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Utopie oder Realität?

Mixed Reality – die neue HMI-Generation?

Wo der Mensch bei der Arbeit von Software unterstützt wird, stellt sich die Frage nach der bestmöglichen Mensch-Maschine-Schnittstelle. Das gilt auch für das in der Automatisierungstechnik sowie speziell in der Prozessindustrie – sei es beim Betrieb der Anlage oder bei Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten. Mixed Reality-Lösungen können Anwendern möglicherweise künftig die Arbeit erleichtern.

Mixed Reality

Bild: Rösberg Engineering GmbH

Der Begriff Mixed Reality bezeichnet all jene Medien, die zwischen der physikalischen und der virtuellen Umgebung liegen. Er dient also als Überbegriff. Das Mixed-Reality-Spektrum wird an seinen Rändern von physikalischer zur einen und digitaler Realität zur anderen Seite hin eingegrenzt.

Typische Anwendungsfälle

Großes Potential für Mixed-Reality-Anwendungen liegt in der Anlagenwartung: Beispielsweise wenn es darum geht, in den ausgedehnten Anlagen der Prozessindustrie, die richtige Komponente ausfindig zu machen. Dabei wäre eine Lösung denkbar, die einen Mitarbeiter quasi durch die Anlage navigiert. Somit könnten Informationen der zu wartenden Komponenten direkt angezeigt und Zugriff auf die benötigte Dokumentation gewährt werden. Darüber hinaus hat der Techniker beide Hände für seine eigentliche Aufgabe frei. Aber auch auf Leitebene findet sich ein sinnvoller Einsatzbereich: Anstatt die Informationen des Prozessleitsystems auf großen Bildschirmen an zentraler Stelle darzustellen, ließen sich diese auf Head-Mounted-Devices (HMD) anzeigen. Dank der damit einhergehenden Mobilität wäre es dann möglich, den äußeren Zustand der Anlage mit den Messwerten einzelner Geräte vor Ort abzugleichen. Ein weiteres Einsatzgebiet sind sich wiederholende Prozesse. Mixed-Reality-Konzepte können Mitarbeitern dabei helfen, effizienter zu arbeiten, gleichbleibende Prozesse automatisiert auszuführen und alle Schritte zu dokumentieren.

Was bringt die Zukunft?

Die Rösberg Engineering GmbH aus Karlsruhe arbeitet daran, diese Technologien industriell urbar zu machen. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Prozessindustrie und bietet Softwarelösungen an, die Anlagenbauer und -betreiber während des kompletten Anlagenlebenszyklus bei ihrer Arbeit unterstützen. Zudem bieten die Karlsruher Dienstleistungen beim Um- und Neubau von prozesstechnischer Anlagen. Stefan Stegmüller, ein Student aus dem dualen Studiengang Informationstechnik, hat sich im Zuge seiner Bachelorarbeit mit dem Stand der Technik im Bereich Mixed Reality auseinandergesetzt. Darüber hinaus erprobte er den Praxisnutzen einer Mixed-Reality-Lösung anhand eines Versuchsaufbaus, der eine reale Anlagensituation nachstellt. Dabei galt es, gleichzeitig den Realisierungsaufwand abzuschätzen und potentielle Schwierigkeiten ausfindig zu machen.

Ein praktisches Beispiel

Der für das Forschungsprojekt gewählte Anwendungsfall baut auf den Plant Assist Manager (PAM) auf. Diese Software unterstützt Anwender bei der Ausführung und Dokumention von Prozessabläufen. Mit Hilfe spezieller Checklisten wird der Anwender durch die Arbeitsprozesse geführt und hat somit alle relevanten Informationen auf einen Blick verfügbar. Für diese Anwendung bietet sich ein HMD als Mensch-Maschine-Schnittstelle an. Um Machbarkeit und Nutzen zu prüfen, arbeitete Stegmüller mit einem Versuchsaufbau, der eine real existierende Tankabfüllanlage in kleinerem Maßstab abbildet. Ziel war es, den Anwender mit Hilfe der Microsoft Hololens durch den Befüllprozess zu navigieren.

Informationen auf einem Blick

Durch eine solche Lösung müssen Mitarbeiter nicht immer zwischen der Arbeit selbst und dem Tablet mit den nötigen Instruktionen hin- und herwechseln, sondern haben direkt bei der Arbeit alle Informationen im Blick. Per Gesten- oder Sprachsteuerung können sie erledigte Tätigkeiten einfach quittieren und haben zum Arbeiten beide Hände frei. Zudem ist diese Art der Bedienung deutlich intuitiver, da alle nötigen Arbeitsanweisungen direkt mit dem jeweiligen Anlagenteil beispielsweise dem zu öffnenden Schieber visuell verknüpft sind. Wesentliche Herausforderungen lagen in der Wahl der geeigneten Trackingmethode beziehungsweise, wie sich virtuelle Inhalte in der realen Umgebung verankern lassen. Dies ist wichtig, damit die angezeigten Informationen auch an der richtigen Stelle eingeblendet werden. Dafür gibt es mehrere Methoden: magnetisches oder Infrarot-Tracking sowie Tracking mit sichtbarem Licht oder mit Hilfe von Trägheit (mit einer Inertial Measurement Unit, kurz IMU). Beim Tracking mit sichtbarem Licht wird nochmals unterschieden in Tracking anhand natürlicher Merkmale, referenziertes oder modellbasiertes Tracking. Stegmüller berichtet: „Ich habe in meinem Fall im Wesentlichen die Möglichkeiten des Trackings von natürlichen Merkmalen, also markanten Merkmalen natürlicher Bilder sowie Tracking von Referenzmarken, wie etwa QR-Codes, in Betracht gezogen. Die Wahl fiel schließlich zuerst auf QR-Codes und dann auf Markierungen in Form von Bildern mit Dreiecken zufälliger Größe, Anordnung und Rotation.“ Diese Variante habe sich als vorteilhaft erwiesen, da sich diese Bilder anhand des Algorithmus eindeutig identifizieren lassen. Bei der Nutzung von QR-Codes als Ankerpunkte von virtuellem Inhalt kann es während der Auswertung, auf Grund ihrer gleichen Grundstruktur, zu Verwechslungen kommen.

Aufwendige Einführung

Eine weitere wesentliche Herausforderung bei der Umsetzung des Systems fand sich beim Zusammenspiel der einzelnen Komponenten wie SPS, Datenbanken, Software und Holoens: Bis eine endgültige Lösung gefunden war, mussten ursprünglich entwickelte Konzepte des Systems mehrfach überdacht und angepasst werden. Anhand des Forschungsprojekts wurde deutlich, dass der Einsatz einer Mixed-Reality-Lösung in der industriellen Praxis zwar realisierbar ist, es aber zwischen Aufwand und Nutzen abzuwägen gilt. „Hier wird sich in den kommenden Jahren einiges tun und ich kann mir sehr gut vorstellen, dass sich Mixed-Reality-Brillen wie die Hololens in absehbarer Zeit Praxisanwendungen in der Prozessindustrie erschließen werden. Der Praxistest zeigt, dass sich diese Mensch-Maschine-Schnittstelle und Tools wie der Plant Assist Manager bestens ergänzen. Wir freuen uns auf erste Anwendungen in der industriellen Praxis“, schildert Stegmüller.


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