Konzept für die semantische Interoperabilität zwischen Informationsmodellen

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen im Umfeld von Industrie 4.0. Sie befasst sich mit der semantischen Interoperabilität zwischen digitalen Asset-Repräsentationen. Hierbei liegt der Fokus auf dem Austausch von Asset-Informationen mit Hilfe von Informationsmodellen. Derzeit werden eine Vielzahl von Informationsmodelle von verschiedenen Organisationen entwickelt. Diese enthalten vielfach semantisch identische Informationen, modellieren diese ggf. aber jeweils unterschiedlich. Kern der Arbeit ist eine neue Modelltransformationssprache zur Erstellung von Transformationsdefinitionen zwischen Informationsmodellen, um (semi-)automatisch Informationsmodelle aus anderen zu erzeugen. Die Sprache basiert auf der Object Constraint Language, ist allgemein und vollständig spezifiziert und kann in bestehende Automatisierungssystemen verwendet werden.

Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen VIII
Kurzfassung X
Abstract XI
1 Einleitung 1
1.1 Motivation und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Eigene Vorveröffentlichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Modellierung 8
2.1 Sprache und Metasprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Modell und Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Modellsprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Typ und Instanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Identifikation von Objekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Object Constraint Language 16
3.1 Anwendung von OCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Abstrakte Syntax von BasicOCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Konkrete Syntax von BasicOCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Interoperabilität 25
4.1 Stufen der Interoperabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 Aktuelle Ans¨ atze fur Interoperabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5 Modelltransformation 33
5.1 Begriffswelt der Modelltransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2 Merkmale von Modelltransformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1 Allgemeine Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.2 Merkmale der Quell- und Ziel-(meta-)modelle . . . . . . . . . . . . 37
5.2.3 Merkmale der Transformationsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2.4 Merkmale der Regelnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3 Modell-zu-Modell Transformationsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.1 Imperativer/Operationaler Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.2 Relationaler/Deklarativer Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.3 Graph-basierter Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3.4 Hybrider Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
VInhaltsverzeichnis
5.4 Transformationssprache und -system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4.1 Generische und dom¨ anenspezifische Transformationssprachen . . . . 44
5.4.2 Erstellung von Transformationssprachen . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 Modellierung und Austausch von Asset-Informationen 48
6.1 Aktuelle Normungslandschaft fur Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 49
6.2 Digital Factory Framework – International Electrotechnical Commission . . 50
6.2.1 Ziel und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.2 Informationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3 Asset Administration Shell – Plattform Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . 54
6.3.1 Ziel und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3.2 Informationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4 Thing Description – Web of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.1 Ziel und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.4.2 Informationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5 Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.5.1 Asset-Begriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.5.2 Ziel, Anwendungsbereich und Informationsmodell . . . . . . . . . . 61
6.6 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7 Informationsaustausch bei Verwaltungsschalen 63
7.1 Erscheinungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.1.1 Typ 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.1.2 Typ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.1.3 Typ 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.1.4 Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2 Nutzung von Verwaltungsschalen-Teilmodellen fur semantische Interoperabilität: Offene Fragestellungen und mögliche Lösungsoptionen . . . . . . . 66
8 Modelltransformationen für die semantische Interoperabilit¨at zwischen verschiedenen Informationsmodellen 69
8.1 Syntaktische und semantische Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.2 Klassifikation der Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.3 Anforderungen an die zu entwickelnde Transformationssprache . . . . . . . 72
8.3.1 Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.3.2 Benötigte Transformationssprachelemente . . . . . . . . . . . . . . 73
8.4 Evaluation bestehender Transformationssprachen . . . . . . . . . . . . . . 76
8.5 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

9 Metamodell der Modelltransformationssprache 78
9.1 Benötigte Sprachelemente und deren Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.2 Syntaxregeln und konkrete Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.3 Evaluation der Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
10 Abbildung der Modelltransformationssprache für Verwaltungsschalen 87
10.1 Anpassungen des Informationsmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
10.2 Makros fur das vollständige Kopieren von SubmodelElement-Objekten . . . 89

10.3 Makros fur den Zugriff auf ein SubmodelElement-Objekt . . . . . . . . . . ¨ 90
11 Transformationssystem 93
11.1 Allgemeiner Aufbau eines Transformationssystems . . . . . . . . . . . . . . 93
11.2 Umsetzung in Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12 Evaluation 98
12.1 Anwendungsfall 1: Firmenspezifische Informationsmodelle . . . . . . . . . . 98
12.2 Anwendungsfall 2: Verschiedene Versionen standardisierter Informationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
12.3 Anwendungsfall 3: Integration von Komponenten und zugehörigen Informationsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.4 Benötigte Zeit fur die Erstellung einer Transformationsdefinition . . . . . .  104
12.5 Optimierung der Funktionsaufrufe im Lebenszyklus einer Komponente bei
Nutzung des entwickelten Transformationssystems . . . . . . . . . . . . . . 104
13 Zusammenfassung 108
13.1 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Anhang 111
A Makro-Definitionen fur Verwaltungsschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . .  111
B Grammatikdefinition der Transformationssprache . . . . . . . . . . . . . . 117
B.1 Grammar ocl.lark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
B.2 Grammar mtl.lark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C Python-Klassendefinition der abstrakten Syntaxklassen . . . . . . . . . . . 126
C.1 ast ocl.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
C.2 ast mtl.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
D Anwendungsfall 1: Firmenspezifische Informationsmodelle . . . . . . . . . . 156
D.1 ZVEI Digital Nameplate for industrial equipment (Version 1.0) . . . 156
D.2 Digital Nameplate for Galaxie®Actuator der Firma WITTENSTEIN
galaxie GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
D.3 Transformationsdefinition zwischen dem WITTENSTEIN und dem
ZVEI Teilmodell-Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
E Anwendungsfall 2: Verschiedene Versionen eines Informationsmodells . . . 159
E.1 Version 1 des Teilmodell-Templates ManufacturerDocumentation
basierend auf der VDI 2770 Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . 159
E.2 Version 2 des Teilmodell-Templates ManufacturerDocumentation
basierend auf der VDI 2770 Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . 160
E.3 Version 3 des Teilmodell-Templates ManufacturerDocumentation
basierend auf der VDI 2770 Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . 161
E.4 Transformationsdefinition zwischen den Versionen 1 und 2 . . . . . 161
F Anwendungsfall 3: Integration von Komponenten und zugehörigen Informationsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
G Testergebnisse der Versuchreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Literaturverzeichnis 170

Keywords: Semantische Interoperabilität, Modelltransformation, Object Constraint Language, Verwaltungsschale, Asset Informationsmodelle, Semantic Interoperability, Model Transformation, Object Constraint Language, Asset Administration Shell, Asset Information Models