An industrial agent-based approach to designing Asset Administration Shell type 3

• Autores: Lucas Hiroaki Sakurada
• Directores de la Tesis: Fernando de la Prieta Pintado (dir. tes.) , Paulo Leitão (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Salamanca ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Un enfoque basado en agentes industriales para el diseño de Asset Adminsitration Shell Tipo 3
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Barata (presid.) , Javier Prieto Tejedor (secret.) , Adriana Susana Giret Boggino (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Informática por la Universidad de Salamanca
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TESEO  GREDOS 
• Resumen
  • español

    Hace más de una década, el término “Industrie 4.0”fue presentado por primera vez en la feria Hannover Messe en Alemania para describir un paradigma revolucionario centrado en la digitalización de los entornos industriales. Esta transformación está impulsada por la adopción de Sistemas Ciberfísicos (CPS), los cuales permiten niveles sin precedentes de flexibilidad, reconfigurabilidad y resiliencia en los sistemas de fabricación. En estos sistemas, cada activo está integrado con inteligencia y conectividad, lo que les permite tomar decisiones de manera autónoma, colaborar, adaptarse a cambios en las condiciones y trabajar conjuntamente para optimizar los procesos. Como resultado, la Industria 4.0 (I4.0) crea un ecosistema industrial más ágil, eficiente y receptivo, capaz de anticipar y satisfacer las demandas del mercado, impulsando la innovación continua y maximizando la productividad. A pesar de los esfuerzos significativos por aprovechar la I4.0, su plena realización sigue siendo una realidad distante. Muchas empresas siguen enfrentándose a desafíos como la integración tecnológica, la alta complejidad en el diseño de tales sistemas, los altos costos de implementación y la falta de soluciones estandarizadas que aseguren interoperabilidad. Para ayudar a abordar estos desafíos, se ha introducido el Modelo de Arquitectura de Referencia para la Industria 4.0 (RAMI4.0). RAMI4.0 es un modelo tridimensional que formaliza todos los aspectos clave relacionados con la digitalización de los activos industriales, con el objetivo de proporcionar directrices y una comprensión compartida para los participantes en el desarrollo de soluciones compatibles con I4.0 basadas en estándares industriales. En el núcleo de RAMI4.0 se encuentra el concepto del componente I4.0, una categoría específica de CPS que engloba un activo y su contraparte digital, el Asset Administration Shell (AAS). El AAS actúa como una representación digital estandarizada de un activo físico o lógico, encapsulando toda la información relevante a lo largo del ciclo de vida del activo. Al funcionar como la interfaz digital de un activo, el AAS asegura que todos los activos, independientemente de su tipo o función, puedan integrarse perfectamente en I4.0, facilitando la interoperabilidad y el intercambio eficiente de datos a lo largo de toda la red de producción. Sin embargo, las soluciones tradicionales de AAS, incluidos los tipos de AAS1y2 ,no pueden abordar todos los requisitos de los entornos industriales modernos. Para superar estas limitaciones, el AAS Tipo 3 va más allá de las funcionalidades convencionales de los AAS tradicionales al incorporar características más sofisticadas, lo que permite a los componentes I4.0 operar con mayor autonomía, inteligencia y capacidades colaborativas. A pesar de su potencial, el AAS Tipo 3 sigue siendo un concepto emergente y poco explorado en la literatura. Mientras que las implementaciones tradicionales de AAS (Tipos 1 y2) han sido ampliamente estudiadas y adoptadas, la investigación sobre el AAS Tipo 3 aún se encuentra en sus primeras etapas, careciendo de estudios integrales y directrices estandarizadas para su diseño e implementación. Esta brecha destaca la necesidad de una mayor exploración para definir su arquitectura, funcionalidades y aplicaciones prácticas. Al integrar la autonomía, la inteligencia y la colaboración, el AAS Tipo 3 representa un paso crucial hacia la realización plena de la visión de I4.0. En este contexto, el objetivo de esta tesis es abordar la falta de investigación sobre el AAS Tipo 3 especificando un enfoque para su realización mediante el uso de Sistemas Multiagente (MAS). Aprovechando los principios de los MAS, este trabajo tiene como objetivo definir un enfoque basado en agentes que permita al AAS operar con mayor autonomía, inteligencia y colaboración. El enfoque propuesto busca proporcionar una especificación clara para el diseño e implementación del AAS Tipo 3, permitiendo que los activos interactúen de manera dinámica, tomen decisiones descentralizadas y coordinen acciones para lograr de manera eficiente los objetivos de producción. Además, como enfoque innovador, este trabajo contribuye de manera significativa al estado del arte, sirviendo como una referencia valiosa para investigadores y profesionales interesados en avanzar en el desarrollo e implementación del AAS Tipo 3 mediante un enfoque basado en agentes. El enfoque propuesto basado en agentes para el AAS fue implementado y evaluado en dos casos de estudio distintos: un prototipo de laboratorio y una línea de producción en la industria automotriz. Los experimentos demostraron que el enfoque basado en agentes propuesto permiten poner en marcha con éxito un AAS Tipo 3, permitiendo que los activos pasen de ser componentes pasivos a componentes verdaderamente I4.0 con mayor autonomía, inteligencia y capacidades colaborativas. Además, el enfoque aborda los requisitos esenciales para I4.0, como la adaptabilidad, la conectividad, la robustez, la interoperabilidad y la (re)usabilidad.

  • English

    Over a decade ago, the term "Industrie 4.0" was first introduced at the Hannover Messe fair in Germany to describe a revolutionary paradigm focused on the digital transformation of industrial environments. This transformation is driven by the adoption of industrial Cyber-physical Systems (CPS), which enable unprecedented levels of flexibility, reconfigurability, and resilience in manufacturing systems. In these envisioned systems, every asset is embedded with intelligence and connectivity, enabling them to autonomously make decisions, collaborate, adapt to condition changes, and work together to optimize processes. As a result, Industry 4.0 (I4.0) creates a more agile, efficient, and responsive industrial ecosystem capable of anticipating and addressing market demands, driving continuous innovation, and maximizing productivity. Despite significant efforts to leverage I4.0, its full realization remains a distant reality. Many companies continue to face challenges such as technological integration, the high complexity of designing such systems, substantial implementation costs, and the lack of standardized solutions that ensure seamless interoperability. To help address these challenges, the Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI4.0) has been introduced. RAMI4.0 is a three-dimensional model that formalizes all key aspects related to the digitization of industrial assets, aiming to provide guidelines and a shared understanding for participants in developing I4.0-compliant solutions based on industrial standards. At the core of RAMI4.0 lies the concept of the I4.0 component, a specific CPS category encompassing an asset and its digital counterpart, the Asset Administration Shell (AAS). The AAS serves as a standardized digital representation of a physical or logical asset, encapsulating all relevant information throughout the asset's lifecycle. By acting as the digital interface of an asset, the AAS ensures that all assets, regardless of their type or function, can be seamlessly integrated into the I4.0, facilitating interoperability and efficient data exchange across the entire production network. However, traditional AAS solutions, including AAS Types 1 and 2, cannot address all the requirements of modern industrial environments. To overcome these limitations, the AAS Type 3 extends beyond the conventional functionalities of traditional AAS by incorporating more sophisticated features, enabling I4.0 components to operate with greater autonomy, intelligence, and collaborative capabilities. Despite its potential, AAS Type 3 remains an emerging and underexplored concept in the literature. While traditional AAS implementations (Types 1 and 2) have been widely studied and adopted, research on AAS Type 3 is still in its early stages, lacking comprehensive studies and standardized guidelines for its design and implementation. This gap highlights the need for further exploration to define its architecture, functionalities, and practical applications. By integrating autonomy, intelligence, and collaboration, AAS Type 3 represents a crucial step toward fully realizing the vision of I4.0. In this context, the objective of this thesis is to address the lack of research on AAS Type 3 by specifying an approach for its realization using Multi-agent Systems (MAS). By leveraging the principles of MAS, this work aims to define an agent-based approach that enables AAS to operate with enhanced autonomy, intelligence, and collaboration. The proposed approach aims to provide a clear specification for designing and implementing AAS Type 3, allowing assets to interact dynamically, make decentralized decisions, and coordinate actions to achieve production goals efficiently. Moreover, as an innovative approach, this work contributes meaningfully to the state-of-the-art, serving as a valuable reference for researchers and practitioners interested in advancing the development and implementation of AAS Type 3 through an agent-based approach. The proposed agent-based AAS approach was implemented and evaluated in two distinct case studies: a laboratory prototype and an industrial automotive production line. The experiments and assessments demonstrated that the proposed agent-based approach successfully realizes an AAS Type 3, enabling assets to transition from passive components to truly I4.0 components with enhanced autonomy, intelligence, and collaborative capabilities. Additionally, the proposed approach addresses essential requirements for I4.0, namely adaptability, pluggability, robustness, interoperability, and (re)usability.