Web-basierte Anwendungen Virtueller Techniken: Das ARVIDA-Projekt – Dienste-basierte Software-Architektur und Anwendungsszenarien für die Industrie

467 Pages·2017·21.702 MB·German

by  Werner Schreiber, Konrad Zürl, Peter Zimmermann (eds.)

Web-basierte Anwendungen Virtueller
Techniken
Werner Schreiber • Konrad Zürl
Peter Zimmermann
Hrsg.
Web-basierte
Anwendungen Virtueller
Techniken
Das ARVIDA-Projekt – Dienste-basierte
Software-Architektur und
Anwendungsszenarien für die Industrie
Herausgeber
Werner Schreiber Peter Zimmermann
Volkswagen AG Gifhorn
Wolfsburg Deutschland
Deutschland
Konrad Zürl
ART GmbH
Weilheim in OB
Deutschland
„Das diesem Buch zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für
Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01 IM13001 gefördert. Die Verantwortung
für den Inhalt des Buches liegt bei den Herausgebern.“
Abbildungen bei denen die Bildrechte bei den Autoren liegen, sind im Buch nicht extra gekenn-
zeichnet.
ISBN 978-3-662-52955-3 ISBN 978-3-662-52956-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-52956-0
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie; detaillierte
bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Vieweg
© Springer-Verlag GmbH Deutschland 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 Ver-
arbeitung 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-Verlag GmbH Deutschland
Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany
Vorwort
Die Bedeutung der Virtuellen Techniken im Bereich der Industrie und bei allgemeinen
Anwendungen stieg in den vergangenen zwei Jahrzehnten kontinuierlich an. Einen großen
Einfluss übt die intensive Zusammenarbeit von Unternehmen aus der Industrie als primäre
Anwender und Nutzer der Technologie sowie mittelständischen Unternehmen und For-
schungseinrichtungen als Technologielieferanten und Technologietreiber aus. Diese enge
Verzahnung mit dem damit verbundenen vertrauensvollen Austausch bei der Forschungs-
arbeit bildete die Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung bis heute sowie für den
Erfolg auch dieses Forschungsprojektes.
Im Laufe des Projektes ARVIDA konnten anhand von vielen Industrie-Szenarien
sowohl die technischen als auch die wirtschaftlichen Potenziale des Einsatzes der Vir-
tuellen Techniken in Verbindung mit dem neuen Web-basierten Ansatz für die ARVIDA-
Referenzarchitektur in unterschiedlichen Phasen des Produkt-Lebenszyklus aufgezeigt
und unter industriellen Aspekten nachgewiesen werden. Besonders hervorzuheben ist an
dieser Stelle, dass deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen hierbei eine welt-
weit anerkannte und führende Rolle im Bereich der Virtuellen Techniken eingenommen
haben und diese auch erfolgreich behaupten. Diese Führungsrolle gilt es zu sichern und
noch auszubauen.
Ein Schwerpunkt des Projektes ARVIDA ist eine erstmalig vorgestellte Referenzarchi-
tektur, die den Gedanken einer Web-basierten, interoperablen und echtzeitfähigen Sys-
temwelt konsequent erfüllt, um die Nachteile von bisher vorherrschenden monolithischen
Anwendungen zu verlassen. Dies bedeutet, dass in Zukunft Hard- und Software unter-
schiedlicher Hersteller mit unterschiedlichen Technologien über Dienste und Vokabulare
verbunden werden können.
ARVIDA baut dabei auf erfolgreiche Projekte der Vergangenheit (z. B. ARVIKA,
ARTESAS, AVILUS) auf, erweitert aber mit der Referenzarchitektur die bisher vorwie-
gend technologisch orientierte Sichtweise auf die Virtuellen Techniken um die Potenziale
für eine zukünftige mehr unabhängige Systemwelt.
Während der Projektlaufzeit stieg die Bedeutung der Gedanken des Internet 4.0
(oder auch Internet der Dinge/ Internet of the Things/ Industrie 4.0), an deren Ver-
wirklichung derzeit weltweit geforscht und gearbeitet wird. Eine Verbindung der
V
VI Vorwort
ARVIDA-Referenzarchitektur ARA und dem Referenzarchitektur-Modell RAMI 4.0, wie
sie von deutschen Institutionen und der Bundesregierung verfolgt wird, liegt auf der Hand.
Unser besonderer Dank gilt Herrn Ministerialrat Dr. Erasmus Landvogt, BMBF und
Herrn Ingo Ruhmann, BMBF, die das vorliegende Projekt anregten, förderten und auch
in schwierigen Zeiten vertrauensvoll begleiteten. Ebenso danken wir Herrn Roland Mader
sehr, der das Projekt mit großem Engagement von Seiten des Projektträgers DLR unter-
stützte. Damit standen in allen Projektphasen kompetente Ratgeber zur Verfügung.
Eine zweimonatige Projektverlängerung half, die durch den Ausfall eines wichtigen
Technologie-Partners resultierenden Umschichtungen von Aufgaben erfolgreich bewälti-
gen zu können.
Die Mitarbeiter der einzelnen Projektpartner leisteten Hervorragendes und ermöglich-
ten mit viel Begeisterung und Einsatz die Projektergebnisse. Auch ihnen gilt der Dank.
Für die Koordination und Zusammenführung der einzelnen Projektaktivitäten im
Rahmen der Aufgaben der Konsortialleitung konnten wir Herrn Peter Zimmermann und
Herrn Dr.-Ing. Konrad Zürl gewinnen. Für ihren Einsatz möchte ich ihnen ebenfalls
meinen herzlichen Dank aussprechen.
Wolfsburg, im Oktober 2016 Prof. Dr.-Ing.Werner Schreiber
Volkswagen AG,
Konzern-Forschung, Forschung Virtuelle Techniken
Leiter des ARVIDA-Verbundprojektes
Inhaltsverzeichnis
1 Das Verbundprojekt ARVIDA � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 1
Thomas Bär, Ulrich Bockholt, Hilko Hoffmann, Eduard Jundt, Matthias Roth,
Werner Schreiber, Ingo Staack, Peter Zimmermann und Konrad Zürl
1.1 Hintergrund und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Ausgangssituation und inhaltliche Schwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Virtual und Augmented Reality in industriellen Anwendungen . . . . . . . . . . . . 6
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Virtuelle Techniken und Semantic-Web � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 17
André Antakli, Pablo Alvarado Moya, Beat Brüderlin, Ulrich Canzler,
Holger Dammertz, Volker Enderlein, Jürgen Grüninger, Andreas Harth, Hilko
Hoffmann, Eduard Jundt, Peter Keitler, Felix Leif Keppmann, Roland Krzikalla,
Sebastian Lampe, Alexander Löffler, Julian Meder, Michael Otto,
Frieder Pankratz, Sebastian Pfützner, Matthias Roth, Richard Sauerbier,
Werner Schreiber, Roland Stechow, Johannes Tümler, Christian Vogelgesang,
Oliver Wasenmüller, Andreas Weinmann, Jochen Willneff,
Hans-Joachim Wirsching, Ingo Zinnikus und Konrad Zürl
2.1 Display-Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Tracking und Interaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 Erzeugung und Verwaltung von 3D-Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4 Bilderzeugung/Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5 Menschmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.6 Web- und Semantic Web-Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3 ARVIDA-Referenzarchitektur � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 117
Johannes Behr, Roland Blach, Ulrich Bockholt, Andreas Harth, Hilko Hoffmann,
Manuel Huber, Tobias Käfer, Felix Leif Keppmann, Frieder Pankratz, Dmitri
Rubinstein, René Schubotz, Christian Vogelgesang, Gerrit Voss, Philipp Westner
und Konrad Zürl
3.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2 Konzepte der ARVIDA-Referenzarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.3 Ressourcenbeschreibung und Interaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.4 ARVIDA-Vokabulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.5 FastRDF: Binäre RDF-Literale zur hochperformanten Datenübertragung . . 141
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
3.6 Synchronisierungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.7 Entwicklungswerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.8 ARVIDA-Dienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.9 Anwendungserstellung durch Dienstkomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.10 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.11 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4 ARVIDA-Technologien � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 193
Pablo Alvarado, Ulrich Bockholt, Ulrich Canzler, Steffen Herbort, Nicolas
Heuser, Peter Keitler, Roland Krzikalla, Manuel Olbrich, André Prager,
Frank Schröder, Jörg Schwerdt, Jochen Willneff und Konrad Zürl
4.1 Umfelderkennung und Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.2 Gestenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.3 Vermessung und Geodaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
4.4 Kalibrierung von Augmented-Reality Projektionssystemen . . . . . . . . . . . . . 213
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5 Motion Capturing � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 219
Ulrich Bockholt, Thomas Bochtler, Volker Enderlein, Manuel Olbrich, Michael
Otto, Michael Prieur, Richard Sauerbier, Roland Stechow, Andreas Wehe und
Hans-Joachim Wirsching
5.1 Ergonomie-Simulation im Nutzfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.2 Kostengünstige Trackingsysteme zur Absicherung Manueller
Arbeitsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6 Soll/Ist-Vergleich � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 263
Oliver Adams, Ulrich Bockholt, Axel Hildebrand, Leiv Jonescheit, Roland
Krzikalla, Manuel Olbrich, Frieder Pankratz, Sebastian Pfützner, Matthias Roth,
Fabian Scheer, Björn Schwerdtfeger, Ingo Staack und Oliver Wasenmüller
6.1 Analytisches Mixed-Reality zur Baubarkeitsbewertung im
Automobilbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6.2 Mixed Reality Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
6.3 Generisches Evaluationsszenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7 Werkerassistenz � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 309
Ulrich Bockholt, Sarah Brauns, Oliver Fluck, Andreas Harth, Peter Keitler,
Dirk Koriath, Stefan Lengowski, Manuel Olbrich, Ingo Staack, Ulrich Rautenberg
und Volker Widor
7.1 Mixed Reality Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
7.2 Mobile Projektionsbasierte Assistenzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
7.3 Instandhaltung und Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Inhaltsverzeichnis IX
8 Produktabsicherung/-Produkterlebnis � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 379
André Antakli, Pablo Alvarado, Steven Benkhardt, Ulrich Canzler, Holger 
Dammertz, Axel Hildebrand, Eduard Jundt, Roland Krzikalla, Sebastian Lampe,
Julian Meder, Andreas Meyer, Sebastian Pfützner, Christoph Resch, Elena Root,
Fabian Scheer, Jörg Schwerdt, Andreas Stute und Andreas Weinmann
8.1 Das digitale Fahrzeugerlebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
8.2 Interaktive Projektionssitzkiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
8.3 Generisches Anwendungsszenario Produktabsicherung/-erlebnis . . . . . . . . . 434
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
9 ARVIDA in der öffentlichen Wahrnehmung � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 439
Hilko Hoffmann und Peter Zimmermann
10 Verwertung und Nachhaltigkeit� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 445
Hilko Hoffmann, Werner Schreiber, Peter Zimmermann und Konrad Zürl
11 Anhang � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 449
Peter Zimmermann
11.1 Projektorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
11.2 Projektpartner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
11.3 Projektplan/Meilensteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
11.4 Autorenliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Das Verbundprojekt ARVIDA 1
Thomas Bär, Ulrich Bockholt, Hilko Hoffmann, Eduard
Jundt, Matthias Roth, Werner Schreiber, Ingo Staack,
Peter Zimmermann und Konrad Zürl
T. Bär (*)
Daimler AG, Ulm
e-mail: [email protected]
U. Bockholt
Fraunhofer Gesellschaft/ IGD, Darmstadt
e-mail: [email protected]
H. Hoffmann
DFKI GmbH, Saarbrücken
e-mail: [email protected]
E. Jundt · W. Schreiber
Volkswagen AG, Wolfsburg
e-mail: [email protected]; [email protected]
M. Roth
Siemens AG, Hamburg
e-mail: [email protected]
I. Staack
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH, Kiel
e-mail: [email protected]
P. Zimmermann
Virtual Technologies Consulting, Gifhorn
e-mail: [email protected]
K. Zürl
Advanced Realtime Tracking GmbH, Weilheim i.OB
e-mail: [email protected]
© Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017 1
W. Schreiber et al. (Hrsg.), Web-basierte Anwendungen Virtueller Techniken,
DOI 10.1007/978-3-662-52956-0_1