Agile multi-domain model integration management in cyber-physical production systems engineering

Abstract

Agile Produktionssystementwicklung (PSE) erfordert parallele und iterative Entwicklungsprozesse über mehrere Fachdisziplinen hinweg. Um dabei das Konfigurationsmanagement von PSE-Ressourcen sicherzustellen, sind spezielle Verfahren zur Nachverfolgung von Änderungen notwendig. Herkömmliche Modelltransformationsmethoden erhalten jedoch weder disziplinspezifische Sichten noch hierarchische Strukturen (z. B. Pläne und Konfigurationen), was das domänenübergreifende Nachverfolgen von Änderungen erschwert. In dieser Arbeit werden die zentralen Herausforderungen bei Multi-Domain-Datenintegration, Änderungsfolgenabschätzung und Risikomanagement im Umfeld cyber-physischer Produktionssysteme (CPPS) untersucht. Zugleich wird ein Informationssystemdesign vorgeschlagen, das Datenaustausch und Integrationsprozesse verbessert und gezielt Nachverfolgbarkeit sowie agiles Änderungsmanagement in den Vordergrund stellt.Aufbauend auf Design-Science-Prinzipien wurden (i) Anforderungen an Multi-Domain-Datenintegration und Änderungsmanagement aus Analysen in der Automobil- und Stahlindustrie abgeleitet; (ii) ein multidisziplinärer Ansatz für das Engineering-Wissensmanagement entwickelt und validiert, der mithilfe gemeinsamer Konzepte und einer Product-Process-Resource-Notation (PPR) in einem Multi-Domain Engineering Graph (MDEG) umgesetzt wurde; (iii) eine agile Änderungsmanagement-Methode erarbeitet, in der Prinzipien der agilen Softwareentwicklung (z. B. Merge Requests) genutzt werden; und (iv) ein Forschungsprototyp implementiert und evaluiert, um die Umsetzbarkeit der vorgeschlagenen Lösungen zu demonstrieren.In Machbarkeitsstudien mit industriellen Anwendungsfällen wurde die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes hinsichtlich Nachverfolgbarkeit, Datenintegration und Änderungsmanagement untersucht. Die Resultate zeigen, dass die vorgestellten Methoden und Werkzeuge eine effiziente Abstimmung zwischen verschiedenen Disziplinen unterstützen und die Qualität sowie Nachvollziehbarkeit in CPPS-Entwicklungsprozessen insgesamt steigern.Der präsentierte Ansatz bietet eine strukturierte und automatisierte Lösung für Multi-Domain-Datenintegration und Änderungsmanagement in der agilen Produktionssystementwicklung. Durch den kombinierten Einsatz von modellgetriebenem Engineering, semantischen Konzepten und agilen Vorgehensweisen werden die identifizierten Herausforderungen adressiert, was zu einer gesteigerten Effizienz und Effektivität in CPPS-Entwicklungsprozessen führt.

Agile Production Systems Engineering (PSE) involves parallel and iterative engineering across multiple disciplines, which requires capabilities for tracing changes to support the configuration management of PSE assets. Traditional model transformation approaches do not preserve local views and hierarchies on concepts of PSE assets, such as plans and configurations, making the tracing of multi-view changes challenging. This work aims to address the challenges of multi-domain data integration, change impact analysis, and risk management in Cyber-Physical Production System (CPPS) engineering. We propose an information system design that enhances capabilities for data exchange and integration processes, emphasizing traceability and agile change management. Following Design Science, we (i) investigate requirements for multi-domain data integration and change management from domain analyses in automotive and steel mill manufacturing; (ii) design and validate a multi-domain engineering knowledge modeling approach using common concepts and Product-Process-Resource (PPR) notation in a Multi-Domain Engineering Graph (MDEG); (iii) develop an agile change management method incorporating concepts from agile software engineering, such as merge requests; and (iv) implement and evaluate a research prototype to demonstrate the feasibility of the proposed solutions. In feasibility studies on industrial use cases, we evaluate the proposed approach’s effectiveness in improving traceability, data integration, and change management. The results indicate that the introduced methods and tools facilitate efficient multi-domain coordination and enhance the quality and traceability of CPPS engineering processes. The proposed approach provides a structured and automated solution for multi-domain data integration and change management in agile PSE. By addressing the identified challenges through a combination of model-driven engineering, semantic concepts, and agile practices, this work shall contribute to improving the overall efficiency and effectiveness of CPPS engineering processes.