Engineering Networks Holistic approach for multidisciplinary Product Lifecycle Management Schriftenreihe VPE Band 9

Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Fabrice Mogo Nem Engineering Networks Holistic approach for multidisciplinary Product Lifecycle Management Schriftenreihe VPE Band 9 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Herausgeber: Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Postfach 3049 Technische Universität Kaiserslautern, Gebäude 44 D-67653 Kaiserslautern Verlag: Technische Universität Kaiserslautern Druck: Technische Universität Kaiserslautern Abteilung Foto-Repro-Druck D-386 Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Kaiserslautern 2011 Alle Rechte vorbehalten, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Photographie, Mikroskopie), der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN 978-3-941438-66-8 ISSN 1863-7051

Engineering Networks Holistic approach for multidisciplinary Product Lifecycle Management Dem Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern zur Verleihung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) eingereichte Dissertation von Herr Dipl.-Inf. Fabrice Mogo Nem aus Kamerun Dekan: Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger Vorsitz der Prüfungskomission: Prof. Dr.-Ing. Steen Müller 1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner 2. Berichterstatter: Prof. Dr. Manfred Reichert Tag der mündlichen Prüfung: 28. Februar 2011 Kaiserslautern 2011 D 386

Acknowledgments This thesis was carried out during my work as research assistant at the Institute for Virtual Product Engineering (VPE), at the University of Kaiserslautern in Germany. It is in the main, the result of two research projects funded from 2007 to 2010 by the German Federal Ministry of Economics and Technology (BMWI). Thus, I would like to thank rst the BMWI for this nancial support. I always share the famous conviction, that a man does not succeed alone, but a team does. It is unfortunately impossible to name all the people, who contributed directly or indirectly to the success of this work. Therefore, I would like to thank everyone, who has supported me during this long trip. Especially to the following persons, I would like to express my profound gratitude. I thank Prof. Dr. Martin Eigner, head of the Institute VPE, for his unconditional support and the trust he put in me. His technical inputs, his constructive discussions and not least, his exceptional managerial skills, were some of the principal ingredients to this success. His special advises will still accompany me through my career and life. Many thanks also to Prof. Dr. Manfred Reichert from the University of Ulm. His expertise in the eld of process management contributed to the completeness of this work. Further, his simplicity and engagement eased the work together. I would also like to thank Prof. Dr.-Ing. Steen Müller for his role as chairman of the board of examiners. Further, I express my gratitude to the following colleagues at the Institute VPE: Martin Langlotz, Karl-Gerhard Faiÿt, Thorsten Hollerith, Dr. Florian Gerhardt, Torsten Gilz, Kristina Szeghö, Aline Fehrenz, Sebastian Sindermann, Willi Klein, Patrick Schäer, Radoslav zarov, Niklas Hochstein, Dr. Michael Bitzer and Dr. Bettina Schleidt. Special thanks to Ursula Aydt for her manifold supports and her great advises. Thanks also to Alexander Keÿler, who did a great job during the implementation of the prototype.

I specially thank also the Aras Corporation Team, especially Mr. Martin Allemann, Mr. Peter Schoer and Mr. Andreas Müller, for opening me the way to a great and innovative PDM-/PLM-System and for the technical supports. Finally, I would like to thank in particular my friends, family and especially my parents. Without my parents, I would never have been able to begin this long journey, which began nine years ago, as I left my homeland Cameroon for study in Germany. My family and friends were my backbone and support through good and bad times. Many thanks also to Nelie Tchamba for her patience and comprehension during the two last hard and stressful years. Kaiserslautern, April 2011 Fabrice Mogo Nem

Zusammenfassung Heutzutage stehen fertigende Unternehmen unterschiedlicher Gröÿen und Branchen vor neuen Herausforderungen. Globalisierte Märkte verlangen nach kürzeren Entwicklungszeiten, geringeren Kosten sowie Innovation und Produktvielfalt. Um dem wachsenden Qualitäts-, Kosten- und Zeitdruck während der Entwicklung innovativer und marktgerechter Produkte entgegenzuwirken, organisieren sich Unternehmen immer mehr in Zulieferketten beziehungsweise Entwicklungsnetzwerken. Der Hauptvorteil solcher Zusammenschlüsse liegt darin, unterschiedliche Kompetenzen zu bündeln und dadurch Produktpotenziale besser auszuschöpfen. Denn als Stimulation für Innovation und Variabilität wirkt heute überwiegend der Einsatz multidisziplinärer Komponenten in den Produkten. Die aus solchen Netzwerken resultierende dynamische Kooperation zwischen räumlich verteilten und in unterschiedlichen Disziplinen spezialisierten Unternehmen, etwa aus den Bereichen Mechanik, Elektronik und Elektrik sowie Software, verlangt nach einer engen, zeitlich abgestimmten Zusammenarbeit. Das setzt unter anderem eine gute Integration und Koordination der Geschäftsprozesse entlang des gesamten Produktlebenszyklus voraus. Dabei gilt es, sowohl unternehmens- als auch disziplinspezische Abläufe eng abzustimmen. Denn die Entwicklungs- und Herstellungsabläufe von Fertigern unterscheiden sich mitunter erheblich. So kommen beispielsweise in den Unternehmen eines verteilten Entwicklungsnetzwerks unterschiedliche IT-Systeme zum Einsatz. Dieser Einsatz von IT-Systemen zielt vor allem darauf ab, den Produktlebenszyklus von den frühen Entwicklungsphasen an, über Detailkonstruktion, Berechnung und Simulation, Arbeitsvorbereitung und Fertigung bis hin zum Recycling zu unterstützen und zu optimieren. Verwaltungs- und Koordinationssysteme nehmen dabei eine zentrale Rolle ein, da sie die systematische, sowie organisatorische Betreuung eines Produktes und die Koordination der damit verbundenen Prozesse ermöglichen. Die systematische Verkettung der entlang des gesamten Produktlebenszyklus mitwirkenden IT-Systeme zu einem übergreifenden strategischen System wird als Lösung für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM-Lösung) bezeichnet. PLM-Lösungen bestehen unter anderem aus Produktdaten-Management- Systemen (PDM) als administrative Backbones, Enterprise Resource Planning (ERP)- Systemen, Customer Relationship Management (CRM)-Systemen, Supply Chain Management (SCM)-Systemen, sowie Workow Management (WfM)-Systemen. Hinzu kommen die eingesetzten Erzeugersysteme (z.b. Computer-Aided-Design (CAD)- Systeme) und Büroanwendungen. Der Einsatz von PLM-Lösungen gehört in Groÿunternehmen längst zum strategischen Standard. In kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) hingegen, nden

PLM-Lösungen noch wenig Verbreitung. Vor allem die hohen Kosten zur Implementierung einer PLM-Lösung in einem Unternehmen bilden derzeit eine Barriere zu ihrer Verbreitung in KMU. Vielmehr, die Entwicklung qualitativer PLM-Lösungen zur lückenlosen Konguration, Nach- und Rückverfolgbarkeit der Daten inhärent zu den Produkten und damit verbundenen Prozessen in den oben skizzierten verteilten, interdisziplinären Entwicklungsnetzwerken, ist heute eine besonders groÿe Herausforderung. Aus diesen Herausforderungen wurden für diese Arbeit zwei Hauptziele abgeleitet (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Beiträge und Ziele dieser Arbeit. Das erste Ziel ist die Bereitstellung von Konzepten, sowie eine zugeschnittene Methode für die ganzheitliche Modellierung multidisziplinärer Produktdaten und der damit verbundenen variantenreichen Prozesse. Das zweite Ziel ist die Unterstützung der leichten Anpassung von PDM-Systemen als wichtigste Komponente einer PLM- Lösung. Diese a priori nicht verwandte Ziele konnten in Zusammenhang gebracht werden, weil viele Szenarien bei der Anpassung von PDM-Systemen auf die Bereitstellung von zugeschnittenen Produkt- und Prozessdatenmodellen, von geeigneten graphischen Bedienoberächen zur Datenmanipulation, sowie von Anwendungsschnittstellen für den Datenaustausch zwischen IT-Systemen, abzielen. Somit kann die kostengünstigere Bereitstellung multidisziplinärer PLM-Lösungen erheblich unterstützt werden durch die Entwicklung eines neuen Metamodells, sowie darauf basierend, eines unterstützenden, graphischen Modellierungswerkzeugs. Dieses soll eine bessere und einfachere Denition von komplexen Produkt- und Prozessdatenmodellen, sowie die Generierung notwendiger Bedienoberächen und Anwendungsschnittstellen ermöglichen. Diese Vision wird in dieser Arbeit durch einen ganzheitlichen Ansatz namens Engineering Networks (EN) adressiert. Der Schwerpunkt liegt hier

in der Entwicklung grundlegender Konzepte von EN. Die wichtigsten von Ihnen sind: Konzepte für die sichtenbasierte Modellierung und prozessorientierte Nutzung von komplexen multidisziplinären Produktdaten, Konzepte für die Integration während Produktdatenmodellierung von assoziierten variantenreichen Prozessmodellen, sowie Konzepte für eine ganzheitliche Unterstützung des Änderungsmanagements von Produkten und Prozessen. Diese Konzepte werden durch einen selbstentwickelten Prototypen und viele realen Szenarien validiert. Die nach der Validierung gewonnenen Erkenntnisse ieÿen am Ende der Arbeit in die Formulierung von Ausblicken für zukünftige Arbeiten ein.

Abstract Nowadays, engineering enterprises regardless their sizes have to cope with various challenges dealing with the management of their multidisciplinary and collaborative engineering contexts. Amongst others, these are: the integration and federation of complex and multidisciplinary product data, the modeling of associated exible and variant-rich engineering processes and the management of changes applied on products and related engineering processes. Many solutions were proposed and implemented so far using Product Data Management (PDM)- and Workow Management (WfM)-Systems. However, these solutions are often restricted to only a specic engineering discipline or were not conceived for collaborative and multidisciplinary purposes. Further, the diversity and heterogeneity of the data models used to implement them and the lack of a global model supporting their consolidation constitute a barrier to an ecient collaborative Product Lifecycle Management (PLM). Furthermore, PLM concepts are nowadays not suciently applied in Small- and Medium-sized Enterprises (SME) due to the aordability of PLM-Solutions. The approach proposed in this work in order to cope with these shortcomings is denoted Engineering Networks (EN). EN denes concepts for a new extended object-oriented metamodel, which is able to better support the modeling and management of multidisciplinary product data, as well as related exible and variant-rich engineering processes. Further, using a graphical framework, the support for easy dening and changing product data and engineering process models during the customization of PDM-Systems at the heart of PLM-Solutions is also provided. In addition, this graphical framework is conceived in order to be easily extended with adequate generators. The latter should enable the propagation of changes applied on product data and process models to both: the Graphical User Interfaces (GUI) used for manipulating product and process data, as well as the Web Services interfaces used for interfacing with other IT-Systems involved in a collaborative, multidisciplinary PLM-Solution. This work is primary devoted to laying down the foundations for the concept of EN and so, aims at establishing a strong basis for subsequent works. Doing so, fundamental concepts of EN are introduced, prototypically implemented and validated during the course of this thesis.

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Contents 1 Introduction 1 1.1 Motivation................................. 1 1.2 Problem statement............................ 4 1.2.1 Product-data-related problems.................. 5 1.2.2 Process-related problems..................... 6 1.2.3 IT-System related problems................... 7 1.3 Contributions and Goals......................... 7 1.4 Structure of this work.......................... 9 2 Preliminaries and State of the Art 11 2.1 Introducing product lifecycle....................... 11 2.2 Product Engineering in mutation.................... 13 2.2.1 Mechatronics........................... 13 2.2.2 Increasing product complexity.................. 17 2.2.3 Increasing process complexity.................. 18 2.2.4 Illustrating scenario........................ 19 2.3 Product Lifecycle Management..................... 21 2.3.1 Benets of applying PLM.................... 21 2.3.2 IT-Systems involved in a PLM-Solution............. 21 2.3.3 PLM also for Small-&Medium-Sized Enterprises........ 22 2.4 Fundamentals of data modeling..................... 25 2.5 Product Data Management....................... 26 2.5.1 Product and Document Structures............... 26 2.5.2 Product Family and Variant Management........... 28 2.6 Product Conguration Management................... 31 2.6.1 Conguration Management in general.............. 31 2.6.2 Software Conguration Management.............. 33 2.7 Business Process Management...................... 34 2.7.1 Terminologies around BPM................... 35 iii

iv Contents 2.7.2 Benets of BPM......................... 38 2.7.3 Business processes in context of PLM.............. 39 2.7.4 Engineering Processes and Engineering Workows....... 41 2.7.5 Modeling Business Processes................... 42 2.7.6 Dealing with Process Variability................. 45 2.7.7 Dealing with Process Flexibility................. 51 2.8 Multidisciplinary product lifecycle management............ 56 2.8.1 Standard for the exchange of product data (STEP)...... 56 2.8.2 Leveraging the standard STEP................. 58 2.8.3 Product Ontologies........................ 59 2.9 Summary................................. 60 3 Requirements Analysis 65 3.1 Supporting scenarios........................... 65 3.1.1 Scenario 1: Mechatronic product engineering.......... 65 3.1.2 Scenario 2: Product and Engineering processes......... 69 3.2 Requirement specication........................ 73 3.3 Summary................................. 75 4 Customization of PDM-Systems 77 4.1 PDM-Systems at the heart of PLM-Solutions.............. 77 4.1.1 Functionalities in PLM-Solutions................ 77 4.1.2 Architecture concepts for PLM-Solutions............ 78 4.1.3 Architecture for multidisciplinary PLM-Solutions....... 80 4.2 Customization of PDM-Systems..................... 81 4.2.1 When a PDM-System becomes a product............ 81 4.2.2 Some scenarios for customizing PDM-Systems......... 84 4.2.3 Discussion and Targets...................... 87 4.3 Leveraging Product Line Engineering.................. 88 4.3.1 Introducing Product Line Engineering............. 89 4.3.2 Benets and diculties applying PLE.............. 91 4.4 Holistic approach using Engineering Networks............. 92 4.4.1 PDM-System architecture.................... 93 4.4.2 Vision in Engineering Networks................. 94 4.5 Summary................................. 95 5 Conceptual foundation of Engineering Networks 97 5.1 Introduction................................ 97

Contents v 5.2 The concept of Engineering Object................... 98 5.2.1 Theoretical foundation...................... 98 5.2.2 Distinction from theoretical foundation............. 99 5.3 Properties of Engineering Objects.................... 99 5.4 View-based data modeling in EN.................... 101 5.4.1 The notion of Views on product data.............. 101 5.4.2 The notion of View of Engineering Objects........... 103 5.4.3 Views of Engineering Objects and Properties.......... 105 5.4.4 Views of Engineering Objects and Relationships........ 106 5.4.5 Types of Relationships between Engineering Objects..... 108 5.5 Organization Structure and Access Control............... 112 5.5.1 Modeling organization structures................ 112 5.5.2 Access control using Viewpoints................. 113 5.6 Lifecycle evolution in Engineering Networks.............. 114 5.6.1 Introducing object lifecycle modeling.............. 115 5.6.2 Issues when considering lifecycle models of EOs........ 116 5.6.3 Approaches for synchronizing object lifecycle models..... 119 5.6.4 Lifecycle Synchronization in EN................. 122 5.7 Process modeling philosophy in EN................... 124 5.7.1 Basic modeling elements for Engineering Processes...... 124 5.7.2 Specializations of basic modeling elements........... 126 5.7.3 Engineering Processes and Lifecycle Models.......... 131 5.8 Supporting Engineering Process Variability............... 132 5.8.1 Solution overview......................... 132 5.8.2 Modeling process families.................... 134 5.8.3 Denition of parameters and conguration rules........ 137 5.8.4 Process conguration....................... 139 5.8.5 Discussion............................. 139 5.9 Holistic change management support in EN.............. 140 5.9.1 Version Management....................... 140 5.9.2 Change management for Engineering Objects......... 142 5.9.3 Change management for Engineering Processes........ 143 5.10 Summary and Related approaches.................... 146 6 Metamodel for Engineering Networks 149 6.1 Introduction................................ 149 6.1.1 The ENObjectModel metamodel................ 150 6.1.2 The ENCore metamodel..................... 151

vi Contents 6.1.3 The ENRelationships metamodel................ 154 6.1.4 The ENProcess metamodel.................... 155 6.1.5 The ENLifecycle metamodel................... 156 6.1.6 The ENExpression metamodel.................. 157 6.2 Summary................................. 158 7 Implementation and Validation 159 7.1 Prototypical Implementation....................... 159 7.1.1 Architecture of the prototype.................. 159 7.1.2 Some preliminary screen-shots of the prototype........ 161 7.2 Description of validation scenarios.................... 162 7.2.1 The vehicle overhead console................... 162 7.2.2 Product-related data of the overhead console.......... 163 7.2.3 Process-related data of the overhead console.......... 165 7.3 Validation................................. 170 7.3.1 Denition of an organization structure............. 170 7.3.2 Denition of a mechatronic product data model........ 171 7.3.3 Denition of lifecycle models................... 176 7.3.4 Denition of variant-rich engineering processes......... 176 7.3.5 Instantiation of the product data model............ 178 7.4 Summary................................. 180 8 Summary and Outlook 181 8.1 Summary................................. 181 8.2 Outlook.................................. 183 List of Figures 185 Nomenclature 189 Bibliography 193

Lebenslauf Persönliche Daten Name: Fabrice Mogo Nem Geburtstag: 15.02.1983 Geburtsort: Njisse (Kamerun) Studium und Ausbildung 10/200102/2007 08/200009/2001 09/199305/2000 09/198705/1993 Informatikvordiplom (TU Kaiserslautern) Sprachkurs Deutsch (Kamerun, Deutschland) Abitur (Lycee d'ekounou, Kamerun) Grundschule (Ecole Primaire de Mvan, Kamerun) Berufserfahrung 03/2007Heute 05/200807/2009 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung, Prof. Martin Eigner Privatdozent bei der Berufsakademie Mannheim Weitere Qualikationen und Sonstiges Sprachen Französisch (Muttersprache), Deutsch und Englisch (Sehr gut) Auszeichnung DAAD-Preis 2006 EDV Programmierung MS Oce, Latex, Web Design (HTML, CSS, Typo 3, Joomla) Java, JSP, Delphi, C,.NET, JavaScript Prozessmanagement OMEGA, BPMN, AristaFlow BPM Suite Datenbanken MySQL, MS SQL Server, IBM DB2 04/2009 Schulung in PDM/PLM-System Aras Innovator (Boston, USA) seit 2002 Freizeit Mitglied der Vereinigung der afrikanischen Studierenden in Kaiserslautern (VASK e.v.), Vorstandsvorsitzender 2011 Musik hören, Fuÿball oder Basketball spielen

Schriftenreihe VPE bereits veröffentlicht wurden 1 Zagel, M.: Übergreifendes Konzept zur Strukturierung variantenreicher 30, Produkte und Vorgehensweise zur iterativen Produktstruktur-Optimierung. 2006, ISBN 3-939432-26-1; 978-3-939432-26-5 2 Helling, H.: Konzept eines integrierten Produkt- und Prozessmodells 30, zur effizienten Steuerung der Entwicklungsreife am Beispiel der Automobilentwicklung. 2007, ISBN 978-3-939432-59-3 3 Tagungsband Jahrestagung 2008 30, Berliner Kreis Wissenschaftliches Forum für Produktentwicklung e.v.: Mechatronik Die Herausforderung an Integration im Produktentstehungsprozess. 2008, ISBN 978-3-939432-95-1 4 Maletz, M.: Integrated Requirements Modeling 30, A Contribution towards the Integration of Requirements into a Holistic Product Lifecycle Management Strategy. 2008, ISBN 978-3-939432-92-0 5 Panzer, J.: Referenzmodell für den kooperativen 30, Simulationsdatenaustausch Vorgehensmodell zur Erstellung des Referenzmodells. 2008, ISBN 978-3-941438-02-6 6 Bitzer, M.: Entwicklung einer Methode zur prozessorientierten 30, Planung und Optimierung von Product Lifecycle Management Lösungen am Beispiel der Automobilindustrie. 2008, ISBN 978-3-941438-00-2 7 Schleidt, B.: Kompetenzen für Ingenieure in der 30, unternehmensübergreifenden virtuellen Produktentwicklung. 2009, ISBN 978-3-941438-34-7 8 Gerhardt, F.: Supporting Virtual Product Engineering Processes by 30, Integrating a Neutral, Lightweight and CAD-Derived Data Format. 2010, ISBN 978-3-941438-51-4 9 Mogo Nem, F.: Engineering Networks 30, Holistic approach for multidisciplinary Product Lifecycle Management. 2011, ISBN 978-3-941438-66-8