Maximilian Both

• Evaluierung, Konzeptionierung und Implementierung von Informationsmodellen und Anwendungen für Anlagenkomponenten im Kontext von Industrie 4.0 und Building Information Modelling
  Das Forschungsvorhaben evaluiert im ersten Projektschritt die Abbildbarkeit von heutigen Informationsmodellen für Anlagenkomponenten, z.B. Pumpen, auf die Modelle der sich entwickelnden Marktstandards aus Industrie 4.0 und Building Information Modelling (BIM). Insgesamt soll ein herstellerübergreifendes, einfach erweiterbares und flexibles Informationsmodell für Anlagenkomponenten zur Anwendung in der Prozess- und Gebäudeautomation entstehen. Gerade die Entwicklungen im Kontext von Industrie 4.0 ermöglichen die Umsetzung innovativer Geschäftsmodelle bzgl. herstellerübergreifenden und Cloud-basierten Anwendungen, die im zweiten Projektschritt auf ihre Marktpotenziale hin untersucht werden sollen. Auf Basis des entwickelten Informationsmodells und ausgewählten Anwendungsszenarien werden im dritten Projektschritt prototypisch Anwendungen implementiert, z.B. aus Energie-, Instandhal-tungs-, Dokumentationsmanagement, Monitoring- und BIM-Anwendungen etc. Fördermittelgeber: KSB-Stiftung, Laufzeit: 01.01.2017 bis 31.12.2020
• Entwicklung einer Industrie 4.0-Verwaltungsschale auf Basis des Allgemeinen Geräteprofils für Pumpen (VDMA 24223)
  Ziel des Projekts ist die Standardisierung einer Verwaltungsschale für Pumpen inkl. kommunikationstechnischer Anbindung auf Basis von OPC UA. Die Ergebnisse der Projektarbeiten sollen interessierten Mitgliedsfirmen als grundlegende Spezifikation zur Implementierung einer Verwaltungsschale für ihre Produkte dienen - standardisiert in allen Grundfunktionalitäten und erweiterbar mit herstellerspezifischen Funktionalitäten. Die Projektarbeit basiert auf dem allgemeinen Geräteprofil für Pumpen (VDMA-Einheitsblatt 24223), welches die semantische Grundlage der Verwaltungsschale legt. Im ersten Schritt erfolgt die Verortung der Verwaltungsschale innerhalb von RAMI 4.0, d.h. der Fokus der Standardisierungsarbeiten festgelegt. Bei der Entwicklung der Verwaltungsschale müssen Standardisierungsaktivitäten im I4.0-Umfeld mit berücksichtigt werden, insbesondere bei der Spezifikation der Teilmodelle im zweiten Arbeitspaket des Projekts. Die Umsetzung einer kommunikationstechnischen Anbindung mit OPC UA ist Schwerpunkt des dritten Teils der Projektarbeiten. Hier werden grundlegende Software-Architekturen entworfen, die Umsetzbarkeit in eingebettete Server evaluiert, entwickelte Teilmodelle auf Basisobjekte von OPC UA abgebildet und Open Source-Stacks zur prototypischen Umsetzung analysiert. Fördermittelgeber: VDMA-Forschungsfond, Laufzeit: 01.02.2018 bis 31.12.2019
• Semantische Interoperabilität durch Natural Language Processing (KI) als Basis für Self-X-Fähigkeiten von Verwaltungsschalen in semantisch heterogenen Asset-Netzwerken
  Die aktuelle Praxis in Industrie- und Gebäudetechnik ist durch eine heterogene semantische Beschreibung von Assets (technische Anlagen, Anlagenkomponenten, automatisierungstechnische Anwendungen) geprägt. Aufgrund vielfältiger herstellerspezifischer Asset-Beschreibungen, sowie uneinheitlichen nationalen und internationalen Standards, wird auch zukünftig eine Abwägung von Nutzen vs. Aufwand über die Realisierung einer Interaktion/Applikation von Assets entscheiden. Hier setzt das Forschungsvorhaben an. Es erweitert aktuelle Forschungskonzepte zur Interaktion von Industrie 4.0 (I4.0)-Komponenten (Asset und Verwaltungsschale) um neue Erkundungs- und Interaktionsmechanismen in semantisch heterogenen Netzwerken. Assets unterschiedlicher semantischer Ausprägung werden identifiziert und automatisiert auf eine gemeinsame Syntax (Informationsmodell) und Semantik (Bedeutung) abgebildet. Damit werden sie semantisch interoperabel, eine Voraussetzung für die Selbstkonfiguration ihrer Interaktionen. Grundlage dieser neuartigen Erkundungs- und Abbildungsmechanismen sind Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), konkret des Natural Language Processing (NLP), zur Erkennung von Bedeutung und Struktur von Asset-Funktionalitäten. Prototypisch entstehen Cloud-basierte Energie- und Asset Monitoring-Anwendungen, welche Self-X-Fähigkeiten in heterogenen und homogenen semantischen Asset-Netzwerken der Technischen Gebäudeausrüstung demonstrieren. Im Projekt entwickelte Software wird als Open Source zur Verfügung gestellt, eine Produktentwicklung resp. kommerzielle Verwendung ist nicht angedacht. Sämtliche Forschungsergebnisse werden veröffentlicht und über eine enge Vernetzung mit I4.0-Arbeitskreisen in die Normen- und Richtlinienarbeit eingebracht. Projektpartner: - Fördermittelgeber: KSB-Stiftung Laufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2023
• Optimierung des Rechercheprozesses innerhalb von Normen durch Methoden des Natural Language Processing - Normenbasierte Language Models
  Nutzer von Normendokumenten müssen häufig viel Zeit für die Recherche investieren, um für sie relevante Informationen aus Normen zu extrahieren und verwenden zu können. Die Vielzahl der potenziell relevanten Normen erschwert hierbei den Rechercheaufwand. Initiativen wie das Semantische Normen-Informations-Framework (SNIF) bieten hierbei eine erste Abhilfe und erleichtern die Suche. Anwendungen wie SNIF basieren jedoch auf festen Regeln und Schlüsselwörtern und sind somit auf diese beschränkt. Moderne Methoden aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz, konkret dem Natural Language Processing (NLP), sind die Basis für starke Verbesserungen des Sprachverständnisses von Maschinen in verschiedenen Domänen. Hierzu werden vortrainierte (pretrained) Language Models verwendet, die auf einer breiten Vielfalt an Texten trainiert werden. Durch das Pretraining der Modelle erhalten diese ein grundsätzliches Verständnis der Domäne, aus der die Texte stammen. Ziel des Projektes ist das Training eines Language Models, welches auf internationalen und deutschen Normen basiert. Dieses vortrainierte Modell kann für verschiedene Anwendungen verfeinert werden. Eine dieser Anwendungen ist das Extrahieren relevanter Normeninhalte für ein Bauteil passend zu einem Produktdatenstandard. Projektpartner: IDiS - Initiative Digitale Standards, Fördermittelgeber: DIN, VDE, Laufzeit: 01.11.2021 bis 31.07.2022

• Synergien der beiden Konzepte BIM und Industrie 4.0
  Both, M.; Müller, J., TGA-Kongress 2018, Berlin
  
• Entwicklung einer Industrie 4.0-Verwaltungsschale auf Basis des allgemeinen Geräteprofils für Pumpen
  Both, M.; Müller, J., Automationskongress 2018, Baden-Baden
  
• Synergien aus BIM und Industrie 4.0 für Anwendungen in Planung und Betrieb von Gebäuden
  Both, M.; Müller, J., Automationskongress 2018, Baden-Baden
  
• Building Information Modeling und Industrie 4.0- Synergien bei Planung und Betrieb von Gebäuden
  Both, M.; Müller, J., Bd. 60 Nr. 06-07 Juni 2018, Hg.: atp Magazin - Automatisierungstechnische Praxis
  In der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) steht Building Information Modeling (BIM) stellvertretend für den Begriff der Digitalisierung, während in deutschen Industriebranchen Industrie 4.0 (I4.0) als Synonym für die digitale Transformation verwendet wird. Beide Konzepte beruhen auf der Beschreibung von Assets über ihren Lebenszyklus auf Basis standardisierter Merkmale – trotzdem finden kaum Austausch respektive synchronisierende Arbeiten statt. In der Praxis bedeuten unterschiedliche Informationsmodelle für Hersteller und Anwender von Assets auch verschiedenartige Anwendungsschnittstellen und erhebliche Aufwendungen im Engineering von Asset-Informationen über den Lebenszyklus. Erste Untersuchungen eines Forschungsprojekts zeigen, dass sich I4.0-Teilmodelle zur Beschreibung von Anlagenkomponenten der Gebäudetechnik eignen und in BIM-Lösungen integriert werden können. Der Beitrag beschreibt Synergien und Kombinationsmöglichkeiten der beiden Konzepte.
  Building Information Modeling und Industrie 4.0- Synergien bei Planung und Betrieb von Gebäuden
• Hersteller definieren Industrie 4.0-Verwaltungsschale für Pumpen
  Müller, J.; Both, M., April 2019, Hg.: Chemie Technik
  Wie werden Pumpen industrie-4.0-ready? Diese Frage beschäftigt derzeit Hersteller und interessiert natürlich auch Planer und Automatisierer, die sich davon einfachere Engineering- und Instandhaltungsprozesse sowie die Einbindung in cloudbasierte Anwendungen erhoffen. Die Basis dafür soll eine jüngst fertiggestellte, standardisierte Verwaltungsschale für Pumpen und Vakuumpumpen bilden.
  Hersteller definieren Industrie 4.0-Verwaltungsschale für Pumpen
• Die BIM Methode. Mehr als nur 3D - der Weg bis hin zur XD-Planung
  Lambertz, M.; Both, M.; Höper, J.; Theißen, S.; Drzymalla, J., Facility Management (Ausgabe 02/2019, S. 40 ff.), Hg.: bauverlag, Gütersloh
  Durch den immer weiter fortschreitenden digitalen Wandel stehen der deutschen Baubranche in den kommenden Jahren große Herausforderungen bevor. Als Synonym für den digitalen Wandel steht in der Baubranche der Begriff des Building Information Modeling‘s (BIM). Die Prozessabläufe von der Planung bis zum Betrieb eines Gebäudes wird BIM in allen Gewerken gänzlich verändern.
  Die BIM Methode. Mehr als nur 3D - der Weg bis hin zur XD-Planung
• Development of Industry 4.0 models and their applicability for BIM
  Both, M.; Müller, J.; Kämper, B., 27.05.2019, Hg.: 13th REHVA World Congress Clima 2019, E3S Web of Conferences, Bukarest
  
• Digitization of pumps – Industry 4.0 submodels for liquid and vacuum pumps
  Both, M.; Müller, J.; Kämper, B.; Eichberger, D., 4th International Rotating Equipment Conference 2019, Wiesbaden, Hg.: VDMA
  
• Deep Learning in Industrie 4.0 Umgebungen als Wegbereiter für automatisierte Abbildungen von Ontologien
  Both, M.; Müller, J., AUTOMATION 2020, 21. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik, Hg.: VDI Verlag GmbH, ISBN 978-3-18-092375-8
  
• Industrie 4.0 Konzepte als Basis für BIM im Betrieb
  Maisch, N.; Both, M.; Ostermeier, M.; Ulmer, R.; Müller, J., KI Kälte, Luft, Klimatechnik, 10 2021
  
  BIM im Betrieb
• Interoperable Interaktionen semantisch heterogener Industrie 4.0 Komponenten auf Basis einer Capability Ontologie für die Technische Gebäudeausrüstung
  Maisch, N.; Both, M.; Müller, J., AUTOMATION 2021, 21. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik, Hg.: VDI Verlag GmbH
  
  DOI: 10.51202/9783181023921-691
• BIM im Betrieb durch lebenszyklusübergreifende Verfügbarkeit von Anlagendaten auf Basis von I4.0-Verwaltungsschalen
  Ostermeier, M; Maisch, N.; Both, M.; Ulmer, R.; Müller, J., AUTOMATION 2021, 21. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik, Hg.: VDI Verlag GmbH
  
  DOI: 10.51202/9783181023921-131
• Semantische Interoperabilität durch Natural Language Processing als Basis für Self-X-Fähigkeiten von Verwaltungsschalen in semantisch heterogenen Asset-Netzwerken
  Both, M.; Maisch, N.; Müller, J., AUTOMATION 2021, 21. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik, Hg.: VDI Verlag GmbH
  
  DOI: 10.51202/9783181023921-571
• Automatisierte Abbildung semantisch heterogener I4.0-Verwaltungsschalen durch Methoden des Natural Language Processing
  Both, M.; Müller, J.; Diedrich, C., at - Automatisierungstechnik, Band 69 - Heft 11, 2021, Hg.: Oldenbourg Wissenschaftsverlag
  Systeme im Bereich Industrie 4.0 sollen interoperabel miteinander agieren können. Damit dies automatisiert realisiert werden kann, müssen sie semantisch interoperabel sein. Hierfür fokussiert der aktuelle Industrie 4.0 Forschungsansatz einen semantisch homogenen Sprachraum. In diesem Paper wird eine Methode vorgestellt, die diesen Ansatz um heterogene Semantik erweitert. Die Abbildung unbekannter Vokabulare auf eine Zielontologie ermöglicht die Interaktionen heterogener Verwaltungsschalen. Basis der Abbildung sind Methoden aus dem Bereich Natural Language Processing. Hierzu werden auf ISO Standards vortrainierte language models und sentence embeddings kombiniert. Dies führt zu einer vielversprechenden Genauigkeit bei dem erstellten Evaluationsdatensatz, welcher unterschiedliche Semantiken für Identifikation- und Design-Teilmodelle des Projektes Pumpe 4.0 enthält.
  Open Access Zugang
• Konfigurationsfreies Energiemonitoring(Self-X) auf Basis einer automatisierten Abbildung von Kommunikationsnetzwerken durch Natural Language Processing
  Both, M.; Müller, J.; Diedrich, C., 27.06.2023, Hg.: AUTOMATION 2023, 23. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik, VDI Verlag GmbH
  

Conference Paper

• Interoperability of semantically heterogeneous digital twins through Natural Language Processing methods
  Cartus, A.; Both, M.; Maisch, N.; Müller, J.; Diedrich, C., Hg.: 14th REHVA HVAC World Congress, Rotterdam
  Self-organizing systems represent the next stage in the development of automation technology. For being able to interact with each other in an interoperable manner, it requires a uniform digital representation of the system's components, in the form of digital twins. In addition, the digital twins must be semantically interoperable in order to realize interoperability without the need for costly engineering in advance. For this purpose, the current research approach focuses on a semantically homogeneous language space. Due to the multitude of actors within an automation network, the agreement on a single semantic standard seems unlikely. Different standards and vendor-specific descriptions of asset information will continue to exist. This paper presents a method extending the homogeneous semantics approach to heterogeneous semantics. For this purpose, a translation mechanism is designed. The mapping of unknown vocabularies to a target vocabulary enables the interactions of semantically heterogeneous digital twins. The mapping is based on methods from the artifcial intelligence domain, specifically machine learning and natural language processing. Semantic attributes (name, definition) as well as further classifying attributes (unit, data type, qualifier, category, submodel element subtype) of the digital twins' attributes are used therefore. For the mapping of the semantic attributes pre-trained language models on domain specific texts and sentence embeddings are combined. A decision tree classifies the other attributes. Different semantics for submodels of pumps and HVAC systems are used as the evaluation dataset. The combination of the classification of the attributes (decision tree) and the subsequent semantic matching (language model), leads to a significant increase in accuracy compared to previous studies.
  DOI: 10.34641/clima.2022.143
• Automated performance monitoring of HVAC components by artificial intelligence
  Both, M.; Cartus, A.; Maisch, N.; Kämper, B.; Müller, J.; Diedrich, C., Hg.: 14th REHVA HVAC World Congress, Rotterdam
  Energy management systems are an important tool for increasing the energy efficiency of buildings. However, the widespread availability of such systems is offset by the high complexity and high costs of implementation, as well as a lack of data. By using standardized digital twins of technical components, these obstacles can be addressed. In combination with homogeneous semantics of the digital twins and standardized interfaces as uniform access points to the information, the implementation of an energy management system can be simplified. If all technical components of a building have the same information technology structure in the form of digital twins and make their standardized information uniformly available for query, simple query rules can be implemented. These enable the automated integration of the information into an energy management system. However, given the large number of different manufacturers of the technical components, agreement on a common semantic standard in particular seems unlikely. Studies show that methods from the field of Natural Language Processing can be used to process heterogeneous semantics. Agreement on a common vocabulary is no longer necessary. Instead, different semantics can be used and matched to a target vocabulary. In order to use semantic matching in Industrie 4.0 environments, it must be provided as an Industrie 4.0 service. The service provides a translation mechanism from a foreign vocabulary to one's own. For this purpose, a standardized Industrie 4.0 interface consisting of two operations is specified. This interface is implemented prototypically as an API to show how it can be used. The specified interface can be used within the digital twins to process heterogeneous semantics and map them to its own. Extending the Industrie 4.0 approach from homogeneous to heterogeneous semantics can help simplifying the implementation of energy management systems. Simpler implementation lowers the barriers to the use of such systems, which in turn can lead to their higher availability.
  DOI: 10.34641/clima.2022.144
• Reducing configuration efforts in energy management systems based on natural language processing methods and asset administration shells
  Both, M.; Müller, J.; Diedrich, C., Hg.: 2022 IEEE 27th International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA)
  Energy management systems are an important tool for increasing the energy efficiency of buildings. However, the widespread availability of such systems is offset by the complexity and high costs of implementation, as well as a lack of data. These obstacles can be addressed by using standardized digital twins of technical components. In combination with homogeneous semantics and standardized interfaces as uniform access points to information, the implementation of an energy management system can be simplified. However, given the large number of different manufacturers of the technical components, an agreement on a common semantic standard of the information elements seems unlikely. Studies show that methods from the field of natural language processing can be used to process heterogeneous semantics. An agreement on a common vocabulary is no longer necessary. Instead, different semantics can be used and matched to a target vocabulary. The implementation of such a matching service reduces the configuration effort for the implementation of an energy management system. Providing an Industrie 4.0 interface that contains the semantic matching service within the components allows the interaction between them and an energy management system. A prerequisite for automated interaction is the availability of information in a uniform structure in the form of an information model. This paper presents the design of an Industrie 4.0 asset administration shell and initial submodels for an energy management system. Additionally, an Industrie 4.0 interface for the semantic matching service is implemented in a prototypical application of an energy management system. This implementation demonstrates how the configuration effort of such a system can be reduced by semantic matching.
  DOI: 10.1109/ETFA52439.2022.9921479