1 Einleitung Die Produktentwicklung ist ein komplexer und wissensintensiver Prozess innerhalb von Industrieunternehmen mit einem brei- ten Einsatzfeld fu ¨r Anwendungssysteme und daher ein wichtiges Themengebiet der Wirtschaftsinformatik. Produktlebenszyk- lusmanagement, d. h. die Verwaltung aller produktbezogenen Informationen wa ¨h- rend der Produktlebenszeit, integriert die Produktentwicklung in die auftragsbezo- genen Wertscho ¨ pfungsketten von (virtuel- len) Unternehmen. Die Anforderungen an die Produktent- wicklung erho ¨ hen sich kontinuierlich: Die Komplexita ¨t der Produkte steigt, der Zeit- druck wa ¨chst, unterschiedlichste Ingenieur- disziplinen arbeiten bei der Entwicklung neuer Produkte zusammen. Daru ¨ ber hinaus ist eine zunehmende Virtualisierung der Produktentwicklung festzustellen, immer mehr Produkte werden in Unternehmens- netzwerken (Virtual Engineering) ent- wickelt. Die Bedeutung der Modellbildung und der Durchfu ¨ hrung von Synthese- und Analyseschritten im Computer wa ¨chst, um physikalische Prototypen zu vermeiden (Digital Mockup). Ohne Computer-Aided- Engineering(CAE)-Werkzeuge, die den Entwicklungsprozess durchgehend unter- stu ¨ tzen, sind heutige Produkte nicht denk- bar. Fu ¨ r die Entwicklung wettbewerbsfa ¨- higer Produkte ist neben Kreativita ¨t fun- diertes Fachwissen von technologischen Grundlagen bis hin zu Fertigungs- und Verwertungsverfahren notwendig. In die Produktentwicklung sind daher Kom- petenzen aus dem gesamten Unternehmen eingebunden [Hahn03a]. Bedingt durch Produktkomplexita ¨t und CAE-Werkzeug- anzahl haben Produktmodelle und ihnen zugrunde liegende Produktdatenmodelle eine um Gro ¨ ßenordnungen ho ¨ here Kom- plexita ¨t als Modelle anderer betriebswirt- schaftlicher Anwendungen. Der Umgang mit Wissen und Produkt- modell ist ein Schlu ¨ ssel zu hoher Produkti- vita ¨t in der Entwicklung. In einer neben- la ¨ufigen und unternehmensu ¨ bergreifenden Entwicklung ist der Einsatz von Werkzeu- gen zur Koordinierung und zum Wissens- und Produktmodellaustausch unumga ¨ng- lich [Gron93]. Dem Entwickler steht dazu am Arbeitsplatz eine Entwicklungsumge- bung zur Verfu ¨ gung. Diese Umgebung be- steht aus: Methodik, CAE-Werkzeugen, Prozess-/Datenmanagement und Kommu- nikationstechnologien [GaFH95]. Dieser Beitrag untersucht den Einsatz von Semantic-Web-Technologien fu ¨ r eine wissensorientierte Integration von verteil- ten Produktmodellen. Hierzu werden zu- na ¨chst Kooperationsansa ¨tze und zugrunde liegende Systemkonzepte fu ¨ r die koope- rative, verteilte Produktentwicklung be- schrieben. Daraufhin wird ein exemplari- scher Semantic-Web-basierter Integrations- ansatz vorgestellt und die Eignung von Ontologien fu ¨ r die Beschreibung von Ent- wicklungswissen untersucht. WIRTSCHAFTSINFORMATIK 47 (2005) 4, S. 278 – 284 Der Autor Axel Hahn Jun.-Prof. Dr.-Ing. Axel Hahn Universita ¨t Oldenburg Wirtschaftsinformatik 26111 Oldenburg 0441 798-4480 [email protected]Integration verteilter Produktmodelle durch Semantic-Web-Technologien Kernpunkte Der Beitrag untersucht die Einsatzmo ¨glichkeiten von Semantic-Web-Technologien und Onto- logien fu ¨r die Beschreibung der Konsistenzbeziehungen von partialen Produktmodellen in der Produktentwicklung: & Integration verteilter Produktmodelle durch Integration zu einem u ¨bergreifenden konzep- tionellen Modell. & Externalisierung von Wissen u ¨ber Beziehungen zwischen Elementen des Produktmodells. & Verwendung von Ontologien zur Beschreibung von Produktmodellen und Entwicklungs- wissen. Stichworte: Virtual Engineering, Produktmodell, Semantic Web, Ontologien, Integration, Produktlebenszyklusmanagement, Computer-Aided Engineering, Wissensmanagement WI – Aufsatz
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1 Einleitung
Die Produktentwicklung ist ein komplexerund wissensintensiver Prozess innerhalbvon Industrieunternehmen mit einem brei-ten Einsatzfeld fur Anwendungssystemeund daher ein wichtiges Themengebiet derWirtschaftsinformatik. Produktlebenszyk-lusmanagement, d. h. die Verwaltung allerproduktbezogenen Informationen wah-rend der Produktlebenszeit, integriert dieProduktentwicklung in die auftragsbezo-genen Wertschopfungsketten von (virtuel-len) Unternehmen.Die Anforderungen an die Produktent-
wicklung erhohen sich kontinuierlich: DieKomplexitat der Produkte steigt, der Zeit-druck wachst, unterschiedlichste Ingenieur-disziplinen arbeiten bei der Entwicklungneuer Produkte zusammen. Daruber hinausist eine zunehmende Virtualisierung derProduktentwicklung festzustellen, immermehr Produkte werden in Unternehmens-netzwerken (Virtual Engineering) ent-wickelt. Die Bedeutung der Modellbildung
und der Durchfuhrung von Synthese- undAnalyseschritten im Computer wachst, umphysikalische Prototypen zu vermeiden(Digital Mockup). Ohne Computer-Aided-Engineering(CAE)-Werkzeuge, die denEntwicklungsprozess durchgehend unter-stutzen, sind heutige Produkte nicht denk-bar. Fur die Entwicklung wettbewerbsfa-higer Produkte ist neben Kreativitat fun-diertes Fachwissen von technologischenGrundlagen bis hin zu Fertigungs- undVerwertungsverfahren notwendig. In dieProduktentwicklung sind daher Kom-petenzen aus dem gesamten Unternehmeneingebunden [Hahn03a]. Bedingt durchProduktkomplexitat und CAE-Werkzeug-anzahl haben Produktmodelle und ihnenzugrunde liegende Produktdatenmodelleeine um Großenordnungen hohere Kom-plexitat als Modelle anderer betriebswirt-schaftlicher Anwendungen.Der Umgang mit Wissen und Produkt-
modell ist ein Schlussel zu hoher Produkti-
vitat in der Entwicklung. In einer neben-laufigen und unternehmensubergreifendenEntwicklung ist der Einsatz von Werkzeu-gen zur Koordinierung und zum Wissens-und Produktmodellaustausch unumgang-lich [Gron93]. Dem Entwickler steht dazuam Arbeitsplatz eine Entwicklungsumge-bung zur Verfugung. Diese Umgebung be-steht aus: Methodik, CAE-Werkzeugen,Prozess-/Datenmanagement und Kommu-nikationstechnologien [GaFH95].Dieser Beitrag untersucht den Einsatz
von Semantic-Web-Technologien fur einewissensorientierte Integration von verteil-ten Produktmodellen. Hierzu werden zu-nachst Kooperationsansatze und zugrundeliegende Systemkonzepte fur die koope-rative, verteilte Produktentwicklung be-schrieben. Daraufhin wird ein exemplari-scher Semantic-Web-basierter Integrations-ansatz vorgestellt und die Eignung vonOntologien fur die Beschreibung von Ent-wicklungswissen untersucht.
WIRTSCHAFTSINFORMATIK 47 (2005) 4, S. 278–284
Der Autor
Axel Hahn
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Axel HahnUniversitat OldenburgWirtschaftsinformatik26111 Oldenburg0441 [email protected]
Der Beitrag untersucht die Einsatzmoglichkeiten von Semantic-Web-Technologien und Onto-logien fur die Beschreibung der Konsistenzbeziehungen von partialen Produktmodellen inder Produktentwicklung:
& Integration verteilter Produktmodelle durch Integration zu einem ubergreifenden konzep-tionellen Modell.
& Externalisierung von Wissen uber Beziehungen zwischen Elementen des Produktmodells.& Verwendung von Ontologien zur Beschreibung von Produktmodellen und Entwicklungs-
2 Kooperative Produkt-entwicklung und Integrations-ansatze
Fur eine verteilte nebenlaufige Produktent-wicklung (Concurrent Engineering) lassensich in der Praxis verschiedene Koopera-tionstiefen und jeweils zur Anwendungkommende Integrationsansatze erkennen.Bild 1 stellt mit der Whiteboard-Integra-tion und dem Produktmodellaustauschzwei reprasentative Ansatze dar; erganztum die in diesem Beitrag vorgestellte loseModellkoppelung mittels Semantic-Web-Technologien.
Bei einer Whiteboard-Integration bear-beiten zwei oder mehrere Entwickler gleich-zeitig dasselbe Produktmodell auf einer„Virtuellen Tafel“. In der Praxis finden sichdrei verschiedene Losungsansatze: SharedApplication, gemeinsamer Applikations-kern undDatenbanksynchronisation.Shared Application: Mit Hilfe des Be-
triebssystems (bzw. entsprechender Erwei-terungen) wird die Benutzungsoberflacheder Modellieranwendung repliziert. Allebeteiligten Entwickler nutzen die gleicheOberflache und bedienen virtuell gemein-same Eingabegerate. Vorteil dieser Tech-nologie ist die einfache Anwendbarkeit aufexistierende Applikationen. Nachteilig istdie notwendige Abstimmung bei der Bedie-nung, fehlende Personalisierung und ggf.Geschwindigkeitsprobleme bei 3D-Dar-stellungen uber langsamere Weitverkehrs-netze. Zum Einsatz kommt diese Technolo-gie z. B. fur verteilte Design-Review-Sit-zungen, in denen Experten einen Entwurfdiskutieren und bewerten.Gemeinsamer Applikationskern: Un-
terschiedliche Sichten und paralleler Zu-griff auf das Modell erlaubt die Verwen-dung eines gemeinsamen Modellierkerns.In einer so genannten Multi-Tier-Architek-tur greifen die verschiedenen Entwicklermit eigenen Clients auf das gleiche Systemzu. Es gibt wenige CAE-Werkzeuge, diediese Art von Kooperation unterstutzen[siehe z. B. TaCD04]. Dagegen nutzenWerkzeuge wie Produktdatenmanagement-systeme, die eine gemeinsame Bearbeitungvon Dokumenten- und Produktstrukturenerlauben, meist einen gemeinsamen Appli-kationskern [AbSi02].Datenbanksynchronisation: Bei der
Datenbanksynchronisation wird jede �n-derung direkt an dem in der Datenbank ge-speicherten Produktmodell durchgefuhrt.Mit Hilfe von Benachrichtigungsmechanis-men werden verteilte Anwendungen uberVeranderungen informiert. Auch diese Art
der Integration kommt nur in wenigenSoftwaresystemen vor.Der asynchrone Austausch von Produkt-
modellen uber Datenbanken oder Dateienhingegen ist die gelaufigste Art der Integra-tion in der Praxis. Die Entwickler reservie-ren Teile des Produktmodells fur sich undbearbeiten diese unabhangig voneinander.Ergebnisse tauschen die Entwickler per Da-tei, in der Regel unter Verwendung vonStandards (wie STEP [ISO00], PLIB[ISO98], VHDL [IEEE91], IEC [IEC97]u. v. m.) oder in proprietaren Formaten,aus. Alternativ werden die Produktmodellein einer Datenbank abgelegt und durch einProduktdatenmanagement(PDM)-Systemverwaltet [EiSt01]. Bei einem solchen Vor-gehen ist mit Informationsverlusten zurechnen, wenn die Datenmodelle der ver-wendeten CAE-Werkzeuge unterschiedlichsind.
Enterprise-Application-Integration(EAI)-Ansatze [Lint99] haben in der Produktent-wicklung bislang nur in Einzelfallen, wieetwa fur das unternehmensubergreifendeDokumentenmanagement, Verbreitung ge-funden. Die vorgestellten Koppelungsartenreprasentieren den Stand der Technik. DieIntegration konzentriert sich auf den Aus-tausch von Produktmodellen zwischenCAE-Werkzeugen und Arbeitsplatzen.Trotz der verwendeten Standards sind dieIntegrationsaufwande erheblich und steheneiner flexiblen Koppelung in einem sichdynamisch verandernden Entwicklungs-prozess entgegen. Aus der Wissensintensi-tat der Produktentwicklung ergibt sich dieNotwendigkeit Wissen explizit abzulegenund auszutauschen, welches uber die kon-zeptionelle Machtigkeit der verwendetenProduktdatenmodelle hinausgeht. Beispielefur solches Wissen sind insbesondere Ab-hangigkeiten zwischen Modellentitatenoder Design Rationals (Entscheidungs-grunde im Entwurf). Dieses Beziehungs-wissen wird heute z. B. im PDM-Systemunabhangig von den durch die CAE-Syste-me gepflegten Bestandteilen des Produkt-modells verwaltet. Heutige PDM-Systemeadressieren immer mehr auch das Wissens-management in der Produktentwicklung[AbSi02], handhaben aber die Produkt-daten der CAE-Werkzeuge, wie ein Doku-mentenmanagementsystem, als Dateien.Eine feiner granulare Verknupfung voneinzelnen Entitaten in Produktdaten-modellen ist nicht moglich.Genau diesen Weg geht die in diesem
Beitrag untersuchte lose Koppelung undbeschreibt so Moglichkeiten, diese Infor-mationen abzubilden.
Durch die Annotation von Produktda-tenmodellen mit Metadaten wird Wissenuber die Beziehungen der Produktmodell-entitaten untereinander abgelegt. Es ent-steht ein verknupftes Netzwerk von Pro-duktmodellentitaten: das integrierte Pro-duktmodell. Im Gegensatz zu den Arbeitenim Bereich EAI geht es hier nicht darum,existierende Informationen zusammen-zufassen, sondern zusatzliche Informatio-nen fur die Externalisierung von Bezie-hungswissen uber Produktmodellentitatenabzubilden.
3 Integriertes Produkt-modell
Im Gegensatz zu einer engen Werkzeug-integration – bei der das Produktmodell ineinem einheitlichen Datenmodell und ggf.sogar zentral gespeichert wird – basiert derhier untersuchte Ansatz auf einer losenKoppelung der CAE-Werkzeuge. In vielenEntwicklungssituationen ist es nicht not-wendig, umfangreiche Produktinformatio-nen von Werkzeug zu Werkzeug zu trans-portieren. Stattdessen wird durch Verknup-fungen uber Werkzeuggrenzen hinweg einverteiltes Modell geschaffen und so Wissengespeichert.
So entsteht auf konzeptioneller Ebeneein verknupftes Produktmodell (Bild 2).Die einzelnen Daten des Produktmodells
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Applikationskern
DB
STEPFile
GUI GUI
Produktmodellaustausch
Lose Koppelung
Whiteboard-Integration
DB
DB DB
Bild 1 Integrationsansatze in derProduktentwicklung
Integration verteilter Produktmodelle durch Semantic-Web-Technologien 279
(Mikromodelle) verbleiben auf Implemen-tierungsebene in den Produktdatenmodel-len der jeweiligen CAE-Werkzeuge. Siesind Partialmodelle des Gesamtprodukt-modells.In der Entwicklungsumgebung ist eine
feingranulare Verknupfung der partiellenProduktmodelle herzustellen. Damit stehtein geeignetes Werkzeug zur Reprasenta-tion von Produktentwicklungswissen zurVerfugung. Mit diesem konnen u. a. Ab-hangigkeiten von einzelnen Produktmo-dellentitaten, Regeln, Konfigurationen undVerknupfungen modelliert werden. Dazubietet sich eine semantische Foderation derModelle auf Implementierungs- und kon-zeptioneller Ebene an: Da die Datenmodel-le der CAE-Werkzeuge nicht verandertwerden (konnen), wird die fur die Integra-tion notwendige semantische Beschreibungeinzelner Modellentitaten uber Metadatenerreicht, die den Produktmodellen durchAnnotation hinzugefugt werden.Fur die Umsetzung eines solchen Kon-
zeptes ergeben sich zwei Herausforderun-gen: ein Verfahren fur die semantische Be-schreibung des Beziehungsnetzwerkes undeine entsprechende technische Infrastruk-tur zu dessen Verwaltung. Im Folgendenwird insbesondere die Eignung von Onto-
logien fur die Modellierung des Bezie-hungsnetzwerkes untersucht.
Fur die Integration des Produktmodellssind die Beziehungen zwischen den Pro-duktmodellentitaten und deren Bedeutungexplizit zu erfassen. Mit der Entwicklungder Semantic-Web-Technologien [BeFi99]stehen hierzu standardisierte Technologienwie das Resource Description Framework(RDF) [W3C04] zur Verfugung. Mit On-tologien lasst sich das konzeptionelle Ver-standnis uber die Beziehungen der Modell-entitaten formal beschreiben.
4.1 Ontologien in der Produkt-entwicklung
Ontologien dienen zur expliziten Beschrei-bung der Konzepte einer Anwendungs-domane [Grub93]. Mit Ontologien be-schriebene Konzepte bilden eine gemein-same semantische Basis (Common Sense)beim Informationstausch und unterstutzen
damit die korrekte Interpretation der In-formationen. Bekannte Beispiele aus derWirtschaftsinformatik sind z. B. Unterneh-mensontologien wie TOVE [FoGr98] oderREA [GeCa99]. Sie ahneln konzeptionel-len Modellen, wie etwa dem SemantischenObjektmodell (SOM) von Ferstl und Sinz[FeSi94], allerdings mit einem generische-ren Anwendungsgebiet und eignen sichdank ihrer formalen Beschreibung zur au-tomatischen Auswertung wie etwa zum lo-gischen Schließen.De-facto-Standard fur die Beschreibung
von Ontologien ist die Ontology WebLanguage (OWL). OWL ist eine Erweite-rung von RDF, basiert auf Beschreibungs-logiken und implementiert das SHIQ-Mo-dell [StSt04].Da sehr wissensintensiv, finden sich in
der Produktentwicklung, verglichen mitanderen Unternehmensbereichen, beson-ders zahlreiche und stark verknupfte Kon-zepte. Durch ihre formalen Eigenschaftenund ihre Erweiterbarkeit eignen sich Onto-logien gut zur Beschreibung der Konzeptein der Produktentwicklung. Fur die Hand-habung, Konsistenzsicherung und Integra-tion komplexer Ontologien stehen leis-tungsfahige Werkzeuge zur Verfugung(z. B. Protege [NSDC01], Ontobroker/
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integriertesProdukt-modell(IPM)
Konzeptionelle Ebene
Implementierungsebene
PartialmodellFunktion
Partialmodell
Produkt-struktur
Dateien derCAE-Werkzeuge
PLM-/Metadaten und Integration Produktdaten
Geometrie
Bild 2 Konzeptionelle und technische Integration des verteilten Produktmodells [vgl. auch Wirt01]
280 Axel Hahn
KAON [OVMS04], Ontoedit [SEAS02]).Bislang finden sich zum Einsatz von Onto-logien in der Produktentwicklung kaumVorarbeiten in der Literatur. Es ist nahe lie-gend, Semantic-Web-Technologien inner-halb von PDM-Systemen zur Wissens-reprasentation zu nutzen [TeCP05]. AußerPilotprojekten, insbesondere in der Auto-mobilindustrie, gibt es nach dem Kenntnis-stand des Autors heute keine kommerziel-len Semantic-Web-basierten PDM-Syste-me.Genutzt werden Ontologien im hier be-
trachteten Ansatz zur Beschreibung derverwendeten Konzepte und deren Bezie-hungen, also zur Annotation von Produkt-modellentitaten und zur Umsetzung eineskonzeptionellen Datenmodells fur das Pro-duktdatenmanagement.Der Produktentwickler kann, geeignete
Werkzeuge vorausgesetzt, an der Erstellungder Ontologien beteiligt werden und somitimplizit vorhandenes Wissen externalisie-ren. Um die Leistungsfahigkeit, Komplexi-tat und Handhabbarkeit von Ontologien inder Produktentwicklung zu evaluieren,werden im Folgenden ein Lebenszyklus-modell fur Ontologien in diesem Anwen-dungsfeld vorgeschlagen und die Eigen-schaften der Ontologien untersucht.Die Entstehung der Ontologien lasst
sich in drei Phasen untergliedern: Initiali-sierung, Reifung und Nutzung.Initialisierung: In dieser Phase werden,
moglichst unter Verwendung bestehenderOntologien, die Hauptkonzepte festgelegt.Dies geschieht ubergreifend fur moglichst
viele Fachabteilungen (Unternehmensver-bund, einzelnes Unternehmen, ggf. Abtei-lung) des Entwicklungsnetzwerkes. Diegemeinsam geschaffene semantische Basisvereinfacht und beschleunigt eine spatereIntegration unabhangig voneinander weiterkonkretisierter Ontologien.Reifung: Wahrend der Entwicklung spe-
zifiziert der Entwickler, moglichst unterVerwendung der ursprunglichen Ontolo-gie, weitere Konzepte und erzeugt Instan-zen zum Ausbau der Wissensbasis und zurVerknupfung der partialen Produktmodelleoder zur Beschreibung externer Wissens-quellen wie Web-Ressourcen, Standardsoder Losungselementbibliotheken (Lo-sungselemente sind in der Regel standardi-sierte Subsysteme oder Komponenten wiez. B. Zukaufteile). Hierzu sind am Arbeits-platz geeignete Werkzeuge bereitzustellen.Eine Integration in den Entwicklungspro-zess erhoht die Akzeptanz.
Nutzung: Es erschließt sich eine Reihevon Anwendungen fur die Ontologien undWissensbasen: die Integration verteilter Pro-duktmodelle zu einem einheitlichen Modell,die Unterstutzung der Navigation der Ent-wickler durch das Produktmodell mittelsTraversieren uber das Semantische Netz,Dokumentation der Entwicklung, Ablei-tung von Schlussfolgerungen z. B. fur einQuality Function Deployment [JaMC98]u. v. m.Im Folgenden wird der Einsatz von
OWL fur die Annotation von Produktmo-dellen dargestellt und die Eigenschaftender Ontologien naher betrachtet.
4.2 Konzeptionelle Beschreibungvon Produktmodellentitaten mit OWL
Der Einsatz von OWL fur die Verknup-fung verteilter Partialmodelle wird durchein Beispiel deutlich: Bild 3 zeigt, wie Be-ziehungswissen zwischen zwei Entitateneines Anforderungsmodells und drei Enti-taten eines Funktionsmodells mittels OWLbzw. RDF beschrieben wird. In OWL wer-den funf Instanzen der Konzepte „Anfor-derung“ und „Funktionen“ erzeugt: dieAnforderungen „Tork“ und „Power“ unddie Funktionen „SensorUnit“, „Actor-Unit“ und „ControlUnit“.
Jede der Instanzen ist durch ein rdf:about-Attribut mit einer eindeutigen Referenzdurch einen Uniform Resource Identifier(URI) auf eine Entitat innerhalb des Anfor-derungs- bzw. Funktionsmodells definiert.Fur „Tork“ ist das „&req;Instance_5“ wobei„&req;“ eine XML-Entity ist und eineAdresse zur Identifikation des jeweiligenModells darstellt (und so etwa zu einerURLwie „http://www.offis.de/project/requirements.xml“ expandiert wird).
In diesen OWL-Fragmenten werden diefolgenden Aussagen uber Beziehungenzwischen Modellentitaten durch State-ments (3-Tupeln der Form <Subjekt, Pra-dikat, Objekt>) beschrieben: <FunctionSensorUnit, implements, RequirementTork>, <Function ActorUnit, implements,Requirement Power>, <Function Sensor-Unit, is derived from, ControlUnit> und<Function Actor Unit, is derived from,ControlUnit>.
Bild 3 Beschreibung und Verknupfung der Modellentitaten in einem Anforderungs- und einem Funktionsmodellierwerkzeug durch RDF-Statements
Integration verteilter Produktmodelle durch Semantic-Web-Technologien 281
In Bild 3 ist nicht dargestellt, wie die Se-mantik der verwendeten Bezeichner derOWL-Datei spezifiziert wird. Die zumBeispiel gehorende Ontologie definiert dieKonzepte „Function“ und „Requirement“und die Beziehungen „implements“ und„is derived from“. Durch Vererbungs-mechanismen konnen diese Bezeichner aufbekannte Bezeichner oder vordefinierteBeziehungstypen zuruckgefuhrt werden.Damit lasst sich z. B. spezifizieren, dass „isderived from“ ein transitives Pradikat ist.Integriert man die Erzeugung der Refe-
renzen in den Entwicklungsprozess, wirddie Externalisierung von implizitem Wis-sen der Produktentwickler gefordert.OWL bzw. RDF bietet eine direkte Refe-renzierung von Elementen innerhalb derPartialmodelle durch einen Adressierungs-mechanismus. Bedingung ist eine Identifi-zierbarkeit von Modellentitaten im Pro-duktmodell. Die verwendete Adresse ver-schlusselt eine logische Adresse der Dateiund adressiert ein Element. Letzteres kannfur XML-Dokumente z. B. durch XPATH[Kay04] geschehen.Die Anforderung an die CAE-Werkzeu-
ge ist eine eindeutige Referenzierbarkeitder Produktmodellentitaten. Fur den prak-tischen Einsatz ist zudem ein Viewer furdie Darstellung des Produktmodells undAuswahl von Entitaten an Arbeitsplatzen,an denen das Werkzeug nicht installiert ist,sinnvoll.
Als Fallstudien sind mit PIXL [Hahn03b]fur die Annotation von Produktmodellenund smartPDM ein eigens entwickeltesPDM-System mit OWL-Ontologien alskonzeptionelles Datenmodell jeweils pro-totypische Implementierungen geschaffenworden, die als Basis fur weitere Unter-suchungen dienen.Die Untersuchung hat zwei Ziele: Er-
probung der Handhabbarkeit der Ontolo-gien wahrend der Durchfuhrung der Ent-wicklung und die Gewinnung von Er-kenntnissen uber Eigenschaften undAussagekraft der entstehenden Semanti-schen Netze zur Verknupfung der Pro-duktmodellentitaten. Als Entwicklungsauf-gabe wurde mit einem Autopiloten furBoote ein mechatronisches Produkt mitSoftware-, Mechanik- und Elektronikkom-ponenten ausgewahlt. Die Entwicklungorientierte sich an am Markt befindlichenProdukten. Fur die Untersuchung wurden
einzelne Entwicklungssituationen mit zweiArbeitsplatzen nachgebildet und analysiert.Die Entwicklungsaufgaben wurden jeweilsvon Studententeams viermal durchgefuhrtund anschließend analysiert.Untersucht wurden die Beziehungen
zwischen den folgenden Partialmodellenfur eine lose Koppelung:& Anforderungsmodell& Funktionsmodell& Systemkonzept (Modularisierung)& Teile des Geometriemodells& Teile des SchaltungsentwurfsDie PDM Komponente smartPDM bildetdie verwalteten Metadaten mithilfe des se-mantischen Netzes ab. Eine quantitativeBetrachtung der entstandenen Ontologiehat die Ergebnisse aus Tabelle 1 ergeben.Produktdatenmodelle fur den Austausch
von PLM Daten haben heute ca. 100–150Klassen (siehe zum Beispiel PLMXML(proprietares Format von EDS) undPDTnet [NovL03]). Die Ontologie fur dieim PLM-System smartPDM verwaltetenInformationen hat 87 Klassen und 131Properties, davon sind ca. 80% Literale.Die Anzahl der Klassen liegt damit in derGroßenordnung von PLMXML oderPDTnet. Diese Zahl relativiert sich, wennuntersucht wird, wie viele der Klassen dieBeziehungen zwischen den Partialmodel-len und Dokumenten beschreiben. DieOntologie von smartPDM umfasst Basis-spezifikationen fur Funktionen, Baustruk-tur, Klassifikationen (Kataloge) und Kon-figurationen. Die Anzahl der notwendigenKlassen fur die Abbildung des Beziehungs-wissens in und zwischen diesen Bereichenbetragt jeweils 6 bis 12.
Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dassschon kleine Ontologien geeignet sind,Partialmodelle umfangreich zu verknupfen.
Die im Pilot erzeugten 1287 Instanzen derKonzepte/Klassen der PDM-Ontologieentsprechen in etwa auch den Datenbank-eintragen, die fur die Abbildungen der Me-tadaten mit einem PDM-System anfallenwerden. Die Instanzen hat smartPDMselbststandig bei der Modellierung des Ent-wicklungsprozesses, der Produkt- und Do-kumentenstruktur angelegt. Die weiterenInstanzen und Statements sind allerdingsvon den Entwicklern direkt wahrend derPilotentwicklung mit PIXL definiert wor-den und umfassen Referenzen auf Modell-entitaten, externe Ressourcen und Doku-mente.Es hat sich gezeigt, dass die Statements
deutlich den Informationsgehalt des Pro-duktmodells erweitert haben. Mit dem vor-gestellten Ansatz lasst sich Wissen externa-lisieren, das sonst nicht erfasst worden wa-re. Die verwendeten Ontologien sind dabeirecht klein gewesen (geringer Administra-tionsaufwand). Trotzdem haben die Ent-wickler neben den PDM-Eintragen 133Statements spezifiziert. Zu untersuchen istnun, welche zusatzliche Qualitat der An-satz durch die Integration existierender do-manenspezifischer Ontologien gewinnt,die allerdings noch kaum verfugbar sind.Wahrend der Untersuchung ist der kon-
krete Bedarf an zwei Weiterentwicklungenidentifiziert worden: Der Umgang mit dy-namischen �nderungen der Ontologien(insbesondere Erweiterungen zur Laufzeit)inklusive eines Versions- und Varianten-managements und die Entwicklung von in-tegrierten Benutzungsoberflachen fur einegraphische, interaktive Navigation durchdas semantisches Netzwerk und das Pro-duktmodell, durch die Verwendung undErweiterung von Viewern fur die Partial-modelle.
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Tabelle 1 Quantitative Betrachtung des Semantischen Netzes in der untersuchten Pilotentwicklung
Bereich Konzepte Instanzen (Pilot)
Basis 6 Klassen Keine
PDM 87 Klassen 1287 Instanzen
1993 Statements
Integration
Anforderungen / Funktionen
4 Klassen 28 Instanzen
32 Statements
Integration
Funktionsmodelle / Systemkonzept
6 Klassen 36 Instanzen
42 Statements
Integration
Systemkonzept / Geometrie
12 Klassen 23 Instanzen
29 Statements
Integration
Geometrie / Schaltungsentwurf
8 Klassen 12 Instanzen
31 Statements
282 Axel Hahn
5 Zusammenfassungund Ausblick
Ontologien entwickeln sich zu einer wichti-gen Methode, Modellen durch Annotationvon Metadaten zusatzliche semantische In-formationen hinzuzufugen. Damit ergibtsich fur die Integration von Unternehmens-anwendungen und unternehmensubergrei-fende Integrationsaufgaben eine Reihe vonAnwendungsfeldern fur eine modellge-stutzte Integration z. B. im EAI-Umfeld[HaRe04], bei der Orchestrierung vonWebservices [DAML03] oder bei der auto-matischen Transformation von E-Business-Nachrichten von einem Datenmodell in einanderes.In der Produktentwicklung lassen sich
Ontologien auf Anwendungsebene nutzen,da die Erstellung von Modellen Kern derEntwicklungstatigkeit ist und von den Ent-wicklern beherrscht wird.Der Beitrag zeigt das Potential von On-
tologien zur Beschreibung der Zusammen-hange von partialen Produktmodellen inder Produktentwicklung auf. Ontologiensind ein machtiges Werkzeug, um implizitvorhandenes Wissen der Produktentwick-ler wahrend der Entwicklung zu externali-sieren. Durch die Untersuchung von Pilot-entwicklungen hat sich gezeigt, dass schonmit kleinen Ontologien und wenigen Klas-sen umfangreiches Wissen abgebildet wer-den kann. Diese Ontologien lassen sich aufGrund ihrer �bersichtlichkeit manuell in-tegrieren. Fur die Zusammenfuhrung gro-ßerer Ontologien existieren unterstutzendeWerkzeuge [MFRW00; StSt04]. Die vor-gestellte Technologie kann die Kooperationin virtuellen Entwicklungsteams effektivunterstutzen und den Umgang mit explizi-tem Wissen in der Entwicklung etablieren.Ein notwendiger weiterer Schritt ist eine
Integration der Werkzeuge in die Entwick-lungsumgebung und -prozesse am Arbeits-platz des Entwicklers. Zudem kann erfass-tes Wissen methodisch berucksichtigt undneue Werkzeuge, etwa zur Anforderungs-verfolgung, zur Evaluierung oder zumEntwicklungsmanagement (z. B. zur Pro-duktivitatsmessung) entwickelt werden.
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Abstract
Semantic Web Based Integration of Distributed Product Models
Product development is the most knowledge intensive business process in industry. Productmodels have a special role in supporting knowledge and information exchange. Interdisci-plinary engineering processes and distributed tools generate distributed and heterogeneousproduct models with numerous internal dependencies and relationships. Neither KnowledgeManagement Systems nor Product Life Cycle Management Systems support the maintenanceof these relationships sufficiently today. This paper suggests an approach to describe andmanage internal relationships of the product model and to ensure its consistency by usingSemantic Web technologies. Ontologies are applied to specify the relationships semanti-cally.
Integration verteilter Produktmodelle durch Semantic-Web-Technologien 283
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