aixCAVE - Virtual Production Intelligence goes Virtual Reality

  Cave Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Auf Basis der Methoden zur Informationsintegration und -visualisierung aus der ersten Förderphase des Forschungsbereichs "The Ontology and Design Methodology of Virtual Production Systems“ setzt der Bereich "Virtual Production Intelligence“ der virtuellen Produktion die Forschungsarbeit konsequent fort. In der zweiten Förderphase des Exzellenzclusters liegt der Fokus auf der systematischen Analyse von Informationen aus dem Produktionsumfeld. Dazu gehört die Identifikation, Integration, Extraktion, Analyse und Visualisierung von Produktionsinformationen. Das Konzept der Virtual Production Intelligence (VPI) stützt sich auf erfolgreiche, bereits bewährte Konzepte der Integration und Aggregation von Informationen sowie deren Auswertung und Interpretation durch Experten in den entsprechenden Anwendungsdomänen. Die Vision dieses Projekts ist die Reduktion des Plan-Wert-Dilemmas durch die Erleichterung der Erfassung und Ausbreitung heterogener Informationen aus Prozessen realer und virtueller Produktionsumgebungen.

 

Praxisproblem

Fabrik Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

In etablierten Fabrikplanungsprozessen sind Begehungen erst nach der Fertigstellung der Fabrik möglich. Durch diese Einschränkung können natürliche Eindrücke während der Planungsphase nicht berücksichtigt werden, wie z.B. die Sichtverhältnisse zwischen Arbeitsbereichen. Dies kann sich mitunter negativ auf das Planungsergebnis auswirken. Auch die ideale Konfiguration von Maschinen ist relevant für die Planung einer Fabrik. Da aber eine Vielzahl von Einstellmöglichkeiten Auswirkungen auf das Produktionsergebnis haben, ergibt sich ein großer, nicht mehr intuitiv zu erfassender Parameterraum. Dies führt dazu, dass für einzelne Prozesse ideale Einstellungen oft nicht gefunden werden können, sondern stattdessen Näherungen aufgrund von Erfahrung oder Technologietabellen verwendet werden.

 

Lösungsidee

Cave Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Das erste Szenario befasst sich mit der Begehung von Fabrikhallen in einer vollimmersiven Umgebung. Hierzu wird zunächst ein Fabrikmodell, welches mit dem Fabrikplanungswerkzeug visTable erstellt wurde, in die aixCAVE geladen und für die Exploration zur Verfügung gestellt. Der Benutzer kann seine direkte Umgebung durch Begehen der aixCAVE von beliebigen Standpunkten aus betrachten, während entlegene Bereiche der modellierten Fabrik durch intuitive Navigationstechniken erreicht werden können. Das Modell kann zusätzlich auf die Einhaltung relevanter Kriterien hin untersucht werden: So ermöglichen die stereoskopische Darstellung und die natürliche Bewegungsfreiheit beispielsweise die Einsehbarkeit von Arbeitsplätzen bzw. die Abschätzung ihrer räumlichen Aufteilung. Diese Möglichkeiten der immersiven Visualisierung stellen eine wesentliche Erweiterung bisheriger Planungswerkzeuge dar. Das zweite Szenario ist ein Ansatz zur Visualisierung von Metamodellen für die Untersuchung von Produktionsprozessen. Diese Metamodelle bilden mehrere Einstellparameter einer Maschine ab, die sich auf bestimmte zu erfüllende Kriterien, wie zum Beispiel den Einfluss von Gasdruck oder der Schneidgeschwindigkeit auf die Gratbildung am Schnitt beim Laserschneiden, beziehen. Um den sich so ergebenden mehr-dimensionalen Parameterraum explorieren zu können, wurde eine Visualisierungsanwendung basierend auf Hyperslices erstellt. Hierbei wird der Parameterraum als Matrix mehrerer 2D-Schnitte dargestellt, die alle möglichen paarweisen Kombinationen der Achsen des Parameterraums zeigen. Zusätzlich wird eine 3D-Volumenvisualisierung angezeigt, die einen vom Anwender individuell gewählten 3DSchnitt durch den Parameterraum beinhaltet. Die immersive Darstellung der Anwendung ermöglicht die Exploration des Parameterraums, um ideale Einstellparameter für ein gewünschtes Prozessergebnis zu ermitteln. Zusätzlich dient sie dazu, Zusammenhänge zwischen den Ausgangsgrößen und einzelnen Parametern erkennbar zu machen. Diese Untersuchungen können sowohl für die Forschung als auch für die Lehre eingesetzt werden.

 

Technische Herausforderung

Hyper-Slice Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Der erste Schritt der Integration der Informationen in jedem der beiden Szenarien besteht in der Informationsmodellierung. Anschließend geht es an die Integration dieser Informationen in die Virtual Production Intelligence-Plattform. Diese sieht u.a. die Integration und Bereitstellung von Informationen durch den Nutzen einer serviceorientierten Architektur vor, die u.a. die Anbindung unterschiedlicher Analyse-Methoden oder Visualisierungen ermöglicht. Die virtuelle Begehung von Fabrikmodellen soll gleichzeitig zu deren Erstellung am visTable touch ermöglicht werden. Hieraus ergibt sich die Anforderung, dass das Fabrikmodell nicht nur in die immersive Umgebung geladen, sondern auch kontinuierlich mit den an visTable touch vorgenommenen Änderungen synchronisiert werden muss. Um dies zu ermöglichen, muss ein Kommunikationskanal zwischen der immersiven Umgebung und dem visTable touch realisiert werden, über welchen Layoutänderungen übertragen werden können, wie z. B. das Erstellen, Löschen oder Bewegen von Maschinenmodellen. Dabei ist es unerlässlich, dass diese Übertragung mit einer geringen zeitlichen Verzögerung geschieht, damit der Arbeitsfluss nicht unnötig gestört wird. Eine weitere Herausforderung stellt die Navigation durch das Fabrikmodell dar. Während es in der aixCAVE der RWTH möglich ist, kurze Strecken durch reelles Gehen zurückzulegen, müssen größere Distanzen, auf Grund der physikalischen Grenzen des Systems, mit Hilfe passender Navigationstechniken überbrückt werden. Deren Umsetzung erfordert spezielle Eingabegeräte, die eine einfache und zügige Bedienung ermöglichen. Die größte technische Herausforderung bei der Hyperslice-basierten Visualisierung multi-dimensionaler Metamodelle ist das Sicherstellen einer ausreichenden Interaktivität der Anwendung. Das Erstellen von Schnitten durch den Parameterraum ist extrem rechenintensiv und kann in hoher Auflösung mehrere Minuten beanspruchen. Um diesem Problem entgegenzuwirken werden Verfahren, wie progressives Rendering und Thread Pooling mit benutzerzentriertem Scheduling, verwendet. So können Visualisierungen in niedriger Auflösung augenblicklich angezeigt werden, während die Interaktion mit der Anwendung dennoch jederzeit möglich ist. Dies ermöglicht dem Benutzer sich schon während er durch den Parameterraum navigiert, ein grobes Bild der aktuellen Situation zu machen. Erfolgt keine Navigation durch den Parameterraum mehr, wird die Darstellungsauflösung kontinuierlich erhöht. Eine weitere Herausforderung stellt die Interaktion in einer vollimmersiven Umgebung dar. Für die Interaktion in einer vollimmersiven Umgebung werden spezielle Techniken entwickelt, die sowohl auf Desktopsystemen, aber auch in Systemen wie der aixCAVE einen schnellen und einfachen Umgang mit den Informationen ermöglichen.