Web-basierte Referenzarchitektur für virtuelle Techniken : Mit Anwendungsbeispielen aus der Industrie PDF
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Sarah Brauns · Hilko Hoffmann Peter Zimmermann Web-basierte Referenzarchitektur für virtuelle Techniken Mit Anwendungsbeispielen aus der Industrie essentials essentials liefern aktuelles Wissen in konzentrierter Form. Die Essenz dessen, worauf es als „State-of-the-Art“ in der gegenwärtigen Fachdiskussion oder in der Praxis ankommt. essentials informieren schnell, unkompliziert und verständlich • als Einführung in ein aktuelles Thema aus Ihrem Fachgebiet • als Einstieg in ein für Sie noch unbekanntes Themenfeld • als Einblick, um zum Thema mitreden zu können Die Bücher in elektronischer und gedruckter Form bringen das Expertenwissen von Springer-Fachautoren kompakt zur Darstellung. Sie sind besonders für die Nutzung als eBook auf Tablet-PCs, eBook-Readern und Smartphones geeignet. essentials: Wissensbausteine aus den Wirtschafts-, Sozial- und Geisteswissenschaf- ten, aus Technik und Naturwissenschaften sowie aus Medizin, Psychologie und Gesundheitsberufen. Von renommierten Autoren aller Springer-Verlagsmarken. Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/13088 Sarah Brauns · Hilko Hoffmann Peter Zimmermann Web-basierte Referenzarchitektur für virtuelle Techniken Mit Anwendungsbeispielen aus der Industrie Sarah Brauns Peter Zimmermann Wolfsburg, Deutschland Gifhorn, Deutschland Hilko Hoffmann Saarbrücken, Deutschland Das Verbundprojekt ARVIDA (Angewandte Referenzarchitektur für virtuelle Dienste und Anwendungen) wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01 IM13001 gefördert. ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic) essentials ISBN 978-3-658-17248-0 ISBN 978-3-658-17249-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-17249-7 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio- grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Was Sie in diesem essential finden können • Einführung und Definition der virtuellen Techniken, wie sie heute in der Industrie verstanden und eingesetzt werden • Neue industrielle Anwendungsfelder für virtuelle Techniken • Web-Konzepte zur besseren Interoperabilität und effizienteren Anwendungs- entwicklung im Bereich virtueller Techniken • Die ARVIDA-Referenzarchitektur, ihre Konzepte sowie der Bezug zu Industrie 4.0 • ARVIDA-Technologien zur verbesserten Umfelderkennung • Beispiele zu Industrieszenarien, die die ARVIDA-Referenzarchitektur nutzen V Dank Die Autoren sowie die Konsortialleitung des Verbundprojektes ARVIDA dan- ken den beteiligten Projektpartnern für ihre Hilfe bei der Erstellung des essen- tial-Manuskriptes. Unser Dank gilt ebenfalls Herrn Ministerialrat Dr. Erasmus Landvogt, BMBF und Herrn Ingo Ruhmann, BMBF, die das Projekt ARVIDA anregten, förderten und vertrauensvoll begleiteten. Ebenso danken wir Herrn Roland Mader sehr, der das Projekt mit großem Engagement vonseiten des Pro- jektträgers DLR unterstützte. Sarah Brauns Hilko Hoffmann Peter Zimmermann VII Inhaltsverzeichnis 1 Virtuell unterstützte Produktentwicklungs- und Fertigungsprozesse ........................................... 1 2 Virtuelle Techniken ........................................... 3 3 Web-Konzepte für virtuelle Techniken ........................... 7 3.1 Der Architekturstil „Representational State Transfer (REST)“ ......................................... 9 3.2 Linked-Data ............................................. 10 4 Die ARVIDA-Referenzarchitektur .............................. 11 4.1 Modellierungskonzepte und Schnittstellen ..................... 11 4.2 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 und die ARVIDA-Referenzarchitektur ............................ 13 5 ARVIDA-Technologien ........................................ 17 6 Industrielle Anwendungsszenarien .............................. 19 6.1 Bewegungs- und Ergonomieabsicherung ...................... 19 6.2 Soll/Ist-Vergleich ......................................... 23 6.3 Mixed Reality Engineering und Werkerassistenz ................ 26 6.4 Produktabsicherung ....................................... 30 7 Zusammenfassung und Ausblick ................................ 35 Glossar ........................................................ 39 Literatur ...................................................... 41 IX 1 Virtuell unterstützte Produktentwicklungs- und Fertigungsprozesse Industrielle Entwicklungs- und Fertigungsprozesse unterliegen aufgrund der wachsenden Anforderungen an Qualität und Effizienz und der immer kürzeren Produktlebenszyklen einer inzwischen rasanten Evolution. Die moderne industri- elle Produktentwicklung und Produktionsplanung kommt gerade bei den komple- xen und variantenreichen High-End-Produkten aus der deutschen Industrie kaum mehr ohne die virtuelle Entwicklung, Planung und Simulation von Produkten und Produktionsvorgängen aus. Virtuelle Techniken (VT) sind vor allem bei größeren Unternehmen schon seit einiger Zeit ein fester Bestandteil der Prozess‐ und IT‐ Systemlandschaft. Ohne VT‐Systeme sind die stetig steigenden Anforderungen an Innovationsgrad, Komplexitätsmanagement, Flexibilität und Qualität nicht schnell und effizient genug umsetzbar. Die Erforschung, Beherrschung sowie die industrielle Umsetzbarkeit innovativer virtueller Techniken, d. h. Virtual und Aug- mented Reality, virtueller Simulationsverfahren, digitaler Menschmodelle u. v. a. sind zu einem Schlüsselfaktor der Wettbewerbsfähigkeit und teilweisen Markt- führerschaft der deutschen Industrie geworden. Diese Entwicklung wird aus Sicht der Autoren durch die beginnende 4. Indus- trielle Revolution (Industrie 4.0) erheblich beschleunigt, denn ein wesentlicher Teil dieser Revolution ist die leichte Verfügbarkeit von Informationen, Funktiona- litäten und Modellen sowie auch das übergreifende, kooperative Arbeiten in inter- nationalen, verteilten Firmennetzwerken. Eine wesentliche Schwierigkeit besteht darin, unterschiedlichste Soft- und Hardware-Systeme miteinander interagieren zu lassen. Daten und Informationen müssen über System- und Firmengrenzen hinweg und in allen Prozessschritten und dazugehörigen Softwarewerkzeugen transparent, sicher und verlustfrei zur Verfügung stehen. Diese Erkenntnisse haben zu einer längerfristigen Förderung (Abb. 1.1) der virtuellen Techniken durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geführt. Neben dem BMBF‐Projekt IVIP [1] können hier beispielhaft © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 1 S. Brauns et al., Web-basierte Referenzarchitektur für virtuelle Techniken, essentials, DOI 10.1007/978-3-658-17249-7_1 2 1 Virtuell unterstützte Produktentwicklungs- und Fertigungsprozesse Abb. 1.1 Die Projekt- und Entwicklungslinie von spezifischen Technologie-Komponenten hin zu einer übergreifenden, offenen, Web-basierten Architektur für die Anwendungsent- wicklung die weiteren geförderten Leitprojekte im Themenfeld Mensch‐Technik‐Interak- tion, ARVIKA [2], ARTESAS [1], AVILUS [3] und MORPHA [1], genannt wer- den. Mehr als 20 namhafte Unternehmen und Forschungseinrichtungen konnten in den vergangenen rund 15 Jahren auf diese Weise Technologien und Systeme für virtuelle Techniken und die Arbeitsumgebungen der Zukunft erarbeiten. Zur Fortführung der Anstrengungen im Themenfeld der virtuellen Techniken wurde von 2013 bis 2016 ebenfalls vom BMBF das Verbundprojekt „ARVIDA“ gefördert, welches die skizzierten Anforderungen in einer übergreifenden Refe- renzarchitektur adressiert und in industriellen Einsatzszenarien überprüfte. „ARVIDA“ steht für „Angewandte Referenzarchitektur für virtuelle Dienste und Anwendungen“ und ist ein Verbundprojekt, an dem 21 Projektpartner aus Indust- rie, kleinen sowie mittelständischen Unternehmen (KMU) sowie aus der Wissen- schaft beteiligt waren. Es wurden VT‐Verfahren und Anwendungen erforscht und prototypisch in industriellen Anwendungsbeispielen realisiert. Der Transfer der Forschungsergebnisse in neue Produkte und den realen Einsatz virtueller Tech- niken erreichte ein sehr hohes Niveau. Dieser, von internationalen Experten attes- tierte Vorsprung, welcher sich nicht zuletzt in einem umfassenden Patentportfolio (mehr als 50 nationale und internationale Patentanmeldungen) und zahlreichen Spin‐Offs manifestiert, wurde nun mithilfe des Verbundprojektes ARVIDA gehal- ten und mit einer umfassenden Referenzarchitektur sowie neuen VT-Konzepten und weiteren Anwendungsfeldern weiter ausgebaut.
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