Engineering ontologischer Modelle in der Automatisierungstechnik
Creators: name: Hildebrandt, Constantin
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2021
Subjects: subject: Automatisierungstechnik
subject: Engineering automatisierter Anlagen
subject: Ontologie
subject: Informationsmodellierung
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: Mit einer steigenden Anzahl an Software-Funktionalitäten im Kontext eines Produktionssystems und einer zunehmenden Menge an Daten, Informationen und Wissen über Produktionssysteme steigt der Druck hin zu einer effizienten Nutzung dieser Daten, Informationen und Wissensbestandteile. Ontologien sind ein geeignetes Mittel, um unterschiedlichste Aspekte im Kontext eines Produktionssystems zu formalisieren und somit für entsprechende Systeme nutzbar zu machen. Die Entwicklung einer Ontologie ist jedoch eine nicht-triviale Aufgabe, welche einen hohen Aufwand unter Einbeziehung unterschiedlicher Stakeholder erfordert. Es ist daher von essentieller Bedeutung, dass diese hohen Aufwände über mehrere Projekte verteilt werden können, sodass sich langfristig eine gewisse Effizienz im Umgang mit den relevanten Technologien einstellen und deren Nutzung auf diese Weise einen Mehrwert im industriellen Umfeld schaffen kann. Die vorliegende Arbeit befasste sich daher mit dem Ziel, eine Engineering-Methode zu entwickeln, welche durch geeignete Automatisierung und Strukturierung von Modellierungstätigkeiten sowie ein entsprechendes Wiederverwendungskonzept die notwendige Effizienz für eine Anwendung im industriellen Umfeld schafft. Zur Erreichung dieses Ziels wurden zunächst bestehende Ansätze im Wissensgebiet der Automatisierungstechnik untersucht, welche eine Ontologie für einen spezifischen Anwendungsfall entwickeln. Basierend auf den darin erkannten methodischen Defiziten wurden drei Forschungsteilziele definiert: Die Entwicklung von je einer Methode zur Anforderungserhebung, zur Entwicklung der terminologischen Box und zur Entwicklung der assertionalen Box der Ontologie. Die entwickelte Methodik zur Anforderungserhebung verbindet die Anforderungserhebung an eine Ontologie mit der Anforderungserhebung der sie nutzenden Applikation. Auf diese Weise werden nicht nur sehr spezifische Anforderungen an die Ontologie erhoben, sondern auch Synergien im Entwicklungsprozess ermöglicht. Die Methodik zur Entwicklung der terminologischen Box der Ontologie zielt auf eine möglichst hohe Wiederverwendung der entwickelten Ontologien ab und basiert daher auf der Erstellung und Nutzung von Ontologie-Design-Mustern, welche das Wissen einer Domäne, bspw. in Form eines Standards, formalisieren. Die Methodik zur Erstellung der assertionalen Box hingegen zielt auf eine möglichst effiziente Erstellung der Fakten, welche über ein Produktionssystem existieren, und berücksichtigt daher Verfahren zur automatisierten Überführung von Artefakten aus der Systementwicklung in die Ontologie, aber auch ein semi-automatisiertes Verfahren basierend auf Nutzereingaben, um die Unabhängigkeit von Artefakten der Systementwicklung zu gewährleisten. Für die Evaluation der entwickelten Methodiken wurden mehrere Fallstudien in Industrieunternehmen durchgeführt, in denen die Vorteilhaftigkeit der vorliegenden Methodiken sowie die Erreichung des Forschungsziels dargelegt werden konnten.
description: Due to an increasing amount of software features as well as data, information and knowledge about an automated production system, there is an increasing need for an efficient use of data, information and knowledge about these systems. Ontologies provide a suitable technology to formalize different aspects of an automated production system and could potentially be the data, information and knowledge provider for different software functionalities. The development of an ontology, however, is a non-trivial task that potentially requires high efforts of different stakeholders. Therefore, an efficient ontology development procedure is crucial in order to have a positive cost-benefit trade off. The goal of this thesis is to develop an engineering method that is efficient enough to be used in industry, enabled by automation and structuring of relevant modelling activities. Furthermore, the developed approach should focus on a high reusability of developed ontological artefacts to decrease the development efforts with every further application of the method. In order to reach this goal, an analysis of existing approaches has taken place, that have developed an ontology for a use case in the automation domain. Based on the limitation of the used development procedures, three sub research goals were identified: the development of a Requirements Engineering method for ontologies, a method for building the terminological box of an ontology, and a method for building the assertional box of an ontology. The Requirements Engineering method combines the modelling of ontological requirements with requirement models of the application that uses the ontology. This results in solution-focused ontological requirements, as well as synergies in activities between yet distinct modelling areas. With respect to the method for building the terminological box of the ontology, a special emphasis was set on the reusability of developed ontological artefacts, enabled by Ontology Design Patterns that encapsulate the knowledge of a domain. The method for building the assertional box of the ontology allows a high efficiency in the building procedure due to a combination of automatic and semi-automatic ontology building procedures that can be set up specifically for a project. Concerning the evaluation of the proposed engineering method, three different case studies in industrial companies have taken place in which the achievement of the goal has been proven.