zugehörigkeitsfunktion (17) gebildet wird,

    – zur Entscheidungsfindung der Flächenschwerpunkt der aggregierten Zugehörigkeitsfunktion (17) bestimmt wird und

    – durch Vergleich mit wenigstens einem empirisch vorbestimmten Schwellenwert eine Entscheidungsfindung bezüglich der anlagen- und/oder betriebsmittelabhängig tendenziell am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie (22) erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung der scharfen Eingangsgrößen (10) in unscharfe Kenngrößen (12) Fuzzy-Logik-Elemente eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als scharte Eingangsgrößen (10) exakte Zahlen- und/oder Kennwerte aus der Anlagen- und/oder Betriebsmittelzustandsbewertung verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der scharfen Eingangsgrößen (10) in unscharfe Kenngrößen (12) vermittels mehrerer vorbestimmter Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder unscharfen Kenngröße (12) eine Zugehörigkeitsfunktion (22, 24, 26) eindeutig zugeordnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede scharte Eingangsgröße (10) ein Zugehörigkeitsgrad zu jeder der vorbestimmten Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) und/oder der entsprechenden unscharfen Kenngrößen (12) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Zugehörigkeitsgrade der Zugehörigkeitsfunktionen eines Betriebsmittels und/oder einer Anlage, eine scharfen Eingangsgröße (10) betreffend, stets einen Wert zwischen Null und Eins ergibt.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) der verschiedenen Betriebsmittel jeweils eine Gesamtzugehörigkeitsfunktion (34) und/oder Gesamtkenngröße gebildet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) der verschiedenen Betriebsmittel durch logische Verknüpfung, insbesondere die Verknüpfungen UND und ODER, der jeweiligen Zugehörigkeitsgrade jeweils ein Gesamtzugehörigkeitsgrad bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenergebnisbeitrag (15) einer Gesamtzugehörigkeitsfunktion (34) durch den jeweiligen Gesamtzugehörigkeitsgrad bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende, aggregierte Zugehörigkeitsfunktion (17) unter Verwendung der Maximaltheorie bestimmt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aggregierte bzw. gewichtete resultierende Zugehörigkeitsfunktion (17) die jeweiligen Wahrheitswerte der einzeln betrachteten unscharfen Kenngrößen (12) sowie der Gesamtkenngrößen berücksichtigt.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbasierten Verknüpfungen in Form von wenn dann Abfragen gebildet werden.
  14. System zur optimierenden Evaluation von Instandhaltungsstrategien technischer Anlagen und/oder technischer Betriebsmittel mittels Methoden der unscharfen Wissensverarbeitung, wobei mittels wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung (40), die mit wenigstens einem Datenspeicher (48) zusammenwirkt, wobei Mittel (46) vorhanden sind, die dafür eingerichtet sind

    – scharfe Eingangsgrößen (10), den technischen Zustand des jeweiligen Betriebsmittels eines Betriebsmittelverbundes und/oder einer Anlage betreffend in unscharfe Kenngrößen (12) umzuwandeln und deren jeweilige Zugehörigkeitsgrade zu bestimmen,

    – die umgewandelten unscharfen Kenngrößen (12) bzw. die Zugehörigkeitsfunktionen und jeweiligen Zugehörigkeitsgrade der verschiedenen Betriebsmittel oder Anlagen über logische Verknüpfungen regelbasiert zusammenzuführen und resultierend für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) der verschiedenen Betriebsmittel jeweils einen Flächenergebnisbeitrag (15) zu bestimmen,

    – durch Summation über alle Flächenergebnisbeiträge (15) resultierend eine aggregierte Zugehörigkeitsfunktion (17) zu bilden,

    – zur Entscheidungsfindung den Flächenschwerpunkt der aggregierten Zugehörigkeitsfunktion (17) zu bestimmen und

    – durch Vergleich mit wenigstens einem empirisch vorbestimmten Schwellenwert eine Entscheidungsfindung bezüglich der anlagen- und/oder betriebsmittelabhängig tendenziell am zweckmäßigsten anzuwendenden Instandhaltungsstrategie (22) zu erreichen.
  15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung der scharfen Eingangsgrößen (10) in unscharfe Kenngrößen (12) Mittel (46) mit Fuzzy-Logik-Elementen eingesetzt sind.
  16. System nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß als scharfe Eingangsgrößen (10) exakte Zahlen- und/oder Kennwerte aus der Anlagen- und/oder Betriebsmittelzustandsbewertung eingesetzt sind.
  17. System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung der scharfen Eingangsgrößen (10) in unscharfe Kenngrößen (12) mehrere vorbestimmte Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) eingesetzt sind.
  18. System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder unscharfen Kenngröße (12) eine Zugehörigkeitsfunktion (22, 24, 26) eindeutig zugeordnet ist.
  19. System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß für jede scharfe Eingangsgröße (10) und zu jeder der vorbestimmten Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) und/oder der entsprechenden unscharfen Kenngrößen (12) ein Zugehörigkeitsgrad bestimmt ist.
  20. System nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Zugehörigkeitsgrade der Zugehörigkeitsfunktionen eines Betriebsmittels und/oder einer Anlage, eine scharfen Eingangsgröße (10) betreffend, stets einen Wert zwischen Null und Eins ergibt.
  21. System nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus jeder möglichen Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) der verschiedenen Betriebsmittel jeweils eine Gesamtzugehörigkeitsfunktion (34) und/oder Gesamtkenngröße resultiert.
  22. System nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß für jede mögliche Kombination von Zugehörigkeitsfunktionen (22, 24, 26) der verschiedenen Betriebsmittel durch logische Verknüpfung, insbesondere die Verknüpfungen UND und ODER, der jeweiligen Zugehörigkeitsgrade jeweils ein Gesamtzugehörigkeitsgrad bestimmt ist.
  23. System nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenergebnisbeitrag (15) einer Gesamtzugehörigkeitsfunktion (34) durch den jeweiligen Gesamtzugehörigkeitsgrad bestimmt ist.
  24. System nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß durch die aggregierte bzw. gewichtete resultierende Zugehörigkeitsfunktion (17) die jeweiligen Wahrheitswerte der einzeln betrachteten unscharfen Kenngrößen (12) sowie der Gesamtkenngrößen berücksichtigt sind.
  25. System nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß betriebs- und/oder anlagenspezifische Eingabemasken (52) mit darin vorgesehenen Datenfeldern zur Erfassung und Widergabe der scharfen Eingangsgrößen (10) bereitgestellt sind.
  26. System nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die scharfen Eingangsgrößen (10) auf dem Datenspeicher (48) und/oder in einer Datenbank abruf- und/oder änderbar gespeichert und bedarfsabhängig aufrufbar sind.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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