A Knowledge Graph Based Integration Approach for Industry 4.0

The fourth industrial revolution, Industry 4.0 (I40) aims at creating smart factories employing among others Cyber-Physical Systems (CPS), Internet of Things (IoT) and Artificial Intelligence (AI). Realizing smart factories according to the I40 vision requires intelligent human-to-machine and machine-to-machine communication. To achieve this communication, CPS along with their data need to be described and interoperability conflicts arising from various representations need to be resolved. For establishing interoperability, industry communities have created standards and standardization frameworks. Standards describe main properties of entities, systems, and processes, as well as interactions among them. Standardization frameworks classify, align, and integrate industrial standards according to their purposes and features. Despite being published by official international organizations, different standards may contain divergent definitions for similar entities. Further, when utilizing the same standard for the design of a CPS, different views can generate interoperability conflicts. Albeit expressive, standardization frameworks may represent divergent categorizations of the same standard to some extent, interoperability conflicts need to be resolved to support effective and efficient communication in smart factories. To achieve interoperability, data need to be semantically integrated and existing conflicts conciliated. This problem has been extensively studied in the literature. Obtained results can be applied to general integration problems. However, current approaches fail to consider specific interoperability conflicts that occur between entities in I40 scenarios. In this thesis, we tackle the problem of semantic data integration in I40 scenarios. A knowledge graphbased approach allowing for the integration of entities in I40 while considering their semantics is presented. To achieve this integration, there are challenges to be addressed on different conceptual levels. Firstly, defining mappings between standards and standardization frameworks; secondly, representing knowledge of entities in I40 scenarios described by standards; thirdly, integrating perspectives of CPS design while solving semantic heterogeneity issues; and finally, determining real industry applications for the presented approach. We first devise a knowledge-driven approach allowing for the integration of standards and standardization frameworks into an Industry 4.0 knowledge graph (I40KG). The standards ontology is used for representing the main properties of standards and standardization frameworks, as well as relationships among them. The I40KG permits to integrate standards and standardization frameworks while solving specific semantic heterogeneity conflicts in the domain. Further, we semantically describe standards in knowledge graphs. To this end, standards of core importance for I40 scenarios are considered, i.e., the Reference Architectural Model for I40 (RAMI4.0), AutomationML, and the Supply Chain Operation Reference Model (SCOR). In addition, different perspectives of entities describing CPS are integrated into the knowledge graphs. To evaluate the proposed methods, we rely on empirical evaluations as well as on the development of concrete use cases. The attained results provide evidence that a knowledge graph approach enables the effective data integration of entities in I40 scenarios while solving semantic interoperability conflicts, thus empowering the communication in smart factories

Machine Tool Communication (MTComm) Method and Its Applications in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud

The integration of cyber-physical systems and cloud manufacturing has the potential to revolutionize existing manufacturing systems by enabling better accessibility, agility, and efficiency. To achieve this, it is necessary to establish a communication method of manufacturing services over the Internet to access and manage physical machines from cloud applications. Most of the existing industrial automation protocols utilize Ethernet based Local Area Network (LAN) and are not designed specifically for Internet enabled data transmission. Recently MTConnect has been gaining popularity as a standard for monitoring status of machine tools through RESTful web services and an XML based messaging structure, but it is only designed for data collection and interpretation and lacks remote operation capability. This dissertation presents the design, development, optimization, and applications of a service-oriented Internet-scale communication method named Machine Tool Communication (MTComm) for exchanging manufacturing services in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud (CPMC) to enable manufacturing with heterogeneous physically connected machine tools from geographically distributed locations over the Internet. MTComm uses an agent-adapter based architecture and a semantic ontology to provide both remote monitoring and operation capabilities through RESTful services and XML messages. MTComm was successfully used to develop and implement multi-purpose applications in in a CPMC including remote and collaborative manufacturing, active testing-based and edge-based fault diagnosis and maintenance of machine tools, cross-domain interoperability between Internet-of-things (IoT) devices and supply chain robots etc. To improve MTComm’s overall performance, efficiency, and acceptability in cyber manufacturing, the concept of MTComm’s edge-based middleware was introduced and three optimization strategies for data catching, transmission, and operation execution were developed and adopted at the edge. Finally, a hardware prototype of the middleware was implemented on a System-On-Chip based FPGA device to reduce computational and transmission latency. At every stage of its development, MTComm’s performance and feasibility were evaluated with experiments in a CPMC testbed with three different types of manufacturing machine tools. Experimental results demonstrated MTComm’s excellent feasibility for scalable cyber-physical manufacturing and superior performance over other existing approaches

Machine Tool Communication (MTComm) Method and Its Applications in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud

The integration of cyber-physical systems and cloud manufacturing has the potential to revolutionize existing manufacturing systems by enabling better accessibility, agility, and efficiency. To achieve this, it is necessary to establish a communication method of manufacturing services over the Internet to access and manage physical machines from cloud applications. Most of the existing industrial automation protocols utilize Ethernet based Local Area Network (LAN) and are not designed specifically for Internet enabled data transmission. Recently MTConnect has been gaining popularity as a standard for monitoring status of machine tools through RESTful web services and an XML based messaging structure, but it is only designed for data collection and interpretation and lacks remote operation capability. This dissertation presents the design, development, optimization, and applications of a service-oriented Internet-scale communication method named Machine Tool Communication (MTComm) for exchanging manufacturing services in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud (CPMC) to enable manufacturing with heterogeneous physically connected machine tools from geographically distributed locations over the Internet. MTComm uses an agent-adapter based architecture and a semantic ontology to provide both remote monitoring and operation capabilities through RESTful services and XML messages. MTComm was successfully used to develop and implement multi-purpose applications in in a CPMC including remote and collaborative manufacturing, active testing-based and edge-based fault diagnosis and maintenance of machine tools, cross-domain interoperability between Internet-of-things (IoT) devices and supply chain robots etc. To improve MTComm’s overall performance, efficiency, and acceptability in cyber manufacturing, the concept of MTComm’s edge-based middleware was introduced and three optimization strategies for data catching, transmission, and operation execution were developed and adopted at the edge. Finally, a hardware prototype of the middleware was implemented on a System-On-Chip based FPGA device to reduce computational and transmission latency. At every stage of its development, MTComm’s performance and feasibility were evaluated with experiments in a CPMC testbed with three different types of manufacturing machine tools. Experimental results demonstrated MTComm’s excellent feasibility for scalable cyber-physical manufacturing and superior performance over other existing approaches

Digital twins: a survey on enabling technologies, challenges, trends and future prospects

Digital Twin (DT) is an emerging technology surrounded by many promises, and potentials to reshape the future of industries and society overall. A DT is a system-of-systems which goes far beyond the traditional computer-based simulations and analysis. It is a replication of all the elements, processes, dynamics, and firmware of a physical system into a digital counterpart. The two systems (physical and digital) exist side by side, sharing all the inputs and operations using real-time data communications and information transfer. With the incorporation of Internet of Things (IoT), Artificial Intelligence (AI), 3D models, next generation mobile communications (5G/6G), Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), distributed computing, Transfer Learning (TL), and electronic sensors, the digital/virtual counterpart of the real-world system is able to provide seamless monitoring, analysis, evaluation and predictions. The DT offers a platform for the testing and analysing of complex systems, which would be impossible in traditional simulations and modular evaluations. However, the development of this technology faces many challenges including the complexities in effective communication and data accumulation, data unavailability to train Machine Learning (ML) models, lack of processing power to support high fidelity twins, the high need for interdisciplinary collaboration, and the absence of standardized development methodologies and validation measures. Being in the early stages of development, DTs lack sufficient documentation. In this context, this survey paper aims to cover the important aspects in realization of the technology. The key enabling technologies, challenges and prospects of DTs are highlighted. The paper provides a deep insight into the technology, lists design goals and objectives, highlights design challenges and limitations across industries, discusses research and commercial developments, provides its applications and use cases, offers case studies in industry, infrastructure and healthcare, lists main service providers and stakeholders, and covers developments to date, as well as viable research dimensions for future developments in DTs

D7.5 FIRST consolidated project results

The FIRST project commenced in January 2017 and concluded in December 2022, including a 24-month suspension period due to the COVID-19 pandemic. Throughout the project, we successfully delivered seven technical reports, conducted three workshops on Key Enabling Technologies for Digital Factories in conjunction with CAiSE (in 2019, 2020, and 2022), produced a number of PhD theses, and published over 56 papers (and numbers of summitted journal papers). The purpose of this deliverable is to provide an updated account of the findings from our previous deliverables and publications. It involves compiling the original deliverables with necessary revisions to accurately reflect the final scientific outcomes of the project

An Architecture-based Approach for Change Impact Analysis of Software-intensive Systems

A main property of software-intensive technical systems is sustainability. Sustainable systems need to change continuously. A change to a system element can result in further changes to other system elements. If these elements originate from different domains, the change can also propagate between several domains. This book presents an architecture-based approach to change propagation analysis of software-intensive technical systems that considers heterogeneous elements from different domain

An Architecture-based Approach for Change Impact Analysis of Software-intensive Systems

Die vorliegende Dissertation präsentiert eine automatische domänenübergreifende Wartbarkeitsanalyse basierend auf der Architektur der Systeme, in deren Entwicklung und Evolution verschiedene Domänen zusammenarbeiten müssen. Eine der integralen Eigenschaften software-intensiver technischer Systeme ist ihre Langlebigkeit. Langlebige Systeme unterliegen kontinuierlichen Anpassungen aufgrund externer Änderungen, wie Änderungen ihrer Umgebung, oder auch interner Änderungen, wie zum Beispiel Fehlerbeseitigungen. Die Eigenschaft des Systems, die angibt, welcher Aufwand erforderlich ist, um ein System gemäß eines gegebenen Änderungsszenarios zu ändern, wird als Wartbarkeit bezeichnet. Somit ist Wartbarkeit ein wichtiges Qualitätsattribut langlebiger Systeme. Eine initiale Änderung an einem Element im System kann weitere Änderungen an anderen Systemelementen zur Folge haben. Stammen die betroffenen Systemelemente aus mehreren Domänen, wie zum Beispiel aus den Domänen der Informationssysteme, Geschäftsprozesse oder automatisierten Produktionssysteme, können sich die Änderungen auch über mehrere Domänen hinweg mit Abhängigkeiten in alle Richtungen ausbreiten. Ein automatisiertes Produktionssystem kann zum Beispiel aus mechanischen und elektrischen Bauteilen, sowie Steuerungssoftware bestehen. Eine Änderung an mechanischen und/oder elektrischen Bauteilen, wie zum Beispiel Sensoren, kann zu Folgeänderungen in der entsprechenden Steuerungssoftware führen. Zudem gibt es viele unterschiedliche Möglichkeiten, wie eine Änderungsanfrage in einem System umgesetzt werden kann. Verschiedene Möglichkeiten zur Umsetzung einer Änderungsanfrage können zu verschiedenen Änderungsaufwänden, sowie unterschiedlichen Systemen bezüglich ihrer Qualitätsattribute führen. Das Abschätzen der Änderungsfolgen hat deshalb besondere Relevanz im Entscheidungsprozess. Jedoch können manuelle Änderungsabschätzungen mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden sein. Somit kann eine automatische und domänenübergreifende Änderungsausbreitungsanalyse vor der Umsetzung einer Änderungsanfrage die Vorhersage der Änderungsaufwände und den Entscheidungsfindungsprozess zu deren Umsetzung unterstützen. Eine Möglichkeit zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse ist ein modell-, sowie szenariobasierter Ansatz zur Wartbarkeitsabschätzung, der Systeme aus mehreren Domänen berücksichtigt. Jedoch konzentrieren sich bestehende modellbasierte und szenariobasierte Ansätze meist auf die Änderungsausbreitung in einer Domäne und vernachlässigen Änderungsaufwände der Elemente aus Domänen, die in einer gegenseitigen Abhängigkeitsbeziehung zur betrachteten Domäne stehen. Dies führt zu einer unzureichenden Abschätzung der Änderungsauswirkungen. Die vorliegende Dissertation stellt eine generische Methode für eine automatische und domänenübergreifende Änderungsausbreitungsanalyse vor. Durch die Instanziierung der generischen Methode in verschiedenen Domänen kann ein vollständiger Ansatz zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in der jeweiligen Domäne erstellt werden. Somit hat die generische Methode zum Ziel, den Entwicklungsprozess einer modellbasierten Änderungsausbreitungsanalyse durch die Wiederverwendung von bestehenden Konzepten zu verbessern. Die generische Methode basiert auf dem Karlsruhe Architectural Maintainability Prediction (KAMP) Ansatz zur Änderungsausbreitungsanalyse in Informationssystemen. Weitere Beiträge dieser Dissertation können wie folgt zusammengefasst werden: i) Software-Systeme sind integrale Bestandteile der Geschäftsprozesse moderner Unternehmen. Daher beeinflussen sich Software-Systeme und Geschäftsprozesse gegenseitig während der Evolution. Angesichts komplexer gegenseitiger Beeinflussung bietet der Ansatz als eine Instanz der generischen Methode und eine Erweiterung des KAMP-Ansatzes eine automatische Änderungsausbreitungsanalyse in den sich gegenseitig beeinflussenden Domänen der Informationssysteme und der Geschäftsprozesse. ii) Basierend auf Metamodellen zur Darstellung von mechanischen und elektrischen Teilen, als auch der Steuerungssoftware im Standard IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen wurde ein weiterer Ansatz (ebenfalls als eine Instanziierung der generischen Methode) für die Domänen der automatisierten Produktionssysteme entwickelt. Mit dem Ansatz ist es möglich Änderungen über Systemelemente aus mehreren Sub-Domänen von automatisierten Produktionssystemen zu verfolgen, um eine umfassende Liste von Wartbarkeitsaufwänden zu erstellen. iii) Die Änderungsauslöser können sich entweder auf Architekturmodellebene oder auf Anforderungsebene befinden. Basierend auf Modellen zur Erfassung von Anforderungen und Entwurfsentscheidungen in der Domäne der Informationssysteme, Geschäftsprozesse, sowie automatisierten Produktionssysteme wurden die bestehenden Instanzen der generischen Methode zur Berücksichtigung von Anforderungsänderungen erweitert. Somit ergänzt dieser Beitrag die bisherigen Beiträge bezüglich der domänen-spezifischen Änderungsausbreitungsanalysen. iv) Die Änderungsausbreitung in den Instanzen der Methode wird durch Änderungsausbreitungsregeln betrachtet. Hierzu wurde eine domänenspezifische Sprache zum Beschreiben der häufig benutzten Änderungsausbreitungsregeln zur besseren Lesbarkeit der Regeln sowie zur Vermeidung von technischem Code vorgestellt. v) Weiter wurde ein mehrdimensionales Kategorisierungsschema für die Änderungsauslöser in Geschäftsprozessen basierend auf den Ergebnissen einer umfassenden Literaturrecherche vorgestellt. Die Beiträge dieser Dissertation zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse wurden anhand von Fallstudien in der jeweiligen Domäne evaluiert. Für jede Fallstudie wurde die Genauigkeit der Ergebnisse des jeweiligen Ansatzes im Vergleich zu manuell erstellten Ergebnissen angegeben. Zudem wurde die Aufwandsersparnis durch eine automatische Änderungsausbreitungsanalyse anhand des Vergleichs zweier Metriken gezeigt: i) Die erste Metrik repräsentiert die Rate der Anzahl der tatsächlich zu ändernden Modellelemente zur Anzahl der gesamten Modellelemente. ii) Die zweite Metrik repräsentiert die Rate der Anzahl der vom Ansatz vorgeschlagenen Modellelemente zur Anzahl der gesamten Modellelemente. Für die Validierung des Ansatzes zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in den Domänen der Informationssysteme und der Geschäftsprozesse wurde basierend auf den Ergebnissen der systematischen Literaturrecherche zur Ermittlung der Änderungsauslöser in Geschäftsprozessen repräsentative Änderungsauslöserklassen identifiziert. Diese repräsentativen Änderungsauslöserklassen wurden jeweils auf die Community-Fallstudien "Common Component Modeling Example (CoCoME)" und "modular Rice University Bidding System (mRUBiS)" angewendet. Für die externe Validität der Methode wurde die Domäne der automatisierten Produktionssysteme betrachtet. Hierzu wurde die Instanz der Methode zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in der Domäne der automatisierten Produktionssysteme auf die Community-Fallstudie "extended Pick and Place Unit (xPPU)" angewendet. Die betrachtete Anlage beinhaltet die elektrischen und mechanischen Bauteile sowie die Steuerungssoftware im Standard IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen