Entwicklung eines Konzepts zur Kontextualisierung von Prozessdaten

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen aus derProzessindustrie. Sie befasst sich mit der Vernetzung und der Verknüpfung von verschiedenen Prozessdaten. Grundlage dafür sind die in diversen technischen Dokumenten, wie zum Beispiel dem R&I-Diagramm, verfügbaren Strukturinformationen. Dank der Vernetzung bzw. der Verknüpfung können die verfügbaren Prozessdaten deutlich effizienter gefiltert und durchsucht werden. Dadurch kann der situationsbezogene Kontext bereitgestellt werden und als Entscheidungsgrundlage dienen. Kern der Arbeit ist eine Modellhierarchie, die die Modellierung der Abhängigkeiten in einem Wissensgraphen ermöglicht. Demonstriert wird das Konzept anhand der Laboranlage des Lehrstuhls. Grundlage des Demonstrators ist die
Graphdatenbankplattform Grakn. Verschiedene Verwaltungsschalen, BaSys40-Komponenten und PandIX dienen dabei als Informationsquellen.

Inhaltsverzeichnis
Abk¨urzungen und Symbole VIII
Kurzfassung X
Abstract XI
1 Einleitung … 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Methoden zur Ontologieentwicklung aus der Literatur . . . . . . . . 4
1.2.2 Vorgehensweise und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Definition von Zielszenarien … 7
2.1 Verkn¨upfung von Informationen zu Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Aufdeckung von bisher nicht modellierten Zusammenhängen . . . . . . . . 7
2.3 Erstellung von Datensubsets zur Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Validierung von Ergebnissen einer Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Analyse der Zielszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Grundlagen … 10
3.1 Eigene Vorarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Assistenzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Strukturmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.3 Steuerungsarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Datenqualit¨at . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Modelle und Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 Wissensrepr¨asentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4.1 Semantische Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.2 Graphdatenbanken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Definition des Begriffs Kontext für die Prozessindustrie . . . . . . . . . . . 25
3.6 Ursache-Wirkungsanalyse . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 28
3.7 Verwandte Ansätze aus der Literatur . . . . . . . .. . . . . . . . 29
4 Bestehende Modellierungskonzepte und Informationsquellen … 33
4.1 Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 Systemmodellierung . . . . . . .. . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Rollenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.3 Konzeptuelles Datenmodell der ISO 15926 . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.4 Grakn-Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Datenquellen . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 37
4.2.1 Strukturmetamodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2 Verwaltungsschale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.3 Prozesshistorian . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Ereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.1 Abnormale Situationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.2 Ereignistypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Diskussion der Informationsquellen . . . . . .. . . . . . . . 48
5 Anforderungsanalyse und -spezifikation … 49
5.1 Analyse der Randbedingungen aus dem Anwendungsgebiet . . . . . . . . . 49
5.1.1 Klassische Randbedingungen der Prozessindustrie . . . . . . . . . . 50
5.1.2 Neue Randbedingungen durch Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Anforderungen an das Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3 Anforderungen an die Modellhierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4 Anforderungen des Konzepts an die Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Entwicklung der Systemstruktur … 57
6.1 Definition der Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2 Entwicklung der Modellhierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3 Beziehungsmodell . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 59
6.3.1 Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3.2 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.3 Allgemeine Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.4 Formale Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.5 Diskussion des Beziehungsmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.4 Spezifikation des Metametamodells . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.4.1 Objekt (object) . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 63
6.4.2 Subjekt (subject) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.4.4 Lebenszyklus (lifecycle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4.5 Ereignis (event) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4.6 Kontextbeziehung (context relation) . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4.7 Entit¨at (entity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.4.8 Rollen (role) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4.9 Anwendung des Metametamodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5 Aspektmetamodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.1 Aspektmetamodell Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.5.2 Aspektmetamodell Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.5.3 Aspektmetamodell Deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.5.4 Aspektmetamodell Steuerungsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.5.5 Aspektmetamodell Hardware-Software-Kopplung . . . . . . . . . . 80
6.6 M¨ogliche Erweiterungen zur Vereinfachung des Datenzugriffs . . . . . . . . 81
6.6.1 Definition von Perspektiven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.6.2 Analyse der Wirkrichtung der Beziehungen . . . . . . . . . . . . . . 81
6.7 Definition eines Prozesses zur modularen Erweiterung . . . . . . . . . . . . 83
6.8 Evaluation der Modellhierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.8.1 Evaluation anhand der Anforderungen an die Modellhierarchie . . . 84
6.8.2 Evaluation anhand der Anforderungen an das Konzept . . . . . . . 85
6.8.3 Klassifikation als Assistenzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 Realisierung und prototypische Implementierung … 88
7.1 Demonstration am Pumpwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.1.1 Datenquelle: openAAS-Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.1.2 Datenquelle: Prozesshistorian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.1.3 Datenquelle: Einzelsteuereinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.1.4 Datenquelle: Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2 Verwendete Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2.1 GRAKN.AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2.2 ACPLT/RTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.3 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.3.1 Abbildung des Metametamodells auf das Grakn-Metamodell . . . . 97
7.3.2 Abbildung der Aspektmetamodelle auf das Grakn-Metamodell . . . 102
7.3.3 Abbildung der Datenquellen auf die Aspektmetamodelle . . . . . . 102
8 Evaluation der Ergebnisse 103
8.1 Evaluation anhand der Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2 Evaluation anhand der Anwendungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.1 Verknüpfung von Informationen zu Wissen . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.2 Aufdeckung von bisher nicht modellierten Zusammenhängen . . . . 108
8.2.3 Erstellung von Datensubsets zur Datenanalyse . . . . . . . . . . . . 110
8.2.4 Validierung von Ergebnissen der Datenanalyse . . . . . . . . . . . . 110
8.2.5 Weitere Beziehungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
9 Diskussion und Ausblick 116
A Anhang … 119
A.1 Pandix-Datei des Pumpwerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
A.2 Abbildung der Aspektmetamodelle in Graql . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.2.1 Aspektmetamodell Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.2.2 Aspektmetamodell Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.2.3 Aspektmetamodell Deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.2.4 Aspektmetamodell Steuerungsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.2.5 Aspektmetamodell Hardware-Software-Kopplung . . . . . . . . . . 147
A.2.6 Aspektmetamodell Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
A.3 GraphML-Dateien der Nachbarschaft von L26 . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Literaturverzeichnis … 166

Keywords: Kontextualisierung, Datenbasierte Entscheidung, Wissensgraph, Vernetzung von Informationen, Prozessdaten, Assistenzsystem, Graphdatenbank, Contextualization, data-based decision, knowledge graph, interlinked information, process data, operator support system, graph database