虚拟现实作为基于场景技术的工厂规划的协作工具

摘要

在过去几年中，几个因素改变了公司进行互动和合作的行为。这主要归因于严峻的环境。此外，随着时间的推移，在生产相关领域使用虚拟现实（VR）作为交换信息和数据的协作工具，将显着增加。本文的目的是确定最近的应用领域和阶段的状态，以方便地使用VR作为工厂规划的协作工具。因此，文献综述了如何处理影响一般公司的因素，也涉及了工厂规划过程。基于此，提出了工厂规划领域的情景技术。这些情景可用作长期规划战略行动的基础。这种技术在不可预测的未来特别有助于支持长期决策。此外，还提供了VR应用程序支持的工厂规划阶段的概述。相反，在需要VR支持的地方突出显示阶段。给出一个概念的基础，努力实现持续的VR支持的工厂规划过程。

1.介绍

大公司以及中小型公司面临着同样的挑战。 这些公司经营的环境不断面临着不同因素和驱动因素的网络（例如治理法规，客户需求，技术演进，多个利益相关者的参与等）。 由于企业不是被动部件市场体系，这些因素都在积极影响一家公司。 毫无例外，它们对商业行为具有持久的影响。 另外，因素随时间快速变化。 这使得公司的环境比之前的几十年更加活跃和复杂[1-2]。 这种情况影响到每个公司。 由于资源和现有情况有限，德国企业在生产领域的竞争水平不断提高，并影响了它们的全球地位[1]。

这些驱动因素正在影响工厂规划领域。 更具体地说，在工厂内的规划过程和决策将对业务结构产生长期影响。 此外，这些决定必须在不确定数据基础的过程的早期阶段进行。 将多个参与者与专用子目标相集成，这甚至增加了复杂性并且需要进行联合的未来估计。

由于涉及的因素的数量，很难对应地响应这些变化。 公司越早认识到工厂级别的适应性需求，并实施适当的反应措施，他们就越有竞争力。 这种适当的反应措施可以放在工厂的可变性条件下。 然而，对变革的认可是更大的。 虽然存在战略规划方法，并且规划过程是技术支持的，但很难对未来做出预测[2]。 情景技术是一种适当的方法来对抗这种复杂性。 这种技术是一种战略规划方法，它用于许多不同的应用领域。 该方法允许用户创建多个未来开发路径[3]。使用情景技术，公司可以选择预测变化的驱动因素，并将挑战转化为变革的驱动力。

本文重点介绍了工厂规划过程中场景技术使用的理论背景。 首先，提供了一个文献审查，以确定不同的驱动因素和变化因素。 然后，给出了场景技术的一般介绍。 随后将对如何通过使用虚拟现实（VR）作为协作工具来支持工厂规划过程进行调查。 此外，将介绍进一步研究的进展。 这项工作被用作一个概念的输入，其中连续使用虚拟现实作为工厂规划的协作工具将被引入。

2.在动荡的环境中进行工厂规划

今天，公司经营的环境是复杂，动态和不可预测的[4]。 这些特性不能独立考虑。 他们互相影响，互相交融。 此外，工厂规划过程本身也受这些情况的影响。 因此，对影响一家公司的不同因素进行文献回顾，然后对工厂规划过程进行审查。

2.1。 因影响因素造成的湍流环境

公司称为湍流。 公司不再独立运营，是价值网络的一部分，价值网络包括重视价值的公司，他们的供应商和他们的客户[1-5]。 这个事实在这项工作中没有进一步研究。 第二，公司经营的环境是复杂和有活力的。 复杂性源于影响公司环境的不同因素的数量，这些因素的多样性以及这些因素的相互依赖性。 这种动态关系可以根据因素变化的特征以及这些元素随时间的相互作用来描述[6]。

文献综述表明，可以区分不同种类的因素和不同的因素分类。 以下示例显示这些不同的分类级别。 表1给出了具体因素的实例列表。 Wiendahl等。 [7]区分内部和外部起源的因素。 外部因素来自三个不同的子类：技术，市场和环境。 内部因素在主动起源和反应起源的亚类中分开。兰扎等。 [4]基于Wiendahl的因素分类。 然而，除了内部和外部来源之外，还根据其观察期和公司的位置动机对因素进行分类。 Hernaacute;ndez[8]通过可指导和不可指导的因素来区分因素。 指导因素来自工厂环境，而非指导因素来自全球环境和商业环境。 海牙等。 [5]对影响和影响水平的具体领域分配因素。 影响力领域是公司，网络，分支机构和环境。 影响水平是经济，技术，人口，社会文化，生态和政治法律。 显然，所有来源都指或多或少相同的因素。 此外，如果相关因素可能触发公司的变化，大多数将因素定义为变化的驱动因素。

表1.影响因素的示例列表

2.2。 在动荡的时期稳定的工厂规划过程

虽然环境变得更加复杂和动态，一些过程仍然有一个共同的基础。 与工厂规划过程的生产相关系统在其基础上没有改变。 一般来说，可以区分五个不同的规划阶段：准备，结构规划，细节规划，实施规划和执行[9]。 在文献中，可以发现在总体规划阶段中已经开发的几种不同的方法。 所有的方法都从客观的设定开始，然后才分歧。 在这些规划阶段中执行的事件和任务的具体顺序可以在图1中找到。

与生产相关的系统学及其五个阶段支持在问题解决过程中的渐进方法。 它可以作为一个规范框架来指导项目[10]。 具有这种稳定的底部是有帮助的，特别是在湍流条件下。

除了用于工厂规划的生产相关系统之外，已经开发了一般概念以应对给定时间的挑战。

由于它们与这项工作的相关性，必须简要提及可更换工厂，数字工厂和合作工厂。 它们反映了将对工厂规划领域产生持久影响的总体趋势（例如全球化，技术创新等）[10]。 合作工厂通过在特定规划工具的帮助下同步和协作地处理各自的规划阶段，来设法满足时间限制。 重点是将项目成功所需的所有参与者聚集在一起，并为他们提供合作的基线[2-10]。 数字工厂被定义为数字模型和方法的综合网络的通用术语[11]，目的是创建真实工厂的数字图像。 可变工厂能够在早期阶段基于监控变化的驱动程序检测工厂环境的变化，并相应地进行调整。

3.基于现场技术的工厂规划

由于动荡的环境，未来越来越不可预测。 特别是对于工厂计划等长期决策，有必要预测未来的发展。 解决这个难题的一种方法是使用场景技术[3]。 方案技术可以放在战略性企业规划领域。 与其他规划对象类似，场景技术分为几个阶段。 Gausemeier等。 [12]定义了一个场景管理过程，包括五个阶段：场景准备，场景场分析，场景预测，场景开发和场景传输。 以下解释基于Gausemeier等人的阶段。 [12]和工厂规划的例子给出[7]。

核心思想是勾勒出决策将如何影响明天的工厂。因此，分析影响生产过程和生产环境的关键因素，并预测其未来发展。 通过预测不止一个最佳未来发展路径，而且多个潜在发展，将创建潜在的未来愿景的整个走廊。 基于这些潜在的发展，将做出关键因素发展如何影响工厂及其规划的估计。 最后，这种未来预测将作为工厂规划目的的决策辅助。

在第一阶段（情景准备）期间，设定了一般项目目标。 这包括项目的描述以及识别特定决策字段和场景字段。 决策字段描述了在决策过程中应该支持的目标。 工厂规划的决策领域是工厂的总目标。 此外，在该阶段报告决策字段的当前状态。 方案字段覆盖决策字段的特定观察区域。 它可以与决策字段相同，但更有可能分析环境和相邻区域。 为了描述场景技术阶段，“技术开发”用作场景场的示例。

在阶段2（场景场分析）中，决策场被分成子系统。参考工厂规划，这些子系统是不同的生产水平（例如图2所示），其代表不同水平的细节和特殊聚焦区域。然后，关于子系统识别不同的因素。随后制定相关因素，然后将其定为关键因素。这些关键因素收集在一个列表中。对于工厂规划，在第2.1章中已经提及的因素被称为示例。从该列表中，检测到具体相关的特定关键因素。在示例场景中，将重点关注生产单元级别，并指定即将开发的新制造技术。因此，所述因素列表将包括不同的即将到来的粘结技术，例如激光焊接和粘合剂连接。为了限制示例的复杂性，激光焊接被识别为单个相关的关键因素。

在阶段3（情景预测）中，报告了关键因素的当前状态，并且制定了关键因素的未来预测。 每个因素的几个未来预测是有效的。 通过绘制不同的未来趋势，将建立一个解决方案走廊，代表关键因素的某些发展。 不能进行非常严格的预测，但将作出估计并作为规划援助。 在该示例中，将预测激光焊接技术的发展。 在最好的预测中，激光焊接可以以更好的质量和减少的处理时间来替代所有常规的焊接工作站。 介质预测将预测常规焊接和激光焊接的混合，其中复杂和高应力部件将通过激光焊接。 悲观的预测将预测，激光焊接不能在工厂普遍部署，并且只有非常少的部件将通过激光焊接。

第4阶段（场景开发）证明了未来对其一致性的预测。因此，从一组未来预测的一致性方面进行研究。之后，将特征值分配给投影，并且在图形表示的帮助下开发方案。情景是建立在关键因素的估计发展。此外，还考虑了关键因素发展对决策领域的影响。作为这一阶段的结果，现在全文描述了情景。本文介绍的方法的一个目标是通过基于VR的可视化扩展这样的文本描述。在用于每个激光焊接估计的示例中，根据技术开发来设计工厂布局。虽然不同的估计直接对应于边界工厂区域和功能（例如所需的常规焊接工作站的数量），但是对布局的影响可以以清楚的方式可视化。

阶段5（场景转移）结束了场景如何干扰决策场。 因此，根据情景及其对公司的影响，推导出公司的战略。 这种影响在协作会话中进行评估，其中几个规划参与和策略开发人员一起评估场景。 这导致了一个全面的解决方案。 例如。 基于激光焊接技术发展的关键因素的投资决定了后勤需求，并阐述了生产计划的未来策略。 除了对工厂布局的影响，新技术的实施也影响产品设计。

4.虚拟现实支持

遵循数字工厂方法，在规划阶段已经开发了几个IT工具来优化制造系统。它们应该联合使用，以便对企业内的业务职能和职能部门有共同的看法[14-15]。在这种背景下，VR已经成为通过可视化手段支持工厂规划者的一个主要概念[16]。对于今天的复杂制造网络，对整个生产系统的全面调查至关重要。因此，VR作为通信平台可以有利于促进不同规划专家的合作。为了考虑每个视角，生产系统可以细分为六个分层生产级别。生产水平分别集中在工厂内的特殊领域和挑战。从过程参数到供应链网络中的相互关系的非常详细的视图，在规划工厂时必须考虑多个层次的细节。生产级别之间的连接甚至增加依赖性，应该考虑。在这种背景下，VR具有根据工厂的共同模型可视化领域特定内容的能力，因此便于不同观点和不同生产水平之间的沟通[13-17]。为了补充这些不同的生产水平，必须按照其时间顺序分析工厂规划过程。参考Grundig [10]，在整个科学界发展了几种分类方案。即使有一些轻微的差异，也接受一个共同的基本分类。

结合“生产水平”和“工厂规划阶段”的两个概念（图2），创建了一个多维的紧张区域，在规划工厂时必须在所有方面加以考虑。 对于每个规划阶段，需要考虑对每个生产层面的需求和约束。 对一个生产水平的适应可能会对相关生产水平产生影响。 在相同的计划阶段期间，影响并不总是可见的，这使得迭代是必要的。 此外，在大多数情况下，不存在涵盖所有规划阶段每个生产水平的联合工厂模型。 提出了一个综合规划过程，以建立持续使用平等约束和重用规划结果。

在VR支持的工厂规划的科学领域，一些有希望的项目已经启动，以解决似乎较少的IT工具集成到工厂规划。虚拟工厂框架（VFF）项目旨在一个综合平台，以支持工厂的设计和管理。因此，一些设计和规划工具连接到一个核心应用程序（虚拟工厂管理器），它提供设计工具之间的数据交换和通信[18]。 DiFac项目侧重于产品设计师，工厂规划师的协作，以及在综合过程中培训工人，突出工业生产中的人为因素[19]。此外，商业工具可用，声称提供全面的解决方案（例如西门子PLM，PTC和达索系统）。通过比较所提供的VR工具的功能和能力，评估其支持多个生产水平的潜力。它们以部分可扩展的方式实现工厂的设计和管理。然而，当查看工厂 - 生命周期持续支持时，VR工具不能支持整个规划过程。他们不能支持早期阶段，或多或少只适合于工厂的详细规划。

总之，可以确定几种方法支持在不同生产水平上的互补VR使

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