Arbeitspaket 2: Modulare dynamische Prozess- und Wissensmodelle

In diesem Arbeitspaket AP2 werden generische und wiederverwendbare Prozessmodule definiert und entwickelt, die als Basis für die dynamische Spezifikation von realen Bauprozessen Verwendung finden. Die Module kapseln formalisierte Prozessabläufe, die über zusätzliches Verknüpfungs-, Verwendungs- und Strategiewissen zu konsistenten Prozessketten flexibel konfiguriert werden können.

In den folgenden Abschnitten sind die wesentlichen Zwischenergebnisse aus dem Arbeitspaket AP2 im Hinblick auf die folgenden vier Projektphasen zusammengefasst:

Phase 4: Validierung und Demonstration

Die im Arbeitspaket AP2 entwickelten Methoden, Referenzmodelle und Softwarekomponenten wurden zuerst in den Demonstrationsszenarien zur Bauablaufsimulation eingesetzt und für die flexible Planung von Ausführungsvarianten auf unterschiedlichen Detailstufen angepasst. Darüber hinaus wurden die entwickelten Prozesstechnologien zur detaillierten Planung der Szenarien selber sowie zur Ausführung entsprechender Workflows genutzt.

Bearbeitung eines Workflowmodells für das Szenario Ausschreibungscontrolling und Ausführung eines entsprechenden Workflows, gibGreiner GmbH

Definition von Prozess- und Wissensmodulen
Nachdem die Bauwerksmodelle und Baustellenmodelle des Mefisto-Flugsteigs weiter detailliert und umfassender attributiert wurden, mussten auch die im Arbeitspaket AP2 entwickelten Referenzprozessmodule für die hierarchische Modellierung von Montage- und Logistikprozesse angepasst werden. Weitere Referenzprozessmodule wurden für die Baustellenlogistik und die Montage von Fertigteildecken erarbeitet. Für die ontologiebasierte Prozesskonfiguraiton wurden die Wissensmodule um weitere Attribute und Relationen ergänzt und neue Methoden für die Sortierung, Gruppierung und Priorisierung implementiert.

Werkzeuge zur Konfiguration von Bauausführungsprozessen
Der SiteSimEditor wurde von den Partnern RUB und SP erweitert, so dass Ausführungsvarianten einfacher erstellt werden können. Mit einer Partial Model Query Language (PMQL) können Ausführungsstrategien definiert und als wiederverwendbare Templates gespeichert werden. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um die Definition von strategischen Randbedingungen. Die Ausführungsstrategien werden auf Basis des Multimodell-Containers definiert. Eine intuitive Benutzeroberfläche, um Ausführungsstrategien einfach und visuell definieren zu können, wird noch entwickelt. Der ontologiebasierte Prozesskonfigurator wurde um Funktionen Sortierung, Gruppierung und Priorisierung von Vorgängen erweitert.

Workflowmodellierung
Mit Hilfe der im Arbeitspaket AP1 definierten Multimodell-Vorlagen wurden detaillierte Workflowmodelle der Kollaborationsprozesse in BPMN erstellt für die Demonstrationsszenarien: Angebotscontrolling und Angebotsbearbeitung, Vertragsverhandlungen, Nachtragscontrolling, Ausführungsplanung und NU-Beauftragung, Montageplanung und –simulation, Logistikplanung und –simulation, Leistungsfeststellung und Fortschrittscontrolling sowie für die Risikosimulation. Beispielhaft wurde ein Modell der Projektorganisation mit Planern, Beratern, Auftraggeber, Auftragnehmer und Nachunternehmern erstellt. Für die Modellierung wurde der MMC-Editor zur Definition der Multimodell-Vorlagen mit dem VO- und dem Workfloweditor zu einem Platform Collaboration Manager (CoMa) zusammengefasst.

Phase 3: Systementwicklung und Testen

Das Arbeitspaket AP2 befindet sich zurzeit in der dritten Projektphase. In dieser wurden bisher verschiedene Softwarekomponenten für die Definition und Verwaltung von Referenzprozessmodellen sowie für die darauf aufbauende Prozesskonfiguration entwickelt.

Definition und Bauwerkszuordnung eines Referenzprozessmoduls, Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen, Ruhr-Universität Bochum


Die obige Abbildung zeigt beispielsweise die Komponenten des SiteSim-Editors für die Zuordnung von Referenzprozessmodulen zu den entsprechenden Bauwerkselementen und Gruppen von Bauwerkselementen. Die Inhalte des entsprechenden Referenzprozessmodules sind links unten dargestellt.

Definition von Prozess- und Wissensmodulen
Ausgehend von den Simulationsszenarien Mefisto-Hochhaus und Mefisto-Flughafen wurden weitere Referenzprozessmodule für die hierarchische Modellierung von Ausführungsprozessen definiert. Inzwischen ist eine gute Auswahl an Modulen in standardisierten Formaten verfügbar, welche für die automatische Prozess-Konfiguration in unterschiedlichen Werkzeugen verwendet werden kann.
Ergänzend zu den Referenzprozessmodulen wurden Wissensmodule mit Kompositions- und Konfigurationsregeln entwickelt. Für die Bauablaufplanung wurden verschiedene Strategien genutzt, die mittels Regeln implementiert sind. Die Neuerung bei der Implementierung der Regeln ist ein hierarchischer Ansatz. Dies bedeutet, dass für jede Prozessebene (Gebäude, Etage, Bauabschnitt, Gruppe von Elementen, Elemente) entsprechende Strategieregeln angewendet werden. Der Regelmechanismus ist sehr flexibel, so dass die Kombinierung von Regeln, die einer Ebene angehören, möglich ist. So kann der Endnutzer gleichzeitig die Auswirkung zweier Strategien sehen, indem er beide Regeln gleichzeitig aktiviert.

Werkzeuge zur Konfiguration von Bauausführungsprozessen
Ausgehend von den Spezifikationen für Referenzprozessmodule wurde die Entwicklung von Softwarekomponenten zur Bearbeitung, Verwaltung und Verwendung der Referenzprozessmodule für Bauausführungs- und Informationsprozesse fortgeführt.
Beim Forschungspartner RUB wurden verschiedene Softwarekomponenten zur Definition, Verwaltung und Konfiguration von Referenzprozessmodulen im Rahmen des SiteSimEditors umgesetzt. Beim Forschungspartner CIB wurde der ontologiebasierte Prozesskonfigurator zur hierarchischen Referenzprozessmodellierung mit zugehöriger Benutzerschnittstelle weiter ausgearbeitet und erstmals mit Werkzeugen zur Simulation von Bauabläufen verknüpft. Vom Industriepartner RIB wurden die Konzepte zur Referenzprozessmodellierung aufgenommen und mit der Anpassung des iTWO-Vorgangsmodells begonnen, um die Ableitung von neuen Vorgangsmodellen aus anderen Fachmodellen mit Hilfe entsprechender dynamischer Regeln zu ermöglichen.

Referenzmodellierung von Informationsprozessen
Für die Planung und Koordination der Informationsprozesse wurden die Methoden zur Referenzprozessmodellierung angepasst. Anstelle der dynamischen und automatischen Konfiguration von Referenzprozessmodulen stehen hierbei die durchgehende Verwendung und Konsistenzerhaltung von Prozessinformationen in unterschiedlichen Projektterminplänen, Workflows und einfachen Aufgabenlisten im Vordergrund.
Zur Beschreibung der erforderlichen Eingangs- und Ausgangsinformationen zu einem Prozessmodul wurden Vorlagen für Multi-Modell-Container mit Hilfe der in AP1 entwickelten Projekt-Kollaborations-Ontologie definiert. Darüber hinaus wurden verschiedene Modelltransformatoren entwickelt, um zum Einen diese Container-Vorlagen zur Prozessmodellierung im BPMN-Editor Visual Paradigma nutzen zu können und um zum anderen die so erstellten Referenzprozesse in einem IFC-basierten XML-Format exportieren zu können, welches sowohl die Terminplanung als auch die weitere Definition von Workflows unterstützt.

Phase 2: Ausarbeitung und Spezifikation

Zur effizienten Durchführung eines Bauprojektes sind aktuelle, abgestimmte, korrekte und konsistente Prozessmodelle erforderlich. Hierzu wurden in der ersten Projektphase innovative Modellierungskonzepte entwickelt, um die verantwortlichen Planer und Projektmanager bei Aufstellung und Steuerung dieser Bauprozesse zu unterstützen.
Grundlegende Elemente sind dabei sogenannte wiederverwendbare Referenzprozessmodule, die, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, für ein spezielles Bauprojekt konfiguriert werden können. Zunächst werden die Referenzprozessmodule projektunabhängig definiert und in einer Datenbasis systematisch gespeichert. Mit Hilfe verschiedener Regeln können die Module daraufhin mit Hilfe von aktuellen Projektinformationen aus Multi-Modellen gesucht, für den jeweiligen Projektkontext in der erforderlichen Detaillierung konfiguriert und zu einem ganzheitlichen Prozessmodell zusammengesetzt werden.

Softwarekomponenten für die Referenzprozessmodellierung, Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen, Ruhr-Universität Bochum


In der zweiten Projektphase wurden zuerst Referenzprozessmodule für Ausführungsprozesse auf Basis von 3D-Bauwerksmodellen definiert, die sowohl zur Terminplanung als auch für die Simulation von Produktions- und Logistikvorgängen verwendet werden können.

Spezifikationen für Referenzmodule
Von den Forschungspartnern in AP2 wurden formale Spezifikationen für die Referenzprozessmodule in einem Vorlagenkatalog und die Prozessmodelle aus konfigurierten Prozessmodulen ausgearbeitet. Diese wurden in Beschreibungslogik (OWL) und als Datenbankschemas formalisiert, so dass eine hierarchische Modellierung möglich ist. Auf der Grundlage der Spezifikationen wurden erste Implementierungen von Bibliotheken für Referenzprozessmodule und Anwendungskomponenten zur Modellierung mit Modulen begonnen.
Die Wissensbestandteile zur Unterstützung der Referenzprozessmodellierung wurden in die drei Klassen Verwendungs-/Kontextwissen, Verknüpfungswissen und Strategiewissen unterteilt.

Methoden zur Integration von unsicherem und unvollständigem Wissen
Aufbauend auf dem Verfahren zur Referenzprozessmodellierung und den Spezifikationen wurden verschiedene Untersuchungen zur Berücksichtigung von Unsicherheiten in Prozessmodellen durchgeführt und ein Konzept zum Einsatz von Fuzzy-Logik im Geschäftsprozessmanagement entwickelt.

Definition von Referenzprozessmodulen
Für die hierarchische Referenzmodellierung der Bauausführungsprozesse wurden zu den Simulationsszenarien Mefisto-Hochhaus und Mefisto-Flughafen erste Referenzmodule auf der Basis des Fachmodells Bauwerk erstellt. Bei der Instantiierung werden auf verschiedenen Detailstufen die Elemente des Bauwerksmodells sowie anderer Fachmodelle mit den entsprechenden Referenzprozessen verknüpft. Somit ergeben sich konkrete Prozesse, die im Weiteren analysiert und simuliert werden können.

Phase 1: Anforderungen und Konzeption

Im Arbeitspaket AP2 wurden generische Prozess- und Wissensmodule zur Modellierung der komplexen Prozessabläufe im Bauprojekt konzipiert, in denen prozessbezogenes und baufachliches Wissen ganzheitlich repräsentiert werden kann. Dabei wurden zwei Klassen von Prozessmodellen unterschieden, zum einen für Informationsprozesse bei Auftraggeber und Auftragnehmer und zum anderen für Ausführungsprozesse auf der Baustelle.

Referenzprozessmodellierung
Ein Ziel des Arbeitspaketes ist es, eine Modellierungsmethodik zu entwickeln, welche die effiziente Modellierung integrierter Prozessmodelle aus konfigurierbaren, flexibel kombinierbaren und hierarchisch erweiterbaren Modellierungsvorlagen (Referenzmodule) ermöglicht. Aufbauend auf einer umfangreichen Analyse der aktuellen Arbeitsprozesse beim Auftraggeber und Auftragnehmer wurden sowohl formale als auch technische Anforderung an die Modellierung von wiederverwendbaren Prozess- und Wissensmodulen aufgestellt. Zur Auswahl, Kopplung, Konfiguration sowie zum strategischen Einsatz wurden verschiedene Konzepte herausgearbeitet, die in Form von Wissensmodulen abgelegt werden sollen.

Einsatz von Referenzprozessmodulen, Verwendungs-, Kopplungs- und Strategiewissen zur semi-automatischen Detaillierung von Prozessen, Institut für Bauinformatik, Technische Universität Dresden


Die obige Abbildung stellt das Zusammenspiel zwischen Verwendungs-, Kopplungs- und Strategiewissen zur Spezifikation von projektspezifischen Gesamtprozessen auf Basis von einzelnen Referenzprozessen schematisch dar. Aktuell werden diese Konzepte weiter verfeinert und prototypisch mit Hilfe der Praxispartner umgesetzt.

Szenariomodellierung
Parallel zur Konzeption der beschriebenen Prozessmodellierungsmethodik wurde in Zusammenarbeit mit den Arbeitspaketen AP1 und AP9 ein Verfahren für die Szenariomodellierung entwickelt. Nach der Untersuchung verschiedener Modellierungstechniken wurde die Business Process Modeling Notation (BPMN) ausgewählt, um die zunächst tabellarisch in einer Szenariomatrix erfassten Prozesse und die dabei verwendeten Fachmodelle semi-formal zu beschreiben und als Grundlage für die Definition entsprechender Prozessmodule zu nutzen.
In Zusammenarbeit mit den Arbeitspaketen AP2 und AP9 wurde hierfür ein Verfahren für die Szenariomodellierung mit „Szenariomatrizen“ auf der Grundlage der Szenariomatrix und der Information Delivery Manuals entwickelt mit dem nicht nur die jeweils erstellten Fachmodelle sondern auch ihre horizontalen, vertikale und longitudinalen Abhängigkeiten systematisch erfasst werden können.

Teilaufgaben des AP2

Anforderungen an Prozess- und Wissensmodule

In der ersten Teilaufgabe werden die Anforderung an die Prozess- und Wissensmodule spezifiziert und nach klar definierten Kriterien klassifiziert, wobei Prozesse der Auftraggeber und Auftragnehmer berücksichtigt werden. Dabei werden Kopplungen von Teilprozessen untersucht sowie die Dynamik der Modellkomponenten berücksichtigt. Es werden außerdem Anforderungen zur Konfiguration und Verwaltung der Prozessmodule sowie zur Berücksichtigung von Unsicherheiten identifiziert.

Prozess- und Wissensmodule in Beschreibungslogik

In dieser Teilaufgabe werden die grundlegenden Klassen der Prozess- und Wissensmodule einschließlich ihrer prinzipiellen Funktionalität und Flexibilität formalisiert und verallgemeinert. Auf dieser Basis können die logischen Zusammenhänge zwischen einzelnen Teilaufgaben zur Erfüllung eines Teilprozesses nachvollziehbar und prüfbar definiert werden. Weiter werden für bestimmte Bauprozesse verschiedene logische Beschreibungen spezifiziert und analysiert.

Integration von unsicherem und unvollständigem Wissen

Bei der Beschreibung von implizitem und explizitem bauspezifischem Wissen müssen vorhandene Unsicherheiten und Unvollständigkeiten berücksichtigt werden. In dieser Teilaufgabe werden daher Unschärfen und Unsicherheiten durch Stochastik- und Fuzzy-Theorie-Methoden erfasst und formal beschrieben. Unvollständige Informationen sind Schritt für Schritt zu ergänzen und die Genauigkeit und Aussagefähigkeit der Prozessergebnisse zu erhöhen.

Methoden und Werkzeuge zur Konfiguration von Prozessmodulen

Zur Konfiguration, Verwaltung und Auswahl der generischen Prozess- und Wissensmodule, die standardisierte Bauprozesse mit allen benötigten Eingangs-, Ausgangs- und Kontrollgrößen beschreiben, müssen geeignete ingenieurspezifische Vorgehensweisen definiert werden. Hierzu sind nachvollziehbare Vorgehensweisen aufzuzeigen. Die entwickelten Konfigurationsmethoden werden in einem Software-Prototyp umgesetzt und in die Systemarchitektur integriert.

Dynamisches Gesamtprozessmodell

Die einzelnen Prozess- und Wissensmodule müssen in und zwischen allen Ebenen gekoppelt werden können. Dies erfolgt dynamisch, während der Bearbeitung des Bauprojektes, auf Grundlage der mit Hilfe der Beschreibungslogik spezifizierten Randbedingungen. Wichtig ist, dass die Kopplungen zu jeder Zeit geprüft, geändert und adaptiert werden können. Somit entsteht im Laufe der Bearbeitung ein dynamisches Multi-Prozessmodell.

Modell- und Änderungsmanagementservices

Zur Beherrschung der Komplexität sollen die verschiedenen Sichten (Ebenen, Bauherr, GU, NU) auf Grundlage der Rollen der Beschreibungslogik definiert werden. Dabei ist zu beachten, dass die Sicht auf die einzelnen Prozesse und Kopplungen nur die Daten bzw. Informationen enthält, die für den Anwender durch die Anbieter des Moduls freigegeben sind. Hierzu sind geeignete Modell- und Änderungsmanagementservices zu konzipieren und in die grundlegende Systemarchitektur zu integrieren.

AP-Leiter:

Logo Ruhr-Universität Bochum
Ruhr-Universität Bochum
Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Markus König
Universitätsstraße 150
D-44780 Bochum

Tel.
+49 (0)234 32-23047
Fax.
+49 (0)234 32-14292
Email:
Internet: