Methode und Anwendungen einer wissensorientierten Fabrikmodellierung

172 Pages·2008·1.4 MB·German

by  Rico Schady

Methode und Anwendungen einer

wissensorientierten Fabrikmodellierung

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)

von Dipl.-Ing. Rico Schady
geb. am 4. Juli 1977 in Königs Wusterhausen
genehmigt durch die Fakultät für Maschinenbau
der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Michael Schenk
Prof. Dr.-Ing. Egon Müller

Promotionskolloquium am 10. April 2008
Vorwort

Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitar-
beiter am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und –automatisierung (IFF) in Magdeburg.

Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Michael Schenk, Institutsleiter des Fraunhofer IFF
sowie des Instituts für Logistik und Materialflusstechnik der Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg, danke ich für die wohlwollende Begleitung meines Promotionsvorhabens.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Egon Müller, Leiter des Lehrstuhls Fabrikplanung und Fabrikbetrieb an
der Technischen Universität Chemnitz gilt mein Dank für die Übernahme des Zweitgutach-
tens. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Martin Molitor aus der Fakultät für Maschinenbau der Otto-
von-Guericke-Universität Magdeburg danke ich für die Übernahme des Vorsitzes der Promo-
tionskommission.

Weiterhin möchte ich mich bei allen Kollegen des Geschäftsfeldes Logistik- und Fabriksys-
teme am Fraunhofer IFF bedanken, die durch ihre Unterstützung zum Gelingen der Arbeit
beigetragen haben. Insbesondere gilt mein Dank Dr.-Ing. habil. Juri Tolujew für seine Bereit-
schaft zur Diskussion und seine hilfreichen Anmerkungen. Weiterhin bedanke ich mich bei
Mark Staiger (M.A.), der mich mit seinem Ehrgeiz selbst angespornt hat, Dominic Stange und
Dipl.-Ing. Ronny Franke für die Unterstützung mit der Programmierung des Werkzeuges so-
wie Jessica Gatzke für die Korrektur der Arbeit. Herrn Dipl.-Ing. Holger Seidel danke ich für
die zur Verfügung gestellten Ressourcen.

Schließlich danke ich meinen Eltern für ihre langjährige Unterstützung.

Rico Schady Magdeburg, im April 2008
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis................................................................................................................IV
Tabellenverzeichnis.....................................................................................................................VI
Abkürzungsverzeichnis.............................................................................................................VII
1 Einleitung...............................................................................................................................1
1.1 Anforderungen an Fabriken und die Digitale Fabrik.......................................................2
1.2 Problembeschreibung......................................................................................................4
1.3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit.................................................................................7
2 Grundlagen und Inhalt.......................................................................................................10
2.1 Fabrikbezogene Grundlagen..........................................................................................10
2.1.1 Fabriken und Fabriksysteme..................................................................................11
2.1.2 Fabrikplanung........................................................................................................16
2.1.3 Änderungsmanagement.........................................................................................20
2.1.4 Fabrikbetrieb..........................................................................................................22
2.1.5 Quantitative und qualitative Fabrikmerkmale.......................................................23
2.1.6 Die Digitale Fabrik................................................................................................24
2.2 Modellierung von Fabriksystemen................................................................................27
2.2.1 Grundlagen der Modellierung...............................................................................27
2.2.2 Objektorientierte Modelle.....................................................................................32
2.2.3 Prozessorientierte Modelle....................................................................................33
2.2.4 Grafische und virtuelle Modelle............................................................................36
2.2.5 Kombinierte Modelle und Simulation...................................................................38
2.3 Wissensrepräsentation für die Produktion.....................................................................40
2.3.1 Grundlagen der Wissensrepräsentation.................................................................40
2.3.2 Anwendungen der Wissensrepräsentation in der Produktion................................45
2.4 Aufgabenstellung...........................................................................................................46
2.4.1 Stand der Forschung..............................................................................................47
2.4.2 Anforderungen an eine wissensorientierte Fabrikmodellierung............................49
2.4.3 Lösungsansatz und Vorgehensweise.....................................................................51
3 Abbildung der Systemelemente mit dem Objektmodell..................................................55
3.1 Aufbau des Objektmodells............................................................................................55
3.2 Partialmodell der Fabrikelemente..................................................................................57
3.2.1 Definition und Systematik von Fabrikelementen..................................................57
3.2.2 Attribute und Operationen von Fabrikelementen..................................................61
3.2.3 UML-Klassendiagramm........................................................................................62
3.3 Partialmodell der Fabrikprozesse..................................................................................62
3.3.1 Grundlagen der Prozessbetrachtung......................................................................63
3.3.2 Rolle und Definition von Fabrikprozessen............................................................65
I
Inhaltsverzeichnis
3.3.3 Prozesskettenelemente, Prozessketten und Prozessgruppen.................................69
3.3.4 Attribute von Fabrikprozessen..............................................................................71
3.3.5 Operationen von Fabrikprozessen.........................................................................74
3.3.6 Aufbau des Fabrikprozess-Modells.......................................................................75
3.3.7 UML-Klassendiagramm........................................................................................77
3.4 Partialmodell der Produktelemente...............................................................................79
3.5 Integration der Partialmodelle des Objektmodells........................................................82
3.6 Modellparametrierung...................................................................................................83
3.6.1 Erstellung von Fabrikelementen, Fabrikprozessen und Produktelementen...........84
3.6.2 Bestimmung von Attributausprägungen................................................................85
3.6.3 Angabe von ergänzenden Objektinformationen....................................................86
4 Abbildung der Relationen mit dem Relationenmodell.....................................................88
4.1 Konzeption des hybriden Gesamtmodells.....................................................................88
4.1.1 Semantische Netze und Ontologien.......................................................................88
4.1.2 Description Logics.................................................................................................91
4.1.3 Verknüpfung von Objektorientierter Modellierung und Description Logics........93
4.2 Abbildung von Relationen in der ABox........................................................................97
4.2.1 Systematik der Relationen.....................................................................................97
4.2.2 Relationen nach verbundenen Konzeptarten.......................................................100
4.2.3 Relationen nach verbundenen Partialmodellen...................................................102
4.3 Erweiterung der Wissensbasis.....................................................................................104
4.3.1 Informationen, Regeln und Formeln...................................................................105
4.3.2 Komplexe Sätze...................................................................................................106
4.3.3 Produktionsregeln................................................................................................108
4.4 Diskussion des hybriden Modellansatzes....................................................................109
5 Modellerweiterung und Anwendungen...........................................................................111
5.1 Definition von Wissensdomänen.................................................................................111
5.2 Konzeption eines Referenzmodells.............................................................................112
5.3 Visualisierung von Relationen.....................................................................................115
5.4 Abfragen an das Gesamtmodell...................................................................................117
5.4.1 Einfache Abfragen...............................................................................................117
5.4.2 Abfragen mit Inferenzprozeduren.......................................................................118
5.5 Anwendungen im Fabriklebenszyklus........................................................................120
5.5.1 Anwendungsarten................................................................................................120
5.5.2 Anwendungsgebiete............................................................................................121
5.6 Systematische Vorgehensweisen.................................................................................123
5.6.1 Funktionsorientierung..........................................................................................123
5.6.2 Änderungsanalyse................................................................................................125
II
Inhaltsverzeichnis
6 Modellimplementierung....................................................................................................128
6.1 Referenzmodellerstellung............................................................................................128
6.2 Fabrikspezifische Modellerstellung.............................................................................129
6.2.1 Abschätzung des Nutzenpotenzials.....................................................................129
6.2.2 Vorgehensmodell für die Modellanwendung......................................................132
6.2.3 Modellerstellung..................................................................................................134
6.3 Werkzeugentwicklung.................................................................................................135
6.3.1 Systemarchitektur................................................................................................136
6.3.2 Wissensbasis........................................................................................................137
6.3.3 Visualisierungskomponente.................................................................................139
6.4 Modellerprobung.........................................................................................................140
7 Schlussbetrachtung............................................................................................................141
7.1 Zusammenfassung.......................................................................................................141
7.2 Ausblick.......................................................................................................................143
8 Literaturverzeichnis..........................................................................................................145
III
IAnbhbailltdsvuenrgzsevicehrzneiisc hnis
Abbildungsverzeichnis
Bild 1-1: Anforderungen an Fabriken, die Fabrikplanung und die Digitale Fabrik...................3
Bild 1-2: Einordnung der Tätigkeiten der Fabrikplanung..........................................................6
Bild 1-3: Forschungsansatz dieser Arbeit...................................................................................7
Bild 1-4: Aufbau der Arbeit.......................................................................................................9

Bild 2-1: Konzepte der Allgemeinen Systemtheorie................................................................12
Bild 2-2: Formale Darstellung eines Produktionssystems........................................................13
Bild 2-3: Ebenen und Strukturen einer Fabrik.........................................................................14
Bild 2-4: Langfristige und kurzfristige Lebenszyklen einer Fabrik.........................................15
Bild 2-5: Phasen des Fabrikplanungsprozesses........................................................................18
Bild 2-6: Änderungsprozess in der Produktion........................................................................21
Bild 2-7: Differenzierung von Fabrikplanung und Änderungsmanagement............................21
Bild 2-8: Quantitative und qualitative Merkmale der Fabrikplanung......................................23
Bild 2-9: Anwendungen der Digitalen Fabrik..........................................................................25
Bild 2-10: Durchgängiger Einsatz der Digitalen Fabrik...........................................................25
Bild 2-11: Anwendung verschiedener Modelle im Planungsprozess.......................................28
Bild 2-12: Klassifizierung von Modellen.................................................................................30
Bild 2-13: Modelle zur Abbildung von Fabriksystemen..........................................................38
Bild 2-14: Ebenen der Wissensrepräsentation im Sinne dieser Arbeit.....................................41
Bild 2-15: Aufbau eines wissensbasierten Systems.................................................................44
Bild 2-16: Beispiel für Wissensverarbeitung in der Produktentwicklung................................45
Bild 2-17: Schnittstellen zwischen Wissensrepräsentation und Fabrikmodellen.....................51
Bild 2-18: Aufbau des Gesamtmodells für die wissensorientierte Fabrikmodellierung..........52
Bild 2-19: Lösungsansatz und Inhalte der Arbeit.....................................................................53

Bild 3-1: Abbildung der Systemelemente mit Klassenbeschreibungen...................................56
Bild 3-2: Ebeneninstanzen und zugeordnete Fabrikelemente im FE-Modell...........................60
Bild 3-3: UML-Klassendiagramm für das FE-Modell.............................................................62
Bild 3-4: Anwendung des Prozesskonstrukts für die wissensorientierte Fabrikmodellierung.67
Bild 3-5: Elemente und Einflussgrößen eines Fabrikprozesses................................................70
Bild 3-6: Modellelemente für das FP-Modell...........................................................................71
Bild 3-7: Merkmalsträger für qualitative Kriterien..................................................................72
Bild 3-8: Operationen im FP-Modell.......................................................................................74
Bild 3-9: Prozesskomposition im FP-Modell...........................................................................76
Bild 3-10: Beispiel für ein FP-Modell......................................................................................76
Bild 3-11: FP-Modell als UML-Klassendiagramm..................................................................78
Bild 3-12: Aufbau einer Klassenbibliothek für Fabrikprozesse...............................................79
IV
IAnbhbailltdsvuenrgzsevicehrzneiisc hnis
Bild 3-13: Baukastenstückliste mit Features............................................................................81
Bild 3-14: UML-Klassendiagramm für das PE-Modell...........................................................82
Bild 3-15: Integration der Partialmodelle.................................................................................83
Bild 3-16: Spezielle Klassen und Instanzen im Objektmodell.................................................84
Bild 3-17: Morphologisches Schema zur Detailbeschreibung von Instanzen..........................87

Bild 4-1: Beispiel für ein semantisches Netz...........................................................................89
Bild 4-2: Beispiel für eine Anfrage an ein semantisches Netz.................................................90
Bild 4-3: TBox und ABox der Description Logics...................................................................92
Bild 4-4: Schematische Darstellung des Transformationsansatzes..........................................95
Bild 4-5: Merkmale und ihre Ausprägungen für Relationen im Relationenmodell.................99
Bild 4-6: Elementen und ihren Relationen im Gesamtmodell................................................103
Bild 4-7: Beispiel für ein konkretes Relationenmodell..........................................................104
Bild 4-8: Entsprechung zwischen der Welt und ihrer Repräsentation....................................106
Bild 4-9: Hybrider Modellansatz und Erweiterungen in der Wissensbasis............................110

Bild 5-1: Abgrenzung von Wissensdomänen.........................................................................112
Bild 5-2: Referenzmodell und Nutzung für ein konkretes Modell.........................................113
Bild 5-3: Informationsvisualisierung in einem grafischen Modell.........................................116
Bild 5-4: Merkmale der Nutzung wissensorientierter Fabrikmodelle....................................122
Bild 5-5: Aufstellung von Fabrikprozessen zur Abbildung mit dem FP-Modell...................124
Bild 5-6: Zielorientierte Planung von Fabrikprozessen..........................................................125
Bild 5-7: Unterstützung der Änderungsanalyse mit dem wissensorientierten Fabrikmodell.126

Bild 6-1: Wirtschaftlichkeit der Modellabbildung.................................................................130
Bild 6-2: Merkmale von Fabriksystemen...............................................................................131
Bild 6-3: Vorgehensmodell für die Modellanwendung..........................................................132
Bild 6-4: Ablauf der Modellerstellung...................................................................................135
Bild 6-5: Systemarchitektur des Werkzeugs FabrikNet.........................................................136
Bild 6-6: Formularblatt „Modellelemente anlegen/löschen“.................................................137
Bild 6-7: Formularblatt „Semantisches Netz“........................................................................138
Bild 6-8: Darstellung von Relationen mit der Visualisierungskomponente...........................139

Bild 7-1: Modellelemente für die wissensorientierte Fabrikmodellierung.............................142
V
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1: Planungsgrundsätze der Fabrikplanung...............................................................17
Tabelle 2-2: Objektorientierte Modellierung für Fabrikplanung und -betrieb.........................33
Tabelle 2-3: Wissensarten........................................................................................................40
Tabelle 2-4: Anforderungen an das zu entwickelnde Instrumentarium...................................50

Tabelle 3-1: Einteilung der Fabrikelemente nach Gestaltungsbereichen.................................58
Tabelle 3-2: Systematik der Fabrikelemente............................................................................59
Tabelle 3-3: Eigenschaften von Fabrikelementen....................................................................61
Tabelle 3-4: Übersicht über Fabrikprozesse.............................................................................67
Tabelle 3-5: Differenzierungskriterien für Prozessattribute.....................................................73
Tabelle 3-6: Beispiele für Attribut- und Prozessoperationen...................................................75
Tabelle 3-7: Systematik von Fabrikprozessen (Beispiel).........................................................77

Tabelle 4-1: Grundlegende atomare Konzepte des Relationenmodells....................................96
Tabelle 4-2: Grundvokabular für das Semantische Netz........................................................102
Tabelle 4-3: Matrix der gültigen Beziehungen im Relationenmodell....................................103
Tabelle 4-4: Beispiele für komplexe Sätze der DL................................................................108

Tabelle 5-1: Inferenzprozeduren............................................................................................119
Tabelle 5-2: Spezifizierung der Anwendungsarten................................................................121

VI
Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis

2D/3D zweidimensional/dreidimensional
BDE Betriebsdatenerfassung
bspw. beispielsweise
bzgl. bezüglich
bzw. beziehungsweise
CAx Computer Aided …
d.h. das(s) heißt
DL Description Logics
DMU Digital Mock-Up
et al. und andere
FE Fabrikelement
FLZ Fabriklebenszyklus
FP Fabrikprozess
ggf. gegebenenfalls
i.d.R. in der Regel
i.e.S. im engen Sinne
i.w.S. im weiten Sinne
KBE Knowledge Based Engineering
ODBC Open Database Connectivity
OOM Objektorientierte Modellierung
PE Produktelement
SADT Structured Analyses and Design Technique
TGA Technische Gebäudeausstattung
tlw. teilweise
u.a. und andere
UML Unified Modeling Language
VDI Verein Deutscher Ingenieure
VR Virtual Reality / Virtuelle Realität
XML eXtensible Markup Language
z.B. zum Beispiel

VII