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Im Kontext von Industrie 4.0 (I4.0) gewinnt die Modellierung von Protokollen für eine flexible und strukturierte Netzwerkverwaltung zunehmend an Bedeutung. Die Grundlage dafür bieten die Informationsmodelle und die daraus resultierenden digitalen Zwillinge der entsprechenden Netzwerkelemente. Durch die Verwaltungsschale (engl. Asset Administration Shell, kurz AAS) ist eine interoperable Spezifikation für digitale Zwillinge in der I4.0 vorgegeben. Verschiedene Schnittstellenbeschreibungen wie MQTT oder HTTP können unter Verwendung des AAS-Teilmodelltemplates Asset Interface Description (AID) als Teilmodell in einer AAS modelliert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Brücke zwischen etablierten Netzwerkmanagement Protokollen und digitalen Zwillingen der I4.0 zu bilden. Dabei ist die aktuell spezifizierte AID für die Modellierung von Netzwerkverwaltungs­schnittstellen eines Assets zu erweitern. Für eine abschließende Diskussion soll das erstellte Modell in einer existierenden Laborumgebung unter Verwendung zu implementierender Netzwerkmanagement-Konnektoren umgesetzt werden.

Aufgabe:

• Relevante Netzwerkmanagementprotokolle (WBEM/ CIM, SNMP, NETCONF) analysieren und vorstellen
• Schnittstellen zwischen I4.0 und dem Netzwerkmanagement ermitteln und abbilden
• Asset Interface Description (AID) und Asset Interface Mapping Configuration (AIMC) für die Verwendung im I4.0-Netzwerkmanagement analysieren
• Anwendungsfälle für die Nutzung des digitalen Zwillings eines Netzwerkelements erarbeiten
• Das Modell der AID um die Möglichkeit der Nutzung von SNMP erweitern
• Ein konkretes Interface für SNMP in einer Verwaltungsschale modellieren
• Generischen SNMP-Konnektor auf Basis einer AID innerhalb einer existierenden Laborumgebung prototypisch implementieren

Initial situation:
Virtual sensors are becoming increasingly important in modern industrial systems. These sensors do not calculate their measured values directly, but derive them from the values of other physical sensors. Virtual sensors offer numerous advantages, such as improved measurement accuracy, reduced hardware costs, and the possibility of error compensation. Thanks to their flexibility, they can be used in a wide range of applications, e.g., in the process industry, automation, or machine monitoring.

Task:
The bachelor thesis should deal with the concept of virtual sensors, explain how they work, and examine their possible applications in industrial systems.

Subtasks:

• Definition and explanation of the concept of virtual sensors and examples of their application in industrial systems.
• Investigation of the calculation methods used by virtual sensors to derive their measured values (e.g., modeling, calibration, filtration techniques such as Kalman filters).
• Determination of requirements for virtual sensors in industrial use in terms of accuracy, real-time capability, robustness, and data integrity.
• Development of an evaluation matrix to compare virtual sensors in terms of these various requirement criteria.
• Literature research: Investigation and evaluation of existing implementations of virtual sensors in various application areas (e.g., predictive maintenance, process optimization, safety monitoring).
• Implementation of a virtual sensor in an example application.

This topic is suitable for a bachelor's thesis.

Das zentrale Element in der Entwicklung von Industrie 4.0 ist die Modellierung der Verwaltungsschale (engl. Asset Administration Shell, kurz AAS), mit beliebig vielen Submodellen. Dabei muss das AAS (Meta-)Modell genutzt werden. Existierenden Realisierungen, in XML oder JSON, fehlt jedoch die Möglichkeit komplexe Aspekte vollständig darzustellen und komplizierte Zusammenhänge auszudrücken. Aus diesem Grund muss die Modellierung der AAS in ausdrucksstärkeren Konzepten oder höheren Sprachebenen erfolgen. Ein Ansatz könnte die Abbildungen in Ontologien, DSLs oder Metasprachen sein.

Aufgabe:

• Beschreibung der Möglichkeiten zur (Meta-)Modellierung abseits der bestehenden Formate
• Erfassen, erweitern und überprüfen des AAS Metamodells in semantisch ausdrucksstarker Sprache
• Modellierung der Funktionalität zur Verwaltung der Assets
• Realisieren der Funktionalität zur Verwaltung der Assets aus der Modellierung am Prototyp
• Ableitung eines Prototyps aus der erstellten Ontologie

For reasons of cost and flexibility, more and more devices from the Industrial Internet of Things (IIoT) are being used in industrial environments, especially for retrofitted solutions. However, when using such resource-constrained devices, meeting industry-specific data quality requirements becomes a critical challenge, as inherent system heterogeneities compromise native data integrity. In particular, the use of IIoT sensors generates data streams of inconsistent data quality right at the data source.

In particular, varying precision, diverging sampling rates, and temporal asynchrony of the different sensors lead to problematic data quality. This hinders the use of this data, especially as training data for AI integration. The aim of this work is to

•     determine data stream operations for stabilizing the quality of the source data,
•     analyze which of these operations are already used in industrial environments,
•     develop a conceptual system design for the use of such operations for IIoT integration.

The work is divided into the following main areas:

• Literature research on existing methods and brief evaluation
• Analysis of methods used in industrial communication technologies
• Design of a system architecture for the implementation of cleaning techniques
• Documentation and critical evaluation of the findings.

The topic is suitable for a bachelor's thesis.

Für einen flexiblen und strukturierten Systementwurf wird die Modellierung im Bereich Industrial IoT und Industrie 4.0 immer wichtiger. Dabei kommen unterschiedliche Arten der Modellbildung wie funktionale Modellierung, Daten- und Informationsmodellbildung oder Metamodellierung zum Einsatz. Mit einer zunehmenden Anzahl an aufkommender Modelle werden Methoden für die Generierung, Transformation und Verknüpfung dieser Modelle immer relevanter.

Im Rahmen der Arbeit sind verschiedene in Industrie 4.0 und Industrial IoT aktuell verbreitete Modelle zu analysieren sowie unterschiedliche Verfahren zur Modellverarbeitung zusammenzustellen und zu erläutern. Darüber hinaus ist die Anwendung exemplarisch an einem Beispiel zu zeigen.

Aufgabe:

• Verschiedene Arten zur Modellbildung vorstellen
• Verbreitete Meta-/Informationsmodelle im Bereich Industrie I4.0 und IIoT vorstellen
• Verfahren zur Verknüpfung bzw. Umwandlung von Modellen vorstellen
• Exemplarische Anwendung eines Verfahrens am geeigneten Beispiel

Initial situation:
In modern industrial applications, IoT sensors play a key role in capturing a wide range of measurement data. The quality of the data collected often has a decisive influence on the accuracy and efficiency of processes, for example in predictive maintenance, production control, or quality control. Faulty, inaccurate, or incomplete data can lead to wrong decisions, resulting in costly downtime or quality defects. Therefore, ensuring high data quality in IoT sensors is becoming increasingly important.

Subtasks:

• Introduction to IoT sensors and their significance for industrial applications:
• Overview of common IoT sensors and their areas of application, as well as an explanation of the role of IoT sensors in industrial systems (e.g., automation, process monitoring, smart manufacturing).
• Clarification of the term “data quality” in the context of industrial IoT sensors and explanation of important quality characteristics of data (e.g., accuracy, completeness, consistency, timeliness, relevance, and reliability).
• Examination of typical sources of error in data collection that can impair the data quality of IoT sensors (e.g., calibration errors, drift, interference, network problems, sensor errors, environmental factors).
• Examination of existing solutions and best practices for classifying the data quality of various IIoT sensors.

• Development of an evaluation matrix for assessing data quality in IoT sensors (e.g., accuracy, reliability, response time, availability). 

• Classification of various existing IoT sensors in this matrix with justification.

This topic is suitable for a bachelor's thesis.

Initial situation:
In the context of Building Information Modeling (BIM), the IFC format plays a central role in the digital representation of building data. However, IFC is only one of many information models used in modern industrial and infrastructure applications. Other models include cost models, process models, and sensor data models from building technology or process automation. One approach from civil engineering is the multi-model, which can be used to link these different models together. This multi-model forms the basis for simulations, as it maps the dependencies of the individual model elements on each other, thus enabling a realistic representation of processes and systems.

Task:
The bachelor thesis should investigate how a multi-model consisting of various information models (e.g., IFC, cost models, process models) can be implemented in Industry 4.0 using administration shells and submodels. In particular, the focus will be on the integration and linking of these models in order to perform a simulation that takes into account the dynamic interactions between the models.

Subtasks:

• 1. Explanation of the multi-model concept and the information models involved in the construction industry (IFC, cost models, process models).

• Explanation of the concept of the administration shell (AAS) and its role as a digital representation of a physical asset, as well as consideration of the submodels within the administration shell for modeling specific information areas (e.g., building technology, costs, maintenance).

• Investigation of how different information models (IFC, costs, processes, etc.) can be integrated into an administration shell.

• Analysis of methods for referencing and linking the models in an administrative shell.

• Proposals for the implementation of submodels and references to enable seamless integration and simulation.

• Exemplary implementation and linking of a simple IFC model with a cost model and a process model in an administrative shell.

This topic is suitable for a diploma thesis.

In der Industrie 4.0 werden zunehmend eigenständig und kooperativ handelnde

Assets verwendet, welche sowohl ihre Fähigkeiten über eigene Dienste anbieten als auch fremde Dienste nutzen. Damit solche Assets in Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente agieren und Ihre Fähigkeiten über digitale Zwillinge in Form einer Industrie 4.0 Verwaltungsschale abbilden. Zur Realisierung der Interaktion und Kooperation mit anderen Assets wird eine proaktive Verwaltungsschale benötigt, welche wiederum eine Laufzeitumgebung erfordert, die ihre Dienste über I4.0 konforme APIs anbietet. Spezifiziert werden diese APIs in “Details of the Asset Administration Shell Part 2 – Interoperability at Runtime – Exchanging Information via Application Programming Interfaces”. Nach bisherigem Stand der Technik sind eine technisch neutrale API und eine technologiespezifische API für HTTP/REST definiert. Für die Ermittlung der Fähigkeiten des Assets bzw. der Ausführung funktionaler Aspekte wird jedoch ein vielfältiges Spektrum an APIs benötigt. Insbesondere wird eine Query API benötigt um die Fähigkeiten und Eigenschaften der Assets über die Verwaltungsschale abfragen zu können. Für eine derartige Query API soll –  auf Grundlage der existierenden API-Definition –ein Entwurf und eine prototypische Implementierung erfolgen. Die Ergebnisse der Arbeit sind in geeigneter Weise zu evaluieren und umfassend zu dokumentieren.

Aufgaben:

• Analyse der spezifizierten APIs für I4.0-Verwaltungsschalen
• Recherche von Methoden zur Abfrage bzw. Suche von Informationsmodellen
• Entwurf einer Schnittstelle für die Abfrage der Eigenschaften und Fähigkeiten des Assets
• Implementierung der Query API für Verwaltungsschalen
• Prototypische Realisierung der Schnittstelle am Demonstrator

Voraussetzungen: Erfahrung mit C#, Python oder C++, Grundlagenwissen in der Automation, der Besuch einer oder mehrerer Vorlesungen zu diesem Themengebiet an unserem Lehrstuhl wäre vorteilhaft.

Dieses Thema eignet sich sowohl für eine Studien-, als auch für eine Bachelorarbeit.

Initial situation:
In Industry 4.0, asset administration shells (AAS) are used as digital representations of physical assets, containing their properties, statuses, and lifecycle data and linking them to real-time data from operations. This approach enables precise management, monitoring, and optimization of plants and processes. In the field of building automation, the trend is increasingly moving toward intelligent, networked building management with sensor-based systems and automated controls. If the building itself is viewed as an Industry 4.0 asset, new opportunities open up for the integration of real-time data, maintenance information, energy consumption data, and environmental parameters into a comprehensive digital administration shell. The aim of this thesis is to investigate how the Industry 4.0 administration shell approach can be transferred to building automation in order to view the building as an asset whose digital representation (the administration shell) integrates all relevant information for operation, maintenance, and optimization.

Task:
The bachelor thesis should demonstrate how a building can be represented as an Industry 4.0 asset with an administration shell (AAS). In particular, the integration of live data (e.g., from sensors and actuators), the linking of building components, and the life cycle data of the building should be considered. The goal is to create a digital twin of the building that enables precise and efficient management and optimization of building operations.

Subtasks:

• Analysis of the administration shell concept and its function as a digital representation of a physical asset, and description of submodels and their use for modeling specific information within the administration shell (e.g., energy data, building automation, sensor values).
• Investigation of how a building can be viewed as an Industry 4.0 asset and which building components and systems (heating, ventilation, air conditioning, lighting, security systems) can be integrated into an administration shell, possibly as submodels.
• Research into best practices and existing projects in which administration shells have been successfully used in the field of building automation, as well as analysis of relevant norms and standards.
• Development of submodels for specific building areas such as energy consumption, maintenance management, environmental data, and operating data.

• Investigation of the integration of live data from building automation, such as sensor values (temperature, humidity, air quality), energy consumption data, and status information from actuators.   

• Practical implementation (optional): Implementation of a prototype administration shell for a building that integrates exemplary data sources (e.g., from HVAC systems, lighting, energy consumption) and maps them in an administration shell.

This topic is suitable for both a master's thesis and a bachelor's thesis (with limited practical implementation).

Damit Assets in zukünftigen Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente abgebildet werden. Dies wird über die I4.0 Verwaltungsschale realisiert. Jedoch können Leistung und Verbindungseigenschaften von I4.0 Assets unterschiedlichen Beschränkungen unterliegen. Daher bietet es sich an, verschiedene Teile der Verwaltungsschale in unterschiedlichen Systembestandteilen zu realisieren.

Dabei ist der jeweilige Aspekt des Assets und deren Verwendung zu berücksichtigen.

Dynamische Aspekte müssen in direkter Nähe des Assets realisiert werden, während aufwendigere Operationen an rechentechnisch mächtigere Komponenten, wie z.B. die Cloud ausgelagert werden können. In dieser Arbeit sollen verteilte Ansätze zur Bereitstellung und Ausführung von I4.0 Verwaltungsschalen für I4.0 Assets untersucht werden.

Aufgabe:

• Analyse der unterschiedlichen Aspekte der Assets
• Analyse der Industrie 4.0-Verwaltungsschale
• Entwurf eines Konzepts für verteilte Verwaltungsschalen
• Implementierung eines Prototyps

Die erarbeiteten Ergebnisse sind umfassend zu dokumentieren und innerhalb eines Kolloquiums zu präsentieren.

In der Industrie 4.0 werden zunehmend eigenständig und kooperativ handelnde Assets verwendet, welche ihre Fähigkeiten über Dienste anbieten und fremde Dienste nutzen. Damit solche Assets in Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente über digitale Zwillinge in Form einer Industrie 4.0 Verwaltungsschale abbilden. Zur Realisierung dieser Eigenständigkeit wird eine proaktive Verwaltungsschale benötigt, welche wiederum eine Laufzeitumgebung erfordert, um mit anderen Assets interagieren und kooperieren zu können. Diese Laufzeitumgebung bieten ihre Dienste über I4.0 konforme APIs an. Diese werden in “Details of the Asset Administration Shell Part 2 – Interoperability at Runtime – Exchanging Information via Application Programming Interfaces” spezifiziert. Nach bisherigem Stand der Technik sind technisch neutral Grundprinzipien und eine technologiespezifische für HTTP/REST definiert. Für die Ermittlung der Fähigkeiten des Assets bzw. der Ausführung funktionaler Aspekte wird jedoch ein vielfältiges Spektrum an APIs benötigt. Eine Streaming API für RPCs bzw. Query API für Capabilities wäre hierfür nötig. Diese zwei APIs sollen auf Grundlage der existierenden API Definition erstellt und dokumentiert werden. Darüber hinaus soll ein Entwurf für eine derartige API erfolgen und prototypisch eine Implementierung an einem geeigneten Beispiel demonstriert werden. Die Ergebnisse der Arbeit sind in geeigneter Weise zu evaluieren und umfassend zu dokumentieren. 

Aufgaben: 

• Analyse der spezifizierten APIs für I4.0 Digital Twin (AAS) z.B.: HTTP REST

• Recherche von Interface Beschreibungssprachen z.B. Protocol Buffers, GraphQL SDL

• Aufbereiten einer intermediaten Repräsentation und Umsetzung der Modelltransformation 

• Erzeugen einer geeigneten API für Streaming & Query der AAS z.B. gRPC, GraphQL

In der Industrie werden zunehmend eigenständig kommunikationsfähige Assets verwendet. Damit solche Assets in Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente, mittels digitaler Zwilling in Form einer Verwaltungsschale, abgebildet werden. Diese Abbildung spiegeln sich auch in der Kommunikationsfähigkeit wieder. Aktuelle industrielle Trends führen zu einem Anstieg des Netzwerkverkehrs in immer größer werdenden konvergenten Netzwerken. Solche Netzwerke erfordern Flexibilität und Skalierbarkeit, um sowohl kleine Geräte als auch große Datenserversysteme zu unterstützen und gleichzeitig eine begrenzte Latenz für zeitkritische Kommunikation zu gewährleisten. Dies führt zu einem steigenden Anspruch an die Konfigurierbarkeit sowie das Monitoring solcher Systeme. Dabei könnten die erhobenen Informationen über eine geeignete KI Infrastruktur ausgewertet und aufbereitet werden. Im Rahmen des Komplexpraktikums soll ein Monitoringsystem für I4.0 Komponente für das Netzwerk über das Konzept Verwaltungsschale realisiert werden. Dafür ist das aktuelle Monitoringsystem mit den benötigten Modellen und Funktionalitäten an einem gegebenen Testsystem zu erweitern. Die erarbeiteten Ergebnisse sind umfassend zu testen und zu dokumentieren sowie die Ergebnisse der Projektarbeit innerhalb eines Kolloquiums zu präsentieren.

Aufgabe:

• Analyse vorhanden Monitoring Pipelines mittel Apache Kafka
• Erweiterung vorhandene Pipelines um I4.0 Informationsmodell
• Erstellung und Anpassung der I4.0 Verwaltungsschalen
• Erstellung und Anpassung benötigter Kafka Producer/Consumer
• Etablierung einer KI Plattform zur Auswertung des Monitoringssystems

In der Industrie 4.0 werden zunehmend eigenständig und kooperativ handelnde digitale Zwillinge verwendet. Damit diese interagieren können, müssen sie als Typ 2- bzw. reaktive Verwaltungsschale abgebildet werden. Eine solche Verwaltungsschale benötigt eine Laufzeitumgebung, um mit anderen Assets aktiv interagieren zu können. Diese Laufzeitumgebung bietet ihre Dienste über Industrie 4.0 konforme APIs, die von der Plattform Industrie 4.0 spezifiziert werden. Aktuell sind eine allgemeine technisch neutrale API und eine technologiespezifische API für HTTP/REST definiert. Offen ist, wie diese APIs auf Korrektheit und Konformität verifiziert und validiert werden können um entsprechende fehlerfreie und konsistente Software zu entwickeln. Während der Prozess der Verifizierung die Software gegenüber der Spezifikation überprüft beurteilt der Prozess der Validierung, wie gut das System die zuvor festgelegten Anforderungen erfüllt. Im Bereich der API-Testung prüft die Verifikation, ob die I4.0-Komponente die Spezifikation in Bezug auf Attribute und Elemente aus der Spezifikation erfüllt, während die Validierung prüft, ob die API die Anforderungen und Einschränkungen eines AAS Typ2 erfüllt. Diese Themen stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Für die Testung der API sind verschiedene Methoden und Verfahren aus der Validierung und Verifikation von API aufzuzeigen. Darüber hinaus soll ein Entwurf für die Testung der I4.0 API erfolgen und prototypisch eine Implementierung an einem geeigneten Beispiel demonstriert werden.
Aufgaben:

• Analyse der spezifizierten APIs für I4.0 Digital Twin (AAS)
• Recherche von Testverfahren für HTTP/REST bzw. RESTfull APIs
• Analyse der Anforderungen an allg. REST APIs und I4.0 Digital Twin
• Aufbereiten von Kriterien für Testszenarien anhand der Anforderungen
• Erzeugen prototypischer Testfälle aus den Testszenarien