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SScciieenncceeDDiirreecctt
IFAC-PapersOnLine 49-19 (2016) 227–232
Interdisciplinary Communication and Comprehension in Factory Automation
Engineering - A Concept for an Immersive Virtual Environment
Sebastian Ulewicz, Dorothea Pantfouml;rder, Birgit Vogel-Heuser
Technische Universitauml;t Muuml;nchen – Institute for Automation and Information Systems, Munich, Germany
(Tel: 49 89 289 16400; e-mail: {ulewicz; pantfoerder; vogel-heuser}@ais.mw.tum.de).
Abstract: In engineering of factory automation systems, understanding and discussing complex systems
is important for a competitive development process. Understanding complex connections within these
systems while working with interdisciplinary teams scattered around the globe can be a very challenging
task. An intuitive way for comprehension and communication within this environment would be
beneficial. For this reason, we propose a concept for a virtual environment for gaining a quicker
understanding of complex systems and their connections, as well as a way for presentation and discussion
using the concept of virtual reality. This is approached by using an immersive way of visualizing and
interacting with complex information. The environment itself as well as different ways of immersing in it
are presented. To highlight the properties of the approach, an application example is given.
copy; 2016, IFAC (International Federation of Automatic Control) Hosting by Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Factory automation, systems engineering, complex systems, communication environments,
human factors, information analysis, man/machine interaction, virtual reality
This is to instil a mutual understanding of engineering
artefacts and their connections among development teams
1. INTRODUCTION
stemming from heterogeneous domains and working in
different locations.
During the development process of complex factory
automation systems, the involved engineers face severe
problems in comprehension and communication. Due to fast
engineering cycles and dynamic team structures, engineers
are confronted with a vast amount of complex information
which they have to comprehend in a very limited amount of
time. In addition, the developers are experts in their specific
domain, e.g. mechanical construction, electrical engineering
or computer science, but lack an understanding of the tasks
performed and complex information created by the other
domains. While their specific expertise is necessary to create
a competitive, high tech product, the integration of the
different domains is imperative for reaching a working end
result. Therefore, it is necessary to gain a deep mutual
understanding when facing difficulties or conflicts, e.g. when
solving problems or making design decisions. This situation
being already difficult to solve, the development teams often
are located in different locations around the globe. Explaining
design decisions, complex problems or goals is even more
difficult being restricted to web conferences or phone calls.
As development cycles of these systems shorten while getting
more complex at the same time, these problems intensify as
there is less time to communicate and comprehend. This
situation would be greatly improved by a mean of
comprehension and communication that allows a more
natural and intuitive way of understanding, conveying and
discussing complex information.
2. STATE OF THE ART
Complex information in factory automation engineering
mostly stems from complex connections between elements of
engineering documents. These connections often span across
different documents within or even between different
engineering domains. Examples for this kind of connection
could be data flow connections of parts of a control program
with ports of a bus system and relating mechanical parts
(sensors and actuators) of the machine translating to a
physical movement. Changes of single elements in this
connection chain could have effects on other elements and
should therefore be discussed with other involved
stakeholders.
Systems Engineering approaches the problem of a mutual
understanding of complex interconnections within and across
the different involved domains, e.g. by creating models that
define interfaces and connections between the domains.
Many of these works in production automation engineering
rely on semi-formal modelling languages such as the SysML
(Vogel-Heuser et al., 2014). The main problems of these
works is that the models need to be created manually and rely
on modelling languages initially unfamiliar to all involved
domains. These shortcomings are softened by re-using these
documents for automatic generation of further artefacts or
automatic analyses. An example for the former are code
generation from design documents (Schuuml;tz et al., 2014), the
latter is regarded in works automatically identifying
inconsistencies (Feldmann et al., 2015). Another problem is
The concept presented in this paper is to approach the
problem of a mutual understanding of complex engineering
information through a virtual environment which supports the
visualization of and interaction with complex information.
2405-8963 copy; 2016, IFAC (International Federation of Automatic Control) Hosting by Elsevier Ltd. All rights reserved.
Peer review under responsibility of International Federation of Automatic Control.
10.1016/j.ifacol.2016.10.529
228
Sebastian Ulewicz et al. / IFAC-PapersOnLine
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工程自动化跨学科交流与理解工程 - 沉浸式虚拟环境的概念
摘要：在工厂自动化系统的工程中，理解和讨论复杂的系统对于竞争发展过程很重要。 了解这些中的复杂连接系统与跨世界各地的跨学科团队合作是非常具有挑战性的任务。 在这种环境下，理解和沟通的直觉方式是有利。 因此，我们提出了一个虚拟环境的概念，以获得更快的速度理解复杂的系统及其联系，以及演示和讨论的方式使用虚拟现实的概念。 这是通过使用沉浸式的可视化方式来实现的与复杂信息交互。 环境本身以及不同的浸入方式被呈现。 为突出显示方法的属性，以下给出了应用示例。
关键词：工厂自动化，系统工程，复杂系统，通信环境，人为因素，信息分析，人机交互，虚拟现实
- 综述
由于异质域和工作不同地点，在复杂工厂的开发过程中自动化系统中涉及的工程师面临严峻挑战理解和沟通的问题。由于快工程周期和动态团队结构，工程师面临着大量复杂的信息他们必须在非常有限的数量中理解时间。另外，开发者也是具体的专家域，例如机械施工，电气工程或计算机科学，但缺乏对任务的理解执行和复杂的信息由另一个创建域名虽然他们的专门知识是必要的创造一个竞争激烈的高科技产品，一体化不同的领域是达成工作目的的关键结果。因此，有必要深入相互在面对困难或冲突时的理解，例如什么时候解决问题或做出设计决策。这个情况已经很难解决，开发团队经常位于全球各地。解释设计决策，复杂问题或目标更是如此很难被限制在网络会议或电话。随着这些系统的开发周期缩短更复杂的同时，这些问题也加剧了有更少的沟通和理解的时间。这个情况会大大提高理解和沟通，允许更多自然而直观的理解，传达和方式讨论复杂的信息。
本文提出的概念是接近相互理解复杂工程的问题信息通过虚拟环境支持可视化和与复杂信息的互动。这是为了灌输对工程的相互了解文艺及其在开发团队之间的联系。
- 创作流程
工厂自动化工程中的复杂信息主要来自于元素之间的复杂连接工程文件。 这些连接往往跨越不同的文件内部甚至不同之间工程领域 这种连接的例子可以是控制程序的部件的数据流连接具有公共汽车系统的端口和相关的机械部件（传感器和执行器）的机器转换为身体运动。 这个单一元素的变化连接链可能对其他元素有影响因此应与其他有关方面进行讨论。
系统工程解决了相互理解不同相关领域内和跨不同相关领域的复杂互连的问题。通过创建定义域之间的接口和连接的模型。生产自动化工程中的许多工作依赖于半形式建模语言，如SysML（Vogel-Heuser等，2014）。这些作品的主要问题是需要手动创建模型，并依赖于最初对所有相关域名不熟悉的建模语言。这些缺点通过重新使用而被软化
自动生成进一步人工制品或自动分析的文件。前者的一个例子是设计文件的代码生成（Schuuml;tzet al。，2014），后者被认为是自动识别不一致的因素（Feldmann等，2015）。另一个问题是信息，即这些模型中的复杂互连，越来越难以处理随着系统规模的增长。用户快速失去跨多个层次结构和宏观尺度跟踪这些互连的能力。可视化这种复杂互连的方法有很多，例如有向图，指定元素之间的连接。在可视化这些类型的图形领域进行了广泛的研究。 Herman等人给出了对2D和3D图形可视化的典型方法的一个很好的概述。 （2000）。这些方法侧重于通过避免遮挡和揭示层次结构以合适的方式显示所连接的信息。在许多情况下，由于交叉连接太多，所以无法实现完美的布局。另外，一旦存在太多的节点和边缘，静态布局也会变得混乱。在这些情况下，与图的交互被证明是有用的。已经证明不同的技术，例如基于结构的聚类（Roxborough和Sen，1998）或基于内容的聚类（Wattenberg，2006）或诸如双曲线树（Lamping，1995）的特定观察工具是有用的。尽管这些布局和交互技术正在面临这个问题，但在许多情况下，信息可能会变得如此复杂，以至于应该探索新的可视化和互动类型。
在许多历史进程中，调查显示，在综合视图中显示某些类型的连接信息可以具有积极的属性，因为用户可以快速地将这些信息与他的想法相关联（Wickens and Andre，1990）。 在最近的作品中，对这种方法进行了调查，以显示3D中过程监控中的复杂信息（Pantfouml;rderet al。，2009）。 发现在通过允许与3D场景相互作用来增加操作者的参与感的场景中，与在该领域中显示信息的常规模式相比，增加了更准确地发现问题的能力。
最近，虚拟现实已被游戏行业重新发现，因为它增加了存在感。 存在在很大程度上受到沉浸和参与感的影响，沉浸在身体存在于非物理环境中的感觉，参与是专注于任务或主体的能力（Witmer和Singer，1998）。 使用虚拟现实，当使用耳机并且能够完全沉浸在数字世界中时，受试者被全世界隐藏。 与使用鼠标和键盘进行交互时，将头部甚至身体动作翻译成虚拟世界似乎更为真实。 因此，互动感觉更加自然。 （Schuemie等人给出了虚拟现实中存在感的重要性质的概述2001）。
在虚拟产品开发和设计中，诸如立体大屏幕显示器，投影技术甚至CAVE（Creagh，2003）等现代显示技术已经在很大程度上被使用。 这是由于增加的存在感，这又有助于想象真实的产品。 此外，使用现代的相互作用工具，例如头部跟踪以允许以直观的方式改变视角。 另一方面，在这些可视化中显示的信息通常不具有复杂的互连，并且不包括与其他领域的连接，这是我们工作的重点。
- 概念
本文的概念可以概括为一个虚拟环境，个体或多个开发团队成员可以在涉及不同领域的开发过程中进入和会面以了解，呈现，解释和讨论复杂信息。 浸入这种环境的不同模式允许各种各样的使用场景，包括远程访问这种环境。 此外，还提出了不同的可视化模式以及与这种复杂信息的交互。
3.1. 虚拟通信环境
虚拟环境（见图1）将被设计成使得它不会分散于要执行的任务，同时仍然可以适用于真实的环境以允许高度的参与和浸入。 因此，在其基本状态下，它被设计为讨论主题位于中间的不分心的无限平面。 讨论合作伙伴可以进入这种环境，并在这个飞机上移动，同时被显示为人的化身。用户可以查看复杂的主题并与之进行交互，以更深入地了解互连。
图1.虚拟环境的基本结构，为了强调对这一主题的关注，在较暗的环境中强调了照明。
主题可以从不同的角度通过走动观察。 为了分析主题的细节，用户可以通过进一步移动来移动靠近或观看整个主题。这种类型的交互具有与实际中的主体的自然相互作用的许多相似性，因此增加了主体的可视化的直观性， 随后增加了存在感。 如果这种可视化模式不足以获得适当的理解，则可以激活飞行模式以具有鸟瞰图。
该主题可以与真实的东西有关，例如 产品或工厂，或代表抽象信息，例如。 示出了编程实体之间的互连的有向图。 在许多情况下，混合视图可以是有益的，可视化与真实（或实际）主题相关的模型的抽象信息。 如果Wickens（1990）提出的将抽象信息与真实主题相关联的方式设计成相关信息（抽象或不抽象）被设计得很近，那么用户就可以方便地进行抽象信息的实现。 这可以导致在了解这些信息或得出关于问题的结论时增加速度。
这里提出的概念集中在广泛互连形式的复杂信息。指向图被选择为显示的形式，因为它们是易于理解的。图2显示了生产自动化工程中存在的复杂信息的示例。 该图显示了自动控制程序内的程序实体之间的数据流。 可以看出，许多互连重叠和交叉，因此简单的2D布局算法在使连接可理解时失败。 尽管可以通过更仔细的检查来重建个人关系，但信息的宏观观点仍然令人困惑。 随后，我们研究了不同的可视化和交互模式，用于导航和修改此信息。
图.2.复杂有向图的一个例子
为了减少在有向图中理解复杂信息所需的时间，可以以更直观的方式设计节点和边缘属性。为此，我们提出将在未来研究中更详细研究的第一个想法。节点属性可以通过使用3D可视化以更直观的方式进行设计。认为沉浸感减少了进一步了解这些信息的时间。与真实对手相关的材料或效果可以强调某些属性，例如“保护”或“硬”的“石头”，或“超过某一特性”的“火”，例如超过复杂性度量索引的软件实体。可以以更直观的方式设计节点之间的连接：代替使用箭头，粒子流可以在集成中显示不同类型和方向的信息流。使用符号作为粒子允许与颜色相反的这种类型的流动的快速分类，这将需要解释。通过这些改进，增加对信息的理解被认为是改进的。
在3D可视化中，交互是必不可少的，因为实体可以容易地重叠，从而阻碍对主体其他部分的视图。因此，此信息中的导航是解决此问题的第一步。导航的设计方式使其接近于与主体的自然相互作用。如前所述，如果可能，头部运动和身体动作应该被转换为虚拟场景。如果这还不够或不可能，需要交互设备以允许进一步的导航，例如， 3D小鼠在许多情况下，改变观点是不够的，因为场景的某些部分可以被完全阻挡。在其他情况下，由于布局不足，相关数据可能很困难。在这些情况下，必须采取与场景交互的第二步：修改数据。在这里，现场的移动实体是最基本的修改。其他修改技术可能是缩放或隐藏对象。打开对象以显示更详细的信息和子实体可以是在基于结构或基于内容的集群的层次中表示交换机的一种方式。
为了呈现或讨论信息，这些类型的交互必须进一步扩展，以便于沟通。 沉浸在虚拟环境中是通过大视角实现的，引导其他用户的关注是非常重要的。 与直觉行为相关的最基本的方式可以是指向和激光指向，即显示指示指向方向的波束。场景的高亮实体是引导讨论伙伴注意的另一种方式。 通过控制其他用户的观点或通过数据播放预先记录的航班，可以快速呈现相关信息的非常复杂的方式。
从本节显而易见的是，可视化和互动的许多不同观点被认为是这个概念，但是对个人方面的详细调查仍然要做，并且是进一步研究的一部分。
3.2. 沉浸的方法
我们提出了连接到虚拟环境的不同方式，以便多种用途。 虽然在本节中显示和与环境相互作用的模式之间存在许多混合形式，但是三种基本形式的沉浸被认为更加强调其不同的属性。
图.3.浸入虚拟环境的基本方法
连接到虚拟环境的最简单的方法是普通的台式电脑。 可以理解的是，由于小屏幕引起的低浸入程度，仅仅覆盖了低视野的程度，存在的感觉非常低。 即使在将信息关联在一起时人力交互也是可能的，小屏幕大小阻碍了足够的展示和细节视图，同时保留了概述。 此外，工作环境容易扰乱现场的情况。 这些发现使这种连接方式成为平庸的演示和讨论工具。 然而，PC在大多数工作环境中都可用，因此不需要额外的投资。 此外，PC是一种非常精确的编辑专家工具，非常适合在虚拟环境中修改或准备信息。
最近与虚拟环境交互的领域最近正在使用VR眼镜（Oculus Rift，HTC Vive等）进行虚拟现实。在许多方面，进入虚拟环境的这种类型与台式电脑相反：通过立体视觉，广视角和头跟踪，最大限度地提高了浸入感。完全隐藏到外部环境中，通过支持与受试者的参与来增加这种影响，因为外部干扰被最小化。手动跟踪的新方法（例如Leap Motion）可以与VR眼镜组合，以进一步增加通过自然相互作用的浸入感。即使需要更强的PC硬件来允许低延迟和立体视觉，所需的投资是建立与虚拟的交互模式环境并不比购买第二屏和新显卡高得多。然而，这种类型的设备有缺点。在这些设备中使用的显示器具有相对高的分辨率，但是该分辨率被扩展到整个视场，导致低的感知图像质量。虽然这个事实在将来会有变化，但考虑到这种类型的显示高分辨率信息的设备时，这是一个当前的限制。此外，完全的隐居也避免了与同事的自然互动。因此，与当地现有各方的资料展示和讨论不足。
第三种浸泡方式就是所谓的VR墙和CAVE。这些大型投影屏幕使用后投影（从屏幕后面投影）或非常锐角的前投影。通过将这些屏幕放置在立方体中，CAVE进一步进行，用户可以在其中进入以增加沉浸感。这些类型的屏幕通常每屏幕具有非常高的分辨率（〜4K）以及立体视觉和头部跟踪的可能性。这允许显示复杂的信息，同时允许快速地了解主题的细节以及获得情况的概述。通过使用专门的头部跟踪相机，可以以自然的方式调整视野，允许直观的可视化的主题。这使得存在的感觉在高水平，但不如VR眼镜那么高
从外部环境的完全隔离是没有实现的。关于投资，VR墙现在相当昂贵。计算图像的硬件与VR眼镜相当，但包括多台或高端投影机和像素处理器的屏幕需要高投资。由于CAVE将此计算和投影扩展到多个屏幕，因此它们需要更高的投资。
表1.浸没模式概述
如表I所概述的，浸入虚拟环境的不同模式具有特定的优点和缺点，但这些模式都不能被忽略，因为它们可以用于特定任务。 由于在修改数据方面投资低，精度高，PC是编辑和准备虚拟环境信息的非常合适的工具。 VR眼镜适合于理解信息，因为通过外部环境和自然相互作用的隔离实现了高度的沉浸和参与。 另一方面，VR墙和CAVE是一个有前途的工具，用于与多个人的信息的呈现和讨论，因为人类的交互不受阻碍，并且信息可以被高度细节地显示并且以自然的方式进行交互。
3.3. 技术后端
技术后端的要求是反应时间短，刷新率高，以及从远程位置连接的可能性。 为了保持存在感和最小化运动病的风险，反应时间和可视化和运动或相互作用的刷新速率将保持较低。 为了允许讨论来自不同地点的科目，该方法需要使用不同的沉浸模式来支持登录到虚拟环境中，因为每个位置并不是每种类型都可用。
为此，常见的服务器 - 客户端结构是合适的。 与普通的多人游戏相当，服务器可以跟踪和同步所有的用户动作和主体本身。 该信息由服务器提供和传输到使用此信息的所有客户端，以呈现其可视化模式的场景。 这允许同步的低延迟环境。 另一方面，客户的硬件必须足够强大，以实现低刷
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