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e-Kinematix ist ein DfG gefördertes Projekt, an dem das Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik, das Fachinfomationszentrum Karlsruhe und das FG Konstruktionstechnik der TU Ilmenau beteiligt sind. 

Im Projekt e-Kinematix soll eine virtuelle Forschungsumgebung zur Unterstützung der Entwicklung von Bewegungseinrichtungen aufgebaut werden. Hierzu sollen Technologien zur Projektorganisation, -durchführung und -dokumentation bereitgestellt werden. In einzelnen Modulen werden Werkzeuge zur Verwaltung, Recherche, Synthese und Analyse erstellt. Besonders wichtig bei der Entwicklung ist die Dokumentation der Ergebnisse der Arbeitsschritte und die Verknüpfung der gesammelten Daten. Grundlage für das e-Kinematix Projekt bilden die e-Researchumgegung eSciDoc, die Digitale Mechanismen- und Getriebebibliothek (DMG-Lib) und die Applikation Gecko. Durch die Kombination entsteht ein umfassendes Werkzeug zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses.
Motivation


Arbeitsfluss

Zur Realisierung einer optimalen virtuellen Arbeitsumgebung im Rahmen des e-Kinematix Projektes soll diese sich an den bereits verwendeten methodischen Entwicklungsprozessen orientieren, unterstützend wirken und weder Einschränkung noch Mehraufwand für den Ingenieur mit sich bringen. In der Praxis bedeutet diese Anforderung eine optionale Verwendung der Teilaspekte oder Module der Arbeitsumgebung, in denen Informationen automatisiert erfasst, verlinkt und weiterverarbeitet werden können. Die Module richten sich dabei sowohl auf die Organisation als auch auf die Durchführung des Prozesses. Ein allgemein anerkanntes Vorgehen bei der Entwicklung technischer Produkte sind die VDI 2221 und VDI 2222. Bild 1 beschreibt eine prinzipielle Vorgehensweise für eine generelle Produktentwicklung mit einer Unterteilung in logischen Arbeitsschritten die iterativ durchlaufen werden.

Entwicklungsstrategie

In jedem Prozessschritt werden Informationen gesammelt und sortiert, Teilaufgaben gelöst, Lösungen analysiert und bewertet und das weitere Vorgehen entschieden. In allen Phasen sind Ergebnisse zu dokumentieren. Die erzeugte Menge an Dokumentation kann nur dann sinnvoll weiterverarbeitet werden, wenn eine klare Struktur bzw. Zuordnung der einzelnen Dokumente/Dokumentbereiche zueinander geschaffen wird. Im Sinne der Prozesseffizienz soll diese Zuordnung ohne großen Aufwand durchgeführt werden können.


Module der virtuellen Arbeitsumgebung

Als Basismodul kommt die eSciDoc-Infrastruktur zum Einsatz, in der Prozessorganisation in Form der Projekt-, Benutzer- und Rechteverwaltung, sowie des Dokumenten- und Datenmanagement (Informationsorganisation) realisiert wird. Besonders wichtige Aspekte sind das Anlegen und Konfigurieren der Projekte, Benutzer und deren Rechte sowie das Einstellen, Aktualisieren, Abrufen und Versionieren der Dokumentation. Zudem sollen Metadaten automatisch für eine Langzeitarchivierung erfasst und so die Nachvollziehbarkeit von Entscheidungen sichergestellt werden. Das Basismodul soll auch den zentralen Einstiegspunkt bilden.

Das Recherchemodul bietet Zugang zu vielen Informationsquellen, wie z.B. DMG-Lib, Konstruktionskataloge wie beschrieben in VDI 2727 (4), IGM Getriebemodellsammlung und Getriebelexikon, Online-Datenbanken für Patente oder Fachliteratur, fachspezifische Vokabulare und allgemeine Suchmaschinen. Ein besonders wichtiger Aspekt neben der Speicherung der Suchergebnisse ist die Erfassung und Verwaltung von Metadaten zu Suche, Ergebnissen und deren Quellen sowie die Weiterverarbeitung und Verknüpfung zu anderen Dokumenten.

Das Analysemodul, das Struktursynthesemodul und das Maßsynthesemodul werden innerhalb des Programms Gecko vereint. Das Analysemodul dient zur Auswertung der kinematischen Eigenschaften eines Getriebes wie z.B. Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Umlauffähigkeit, Übertragungsverhalten etc. Ergebnisse werden in einem neutralen Datenformat gespeichert. Zur Analyse müssen strukturelle Parameter bekannt sein. Diese können entweder direkt im Struktursynthesemodul über eine graphische Schnittstelle eingegeben oder aus dem Recherchemodul ermittelt werden. Zudem können Analysedaten aus anderen Programmen mit Hilfe des Basismoduls gespeichert und verwaltet werden. Das Struktursynthesemodul dient zur Sammlung und Erweiterung der Informationen aus dem Recherchemodul. Insbesondere erlaubt es dem Anwender Parameter zu ändern, ordnende Gesichtspunkte einzugeben und Eigenschaften der Lösung zu bewerten. Im Rahmen dieser Informationserweiterung bleibt der Bezug zur Informationsquelle erhalten, um im Nachhinein Aktualisierungen von Ergebnissen zu ermöglichen und die Nachvollziehbarkeit zu verbessern. Im Maßsynthesemodul werden verschiedene Synthesemethoden der Getriebetechnik als interaktive Verfahren umgesetzt. An dieser Stelle soll die unterstützende Dokumentation mit den Synthesemethoden durch die Verwendung des Recherchemoduls verknüpft werden.

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Vorarbeiten

eSciDoc

eSciDoc ist eine Open-Source e-Research-Umgebung, die aus einem gemeinsamen Projekt der Max Planck Digital Library und FIZ Karlsruhe entstand und inzwischen durch eine „Community“ weiterentwickelt wird. Sie besteht (5) aus einer Gruppe von Kerndiensten (“eSciDoc Infrastructure”) und einer zunehmenden Zahl von Applikationen, die auf dieser Infrastruktur aufbauen. Darüber hinaus bietet eSciDoc ergänzende Dienste, die wiederkehrende Aufgaben wie etwa Validierung von Eingaben, Transformationen oder die Implementierung protokollspezifischer Schnittstellen in Form eigenständiger Services bereitstellen. Damit lässt sich eSciDoc als eine Sammlung lose gekoppelter Dienste im Sinne einer Service-orientierten Architektur (SOA) betrachten.

Was aber ist eine e-Research-Umgebung und welche Eigenschaften sollte sie haben?

Hierzu gibt es unterschiedlichste Vorstellungen und Definitionen. Ursprünglich stammt der Begriff als e-Science aus datenintensiven Disziplinen, meist aus dem Bereich der Naturwissenschaften. Hier stiegen in den letzten Jahren durch die weitgehend automatisierte Erfassung von Daten die Datenmengen enorm an. Die Gewinnung von Erkenntnissen durch Datenanalyse wird dabei sogar als eine komplett neue Form wissenschaftlicher Vorgehensweise betrachtet. Für die Speicherung und Analyse der Datenmengen wurden sogenannte Grid-Infrastrukturen geschaffen, etwa D-Grid in Deutschland (8). E-Research erweitert nun diesen Ansatz um andere Disziplinen, etwa die Geisteswissenschaften und sogenannte „small sciences“, also solche Disziplinen, in denen relativ geringen Datenmengen anfallen. Ein wichtiger Aspekt stellt dabei die Erfassung und Verwaltung von Forschungsdaten dar, also von den Daten, die für die Arbeit der Wissenschaftler relevant sind. Im Gegensatz zu Systemen aus dem bibliothekarischen Bereich, die die Unterstützung aller denkbarer Dateiformate und deren Beschreibung durch spezifische und bestenfalls innerhalb einer Disziplin standardisierten Metadatenprofilen ermöglicht. Eine derartige systematisierte Datenhaltung entspricht den Anforderungen an die gute wissenschaftliche Praxis im Umgang mit Forschungsdaten, stellt aber andererseits viele Wissenschaftler immer noch vor große Herausforderungen, wie aktuelle Studien zeigen.

Aber e-Research erlaubt auch neue Formen der Zusammenarbeit. Zunehmend findet wissenschaftliche Arbeit in Teams statt. Hier kann eine strukturierte Verwaltung der Daten auch ortsverteiltes Arbeiten ermöglichen. Hierzu bietet eSciDoc Funktionen wie feingranulare Zugriffsrechte und die Versionierung von Datenobjekten, durch die Änderungen nachvollziehbar bleiben. Auch sogenannte Audit Trails, die Änderungen mit Zeitpunkt und Verursacher festhalten, erleichtern das Verständnis der Daten im Nachhinein. Auf dieser Grundlage können dann sogenannte Virtuelle Forschungsumgebungen entstehen, wie e-Kinematix sie darstellt.

Dazu entsteht im Rahmen des Projekts auf Basis der eSciDoc Infrastructure eine Applikation mit mehreren Modulen. Hierzu kann auf vorhandene Software zurückgegriffen werden, etwa Gecko und DMG-Lib. Die Einbindung dieser bereits vorhandenen Applikationen zeigt einen wichtigen Design-Ansatz von eSciDoc auf: bewährte Werkzeuge der Wissenschaftler zu integrieren, anstatt sie erneut für eine e-Research-Umgebung zu entwickeln. Damit reduziert sich einerseits der Aufwand der Implementierung und der fortlaufenden Pflege der Software, andererseits steigt durch die Beibehaltung des vertrauten und adäquaten Werkzeugs die Akzeptanz durch die Anwender. Möglich machen diese Integration die offenen Schnittstellen von eSciDoc, die auf bewährten und durch das Web weit verbreiteten Standards wie Hypertext Transfer Protocol (HTTP) und Representational State Transfer (ReST) basieren. Über diese Schnittstellen kommunizieren die einzelnen Dienste von eSciDoc untereinander, und ebenso können bestehende Applikationen oder Services z.B. Daten anfordern oder schreiben.

eSciDoc basiert nicht auf einer relationalen Datenbank, sondern speichert die Daten in Form von Dateien im Filesystem ab. Hierfür setzt eSciDoc ein bewährtes Open-Source Repository-System ein: Fedora Commons. Alle Metadaten liegen in Form einer eigenen XML-Datei vor. Dieses Vorgehen schränkt auf der einen Seite zwar die Performanz bei komplexen Anfragen oder beim Arbeiten auf großen Datenmengen ein, auf der anderen Seite ergeben sich kaum Restriktionen hinsichtlich der Größe von Datenobjekten, der Struktur von Metadaten oder eventueller Feldlängen. Die Daten sind auch ohne das eigentliche Repository-System lesbar und verständlich.

escidocdienste

Repository-Systeme eigenen sich hervorragend zur Verwaltung von un- und semistrukturierten Daten. Damit einher geht aber auch eine Vielzahl möglicher Objektformen, die die Erstellung einer Applikation erschweren können. Deshalb definiert eSciDoc einige wenige Grundobjekttypen: „Item“ als inhaltstragendes Objekt, „Container“ als Aggregationsobjekt, Context als übergeordnetes, strukturierendes Objekt (vergleichbar mit einem Volume in einem Dateisystem, an dem sich auch Zugriffsrechte und Konfigurationen festmachen) sowie „Organizational Unit“ zur Abbildung von Organisationsstrukturen einer Einrichtung. Über sogenannte „Content Models“ lassen sich Items und Container spezialisieren, etwa hinsichtlich zu verwendenden Metadatenprofilen. Für jeden Grundobjekttyp stellt eSciDoc einen eigenen Service zur Verfügung (siehe Bild 2). Darüber liegt eine Sicherheitsschicht, die alle eingehenden Anfragen gegen die Rechteverwaltung prüft. Applikationen wie z.B. die Module von e-Kinematix müssen also keine eigene Rechteprüfung implementieren. Diese erfolgt zentral und damit über alle Module hinweg konsistent in der eSciDoc Infrastructure.


Gecko

Dynamische Geometrieprogramme wie Gecko ermöglichen die einfache Erstellung von graphischen Elementen und die Definition von Abhängigkeiten dieser Elemente. Im Rahmen der Produktentwicklung ermöglicht dies die Erstellung von Modellen basierend auf geometrischen Zusammenhängen und darüber hinaus die Änderung des Modells durch einfache Manipulation der Elemente mit sofortiger Aktualisierung der gesamten Konstruktion. Insbesondere der Bedienungskomfort über eine ansprechende Benutzeroberfläche und die interaktive Modellaktualisierung zur Analyse der Auswirkungen von Modelländerungen sind sehr vorteilhaft in frühen Produktentwicklungsphasen.

Graphische Konstruktionsverfahren der Getriebetechnik sind unter Verwendung von Papier, Bleistift, Zirkel und Lineal sehr statisch und oft unübersichtlich und aufwendig. Das Ergebnis lässt in Bezug auf die Genauigkeit daher oft zu wünschen übrig.

Durch Anwendung von dynamischen Geometrieprogrammen lassen sich diese Nachteile relativieren. Damit ergibt sich eine besonders anwendungsfreundliche Alternative zu den analytischen und numerischen Berechnungsverfahren. Mit Gecko können sehr genau, handlich, übersichtlich und vor allem dynamisch die graphischen Synthese- und Analyseverfahren der Getriebetechnik genutzt werden.

Gecko wird als Rich Client auf Basis der Eclipse Rich-Client-Plattform (RCP) mit der Programmiersprache Java entwickelt. Die graphische Benutzeroberfläche, die Erstellung und die Darstellung der Geometrieelemente für die objektorientierte Struktur des Programms werden mit Hilfe einzelner Bausteine bzw. Plugins realisiert. Gecko lässt sich plattformunabhängig einsetzen. Einzige Voraussetzung ist die Installation einer Java Virtual Machine.

Die Implementierung weiterer Funktionen richtet sich auf die getriebetechnischen Konstruktionswerkzeuge zur Erstellung von Punkten, Linien, Kreisen, Ebenen, Schnittpunkten und komplette Teilgetriebe oder Hilfskonstruktionen. Bild 3 zeigt eine Übersicht der Benutzeroberfläche (GUI).

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DMG-Lib

Das heute existierende Wissen über Bewegungssysteme ist weltweit verteilt und liegt in Form vieler unterschiedlicher Quellen vor. Dazu zählen Bücher, Zeitschriften, Fotografien, körperliche Modelle, technische Zeichnungen und viele weitere Medien. Vielfach sind diese Informationen nur in Teilen zugänglich. Die Form ihrer Hinterlegung entspricht meist nicht den Anforderungen an eine schnelle Informationsgewinnung.

Aus diesen Gründen wurde ab dem Jahr 2004 mit dem Aufbau einer umfassenden getriebetechnischen Informationssammlung begonnen. Die Digitale Mechanismen- und Getriebebibliothek (DMG-Lib) entstand als ein interdisziplinäres Projekt der Technischen Universitäten Ilmenau und Dresden und der RWTH Aachen. Seit dem Jahr 2010 wird das Projekt im europäischen Rahmen fortgeführt und erschließt seitdem auch das getriebetechnische Wissen in den Partnerländern Frankreich, Spanien, Rumänien und Italien. Die gesammelten Informationen sind unter anderem über die europäische digitale Bibliothek Europeana abrufbar.

Das Ziel des Projektes besteht in der Sammlung, Bewahrung, Systematisierung und geeigneten Präsentation des weltweiten Wissens über Mechanismen und Getriebe. Die digitale Bibliothek soll dabei den Anforderungen unterschiedlicher Nutzergruppen, wie Ingenieuren, Wissenschaftlern, Lehrkräften, Historikern, Bibliothekaren genügen. Die Informationsquellen der DMG-Lib sind sehr heterogen und reichen von Monographien über Zeitschriftenaufsätze, Lehrmaterialien, Patente, CAD-Modelle, technische Zeichnungen, Berechnungs- und Simulationssoftware, Beschreibungen zu wichtigen Autoren und Erfindern bis hin zu Mechanismenbeschreibungen mit anschaulichen Videos und interaktiven Animationen von Anschauungsmodellen (Bild 5).

Für das Projekt e-Kinematix sind insbesondere die Mechanismenbeschreibungen der DMG-Lib interessant. Sie repräsentieren eine Vielzahl getriebetechnischer Lösungen und bilden zusammen mit den hinterlegten getriebespezifischen Metadaten in ihrer Gesamtheit eine Art Lösungsspeicher für Bewegungsaufgaben bei der Konstruktion von Maschinen und Geräten. Als Grundlage dieser Mechanismenbeschreibungen dienen in der Regel Abbildungen aus der Literatur, Patenten, Lehrmaterialien, Technischen Zeichnungen und insbesondere körperlich existierende Anschauungs- bzw. Lehrmodelle.

DMG

Für jede Mechanismenbeschreibung der DMG-Lib werden mehr als 40 Metadaten aufgenommen, die strukturelle und funktionale Eigenschaften aus getriebetechnischer Sicht beschreiben. Dies erleichtert eine gezielte Suche nach Lösungen, die über eine einfache Volltextsuche hinausgeht (Bild 6).

Da keine weitere digitale Bibliothek auf dem Gebiet der Bewegungssysteme einen ähnlichen Umfang wie DMG-Lib besitzt, spielt diese eine zentrale Rolle für das Recherchemodul von e-Kinematix. Dennoch sollen andere Informationsquellen eingebunden werden, um die Recherchemöglichkeiten auf eine breitere Basis zu stellen. Geplant sind unter anderem Schnittstellen - zu Patentdatenbanken, - zu Volltextarchiven (z.B. GoogleBooks), - zu Suchmaschinen für Open-Access-Datenbanken (z.B. OAIster) - sowie zu allgemeinen Web-Suchmaschinen.

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Konzept und Aufbau von e-Kinematix

Zurzeit erfolgen die Ausarbeitung des Feinkonzepts und der Softwarearchitektur. Dieser Abschnitt stellt den aktuellen Stand dar und beschreibt die bisherigen Überlegungen.


Organisation der Daten

Die Arbeit mit e-Kinematix ist projektorientiert, d.h. für jede Aufgabenstellung wird im System ein eigenes Projekt angelegt. Dies geschieht über das Administrationsmodul, welches auch die Verwaltung von Benutzern und Rollen sowie die Vergabe von Zugriffsrechten ermöglicht. Unterhalb jedes Projekts finden sich drei Unterordner: „Info“ mit den Rechercheergebnissen, „Synthese“ mit den Modellen aus Gecko und „Dokumentation“ mit zusätzlichen Dokumenten, etwa der Anforderungsliste und der zusammenfassenden Bewertung der Ergebnisse. Für jeden Unterordner lassen sich unterschiedliche Zugriffsrechte vergeben, um auch den verschiedenen Rollen in einem Team gerecht zu werden.

Strukturprojekte

Grundsätzlich soll e-Kinematix die Arbeit im Team unterstützen und dabei auch mehrere, parallel durchgeführte Projekte ermöglichen. Dabei können sich Projektteams aus Mitarbeitern unterschiedlicher Institutionen zusammensetzen. Mit der Zeit muss e-Kinematix also mit einer Vielzahl an Projekten zurande kommen. Zur grundlegenden Strukturierung der Inhalte des zugrundeliegenden Repositories setzt e-Kinematix auf Workspaces, in denen jeweils mehrere Projekte z.B. eines Institutes, eines Lehrstuhls oder eines Unternehmens zusammengefasst werden. Bild 8 zeigt beispielhaft den hierarchischen Aufbau mit zwei Workspaces und fünf Projekten.


Software-Module und Informationsflüsse

E-Kinematix wird nicht als monolithischer Block, sondern in Form eigenständiger Module entwickelt. Dadurch ist es einfach möglich, existierende Werkzeuge wie Gecko zu integrieren. Gleichzeitig bleibt die Gestaltung des Arbeitsprozess flexibel. Der Benutzer entscheidet anhand seiner Projektanforderungen, welche Module er verwenden will. So kann er z.B. Gecko auslassen, wenn er keine Modelle erzeugen muss.

Datenkonzept

Die Datenhaltung erfolgt für alle Module in eSciDoc. So kann z.B. Gecko ein existierendes Modell aus eSciDoc laden, ändern und zurückspeichern. eSciDoc verwaltet die Änderung dann als neue Version des Modells. Gleichzeitig können semi-automatisch Metadaten mit dem Modell abgespeichert werden. Auch Rechercheergebnisse verwaltet man in eSciDoc. Dies können einerseits Dokumente und Referenzen sein, andererseits (z.B. im Fall der DMG-Lib) auch Modelle, die sich direkt in Gecko nachnutzen lassen. Interessant ist die Möglichkeit, auch Modelle zurückfließen zu lassen, also z.B. ein Objekt in der DMG-Lib durch ein Modell aus Gecko zu ergänzen. Die unterschiedlichen Datenobjekte (Anforderungen, Suchaufträge, Suchergebnisse, Modelle, Bewertungen, usw.) stehen in Beziehung zueinander. Dies wird in eSciDoc explizit durch RDF-Triples ausgedrückt, die eine der Grundlagen des Semantic Web bilden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hyperlinks bestimmen RDF-Triples über ihr Prädikat auch die Bedeutung einer solchen Verknüpfung. Mithilfe dieser Technologie spannt sich über die Datenobjekte eine Art „Wissensnetz“, das das implizite Wissen einzelner Projektmitarbeiter für alle Teammitglieder explizit und damit zugreifbar macht. Durch die einheitliche Speicherung der Datenobjekte in eSciDoc können sie Benutzer über die verschiedenen Module abrufen. Ein Suchergebnis aus dem Recherchemodul ist im Informationsorganisationsmodul sicht- und lesbar, ebenso findet man dort die Modelle aus Gecko oder die Anforderungsliste, die mit dem Modul zur Verwaltung der Anforderungsliste erstellt wurde. Damit kann der Benutzer immer das passendste Modul für seine geplante Aktivität auswählen – er behält dabei immer eine konsistente Sicht auf die Daten seines Projekts.


Zusammenfassung

E-Kinematix unterstützt vier grundlegende Schritte im Entwicklungsprozess: die Präzisierung der Aufgabenstellung durch Erfassung der Anforderungen, die Recherche notwendiger Funktionen und möglicher Lösungen, die Modellierung ausgewählter Lösungen und die zwischenzeitliche Analyse und Bewertung. Dabei erzwingt das System keine lineare Vorgehensweise, sondern erlaubt zu jeder Zeit ein beliebiges Anspringen der für jeden Prozessschritt vorgesehenen Module. Das kommt der oftmals iterativen Arbeitsweise im Entwicklungsprozess entgegen und unterstützt somit die Vorgehensweise nach VDI 2221 (Bild 1). Die einzelnen Schritte erzeugen Datenobjekte, die in eSciDoc erfasst und dort mit Metadaten versehen werden. Schon mit einfach automatisch erfassbaren Informationen wie einem Zeitstempel, verwendetem Modul, angemeldeter Benutzer, Projekt und Objekttyp lässt sich jederzeit ein Gerüst für eine Dokumentation des Ergebnisses generieren. Sollte es die Zeit zulassen, soll noch mit der Anreicherung des Gerüsts durch Textbausteine experimentiert werden, um den Ingenieur bei diesem Arbeitsschritt zu unterstützen und auch hier zu einer Standardisierung zu kommen.

 

KONTAKT


Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik

RWTH Aachen

Eilfschornsteinstraße 18

52062 Aachen

 

Tel.: +49 (0)241 80 95546

Fax:  +49 (0)241 80 92263

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