Laufzeit-Modellierung objektorientierter interaktiver Prozesse in der Produktion

Abstract

Moderne Organisationsformen und globale Marktfaktoren im produzierenden Gewerbe stellen neue Herausforderungen an die Flexibilität und Dynamik von Produktionssystemen. Eine statische Automatisierung und Prozessimplementierung kann mit dieser Entwicklung weder strategisch noch operativ Schritt halten. Diese Arbeit stellt daher ein integriertes Konzept für eine Prozessmodellierung vor, das aktuelle Konzepte des objektorientierten Paradigmas wie Ontologien und Vererbung nutzt. Ergänzt man diese um eine Laufzeitkomponente und eine Methodik zur verteilten, dezentralen Anwendung, wird es möglich, Prozesse dynamisch zu modellieren, auszuführen und zu adaptieren. Hierzu werden zunächst existierende Konzepte IT-basierter Produktionssysteme analysiert. Zudem fließen Erkenntnisse aus dem Workflowmanagement und der Prozessmodellierung sowie informationstechnische Methoden der Prozessausführung wie erweiterte Petrinetz-Konzepte mit ein. Die Objektorientierung bietet für Prozesse eine Reihe von Vorteilen, wie konsistente Variantenbildung und -pflege durch Vererbung und individuelle Produktions-/Ablaufverfolgung mit Hilfe von Prozessinstanzen. Um diese Vorteile objektorientierter Konzepte für Prozesse in der Produktion nutzen zu können, müssen jedoch Ablauf- und Objektorientierung zunächst integriert werden. Hierzu wird ein Komponenten-Relationen-Modell entworfen, das beide Aspekte vereint. Während dies für einzelne Komponenten weitgehend mit existierenden Methoden möglich ist, können komplexe, aggregierte Prozesse derzeit nicht von Vererbung, Instanziierung und Typsemantik profitieren. Daher werden die objektorientierten Prozesse gezielt für komplexe Komponenten erweitert, so dass Vererbung und Polymorphie nun auch für komplexe Prozesse eingesetzt werden können. Dabei wird die hierarchische Aggregation und Schnittstellenbildung als modellinhärentes Konzept eingeführt. Mit der Definition und Formalisierung des Meta-Metamodells von OMICRON entsteht so ein objektorientiertes Gesamtkonzept für objektorientierte komplexe Prozesse. Dieses bildet die Grundlage für eine Prozessentwicklung und -ausführung zur Laufzeit. Durch geeignete Kontrollflusskonzepte wie Aktivierung, Tokens und Ereignisbehandlung sowie Ansätze für generative Konzepte kann das Modellsystem um eine Laufzeitkomponente ergänzt werden, die das Modell interpretiert und ausführt. So wird es möglich, Prozesse und deren Varianten objekt- und ablauforientiert zu beschreiben und zur Systemlaufzeit zu adaptieren. Zudem können nun Prozessinstanzen erzeugt, animiert und weitergegeben werden. Um dies auch in verteilten, dezentralen Systemen zu erreichen, wird eine dezentrale, nachrichtenbasierte Infrastruktur geschaffen, die eine verteilte Ausführung des Modells in einem dynamisch veränderlichen Produktionssystem ermöglicht. So können flexible, heterogene Organisationsformen wie Betreibermodelle und virtuelle Unternehmen gemeinsame Prozesse ohne Neukonfiguration und Stillstandszeiten nutzen. Dies wird in den Szenarien erläutert. Zunächst wird hierzu eine beispielhafte Systemkonstellation gezeigt, die existierende Teilsysteme wie MES an die OMICRON-Prozessinfrastruktur anbindet. Eine Übertragung auf die Fertigung der BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH und ein Variantenszenario im OMICRON Modell zeigen die Einsatzmöglichkeiten und Systemgrenzen auf. Die Implementierung und Evaluation zeigen in der Folge die Realisierung ebenso wie Grenzen in der Umsetzbarkeit. So liefert diese grundlegende Arbeit eine von den Basiskonzepten bis zur Anwendungsebene durchkonzipierte Basis für die weitere Forschung und Systementwicklung dezentraler, flexibler Systeme in der modernen Produktion. Sie zeigt zudem weiteren Forschungsbedarf und neue Fragestellungen auf – beispielsweise im dezentralen Scheduling und über semantische Modelle hinausgehende System-Organisationsstrukturen – die durch die vorgestellten Konzepte erst entstehen.

Production research is currently experiencing the rise of a paradigm-shift from time and cost optimization towards flexibility of processes and customization. Modern organizational forms and global market factors in the manufacturing industry require higher flexibility and greater dynamics of production systems to be able to compete in today’s highly competitive and globalized market environment. For this reason, new concepts have emerged, including rapid reconfiguration, mass customization and holonic enterprise. This flexibility makes it possible to respond to customers’ needs while preserving the advantages of current mass production systems in performance, cost and quality. But to respond to increasing individualization of products and their adjacent processes, decentralized, flexible processes are needed for production environments that are characterised by a high amount of variants as well as a high degree of automation. The main goal is therefore to integrate static structural models and dynamic flow models into a joint model for object-oriented processes in production. While object-oriented and semantic concepts have been researched in-depth for programming languages and static models, object-orientation in workflows has not been extended to runtime model execution, meta-modelling and deep inheritance of processes. Hence, this thesis introduces an integrated concept for process modelling that builds on – and incorporates – concepts of the object-oriented paradigm like ontologies, inheritance, instantiation, aggregation, semantic relations and classification. These basic (meta-)modelling concepts are complemented by a runtime component and a method for distributed and decentralized application. This extended model achieves the goal of being able to model, execute, modify and adapt processes dynamically while the production is running. OMICRON, an object-oriented meta-model for interactive computer-based processes, introduces a generic, object-oriented component-relation meta-model which enables process models to be extended by new component types and new relation types that can be specialized using inheritance. It offers object-oriented concepts like inheritance, instantiation and aggregation. The thesis also solves the problem of cyclic relations, relation type definitions and their inheritance and instantiation. Complex components are created by aggregating atomic or even other complex components creating hierarchic structures. When a complex component, e.g. a variant process, is being specialized, the new specialized component inherits all steps and data parts of the above general/source component. Fundamental changes can be applied to all variants by modifying the basic process only. At runtime, object-oriented polymorphism enables the use of variants instead of the basic process using the type compatibility between the basic process and its variants. Processes can be instantiated on runtime in OMICRON. This means that every process instance is an object-oriented instance of its process. Changes in the process have direct influence on all its instances and specializations, while the instance in turn is executed and typed according to the process defined. The sequence of process steps is identified by relations of the relation type flow, connecting the process steps in the desired sequence. A token concept similar to that of the Unified Modelling Language 2 is used for activation of flows in execution. To benefit from these enhanced models and execute processes in decentralized environments, a message-based, decentralized infrastructure is created that enables a decentralized execution of the model in a dynamic, changing production environment. In this way, flexible and heterogeneous organisational forms like build-operate-transfer (BOT) and virtual enterprises can use common processes, share semantically defined datasets and use common semantic models and classifications. Process instances can flow from one peer to another carrying their semantic model with them that describes how they are interpreted and executed. An implementation scenario with existing partial systems, an application scenario at BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH and a detailed scenario on variants show the approach’s applications, capabilities and limits of applicability. This fundamental work describes a broad concept from the basis to the application. It delivers a foundation for further work in research and system development of decentralized and flexible systems in modern production. This work highlights the need for further research and introduces new questions that arise from a different view on production systems and new possibilities created by advancing intelligent technologies. This includes decentralized scheduling, new organizational structures of systems that go beyond semantic models and – evolving from the Web 2.0 paradigm – new technologies and concepts for "Production 2.0".