Model-based condition and process monitoring based on socio-cyber-physical systems

Die produzierende Industrie strebt im Rahmen der vierten industriellen Revolution, Industrie 4.0, die Optimierung der klassischen Zielgrößen Qualität, Kosten und Zeit sowie Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Resilienz in globalen, volatilen Märkten an. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Smart Factories, in denen sich relevante Objekte, Produktions-, Logistik- und Informationssysteme sowie der Mensch vernetzen. Cyber-physische Systeme (CPS) tragen als sensorisierte und aktorisierte, resiliente und intelligente Gesamtsysteme dazu bei, Produktionsprozesse und -maschinen sowie die Produktqualität zu kontrollieren. Vordergründig wird die technische Komplexität von Produktionssystemen und damit auch zugehöriger Instandhaltungsprozesse durch die Anforderungen an deren Wandlungsfähigkeit und den zunehmenden Automatisierungsgrad ansteigen. Heraus-forderungen bei der Entwicklung und Implementierung von CPS liegen in fehlenden Interoperabilitäts- und Referenzarchitekturkonzepten sowie der unzureichend definierten Interaktion von Mensch und CPS begründet. Sozio-cyber-physische Systeme (Sozio-CPS) fokussieren die bidirektionale Interaktion von Mensch und CPS und adressieren diese Problemstellung. Gegenstand und Zielstellung dieser Dissertationsschrift ist die Definition von Sozio-CPS in der Domäne der Zustands- und Prozessüberwachung von Smart Factories. Untersucht werden dabei Nutzungsszenarien von Sozio-CPS, die ganzheitliche Formulierung von Systemarchitekturen sowie die Validierung der entwickelten Lösungsansätze in industriellen Anwendungsszenarien. Eine erfolgreiche Umsetzung von Sozio-CPS in drei heterogenen Validierungsszenarien beweist die Korrektheit und Anwendbarkeit der Lösungsansätze.Within the scope of the fourth industrial revolution, Industry 4.0, the manufacturing industry is trying to optimize the traditional target figures of quality, costs and time as well as resource efficiency, flexibility, adaptability and resilience in volatile global markets. The focus is on the development of smart factories, in which relevant objects and humans are interconnected . Cyber-physical systems (CPS) are used as sensorized and actuatorized, resilient and intelligent overall systems to control production processes, machines and product quality . The technical complexity of production systems and their associated maintenance processes are rising due to the demands on their adaptability and the increasing automation. Challenges in the development and implementation of CPS include the lack of interoperability and reference architecture concepts as well as the insufficiently defined interaction of people and CPS. Socio-cyber-physical systems (Socio-CPS) focus on bidirectional interaction of humans and CPS to address this problem. The scope and objective of this dissertation is to define Socio-CPS in the condition and process monitoring of smart factories. This dissertation utilizes scenarios of Socio-CPS, holistically defines system architectures and validates the solutions developed in industrial applications. The successful implementation of Socio-CPS in three heterogeneous validation scenarios proves the correctness and applicability of the solutions

Konzept und Implementierung eines Frameworks zur Verwaltung von Digital Twins

Die fortschreitende Digitalisierung und damit verbundene Themen wie Industrie 4.0 werden für Unternehmen immer wichtiger. So sollen zukünftig beispielsweise digitale Abbilder, sogenannte Digital Twins, von Produkten helfen, deren Lebenszyklus zu analysieren. Die hierfür erforderlichen Daten müssen erhoben und gespeichert werden. Diese können auch für andere Aufgaben bereitgestellt werden. Die Daten liegen aber meist in unterschiedlichen Formaten und an verschiedenen Endpunkten bereit. Deren Erhebung und Integration in bestehende Informationssysteme ist aufgrund der meist großen Datenmengen zudem aufwendig und meist nur mit großem Aufwand verwaltbar. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird ein graphbasiertes Konzept zur Verwaltung von Digital Twins am Beispiel von Pharmaverpackungsmaschinen vorgestellt. Zusätzlich wird die Machbarkeit mit einer prototypischem Implementierung aufgezeigt

Ermittlung des Industrialisierungsgrades der Anwendungsentwicklung in der Fertigungsindustrie

Die Industrialisierung ist mittlerweile auch in der Softwarebranche angekommen. In dieser Arbeit wird ein Modell vorgestellt, das eine Einstufung der verschiedenen Ausprägungen der Industrialisierung in der Anwendungsentwicklung ermöglicht. Ferner wird auf Basis dieses Modells ein Bewertungsverfahren vorgestellt, welches einem Unternehmen erlaubt, den Grad an Industrialisierung in der Entwicklung von Anwendungen zu ermitteln. Das Ergebnis dieser Ermittlung dient dem Unternehmen als Basis für eine Entscheidung zur Optimierung der Softwareentwicklung. Mit der Festlegung eines Sollgrades können zudem die Ziele für die Verbesserung der Anwendungsentwicklung definiert werden. Eine regelmäßige Ermittlung des Industrialisierungsgrades ermöglicht dabei die Dokumentation des aktuellen Fortschrittes. Eine praktische Bewertung eines Unternehmensbereiches wird im Rahmen einer Fallstudie exemplarisch durchgeführt

Ansätze zur kollaborativen Softwareerstellung

Die Erstellung von Software zur Unterstützung betrieblicher Abläufe wird in zunehmendem Maße komplexer. Da der Erstellungsprozess in der Softwareindustrie traditionell einer Werkstatt- bzw. Einzelfertigung entspricht, erfordert die stetig steigende Nachfrage nach betrieblicher Software und die fortschreitende Globalisierung die rationellere Gestaltung der Softwareentwicklung. In der Literatur werden daher immer häufiger die Industrialisierung der Softwareerstellung und neuartige Formen der Spezialisierung, Arbeitsteilung und Zusammenarbeit (engl. Collaboration) vorgestellt. Dabei kann im Wesentlichen unterschieden werden, ob die Zusammenarbeit einzelner Akteure und Arbeitsgruppen auf Projektebene oder die strategische Zusammenarbeit von Unternehmen innerhalb der Softwareindustrie behandelt wird. Über diese beiden grundlegenden Betrachtungsebenen hinweg lassen sich existierende Ansätze zur arbeitsteiligen Softwareerstellung entlang mehrerer Dimensionen, wie räumliche, zeitliche und organisatorische Verteilung der Aktivitäten im Prozess sowie Intensität und Richtung der Zusammenarbeitsbeziehungen klassifizieren. Ziel dieses Artikels ist es, einen umfassenden und systematischen Überblick über bestehende Ansätze zur kollaborativen Softwareerstellung zu geben, indem diese in einen generischen Klassifikationsrahmen eingeordnet werden. Des Weiteren soll eine etymologische und pragmatische Herleitung des Kollaborationsbegriffs die Etablierung eines eigenständigen Forschungsparadigmas im Rahmen der Wirtschaftsinformatik ermöglichen

Compound Documents as User Interface of Software for Structural Engineering

Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung von Konzepten zur effizienten Implementierung von ingenieurgemäßer Tragwerksplanungs-Software. Der vorgeschlagene Lösungsansatz basiert auf einer optimalen Anpassung der Nutzeroberfläche an den spezifischen Arbeitsablauf, der Erhöhung des Wiederverwendungsgrades sowie der Möglichkeit der unabhängigen Erweiterbarkeit von Software-Systemen. Verbunddokumente werden als Nutzeroberfläche und Software-Architektur benutzt, um eine Zusammenführung von Standard-Software und fachspezifischen Software-Komponenten zu ingenieurgemäßer Tragwerksplanungs-Software zu ermöglichen. Die Umsetzbarkeit des Konzeptes wird durch eine Pilotimplementierung verifiziert.Objective of this work is the development of concepts for an efficient implementation of ergonomic software for structural engineering. The proposed solution is based on optimal adaption of the user interface to the specific workflow, increased software reuse and independently extensible software systems. Compound documents are utilized as user interface and software architecture, allowing the assembly of off-the-shelf software and domain specific software components to user friendly software for structural engineering. The applicability of the concepts is verified by the realization of a prototype

Compound Documents as User Interface of Software for Structural Engineering

Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung von Konzepten zur effizienten Implementierung von ingenieurgemäßer Tragwerksplanungs-Software. Der vorgeschlagene Lösungsansatz basiert auf einer optimalen Anpassung der Nutzeroberfläche an den spezifischen Arbeitsablauf, der Erhöhung des Wiederverwendungsgrades sowie der Möglichkeit der unabhängigen Erweiterbarkeit von Software-Systemen. Verbunddokumente werden als Nutzeroberfläche und Software-Architektur benutzt, um eine Zusammenführung von Standard-Software und fachspezifischen Software-Komponenten zu ingenieurgemäßer Tragwerksplanungs-Software zu ermöglichen. Die Umsetzbarkeit des Konzeptes wird durch eine Pilotimplementierung verifiziert.Objective of this work is the development of concepts for an efficient implementation of ergonomic software for structural engineering. The proposed solution is based on optimal adaption of the user interface to the specific workflow, increased software reuse and independently extensible software systems. Compound documents are utilized as user interface and software architecture, allowing the assembly of off-the-shelf software and domain specific software components to user friendly software for structural engineering. The applicability of the concepts is verified by the realization of a prototype

Untersuchungen zur Erweiterung des Substratspektrums von <em>Gluconobacter oxydans</em>

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit einem bislang weitgehend unbearbeiteten Bereich der Stammoptimierung des biotechnologisch und industriell wichtigen Essigsäurebakteriums Gluconobacter oxydans. Dieser Organismus ist aufgrund einer fehlenden enzymatischen Ausstattung sowie nicht vorhandener geeigneter Importsysteme nicht in der Lage, Di-, Oligo- und Polysaccharide als Kohlenstoffquelle nutzen zu können. Gerade aus industrieller Sicht und im Hinblick auf bioökonomische Prozessoptimierungen ist eine Erweiterung des Substratspektrums von G. oxydans um diese, im Vergleich zu Monosacchariden oftmals günstigeren und nachhaltigeren Substrate, äußerst wünschenswert. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde in dieser Arbeit eine neuartige Strategie entwickelt, die auf der heterologen Produktion geeigneter Hydrolasen mit anschließender Translokation in das Periplasma basierte. Der erste Schritt bei der Entwicklung eines geeigneten Expressionssystems war dabei die Identifikation von Sec-abhängigen Signalsequenzen, durch die eine effiziente Translokation der heterolog produzierten Hydrolasen vermittelt werden sollte. Mittels des Reporterenzyms PhoA konnte die Translokationseffizienz der verschiedenen Signalpeptide in G. oxydans quantifiziert und das effizientestes Signalpeptid identifiziert werden. Gleichzeitig lies die erstellte Signalsequenzbibliothek Optimierungsmöglichkeiten zu, durch die das Expressionssystem an die jeweils zu produzierende Hydrolase angepasst werden konnte. Im nächsten Schritt wurde die Eignung des generierten Expressionssystems für die Erweiterung des Substratspektrums von G. oxydans untersucht. Durch die heterologe Produktion der E. coli-stämmigen Trehalase TreA mit PelB-Signalsequenz vermittelten Translokation in das Periplasma war es möglich, die Hydrolyse von Trehalose durch G. oxydans in vivo zu erreichen. Darüber hinaus zeigte sich, dass über die Regulation der Expressionsstärke von treA mit großer Wahrscheinlichkeit ein Mechanismus gegeben ist, durch den sich das Produktspektrum bei der Nutzung von Trehalose als Substrat stark beeinflussen lässt. Im Hinblick auf die Erweiterung des Substratspektrums um Polysaccharide wurde in dieser Arbeit eine Strategie entwickelt, um die äußere Membran als Hindernis bei der Produktion von Exoenzymen zu überwinden und so den extrazellulären Abbau dieser Polymere zu gewährleisten. Diese Strategie basierte auf der Deletion von TolB, was eine Destabilisierung der äußeren Membran zur Folge hatte und in einem sekretorischen Stamm von G. oxydans resultierte. Bei diesem Stamm G. oxydans ΔtolB, welcher zusätzlich phoA exprimierte, konnten 49,6 ± 3 % der Gesamt-Aktivität des heterolog produzierten Reporterenzyms im Überstand detektiert werden. Im Fall des phoA exprimierenden Wildtyps hingegen wurden nur 2,6 % der PhoA-Aktivität extrazellulär nachgewiesen. Diese enorme Steigerung der sekretorischen Eigenschaften verdeutlichte das Potential des Stamms G. oxydans ΔtolB in Kombination mit dem generierten Expressionssystem für die Produktion und Translokation rekombinanter Enzyme im Hinblick auf die Nutzung von Disacchariden und Polysacchariden. So konnte im Weiteren für den Stamm G. oxydans ΔtolB sacC eine Nutzung das nachhaltigen und günstigen Substrats Saccharose gezeigt werden. Zusätzlich besaß der Stamm die Fähigkeit, das Trisaccharid Raffinose als Substrat nutzen zu können, wobei eine Akkumulation der Feinchemikalie Melibiose im Kulturüberstand erfolgte. Im Hinblick auf die Erweiterung des Substratspektrums von G. oxydans um Polysaccharide wurde sowohl mit Xylan als auch mit Cellulose als potentiellen nachhaltigen Substraten gearbeitet. Im Fall von Xylan konnte durch die Generierung des Stamms G. oxydans ΔtolB xynA eine Mutante entwickelt werden, welche zur Produktion der B. subtilis-stämmigen Endoxylanase XynA befähigt war. Dieses Enzym wurde mit großer Effizienz in der Überstand sekretiert und vermittelte dort die Hydrolyse von Xylan zu hauptsächlich Xylobiose. Diese präbiotisch aktive Verbindung konnte von G. oxydans nicht als Substrat genutzt werden und akkumulierte sich daher im Kulturüberstand. Somit war der Stamm G. oxydans ΔtolB xynA optimal für die effiziente Produktion von Xylooligosacchariden (XOs) geeignet. Im Hinblick auf die vollständige Hydrolyse von Cellulose für die Produktion Glukose-basierter Feinchemikalien wie Glukonat und Ketoglukonat, konnte durch die Mutante G. oxydans ΔtolB boGH3A ein Stamm generiert werden, der zur Hydrolyse von Cellooligosacchariden befähigt war. In einem weiteren Projekt dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung der putativen β-Galaktosidasen Amuc_0771, Amuc_0824, Amuc_1666 und Amuc_1686 aus dem Darmbakterium Akkermansia muciniphila durchgeführt. Besonders Amuc_1686 stellte hierbei einen außergewöhnlichen Vertreter dieser Enzymklasse dar. Dieses Enzym wies starke Homologien mit eukaryotischen Proteinen auf, was auf einen erfolgten horizontalen Gentransfer hindeuten könnte. Darüber hinaus besitzt Amuc_1686 eine einzigartige C-terminale Discoidin-Domäne. Diese Domäne vermittelt eine nicht-kompetitive Hemmung des Enzyms durch verschiedenen Phospholipide und könnte einen direkten Hinweis auf einen Regulationsmechanismus innerhalb der mutualistischen Beziehung zwischen A. muciniphila und dem Wirtsorganismus liefern

Alternative Routen in komplexen Umgebungen

Durch die immense Verbreitung kostengünstiger GPS-Empfänger, eingebaut in mobile Endgeräte, wurde in den letzten Jahren eine beeindruckend starke Nutzung von ortsbezogenen Anwendungen und Diensten erreicht. Ein beliebter Anwendungsfall ist die Navigation im Straßenverkehr zusammen mit der Präsentation von alternativen Routen, die dem Anwender eine Auswahl nach eigenen Präferenzen oder Erfahrungen ermöglicht. Die Wegefindung in komplexen Umgebungen unterscheidet sich von der in Straßennetzen hauptsächlich durch die Tatsache, dass sich ein Anwender nahezu in alle Richtungen bewegen kann. Beispiele hierfür sind Fußgänger in Flughäfen, Krankenhäusern, Messehallen oder Parks, mobile Roboter in Industrieanlagen oder Lagerhallen, sowie Nicht-Spieler-Charaktere in Computerspielen. Auch in diesen Szenarien ist das Vorhalten von alternativen Routen sinnvoll, um beispielsweise eine personalisierte Navigation zu ermöglichen, proaktiv Stau zu vermeiden oder taktische Bewegungen durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit werden Ansätze und Verfahren vorgestellt, die das Thema der alternativen Routen in komplexen Umgebungen auf unterschiedlichen thematischen Ebenen behandelt. Darunter fallen die Berechnung alternativer Routen in Freiflächen, der Vergleich geospatialer Trajektorien, sowie die Identifizierung von Strukturen in Gebäuden. Im ersten Teil der Arbeit werden alternative Routen in komplexen Umgebungen mittels des topologischen Konzepts der Homotopie definiert, sodass zwei Routen als Alternativen zueinander angesehen werden, wenn sie Hindernisse unterschiedlich umlaufen. Hierzu wird eine effiziente Annäherung des Tests auf Homotopie vorgestellt und es werden zwei Algorithmen zum Berechnen solcher Routen implementiert. Anschließend findet eine strukturierte Darstellung bestehender Qualitätsmetriken für alternative Routen und Alternativgraphen in Straßennetzen statt, woraufhin die Übertragbarkeit dieser Ansätze auf komplexe Umgebungen diskutiert wird. Im zweiten Teil der Arbeit werden Ansätze zum direkten Vergleich von Routen vorgestellt. Einerseits wird ein Scoring von Routen basierend auf der Annahme vorgeschlagen, dass Routen, die oft auf einem kürzesten Pfad liegen, auch oft durchlaufen werden. Andererseits wird ein System vorgestellt, das die Berechnung archetypischer Routen ermöglicht, indem es aus einer Menge von Routen die extremsten Exemplare extrahiert. Korrespondierend dazu wird die archetypische Distanz definiert, mit der Routen nicht nur geometrisch, sondern in einem mehrdimensionalen Merkmalsraum verglichen werden können. Schließlich wird im dritten Teil der Arbeit die quantitative Analyse der visuellen Wahrnehmung von Raum in den Kontext alternativer Routen integriert. Basierend auf der Idee sogenannter Isovisten wird die lokale Umgebung eines Anwenders angenähert, um somit alternative Routen zu berechnen, diese zu annotieren, und schließlich Strukturen in Gebäuden zu ermitteln. Zusammengefasst können die Beiträge der vorliegenden Arbeit in ihrer Gesamtheit als ein Werkzeugkasten verstanden werden, der von weiteren ortsbezogenen Anwendungen und Diensten verwendet werden kann.Due to the immense dissemination of low-cost GPS receivers built into mobile devices, an impressive use of location-based services has been achieved in recent years. A popular application is navigation in road networks in conjunction with the presentation of alternative routes that allows users a choice according to their own preferences or experiences. Route finding in complex environments differs from that in road networks mainly due to the fact that a user can move almost in all directions. Examples include pedestrians in airports, hospitals, exhibition halls, or parks, mobile robots in industrial facilities or warehouses, as well as non-player characters in computer games. In these scenarios the provision of alternative routes is useful, too, for example, to enable personalized navigation, to avoid jams proactively, or to carry out tactical movements. This thesis presents approaches which deal with the topic of alternative routes in complex environments at different thematic levels. This includes the calculation of alternative routes in open space, the comparison of geospatial trajectories, and the identification of structures in buildings. First, alternative routes in complex environments are defined using the topological concept of homotopy, so that two routes can be considered alternative if they pass obstacles differently. For this purpose an efficient approximation of the homotopy test is presented together with the implementation of two algorithms for the calculation of such routes. Subsequently a structured presentation of existing quality metrics for alternative routes and alternative graphs in road networks takes place, whereupon the transferability of these approaches into complex environments is discussed. Second, approaches for the direct comparison of routes are presented. On the one hand, a scoring of routes is suggested based on the assumption that routes, which often lie on a shortest paths, are also often traversed. On the other hand, a system is presented that allows the calculation of archetypal routes by extracting the most extreme instances from a set of routes. Corresponding to this, the archetypal distance is defined, with which routes can be compared not only geometrically but in a multi-dimensional feature space. Third, the quantitative analysis of the visual perception of space is incorporated into the context of alternative routes. Based on the idea of so-called Isovists, a user's local environment is approximated in order to calculate alternative routes, to annotate them, and to determine structures in buildings. In summary, the contributions of this thesis can be understood in their entirety as a toolbox which can be used by other location-based services