Datenmodellierung von Wald und Holz 4.0-Dingen

Der Branchencluster Wald und Holz ist eine nicht zu unterschätzende wirtschaftliche Größe, insbesondere auch in NRW. Die Chancen und Herausforderungen des digitalen Zeitalters machen auch vor ihm nicht halt. Das Kompetenzzentrum Wald und Holz 4.0 (https://www.mmi.rwth-aachen.de/projekt/kwh40/) erarbeitet derzeit die notwendigen Grundlagen, um die Konzepte und Ideen von Industrie 4.0 auf die Forstwirtschaft zu übertragen.

Ein grundlegender technologischer Ansatz ist dabei die Abbildung von Wertschöpfungsketten durch die Vernetzung sogenannter Cyber-Physischer Systeme (CPS), also Einheiten aus einem Asset (Forstmaschine, Kettensäge, Sägewerk, Wald, Baum, Waldarbeiter …) in der realen Welt und einem Digitalen Zwilling (DZ) in der Informationswelt. Im Kontext von Wald und Holz 4.0 (WH4.0) werden diese CPS in Anlehnung an die Industrie 4.0-Komponente auch WH4.0-Komponenten genannt. Zusammen mit WH4.0-Diensten (Softwaredienste) und WH4.0-Mensch-Maschine-Schnittstellen (auch WH4.0-MMS; mit dem Menschen kommunizierende Softwareprogramme auf dem PC, dem Smartphone oder als Webapplikation in der Cloud) bilden sie die WH4.0-Dinge.

Für eine erfolgreiche Vernetzung müssen die WH4.0-Dinge kommunizieren können. Dazu reicht aber die Spezifikation kompatibler Verbindungstechnik (z.B. WLAN, LoRa, 5G …) und darüber realisierten Kommunikationsprotokollen (OPC UA, S3I-B, REST …) allein nicht aus. Auch die Semantik der Kommunikation, die dabei „gesprochene Sprache“, muss untereinander verstanden werden. In Wald und Holz 4.0 entspricht dies einem einheitlichen Datenmodell für alle WH4.0-Dinge, entsprechend dem Digitale Zwillinge, Dienste und MMS aufgebaut sind und entsprechend dem alle WH4.0-Dinge kommunizieren, so dass deren Struktur sowie verfügbaren Eigenschaften und Servicefunktionen einheitlich definiert sind und dadurch auch eine für alle definierte und verständliche Semantik haben. Dieses konzeptuelle Datenmodell ist aber mehr als eine „Schnittstelle“ oder eine „Sprache“ für die Kommunikation untereinander. Viel mehr beschreibt es formal den Aufbau und Inhalt der WH4.0-Dinge selbst. In diesem Zusammenhang wurde die Forest Modeling Language 4.0 (ForestML 4.0 oder kurz fml40) als Vorschlag für ein solches Datenmodell entwickelt.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen zunächst die Grundlagen der Modellierung aus den Bereichen Industrie 4.0 und IoT erarbeitet werden. Welche Modellierungssprachen gibt es in diesem Umfeld z.B. zur Modellierung der Asset Administration Shell (AAS) in Industrie 4.0? Ebenso wären weitere Sprachen wie eCl@ss, Resource Description Framework (RDF), IEC 61360 (Common Data Dictionary), die verschiedenen OPC UA Companion Standards oder die Modellierungssprache von Eclipse Vorto zu betrachten. Neben den konzeptuellen Sprachen selbst sollen auch deren Serialisierungsformate (JSON, XML …) und die zugehörigen Abbildungsvorschriften untersucht werden. Anschließend sollen forstliche Referenzszenarien wie z.B. die vernetzte hochmechanisierte Holzernte mit verschiedenen dieser Ansätze modelliert und untereinander sowie mit ForestML 4.0 verglichen werden. Die bestehenden Modellierungskonzepte von ForestML 4.0 sollen verglichen, bewertet und ggf. angeglichen werden, insbesondere um die Komptabilität zu erhöhen. Dabei sollen auch die Serialisierungsformate und Abbildungsvorschriften genutzt, bewertet und mit der bestehenden JSON-Abbildung von ForestML 4.0 verglichen werden, um diese ebenso ggf. anzugleichen. Für das finale Serialisierungsformat soll eine Importschnittstelle für das am MMI genutzte Simulationssystem VEROSIM entwickelt werden.