Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit
2. Begriffsdefinitionen
2.1 Industrie 4.0
2.2 Serviceorientierte Architektur
3. Systematische Literaturrecherche
3.1 Methodisches V orgehen
3.2 Durchführung der Recherche
4. Auswertung der Literaturrecherche
4.1 SOA als Basis für das Konzept der Smart Factory
4.2 SOA als Basis für Smart Objects
4.3 SOA im Umfeld von Embedded Systems
5. Fazit und Disskussion
Literaturverzeichnis
Anhang
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-1 : Stufen der industriellen Revolution
Abb. 2-2: Industrie 4.0 Konzepte & Technologien
Abb. 2-3: Exemplarischer Aufbau einer SOA
Tab. 3-1 : Schlagworte zur Generierung der Suchstrings
Tab. 3-2: In- und Out-Kriterien
Tab. 3-3 : Trefferverteilung je Iterationsschritt
Der Begriff Industrie 4.0 wurde erstmals 2011 im Rahmen der Hannover-Messe durch die Forschungsunion Wirtschaft - Wissenschaft an die Öffentlichkeit getragen und beschreibt eine Forschungsinitiative der deutschen Bundesregierung zur zunehmenden Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft.[1]
Das Ziel von Industrie 4.0 ist es die Produktion so zu gestalten, dass eine intelligente und flexible Wertschöpfungskette realisiert wird. Hierzu ist ein hoher Automatisierungsgrad, eine starke Vernetzung und ein Austausch von Informationen und Daten entlang der einzelnen Komponenten der Wertschöpfungskette notwendig. Eine flexible, agile und zugleich zuverlässige (IT-)Architektur ist als Basis für eine erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 notwendig, da eine Vernetzung von heterogenen Komponenten (z. B. Sensoren, Maschinen, Systeme) ohne einheitliche Architektur kosten- und zeitintensiv ist.[2] Ein Beispiel für aufkommende Kosten stellen Integrations-, Umrüstungs- und Wartungs- sowie die daraus resultierenden Ausfallzeiten dar. Diese Kosten können durch einen einheitlichen Standard reduziert bzw. vermieden werden. Serviceorientierte Architektur (SOA) als modulares und serviceorientiertes Architekturmuster erfüllt die gestellen Anforderungen. Da SOA als Architekturmuster bereits in vielen Domänen verbreitet ist,[3] stellt es eine mögliche Grundlage für die Gestaltung der technologischen Basis für Industrie 4.0 dar und ermöglicht gegebenfalls die Reduzierung der Kosten- und Zeitauf- wände für beispielsweise die Rekonfiguration von Maschinen, die Integration von Komponenten oder dem Monitoring und Controlling von Produktionsprozessen oder Komponenten.
Somit wird die Frage aufgeworfen, welche Rolle SOA für Industrie 4.0 spielt und inwiefern diese innerhalb der Unternehmen im Kontext von Industrie 4.0 genutzt werden kann bzw. sollte.
Zum derzeitigen Zeitpunkt gibt es noch keine verbreitete Aussage, welche Rolle SOA für Industrie 4.0 spielt, sodass die Rolle auf Basis aktuell vorhandener Literatur geklärt werden soll. Diese Ausarbeitung geht von der Annahme aus, dass SOA im Kontext von Industrie 4.0 eine Rolle spielen kann und soll aufgrund dessen einen Beitrag zur Klärung folgender Forschungsfrage liefern:
1. Welche Rolle spielt SOA für Industrie 4.0?
1.1. Für welche Bereiche im Kontext von Industrie 4.0 besitzt SOA eine Relevanz?
1.2. Welchen Mehrwert bringt SOA für Industrie 4.0?
Ursachen, die das Entwickeln und Belegen einer allgemeingültigen und verbreiteten Aussage über die Rolle von SOA in Industrie 4.0 verhindern, finden sich überwiegend in zeitlichen Aspekten wieder. Der Prozess zur Erarbeitung wissenschaftlicher Arbeiten, insbesondere solcher, die durch weitere Experten begutachtet werden, ist sehr langwierig, so dass die themenrelevante Literatur in diesem neuen Forschungsgebiet gegenwärtig noch sehr gering ist. Jedoch ist eine ausreichende Basis an wissenschaftlichen Arbeiten notwendig, um die Rolle von SOA im Umfeld von Industrie 4.0 zu evaluieren und eine Aussage treffen zu können.
Eine Auseinandersetzung mit vorhandener Literatur zum Zusammenhang zwischen SOA und Industrie 4.0 kann eine Antwort auf die Rolle von SOA im Kontext von Industrie 4.0 liefern und einen Beitrag dazu leisten, die Kosten- und Zeitaufwände in zukünftigen Industrie 4.0 Architekturen zu reduzieren.
Die Arbeit gliedert sich in fünf Kapitel. Während innerhalb dieses Kapitels die Problemstellung und die Zielsetzung der Arbeit erläutert wurde, werden im zweiten Kapitel die Grundlagen in Form einer Begriffsdefinition für SOA und Industrie 4.0 gelegt. Anschließend erfolgt im dritten Kapitel die Dokumentation der als Kern dieser Arbeit durchgeführten Literaturrecherche mit anschließender Auswertung der relevanten Ergebnismenge (Kapitel 4). Im letzten Kapitel (Kapitel 5) werden die Ergebnisse der Arbeit kritisch betrachtet und weiterer Forschungsbedarf aufgezeigt.
Der Begriff Industrie 4.0 beschreibt die sogenannte vierte industrielle Revolution. Für ein gesamtheitliches Begriffsverständnis ist eine historische Einordung der drei vorhergehenden Revolutionen notwendig.
Die Erfindung der Dampfmaschine und die damit einsetzende Einführung von Wasser- und Dampfkraft in Fabriken gegen Ende des 18. Jahrhunderts wird als die erste industrielle Revolution verstanden.[4] Die zweite industrielle Revolution Anfang des 20. Jahrhunderts ist durch die Einführung von Elektrizität als Antriebskraft und der damit einhergehenden Nutzung von Fließbändern zur arbeitsteiligen Massenproduktion geprägt.[5] Der ab 1970 zu beobachtende steigende Einsatz von Elektronik und IT im Bereich der Produktion zur Automatisierung der Fertigung wird als die dritte industrielle Revolution bezeichnet. Nachdem die dritte industrielle Revolution bereits einige Jahrzehnte zurückliegt, wurde durch die Forschungsinitivative Industrie 4.0 der Bundesregierung der Begriff der vierten industriellen Revolution geprägt. Zum derzeitigen Zeitpunkt existiert keine allgemeingültige und verbreitete Definition zu Industrie 4.0. Im Wesentlichen wird unter dem Begriff die zunehmende Digitalisierung des Produktionsumfeldes verstanden, die sich durch eine verstärkte Verknüpfung von Produkten mit Informations- und Kommunikationstechnik über alle industriellen Prozesse auszeichnet. Grundlage für die Digitalisierung des Produktionsumfeldes bildet die Maschine zu Maschine- sowie Mensch zu Maschine-Interaktion (Cyber-physisches System (CPS)), die eine Vernetzung von Kunden- und Maschinendaten voraussetzt.
Wiesmüller (2014) definiert CPS wie folgt: „Cyber Physical System bezeichnet die Durchdringung physisch-mechanischer mit informationstechnischen Systemen zu kom
plexen Verbünden von Hard- und Software-basierten digitalen Komponenten mit mechanischen oder elektronischen Teilen, die über ein Netzwerk autonom miteinander kommunizieren.“[6]
Diese Entwicklung fördert intelligente und selbststeuernde Prozesse über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg und erlaubt es den Anforderungen an kundenspezifischen Wünschen und einer flexiblen Produktion gerecht zu werden.[7] Ein zusammenfassender Überblick der Revolutionen kann der nachfolgenden Abbildung 2-1 entnommen werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-1: Stufen der industriellen Revolution[8]
Beim Begriff Industrie 4.0 handelt es sich um einen medienwirksamen Namen, der überwiegend im deutschsprachigen Raum Verwendung findet. Dieser stellt einen Sammelbegriff für eine Reihe von Konzepten und Technologien dar, die unter anderem dem Industrial Internet of Things (IIoT) als Teilbereich des Internet of Things zuzuordnen sind.[9] Hierunter fallen beispielsweise Cyber-Physikalische Systeme (CPS), Smart Factory.[10]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2-2 verdeutlicht diese Zusammenhänge und zeigt darüber hinaus weitere Teilbereiche von Industrie 4.0 auf. Da das IIoT einen Teilbereich des Internet of Things (IoT) bildet und oftmals nur die Rede von dem IoT ist, wird zu Gunsten der Simpliztät auf eine Unterscheidung der beiden Begriffe verzichtet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das Konzept der serviceorientierten Architektur stellt keine eigenständige, standardisierte Architektur dar, sondern eine Reihe von Mustern und Paradigmen, die während der Entwurfsphase bis hin zur Konzeptionierung von Softwarearchitekturen beachtet werden sollten. Der fehlende Technologiebezug hat zur Folge, dass bisher in Wirtschaft und Wissenschaft keine allgemeingültige und akzeptierte Definition vorzufinden ist. Im Folgenden werden zwei unterschiedliche Definitionen vor- und gegenübergestellt, um einen einleitenden Überblick über serviceorientierte Architekturen zu vermitteln. Gartner, einer der führenden Marktforschungsanalysten in der IT, hat 1996 erstmalig den Begriff SOA[11] verwendet, weshalb an dieser Stelle auf die Definition von SOA nach Gartner verwiesen wird:[12]
„Service-oriented architecture (SOA) is a design paradigm and discipline that helps IT meet business demands. Some organizations realize significant benefits using SOA including faster time to market, lower costs, better application consistency and increased agility. SOA reduces redundancy and increases usability, maintainability and value. This produces interoperable, modular systems that are easier to use and maintain. SOA creates simpler and faster systems that increase agility and reduce total cost of ownership (TCO).“[13]
Gartner definiert SOA also als ein Architekturmuster, das Unternehmen erlauben soll Produkte schneller auf dem Markt zu veröffentlichen, bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten, einer verbesserten Konsistenz sowie einer gesteigerten Agilität. Ein weiterer Fokus liegt auf der gesteigerten Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Anwendungssystemen. Eine weitere, oft zitierte Definition in der Fachliteratur, lautet wie folgt:
„SOA ist ein Architekturmuster, das den Aufbau einer Anwendungslandschaft aus einer einzelnen fachlichen, das heißt geschäftsbezogenen Komponente beschreibt. Diese sind lose miteinander gekoppelt, indem sie einander ihre Funktionalität in Form von Services anbieten.“[14]
Diese Definition versteht SOA als Architekturmuster, das aus einer fachlichen Perspektive heraus entwickelt wird. Ein Prinzip, welches nach dieser Definition zu beachten ist, ist das lose Koppeln von modularen Komponenten. Diese lose Kopplung erlaubt eine erhöhte Flexibilität und einen verringerten Wartungsaufwand. Eine Gegenüberstellung der vorgestellten Definitionen macht deutlich, dass beide Definitionen im Kern die gleichen Aussagen treffen. Sowohl das Verständnis von SOA als ein Architekturmuster, als auch der modulare Aufbau (samt loser Kopplung) und die damit einhergehende Flexibilität bilden die wesentlichen Kernaussagen der Definitionen. Diese bilden auch die zentralen Anforderungen von Unternehmen an eine SOA.[15]
Eine SOA kann in drei wesentliche Bestandteile zerlegt werden, die Service-Anbieter und -Konsumenten, sowie die Services selbst. Ein Service-Anbieter kann sowohl eine Menge von Services anbieten als auch Services konsumieren. Im Kontext einer SOA werden Services als implementierte, funktionale Dienstleistung einer Anwendung oder Anwendungslandschaft, die beispielsweise eine gewisse Funktionalität den Konsumenten zur Verfügung stellt, verstanden. Das Identifizieren verfügbarer Services erfolgt durch die sogenannte „Service Discovery“. Das Konsumieren und Verknüpfen von Services erfolgt z. B. über Webservices. Das Verknüpfen (sog. „Service Composition“) von unterschiedlichen (Basis-)Services zu komplexeren Services erlaubt das Bereitstellen grundlegender, neuer Funktionalitäten, welche die Flexibilität von Unternehmen sichern, um den Bedingungen schnell verändernder Märkte gerecht zu werden.[16] Die in Abbildung 2-3 dargestellte Grafik, stellt den exemplarischen Aufbau einer SOA dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-3: Exemplarischer Aufbau einer SOA[17]
Der zentrale Bestandteil dieser Arbeit ist eine systematische Literaturrecherche. Auf Grundlage einer initialen Schlagwortsuche zum Begriff „Industrie 4.0“ in Zusammenhang mit „SOA“, kann festgestellt werden, dass nur eine geringe Anzahl potenzieller Publikationen für eine weitere Aufarbeitung in der Ergebnismenge vorhanden ist.[18] Dies liegt daran, dass Industrie 4.0, wie vorhergehends, erwähnt eher als marketingwirksamer Name zu sehen ist. Für diese Arbeit wurde daher der Fokus auf eine Auswahl der in einer Industrie 4.0 verwendeten Ideen, Konzepte und Technologien gelegt. Dahingehend wurde für eine systematische Literaturrecherche die in Tabelle 3-1 dargestellten Schlagworte identifiziert (Spalte 2 „Industrie 4.0“). Da SOA in der Literatur in der Schreibweise abweicht, wurden verschiedene Schreibweisen als Schlagworte verwendet. Die Abkürzung „SOA“ als Schlagwort entfällt bewusst, da der Begriff in der Regel mindestens einmal in ausgeschriebener Form innerhalb einer Publikationen verwendet wird.
Um eine große Bandbreite an wissenschaftlichen und akademischen Publikationen abzudecken, werden die wissenschaftlichen Datenbanken ACM Digital Library (ACMDL), AIS Electronic Library (AISEL), EBSCOHost, IEEE Xplore, Science Direct und ProQuest im Rahmen der Literaturrecherche durchsucht.
Durch eine boolesche Kombination der in Tabelle 3-1 dargestellten Schlagworte aus der Spalte „SOA“ mit denen aus der Spalte „Industrie 4.0“, werden für jede Datenbank Suchstrings generiert und anhand derer die Recherche durchgeführt (siehe Anhang für verwendete Suchstrings).[19] Da der zeitliche Rahmen dieser Seminararbeit keine vollständige und qualitativ hochwertige Auswertung aller Schlagworte aus der Spalte „SOA“ zulässt, werden im Nachfolgenden nur die kursiv formatierten Schlagworte in den Suchstrings berücksichtigt. Eine Besonderheit ist die Einschränkung des Suchzeitraums auf Publikationen, welche ab 2011 erschienen sind, da wie eingehens erwähnt, erst ab diesem Zeitpunkt der Begriff „Industrie 4.0“ einer breiten Masse kommuniziert wurde und folglich erst ab diesem Zeitpunkt Publikationen von Interesse sind.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 3-1: Schlagworte zur Generierung der Suchstrings
Eine Einschränkung auf Publikationen, welche einen Peer-Review-Prozess durchlaufen haben, wird bewusst zu Lasten der Qualität nicht getroffen. Begründet wird diese Entscheidung damit, dass der Prozess i. d. R. sehr langwierig ist und durch die Aktualität des Forschungsgebietes sowie die Betrachtung ab 2011 viele aktuelle Pubikationen diesen Prozess noch nicht durchlaufen haben können.
[...]
[1] Vgl. Drath, Horch (2014), S. 56.
[2] Vgl. zu diesem und den folgenden Satz Candido, Barata, Colombo (2012), S. 1171 sowie Starke,
Kunkel, Hahn (2013), S. 1982.
[3] Vgl. Kaur, Harrison, West (2015), S. 2964 und Mendes, Leitao, Colombo (2011), S. 350.
[4] Vgl. Bauernhansl, Ten Hompel, Vogel-Heuser (2014), S. 346.
[5] Vgl. zu diesem und folgenden Satz Bauer u. a. (2014), S. 10.
[6] Vgl. Wiesmüller (2014), S. 197.
[7] Vgl. Dürkop u. a. (2014), S. 1 und Ollinger, Schlick, Hodek (2011), S. 5231.
[8] Darstellung in Anlehnung an Spath u. a. (2013), S. 23.
[9] Vgl. Popescu (2015), S. 86-88.
[10] Vgl. Bauer u. a. (2015), S. 10.
[11] Eigene Darstellung in Anlehnung an Bauer u. a. (2015), S. 22 und Posada u. a. (2015), S. 29-30.
[12] Vgl. Mandl (2012), S. 119.
[13] Vgl. Gartner Inc. o. J..
[14] Vgl. Humm, Voss, Hess (2006), S. 396.
[15] Vgl. Humm, Voss, Hess (2006), S. 396.
[16] Vgl. zu diesem Absatz Barry (2013), S. 31-32.
[17] Vgl. Barry (2013), S. 32.
[18] Initiale Suche in IEEE Xplore ergab 25 Treffer. Suchen in den Datenbanken ProQuest und ScienceDi- rect ergaben keine Treffer.
[19] Durch die Begrenzung der Anzahl an Suchbegriffe in IEEE Xplore, musste der Suchstring in 3 separate Strings aufgeteilt werden.
