Methodik für die systematische Entwicklung und Validierung von Informationsmodellen für cyber-physische Produktionssysteme

Produktbeschreibung

Die standardisierte, semantische Beschreibung von Informationen ist von zentraler Relevanz für flexible cyber-physische Produktionssysteme. Der Prozess der Erstellung einer solchen Beschreibung in Form eines Informationsmodells benötigt aufgrund seiner Komplexität und der vielfältigen Anforderungen eine strukturierte Vorgehensweise. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Entwicklungsmethodik zur Informationsmodellierung für flexible cyberphysische Produktionssysteme erarbeitet. Das Ergebnis ist ein dreistufiges Vorgehensmodell, welches durch Rückkopplung auch Änderungen des betrachteten Produktionssystems vorsieht. Dabei werden jeweils Maßnahmen zur Verifizierung und Validierung integriert. An einem Beispiel aus der industriellen Praxis wird dieses Vorgehen demonstrativ umgesetzt.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort III
Zusammenfassung VIII
Abstract IX
Abkürzungsverzeichnis X
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Digitalisierung von Produktionssystemen 4
2.1 Evolution der industriellen Wertschöpfung . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Industrielle Produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Die vier industriellen Revolutionen im Überblick . . . . 6
2.2 Digitalisierung und Flexibilisierung der Fertigung . . . . . . . 8
2.2.1 Vernetzung von Produktionssystemen . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Wandlung der Automatisierungspyramide . . . . . . . . 11
2.2.3 Cyber-physische Produktionssysteme . . . . . . . . . . 15
2.3 Modelle im Kontext der digitalen Fertigung . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Modelle im Allgemeinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Begriffsdefinition Informationsmodell . . . . . . . . . . 21
2.3.3 Grundsätze der ordnungsgemäßen Modellierung . . . . 22
2.3.4 Anforderungen an eine Methodik zur Informationsmodellierung . . 23
2.4 Formulierung der Forschungsfrage . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Stand der Wissenschaft zur Informationsmodellierung cyberphysischer Produktionssysteme 27
3.1 Grundlagen zur Informationsmodellierung . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 Relevante Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Modellierungssprachen zur Informationsmodellierung . 31
3.2 Ansätze zur Integration cyber-physischer Produktionssysteme 35
3.2.1 Referenzarchitekturmodelle . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Kommunikationstechnologien . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 OPC UA als Konzept zur Informationsmodellierung . . . . . . 41
3.3.1 Einordnung in den Kontext . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2 Informationsmodellierung in OPC UA . . . . . . . . . 43
3.3.3 Transportmechanismen von OPC UA . . . . . . . . . . 47
3.4 Ausgewählte Ansätze zur Informationsmodellierung . . . . . . 49
3.4.1 Ontologie Engineering Methodik nach Y. Sure et al. . . 50
3.4.2 Informationsmodellierung nach Lee . . . . . . . . . . . 51
3.4.3 Middleware Engineering Prozess . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.4 Ein systematischer Ansatz für das Design von OPC UA
Informationsmodellen nach Pauker et al. . . . . . . . . 54
3.5 Methoden und Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 V-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 LIPOK-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Bewertung der Erkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Konzept einer Entwicklungsmethodik zur Informationsmodellierung 60
4.1 Rahmenbedingungen und Anforderungen der Entwicklungsmethodik . . . . 60
4.2 Herleitung der Entwicklungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Struktur der Entwicklungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 Detaillierung der Phasen der Entwicklungsmethodik 72
5.1 Entwicklung eines Organisationsspezifischen Informationsmodellstandards . . . . 73
5.1.1 Dokumentation des Systems . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.2 Analyse des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1.3 Entwurf Organisationsspezifischer Standard . . . . . . 83
5.1.4 Dokumentation Organisationsspezifischer Standard . . 93
5.1.5 Implementierung Organisationsspezifischer Standard . 93
5.1.6 Verifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2 Entwicklung eines Organisationsspezifischen Instanzmodells . . 96
5.2.1 Entwurf Instanzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.2 Entwurf und Erstellung der Simulation . . . . . . . . . 98
5.2.3 Verifizierung und Validierung . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Entwicklung der Implementierung des Informationsmodells . . 103
VIInhaltsverzeichnis
5.3.1 Entwurf und Erstellung der Implementierung . . . . . . 103
5.3.2 Verifizierung und Validierung . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4 Konzept zum Lifecycle Management von Informationsmodellen 106
5.5 Fazit zur Entwicklungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6 Exemplarische Anwendung der Entwicklungsmethodik mithilfe eines Demonstrators 112
6.1 Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2 Entwicklung des Informationsmodellstandards . . . . . . . . . 114
6.3 Entwicklung des Instanzmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4 Implementierung und Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.5 Fazit und Bewertung der beispielhaften Realisierung . . . . . . 133
7 Zusammenfassung und Ausblick 135
7.1 Zusammenfassung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2 Weiterführende Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Literaturverzeichnis 138

Keywords: Informationsmodellierung, Cyberphysische Systeme, Digitalisierung der Fabrik, Information Modeling, Cyber-physical systems, Factory digitization