Unterstützung des modellbasierten Engineerings von kollaborativen cyber-physischen Systemen mit Hilfe von Funktionen
Creators: name: Hayward, Alexander
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2022
Subjects: subject: Funktionszentrierte Modellierung
subject: CPS
subject: Systemverbund
subject: Kollaboration
subject: MBSE
subject: MBE
subject: Funktion
subject: System of Systems
subject: SysML
subject: UML
subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

description: Die Fortschritte im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie ermöglichen technischen Systemen während des Betriebes Informationen auszutauschen und zusammenzuarbeiten. Ein hierbei größer werdender und dominierender Anteil an Softwarefunktionen gegenüber Funktionen, die durch mechanische Komponenten realisiert werden, begründet den Übergang von mechatronischen zu cyber-physischen Systemen (CPS). Eine Zusammenarbeit von CPS beinhaltet ein untereinander abgestimmtes Verhalten während des Betriebes, das auch als Kollaboration bezeichnet wird. Für eine solche Kollaboration bilden die CPS temporäre Systemverbünde, in welchen sie sich ihre Funktionen gegenseitig bereitstellen und hierdurch gemeinsam Ziele erreichen können, die über die Möglichkeiten des einzelnen CPS hinausgehen. Visionen für solche Systemverbünde existieren in vielen Domänen, wie zum Beispiel im Bereich der Smart Factory, in der zunächst unabhängig voneinander platzierte Fertigungsmodule Produktionsverbünde bilden, um kundenindividuelle Produkte zu fertigen. Ein anderes Beispiel kann dem Bereich der autonomen Fahrzeuge entnommen werden, die während der Fahrt mit einer Abstimmung ihres Fahrverhaltens sogenannte Platoons bilden und bei geringem Abstand zueinander gemeinsame Streckenabschnitte zurücklegen. Zur Realisierung solcher Systemverbünde ist es erforderlich, möglichst viele Details der Kollaboration im Engineering des einzelnen CPS zu berücksichtigen, um somit die technischen Voraussetzungen zur Kollaboration erfüllen zu können. Da die kollaborativen CPS von unterschiedlichen Herstellern stammen können und aus Sicht des einzelnen CPS künftige Kollaborationspartner damit vor einer Kollaboration nicht genau bekannt sind, ist auch die konkrete Spezifikation eines Systemverbundes mit Herausforderungen behaftet. In dieser Arbeit wurde eine Vorgehensbeschreibung entwickelt, welche einen Modellierungsprozess beschreibt, der zu einem funktionszentrierten Systemverbundmodell führt. Die Modellierung des Systemverbundes erfolgt durch eine profilbasierte Erweiterung der Systems Modeling Language (SysML). Durch das Konzept der Funktion wird eine lösungsneutrale Beschreibung des zu erbringenden Verhaltens ermöglicht, die unabhängig von einer realisierenden Implementierung durch physische Komponenten ist. In insgesamt sechs Schritten werden zunächst Ziele des Verbundes modelliert, aus welchen anschließend erforderliche Funktionen abgeleitet werden, die auf unterschiedlichen Granularitätsebenen verfeinert werden. Außerdem werden Schnittstellen spezifiziert, über die funktionale Inhalte ausgetauscht werden sowie Zustände, um funktionale Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein nach dieser Vorgehensbeschreibung spezifiziertes funktionszentriertes Systemverbundmodell soll herstellerübergreifend dazu eingesetzt werden können, um das erwartete Verhalten von kollaborativen CPS zur Erreichung von gemeinsamen Zielen komponentenunabhängig zu beschreiben. Hierdurch soll das Engineering von kollaborativen CPS unterstützt werden. Für die Evaluation der entwickelten Vorgehensbeschreibung erfolgte eine Anwendung anhand zweier Beispiele, welche eine domänenspezifische Darstellung der Verbundcharakteristiken durch das Systemverbundmodel bestätigten.
description: The progress in the field of information and communication technology enables technical systems to exchange information and collaborate during operation. A growing and dominating percentage of software functions compared to functions realized by mechanical components is the reason for the transition from mechatronic to cyber-physical systems (CPS). The collaboration of CPS involves a coordinated behavior during operation, for such CPS form temporary system groups in which they provide their functions to each other and thus can jointly achieve goals that exceed the possibilities of the single CPS. Visions of such system groups exist in many domains, such as the smart factory, in which production modules are initially placed independently of each other and then form production networks to manufacture customized products. Another example can be found in the field of autonomous vehicles, where single vehicles form platoons by adjusting their driving behavior and cover common sections of a route while driving in close distance to each other. For realizing such system groups, it is necessary to consider as many details of the collaboration as possible in the engineering of the individual CPS to be able to fulfill the technical requirements for collaboration. Since the different CPS can have diverse manufacturers and, from the point of view of the individual CPS, prospective collaboration partners are not known before a collaboration, the specific definition of a system group is associated with challenges. In this thesis, an approach describing a modeling process leading to a function-centric system group model was developed. The system group is modeled using a profile-based extension of the Systems Modeling Language (SysML). The concept of function-centered engineering enables a solution-neutral description of the expected behavior, independent of a realizing implementation by physical components. In a series of six steps, the goals of the system group are modeled, from which the required functions are derived, which are then refined at different levels of granularity. Furthermore, interfaces are specified to exchange functional content, and states are described to consider functional dependencies. A function-centered system model specified according to this approach is intended to be used across manufacturers to describe the expected behavior of collaborative CPS for achieving common goals in a component-independent manner. Thereby, the engineering of collaborative CPS is supported. For the evaluation the developed approach was applied to two examples, which confirmed a domain-specific representation of the system group characteristics by the system group model.