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Dissertation, RWTH Aachen University, 2022; Aachen : VDI Verlag GmbH, Fortschritt-Berichte VDI. Reihe 10, Informatik, Kommunikation 876, XI, 180 Seiten : Illustrationen, Diagramme (2022). doi:10.18154/RWTH-2022-03396 = Dissertation, RWTH Aachen University, 2022, As part of the future project Industry 4.0 of the High-Tech Strategy of the German Federal Government, the concept of the asset administration shell is being developed. The result is a uniform interface and a meta model for accessing the information of an asset. This information is summarized in information models, each of which represents an aspect of an asset and is used for a specific use case. Due to the increasing number of communicating devices in the industrial context, the increased use of information for value-added services and the integration to complex, intelligent machines and plants, concepts for interoperability are coming into focus. Semantic interoperability is a key goal in the exchange of asset information. Since different stakeholders require different information models, a variety of these information models will exist. These information models may semantically contain the same information, but may be modeled or compiled differently. Additionally, there will be different versions of these information models. This leads to a semantic interoperability problem and is difficult to manage by manually transforming the data because of the large number of information models and assets that are digitally managed. For this reason a concept for semantic interoperability between information models is presented in this thesis. Based on an analysis of existing methods and approaches to achieve semantic interoperability, the concept of model transformation is used to solve the problem. For asset-related information exchange, current standardized models are compared and the concept of the asset administration shell is used as an application example. Based on this application example, the difference between syntactic and semantic transformations is introduced and a classification of the transformation is performed using previously defined features. On this basis, requirements for a transformation language are determined and existing languages are evaluated with respect to their usability. The result of the requirements analysis is that so far no language exists that fulfills all requirements. Therefore a new model transformation language is derived. This is described generically and is concretized for the concept of the asset administration shell. Both the abstract and the concrete syntax as well as the required syntax rules are presented. A prototypical realization of a transformation system shows the application of the language and enables the execution of model transformations between arbitrary information models. Finally, an evaluation of the language is presented based on three selected use cases., Published by VDI Verlag GmbH, Aachen

Aktuelle Entwicklungen führen zu komplexeren Produktionssystemen, insbesondere in der variantenreichen Serienfertigung. Als Folge bestehen erhebliche Herausforderungen darin, die technische Kapazität mit strategischem Zeithorizont effizient, transparent und flexibel zu planen. Da zahlreiche Abhängigkeiten berücksichtigt werden müssen, ist in der Praxis festzustellen, dass sich Vollständigkeit und Verständlichkeit der Modelle ausschließen. Zur Lösung dieses Zielkonflikts wird ein softwaregestützter Workflow vorgeschlagen, welcher in der neu entwickelten Software AURELIE realisiert wurde. Der Workflow basiert auf der grafischen Modellierung eines geplanten Systems von Wertströmen, der automatischen Validierung und Transformation des grafischen Modells und der automatischen Optimierung des resultierenden mathematischen Modells. Den Ausgangspunkt bildet ein grafisches Modell, das nicht nur verständlich ist, sondern auch das System in seiner Komplexität vollständig widerspiegelt. Aus Sicht der Forschung liegt der wesentliche Beitrag neben einer formalen Systembeschreibung und dem Aufzeigen der Forschungslücke in der Entwicklung der notwendigen Modelle und Algorithmen. Der Neuheitsgrad ist durch den ganzheitlichen Lösungsansatz gegeben, dessen Umsetzbarkeit durch die Software AURELIE belegt wird. Aus Sicht der Praxis werden die Effizienz, Transparenz und Flexibilität im Planungsprozess signifikant gesteigert. Dies wird durch die weltweite Einführung der Software AURELIE an den Standorten der Bosch Rexroth AG bestätigt.:Vorwort Referat Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Algorithmenverzeichnis 1 Einführung 1.1 Ausgangssituation: Potenziale in der Planung 1.2 Problembeschreibung und Einordnung der Dissertation 1.3 Lösungsansatz: softwaregestützter Workflow 1.4 Forschungsfragen und Aufbau der Arbeit 2 Lösungsvorbereitung: Systemanalyse 2.1 Kontext: strategische Planung technischer Kapazität in der Serienfertigung 2.2 Systemstruktur: rekursive Zusammensetzung von Wertströmen 2.2.1 Prozessschritte, Stückzahlverteilung und Verknüpfungstypen 2.2.2 Prozesse und Wertströme 2.3 Systemschnittstelle: Funktionen der Eingaben und Ausgaben 2.3.1 Materialfluss: Bereitstellung von Komponenten für Produkte 2.3.2 Informationsfluss: Planung der Produktion 2.4 Grundlagen der Kalkulation: einfacher Fall eines Prozessschritts 2.4.1 Taktzeiten, Nutzungsgrad und Betriebsmittelzeit 2.4.2 Kapazität, Auslastung und Investitionen 2.5 Erweiterung der Kalkulation: allgemeiner Fall verknüpfter Prozessschritte 2.5.1 Sequenzielle Verknüpfung Beispiel SQ1 Beispiel SQ2 Beispiel SQ3 2.5.2 Alternative Verknüpfung Beispiel AL1 Beispiel AL2 Beispiel AL3 2.5.3 Selektive Verknüpfung Beispiel SL1 Beispiel SL2 2.6 Anforderungen in Bezug auf die Modellierung und die Optimierung 2.6.1 Kategorisierung möglicher Anforderungen 2.6.2 Formulierung der essenziellen Anforderungen 3 Stand der Technik 3.1 Auswahl zu evaluierender Softwaretypen 3.2 Software zur Erstellung von Tabellenkalkulationen 3.2.1 Beispiel: Microsoft Excel 3.2.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.3 Software zur Materialflusssimulation 3.3.1 Beispiel: Siemens Plant Simulation 3.3.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.4 Software für Supply Chain Management 3.4.1 Beispiel: SAP APO Supply Network Planning 3.4.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.5 Software zur Prozessmodellierung 3.5.1 Beispiel: BPMN mit idealem Interpreter und Optimierer 3.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.6 Fazit: Bedarf nach einer neuen Entwicklung 4 Lösungsschritt I: grafische Modellierung und Modelltransformation 4.1 Kurzeinführung: Graphentheorie und Komplexität 4.1.1 Graphentheorie 4.1.2 Komplexität von Algorithmen 4.2 Modellierung eines Systems durch Wertstromgraphen 4.2.1 Grafische Modellstruktur: Knoten und Kanten 4.2.2 Modellelemente: Quellen, Senken, Ressourcen und Flusspunkte 4.3 Validierung eines grafischen Modells 4.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.3.2 Beschreibung der Algorithmen 4.3.3 Beweis der Zeitkomplexität 4.4 Transformation eines grafischen Modells in ein mathematisches Modell 4.4.1 Mathematische Modellstruktur: Matrizen und Folgen 4.4.2 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.4.3 Beschreibung der Algorithmen 4.4.4 Beweis der Zeitkomplexität 4.5 Umsetzung in der Software AURELIE 4.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 4.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 4.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 5 Lösungsschritt II: mathematische Optimierung 5.1 Kurzeinführung: lineare Optimierung und Korrektheit 5.1.1 Lineare Optimierung 5.1.2 Korrektheit von Algorithmen 5.2 Maximierung der Kapazitäten 5.2.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.2.2 Beschreibung des Algorithmus 5.2.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.3 Minimierung der Investitionen 5.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.3.2 Beschreibung des Algorithmus 5.3.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.4 Optimierung der Auslastung 5.4.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.4.2 Beschreibung des Algorithmus 5.4.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.5 Umsetzung in der Software AURELIE 5.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 5.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 5.5.3 Wesentliche Erweiterungen 5.5.4 Validierung der Optimierungsergebnisse 5.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 6 Schluss 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 6.2 Implikationen für Forschung und planerische Praxis 6.3 Ausblick: mögliche Weiterentwicklungen A Technische Dokumentation A.1 Algorithmen, Teil I: grafische Modellierung und Modelltransformation A.1.1 Nichtrekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.2 Rekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.3 Nichtrekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.4 Rekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.5 Traversierung der Kanten eines grafischen Modells A.1.6 Validierung eines grafischen Modells A.1.7 Traversierung der Knoten eines grafischen Modells A.1.8 Transformation eines grafischen Modells A.2 Algorithmen, Teil II: mathematische Optimierung A.2.1 Minimierung einer allgemeinen linearen Zielfunktion A.2.2 Maximierung der technischen Kapazitäten A.2.3 Minimierung der Überlastung (Komponenten größer als eins) A.2.4 Optimierung der Auslastung (alle Komponenten) Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Index Literaturverzeichnis Recent developments lead to increasingly complex production systems, especially in the case of series production with a great number of variants. As a result, considerable challenges exist in planning the technical capacity with strategic time horizon efficiently, transparently and flexibly. Since numerous interdependencies must be considered, it can be observed in practice that completeness and understandability of the models are mutually exclusive. To solve this conflict of objectives, a software-based workflow is proposed, which was implemented in the newly developed software AURELIE. The workflow relies on the graphical modeling of a planned system of value streams, the automated validation and transformation of the graphical model and the automated optimization of the resulting mathematical model. The starting point is a graphical model, which is not only understandable, but also reflects the system completely with respect to its complexity. From a research perspective, the essential contribution, besides a formal system description and the identification of the research gap, lies in the development of the required models and algorithms. The degree of novelty is given by the holistic solution approach, which is proven feasible by the software AURELIE. From a practical perspective, efficiency, transparency and flexibility in the planning process are significantly increased. This is confirmed by the worldwide implementation of the software AURELIE at the locations of Bosch Rexroth AG.:Vorwort Referat Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Algorithmenverzeichnis 1 Einführung 1.1 Ausgangssituation: Potenziale in der Planung 1.2 Problembeschreibung und Einordnung der Dissertation 1.3 Lösungsansatz: softwaregestützter Workflow 1.4 Forschungsfragen und Aufbau der Arbeit 2 Lösungsvorbereitung: Systemanalyse 2.1 Kontext: strategische Planung technischer Kapazität in der Serienfertigung 2.2 Systemstruktur: rekursive Zusammensetzung von Wertströmen 2.2.1 Prozessschritte, Stückzahlverteilung und Verknüpfungstypen 2.2.2 Prozesse und Wertströme 2.3 Systemschnittstelle: Funktionen der Eingaben und Ausgaben 2.3.1 Materialfluss: Bereitstellung von Komponenten für Produkte 2.3.2 Informationsfluss: Planung der Produktion 2.4 Grundlagen der Kalkulation: einfacher Fall eines Prozessschritts 2.4.1 Taktzeiten, Nutzungsgrad und Betriebsmittelzeit 2.4.2 Kapazität, Auslastung und Investitionen 2.5 Erweiterung der Kalkulation: allgemeiner Fall verknüpfter Prozessschritte 2.5.1 Sequenzielle Verknüpfung Beispiel SQ1 Beispiel SQ2 Beispiel SQ3 2.5.2 Alternative Verknüpfung Beispiel AL1 Beispiel AL2 Beispiel AL3 2.5.3 Selektive Verknüpfung Beispiel SL1 Beispiel SL2 2.6 Anforderungen in Bezug auf die Modellierung und die Optimierung 2.6.1 Kategorisierung möglicher Anforderungen 2.6.2 Formulierung der essenziellen Anforderungen 3 Stand der Technik 3.1 Auswahl zu evaluierender Softwaretypen 3.2 Software zur Erstellung von Tabellenkalkulationen 3.2.1 Beispiel: Microsoft Excel 3.2.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.3 Software zur Materialflusssimulation 3.3.1 Beispiel: Siemens Plant Simulation 3.3.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.4 Software für Supply Chain Management 3.4.1 Beispiel: SAP APO Supply Network Planning 3.4.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.5 Software zur Prozessmodellierung 3.5.1 Beispiel: BPMN mit idealem Interpreter und Optimierer 3.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.6 Fazit: Bedarf nach einer neuen Entwicklung 4 Lösungsschritt I: grafische Modellierung und Modelltransformation 4.1 Kurzeinführung: Graphentheorie und Komplexität 4.1.1 Graphentheorie 4.1.2 Komplexität von Algorithmen 4.2 Modellierung eines Systems durch Wertstromgraphen 4.2.1 Grafische Modellstruktur: Knoten und Kanten 4.2.2 Modellelemente: Quellen, Senken, Ressourcen und Flusspunkte 4.3 Validierung eines grafischen Modells 4.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.3.2 Beschreibung der Algorithmen 4.3.3 Beweis der Zeitkomplexität 4.4 Transformation eines grafischen Modells in ein mathematisches Modell 4.4.1 Mathematische Modellstruktur: Matrizen und Folgen 4.4.2 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.4.3 Beschreibung der Algorithmen 4.4.4 Beweis der Zeitkomplexität 4.5 Umsetzung in der Software AURELIE 4.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 4.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 4.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 5 Lösungsschritt II: mathematische Optimierung 5.1 Kurzeinführung: lineare Optimierung und Korrektheit 5.1.1 Lineare Optimierung 5.1.2 Korrektheit von Algorithmen 5.2 Maximierung der Kapazitäten 5.2.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.2.2 Beschreibung des Algorithmus 5.2.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.3 Minimierung der Investitionen 5.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.3.2 Beschreibung des Algorithmus 5.3.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.4 Optimierung der Auslastung 5.4.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.4.2 Beschreibung des Algorithmus 5.4.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.5 Umsetzung in der Software AURELIE 5.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 5.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 5.5.3 Wesentliche Erweiterungen 5.5.4 Validierung der Optimierungsergebnisse 5.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 6 Schluss 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 6.2 Implikationen für Forschung und planerische Praxis 6.3 Ausblick: mögliche Weiterentwicklungen A Technische Dokumentation A.1 Algorithmen, Teil I: grafische Modellierung und Modelltransformation A.1.1 Nichtrekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.2 Rekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.3 Nichtrekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.4 Rekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.5 Traversierung der Kanten eines grafischen Modells A.1.6 Validierung eines grafischen Modells A.1.7 Traversierung der Knoten eines grafischen Modells A.1.8 Transformation eines grafischen Modells A.2 Algorithmen, Teil II: mathematische Optimierung A.2.1 Minimierung einer allgemeinen linearen Zielfunktion A.2.2 Maximierung der technischen Kapazitäten A.2.3 Minimierung der Überlastung (Komponenten größer als eins) A.2.4 Optimierung der Auslastung (alle Komponenten) Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Index Literaturverzeichnis

Benutzungsschnittstellen (UIs) dienen in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik der Bedienung und Beobachtung technischer Prozesse. Das sogenannte Model-based User Interface Development (MBUID) stellt ein vielversprechendes Konzept zur automatischen Erzeugung solcher UIs dar. Allerdings erfordert die Umsetzung dieses Konzeptes für einen spezifischen Anwendungsfall jeweils die Entwicklung einer oder mehrerer Modell-zu-Modell-Transformationen (M2M). Hierbei handelt es sich unter Verwendung aktueller Ansätze für Transformations-Frameworks um einen aufwändigen, fehleranfälligen und daher kostenintensiven Prozess. Dies gilt vor allem für Entwickler ohne tiefgreifendes Wissen über modellbasierte Technologien und kann unter Umständen sogar die durch die MBUID propagierten Vorteile aufwiegen. Zur Erleichterung des Prozesses der Entwicklung von Modelltransformationen schlägt diese Arbeit eine spezielle Methodik sowie deren prototypische Implementierung in Form des PAMTraM-Frameworks vor. Die Methodik greift dabei die speziellen Rahmenbedingungen bei der UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik auf und basiert auf drei Hauptkonzepten: Die Basis stellt die Konfiguration von M2M-Transformationen in mehrdeutigen, bedingten Abbildungsmodellen dar. Diese Abbildungsmodelle beschreiben dabei lediglich Zuordnungen zwischen Elementen der Quell- und Ziel-UI-Beschreibungssprache einer durchzuführenden Transformation. Im Gegensatz zu existierenden Ansätzen erlaubt die entwickelte Methodik die explizite Berücksichtigung mehrdeutiger Abbildungen, die in der Domäne der UI-Entwicklung häufig auftreten. Darüber hinaus können explizite Kontextbedingungen formuliert werden, die die Notwendigkeit der Anpassung bzw. Neu-Erstellung eines Abbildungsmodells bei Vorliegen eines geänderten Nutzungskontextes (z.B. einer neuen Hardware-Plattform) verhindern. Konkrete Transformationen für ein oder mehrere Quell- und Kontextmodelle können anschließend auf Basis eines konfigurierten Abbildungsmodells durchgeführt werden. Hierzu wird ein spezieller generischer Transformations-Algorithmus vorgestellt. Dieser ist in der Lage, basierend auf einer selbstständigen Analyse der Ziel-UI-Beschreibungssprache auch unvollständige Abbildungsmodelle auszuführen. Hierdurch muss der Entwickler eines Abbildungsmodells weniger Informationen in dieses integrieren. Allerdings führt dieses Vorgehen auch dazu, dass im Rahmen der Durchführung einer Transformation an verschiedenen Stellen Mehrdeutigkeiten auftreten können. Zur Auflösung dieser Mehrdeutigkeiten stellt diese Arbeit unterschiedliche Strategien wie z.B. die Konsultation des Nutzers vor. Das dritte Hauptkonzept wird durch zwei Ansätze für sog. Higher-Order Transformations gebildet. Diese ermöglichen die teilweise semi-automatische Erstellung bzw. Vervollständigung von Abbildungsmodellen u.a. im Rahmen iterativer Entwicklungsprozesse. Dadurch wird die Entwicklung von Abbildungsmodellen weiter vereinfacht und die während einer Transformation auftretenden Mehrdeutigkeiten können schrittweise soweit notwendig reduziert werden. Ein Nachweis über die Funktionalität der entwickelten Methodik sowie deren prototypischer Implementierung erfolgt zum einen anhand repräsentativer Fallstudien aus der betrachteten Domäne und zum anderen auf Basis einer Analyse hinsichtlich allgemeiner Kriterien zur Bewertung von Transformations-Frameworks. Eine abschließende Bewertung zeigt, dass die entwickelte Methodik die speziellen Anforderungen in Bezug auf die UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik erfüllt und zur Vereinfachung der Entwicklung von Modelltransformationen geeignet ist. User Interfaces (UIs) in the domain of industrial automation serve the operation and monitoring of technical processes. The Model-based User Interface Development (MBUID) represents a promising concept for the automatic generation of such UIs. However, the realization of this concept for a specific use case requires the development of one or multiple model-to-model (M2M) transformations. Using existing transformation frameworks, this represents a complex, error-prone, and thus costly task. This applies especially to developers without deep knowledge of model-based technologies and can in some circumstances even cancel out the advantages promised by MBUID. In order to simplify the process of developing model transformations, this thesis proposes a specific methodology as well as its prototypic implementation by means of the PAMTraM framework. This methodology addresses the special underlying conditions of UI development in the domain of industrial automation and is based on three main concepts: The basis is formed by the configuration of M2M transformations in ambiguous, conditional mapping models. These only capture mappings between elements of the source and the target UI modeling language of a transformation. In contrast to existing approaches, the developed methodology explicitly takes into account the possibility for ambiguous mappings that are common in the domain of UI development. Furthermore, developers can specify explicit context conditions that prevent the necessity of a modification or redevelopment of a mapping model in case of a changed context of use (e.g. a new hardware platform). Individual transformations for one or multiple source and context models can be executed based on a configured mapping model. Therefore, a special generic transformation algorithm is presented. By autonomously analyzing the target UI modeling language, this algorithm is even capable of executing incomplete mapping models. As a result of this, the developer has to integrate less information in the mapping model. However, due to this approach, ambiguities may occur at various points during the course of a transformation. In order to be able to resolve these ambiguities, various strategies like the consultation of the user are presented in this thesis. The third main concept is formed by two approaches for higher-order transformations that allow the partial semi-automatic generation resp. completion of mapping models among others in the context of iterative development processes. This further simplifies the development of mapping models and allows for the step-wise reduction of occurring ambiguities as far as necessary. Representative case studies from the considered domain as well as an analysis with regard to general criteria for the assessment of transformation frameworks prove the functionality of the proposed methodology and its prototypical implementation. A concluding evaluation shows that the developed methodology satisfies the specific requirements concerning UI development in the domain of industrial automation and is suited to simplify the development of model transformations.

Nowadays, functional and safety requirements of vehicles can hardly be met without embedded software since a pure hardware-oriented realisation would be too complex and would result a huge number of electronic control units. Hence, the vehicle's weight would increase leading to a higher fuel consumption. During the last years, MATLAB/Simulink has become state of the art for the development of embedded software in the automotive domain. Furthermore, in order to make advantage of commonalities a software product line approach is applied. This kind of development raises new challenges in the context of complexity and evolution management of embedded software. For instance, dependencies within Simulink models as well as links among design artefacts like Simulink model and requirements document are frequently not obvious. Hence, later change requests become more and more complicated to incorporate. This thesis first presents a general concept for artefact integration and analysis in the context of embedded software development in the automotive domain. Second, the concept is realised with two implementation approaches following different paradigms. The model-based approach first parses the original artefacts into models of the Eclipse Modeling Framework (EMF) which are subsequently structurally optimised by model transformations to facilitate later analyses. This results in one EMF model per artefact, the so-called representative. The artefact integration is realised by links among the representatives' meta models. Analyses of artefacts, which are again realised by model transformations, now operate on these representatives leading to a further EMF model representing the analysis result. The second approach integrates artefacts via a central database. To this end, the original artefacts are first transferred into Java models applying tool-specific as well as Java functionality. In the next step, these models are persisted in the database where they can be linked to each other. Analyses operate on both Java models and the database and are, hence, implemented in Java. After a detailed explanation, the suitability of the approaches for artefact integration and analysis in an industrial context is evaluated based on case studies and developers' opinions. To this end, the run time efficiency and the scalability to huge Simulink models are investigated. Furthermore, generalisability and extensibility are discussed. Since each approach has to be adaptable to company-specific needs, the complexity of analysis implementation and the necessary background knowledge are considered as well.

Die im Bauwesen Einzug gehaltene, modellbasierte Arbeitsweise in der Planung baulicher Anlagen ermöglicht den Zugriff auf immer mehr Daten in digitaler Form. Diese Daten liegen dabei nicht nur in einem einzigen Modell vor, sondern sind, je nach Fachsparte und Entstehungsgeschichte, in unterschiedlichen Modellen hinterlegt. Durch Anwendung hoch spezialisierter Softwarewerkzeuge können jeweils die Daten innerhalb einer Fachdomäne effizient erzeugt und manipuliert werden. Die Bearbeitung von Aufgaben, die Informationen aus unterschiedlichen Fachdomänen nutzen, steht vor der Herausforderung, die vorhandenen Informationen aus den unterschiedlichen Modellen zu integrieren und zu nutzbaren Einheiten zusammenzufassen. Diese Einheiten werden dann durch den Bearbeiter mittels Informationsanreicherung, zielgerichteter Kombination und Anwendung von Algorithmen zu einem neuen Modell verknüpft. Der iterative Charakter der Planung im Bauwesen führt zu häufigen Änderungen in den Ausgangsmodellen solch nachgelagerter Bearbeitungsschritte. Für eine konsistente Planung ist daher die Wiederholbarkeit der Ableitung von Informationen aus den Ausgangsmodellen in jedem Iterationsschritt vorteilhaft. Damit die Informationsanreicherung, Kombination und Anwendung von Algorithmen nicht in jedem Iterationsschritt vollständig neu durchgeführt werden müssen, ist ein Verfahren notwendig, das mit wenigen gezielten Änderungen an die neue Datenlage angepasst werden kann. Die vorliegende Arbeit schlägt die Verarbeitung der für eine Aufgabe relevanten Daten auf Basis einer einheitlichen Meta-Modellsprache vor. Durch Anwendung einer standardisierten Transformationssprache können die Beziehungen der Elemente aus unterschiedlichen Fachmodellen nachvollziehbar und wiederholbar ausgedrückt werden. Es wird gezeigt, wie die Elemente aus unabhängigen Datenmodellen in ein Netzwerk sich gegenseitig referenzierender Modelle überführt werden können. Die Bearbeitung durch den Fachplaner geschieht anschließend auf der Grundlage dieses Modell-Netzwerkes. Durch die Einführung einer textuellen domänenspezifischen Sprache (Domain-Specific Language DSL) mit zugeordneten Algorithmen kann die Funktionalität, die ein Fachplaner benötigt, um seine Aufgabe zu erfüllen, bereitgestellt werden. Eine nach solch einem Verfahren durchgeführte Bearbeitung ist wiederholt ausführbar. Auf Änderungen in den Ausgangsmodellen kann durch gezielte Manipulation der niedergeschriebenen Arbeitsschritte in der DSL eingegangen werden. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Vorgehen am Beispiel der Prozessspezifikation für die Ausführungsplanung im Bauwesen aufgezeigt. Zur Metamodellierung wird die von der Object Management Group (OMG) standardisierte Essential Meta Object Facility (EMOF) Sprache mit der zugehörigen Query/View/Transform (QVT) Transformationssprache eingesetzt. Die eigens entwickelte domänenspezifische Sprache zur Bauprozessspezifikation wird mittels des Xtext-Frameworks in einer Pilotimplementierung auf Basis der Eclipse-Plattform realisiert. An einem Planungsbeispiel wird die Anwendung, der so geschaffenen Softwarelösung, demonstriert., The adoption of a model-based approach in the design of buildings provides access to digital data to a greater extent. These data are not only stored in a single model, but are, according to their domain and origination, persisted in different models. For each domain specialized software tools exist, whose applications efficiently generate and manipulate such data respectively. The processing of tasks depending on information from different technical domains faces the challenge to integrate the available information from the different models into usable units. These units are then linked by the planning personal along with information enrichment and application of algorithms to a new model. The iterative nature of the design of buildings leads to frequent changes in the input models of such downstream processing steps. To achieve a consistent design therefore the repeatability of the derivation of information from the input models in each iteration step is advantageous. In order that information enrichment and specification of how algorithms need to be applied do not have to be completely re- done with each iteration, a procedure is required, which can be easily adjusted with a few purposeful changes. The presented work proposes the processing of relevant data for a specific task based on a common meta-model language. By applying a standardized transformation language, relationships between the elements of models from different disciplines can be established in a traceable and repeatable way. It will be shown how the elements of independent data models can be transformed into elements of a network of models, where elements are mutually referencing each other. Subsequent specification by the planners is then carried out on the basis of this model network. The functionality required by professional planners is provided by introducing a textual domain-specific language (DSL) with associated algorithms. Hence, the planners are enabled to express their intentions in this language. A specification conducted in such a way can be repeatedly executed. Changes in the input models can be addressed through well-directed manipulation of specific written steps in the DSL. As an example this approach is demonstrated for the process specification of the execution of structural work. The Essential Meta Object Facility (EMOF) as a meta-modeling language as well as its associated transformation language, the Query/View/Transform (QVT), both standardized by the Object Management Group (OMG),are used. The domain-specific language, developed especially for the specification of construction-processes, is realized by means of the Xtext framework in a pilot implementation based on the Eclipse platform. The application of the resulting software solution is then demonstrated by creating the construction process model of a designed building.

Heute wird für konzeptuelle Modellierung sowohl die Unified Modeling Language (UML) als auch auch die OWL 2 Web Ontology Language (OWL 2) verwendet. Beide Sprachen entstammen verschiedenen Technologieräumen und setzen unterschiedliche Schwerpunkte. In dieser Arbeit wird untersucht, ob und wie sich konzeptuelle Modelle, die in der einen Sprache geschrieben sind, in konzeptuelle Modelle, die in der anderen Sprache geschrieben sind, überführen lassen. Dadurch würden für ein Modell Verfahren und Software-Werkzeuge beider Technologieräume verfügbar. Für die automatische Transformation wurde – anders als bei bisherigen Arbeiten – eine Herangehensweise gewählt, die von konkreter Syntax bzw. XML-Serialisierung abstrahiert und auf Ebene der Metamodelle von UML und OWL arbeitet. So lässt sich unabhängig von einzelnen Beispielmodellen zeigen, welche Modellelemente transformiert werden können und welche nicht. Für eine Vielzahl von Modellierungskonzepten wird eine formale Beschreibung gegeben und untersucht, wie sich das jeweilige Konzept mit UML bzw. OWL repräsentieren lässt. In den Fällen, in denen die Semantiken der Repräsentationen in beiden Sprachen hinreichend ähnlich sind, um – unter Beibehaltung der Semantik – eine Transformation durchführen zu können, werden die Transformationen ausführlich sowohl als Freitext als auch formal in Form deklarativer QVT-R-Transformationsregeln beschrieben. Da sich diese Regeln nur auf Elemente der Metamodelle beziehen, sind die Transformationen unabhängig von einzelnen Modellen (Instanzen dieser Metamodelle). Dadurch, dass die Transformationen in beide Richtungen vollständig und formal in QVT-R aufgeschrieben vorliegen, lassen sich die Überlegungen nachvollziehen und bei Bedarf schnell an einzelnen Beispielen testen. In dieser vollständigen und formalen Beschreibung unterscheidet sich diese Arbeit von anderen Arbeiten, die solche Beschreibungen nicht oder nur in Fragmenten enthalten. Während sich in UML beschriebene Datenmodelle bis auf wenige Einschränkungen (abstrakte Typen, bestimmte Arten der Generalisierung, Erweiterung durch Stereotypen) relativ gut mit Ontologien darstellen lassen, ist die Transformation allgemeiner OWL-Ontologien in UML-Datenmodelle nicht immer möglich. So stellt z.B. die automatische Klassifizierung von Objekten eine Schwierigkeit dar. Aber selbst in diesen Fällen ist oft eine Transformation möglich, wie bei Kardinalitätsbeschränkungen, die innerhalb von Vererbungsbeziehungen auftreten. Ein Anwendungsbeispiel aus der Praxis der Deutschen Zentralbibliothek für Wirtschaftswissenschaften (ZBW) zeigt, wie gut sich die Transformationsregeln auf konkrete Modelle anwenden lassen und so ohne große Verluste einen Wechsel von einem Technologieraum zum anderen möglich machen.

Im Software Engineering werden heutzutage verstärkt modellbasierte Entwicklungsansätze eingesetzt, in denen konzeptuelle Modelle mit präzise definierter Semantik für die Beschreibung von Software-Systemen verwendet werden. Durch die Beschränkung auf wesentliche Merkmale und die Möglichkeit die Struktur der Modelle und Modelloperationen in geeigneter Weise zu beschränken tragen diese Ansätze maßgeblich zur Steigerung der Effizienz des Entwicklungsprozesses und der Qualität der erstellten Software-Produkte bei. Die Bearbeitung konzeptueller Modelle erfolgt in der Regel durch geeignete Beschreibungstechniken, anhand derer sich Sichten auf ein konzeptuelles Modell bilden lassen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Techniken erarbeitet, mit denen sich Beschreibungstechniken durch Transformationen ihrer abstrakten Syntax in ein einheitliches konzeptuelles Modell integrieren lassen. Oftmals werden im Verlauf eines Software-Entwicklungsprozesses konzeptuelle Modelle eines Systems auf verschiedenen Abstraktionsebenen erstellt, die im Idealfall in Teilen durch automatisierte Verfeinerungsabbildungen auseinander hervorgehen. Hierzu werden Verfahren entwickelt, die eine konsistente Verfeinerung und Erweiterung konzeptueller Modelle ermöglichen. Ein klar definierter Entwicklungsprozess bietet Entwicklern zudem die nötige Hilfestellung bei der Spezifikation und Erstellung eines Software-Systems. Zu diesem Zweck wird ein Framework für die Definition flexibler Entwicklungsprozesse geschaffen, in dem Entwicklungsschritte als Transformationen eines Modells der im Entwicklungsprozess erstellten Artefakte definiert werden. Die Beschaffenheit korrekter Modelle wird durch Metamodelle definiert. Bedingt durch ihre einfache Abbildbarkeit auf eine Werkzeugunterstützung sind im Software Engineering vor allem objektorientierte Metamodelle weit verbreitet. Um die erarbeiteten Konzepte zur modellbasierten Entwicklung umsetzen zu können, wird die "Bidirectional Object-Oriented Transformation Language" (BOTL) als geeigneter Mechanismus für die Transformation objektorientierter Modelle entwickelt. Die Sprache verfügt über eine formale Semantik und bietet eine Reihe von Verifikationstechniken zum Nachweis der Ausführbarkeit von Transformationsspezifikationen und der syntaktischen Korrektheit der erzeugten Modelle. Der Einsatz von BOTL für die Realisierung eines modellbasierten Entwicklungsansatzes wird dargestellt und ihre Verwendung für die Umsetzung der verschiedenen Techniken exemplarisch anhand der KOGITO-Methodik für das Requirements Engineering demonstriert. Die Realisierbarkeit der erarbeiteten Ansätze zur Modelltransformation in der Praxis wird anhand eines im Rahmen der Arbeit entstandenen Werkzeuges belegt. Das Werkzeug erlaubt die graphische Spezifikation von BOTL-Transformationen und deren automatisierte Verifikation. Eine Transformationskomponente ist schließlich in der Lage objektorientierte Modelle in unterschiedlichen Darstellungen, wie Java-Objektgeflechte oder XMI, gemäß einer BOTL-Spezifikation zu transformieren. Today in software engineering model based development approaches are applied more and more. Within these approaches conceptual models with precisely defined semantics are used for the description of software systems. By the restriction of models to the essential characteristics of systems and the possibility to restrict the structure of models and model operations in a suitable manner, these approaches contribute essentially to the efficiency of the development process and to the quality of the created software products. The manipulation of conceptual models usually takes place through suitable description techniques which allows one to build views onto a conceptual model. Techniques are developed within this thesis that allow one to integrate description techniques into a common conceptual model by transformations of the description techniques’ abstract syntaxes. Conceptual models are often created at different levels of abstraction during a software development process. Ideally more concrete models can be derived (partially) automatically by refinement mappings. Therefore methods are developed that allow a consistent refinement and extension of conceptual models. Further, an unambigeously defined development process offers developers the needed assistance for the specification and the creation of a software system. Therefore a framework for the definition of flexible development processes is built which defines development steps as transformations of the model of artifacts created during the development process. The structure of correct models is defined by metamodels. Since object-oriented metamodels can be mapped very easily to a tool support, these kinds of metamodels are very widespread in software engineering. In order to be able to implement the presented concepts on model driven development processes the "Bidirectional Object-Oriented Transformation Language" (BOTL) is introduced as a mechanism for the transformation of object-oriented models. The Language comprises formal semantics and offers a number of verification techniques that allow to verify whether a transformation specification is executable and whether it will create syntactically correct models or not. The use of BOTL for the realization of a model based development approach is presented and the application of the different techniques is shown exemplary on the basis of the requirements engineering methodology KOGITO. The viability of the presented approaches for model transformations is verified by a tool support that was developed within this thesis. The tool allows the graphical specification of BOTL transformations and their automated verification. Ultimately a transformation component is able to transform object oriented models of different technical formats like Java object structures or XMI according to a BOTL specification.