Konsistente Entwicklung von Materialflusssystemen durch eine modellbasierte Vorgehensweise (KonMaFS)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Johannes Fottner; Professor Dr. Michael Goedicke; Professorin Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser
• Fachliche Zuordnung: Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451550676

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bei der Entwicklung von automatisierten Materialflusssystemen (aMFS) sind Fachkräfte aus verschiedenen Disziplinen beteiligt. Dabei wird disziplinspezifische Software und Modelltypen verwendet, um digitale Entwicklungsmodelle von aMFS zu erzeugen. In einer zu Projektbeginn durchgeführten Umfrage bei Unternehmen im logistikbezogenen Maschinen- und Anlagenbau wurde identifiziert, dass die mangelnde Kommunikation der Akteure bei Änderungen in den Modellen die größte Fehlerquelle bildet. Die parallelisierte Aufgabenbearbeitung verursacht ein signifikantes Risiko durch Inkonsistenzen zwischen den Elementen verschiedener Modelle. Die Behebung der Inkonsistenzen in einer späten Phase der Projektumsetzung kann zu hohen Kosten und Zeitverzögerungen führen. Um dies zu vermeiden, sollen die Inkonsistenzen in den frühen Projektphasen automatisiert identifiziert und, wenn möglich, korrigiert werden. Dazu wurde in diesem Projekt eine Software entwickelt, welche die Modelle verarbeitet und Inkonsistenzen sowohl in als auch zwischen den Modellen aufdeckt. Die extrahierten Modellinformationen werden mittels Konsistenzregeln gekoppelt. Der Ansatz durch bilaterale Regeldefinitionen zwischen Elementen von unterschiedlichen Modelltypen wurde von Kramer et al. als Virtual Single Underlying Meta Model (V-SUMM) beschrieben und auf das Gebiet der Softwareentwicklung angewendet. In diesem Projekt wurde ein V-SUMM für eine Reihe praktisch relevanter Modelltypen exemplarisch entwickelt, welche bei der Entwicklung von aMFS zum Einsatz kommen. Die Modelltypen sind: BPMN, 3D-CAD, Komponentenliste, Anforderungsliste, Simulationsmodell, Simulationsergebnisse und SPS-Programmcode. Neben den Modelltypen wurde in diesem Projekt die Möglichkeit entwickelt, zusätzlich eine Wissensbasis mit formalisiertem Fachwissen aus der Domäne der Intralogistik für die Konsistenzprüfung zu verwenden. Für die technische Umsetzung wurden Technologien des Semantic Web verwendet. Neben der Konsistenzprüfung wurde gezeigt, dass eine teilweise automatische Generierung eines neuen Modells auf Basis von Informationen aus anderen Modellen potenzielle Fehler reduziert, die durch manuelle Übertragungsschritte von Informationen entstehen können. Am Ende des Projekts wurden drei Evaluationen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Evaluationen zeigten die Effektivität des KonMaFS-Ansatzes bei der Reduzierung von Modellinkonsistenzen im Vergleich zu manuellen Überprüfungsschritten. Darüber hinaus zeigten die Erkenntnisse, die von Domänenexperten gesammelt wurden, zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf, einschließlich der Bewältigung der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Bearbeitung von Modellen, die mit kommerziellen Tools erstellt wurden, sowie der Reduzierung des Vorbereitungsaufwands, der zur Erstellung eines V-SUMM erforderlich ist. Die Skalierbarkeit der KonMaFS-Software bei der Verwaltung komplexer Konsistenzbeziehungen zwischen Industriemodellen sowie der Vergleich von V-SUMM-basierten und traditionellen Entwicklungsprozessen weisen das Potenzial auf, in zukünftigen Forschungsvorhaben in Zusammenarbeit mit Industriepartnern weiter untersucht zu werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Konsistente Materialflussplanung. In: Technische Logistik
  Wünnenberg, M.; Hujo, D.; Schypula, R.; Fottner, J.; Goedicke, M. & Vogel-Heuser, B.
  
• Modellkonsistenz in der Entwicklung von Materialflusssystemen. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 116(11), 820-825.
  Wünnenberg, Maximilian; Hujo, Dominik; Schypula, Rafael; Fottner, Johannes; Goedicke, Michael & Vogel-Heuser, Birgit
  
• Projekt Kon-MaFS: Forschung für durchgängige Materialflusssysteme
  Wünnenberg, M.; Hujo, D.; Schypula, R.; Fottner, J.; Goedicke, M. & Vogel-Heuser, B.
  
• A model-driven engineering design process for the development of control software for Intralogistics Systems. at - Automatisierungstechnik, 70(2), 164-180.
  Aicher, Thomas; Fottner, Johannes & Vogel-Heuser, Birgit
  
• Konsistenzmanagement zum optimierten Data Management als Basis zur Anwendung von Data Science im Produktlebenszyklus von Materialflusssystemen. In: Logistics Journal 2022 (2022), Heft 11.
  Wünnenberg, M.; Hujo, D.; Ji, F.; Schypula, R.; Fottner, J.; Goedicke, M. & Vogel-Heuser, B.
  
• Konsistenzprüfung bei der Modellierung von Materialflusssystemen. In: Rabiser, R.; Vogel-Heuser, B.; Wimmer, M. et al. (Hrsg.): Software Engineering in Cyber-Physical Production Systems (SECPPS). Gesellschaft für Informatik e.V., 2022.
  Schypula, R. & Wünnenberg, M.
  
• Inconsistency management in heterogeneous engineering data in intralogistics based on coupled metamodels. at - Automatisierungstechnik, 71(5), 364-379.
  Ji, Fan; Wünnenberg, Maximilian; Schypula, Rafael; Fischer, Juliane; Hujo, Dominik; Goedicke, Michael; Fottner, Johannes & Vogel-Heuser, Birgit