Dynamisches Objektverhalten im Kontext von Trainingssimulationen in der digitalen Fabrik

In den vergangenen Jahren hat der Einsatz virtueller Technologien in nahezu alle Bereiche industrieller Produktion Einzug gehalten. Der Einsatzbereich reicht hierbei von der Planung kompletter Montagelinien bis hin zu den Bereichen des Marketings. Weiterhin entstanden in der globalisierten Industrie der heutigen Zeit hohe Anforderungen an den Grad der Ausbildung ihrer Arbeiter sowie an die Geschwindigkeit, in welcher Kompetenzen erworben werden. Die effiziente und qualitativ hochwertige Ausbildung von Angestellten spielt daher eine zentrale Rolle und stellt einen wesentlichen Standortvorteil für jede moderne Volkswirtschaft dar. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können virtuelle Technologien als ein zentrales und vielversprechendes Werkzeug angesehen werden. Seitdem die ersten VR-Systeme einem breiteren Publikum zugänglich wurden, ist die Nutzung der virtuellen Realität zu Schulungs- und Trainingszwecken ein viel beachteter Gegenstand der Forschung geworden, und bis zum heutigen Tag beschäftigte sich eine Vielzahl von Forschungsvorhaben mit dem Einsatz dieser Technologie zum Wissenstransfer. Durch die Ausnutzung der immersiven Aspekte der VR-Technologie erhoffte man sich eine bessere, effizientere und tiefgründigere Art der Wissensvermittlung. Jedoch beinhalten klassische immersive VR-Systeme komplexe und relativ schwer zu handhabende Hard- und Software wie z.B. Tracking Systeme, Stereo-Projektion und spezielle Eingabegeräte. Dies führte dazu, dass bis heute der Einsatz von VR zur Schulung immer noch eine Nischen-Technologie darstellt. Neben dem Feld der immersiven VR-Systeme haben Computer- und Videospiele in den vergangenen Jahren eine beträchtliche Entwicklung bezüglich ihrer Komplexität und ihrer visuellen Qualität durchlaufen. Eine Vielzahl von Middelware-Komponenten wie z.B. Spiele-Engines oder Physik-Engines, mit denen sich komplexe interaktive virtuelle Welten in hoher Geschwindigkeit darstellen lassen, hat sich in den vergangenen Jahren etabliert. Dies führte zu einer Verschiebung des hauptsächlichen Arbeitsaufwandes bei der Entwicklung eines modernen Spiels weg von der reinen Programmierarbeit in Richtung des Designs und der Produktion von Inhalten. Hieraus erwuchs das Bedürfnis, die Vorteile der Computerspiel-Technologie in Anwendungsgebieten abseits des Entertainments zu nutzen, zum Beispiel in Schulungs- und Trainingsanwendungen. Diese Applikationen werden im Allgemeinen als Serious Games bezeichnet. Das hohe Maß an Zugänglichkeit sowie die Akzeptanz durch eine ausgedehnte Benutzerschicht stellen die Hauptvorteile dieser Computerspiel-Technologie dar.Die Nutzbarmachung der genannten Techniken und Prinzipien aus dem Computerspielbereich in einem industriellen Umfeld zum Zwecke des Trainings und der Ausbildung ergibt eine Vielzahl an Fragestellungen an das zugrunde liegende Softwaresystem. Die Modellbildung stellt hierbei einen zentralen Aspekt dar, dies betrifft sowohl die Modellierung des Verhaltens virtueller Objekte als auch die Modellierung von Szenarien in der virtuellen Welt. Die Simulationstreue sowie die Grenzen der vorgestellten Technologien sind für deren Einsatz im industriellen Umfeld maßgeblich und bedürfen daher einer genauen Untersuchung. Eine weitere zentrale Fragestellung betrifft die Umsetzung eines geeigneten Autorenprozesses, hierbei steht das dynamische Objektverhalten im Mittelpunkt.In dieser Arbeit werden die genannten Fragestellungen aufgegriffen und beleuchtet. Es werden für die Bereiche Modellbildung, Simulationstreue und Umsetzung sowie dem Authoring Lösungsansätze vorgestellt, welche anhand eines konkreten Anwendungsfalls aus der Automatisierungsindustrie dargestellt werden. Die Arbeit stellt ein komponenten- und datenflussbasiertes Modell zur Beschreibung des Verhaltens virtueller dynamischer Objekte vor. Aufbauend auf diesem Modell, wird gezeigt, wie sich verschiedene Trainingsszenarien auf der Grundlage pädagogischer Prinzipien modellieren lassen. Mittels der entwickelten und implementierten Methoden wurde eine interaktive und echtzeitfähige Simulation einer realen automatisierungstechnischen Versuchsanlage auf der Grundlage einer Kombination aus physikalischen und zustandsbasierten Verhaltensmodellen umgesetzt. Anhand dieser Umsetzung wird gezeigt, wie weit sich das dynamische Verhalten einer solchen Anlage hinsichtlich der visuellen und physikalischen Plausibilität simulieren lässt. Es wird weiterhin gezeigt, dass sich das dynamische Verhalten virtueller Objekte mittels des entwickelten Komponenten- und Datenflussmodells deklarativ mittels einer XML-basierten Auszeichnungssprache beschreiben lässt. Diese deklarative Beschreibung dient als Grundlage eines Autorenprozesses, der in der Arbeit vorgestellt wird.