Meta-Modelle für große Datenmengen im digitalen Zwilling

API zugriff
API vs. Implementierung bei Typ 2. – Bild: EKS InTec GmbH

Die Verwaltungsschale (Asset Administration Shell, AAS) dient der Erstellung und dem Austausch industrieller digitaler Zwillinge. Aus Sicht der Autoren sind digitale Zwillinge eine Datensammlung mit mehr oder weniger ausgeprägten Eigenschaften und Verhalten. Dabei unterscheidet man unter anderem Typ 1 (serialisierte Daten sind in einem standardisierten Dateiformat abgelegt, typischerweise JSON- oder XML-basiert) und Typ 2 (Serverprotokoll, das die aktuellen Daten ausliefert oder aktualisiert).

Projekt lotet Grenzen aus

Im Zuge des Projekts Tooling (Digitaler Zwilling für den KI-unterstützten Werkzeugentstehungsprozess) sollte ein digitaler Zwilling des Werkzeugentstehungsprozesses erstellt und mit Daten der beteiligten Partner gefüttert werden. Ein erster Ansatz mit der AAS musste nach recht kurzer Zeit verworfen werden: Die zu speichernde Datenmenge war mit letztlich mehr als 100 Gigabyte schlicht zu groß. Dieser Beitrag soll die im Projekt vorliegende Problemstellung beleuchten und Handlungsempfehlungen für andere Betroffene bieten. Bei Nutzung von ähnlichen Standards, wie AutomationML besteht das Problem ebenso. Es ist ein systematisches Problem der Daten-basierten digitalen Zwillinge.

Speicherinfrastruktur bei AAS

Bei der AAS des Typs 1 (oder AMLX) werden die Daten des Zwillings in gezippter Form als .aasx-Datei abgelegt. In dem Archiv befindet sich eine XML-Datei, genannt Manifest, die die eigentlichen Daten enthält. Es lassen sich zusätzliche Anhänge einbinden. Somit können grundsätzlich beliebige Daten und Dateiformate in einer AAS eingebettet und weiterverarbeitet werden. Das Problem mit diesem Ansatz ist der Fokus auf das Manifest. Die Annahme ist, dass die Daten in XML kodiert ablegbar sind. Für nicht-komplexe Daten wie Texte, Zahlen und Wahrheitswerte ist das auch direkt möglich. Bei Nutzung externer Daten, sogenannter Blobs, stößt der Ansatz schnell an seine Grenzen, wenn eine gewisse Größe erreicht ist: Der Algorithmus zum (Ent-)Packen benötigt nun signifikante Speicher- und Rechen-Ressourcen.

Dreiecke
Standardisierte Modelle und
individuelle Systeme im Vergleich. – Bild: EKS InTec GmbH

BaSyx/FA3ST ist keine Lösung

Ein erster Lösungsansatz dieses Problems könnte in der Nutzung von AAS Typ 2 liegen. Es existieren Referenz-Implementierungen wie etwa BaSyx oder FA3ST, welche einen Server bereitstellen. Diese nutzen allerdings zur Speicherung der ausgetauschten Daten intern dennoch eine Typ-1-AAS. Damit erbt dieser Ansatz quasi die Probleme des Typs 1 und kann ebenso schlecht mit großen Daten umgehen, wie ein direkt auf .aasx-Dateien basierender Ansatz. Um die Blobs nicht im Archiv abzulegen, ist es nötig, diese außerhalb zu speichern. Bestehende Bibliotheken für die AAS stellen nur die Interaktion mit aasx-Dateien bereit. Damit geht ein Mehraufwand für die Verwaltung und das Management der externen Dateien und gegebenenfalls ihrer Versionen einher. In der AAS werden dann im Manifest nur noch die Informationen gespeichert, wo die binären Blobs zu finden sind (einfachster Fall: URI oder Dateipfad in einem String).

Freiheit bedeutet Mehraufwand

In der IT ist es üblich, zu abstrahieren. Angewandt auf die AAS beschreibt Typ 2 nur noch ein Kommunikationsprotokoll (eine API). Wie die Daten gespeichert werden, ist nicht festgelegt (vgl. Abb. 1). Beispielsweise kann hier auch eine klassische Datenbank eingesetzt werden: Die Aufgabe klassischer Datenbanken ist die Speicherung (semi-)strukturierter Daten, wie sie auch im Manifest der AAS auftreten. Diese Programme wurden in jahrelanger Arbeit verbessert und für ihren Einsatz optimiert. Daher ergibt es Sinn, bei einem AAS-Typ-2-Server die Datenhaltung in Datenbanken auszulagern. Dies reduziert neben dem Ressourcenverbrauch auch den Aufwand zur Verwaltung des Manifests bei der Implementierung. Die hier genannten Möglichkeiten sind nicht erschöpfend. Das individuelle Optimum muss im Spektrum zwischen standardisierten und maßgeschneiderten Systemen gefunden werden. Je weiter man sich von der Standardisierung durch AAS/AML entfernt, desto mehr Freiheiten sind vorhanden, um die Speicherung zu optimieren. Dies muss allerdings durch einen Mehraufwand in der Implementierung erkauft werden. Beispielsweise bedeutet das Speichern in einem externen Storage, grundlegende Konzepte erneut zu prüfen: Der AAS-Typ-2-Server kennt Maßnahmen zur Rechte- und Rollenverwaltung. Diese müssen bei einem externen Server als zusätzliche Schutzebene erst eingebunden werden.

Interface für den Nutzer

Die AAS Typ 2 definiert eine Reihe REST-basierter Schnittstellen zur Navigation auf den Daten. Damit können sich Clients alle benötigten Daten beschaffen und eigene Daten ablegen. Das Interface ist jedoch sehr allgemein gehalten, da es sich bei der AAS um ein Meta-Modell handelt. Das Interface beschreibt deshalb kein konkretes Datenmodell für einen Anwendungsfall. Stattdessen definiert es generische Zugriffe, die dann kontextabhängig sind. In Ermangelung eines statischen Datenmodells ist Typsicherheit unmöglich und Anwender oder Nutzer sind dafür verantwortlich, die Daten auf Validität zu prüfen. Alternativ besteht die Möglichkeit, statt einem AAS-Typ-2- einen Problem-spezifischen REST-Server aufzubauen. In diesem Fall können die Endpunkte genau an den jeweiligen Use-Case angepasst werden. Damit ist der Gedanke der Standardisierung jedoch verloren gegangen und Interoperabilität zumindest fraglich. Je nach angestrebtem Einsatzszenario steht der Navigationsaufwand innerhalb der AAS in direkter Abhängigkeit zu ihrer Komplexität. Zum einen reduziert eine zugeschnittene API den Implementierungsaufwand des Clients. Zum anderen erlaubt ein generisches Interface (vgl. AAS-Server-Typ2-API) größtmögliche Flexibilität (vgl. Abb. 2).

Fazit

Der Einsatz von Meta-Modellen in der Industrie 4.0 (AAS/AML) ist im jeweiligen Einsatzszenario genau zu prüfen. Die Modelle wurden in den letzten Jahren stark in den Fokus der Industrie und Wissenschaft gerückt und von den Herausgebern gerne als allgemeingültige Lösung propagiert. Jedoch lässt sich keine eindeutige und pauschale Aussage dazu sinnvoll treffen. Stattdessen sollten in jedem Einsatzfall der Zweck und die Rahmenbedingungen geprüft werden. Es gibt viele Einsatzbereiche, in denen Meta-Modelle einen Beitrag zum industriellen Fortschritt leisten. Ebenso gibt es aber auch Fälle, bei denen ihr Einsatz zu einem erhöhten Aufwand führen wird. Eine individuelle Fall-Analyse wird daher dringend angeraten. Das Forschungsprojekt Tooling wurde von der Europäischen Union finanziert und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.



  • Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

    Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

    Philipp Hahn-Woernle übergibt den Staffelstab Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group Die Viastore-Gruppe steht ab dem 1. Januar 2024 unter neuer Leitung. Thomas Hibinger übernimmt dann das Amt des…

    mehr lesen: Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

  • Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

    Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

    Ifo-Umfrage Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig Im August waren erneut weniger Industrieunternehmen von Materialengpässen betroffen als noch im Juli. Am stärksten betroffen ist nach wie vor die Autoindustrie.

    mehr lesen: Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

  • Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

    Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

    Fahrerlose Transportfahrzeuge und mobile Roboter Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik Die Nachfrage nach mehr Automatisierung für intralogistische Abläufe ist hoch. Wann und wie genau sich fahrerlose Transportfahrzeuge oder…

    mehr lesen: Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

  • Anzeige
    Retarus beschleunigt Datenaustausch in der Produktion

    Retarus beschleunigt Datenaustausch in der Produktion

    Die Digitalisierungs- und Automatisierungslösungen von Retarus ermöglichen effiziente Abläufe ohne manuellen Aufwand oder Kompromisse bei der Datensouveränität

    mehr lesen: Retarus beschleunigt Datenaustausch in der Produktion

  • Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied

    Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied

    VDMA Robotik Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied Der Vorstand von VDMA Robotik hat Thomas Hähn, Gründer & CEO der United Robotics Group, als neues Vorstandsmitglied berufen.

    mehr lesen: Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied

  • Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

    Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

    Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics Durch die Übernahme des kanadischen Robotik-Spezialisten Clearpath Robotics will Rockwell sein Portfolio für die autonome Produktionslogistik ergänzen.

    mehr lesen: Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

  • LeanBI und Substring kooperieren

    LeanBI und Substring kooperieren

    IoT-Anwendungen für die Industrie LeanBI und Substring kooperieren Gemeinsam wollen LeanBI und Substring Produkte für das Internet der Dinge entwickeln und anbieten. Dafür haben die Unternehmen eine Entwicklungs- und Vertriebs-Kooperation…

    mehr lesen: LeanBI und Substring kooperieren

  • IFS übernimmt KI-Anbieter Falkonry

    IFS übernimmt KI-Anbieter Falkonry

    KI-gestützte Anomalieerkennung IFS übernimmt KI-Anbieter Falkonry Der schwedische Softwareanbieter IFS hat die Übernahme von Falkonry bekanntgegeben. Falkonry ist ein kalifornisches Industrie-KI-Softwareunternehmen, das auf die automatisierte Highspeed-Datenanalyse und Anomalieerkennung für die…

    mehr lesen: IFS übernimmt KI-Anbieter Falkonry

  • All About Automation in Chemnitz wächst gegenüber Vorjahr

    All About Automation in Chemnitz wächst gegenüber Vorjahr

    Praxisnah automatisieren All About Automation in Chemnitz wächst gegenüber Vorjahr Am 27. und 28. September 2023 dreht sich in der Messe Chemnitz alles um die Themen Industrieautomation, Digitalisierung und Robotik.…

    mehr lesen: All About Automation in Chemnitz wächst gegenüber Vorjahr

  • Viastore beruft Dominic Daly zum CFO

    Viastore beruft Dominic Daly zum CFO

    Manager in der Intralogistik-Branche Viastore beruft Dominic Daly zum CFO Dominic Daly (Bild) ist neuer CFO bei Viastore Group, einem Anbieter von Intralogistik-Systemen. Zuvor war der studierte Betriebswirt als Führungskraft…

    mehr lesen: Viastore beruft Dominic Daly zum CFO

  • Auftragseingang anhaltend schwach

    Auftragseingang anhaltend schwach

    Der Branchenverband VDMA hat im Juli bei seinen Mitgliedern erneut einen schwachen Auftragseingang ermittelt. Der Monatswert fiel bei den Maschinen- und Anlagenbauern real um elf Prozent niedriger als im Vorjahr…

    mehr lesen: Auftragseingang anhaltend schwach

  • KI-basierte Datenverarbeitung im autonomen Fahrzeug

    KI-basierte Datenverarbeitung im autonomen Fahrzeug

    Forschung an neuromorpher Hardware im Projekt KI-Flex KI-basierte Datenverarbeitung im autonomen Fahrzeug Im Forschungsprojekt KI-Flex wurde an einer Plattform gearbeitet, die im autonomen Fahrzeug alle Verkehrsteilnehmer sicher orten soll. Entstanden…

    mehr lesen: KI-basierte Datenverarbeitung im autonomen Fahrzeug