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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

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

Aus Kosten- und Flexibilitätsgründen kommen in industriellen Umgebungen, insbesondere für nachgerüstete Retrofit-Lösungen, immer mehr Geräte aus dem Industrial Internet of Things (IioT) zum Einsatz. Bei der Verwendung solcher ressourcenbeschränkten Geräte wird die Erfüllung industriespezifischer Datenqualitätsanforderungen allerdings zur kritischen Herausforderung, da hier inhärente Systemheterogenitäten die native Datenintegrität beeinträchtigen. Insbesondere erzeugt der Einsatz von IIoT-Sensoren Datenströme von uneinheitlicher Datenqualität bereits bei der Datenquelle.

Insbesondere unterschiedliche Präzision, divergierende Abtastraten und zeitlicher Asynchronität der verschiedenen Sensoren führen zu problematischen Datenqualitäten. Dies behindert die Verwendung dieser Daten insbesondere als Trainingsdaten für eine KI-Integration. Ziel dieser Arbeit ist es,

• Datenstromoperationen für die Qualitätsstabilisierung der Quellendaten ermitteln,
• Analysieren, welche dieser Operationen bereits im industriellen Umfeld verwendet werden,
• einen konzeptuellen Systementwurf zum Einsatz solcher Operationen für eine IIoT-Integration zu entwickeln.

Die Arbeit gliedert sich in folgende Schwerpunkte:

• Literaturrecherche bestehender Verfahren und kurze Bewertung
• Analyse der in industriellen Kommunikationstechnologien eingesetzter Verfahren
• Entwurf einer Systemarchitektur für die Umsetzung von Bereinigungstechniken
• Dokumentation und kritische Bewertung der gewonnenen Erkenntnisse.

Das Thema eignet sich für eine Bachelorarbeit

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

Ausgangssituation:
In modernen industriellen Anwendungen spielen IoT-Sensoren eine Schlüsselrolle, um eine Vielzahl von Messdaten zu erfassen. Die Qualität der erfassten Daten hat dabei oft entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit und Effizienz von Prozessen, etwa in der vorausschauenden Wartung, der Produktionssteuerung oder der Qualitätskontrolle. Fehlerhafte, ungenaue oder unvollständige Daten können zu falschen Entscheidungen führen, die teure Ausfälle oder Qualitätsmängel nach sich ziehen. Daher wird die Sicherstellung einer hohen Datenqualität in IoT-Sensoren immer wichtiger.

Teilaufgaben:

Einführung in IoT-Sensoren und ihre Bedeutung für industrielle Anwendungen:

• Überblick über die gängigen IoT-Sensoren und ihre Einsatzgebiete sowie Erläuterung der Rolle von IoT-Sensoren in industriellen Systemen (z. B. Automatisierung, Prozessüberwachung, Smart Manufacturing).

• Klärung des Begriffs "Datenqualität" im Kontext industrieller IoT-Sensoren und erläuterung wichtiger Qualitätsmerkmale von Daten (z. B. Genauigkeit, Vollständigkeit, Konsistenz, Aktualität, Relevanz, und Zuverlässigkeit).

• Untersuchung typischer Fehlerquellen bei der Datenerfassung, die die Datenqualität von IoT-Sensoren beeinträchtigen können (z. B. Kalibrierungsfehler, Drift, Störungen, Netzwerkprobleme, Sensorfehler, Umweltfaktoren).

• Untersuchung bestehender Lösungen und Best Practices zur Einordnung der Datenqualität verschiedener IIoT-Sensoren.

• Entwicklung einer Evaluationsmatrix zur Bewertung der Datenqualität in IoT-Sensoren (z. B. Genauigkeit, Ausfallsicherheit, Reaktionszeit, Verfügbarkeit). 

• Einordnung verschiedener vorhandener IoT-Sensoren in diese Matrix mit Begründung.

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

Ausgangssituation:
Im Kontext von Building Information Modeling (BIM) spielt das IFC-Format eine zentrale Rolle für die digitale Repräsentation von Bauwerksdaten. Allerdings ist IFC nur eines von vielen Informationsmodellen, die in modernen industriellen und infrastrukturellen Anwendungen genutzt werden. Weitere Modelle umfassen Kostenmodelle, Vorgangsmodelle sowie Sensordatenmodelle aus der Gebäudetechnik oder Prozessautomation. Ein Ansatz aus dem Bauingenieurwesen ist das Multimodell, mit dem diese verschiedenen Modelle miteinander verknüpft werden können. Dieses Multimodell bildet die Grundlage für Simulationen, da es die Abhängigkeiten der einzelnen Modellelemente zueinander abbildet und so eine realistische Abbildung von Prozessen und Systemen ermöglicht.

Aufgabe:
Die Bachelorarbeit soll untersuchen, wie ein Multimodell, bestehend aus verschiedenen Informationsmodellen (z. B. IFC, Kostenmodelle, Vorgangsmodelle) in der Industrie 4.0 über Verwaltungsschalen und Submodelle umgesetzt werden kann. Dabei wird insbesondere der Fokus auf die Integration und Verknüpfung dieser Modelle gelegt, um eine Simulation durchzuführen, die die dynamischen Wechselwirkungen zwischen den Modellen berücksichtigt.

Teilaufgaben:

• Erläuterung des Multimodell-Konzepts und beteiligte Informationsmodelle in der Bauindustrie (IFC, Kostenmodelle, Vorgangsmodelle).

• Erklärung des Konzepts der Verwaltungsschale (AAS) und ihrer Rolle als digitale Repräsentation eines physischen Assets sowie Betrachtung der Submodelle innerhalb der Verwaltungsschale zur Modellierung spezifischer Informationsbereiche (z. B. Gebäudetechnik, Kosten, Wartung).

• Untersuchung, wie verschiedene Informationsmodelle (IFC, Kosten, Vorgänge, etc.) in eine Verwaltungsschale integriert werden können.

• Analyse von Methoden zur Referenzierung und Verknüpfung der Modelle in einer Verwaltungsschale.

• Vorschläge zur Implementierung von Submodellen und Referenzierungen, um eine nahtlose Integration und Simulation zu ermöglichen.

• exemplarische Implementierung und Verknüpfung eines einfachen IFC-Modells mit einem Kostenmodell und einem Vorgangsmodell in einer Verwaltungsschale.

Dieses Thema ist für eine Diplomarbeit geeignet

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.

Ausgangssituation:
In der Industrie 4.0 werden Verwaltungsschalen (Asset Administration Shells, AAS) als digitale Repräsentationen physischer Assets eingesetzt, die deren Eigenschaften, Zustände und Lebenszyklus-Daten beinhalten und mit real-time-Daten aus dem Betrieb verknüpfen. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Verwaltung, Überwachung und Optimierung von Anlagen und Prozessen. Im Bereich der Gebäudeautomation wird der Trend zunehmend hin zu einer intelligenten, vernetzten Gebäudeverwaltung mit sensorbasierten Systemen und automatisierten Steuerungen geführt. Wenn man das Gebäude selbst als Industrie 4.0-Asset betrachtet, eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Integration von Echtzeitdaten, Wartungsinformationen, Energieverbrauchsdaten und Umweltparametern in eine umfassende digitale Verwaltungsschale. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie der Ansatz der Industrie 4.0 Verwaltungsschale auf die Gebäudeautomation übertragen werden kann, um das Gebäude als Asset zu betrachten, dessen digitale Repräsentation (die Verwaltungsschale) alle relevanten Informationen für Betrieb, Wartung und Optimierung integriert.

Aufgabe:
Die Bachelorarbeit soll aufzeigen, wie ein Gebäude als Industrie 4.0-Asset mit einer Verwaltungsschale (AAS) abgebildet werden kann. Dabei sollen insbesondere die Integration von Life-Daten (z. B. von Sensoren und Aktoren), die Verknüpfung von Gebäudekomponenten und die Lebenszyklus-Daten des Gebäudes betrachtet werden. Ziel ist es, einen digitalen Zwilling des Gebäudes zu schaffen, der eine präzise und effiziente Verwaltung und Optimierung des Gebäudebetriebs ermöglicht.

Teilaufgaben:

• Analyse des Verwaltungsschalen-Konzepts und deren Funktion als digitale Repräsentation eines physischen Assets und Beschreibung von Submodellen und deren Einsatz zur Modellierung spezifischer Informationen innerhalb der Verwaltungsschale (z. B. Energiedaten, Gebäudeautomation, Sensorwerte).

• Untersuchung, wie ein Gebäude als Industrie 4.0-Asset betrachtet werden kann und welche Gebäudekomponenten und Systeme (Heizung, Lüftung, Klima, Beleuchtung, Sicherheitssysteme) in eine Verwaltungsschale ggf. als Submodels integriert werden können.

• Recherche von Best Practices und bestehenden Projekten, bei denen Verwaltungsschalen erfolgreich im Bereich der Gebäudeautomation eingesetzt wurden sowie Analyse relevanter Normen und Standards.

• Erarbeitung von Submodellen für spezifische Gebäudebereiche wie Energieverbrauch, Wartungsmanagement, Umweltdaten und Betriebsdaten.

• Untersuchung der Integration von Life-Daten aus der Gebäudeautomation, wie z. B. Sensorwerte (Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität), Energieverbrauchsdaten und Statusinformationen von Aktoren.

• Praktische Umsetzung (optional):

  • Implementierung eines Prototyps einer Verwaltungsschale für ein Gebäude, das exemplarische Datenquellen integriert (z. B. von HVAC-Systemen, Beleuchtung, Energieverbrauch) und diese in einer Verwaltungsschale abbildet.

Dieses Thema eignet sich sowohl als Diplomarbeit und als Bachelorarbeit (mit eingeschränkter praktischen Umsetzung)

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