Semantische Norm - Anforderungen an Formale Digitale Zwillinge

Projekttitel: Semantische Norm - Anforderungen an den Formalen Digitalen Zwilling

Ideengeber: 

Potenzielle Projektpartner*innen

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

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,  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 und rückwärts 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 Beziehungen zwischen 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 Ziele sind, daß ontologische Artefakte für eine semantische Ausdruckskraft (z.B. C-Slang aus [9]) gebraucht werden und ein Implementierungs- Morphismus zwischen Sprache für eine passende I4.0 Ontologie und 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 profitieren, indem sie (auf der gemeinsamen) semantischen Basis, semantisch gleiche Ergebnisse bei der 'Interpretation einer Norm' erhalten. Dieselbe semantische Basis verwendet auch der Entwickler eines Systems, der eine semantische Norm verwendet. Normen und Blaupausen können zwischen unterschiedlichen Arbeitskontexten ausgetauscht werden. 

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. 

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 (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!

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, 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 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.