Roundtrip-Engineering für die Synchronisation von Datenmodellen im Anwendungsgebiet der Prozessindustrie

Produktbeschreibung

Die Digitalisierung führt in der Prozessindustrie zu einem erheblichen Informationsaustausch über den Lebenszyklus einer verfahrenstechnischen Anlage. Die verschiedenen Sichten der Disziplinen weisen in den zugrundeliegenden Modellen eine semantische Überlappung auf, wodurch eine Abhängigkeit entsteht. Änderungen in einem Modell erfordern Änderungen in den korrespondierenden Modellen. Das Ziel der Arbeit ist die Verlagerung von Ingenieurleistung und -wissen in ein Roundtrip-Engineering-System. Zur Begegnung der Herausforderungen wird ein interaktives Roundtrip-Engineering-System, basierend auf den Konzepten des Web of Data und der bidirektionalen Transformationssprache Triple-Graph-Grammar,
erarbeitet. Resultierend entstehen in Kombination der Konzepte erste Ansätze für ein Synchronisationsnetzwerk.

Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung X
Abstract XI
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 1
1.2 Herausforderung und Beitrag der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 Kernthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Einzelthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Lösungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Grundlagen und Stand der Technik 6
2.1 Digitale Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Lebenszyklus von Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Durchgängiges Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Informationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Lebenszyklus von Informationsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Informationsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Roundtrip-Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Modelltransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Widerspruchsfreiheit von Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Datenbanksysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Transaktionskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.2 CAP-Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Anforderungsanalyse 27
3.1 Informationsmodelle des Engineeringprozesses in der Prozessindustrie . . . 27
3.1.1 DEXPI – Data Exchange in the Process Industry . . . . . . . . . . 29
3.1.2 MTP – Module Type Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.3 NE 150 und NE 159 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.4 Weitere Modelle in der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.5 Korrespondenzen zwischen Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Bidirektionale Transformationssprache Triple-Graph-Grammar . . . . . . . 37
3.3 Analyse von Roundtrip-Engineering-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Konflikterkennung und -lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.2 Operational-based-Konflikte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.3 Heterogenität der Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.4 Multimodell Synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
VInhaltsverzeichnis
3.4 Zusammenfassung von Anforderungen an ein Roundtrip-Engineering-System 49
4 Konzept eines interaktiven Roundtrip-Engineering-Systems 52
4.1 Konzept für ein Synchronisationsnetzwerk zwischen Datenmodellen . . . . 52
4.1.1 Gemeinsamer Informationsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.2 Auflösung von Synchronisationsabhängigkeiten . . . . . . . . . . . . 53
4.1.3 Vernetzung von Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Konzept für die Synchronisation zwischen Modellen unterschiedlicher Abstraktionsebenen . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.1 Beziehungen zwischen Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.2 TGG im Umfeld von Linked Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.3 Randbedingungen und Manipulationen . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.4 Umsetzung von Mehrdeutigkeit mittels TGG . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.5 Architektur für die Synchronisation zwischen Modellen . . . . . . . 62
4.3 Konzept für die Erkennung und Auflösung von Konflikten und Mehrdeutigkeiten . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 Erkennung von Konflikten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.2 Erkennung von Mehrdeutigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3.3 Behebung von Konflikten und Mehrdeutigkeiten . . . . . . . . . . . 69
4.4 Zusammenführung der Konzepte zu einem interaktiven Roundtrip-EngineeringSystem . . . .. . . . . . . 74
4.4.1 Beschreibung der Teilkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.2 Zusammenfassung und Ausblick des interaktiven Roundtrip-EngineeringSystems . . . .. . . . . . . 76
5 Implementierung 78
5.1 Gesamtarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2 Informationsmodelle für die TGG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.1 Informationsmodell für Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.2 Informationsmodell für das Korrespondenzmodell . . . . . . . . . . 81
5.3 Umsetzung der RuleProcessingEngine-Komponente . . . . . . . . . . . . . 84
5.4 Umsetzung der WebInteractor-Komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5 Umsetzung und Diskussion der funktionalen Anforderungen . . . . . . . . 88
5.5.1 Erforderliche Vorarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.2 Umsetzung der Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.3 Abschließende Bewertung der Implementierung . . . . . . . . . . . 94
5.6 Ausblicke und offene Punkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6 Diskussion 97
6.1 Bewertung der Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.1 Wahl der Transformationssprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.2 Erarbeitung von Mappings zwischen den Modellen . . . . . . . . . . 98
6.1.3 Informationsgehalt zur Entscheidungsunterstützung . . . . . . . . . 99
6.1.4 Zusammenfassung der Methodikbewertung . . . . . . . . . . . . . . 99
VIInhaltsverzeichnis
6.2 Bewertung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 Ergebnis 101
7.1 Zusammenfassung und Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Ausblick und Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Anhang A Weiterführende Grundlagen 105
A.1 RDF/OWL Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Anhang B Methodisches Vorgehen und Beispiele für die Erstellung von Korrespondenzen zwischen Modellen 106
B.1 Methodisches Vorgehen zur Erstellung der Korrespondenzen zwischen Modellen . . . . . . . . . . 106
B.2 Beispiele für das Erarbeiten der Korrespondenzen zwischen Modellen . . . 109
B.2.1 Equipment und PipingComponent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
B.2.2 Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
B.3 Ableitung von TGG-Regeln basierend auf den Korrespondenzen . . . . . . 117
Anhang C Vorstellung weiterer Transformationssprachen 119
C.1 QVT – Query/View/Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
C.2 JTL – Janus Transformation Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
C.3 BOTL – Bidirectional Object Oriented Transformation Language . . . . . . 120
Anhang D Ergänzungen zum Konzept 122
D.1 Informationsreduktion zwischen Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
D.2 Ergänzende SPARQL-Queries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
D.2.1 SPARQL-Abfragen für die Transformation . . . . . . . . . . . . . . 123
D.2.2 SPARQL-Abfragen für Randbedingungen und Manipulationen . . . 124
D.3 TGG-Regeln für die Behandlung von Mehrdeutigkeiten . . . . . . . . . . . 125
D.4 Marker-System für die Nachverfolgung von Änderungen . . . . . . . . . . . 126
Anhang E Überführung von Informationsmodellen der Prozessindustrie in RDF 128
Anhang F Ergänzungen zur Implementierung 131
F.1 Competency-Questions der TGG-Informationsmodelle . . . . . . . . . . . . 131
F.2 Operationalisierte Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Literaturverzeichnis 135

Keywords: Roundtrip Engineering, Modelltransformation, Modellsynchronisation, Synchronisationsnetzwerk, Triple Graph Grammar, Linked Enterprise Data, NE150, NE159, DEXPI, MTP, Roundtrip Engineering, Model Transformation, Model Synchronisation, Synchronisation Network, Triple Graph Grammar, Linked Enterprise Data, NE150, NE159, DEXPI, MTP