Modelling of Complex Requirements

Die moderne Produktentwicklung wird immer komplexer und komplizierter, da Produkte verstärkt interdisziplinären Charakter aufweisen, eine hohe Variantenvielfalt gefordert wird und die geforderten Markteinführungszeiten immer kürzer werden. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden Produkte heutzutage häufig in Kooperationsnetzwerken entwickelt und nach Baukastenprinzipen gestaltet. Durch den sich immer weiter verschärfenden Konkurrenzdruck kommt der systematischen Erfüllung der Kundenwünsche auf der einen und der zielgerichteten Erreichung der Unternehmensziele auf der anderen Seite eine entscheidende Bedeutung zu. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modellierungskonzept zu entwickeln, dessen Kern die Erfassung, Verarbeitung und Bereitstellung von Anforderungen bildet. Die Modellierung soll sich den modernen Herausforderungen der Produktentwicklung stellen und einen ganzheitlichen Ansatz ermöglichen. Zunächst werden die Herausforderungen an eine moderne Produktentwicklung systematisch identifiziert. Als Schwerpunkte werden Produktentwicklungsprozesse verschiedener Fachbereiche, die Schwierigkeiten verteilter Produktentwicklung und die besonderen Herausforderungen bei der Entwicklung von Baukastensystemen betrachtet. Dann werden verschiedene Möglichkeiten der Modellierung untersucht und grundlegende Aussagen zu relevanten Partialmodellen, Beschreibungssprachen und Auswertemechanismen getroffen. Schließlich wird auf Basis der Systems Modelling Language (SysML) ein umfassendes Modellierungskonzept erarbeitet, mit dessen Hilfe das Produkt auf Systemebene ganzheitlich betrachtet werden kann. Durch die entwickelten Rechnerhilfsmittel wird eine zielgerichtete Auswertung der Modelle ermöglicht. Dadurch kann das Anforderungsmodell deutlich verbessert und systematisch Zielkonflikte identifiziert werden. Schließlich wird ein Vorgehen vorgestellt, um mit dem Konzept zielgerichtet Baukastensysteme in der interdisziplinären, verteilten Produktentwicklung zu erarbeiten.Modern product development is getting more and more complex and complicated. This is due to a more and more interdisciplinary character of products, a high demanded variant diversity and short expected market introduction time. To cope with these challenges products are often developed in cooperation networks and designed following modular approaches. The tightening competition pressure induces the need for systematic fulfilment of customer wishes and purposive achievement of enterprise goals. This work aims towards a modelling concept, whose core is made of gathering, processing, and providing requirements. The resulting models shall face the modern challenges of product development and allow an holistic approach. Initially, challenges on modern product development are systematically identified. The analysis focuses on product development processes of different disciplines, difficulties of distributed development, and particularities of modular system development. Then different possibilities of modelling are analyzed and basic information of relevant partialmodells, modelling languages and evaluation mechanisms is worked out. Afterwards, a comprehensive modelling concept basing on the Systems Modelling Language (SysML) is developed that allows considering the product holistically. With the help of the developed computer aided tools a goal-oriented model evaluation is possible. The requirements model can be considerably improved and goal conflicts can be systematically identified. A process is proposed that uses the developed concept for a goal-oriented elaboration of modular systems within an interdisciplinary, distributed design process. The acceptance of the developed concept in practical use is examined by means of a sample problem within a lecture. Eventually, the practicality for a complex problem and product is proved in the scope of the collaborative research project „Robotic Systems for handling and Assembly” (SFB 562)

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