Methode zur Interaktionsmodellierung heterogener Teilnehmer in Produktionsnetzwerken

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieure und Wissenschaftler im Bereich der industriellen Produktion. Sie befasst sich mit der Entwicklung einer adäquaten Methode, um die Interaktionen von heterogenen Teilnehmern – Maschinen, Menschen und IT-Services – innerhalb eines autonomen Produktionsnetzwerk entwickeln und modellieren zu können. Die Methode bietet ein ganzheitliches Verständnis der komplexen Problemstellung. Sie adressiert in der sukzessiven Entwicklung sowohl die Anwender in den Phasen der Produktionsentwicklung als auch – durch
die Verschiebung der Arbeitsinhalte – die Anwender direkt auf dem Shopfloor. Das übergeordnete Ziel der Methodenentwicklung stellen die adäquate Interaktionsmodellierung und -zuordnung in Anbetracht der Heterogenität der Teilnehmer und der Anforderungen des Zukunftsszenarios autonome, agile Fertigung dar.

Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung…………………………………………………………………………………………………………IX
Abstract……………………………………………………………………………………………………………….X
1 Einleitung ……………………………………………………………………………………………………… 1
1.1 Problemstellung …………………………………………………………………………………………… 2
1.2 Zielsetzung ………………………………………………………………………………………………….. 4
1.3 Vorgehensweise der Arbeit……………………………………………………………………………. 5
2 Grundlagen……………………………………………………………………………………………………. 8
2.1 Entwicklungstendenzen der Produktion der Zukunft………………………………………… 8
2.1.1 Architektur der modularen Fabrik ……………………………………………………….. 8
2.1.2 Referenzarchitekturen ……………………………………………………………………… 12
2.1.3 Industrial Internet of Things, Services und People ……………………………….. 13
2.1.4 Ausgewählte Kommunikationsprotokolle……………………………………………. 14
2.1.5 Repräsentationskonzepte für Industrie 4.0 …………………………………………. 18
2.1.6 Digitale Fabrik………………………………………………………………………………….. 20
2.1.7 Rollen und Bedarfe in der Produktion ………………………………………………… 22
2.1.8 Zwischenfazit…………………………………………………………………………………… 24
2.2 Interaktionen …………………………………………………………………………………………….. 25
2.2.1 Maschine-zu-Maschine-Interaktion ……………………………………………………. 25
2.2.2 Mensch-Maschine-Interaktion…………………………………………………………… 29
2.2.3 Interaktion außerhalb des Produktionsumfelds …………………………………… 31
2.2.4 Zwischenfazit und Definition des Interaktionsbegriffs ………………………….. 35
2.3 Prozessmodellierung im Produktionsumfeld………………………………………………….. 36
2.3.1 Ereignisgesteuerte Prozesskette………………………………………………………… 37
2.3.2 UML ……………………………………………………………………………………………….. 38
2.3.3 SysML …………………………………………………………………………………………….. 39
2.3.4 BPMN 2.0………………………………………………………………………………………… 40
2.3.5 Intentionsorientierte Modelle am Beispiel des i*-Frameworks ……………… 41

2.3.6 Zwischenfazit ……………………………………………………………………………………43
2.4 Entwicklungsmethoden………………………………………………………………………………..44
2.4.1 Methoden zur Produkt- und Prozessentwicklung………………………………….45
2.4.2 Methoden zur Geschäftsmodellentwicklung ………………………………………..50
2.4.3 Kreativmethoden………………………………………………………………………………53
2.4.4 Zwischenfazit ……………………………………………………………………………………54
3 Methode zur Interaktionsmodellierung ……………………………………………………………. 55
3.1 Referenzmodell zur Methodenentwicklung…………………………………………………….55
3.2 Beschreibung der Ausgangssituation ……………………………………………………………..58
3.3 Analyse der späteren Methodenanwendung…………………………………………………..60
3.3.1 Analyse der Prozessnahtstellen…………………………………………………………..60
3.3.2 Analyse wesentlicher Komplexitätsursachen………………………………………..64
3.3.3 Definition der operativen Gesamtaufgabenstellung………………………………67
3.4 Definition der passiven und aktiven Informationsakquise ………………………………..68
3.4.1 Entwurf eines initialen Prozessmodells………………………………………………..68
3.4.2 Festlegung von akquisitionsorientierten Aufbereitungsschritten ……………69
3.4.3 Festlegung von Akquisitionsschritten…………………………………………………..71
3.5 Entwurf von synthesebezogenen Vorgehensweisen und des nutzwertorientierten
Interaktionscanvas……………………………………………………………………………………………….72
3.5.1 Festlegung von syntheseorientierten Aufbereitungsschritten ………………..73
3.5.2 Festlegung von Syntheseschritten……………………………………………………….81
3.6 Aufbereitung der Methodenausgangsinformationen……………………………………….85
3.6.1 Detailanalyse der Prozessnahtstellen der Folgeprozesse ……………………….86
3.6.2 Festlegung von Aufbereitungsschritten ……………………………………………….87
3.7 Finalisierung der Methodenentwicklung durch Strukturierung der entworfenen
Methodenelemente……………………………………………………………………………………………..89
3.7.1 Entwurf eines tätigkeitsorientierten Prozessmodells …………………………….90
3.7.2 Informationsflussorientierte Strukturierung…………………………………………93
4 Interaktionsmodellierung in der autonomen Produktion…………………………………….. 97
4.1 Analyse der angepassten Anwendungsbedingungen ……………………………………….98
4.1.1 Analyse des Anwendungsszenarios……………………………………………………..99

4.1.2 Ziel der Methodenanpassung und operativen Aufgabenstellung ………….100
4.1.3 Anforderung an die Methodenanpassung………………………………………….101
4.1.4 Definition globaler Anforderungen……………………………………………………102
4.2 Entwicklung von Vorgehensweisen und Repräsentations-systemen zur adäquaten
Informationsbereitstellung…………………………………………………………………………………. 106
4.2.1 Strukturierte Beschreibung des Produktionsprozesses ………………………..108
4.2.2 Teilnehmermodell der heterogenen Teilnehmer ………………………………..113
4.2.3 Strukturierte Beschreibung der Interaktionen…………………………………….119
4.3 Aufbereitung informationeller Inhalte sowie Weiterentwicklung derer
Repräsentationssysteme ……………………………………………………………………………………. 123
4.3.1 Erstellung eines Interaktionsmusterkatalogs………………………………………128
4.3.2 Erweiterung der Prozessinformationen durch semantische
Informationsbeschreibung des Nutzwerts einer Interaktion …………………………..130
4.3.3 Informationsrepräsentation im elektronischen Interaktionscanvas ………132
4.4 Entwicklung der Richtlinien zur automatisierten Interaktionsmusteranalyse ……135
4.5 Entwicklung von Ablaufstrukturen zur automatisierten Methodenanwendung .. 138
4.5.1 Aufbereitung der Ausgangsinformationen …………………………………………138
4.5.2 Tätigkeitsorientierte Strukturierung ………………………………………………….139
4.5.3 Ressourcenorientierte Ablaufstrukturierung………………………………………142
4.6 Entwicklung der funktionsorientierten Systemstruktur …………………………………. 149
5 Prototypische Implementierung ……………………………………………………………………. 156
5.1 Demonstrator…………………………………………………………………………………………… 156
5.2 Interaktions-Match-Maker………………………………………………………………………….158
5.3 Interaktionskonnektor ………………………………………………………………………………. 161
5.4 Modellierung des Interaktionscanvas…………………………………………………………..163
5.5 Darstellung der Systemfunktionen ……………………………………………………………… 165
5.5.1 Anwendungsfall 1: mehrwertorientierte Ad-hoc-Maschinendatenakquise
165
5.5.2 Anwendungsfall 2: Ad-hoc-Wechsel der Interaktionsteilnehmer ………….169
5.5.3 Anwendungsfall 3: Vorgehensweise zur proaktiven Hemmnisumgehung 171
5.5.4 Anwendungsfall 4: Interaktionsmusterzuordnung ohne menschliche
Teilnehmer ……………………………………………………………………………………………….174

6 Evaluation …………………………………………………………………………………………………. 177
6.1 Evaluation der technischen Systemelemente………………………………………………..180
6.1.1 Interaktions-Match-Maker ……………………………………………………………….180
6.1.2 Interaktionskonnektor……………………………………………………………………..182
6.1.3 Interaktionscanvas-Modeler …………………………………………………………….183
6.1.4 Informationsrepräsentationssysteme ………………………………………………..183
6.2 Evaluation des Gesamtsystems ……………………………………………………………………188
6.3 Evaluation der Methodenanpassung ……………………………………………………………190
6.4 Evaluation der Methodenentwicklung………………………………………………………….193
7 Zusammenfassung………………………………………………………………………………………. 196
7.1 Ausblick…………………………………………………………………………………………………….198
7.2 Abschließende Bewertung ………………………………………………………………………….199
Literaturverzeichnis…………………………………………………………………………………………… 201

Keywords: Industrie 4.0, Internet of Things, Services & People, heterogene Teilnehmer, Interaktionsmodellierung, Methodenentwicklung, Autonome Produktion, Wertschöpfungsnetzwerke, Produktionsnetzwerke, Mensch-Maschine Interaktion, Prozessentwicklung, TU Kaiserslautern,