Projekttitel: Semantische Norm - Anforderungen an den Formalen Digitalen Zwilling

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Ideengeber: 

Potenzielle Projektpartner*innen

• Roland.Heidel@heidelcom.com, Roland Heidel Kommunikationslösungen e.K.
• Prof. Christian Diedrich, IFAK Magdeburg
• Damian Czarny, DKE/VDE
• Yves?... 

Ausgangslage

Eine der Handlungsempfehlungen der DKE/DIN Normungs-Roadmap ‚NRM I4.0v3‘ ist die Nutzung von semantischen Methoden für die Kommunikation zwischen industriellen Teil-Systemen. Damit das gelingt, muß z.B. eine konkret definierte Semantik an Schnittstellen wirksam werden, damit die funktionale und benutzerfreundliche Vergleichbarkeit hergestellt wird. Schnittstellen werden vergleichbar, wenn die zur Darstellung verwendeten semantischen Methoden normativ  sind. Ein Beispiel dafür könnte eine einheitliche semantische Beschreibung von Teilsystemen und Systemschnittstellen, die die semantische Interoperabilität zwischen einem 'Power Management System', nach IEC TC57/WG21 und Industriellen Automationssystemen (IACSystems), nach IEC TC65/WG17, sein. Beide Teilsysteme  sind über eine DER Plattform miteinander verbunden. 

Graph-theoretisch betrachtet gibt es zwei Arten von angewandten Graphen: einen zentralen Daten- und einen verteilten Prozeß- Graph. Der Datengraph ist ein zentraler Daten-Speicher,  ‚Semantic Graph Store (SGS)‘ genannt, der ‚entity-relationship‘, Beziehungen, meist im RDF-Format[18], enthält und in eCl@ss[7] als Graph gespeichert werden kann. Der Prozeßgraph hingegen, stellt Systemzustandsveränderungen mittels sog. coercion-Regeln, die auf Systemzuständen wirken (s. SemNorm AP3),  dar, womit kompatible aber nicht gleiche Zustände unterschiedlicher Kontexte aneinander angepaßt (coerced) werden können, sodaß Objekte, Daten oder Energie zwischen semantischen Kontexten, fließen können. Dieser Fluß wird mit gerichteten Kanten in den Prozeßgraph eingetragen und kann mit Public Domain oder kommerziellen Simulations-  Werkzeugen [22, 23, 26] etc. auf der zugrundeliegenden ‚Graph Manipulation Semantics (GMS)’ validiert werden (s. SemNorm AP2 Definition 'Use Case based Validation). 

Somit sind GMS für Prozesse und SGS für Daten, einheitlich als Graphen darstellbar und daher ineinander überführbar, bzw. kombinierbar (s. Begründung im Anhang)! Mit den oben erwähnten Werkzeugen können Daten- und Prozeßgraphen vorwärts (z.B. predictive maintenance) und rückwärts (z.B. forensische Ursachensuche) analysiert werden. 

Sog. semantische Standards oder Normen standardisieren jedoch nicht die Formate eines zu kommunizierenden Objekts, wie es bisher der Fall ist, sondern stattdessen die bestehenden Beziehungenzwischen der physikalischen Erscheinungsform, der Implementierung eines Systems oder Objekts und ihre, in den jeweiligen ontologisch-sprachlichen Kontexten ausgedrückten, Semantik. Während die ontologischen Kontexte vielfältig sind, ist die semantische, sprich mathematische, Darstellung eindeutig. Die hierbei verwendeten semantischen Artefakte sind der Graph- und algebraischen Mengentheorien ,für Prozesse und Datentypen, entlehnt und werden in standardisierter Vorgehensweise den ontologischen Artefakten zugeordnet. 

Weil semantische Normen als Graph ausführbar (computational) sind, ist eine semantische Norm gleichzeitig ihr eigener Digitaler Zwilling. Das beantwortet die  Frage: ‚Was Semantische Normen‘ sein können, welchen ‚Innovationsgrad‘ sie haben, und welchen ‚Innovationsnutzen‘ die Industrie daraus ziehen kann. Bei der Beantwortung im Vorhaben, wird ein roter Faden gezogen, von früheren Arbeiten der Autoren über Semantik, ab ca. 2015, in der ETSI[9], in der GI[30] und bei NAMUR[21], über aktuelle Arbeiten außerhalb der Normung, wie in [11,12,13,14,19,21,27] etc, bis in die Gegenwart, wo große Internetzkonzerne in ihren  Suchmaschinen im SGS-Format (Datengraph) Benutzerdaten speichern und Suchanfragen programmieren. Im Anhang 1 wird die Argumentation für ‚semantische Normen‘ technisch-wissenschaftlich vertieft. Im Anhang 2 wird der Versuch unternommen, einen semantischen Grundstandard für ‚Digitale Zwillinge‘ zu skizzieren. 

Ziel des Vorhabens ist es, eine Anleitung (Guidelines) für den Entwurf von Digitalen Zwillingen mit GMS Methoden zu entwerfen und mit passenden I4.0 Use Cases  zu validieren. und daraus Grundnormen (s. Anhang 2) abzuleiten. Weiterführende  Weiterführende Ziele sind , daß ontologische Artefakte die Zurverfügungsstellung ontologischer Konzepte, die für eine 'semantische Ausdruckskraft Sprache' (z.B. C-Slang aus [9]) gebraucht werden und ein Implementierungs- Morphismus zwischen der semantischen Sprache für eine passende I4.0 Ontologie und der ausführbaren Graph Manipulations-Semantik gefunden werden muß (s. Anhang 2). 

Nutzen

Worin liegt das Optimierungspotential?

Semantische Normen können einerseits ausgeführt werden, sind also 'computational' unabhängig von den Systemkontexten und vereinheitlichen andererseits den Sprachgebrauch bei der Erstellung von Normen. 

Wer profitiert von der Innovation und dem Standard?

Die Anwender von Normen profitieren, indem sie auf der gemeinsamen semantischen Basis, semantisch gleiche Ergebnisse bei der 'Interpretation einer Norm' erhalten. Dieselbe Basis verwendet auch der Entwickler eines Systems, der eine semantische Norm verwendet. Normen und Blaupausen können zwischen unterschiedlichen Arbeitskontexten ausgetauscht werden. Die rechner-gestützte Interpretation einer Norm entspricht also dem genormten Digitalen Zwilling. 

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Die Ergebnisse werden in Handlungsempfehlungen, die in diesem SemNorm Vorhaben auf Plausibilität geprüft (Guidelines, Use Cases) worden sind, umgesetzt und den nationalen und internationalen Normungsgremien als NWIP oder SGs empfohlen. Konkrete Handlungsempfehlungen sind, z.B. Richtlinien an die Erstellung von Normen, die die Anforderungen an Digitale Zwillinge erfüllen. 

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Auf semantischer Basis geschriebene Normen werden aufgrund der notwendigen Interoperabilität und functional safety zwischen verteilten (globalen) Produktions-Systemen quasi unverzichtbar. Wir brauchen eine Normungssprache, die uns eine 'Common Logic' über Kontexte hinweg liefert. Nur aus diesem gemeinsamen Verständnis (ISO/IEC 24707:2007 - IT CL) heraus, können wir brauchbare Ontologie entwickeln und geeignete Mensch-Maschine Schnittstellen (HMI) etablieren, worüber ausgetauschte Texte und Zeichnungen die gleiche Bedeutung haben, der Mensch versteht sie - die Maschine verarbeitet sie! 

In der internationalen Normungsarbeitsgruppe ISO/IEC JtC1/SC41/WG3 [27] ist ein Vorschlag zum Thema ‚Semantic Interoperability (SemInt)‘‚ vor kurzem unterbreitet worden, in welchem Bereich und Struktur eines neuen IoT SemInt Normungsprojektes vorgestellt werden. SemInt umfaßt sog. Core-Ontologien und Anleitungen, wie sie für domain-spezifische Anwendungen gebraucht  werden. Weiterhin ist eine domain-übergreifende Spezifikationsmethodik und eine Formalisierung von Ontologien vorgesehen. Das harmoniert mit den Zielen von SemNorm (s. Anhang Abb.1 Semiotisches Dreieck [14, 15]). 

In dem deliverable [17] stellt die Organisation oneM2M in der Technischen Specification TS-0034, ein Architekturmodell vor, in dem Semantik eine ‚Common Service Function (CSF)‘ darstellt und SEM-CSF genannt wird. SEM-CSF stützt sich auf funktionale Blöcke, wie die ‚SPARQL engine‘ und auf  Speicher für Ontologien, die als ‚Semantic Graph Stores (SGS)‘ organisiert sind.  

Bestehen Einreichungsmöglichkeiten bei Europäischen und internationalen Normungsorganisationen (CEN/CENELEC/ISO/IEC)?

Ja, relevante Normungsgremien im JTC1 der ISO/IEC sind es die folgenden: SC38 Cloud Computing, SC27 IT/Cyber Security, SC41 IIoT, SC42 AI, TC65 Smart Manufacturing, JTC1 WG11 Smart City etc. 

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Gesellschaftlicher Gesprächsbedarf kann sich ergeben, aus der Tatsache, daß Mensch und Maschine, die gleiche semantische Basis benutzen. Auf Seiten des Menschen ist das eine Form von 'graphischer Mathematik' - auf Seiten der Maschine ist das ein simulierbares Modell, wobei beide Seiten das gleiche Ergebnis erhalten, nämlich, vor dem Hintergrund der Systemarchitektur, eine Folge von möglichen Ereignissen. Es findet also ein 'Gedankenaustausch' zwischen Mensch und Maschine statt. 

Für den Markt ist besonders interessant, daß Daten (s. Suchmaschinen großer Internetzkonzerne) als auch die Prozesse (s. Smart Factories im I4.0 Bereich) die gleiche semantische Grundlage, nämlich eine Form der Graph Semantik kombiniert mit algebraischen Multimengentheorien benutzen. Damit werden die Suchmaschinen Teil eines Prozesses, eines maschinellen Vorgangs. Man braucht damit nicht mehr zwischen Prozeß- und Datenmodellen zu unterscheiden. 

Kompetenzen und Ressourcen

Die Antragsteller sind in der Normung industrieller Systeme und Schnittstellen international bei ISO/IEC und ETSI und national bei DIN, VDI und DKE tätig. Sie verfügen über folgende projektspezifischen Ressourcen und Kompetenzen, um die vorgeschlagenen syntaktischen und semantischen Ergänzungen, im Rahmen der Normung durchzuführen und ggf. national, als DIN SPEC oder , DKE Empfehlung und international, in der ISO/IEC, als vorgeschlagene neue Normungsaufgabe (NWIP) oder Studiengruppe (SG), auszuführen:

• Delegierter in national member body DIN, internationales Normungsprozedere: Study Group, New Work Item Proposal, Working Draft, Committee Draft, Draft International Standard;
• Experten-Mitgliedschaft in nationalen und internationalen Normungsgruppen, e.g. IEC TC65/WG23 Smart Manufacturing, ISO/IEC JTC1: Cloud Computing, IT Security, KI, IIoT, ETSI TC Cyber; 
• ehemalige DIN Obmannschaft des NIA ‚Referenzmodell für Open Distributed Processing‘ 
• ETSI Convenor für ETSI ISG GS ISI#006 ‚C-Slang’ + ISI Measurement and Event Management Architecture (IMA, Big Data Lake) [9]; 
• Anwender des Standards für Common Logic (ISO/IEC 24707:2007 CL) bei der Entwicklung des ETSI GS#006 Standards einer Common Specification Language C-Slang gestützt auf Graph Manipulations-Semantik für Prozesse und Daten;  
• Forschungserfahrung in Europäisch (H2020) und national (WIPANO, DIN-CONNECT) geförderten Innovationsvorhaben und Gremienerfahrung in nationalen und internationalen Normungsprojekten in den Gremien der ISO/IEC: SC27, SC38, SC41, SC42 etc. 
• Management und Expertentätigkeiten In Industrie, Hochschule und Forschungseinrichtungen 
• … etc. 

Standardisierungsscope

Zielgruppen der SemNorm sind System- Anwender und Entwickler, die das gleiche Interesse haben, mit funktionierenden, and an Standards orientierten Dingen und Maschinen, zu kommunizieren . Die Normungsexperten können sich beim Schreiben von Normen auf eine 'Common Logic' (ISO/IEC 24707:2007) beziehen und so H-M-interpretierbare Standards entwerfen. Genau zu diesem Zweck dienen die SemNorm Guidelines. 

Beschreibung des Projektes

Da es sich bei 'SemNorm' um eine 1-jährige Machbarkeitsstudie handelt verlaufen alle APs gleichzeitig, um die maximale Wirkung zu erzielen. Lücken in der Ausführung und Abhängigkeiten zwischen einzelnen APs werden direkt angesprochen und vom Standardisierung-Management koordiniert.

AP1: Guidelines zur Spezifikation semantischer Normen: Heutzutage werden Normen in einer verknappten formalisierten englischen Sprache verfaßt. Mit SemNorm werden die englisch-sprachigen Ausdrücke mit klaren mathematischen, sprich semantischen Konzepten ersetzt. Als Teil einer semantischen Ontologie, brauchen diese Konzepte sprachliche Repräsentanz und Anleitung zur korrekten Anwendung. Die semantische Ontologie und ihre Empfehlungen zur Anwendung ist Aufgabe von AP1.

AP2: Use Cases zur Validation der 'SemNorm' Guidelines: Die Güte der Ontologie, bzgl. ihrer praktischen Anwendbarkeit, soll in passenden Use Cases, abgeleitet von existierenden Systemnormen, validiert werden. Als passende Basis zur Ableitung von Use Cases bieten sich die Normen des TC57 'Grid Power Management System' und TC65 (JTC1 SC25) 'Industrial Automation System', wofür bereits studentische Vorarbeiten existieren, an. Weiterhin ist IEC 62939 'Smart Grid User Interface' oder eine Norm aus dem Bereich 'Cyber Security for Value-base Systems' im Gespräch. Für die Validation werden praktikable Werkzeuge 'of-the-shelf' zur Darstellung und Simulation der Use Case Modelle verwendet.

AP3: Self-X-Functionality zur Daten/Energie-Flußkontrolle von Smart Factories, mit neuen semantischen Technologien: 'Self-X-Funcionality' ist ein Konzept zur Anpassung (Coercion) von Systemen an sich permanent verändernden Umständen an der HMI Schnittstelle zwischen volatilen Kontexten. Die Kontrollstrukturen, die verwendet werden sind, für die Systemautomatisierung 'feedbackward' und für die Systemautonomisierung 'feedforward' selbstreflexive (Self-X) Konzepte. Während KI Methoden teil von ff self-X Konzepten sind, sind smart sensor & actor networks Bestandteil von fb self-X Konzepten.

AP Standardisierung, zur Entwicklung der Guidelines/Use Case Standardisierungsdokumente und Handlungsempfehlungen für neue Technologien: Die laufenden Zwischenergebnisse und Endergebnisse der APs 1 bis 3, werden laufend, in den Normungsgremien des DIN, DKE und international ISO/IEC und ETSI, mit den Zielen aktueller Normungsprojekten abgestimmt und es werden ggf. nationale Kommentare zur Entwicklung von semantischen Normen, entworfen.

Aufwandsschätzung