Architecture framework concept for definition of system architectures based on reference architectures within the domain manufacturing

Abstract

Increasing complexity as well as continuous changes in the environment of production systems create challenges with regard to the development of systems and their architecture definition. To be able to pursue sustainable business models in the future, the architecture development process should be accompanied methodically and content wise. Especially in connection with the recurring definition of similar systems, reference architectures can make beneficial contributions. In literature, the use of reference architecture content is not sufficiently addressed in the available architecture frameworks that describe the procedure for developing a complex system. However, if an architecture framework is continuously applied considering a reference architecture, system architectures could be derived from a reference architecture more efficiently and effectively in the long run. Therefore, the goal of this thesis was to develop a concept for an architecture framework that enables the definition of system architecture descriptions based on a predefined reference architecture description. In the thesis, as an introduction, the state of the art for production systems engineering, architecture development, and the concept of architecture framework were considered. To verify the identified research gap, relevant architecture frameworks were evaluated with respect to the use of reference architectures. Based on these considerations, in a first step, the "Core Architecture Framework Concept" was developed, which supports the individual development of architecture descriptions during the basic and detailed engineering of production systems. The framework consists of a basic structure and methods for defining content for the stepby- step creation of the architecture description. Based on the "Core Architecture Framework Concept", in a second step, a more advanced method was specified and developed, which takes into account the transition between reference and system architecture descriptions. These two concepts comprehensively form the "Architecture Framework Concept" for the definition of a system architecture description based on a reference architecture description. Concluding, the content used by the concept proposal was implemented prototypically in the modeling tool MagicDraw and the developed concept was successfully tested and evaluated by using a production system application example. As a result, it can be summarized that with consistent application of the developed "Architecture Framework Concept" a transition from reference architectures to system architectures is possible, whereby an increase in efficiency and effectiveness during development of architecture description can be reached. Based on the developed “Architecture Framework Concept”, the operational use should be advanced in further research.

Zunehmende Komplexität sowie kontinuierliche und schnelllebige Veränderungen im Umfeld von Produktionssystemen schaffen Herausforderungen hinsichtlich der Entwicklung von Systemen und deren Architekturdefinition. Um in Zukunft insbesondere nachhaltige Geschäftsmodelle verfolgen zu können, sollte der Architekturentwicklungsprozess noch methodischer und inhaltlicher begleitet werden. Gerade im Zusammenhang mit der wiederkehrenden Definition ähnlicher Systeme können Referenzarchitekturen sehr gute Beiträge leisten. In der Literatur wird die Verwendung von Referenzarchitekturinhalten in den verfügbaren Architekturframeworks, die das Vorgehen bei der Entwicklung komplexer Systeme beschreiben, nicht ausreichend adressiert, obwohl bei durchgängiger Anwendung eines Architekturframeworks Systemarchitekturen effizienter und effektiver aus einer Referenzarchitektur abzuleiten sind. Ziel dieser Arbeit war es daher, ein Konzept für ein Architekturframework zu entwickeln, das die Definition von Systemarchitekturbeschreibungen auf Basis einer vordefinierten Referenzarchitekturbeschreibung ermöglicht. In der Arbeit wurde einleitend der Stand der Technik für das Engineering von Produktionssystemen, die Architekturentwicklung und das Konzept des Architekturframeworks betrachtet. Um die erkannte Forschungslücke zu verifizieren, wurden zunächst relevante Architekturframeworks im Hinblick auf die Nutzung von Referenzarchitekturen evaluiert. Darauf aufbauend wurde in einem ersten Schritt das „Core Architecture Framework Concept" entwickelt, das die individuelle Entwicklung von Architekturbeschreibungen bei der Grobplanung von Produktionssystemen unterstützt. Dieses Framework besteht aus einer Grundstruktur und Methoden, mit denen Inhalte für die schrittweise Erstellung der Architekturbeschreibung definiert werden. Basierend auf dem „Core Architecture Framework Concept" wurde in einem zweiten Schritt eine weiterführende Methode spezifiziert und entwickelt, die den Übergang zwischen Referenz- und Systemarchitekturbeschreibung berücksichtigt. Diese beiden Konzepte bilden insgesamt das „Architecture Framework Concept" für die Definition einer Systemarchitekturbeschreibung auf Basis einer Referenzarchitekturbeschreibung. Die Inhalte des definierten Konzeptvorschlags wurden prototypisch im Modellierungswerkzeug MagicDraw umgesetzt und abschließend anhand eines einfachen Anwendungsbeispiels eines Produktionssystems erfolgreich getestet und evaluiert. Als Ergebnis kann zusammengefasst werden, dass bei konsequenter Anwendung des entwickelten „Architecture Framework Concepts" ein Übergang von Referenzarchitekturen zu Systemarchitekturen möglich wird, wodurch ein Mehrwert hinsichtlich Effizienz und Effektivität bei der Architekturerstellung erreicht werden kann. Damit wurde ein Beitrag für die zukünftige Entwicklung von Architecture Frameworks zur weiteren Steigerung der Effizienz beim Bau technischer Anlagen geschaffen.