Der Artikel stellt ein aktuelles Forschungsvorhaben vor, welches die Entwicklung einer modellbasierten Methode zur interaktiven Maschinensimulation zum Ziel hat. Es wird aufgezeigt, welche betriebswirtschaftliche Bedeutung die Erbringung dieser neuartigen Dienstleistung hat und welche Rolle die Referenzmodellierung in einem stabilen Geschäftsmodell spielt. Insbesondere die Notwendigkeit der erfahrungsbasierten Evolution des Referenzmodells sowie eine kontinuierliche und integrierte Modellverwaltung werden herausgestellt.
räumlichen Sehen, von Bewegungen und von Geräuschen erzeugt, um eine möglichst realitätsnahe Arbeitsumgebung zu imitieren.
Diese Art der Simulation ist aber sehr komplex und erfordert spezifische Fachkenntnisse und viel Erfahrung, um in einem angemessenen ökonomischen Rahmen qualitativ gute Modelle erstellen und die Simulationsergebnisse sinnvoll auswerten zu können. Neben den technologischen Herausforderungen der interaktiven Maschinensimulation stellen die hohen Investitionskosten für geeignete Virtual-Reality-Umgebungen eine Ursache für den noch geringen praktischen Einsatz der Maschinensimulation dar.
Der Artikel stellt eine aktuelle Forschungsarbeit vor, deren Gegenstand die
Entwicklung von Technologien zur effizienten und effektiven Durchführung von
interaktiven Maschinensimulationen ist. Diese ermöglichen Unternehmen, die
interaktive Maschinensimulation als Dienstleistung sowohl Maschinenherstellern als
auch Komponentenzulieferern zur Unterstützung ihrer Forschungs- und
Entwicklungsaktivitäten anzubieten. Das Forschungsvorhaben folgt dem Ansatz der
Entwurfsforschung, welche auf die zielorientierte Konstruktion von
Entwurfsartefakten ausgerichtet ist, die bezüglich ihrer Nützlichkeit bewertet werden müssen
Die ersten Ergebnisse des vorgestellten Forschungsvorhabens resultierten in
einem Architekturrahmen zur modellgestützten Simulation, der die Aufgaben und
Gegenstandsbereiche der zu verwendenden Modelle definiert
Der Artikel ist wie folgt gegliedert. In Kapitel 2 wird die Maschinensimulation als industrielle Dienstleistung vorgestellt. Insbesondere die Analyse der betriebswirtschaftlichen Relevanz der interaktiven Maschinensimulation und die Hinderungsgründe für deren praktischen Einsatz sollen das Marktpotenzial der neuartigen Dienstleistung veranschaulichen. Im anschließenden Kapitel 3 wird die Informationsmodellierung, insbesondere die Referenzmodellierung, als Schlüsseltechnologie zur Informationsaufbereitung und Wiederverwendung von existierenden Simulationsmodellen und deren Teilmodelle definiert. Wie die Verbesserung der Dienstleistungsqualität sowie die Erhöhung der Kundenbindung durch eine kontinuierliche und integrierte Referenzmodellverwaltung erreicht werden kann, wird im Kapitel 4 näher dargestellt. Schließlich wird im Kapitel 5 die Relevanz der Referenzmodellierung und deren integrierten Verwaltung zusammengefasst, um notwendige zukünftige Forschungsarbeiten im Bereich der modellbasierten Maschinensimulation zu definieren. 2
Bei der im Folgenden dargestellten industriellen Dienstleistung handelt es sich
nicht um einen Vertreter der klassischen Wartungs- und Serviceleistungen von
Maschinenherstellern. Bereits
In einem ersten Ansatz fällt es schwer, die interaktive Maschinensimulation als
reine Dienstleistung oder als hybrides Leistungsbündel zu definieren. Das liegt
zum einen daran, dass die Definitionen zur (industriellen) Dienstleistung in den
einzelnen Fachbereichen kontrovers diskutiert werden
Um die interaktive Maschinensimulation näher als Dienstleistung zu
charakterisieren, wird auf die terminologischen Untersuchungen von
Die Erbringung von hybriden Leistungsbündeln, wie bspw. bei einer
kundenindividuell geplanten und konstruierten Arbeitsmaschine, kann auch in Netzwerken
erfolgen, in denen bestimmte Dienstleistungen von externen spezialisierten
Dienstleistungsanbietern erbracht werden
Eine interaktive Maschinensimulation kann nicht auf „Vorrat“ produziert werden. Die parametrierten Simulationsmodelle sowie die Einbettung in eine geeignete Virtual-Reality-Umgebung erfolgt stets problemorientiert und werden entsprechend den Kundenanforderungen an die Simulation erstellt. Dies umfasst nicht nur den Gegenstand der Simulation, also den Maschinentyp und seinen Komponentenaufbau, sondern auch die Auswahl und Konfiguration der virtuellen Umgebung, wie bspw. eine Desktop-, Cave-, Powerwall- oder Simulator-Anwendung. Die Wünsche und Anforderungen des Kunden an die Aufbereitung und Durchführung der Maschinensimulation sind somit ausschlaggebend für die Erstellung der Simulationsmodelle sowie die Konfiguration der Virtual-Reality-Umgebung. Als Leistungsergebnis entsteht ein Simulationsmodell, welches gespeichert und wiederholt genutzt werden kann. Die eigentliche Dienstleistung besteht jedoch in der Durchführung der Maschinensimulation sowie in der aufgabenspezifischen Auswertung der Ergebnisse. Diese haben eine direkte Auswirkung auf den laufenden Geschäftsprozess. So können sie bspw. zu Strategieentscheidungen über die Entwicklung neuer Maschinenmodelle oder zur Analyse von Störfällen herangezogen werden. Ein hoher Anteil an immaterieller Leistung ist der interaktiven Maschinensimulation somit immanent.
Zur Erstellung von Simulationsmodellen und der Durchführung von Simulationen ist viel Fachwissen und Erfahrung notwendig. Die Wiederverwendung der Modelle bzw. von Teillösungen ist daher zwar wünschenswert, wird aber derzeit leider nicht methodisch unterstützt. Für Produktionsbetriebe im Investitionsgüterbereich stellt daher die Entwicklung einer eigenen Kompetenz auf dem Gebiet der Maschinensimulation eine große Herausforderung dar. Insbesondere für Unternehmen, für deren Leistungserbringung die Maschinensimulation nur eine außergewöhnliche Rolle spielt, würde eine Kosten-Nutzen-Bewertung negativ ausfallen. In den folgenden Abschnitten werden allgemeine Analyseergebnisse zur Bewertung des betriebswirtschaftlichen Potenzials und den Herausforderungen der interaktiven Maschinensimulation näher beschrieben.
Die am Forschungsprojekt partizipierenden Unternehmen, zu denen sowohl Vertreter von Maschinenherstellern mobiler Arbeitsmaschinen als auch Komponentenzulieferern zählen, wurden hinsichtlich ihrer Bewertung der interaktiven Maschinensimulation für den zukünftigen Unternehmenserfolg befragt. Im Rahmen offener Interviews mit Mitarbeitern der Entwicklungsabteilung, der Konstruktion und des Vertriebs konnten allgemeine Vorteile der interaktiven Maschinensimulation aus Sicht des Produkts, der Kundenbeziehungen, der Prozesse und der Kosten spezifiziert werden.
Aus Produktsicht ermöglicht die interaktive Maschinensimulation die Umsetzung kreativer Innovationsideen, ohne den Bauraum einer Maschine konstruieren oder einen physischen Prototyp bauen zu müssen. Die Durchführung der Maschinensimulation mit variierten Parametern und deren problemorientierte Analyse führen aufgrund von reproduzierbaren Experimenten zu einem besseren technischen Verständnis der zugrundeliegenden Ursache-Wirkungs-Beziehungen.
Weiterhin kann die interaktive Maschinensimulation die Kundenzufriedenheit und damit die Kundenbindung erhöhen. Kundenwünsche können in einer Maschinensimulation besser spezifiziert werden, da der Kunde die Auswirkung bestimmter Maschinenkonfigurationen testen kann und sie sich nicht nur vorstellen muss. Somit wird der Kommunikationsprozess zwischen Kunde und Maschinenhersteller deutlich verbessert. Die Einbeziehung des Kunden in den Entwicklungsprozess erhöht zudem die Bindung des Kunden an das Unternehmen und die Akzeptanz der späteren Maschinenlösung.
Auch die Prozesse des Maschinenherstellers werden positiv beeinflusst. So können Konstruktionsfehler in der Maschinensimulation frühzeitig aufgedeckt und korrigiert werden. Das führt zur Vermeidung von Iterationen im Entwicklungsund Produktionsprozess. Darüber hinaus können Simulationsergebnisse als neutrales Element in Strategieüberlegungen über neue Produktvarianten oder Einkaufsentscheidungen genutzt werden. Auf diesem Weg kann die Kommunikation bzw. Abstimmung zwischen verschiedenen Abteilungen (z. B. F&E und Einkauf) im Unternehmen unterstützt und verbessert werden. Wenn eine vertrauensvolle Kooperation mit Komponentenzulieferern aufgebaut werden kann, könnten Simulationsmodelle für einzelne Maschinenkomponenten direkt vom Komponentenhersteller zur Verfügung gestellt werden. Die Qualität der Simulationsmodelle im Sinne einer realitätsnahen Abbildung des Komponentenverhaltens wäre wahrscheinlich besser als die bisher vom Maschinenhersteller selbst formulierten Simulationsmodelle. Die verstärkte Zusammenarbeit in der Maschinensimulation könnte zu einer synergetischen Kooperation zwischen Zulieferer und Maschinenhersteller im Entwicklungsprozess führen.
Wenn die Technologie der interaktiven Maschinensimulation soweit ausgereift ist, dass sie den Bau unreifer physischer Prototypen vermeiden bzw. den Bau reifer physischer Prototypen in späte Phasen des Entwicklungsprozesses verschieben kann, erzielt der Maschinenhersteller auch aus Kostensicht signifikante Vorteile vom Einsatz interaktiver Maschinensimulation. Durch die Verringerung von Iterationen im Entwicklungsprozess werden weniger Ressourcen gebunden, sowohl in Form von entwickelnden Ingenieuren als auch in Form von Belegung der Produktionsstrecke sowie Materialeinsatz zum Um- und Neubau von Prototypen.
Den aufgezeigten Vorteilen stehen aber auch gewichtige Herausforderungen gegenüber, die den praktischen Einsatz der interaktiven Maschinensimulation bisher behindern. 2.2
Die interaktive Maschinensimulation ist trotz viel versprechender Vorteile noch kaum in der Industrie verbreitet. Ein bedeutender Hinderungsgrund liegt in der aufwendigen und riskanten Erstellung der Simulationsmodelle. Eine genauere Analyse der Ursachen konnte drei Problemkategorien identifizieren, die Komplexität der Simulationsaufgabe, die Konfiguration und Steuerung der VirtualReality-Umgebung und die unternehmensübergreifende Kooperation zwischen Maschinenhersteller und Zulieferer.
Die Erstellung von Simulationsmodellen für Maschinenfunktionalitäten ist eine komplexe Aufgabe, da alle relevanten Komponenten modelliert und konsistent miteinander in Beziehung gesetzt werden müssen. Für einzelne Komponentensysteme werden domänenspezifische Simulationen der Mechanik, Hydraulik oder Elektrik zahlreich in der Praxis eingesetzt. Techniken zur domänenübergreifenden Simulation sind derzeit Gegenstand der Forschung und befinden sich noch in einem Frühstadium der Entwicklung. Eine domänenübergreifende Simulation erhöht die Kompliziertheit der Simulationsmodelle, da mehr Modellkonzepte enthalten sind. Neben dem Problem der domänenübergreifenden Simulation besteht das Problem der realitätsnahen Simulation ganzer Maschinen. Eine Vielzahl von relevanten Maschinenkomponenten und ihre Abhängigkeiten müssen in dem Simulationsmodell berücksichtigt werden. Dies führt zur Erhöhung der Modellkomplexität, welche die Echtzeitfähigkeit des Simulationsmodells gefährden kann. Die Echtzeitfähigkeit ist in der interaktiven Maschinensimulation aber Voraussetzung für einen realitätsnahen Eindruck für den menschlichen Maschinenführer. Erschwert wird die Erstellung der Simulationsmodelle zusätzlich dadurch, dass sie überwiegend codebasiert und sehr maschinennah erfolgt. Die codebasierte Beschreibung der Simulationsmodelle behindert eine mögliche Wiederverwendung der Simulationsmodelle, da sie weder eine inhaltliche noch formale Aufbereitung der Modellkomponenten unterstützt. Die Anpassung, Pflege und Wiederverwendung von Simulationsmodellen ist daher für den menschlichen Ingenieur sehr schwierig und nur mit guten Informatikkenntnissen umzusetzen.
Derzeitige Forschungen in den Ingenieurwissenschaften untersuchen geeignete Instrumente zur domänenübergreifenden Beschreibung der Simulationsmodelle. Eine geeignete und standardisierte Sprachbeschreibung würde auch dem bisher fehlenden Austausch von Simulationsmodellen bzw. relevanten Informationen zwischen Maschinenhersteller und Zulieferer entgegenwirken. Der mangelnde unternehmensübergreifende Wissenstransfer ist aber nicht zuletzt auch auf das Risiko der Weitergabe von wettbewerbskritischen Informationen zurückzuführen. Die Folge ist, dass der Maschinenhersteller alle simulationsrelevanten Zulieferkomponenten mit den ihm zur Verfügung stehenden Informationen nachbilden muss. Da diese Informationen in der Regel nicht den gleichen Umfang aufweisen wie die, die dem Komponentenhersteller zur Verfügung stehen, besteht das Risiko, dass die Simulationsmodelle eine schlechte Qualität, im Sinne von nicht realitätsnahen Maschinenfunktionalitäten, aufweisen. Fehlende Informationen zu Produktkomponenten können unter Umständen auch dazu führen, dass die Simulationsmodelle nicht in der erforderlichen Modelltiefe konstruiert werden können.
Neben den Modellen zur Simulation der Maschinenfunktionalität erfordert eine interaktive Maschinensimulation weitere Modelle zur Konfiguration und Steuerung der VR-Umgebung. Diese Modelle umfassen neben 3D-Grafiken zur Darstellung der Maschine und der Teststrecke auch Bewegungssteuerung und Soundmodelle. Weiterhin müssen Netzwerkkommunikation und Konfiguration der Simulationssoftware vorgenommen werden. Welche Modelle mit welchen Parametern in das Simulationsmodell integriert werden müssen, hängt maßgeblich vom Simulationsziel und der eingesetzten Hardware ab. Zum Einen ist diese Hardware, wie Hexaplot, Cave oder Powerwall, sehr preisintesiv in der Anschaffung, zum Anderen erfordert deren Konfiguration und Bedienung qualifiziertes und erfahrenes Fachpersonal.
Weiterhin existiert keine modulare Toolkette, die über standardisierte Schnittstellen eine flexible Durchführung von Maschinensimulationen ermöglicht. Da die Simulationsmodelle meist nicht plattformunabhängig erstellt und gepflegt werden können, müssen in dem Workflow von der Erstellung der Simulationsmodelle bis zur Steuerung der VR-Umgebung häufig manuelle Transformationsarbeiten durchgeführt werden. 2.3
Zusammenfassend sind die größten Hinderungsgründe für den Einsatz der interaktiven Maschinensimulation die hohen Investitionskosten der Virtual-Reality-Umgebung, die Gefahr der Weitergabe von wettbewerbskritischen Informationen an Konkurrenten und die fehlende systematische Methode zur Erstellung, Pflege und Wiederverwendung der Simulationsmodelle. Die beiden erst genannten Nachteile können durch einen externen Dienstleister gelöst werden. Da das Kerngeschäft des Dienstleisters die interaktive Maschinensimulation darstellt, ist die Auslastung der Virtual-Reality-Umgebung dementsprechend hoch und wird sich daher schneller amortisieren. Weiterhin kann ein externer Dienstleistung als Trustcenter fungieren und die Vertraulichkeit der Simulationsmodelle als Teil seines Dienstleistungsangebots garantieren. Simulierende Maschinenhersteller bzw. Zulieferer bieten bereits ihren Kunden auftragsspezifische Simulationen als Teil ihres Leistungsangebots an.
Die Entwicklung einer systematischen Methode zur Erstellung, Pflege und Wiederverwendung der Simulationsmodelle auf Basis der Informationsmodellierung wird in den folgenden Kapiteln näher vorgestellt.
Das Erfolgspotenzial für das beschriebene Dienstleistungsangebot wird hoch eingeschätzt, da die Markteintrittsbarrieren relativ hoch sind. Wie bereits dargestellt, erfordert die Erstellung von Simulationsmodellen eine hohe Fachkompetenz und viel Simulationserfahrung. Diese zu entwickeln, ist jedoch sehr zeitintensiv und erfordert die reale Durchführung verschiedener Projekte. Wenn somit ein Pionier sich auf dem Markt platzieren konnte, ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass er erfolgreich ist, wenn er seine Kernkompetenz – die Erfahrung – schützt und kontinuierlich weiterentwickelt. Der im Folgenden vorgestellte Ansatz soll die systematische Integration von Projekterfahrung unterstützen und somit zur kontinuierlichen Verbesserung der Dienstleistungsqualität sowie der Stärkung der Wettbewerbsposition beitragen. 3
Die aufgezeigten Potenziale für den Einsatz von Maschinensimulation können nur genutzt werden, wenn eine systematische Informationsverwaltung gewährleistet werden kann, die eine methodisch gestützte Erstellung der Simulationsmodelle sowie deren modulare Wiederverwendung ermöglicht. Dazu wird in der angestrebten Methode auf die Informationsmodellierung zurückgegriffen. Zur Komplexitätsreduktion und zur systematischen Wiederverwendung von Simulationsmodellen bzw. deren flexiblen Anpassung an projektspezifische Anforderungen sollen insbesondere die Methoden der konzeptionellen Modellierung und der Referenzmodellierung zum Einsatz kommen. Anwendungsfal Beschreibung ...
Anwender ... ProduktVariante A
Produkt
VarBiante
Konfigurations-Model
Spezifischer Maschinentyp ...
Komponente 1 Komponente 2 ...
Simulationsmodel / model:KolbenZylinderBeispiel/ generatedwithModimexVersion 0.4.5modelPressureSourceextends TwoPortNoStorage; parameter ModelicaSIunitsPressurepSource= 4Oen5e;Peoqrut;atipoanramdpe=te-prSMouordceeli;ceanSdIuPnreitsssPureresSsuoruercpe0;m=o0d;eelqTuaantkioenxtepn=ds ppepSm;qo0toa;ruetdta_inMectPidlCoo;OyndTlneainPelnipdcPok=ea;romptrS_r;omtIbourdtonp_eMdioatlesr.oStplV_d;ItodaAelelt;uiQiccamaC=lPPeSpyrFoolIoiulnrrponttd__VwietbasaRr.PlpQvaeroet;xeeertsten_QsndTPu;d;roOseerntncP_eydoaPlirIntpod_doreatera;mtrpl_;PeoBornrdo;td_epalVPS;aotlarvtbe_e;apnadrtial Stab;partialmodelTwoPortNoStorageextends..
Abb. 1. Referenzmodell-basierte Methode zur Maschinensimulation
Abb. 1 stellt die Referenzmodell-basierte Methode zur Vorbereitung und Durchführung einer interaktiven Maschinensimulation skizzenhaft dar.
Ausgangspunkt für die Erstellung und systematische Wiederverwendung
existierender Simulationsmodelle und deren flexible Anpassung an projektspezifische
Anforderungen ist die reale Produktstruktur der betrachteten Maschine. Auf der
Fachebene (Ebene der realen Produktstruktur) soll ein Referenzmodell die
möglichen Produktvarianten verwalten und die Ableitung einer individuellen
Produktspezifikation ermöglichen. Diese Grundstruktur der Produktvariante umfasst den
hierarchischen Aufbau der Maschine aus den einzelnen Produktkomponenten. Der
Detaillierungsgrad sollte dabei so gewählt werden, dass zugelieferte
Systemkomponenten umgehend identifiziert werden können. Über dieses Modell der realen
Produktstruktur erfolgt die Integration, Steuerung und Konfiguration der einzelnen
Modelle, die für die Simulation notwendig sind. Die notwendigen Modelle bilden
dabei unterschiedliche Gegenstandsbereiche ab und befinden sich auf
unterschiedlichen Abstraktionsstufen. Zur Strukturierung dieser Abstraktionsstufen wurde das
Framework zur modelbasierten Simulation entwickelt
Mit Hilfe der konzeptionellen Modelle sollen die Simulationsmodelle sowie
alle notwendigen Konfigurationen der Simulationsumgebung verwaltet, integriert
und wiederverwendet werden. Das entwickelte Referenzmodell dient dabei als
Ausgangsbasis zur Konfiguration der Arbeitsmaschine. Operationen auf den
abgeleiteten Modellen sowie Modelltransformationen führen weiterhin zur Erstellung
eines konsistenten Simulationsmodells. Dabei soll insbesondere auf die
generierenden und nicht generierenden Konstruktionstechniken der Referenzmodellierung
zurückgegriffen werden
Abb. 2 stellt eine beispielhafte Modelltransformation von der Fachebene in die Simulationsebene dar. Die Fachebene fokussiert die reale Produktstruktur und umfasst somit alle relevanten Informationen, die in herkömmlichen ERP-Systemen hinterlegt sind, wie bspw. Lieferanten und Komponenteneigenschaften. Desweiteren spezifiziert sie die relevanten Schnittstellen zum Geschäftsprozess, der den Rahmen für die Maschinensimulation bildet und auf den das Dienstleistungsprodukt, also die Simulationsergebnisse, direkt einwirkt. Die Simulationsebene abstrahiert dagegen von geschäftsprozess-relevanten Informationen und betrachtet ausschließlich simulationsrelevante Informationen.
Auf Basis der realen Produktstruktur wird eine Maschinenstruktur abgeleitet, die alle für die Maschinensimulation relevanten Informationen umfasst und von nicht benötigten Informationen abstrahiert. Eine Produktkomponente auf Fachebene kann dabei von unterschiedlich vielen Simulationskomponenten erster Ordnung beschrieben werden. So kann eine Produktkomponente bspw. keine Entsprechung auf Simulationsebene haben, wenn sie für die Simulationsaufgabe nicht relevant ist. Es ist aber auch denkbar, dass eine Produktkomponente durch mehrere Simulationskomponenten repräsentiert wird, weil der Aufbau des Simulationsmodells es so erfordert.
Das zentrale Integrationselement für die Verwaltung und Anpassung der Simulationsmodelle ist die Produktkomponente auf Fachebene. Diese ist entsprechend mit den konzeptionellen Simulationskomponenten zu verknüpfen. Ziel des Produktmodells auf Fachebene ist es, den Austausch einer spezifischen Produktkomponente hinsichtlich der Auswirkungen auf das Simulationsmodell zu bewerten.
Neuartig an diesem Vorgehen ist, dass auch für die Darstellung dieser Simulationsmodelle auf Modellierungssprachen der konzeptionellen Modellierung zurückgegriffen werden soll. Auf der Simulationsebene wird weiterhin eine zweistufige Erstellung der Simulationsmodelle angestrebt. Das Simulationsmodell 1. Ordnung repräsentiert die Struktur des spezifischen Maschinenmodells unabhängig von der vorliegenden Simulationsaufgabe. Dabei stellen die Modellelemente Platzhalter für Maschinenkomponenten dar, die mindestens einer Komponente auf Fachebene zugeordnet werden kann. Die Komponente auf Simulationsebene ist somit existenzabhängig von der Komponente auf der Fachebene, beinhaltet aber andere Beschreibungsmerkmale, wie bspw. Vektoren und Koordinatensysteme.
Aus den aufgabenneutralen Simulationsmodellen werden die Simulationsmodelle 2. Ordnung abgeleitet. Dazu werden in Abhängigkeit der spezifischen Anforderungen der vorliegenden Simulationsaufgabe geeignete Berechnungsvorschriften den Maschinenkomponenten zugeordnet. Erschwerend für die Modellverwaltung ist, dass dieser Übergang vom aufgabenneutralen zum aufgabenspezifischen Simulationsmodell willkürlich sein kann. Komponenten können dabei zusammengefasst, geteilt, übernommen, weggelassen oder hinzugefügt werden. Für die Bewertung der Simulationsergebnisse und die Verbesserung der Qualität der Simulationsmodelle ist es jedoch notwendig, dass diese Transformationsschritte dokumentiert und nachvollziehbar sind. Weiterhin erfolgt die Parametrierung des Modells. Dazu werden unter anderem Werte der Komponenten aus der Fachebene übernommen, bspw. Masse und Leistung. G ts e F k n e l e G ts e
F 2
4 K
K s n k io en t l ta e o G R K 4 e t n e n o p m o K 3 e t n e n o p m o K e t n e n o p m o 3 e t n e n o p m o s n o k it n la le s e an G r T Abb. 2. Beispielhafte Modelltransformation von der Fachebene in die Simulationsebene
Neben den technischen Herausforderungen der werkzeuggestützten Ableitung von Konfigurationsmodellen aus Referenzmodellen ist bei dem beschriebenen Vorgehen die semantische Integration der verschiedenen Modelle sicherzustellen. Das folgende Kapitel stellt dabei die herausragende Rolle eines kontinuierlichen und systematischen Referenzmodellmanagementsystems vor.
Die semantische Integration der Modelle auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen, aber auch die Verwaltung der Beziehung zwischen dem ursprünglichen Referenzmodell und dessen abgeleiteten Modellen ist notwendig, um frühere Modelllösungen zu analysieren, zu bewerten und zu vergleichen. Nur unter diesen Voraussetzungen sind eine systematische Evolution der Referenzmodelle und die Qualitätsverbesserung der interaktiven Maschinensimulation möglich.
Der Dienstleistungsnehmer erwartet, dass er von den Erfahrungen des Dienstleistungsanbieters profitiert. Um die Dienstleistung der interaktiven Maschinensimulation erfolgreich anbieten zu können, sollten die Simulationserfahrungen des Dienstleisters größer sein als die des Maschinenherstellers. Das heißt, er sollte mehr Projekte durchgeführt und vielseitigere Probleme gelöst haben. Diese Erfahrung sollte sich in der Fähigkeit des Dienstleisters niederschlagen, Simulationsmodelle effektiv und effizient erstellen zu können.
Auf der anderen Seite kann der Dienstleister sein Angebot dahingehend erweitern, dass er die kundenspezifischen Modelle hinsichtlich neuer Erkenntnisse aktualisiert.
Voraussetzung, um beide Anforderungen erfüllen zu können, ist eine systematische Erfassung der Projekterfahrungen sowie eine methodische Weiterentwicklung des Referenzmodells. Beide Aspekte werden in den folgenden Abschnitten näher diskutiert. 4.1
Eine einzelne Erfahrung stellt eine Schlussfolgerung (Erfahrungsurteil) eines
Subjekts dar, welches aufgrund der subjektiven Wahrnehmung und Interpretation der
Realwelt (Erfahrungssituation) zu dieser gekommen ist
Neben menschlichen Individuen wird auch einer Organisation die Fähigkeit der
Erfahrung zugesprochen. Stellt eine Organisation das Subjekt im
Erfahrungsprozess dar, so kann von einer organisationalen Erfahrung gesprochen werden. Eine
Organisation kann dabei als ein System aufgefasst werden, welches eine
eindeutige Grenze zu seiner Umwelt aufweist und durch eine Zielausrichtung sowie eine
geregelte Arbeitsteilung geprägt ist (
Der Wert einer Erfahrung für eine Organisation wird durch ihr Potenzial bei der
zukünftigen Aufgabendurchführung und somit zur Erreichung der gesetzten Ziele
bestimmt. Die Differenzierung der Potenzialstufen von Erfahrungen erfolgt
anhand der Kriterien Neuheit, Wirkungskraft, Wahrscheinlichkeit der Wiederholung,
Kausalitätszusammenhänge und Reichweite
Die Erfahrung hat keine Auswirkung auf die organisationale Zielerreichung oder die Wahrscheinlichkeit des Wiederauftretens der Erfahrungssituation geht gegen Null. Der Aufwand für die Verwaltung der Erfahrung übersteigt demnach dem geschätzten Nutzen. Potenzialstufe 1 (niedrig)
Die Erfahrung bestätigt die organisationalen Erwartungen und wurde in ähnlicher Weise bereits in der Vergangenheit gemacht. Bestätigende Erfahrungen führen zu einer Verbesserung der Prozesssicherheit im Unternehmen. Diese Art der Erfahrung kann daher herangezogen werden, um die bestehende Erfahrungsdatenbank zu pflegen. Eine bestätigende Erfahrung kann darüber hinaus dazu führen, dass Erfahrungen, die bisher als Einzelerfahrungen verwaltet wurden, Einfluss auf die Veränderung des Referenzmodells haben. Potenzialstufe 2 (mittel)
Die Wirkungskraft der Erfahrung auf die Erreichung der Unternehmensziele war mindestens spürbar. Die Wahrscheinlichkeit der Wiederholung ähnlicher Erfahrungssituationen kann jedoch schwer abgeschätzt werden, da die Kausalitätszusammenhänge weitestgehend unbekannt sind. Der Transfer dieser Erfahrung ist somit riskant. Potenzialstufe 3 (hoch)
Erfahrungen dieser Potenzialstufe wurden als neu und mit mindestens spürbarer Wirkungskraft auf die Zielerreichung bewertet. Weiterhin sind deren Kausalitätsbeziehungen bekannt. Zu entscheiden ist, ob die Erfahrung Auswirkung auf die Inhalte des Referenzmodells hat oder eher dazu geeignet ist, in einem systematischen Management von Einzelfällen aufgenommen zu werden. Diese Entscheidung ist in Abhängigkeit von der Reichweite der Erfahrung und der Wahrscheinlichkeit der Wiederholung zu treffen.
Werden aufgrund der gemachten Erfahrungen die Inhalte des Referenzmodells
geändert, so wird die Erfahrung aber nicht selbst gespeichert, sondern nur deren
Konsequenz. Die Erfassung des Erfahrungsinhalts kann somit in verschiedener
Weise erfolgen:
Als Modellbestandteil: Die verwendete Modellierungsmethode stellt ein eigenes
Konzept zur Modellierung von Erfahrungsitems zur Verfügung. Das
ProblemLösungs-Paar wird in dieser Form direkt an das entsprechende Element im
Produkt- bzw. Prozessmodell gebunden. Es dokumentiert Erfahrungen, welche die
Organisation bei der Anwendung des Modells gemacht hat und für zukünftige
Anwendungen nützlich sein können. Die direkte Annotierung der Erfahrung an
die entsprechenden Modellelemente ermöglicht die leichte Identifikation von
möglichen Problemsituationen bei der Modellanwendung. Im Folgenden wird
sie auch als Kommentierung des Modells bezeichnet.
Als Modelländerung: Erfahrungen können sich aber auch in einer
Modelländerung ausdrücken. Werden die Modellaussagen des Produkt- oder
Prozessmodells geändert, so stellt diese Änderung meist die Lösung einer zuvor
empfundenen Problemsituation dar. Auf diesem Weg wäre jedoch nur die Lösung aber
nicht das behobenen Problem, also die originäre Erfahrung, dokumentiert. Ein
geeignetes Konfigurationsmanagement muss an dieser Stelle die
Nachvollziehbarkeit dieser Änderung und insbesondere ihrer Gründe dokumentieren. Dabei
kann es sich um ein Annotation handeln, die auf unstrukturierte Dokumente,
wie bspw. natürlichsprachige Erfahrungsberichte, verweist, oder es können
eigene Teilmodelle erstellt werden, die die Nachvollziehbarkeit der
Modellkonstruktion erhöhen sollen
In Abhängigkeit der Potenzialstufe, der die gemachte Erfahrung zugeordnet werden kann, ist die Änderung des spezifischen Modells bzw. des Referenzmodells oder die reine Dokumentation der Erfahrung zu empfehlen. Erfahrungen mit geringem InnovationsPotenzial (Potenzialstufe 0 bzw. 1) sind vernachlässigbar, da der Erfassungsaufwand den erwarteten Nutzen übersteigt. Lediglich die Dokumentation von Erfahrungen der Potenzialstufe 1, die strittige bzw. unsichere Modellaussagen bestätigen, können als Argumente in der Modellkonstruktion herangezogen werden und somit einen Nutzen für die Organisation stiften. Sie haben jedoch keine Auswirkung auf die Modellaussagen, sondern werden lediglich als „Zusatzinformationen“ an die entsprechenden Modellelemente annotiert.
Erfahrungen der Potenzialstufe 2 sollten aufgrund ihrer unbekannten Kausalitätszusammenhänge lediglich an die entsprechenden Modellelemente des Referenzmodells annotiert werden, so dass der Modellnutzer abschätzen kann, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Erfahrung Auswirkung auf den vorliegenden Fall hat und ob sie Einfluss auf die Konstruktion des spezifischen Modells haben sollte.
Lediglich Erfahrungen der Potenzialstufe 3, deren Reichweite und Wiederholungswahrscheinlichkeit so hoch ist, dass sie für den gesamten Geltungsbereich des Referenzmodells gültig sind, sollten als Modelländerung in das Referenzmodell eingehen. Darüber hinaus ist zu entscheiden, ob die Erfahrung, die zur Modelländerung führte, als Entwurfsentscheidung an das entsprechende Modellfragment annotiert werden sollte. Dieses Vorgehen würde die Nachvollziehbarkeit der Modellkonstruktion erhöhen und dem Modellnutzer damit die Möglichkeit bieten, die Gültigkeit der Modellaussagen für das vorliegende Modellierungsproblem abschätzen zu können.
Da potentiell in allen Prozessschritten Erfahrungen gesammelt werden können, muss eine Erfahrungserfassung in allen bearbeiteten Aufgaben erfolgen. Eine anschließende Bewertung muss entscheiden, welche Auswirkung die Erfahrung auf existierende Artefakte im Unternehmen hat (bspw. das Referenzmodell) und in welcher Weise sie gespeichert wird. Aus diesem Grund wird in den folgenden Abschnitten die Modellierungsaufgabe bei der interaktiven Maschinensimulation näher untersucht, um die Abhängigkeiten der betroffenen Artefakte identifizieren und somit die Anforderung an eine kontinuierliche Referenzmodellverwaltung ableiten zu können. 4.2
Die Nutzung eines Referenzmodells bei der Erstellung von Simulationsmodellen zur interaktiven Maschinensimulation ermöglicht die systematische Wiederverwendung von existierenden Modelllösungen. Um die Dienstleistungsqualität zu verbessern und die Wettbewerbsposition des industriellen Dienstleisters zu stärken, indem er kontinuierlich die Erfahrungen in der Maschinensimulation in das Referenzmodell integriert, müssen die Transformationsschritte dokumentiert und nachvollziehbar sein.
Grundsätzlich kann neben dem Referenzmodell zwischen zwei disjunkten Mengen von aufgabenspezifischen Modellen unterschieden werden. Dabei wird zwischen Modellen unterschieden, die unabhängig von dem betrachteten Referenzmodell erstellt wurden, und Modellen, bei deren Erstellung auf das Referenzmodell zurückgegriffen wurde.
In Szenario I werden ein Referenzmodell aus existierenden Modelllösungen
abgeleitet und projektspezifische Lösungen zu Wiederverwendungszwecken
aufbereitet. Szenario II stellt dagegen die Ableitung von aufgabenspezifischen
Modellen aus dem Referenzmodell dar. Diese beiden Szenarien werden in der
herkömmlichen Literatur zur Referenzmodellierung als Design for Reuse und Design with
Reuse bezeichnet
Eine herausfordernde Problemstellung für dieses Szenario ist die Integration
der Fachebene und der Simulationsebene. Die Zuordnung von Modellelementen
auf Fachebene zu Modellelementen auf Simulationsebene kann nicht auf
Sprachebene erfolgen, sondern muss im Modell definiert werden. Es ist zu klären, ob ein
eigenes Teilmodell zur Beschreibung der Ebenenbeziehungen sinnvoll einsetzbar
ist. Dazu müssten entsprechende Konzepte, wie bspw. geeignete Beziehungstypen,
in die Definition der Modellierungssprache aufgenommen werden. Insbesondere
der Aufwand zur Erstellung und Pflege dieser Beziehungsmodelle sollte sorgfältig
kalkuliert und bewertet werden. Ein weiterer denkbarer Ansatz wäre die
semantische Verlinkung der beiden Modellebenen bspw. mit Hilfe von
Modell-TaggingVerfahren
Initiale Konstruktion
Szenario III Zur Weiterentwicklung des Referenzmodells werden Modelländerungen in den abgeleiteten Modellen analysiert.
Szenario I Zur Erstellung bzw. Weiterentwicklung eines Referenzmodells werden existierende
… Modelllösungen verwendet.
Spezifisches Modell A Initiale Konstruktion
Spezifisches
Modell i Initiale Konstruktion
Szenario II Ein spezifisches Modell wird methodengestützt aus einem Referenzmodell erstellt bzw. weiterentwickelt.
Spezifisches
Modell j Initiale Konstruktion Vom Referenzmodell unabhängige Modelle Vom Referenzmodell abgeleitete Modelle Abb. 3. Beziehungs-Szenarien zwischen Referenzmodell und projektspezifischen Modellen (Braun 2007)
Ein bisher weitgehend unberücksichtigtes Szenario stellt Szenario III dar. Dieses beschreibt die Weiterentwicklung des Referenzmodells, die aufgrund der Modelländerungen in den abgeleiteten Modellen oder durch Analyse von unabhängigen Modellen erfolgt. Unter dem Aspekt der erfahrungsbasierten Evolution des Referenzmodells erhält Szenario III eine besondere Bedeutung für die modellbasierte Maschinensimulation.
Wie bereits erwähnt, können in allen Prozessschritten Erfahrungen gesammelt
werden. Abb. 4 charakterisiert sechs Erfahrungssituationen, die bei der
Durchführung der vorgestellten Methode zur interaktiven Maschinensimulation bezüglich
der verwendeten Modellartefakte gemacht werden können. Diese Erfahrungen
können in Abhängigkeit von deren Potenzialbewertung zur Evolution des
Referenzmodells beitragen. Die Versionsbeziehungen im Sinne einer Historie
(Vorgänger-Nachfolgebeziehung) sind als Intra-Ebenen-Beziehungen zwischen Modellen
gleichen Typs dargestellt. Modellvarianten, im Sinne aus dem Referenzmodell
abgeleitete spezifische Modelle
Modellversionen (evolutionärer Beziehungspfad)
Referenzmodellierungs-Sprache´ Modellierungs
Grammatik
RMKonzepte
Modellierungs
Grammatik´
RM
Konzepte´ 1 Spezifisches Modell 2 3
Referenzmodell´ Spezifisches Modell´ 6 5 4
Reale Simulationsaufgabe Abb. 4. Erfahrungsbasierte Modellevolution
Die erste Situation kennzeichnet die Konstruktion eines Referenzmodells unter
Verwendung einer Modellierungsgrammatik. Zur Erstellung eines
Referenzmodells wird dazu auf Modellierungskonstrukte zurückgegriffen, die zur
Formulierung der Modellaussagen über den betrachteten Gegenstand notwendig sind.
Darüber hinaus sind Konstrukte notwendig, welche die Anwendung des
Referenzmodells zur Konstruktionsunterstützung spezifischer Modelle ermöglicht
Beim regelbasierten Ableiten von spezifischen Modellen aus Referenzmodellen kann die Anforderung nach Änderungen der im Referenzmodell verwendeten Sprachkonzepte auftreten, wenn die verwendeten Konzepte die Ableitung nicht zufrieden stellend unterstützen (Situation 2). Die Erfahrung wird somit bei der Ableitung des spezifischen Modells aus dem verwendeten Referenzmodell gemacht. Diese Erfahrungssituation ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Methodenkonstruktion zur Referenzmodellierung und der Anwendung des Referenzmodells eine räumliche und zeitliche Trennung vorliegt. Die Rückmeldung vom Modellanwender zum Methodenkonstrukteur muss daher systematisch unterstützt werden, um eine sinnvolle Evolution des Referenzmodellierungssprache zu ermöglichen.
Weiterhin können beim Ableiten des spezifischen Modells aus dem Referenzmodell vom Fachexperten Unzulänglichkeiten in den Modellaussagen entdeckt werden (Situation 3). Sind diese für den gesamten Aussagenraum des Referenzmodells gültig, können sie eine Änderung des Referenzmodells erfordern.
Die Anwendung des spezifischen Modells zur interaktiven Maschinensimulation stellt dessen Evaluation dar (Situation 4). Werden dabei Unzulänglichkeiten im Modell entdeckt, kann es zu dessen Änderung kommen. Wenn diese Änderung allgemeiner Art ist, also den Adressatenkreis des Referenzmodells betrifft, kann es zu einer Änderung des Referenzmodells führen (Situation 5). Die Integration neuer Modellinhalte in das Referenzmodell kann ihrerseits eine Änderung der Referenzmodellierungssprache bedingen, indem bspw. optionale Varianten deklariert oder neue Ableitungsregeln definiert werden müssen.
Um die Auswirkungen von Änderungen überhaupt bewerten zu können, ist ein
geeignetes Konfigurationsmanagement für Referenzmodelle notwendig.
Das Ziel, die Kundenbindung zu stärken, indem existierende spezifische
Maschinenmodelle gepflegt und um neue, relevante Modelllösungen verbessert
werden, kann nur mit Unterstützung eines geeigneten
Konfigurationsmanagementsystems erreicht werden
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Durchführung von interaktiven Maschinensimulationen ein hohes Potenzial als industrielle Dienstleistung aufweist. Die Methoden der Informationsmodellierung, insbesondere der Referenzmodellierung, können hier als Schlüsseltechnologie fungieren, um eine effiziente und effektive Dienstleistungserbringung zu gewährleisten. Um dieses Ziel zu erreichen, muss jedoch ein initiales Referenzmodell erstellt und geeignete Konstruktionstechniken für die Ableitung der aufgabenspezifischen Modelle entwickelt werden.
Die Wirtschaftsinformatik bietet dazu ein umfassendes Methodenwissen im
Bereich der Informationsmodellierung und im Besonderen der
Referenzmodellierung. Der Schwerpunkt dieser Forschungen liegt jedoch auf der Ableitung
spezifischer Modelle aus bestehenden Referenzmodellen
Der vorliegende Beitrag hat erste Anforderungen an die Referenzmodellierung und ein adäquates Referenzmodellmanagementsystem definiert. Die in Kapitel 3 beschriebene Methode muss demzufolge um die Pflege und Weiterentwicklung der Referenzmodell-Basis erweitert werden. Entsprechend der gemachten Erfahrungen und ihrer Bewertung müssen Modellanpassungen oder Anmerkungen zu Teilmodellen vorgenommen werden. Erfahrungen, die zur Änderungen des Referenzmodells bzw. der abgeleiteten Modelle führen, können in jedem Prozessschritt bei der Durchführung der Dienstleistung gemacht werden. Die methodische Weiterentwicklung der Modelle unterstützt eine kontinuierliche Verbesserung der Dienstleistungsqualität, indem es systematisch Projekterfahrungen in das Referenzmodell integriert. Darüber hinaus wird durch die konsequente Anwendung der Methode systematisch Fachkompetenz in der Simulation von Maschinen aufgebaut und gepflegt. Diese Kernkompetenz ermöglicht eine effiziente Erbringung der Dienstleistung und sichert damit die Wettbewerbssituation auf den neuen, sich aber schnell entwickelnden Markt.
Die Analyse der verschiedenen Erfahrungssituationen in Kapitel 4 ermöglicht
die Identifizierung der verschiedenartigen Modellbeziehungen, die in einem
Referenzmodell-Konfigurationsmanagementsystem verwaltet werden müssen. In
nachfolgenden Forschungen können bspw. die Integrationsarchetypen nach
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt „Integrative Produktentwicklung mit virtuellen Prototypen (INPROVY)“ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Weitere Informationen unter www.inprovy.de. 7