SMART Standards digitalisieren die Normanwendung

Die erste Generation von Normen, wie die bekannte DIN VDE 0100 „Errichten von Niederspannungsanlagen“, wurden 1896 noch mit einer Schreibmaschine getippt und per Lichtdruckverfahren vervielfältigt. Wer die Norm nutzen wollte, musste sie per Post bestellen und fand sie Tage später im Briefkasten. Die Anwender lasen die Norm, interpretierten und wandten sie an. An eine maschinelle Verarbeitung einer Norm dachten damals noch nicht einmal Science-Fiction-Romanciers.

Mit der Einführung von Computern und damit der nächsten Generation wurden Normen bereits elektronisch verfügbar. Im Utility-Modell der IEC (International Electrotechnical Commission) wird diese erste elektronische Form als Level 1 definiert. Die Normen lagen dabei als Text in einem Word-Dokument oder einer PDF-Datei vor. Man konnte sie nun im Internet herunterladen, am Computer lesen oder in ihnen nach Begriffen suchen. Die Anwendung blieb jedoch die gleiche.

XML-Standard für Normen macht Dokumente maschinenlesbar

Erst mit der nächsten Generation von Normen erfolgte seit 2010 (Level 2) eine schrittweise Trennung von Inhalt und Darstellung sowie die Konvertierung von Normen in ein eigens für Normen entworfenes XML-Format (Extensible Markup Language). Realisiert wurde es von der National Information Standards Organization (NISO) in Zusammenarbeit mit zahlreichen Normungsorganisationen und wird als Standards Tag Suite (STS) bezeichnet. Die NISO STS gilt mittlerweile als der XML-Standard für Normen.

XML ist eine Auszeichnungssprache. Mit ihr gelingt die Darstellung hierarchisch strukturierter Daten mit Zusatzinformationen, die angeben, um welche Art von Daten (Formel, Wert, Tabelle, Grafik, Metadaten) es sich bei einem Inhalt handelt und welche Eigenschaften diese haben (beispielsweise Auflösung einer Grafik). Neben Menschen können seither auch Maschinen – sprich Computer und Programme – Normen wesentlich einfacher lesen und verarbeiten.

Content Management Systeme erleichtern den Umgang

Die Programme können im Level 2 die Struktur der Norm erfassen. Die Inhalte lassen sich in unterschiedlichen Anwendungen bereitstellen. Das war vorher auf Level 1 nicht möglich, da mit der reinen Textform auch das Layout mit definiert wurde. Die Interpretation und Anwendung der Norm blieben jedoch auch auf Level 2 weiterhin den Menschen vorbehalten. Allerdings erleichterten nun auf Level 2 XML-Tools den digitalen Zugang und damit den Umgang mit und die Verarbeitung von Normen. Dieses Level beschleunigte somit die Normnovellierung und das Arbeiten mit einer Norm über die beteiligten Institutionen und Akteure hinweg.

So unterstützen heute Content Management Systeme die Erstellung, Verwaltung und Bereitstellung der Dokumente und ihrer Inhalte. Normportale bieten vielfältige Recherche- und Komfortfunktionen zur Onlinenutzung, die das Arbeiten mit und das Verständnis von Normen erleichtern. Auf diesem Level 2 sind einzelne Inhalte von Normen zwar maschinenlesbar. Sie lassen sich aber noch nicht in einer unterbrechungsfreien digitalen Wertschöpfungskette (Level 3) nutzen. Maschinen können die Normen auch noch nicht eigenständig interpretieren (Level 4) oder selbstlernende und -optimierende Analysen durchführen (Level 5).

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VDE, DKE und DIN arbeiten deshalb in der Initiative Digitale Standards (IDiS) seit 2020 an den kommenden Generationen von Normen – den SMART Standards (Level 3 bis 5). SMART ist ein Akronym für Normen (Standards), deren Inhalte für Maschinen anwendbar, lesbar (Readable) und übertragbar (Transferable) sind. In der IDiS wird diese Definition für (digitale) Normen der Zukunft weiter konkretisiert: 

„Eine digitale Norm umfasst alle relevanten Informationen für eine Normungs- und Standardisierungsaufgabe und stellt diese in einer für die Anwendung passenden Weise und Umfang bereit. Sie kann sowohl von Menschen als auch von Maschinen initiiert, erstellt, aufbereitet, umgesetzt und angepasst werden.“ 

Mit dieser Zielvorstellung denken die IDiS-Fachleute die Normen der Zukunft als digital handelnde Akteure, die in Prozessen interagieren und diese mitgestalten und für eine sichere Interpretation und Anwendung auch im Umgang mit anderen Normen sorgen könnten.

Warum braucht die Sektorenkopplung Normen als SMART Standards?

Die Idee der Sektorenkopplung ist, die volatile Verfügbarkeit von Energie aus Wind-, Sonne-, Wasser und Biokraftwerken künftig auszugleichen und effektiver zu nutzen. Die Energieeinspeisung aus Millionen von kleinen und großen Erzeugeranlagen soll mit dem Verbrauch in Gebäuden, Industrie und Mobilität und mit Speicher- und Verteilernetzen digital organisiert und automatisiert werden.

Bei einem großen Energieangebot füllen sich automatisch die Speicher in Wasserkraftwerken. Hunderte dezentrale Elektrolyseanlagen erzeugen Wasserstoff. Mechanische, thermische und chemische Speicher füllen sich. Bei Dunkelflaute speisen sie ihre Energie wieder ein. So entsteht ein vernetztes System aus Millionen von Akteuren, die Angebot von und Nachfrage nach Energie aushandeln und automatisch steuern.

Damit dies gelingt, müssen sie nicht nur vernetzt sein, sondern auch eine gemeinsame Sprache sprechen. Auf diese Weise sind sie erst in der Lage, die Netzstabilität zu unterstützen, die Daten für die Leistungsbilanz der ausgetauschten Energiemengen bereitzustellen, um für alle Akteure das Management und auch die Zahlungsströme zu erleichtern.

100 Millionen Akteure müssen sich digital organisieren

Was heute noch in über 900 Stadtwerken, vier großen überregionalen Netzbetreibern sowie hunderten regionalen Netzdiensten sowie rund 1,6 Millionen Energieerzeugungsanlagen nur teilweise automatisiert stattfindet, soll dann mit geschätzt über 100 Millionen Akteuren automatisch organisiert werden. In diesen Austausch sind künftig die zahlreichen Normen von VDE und DKE, DIN, VDI-Richtlinien sowie internationale Standards der fünf Sektoren involviert, die miteinander sprachfähig werden müssen. Die Grundlage dafür können sektorübergreifende Normen und Richtlinien schaffen, die definieren, über was und auf welche Weise die einzelnen Sektoren miteinander kommunizieren müssen.

Die Herausforderung dafür ist: Wie können diese normativen Anforderungen und Festlegungen allerdings selbst digital erfasst, verwendet oder sogar ausgetauscht werden? Genau dies wollen SMART Standards ermöglichen. SMART Standards sind Normen, die Ihre Inhalte auf eine geeignete digitale Art und Weise zur Verfügung stellen, sodass die Sektoren beispielsweise eigenständig auf normative Informationen zugreifen und bei Abstimmungsbedarf mit ihnen auch interagieren können.

Verwaltungsschale der Industrie 4.0 integriert Normen

Aktuell entwickeln sich parallel in der Initiative Industrie 4.0 neue Normen für das Internet der Dinge. Mit der Verwaltungsschale realisiert vor allem die produzierende Industrie zunehmend automatisierte Fertigungsprozesse auf der Basis des „Digitalen Zwillings“. Der digitale Zwilling ist die datentechnische Repräsentanz von physischen und virtuellen „Dingen“ oder Prozessen.

Das Konzept basiert auf dem Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0). Dies ist ein strukturiertes Metamodel des digitalen Zwillings. Die Architektur der Verwaltungsschale arbeitet mit Teilmodellen, mit denen jede Maschine, Komponenten und Prozesse Information und Normen integrieren kann. Über die Verwaltungsschale beziehungsweise den digitalen Zwilling ist es möglich, dass alle Fertigungsstationen, Zulieferer, Kunden, Maschinen und Komponenten miteinander Informationen über den kompletten Lebenszyklus eines Produktes austauschen – von der Produktentwicklung bis zum Recycling.

Ihre Kommunikation arbeitet ebenfalls mit etablierten internationalen Standards und mit einheitlicher Semantik. Über die Kommunikationsprotokolle OPC UA oder REST übernimmt sie Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen zum Austausch der Daten sowie Aufgaben für die Datensicherheit.

Für die Verwaltungsschale existiert mit der IEC 63278 eine erste internationale Norm, die VDE, DKE und DIN maßgeblich vorbereiteten und mitgestalteten.

IDIS-Pilotprojekt: Normintegration mit „Teilmodell Norm“

Wenn Informationen über ein Produkt mit der Verwaltungsschale ausgetauscht werden, dann müssen auch normative Anforderungen und Festlegungen auf diese Weise verfügbar gemacht werden. Aktuell wird genau dies im IDIS-Piloten „Normintegration in die Verwaltungsschale“ erprobt.

Ziel ist es, ein „Teilmodell Norm“ zu definieren, sodass Informationen aus Normen im Kontext der Verwaltungsschale zur Verfügung gestellt werden können. Somit könnten in Zukunft neben festen Produktdaten, dynamischen Inhalten, wie Prozessdaten und Zustandsveränderungen, auch Norminhalte von anderen Prozessbeteiligten abgerufen werden. Norminhalte wären dann so verfügbar, dass alle Teilnehmer (auch Software) direkt darauf zugreifen können, um sie in den eigenen Anwendungen und Prozessen direkt zu verwenden.

Damit stellt die Bereitstellung von normativen Anforderungen und Festlegungen über die Verwaltungsschale der Industrie 4.0 einen ersten konkreten Anwendungsfall von SMART Standards dar.

Verwaltungsschale als Rückgrat der Industrie 4.0 und des Digitalen Zwillings

Die Verwaltungsschale ist ein branchenneutraler Standard, der es ermöglicht, dass „Assets“ auf der gesamten Welt miteinander kommunizieren können. Neben Produktivität, Effizienz und Transparenz liefert sie vor allem auch im Hinblick auf Umwelt und Klimaschutz einen wertvollen Beitrag.

Für die Nutzung in der Verwaltungsschale müssen Normen auf Level 3 ihre Inhalte künftig noch feiner und kleinteiliger bereitstellen, damit andere Prozesse, beispielsweise für die automatisierte Fertigung, gezielt auf sie zugreifen können. Aufgrund ihrer XML-Auszeichnung ist dies möglich. Noch aber fehlen für die Auslieferung und Anwendung von Normen entscheidende Lösungen. So müssen die in Normen definierten digitalen Objekte, wie Normwerte, Tabellen, Formeln und Grafiken, zur direkten Verwendung in Kundensystemen bis zu den kleinsten sinnvollen Informationselementen und deren Kennzeichnung semantisch noch feiner granuliert werden. Dafür müssen sich wiederum neue Informationsmodelle etablieren und international standardisiert sein.

Idealerweise sollte diese Entwicklung bereits sektorübergreifend stattfinden und hätte damit auf alle aktuellen Normungsverfahren schon heute Auswirkungen. Wenn diese Entwicklungsstufe erreicht ist, ergeben sich für Normen weitreichende Funktionen und Rollen in der Fertigung, Digitalisierung von Prozessen und den Austausch von Norminhalten für den täglichen Gebrauch. Normen und ihre Anwendung könnten in der Verwaltungsschale gemeinsam weiterverarbeitet werden. Sie stehen neben der Produktionssteuerung auch für die Inbetriebsetzung, Wartung und über den gesamten Lebenszyklus mit Zustandsinformationen zur Verfügung.

Ein Ineinandergreifen der vorher größtenteils autonom und sequentiell ablaufenden Prozessphasen wird auch von entscheidender Bedeutung für die Sektorenkopplung sein.

Durch das „Teilmodell Norm“ in der Verwaltungsschale und dem Konzept der semantischen Interoperabilität, wie es in ersten Use Cases der Industrie 4.0 umgesetzt wird, entfallen Medienbrüche und Datenkonvertierungen an den Übergangsstellen des Wertschöpfungsprozesses. Der erhöhte Informationsbedarf führt zur Einführung spezialisierter Tools und Management-Systeme sowie zu einer weiteren Verschmelzung der klassischen Verantwortungsbereiche. Auf IT- und Prozessebene führt dies zur Etablierung eines verteilten Gesamtsystems der Normanwendung und -fortschreibung.

Die Verwaltungsschale übernimmt damit die zentrale Rolle für die Digitalisierung ganzer Betriebsketten, in denen die Daten und Mechanismen zwischen unterschiedlichen Instanzen definiert und bereitgestellt werden. Normen, die bereits als SMART Standards verfügbar sind, werden dann auch zu integralen Bestandteilen dieser Plattformen, um Normanwender die Informationen und Services dort anzubieten, wo der Austausch, die Interaktion sowie Interpretation konkurrierender Normen mit anderen Unternehmen oder Sektoren stattfinden.

Für die Sektorenkopplung gewährleisten Normen als SMART Standards im Zusammenspiel mit der Verwaltungsschale die Interoperabilität. Sie könnten dann für die Netzstabilität sorgen sowie die Leistungsbilanzierung und Abrechnungsmodelle unterstützen.

Digitalisierung der Normung

Die digitale Transformation ist neben der Politik, Wissenschaft und Wirtschaft auch in der Normung ein zukunftstreibender Faktor: Die digitale Norm ist wesentlicher Bestandteil ihrer Zukunftsstrategie.

Mit der Initiative Digitale Standards – der Netzwerkgruppe für die digitale Transformation in der DKE – tragen wir maßgeblich dazu bei, den Weg für die digitale Norm zu ebnen.

Mit der Erfüllung der Level 3-Funktionalität ist dann auch die Grundlage für die Level 4 und 5 gelegt. Wobei die IDiS-Expert*innen hier an einen Zeithorizont von fünf bis zehn Jahre denken. Mit dem feingranulierten Informationsbestand, den neuen Informationsmodellen, der Kommunikationsfähigkeit der Norm in der Verwaltungsschale und der Interaktion in Prozessen sollen sich normative Sachverhalte künftig interpretieren lassen.

In Level 4 werden die semantischen Einzelteile weiter zerlegt und um Informationen im Anwendungskontext und zum Ausführungsverhalten erweitert (Ausführungssemantik). Die Interpretation, Einbettung und Ausführung der granularen Inhalte obliegen weiterhin dem Normanwender beziehungsweise seinen Systemen. Diese können aber die für einen Anwendungsfall relevanten Informationseinheiten in die Anwendungsprozesse übertragen und dann gemäß der Ausführungssemantik in den eigenen Entscheidungs- und Ausführungsprozessen interpretieren.

Level 5 ist ein Entwicklungsschritt, den sich mittlerweile nicht nur Science-Fiction-Romanciers vorstellen können. Durch Künstliche Intelligenz (KI) werden Normen künftig in der Lage sein, sich in agilen und schnell wandelnden, technischen Systemen selbst zu optimieren. Sie sind dann nicht mehr statische Dokumente, sondern beschreiben als „Digitale Normen“ den zum jeweils aktuellen Zeitpunkt optimalen Wissenstand der technischen und regulativen Rahmenbedingungen, die für die nachhaltige Funktion in einem globalen Ökosystem notwendig sind.

Änderungen im Ökosystem oder von einzelnen Akteuren führen selbstgesteuert zu einem Anpassungsprozess. Die Norm der Zukunft wird dann zu einem digitalen Akteur mit kognitiven Fähigkeiten.

Die bisher konsensbasierten Normungs- und Standardisierungsprozesse in den Normungsgremien müssen sich dafür ebenfalls anpassen. Sie werden durch automatisierte KI-basierte Entscheidungsprozesse unterstützt und entlastet. Entscheidend wird sein, dass die Normungs- und Standardisierungsorganisationen weiterhin die Oberhand behalten. Denn sie werden die Algorithmen der KI schreiben und überwachen, dass sich das selbstoptimierende Normungsobjekt auch zum Vorteil der Menschen und der Technik weiterentwickelt.

Die IDiS-Fachleute von VDE, DKE und DIN sowie Institutionen aus Industrie, Wissenschaft und anderen technischen Verbänden erwarten, dass Level 4 und 5 mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten in fünf bis zehn Jahren für jeweils unterschiedliche Anwendungsfälle verwirklicht werden könnten. Die dafür aber erforderlichen Technologien, wie die Verwaltungsschale der Industrie 4.0, Methoden der Semantik oder der KI existieren bereits – sie müssen jedoch auf das Anwendungsgebiet der Normung übertragen und angepasst werden – dafür steht die SMART Standards Entwicklung und IDiS als die nationale Community für SMART Standards.

SMART Standards werden bereits national wie international erprobt. Erste Normen als SMART Standards sollen bereits 2024 veröffentlichen werden. Für die Sektorenkopplung und die Gestaltung der Energiewende könnten sie der Weg und der Schlüssel zum Erfolg werden.