Systems engineering has produced striking results in many domains. Researchers and practitioners have devised concepts, methods, tools that autonomously move vehicles, enable doctors to conduct remote surgeries across continents, and sent astronauts into space. All of these cyber-physical systems are driven by software whose complexity increases tremendously. Overcompensating this growth in software and systems complexity demands novel methods that increase the abstraction in systems engineering, advance automation, and facilitate the integration of domain expert solutions. Model-based systems engineering aims to address this complexity by advancing systems engineering from its contemporary document-based processes to sophisticated model-based processes. In the latter, abstract models serve as means for systems design, communication, documentation, and the basis for implementation. But to overcompensate the growth in complexity, using models as secondary artifacts is insufficient. Research in software engineering has led to recognizing that model-driven processes, in which models are the primary artifacts, can significantly improve abstraction, automation, and domain-specific modeling to address the increasing complexity in systems engineering. Yet, model-based systems engineering focuses on informal models that are hardly accessible to meaningful automation and overly generic. This thesis summarizes 13 selected publications of a research program towards a model-driven systems engineering that operates on domain-specific modeling languages, supports sophisticated modeling methods, and enables the systematic operation of cyber-physical systems. Its results solve substantial challenges towards the model-driven engineering of cyber-physical systems.

Das vorliegende Buch beschreibt die Entwicklung und Implementierung einer neuen Online-Bahnplanungsmethode für die kollisionsfreie Bewegungsführung mehrerer Flugroboter in einem gemeinsam genutzten Arbeitsraum. Das Hauptmerkmal liegt dabei auf der Generierung von numerisch robusten und sicheren Bahnen bei gleichzeitiger Einhaltung von harter Steuerungsechtzeit.

Nicht nur der Einzug von Hyperscalern wie Amazon, Google und Microsoft in das Produktionsumfeld, sondern auch Trends wie Industrie 4.0 zeigen die wachsende Bedeutung von IT-Technologien auf dem Shopfloor. Die Notwendigkeit flexibler Systeme zur Verwaltung von Betriebsmitteln und Produktionsressourcen wächst bei zeitgleichem Wachstum von Vernetzung und steigender Anzahl an Geräten durch den Einzug von Industrial IoT.

Beim OPC UA Publish Subscribe Standard liegen dem Publisher auf Grund der entkoppelten Kommunikation keine Informationen über den Zustand der Subscriber vor. Dadurch werden Kommunikationsstörungen auf Seiten des Publishers nicht apparent, was eine angemessene Fehlerreaktion in der Applikation unmöglich macht. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Lösungsweg aufgezeigt, der mit Hilfe einer Überwachung der Kommunikation diesen Mangel behebt.

Integrierte Miniatursteuerungen sind Technologiebefähiger für Industrie 4.0. Die Verwendung solcher Steuerungen in Automatisierungskomponenten ermöglicht es, diese als intelligente Elemente in Fertigungsstationen und -zellen einzusetzen. Diese Abhandlung betrachtet die steuerungstechnischen Anforderungen zur Bewegungssychronisierung von bewegten Achsen mit Ansatz eines Multi-Agenten-Systems.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit von Klothoiden als Überschleifkurven für numerische Steuerungen untersucht. Hierfür werden krümmungsstetige Überschleifalgorithmen für Gerade-Gerade-, Gerade-Kreis- und KreisKreis-Übergänge konzeptioniert. Im Widerspruch zu bisherigen Forschungsarbeiten kann als Ergebnis die Eignung von Klothoiden als Interpolationsverfahren in numerischen Steuerungen nachgewiesen werden.