Knowledge Representation in Engineering 4.0

This dissertation was developed in the context of the BMBF and EU/ECSEL funded projects GENIAL! and Arrowhead Tools. In these projects the chair examines methods of specifications and cooperations in the automotive value chain from OEM-Tier1-Tier2. Goal of the projects is to improve communication and collaborative planning, especially in early development stages. Besides SysML, the use of agreed vocabularies and on- tologies for modeling requirements, overall context, variants, and many other items, is targeted. This thesis proposes a web database, where data from the collaborative requirements elicitation is combined with an ontology-based approach that uses reasoning capabilities. For this purpose, state-of-the-art ontologies have been investigated and integrated that entail domains like hardware/software, roadmapping, IoT, context, innovation and oth- ers. New ontologies have been designed like a HW / SW allocation ontology and a domain-specific "eFuse ontology" as well as some prototypes. The result is a modular ontology suite and the GENIAL! Basic Ontology that allows us to model automotive and microelectronic functions, components, properties and dependencies based on the ISO26262 standard among these elements. Furthermore, context knowledge that influences design decisions such as future trends in legislation, society, environment, etc. is included. These knowledge bases are integrated in a novel tool that allows for collabo- rative innovation planning and requirements communication along the automotive value chain. To start off the work of the project, an architecture and prototype tool was developed. Designing ontologies and knowing how to use them proved to be a non-trivial task, requiring a lot of context and background knowledge. Some of this background knowledge has been selected for presentation and was utilized either in designing models or for later immersion. Examples are basic foundations like design guidelines for ontologies, ontology categories and a continuum of expressiveness of languages and advanced content like multi-level theory, foundational ontologies and reasoning. Finally, at the end, we demonstrate the overall framework, and show the ontology with reasoning, database and APPEL/SysMD (AGILA ProPErty and Dependency Descrip- tion Language / System MarkDown) and constraints of the hardware / software knowledge base. There, by example, we explore and solve roadmap constraints that are coupled with a car model through a constraint solver.Diese Dissertation wurde im Kontext des von BMBF und EU / ECSEL gefördertem Projektes GENIAL! und Arrowhead Tools entwickelt. In diesen Projekten untersucht der Lehrstuhl Methoden zur Spezifikationen und Kooperation in der Automotive Wertschöp- fungskette, von OEM zu Tier1 und Tier2. Ziel der Arbeit ist es die Kommunikation und gemeinsame Planung, speziell in den frühen Entwicklungsphasen zu verbessern. Neben SysML ist die Benutzung von vereinbarten Vokabularen und Ontologien in der Modellierung von Requirements, des Gesamtkontextes, Varianten und vielen anderen Elementen angezielt. Ontologien sind dabei eine Möglichkeit, um das Vermeiden von Missverständnissen und Fehlplanungen zu unterstützen. Dieser Ansatz schlägt eine Web- datenbank vor, wobei Ontologien das Teilen von Wissen und das logische Schlussfolgern von implizitem Wissen und Regeln unterstützen. Diese Arbeit beschreibt Ontologien für die Domäne des Engineering 4.0, oder spezifischer, für die Domäne, die für das deutsche Projekt GENIAL! benötigt wurde. Dies betrifft Domänen, wie Hardware und Software, Roadmapping, Kontext, Innovation, IoT und andere. Neue Ontologien wurden entworfen, wie beispielsweise die Hardware-Software Allokations-Ontologie und eine domänen-spezifische "eFuse Ontologie". Das Ergebnis war eine modulare Ontologie-Bibliothek mit der GENIAL! Basic Ontology, die es erlaubt, automotive und mikroelektronische Komponenten, Funktionen, Eigenschaften und deren Abhängigkeiten basierend auf dem ISO26262 Standard zu entwerfen. Des weiteren ist Kontextwissen, welches Entwurfsentscheidungen beinflusst, inkludiert. Diese Wissensbasen sind in einem neuartigen Tool integriert, dass es ermöglicht, Roadmapwissen und Anforderungen durch die Automobil- Wertschöpfungskette hinweg auszutauschen. On tologien zu entwerfen und zu wissen, wie man diese benutzt, war dabei keine triviale Aufgabe und benötigte viel Hintergrund- und Kontextwissen. Ausgewählte Grundlagen hierfür sind Richtlinien, wie man Ontologien entwirft, Ontologiekategorien, sowie das Spektrum an Sprachen und Formen von Wissensrepresentationen. Des weiteren sind fort- geschrittene Methoden erläutert, z.B wie man mit Ontologien Schlußfolgerungen trifft. Am Schluss wird das Overall Framework demonstriert, und die Ontologie mit Reason- ing, Datenbank und APPEL/SysMD (AGILA ProPErty and Dependency Description Language / System MarkDown) und Constraints der Hardware / Software Wissensbasis gezeigt. Dabei werden exemplarisch Roadmap Constraints mit dem Automodell verbunden und durch den Constraint Solver gelöst und exploriert

Semantic Modelling of Control Logic in Automation Systems - Knowledge-Based Support of the Engineering and Operation of Control Logic in Building and Industrial Automation Systems

Automatisierungssysteme schaffen in vielen Bereichen die Grundlagen, auf denen heutige, moderne Industriegesellschaften basieren. Obwohl in der Vergangenheit wichtige Errungenschaften in der Forschung zur Automatisierungstechnik erreicht wurden, bestehen weiterhin Herausforderungen bezüglich des Engineerings und des Betriebs von Automatisierungssystemen, die die Nutzung und den Einsatz dieser Systeme erschweren. Als Gründe für diese Probleme sind die Komplexität dieser Systeme durch ihre schiere Grö{\ss}e und ihre Komplexität aufgrund der Kombination von cyber und physikalischen Komponenten zu nennen. Des Weiteren führt der zunehmende Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien zu einer weiteren Verflechtung dieser System über ihre bisherigen, hierarchischen Strukturen hinaus und damit zu einer weiteren Zunahme der Komplexität. Eine weitere Herausforderung ist, dass für ein reibungsloses Engineering und einen reibungslosen Betrieb dieser Systeme eine Vielzahl von Beteiligten aus unterschiedlichen Fachdisziplinen zusammenarbeiten müssen. Dies wird durch die Heterogenität der eingesetzten Softwarewerkzeuge und Datenformate erschwert, die einen automatisierten Austausch von Wissen behindern. Folglich besteht ein dringender Bedarf an Methoden, die die wissensintensiven Aufgaben in Zusammenhang mit dem Engineering und dem Betrieb von Automatisierungssystemen im Kontext heterogener Softwarewerkzeuge und Datenformate unterstützen und, als Antwort auf die Komplexitätszunahme, automatisieren. Eine Voraussetzung für die Entwicklung solcher Methoden ist die formale Repräsentation von Domänenwissen mit Hilfe eines Modells. Die Analyse des Stands der Technik in dieser Arbeit zeigt, dass kein Ansatz existiert der es erlaubt einen wesentlichen Bestandteil der Domäne Automatisierungssystem, die Domänen Regelung und Steuerung und Regelungslogik, explizit zu beschreiben und dieses Wissen mit angrenzenden Domänen zu vernetzen. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit besteht in der Vorstellung eines neuartigen, semantischen Modells, dass es erlaubt, sowohl Wissen der Domänen Regelung und Steuerung, als auch der Domäne Regelungslogik explizit und formal zu beschreiben. Zusätzlich ist es nun erstmals möglich dieses Wissen mit angrenzendem Domänenwissen, wie zum Beispiel aus dem Maschinenbau oder der Elektrotechnik, zu vernetzen. Das Modell wird unabhängig von der Implementierung in der Unified Modeling Language spezifiziert und mit Hilfe von Semantic Web Technologien implementiert. Das Modell ist in zwei Schichten aufgebaut. Auf der oberen Ebene wird allgemeines Wissen der Domäne Regelung und Steuerung modelliert, dass, wie in der Arbeit demonstriert, leicht mit angrenzenden Domänen verbunden werden kann. Auf der unteren Ebene wird das allgemeine Wissen der Domäne Regelung und Steuerung, um die Domäne der Regelungslogik erweitert und für die jeweilige Regelungslogik explizit spezifiziert. Zur Validierung des Modells wird in zwei separaten Fallstudien evaluiert, ob es das notwendige Wissen für zwei neuartige wissensbasierte Methoden repräsentieren kann. In der ersten Fallstudie wird eine wissensbasierte Methode zur Verbesserung des Betriebs von Automatisierungssystemen in Gebäuden prototypisch umgesetzt und getestet. Dabei ermöglicht das entwickelte Modell Faktenwissen, das aus dem Engineering der Regelungslogik gewonnen wurde, formal zu beschreiben. Dieses Wissen wird dann genutzt, um automatisiert Regeln zu instanziieren, die es ermöglichen automatisiert zu überprüfen, ob die tatsächlich implementierte Regelungslogik sich im Betrieb genauso verhält wie ursprünglich entworfen. In der zweiten Fallstudie wird eine wissensbasierte Methode zur Unterstützung des Engineerings von industriellen Automatisierungssystemen vorgestellt. Hier wird gezeigt, dass, basierend auf dem neuen Modell, die gleichzeitige formale Verifikation von verschiedenen Regelungsverfahren und die gleichzeitige formale Verifikation von Regelungsverfahren und Wissen über die automatisierte Anlage möglich ist. Zusätzlich, wird gezeigt, dass die Methode inkrementelle Aktualisierungen des Faktenwissens ermöglicht und ein bidirektionaler Austausch von Fallwissen zwischen dem ursprünglichen Format und der Wissensbasis möglich ist. Durch die Schaffung des neuen Modells ist nun die Möglichkeit gegeben formal und explizit Wissen der Domänen Regelung und Steuerung, sowie Regelungslogik zu beschreiben. Basierend auf diesem Modell werden zwei neuartige, wissensbasierte Methoden vorgestellt, die es ermöglichen das Engineering und den Betrieb von Automatisierungssystemen zu vereinfachen und zu verbessern

Model-Based Engineering of Collaborative Embedded Systems

This Open Access book presents the results of the "Collaborative Embedded Systems" (CrESt) project, aimed at adapting and complementing the methodology underlying modeling techniques developed to cope with the challenges of the dynamic structures of collaborative embedded systems (CESs) based on the SPES development methodology. In order to manage the high complexity of the individual systems and the dynamically formed interaction structures at runtime, advanced and powerful development methods are required that extend the current state of the art in the development of embedded systems and cyber-physical systems. The methodological contributions of the project support the effective and efficient development of CESs in dynamic and uncertain contexts, with special emphasis on the reliability and variability of individual systems and the creation of networks of such systems at runtime. The project was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), and the case studies are therefore selected from areas that are highly relevant for Germany’s economy (automotive, industrial production, power generation, and robotics). It also supports the digitalization of complex and transformable industrial plants in the context of the German government's "Industry 4.0" initiative, and the project results provide a solid foundation for implementing the German government's high-tech strategy "Innovations for Germany" in the coming years

A multi-agent approach to adaptive learning using a structured ontology classification system

Diagnostic assessment is an important part of human learning. Tutors in face-to-face classroom environment evaluate students’ prior knowledge before the start of a relatively new learning. In that perspective, this thesis investigates the development of an-agent based Pre-assessment System in the identification of knowledge gaps in students’ learning between a student’s desired concept and some prerequisites concepts. The aim is to test a student's prior skill before the start of the student’s higher and desired concept of learning. This thesis thus presents the use of Prometheus agent based software engineering methodology for the Pre-assessment System requirement specification and design. Knowledge representation using a description logic TBox and ABox for defining a domain of learning. As well as the formal modelling of classification rules using rule-based approach as a reasoning process for accurate categorisation of students’ skills and appropriate recommendation of learning materials. On implementation, an agent oriented programming language whose facts and rule structure are prolog-like was employed in the development of agents’ actions and behaviour. Evaluation results showed that students have skill gaps in their learning while they desire to study a higher-level concept at a given time

Deployment and Operation of Complex Software in Heterogeneous Execution Environments

This open access book provides an overview of the work developed within the SODALITE project, which aims at facilitating the deployment and operation of distributed software on top of heterogeneous infrastructures, including cloud, HPC and edge resources. The experts participating in the project describe how SODALITE works and how it can be exploited by end users. While multiple languages and tools are available in the literature to support DevOps teams in the automation of deployment and operation steps, still these activities require specific know-how and skills that cannot be found in average teams. The SODALITE framework tackles this problem by offering modelling and smart editing features to allow those we call Application Ops Experts to work without knowing low level details about the adopted, potentially heterogeneous, infrastructures. The framework offers also mechanisms to verify the quality of the defined models, generate the corresponding executable infrastructural code, automatically wrap application components within proper execution containers, orchestrate all activities concerned with deployment and operation of all system components, and support on-the-fly self-adaptation and refactoring

SiAM-dp : an open development platform for massively multimodal dialogue systems in cyber-physical environments

Cyber-physical environments enhance natural environments of daily life such as homes, factories, offices, and cars by connecting the cybernetic world of computers and communication with the real physical world. While under the keyword of Industrie 4.0, cyber-physical environments will take a relevant role in the next industrial revolution, and they will also appear in homes, offices, workshops, and numerous other areas. In this new world, classical interaction concepts where users exclusively interact with a single stationary device, PC or smartphone become less dominant and make room for new occurrences of interaction between humans and the environment itself. Furthermore, new technologies and a rising spectrum of applicable modalities broaden the possibilities for interaction designers to include more natural and intuitive non-verbal and verbal communication. The dynamic characteristic of a cyber-physical environment and the mobility of users confronts developers with the challenge of developing systems that are flexible concerning the connected and used devices and modalities. This implies new opportunities for cross-modal interaction that go beyond dual modalities interaction as is well known nowadays. This thesis addresses the support of application developers with a platform for the declarative and model based development of multimodal dialogue applications, with a focus on distributed input and output devices in cyber-physical environments. The main contributions can be divided into three parts: - Design of models and strategies for the specification of dialogue applications in a declarative development approach. This includes models for the definition of project resources, dialogue behaviour, speech recognition grammars, and graphical user interfaces and mapping rules, which convert the device specific representation of input and output description to a common representation language. - The implementation of a runtime platform that provides a flexible and extendable architecture for the easy integration of new devices and components. The platform realises concepts and strategies of multimodal human-computer interaction and is the basis for full-fledged multimodal dialogue applications for arbitrary device setups, domains, and scenarios. - A software development toolkit that is integrated in the Eclipse rich client platform and provides wizards and editors for creating and editing new multimodal dialogue applications.Cyber-physische Umgebungen (CPEs) erweitern natürliche Alltagsumgebungen wie Heim, Fabrik, Büro und Auto durch Verbindung der kybernetischen Welt der Computer und Kommunikation mit der realen, physischen Welt. Die möglichen Anwendungsgebiete hierbei sind weitreichend. Während unter dem Stichwort Industrie 4.0 cyber-physische Umgebungen eine bedeutende Rolle für die nächste industrielle Revolution spielen werden, erhalten sie ebenfalls Einzug in Heim, Büro, Werkstatt und zahlreiche weitere Bereiche. In solch einer neuen Welt geraten klassische Interaktionskonzepte, in denen Benutzer ausschließlich mit einem einzigen Gerät, PC oder Smartphone interagieren, immer weiter in den Hintergrund und machen Platz für eine neue Ausprägung der Interaktion zwischen dem Menschen und der Umgebung selbst. Darüber hinaus sorgen neue Technologien und ein wachsendes Spektrum an einsetzbaren Modalitäten dafür, dass sich im Interaktionsdesign neue Möglichkeiten für eine natürlichere und intuitivere verbale und nonverbale Kommunikation auftun. Die dynamische Natur von cyber-physischen Umgebungen und die Mobilität der Benutzer darin stellt Anwendungsentwickler vor die Herausforderung, Systeme zu entwickeln, die flexibel bezüglich der verbundenen und verwendeten Geräte und Modalitäten sind. Dies impliziert auch neue Möglichkeiten in der modalitätsübergreifenden Kommunikation, die über duale Interaktionskonzepte, wie sie heutzutage bereits üblich sind, hinausgehen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Unterstützung von Anwendungsentwicklern mit Hilfe einer Plattform zur deklarativen und modellbasierten Entwicklung von multimodalen Dialogapplikationen mit einem Fokus auf verteilte Ein- und Ausgabegeräte in cyber-physischen Umgebungen. Die bearbeiteten Aufgaben können grundlegend in drei Teile gegliedert werden: - Die Konzeption von Modellen und Strategien für die Spezifikation von Dialoganwendungen in einem deklarativen Entwicklungsansatz. Dies beinhaltet Modelle für das Definieren von Projektressourcen, Dialogverhalten, Spracherkennergrammatiken, graphischen Benutzerschnittstellen und Abbildungsregeln, die die gerätespezifische Darstellung von Ein- und Ausgabegeräten in eine gemeinsame Repräsentationssprache transformieren. - Die Implementierung einer Laufzeitumgebung, die eine flexible und erweiterbare Architektur für die einfache Integration neuer Geräte und Komponenten bietet. Die Plattform realisiert Konzepte und Strategien der multimodalen Mensch-Maschine-Interaktion und ist die Basis vollwertiger multimodaler Dialoganwendungen für beliebige Domänen, Szenarien und Gerätekonfigurationen. - Eine Softwareentwicklungsumgebung, die in die Eclipse Rich Client Plattform integriert ist und Entwicklern Assistenten und Editoren an die Hand gibt, die das Erstellen und Editieren von neuen multimodalen Dialoganwendungen unterstützen

Design Approach to Unified Service API Modeling for Semantic Interoperability of Cross-enterprise Vehicle Applications

This work was partially supported by Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic, university specific research, project SGS-2019-018 Processing of heterogeneous data and its specialized applications

Practical, appropriate, empirically-validated guidelines for designing educational games

There has recently been a great deal of interest in the potential of computer games to function as innovative educational tools. However, there is very little evidence of games fulfilling that potential. Indeed, the process of merging the disparate goals of education and games design appears problematic, and there are currently no practical guidelines for how to do so in a coherent manner. In this paper, we describe the successful, empirically validated teaching methods developed by behavioural psychologists and point out how they are uniquely suited to take advantage of the benefits that games offer to education. We conclude by proposing some practical steps for designing educational games, based on the techniques of Applied Behaviour Analysis. It is intended that this paper can both focus educational games designers on the features of games that are genuinely useful for education, and also introduce a successful form of teaching that this audience may not yet be familiar with