Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Dr.-Ing. Carsten Matysczok Dipl.-Ing. (FH) Christian Neider UNITY AG Lindberghring 1, 33142 Büren {carsten.matysczok, christian.neider}@unity.de Zusammenfassung In der heutigen Zeit befinden sich Industrieunternehmen in einem schwierigeren Geschäftsumfeld. Um ihre aktuelle Marktposition zu festigen, auszubauen und auch künftig weiterhin kostendeckend zu produzieren, müssen sie ihre aktuellen Produktionsprozesse ständig der aktuellen Marktlage anpassen und weiter optimieren. So müssen z.b. Durchlaufzeiten verkürzt oder die Zuverlässigkeit der Produkte gesteigert werden. Parallel steigt die Komplexität aktueller Produkte. Gründe hierfür sind mehr bereitgestellte Funktionalitäten, aber auch die Fähigkeit, mit anderen Produkten zu kommunizieren. Erzielt wird dieses durch die Integration verschiedener Sensoren und dedizierter Kommunikationseinheiten. Auf diese Weise entstehen intelligente, vernetzte Systeme unterschiedlicher Komplexität. Dabei stellen Komponenten und Teilsysteme Betriebsdaten in Echtzeit bereit. Mittels dieser Daten kann der Zustand jedes einzelnen Systems, aufgetretene Fehler aber auch der Zustand des Gesamtsystems überprüft und sichergestellt werden. Durch die hohe Anzahl von Komponenten und verschalteten System steigt die Menge der Betriebsdaten jedoch schnell an, so dass die Gesamtheit aller Einzeldaten kaum noch einen Rückschluss auf den Status des Gesamtsystems zulässt. Hier muss auf innovative Software zurückgegriffen werden, die die Betriebsdaten solcher komplexer, vernetzter Systeme erfasst und in Echtzeit leicht verständlich visualisiert. Dieser Beitrag beschreibt die Visualisierung der Betriebsdaten von intelligenten, hochgradig vernetzten Systemen in Echtzeit. Als Beispiel dient eine neue Generation intelligenter Geldautomaten und Kassensysteme, die untereinander vernetzt sind und ihre Betriebszustände untereinander austauschen. Durch den Einsatz geeigneter Metaphern und Visualisierungstechniken wird der Status aller Geldautomaten innerhalb dieses Netzwerkes in Echtzeit dargestellt. Schlüsselwörter Betriebsdaten, Echtzeit, vernetzte Systeme, Visualisierung, Virtual Reality
Seite 210 C. Matysczok, C. Neider 1 Einleitung Die heutige Industriegesellschaft befindet sich im ständigen Wandel. Hieraus ergeben sich neue Herausforderungen an die produzierenden Unternehmen. Globalisierte Märkte verlangen einerseits nach verkürzten Durchlaufzeiten, geringeren Produktkosten, permanenten Produktinnovationen, zunehmender Produkthaftung und hohe Zuverlässigkeit der Produkte. Andererseits bewirkt die vermehrte Nutzung mechanischer, elektronischer und informationstechnischer Elemente im Bereich der Mechatronik eine zunehmende Komplexität der Produkte. Weitere Gründe für die steigende Produktkomplexität sind zum einen mehr bereitgestellte Funktionalitäten und auch die Fähigkeit, mit anderen Produkten zu kommunizieren. Erzielt wird dieses durch die Integration verschiedener Sensoren und dedizierter Kommunikationseinheiten. Sie ermöglichen es z.b., dass der Kühlschrank nicht mehr nur Lebensmittel kühlt, sondern mittlerweile auch weiß, welche und wie viele Lebensmittel in ihm lagern und welches Verfallsdatum sie besitzen. Bild 1: Schematische Darstellung von Sensoren und Steuerungsgeräten für die intelligente Gebäudetechnik [Rot09] Unter dem Schlagwort SmartHome steuert eine intelligente Gebäudetechnik die Haustechnik (Energiezähler, Alarmanlagen, Heizungs- und Lichtsteuerung, etc.), Elektrohaushaltsgeräte (Herd, Kühlschrank, etc.) und Multimediageräte (Fernseher, Videorekorder, Tuner, etc.) (siehe Bild 1). Die Ansteuerung erfolgt hier mit Hilfe von Bussystemen oder direkter Funkanbindung. Ziel dieser intelligenten Vernetzung von Haustechnik, Elektrohaushalts- und Multimediageräten ist es, mehr Energieeffizienz, Komfort, Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und Sicherheit zu schaffen.
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 211 Die Zunahme von Sensoren und die Integration dedizierter Kommunikationstechnik lässt sich auch bei den Pkws beobachten. So hielt 1981 mit dem Antiblockiersystem (ABS) erstmalig ein Netzwerk von Sensoren, Hydraulik und Elektronik im Auto Einzug. Das Elektronische Stabilitäts-Programm (ESP) gründet auf ABS und integriert weitere Funktionen. Befanden sich früher nur einige wenige Sensoren in einem Pkw, so findet man heute in der E-Klasse schon mehr als 60 Sensoren und dazugehörige Steuergeräte (siehe Bild 2). Diese Sensoren dienen z.b. der Stabilisierung des Fahrzeugs in kritischen Situationen (ABS, ESP, etc.) aber auch der Ansteuerung der Infotainmentsysteme (Navigation, CD-Wechsler, Handy, etc.). Bild 2: Schematische Darstellung der Elektronik/Elektrik-Vernetzung im T-Modell der E-Klasse [Quelle: Mercedes-Benz] Realisiert werden kann dieses nicht alleine nur durch die Integration von Sensoren. Vielmehr ist eine Vernetzung der Sensoren untereinander notwendig sowie eine entsprechende Informationsverarbeitung, um aus der Vielzahl der anfallenden Daten die richtigen Rückschlüsse zu ziehen. So arbeitet das ABS-System mit der Antischlupfregelung zusammen. Mittels weiterer Daten der Geschwindigkeitssensoren, Lenkwinkelsensoren, Querbeschleunigungssensoren und des Bremsdrucksensors werden in Sekundenbruchteilen die notwendigen Befehle errechnet, um ein mögliches Blockieren der Räder zu vermeiden. Auf diese Weise entstehen intelligente, vernetzte Systeme unterschiedlicher Komplexität. Sie reichen vom integrierten Temperatursensor im Lebensmitteletikett über den Pkw, der Informationen von mehr als 60 Sensoren während der Fahrt auswertet, bis hin zu hochgradig komplexen Systemen, die aus mehr als 1.000 Einzelsystemen bestehen. Komplexe Systeme sind nicht nur durch ihre hohe Anzahl an Elementen bestimmt sondern auch durch Grad und Art ihrer Verknüpfungen. Die wichtigste Eigenschaft von komplexen Systemen bildet also die Interaktion der Elemente untereinander [Lie99].
Seite 212 C. Matysczok, C. Neider Solche intelligenten, vernetzten Systeme liefern zur Laufzeit eine Vielzahl von Betriebsdaten. Diese geben Aufschluss über den aktuellen Zustand jedes einzelnen Systems, aufgetretene Fehler aber auch über den Zustand des Gesamtsystems. Jedoch wachsen die anfallenden Betriebsdaten schnell bei komplexen Systemen dermaßen an, dass diese kaum noch einen Rückschluss auf den Status des Gesamtsystems zulassen. Hier sind leicht verständliche Visualisierungskonzepte gefragt, die die Betriebsdaten solcher komplexer, vernetzter Systeme erfassen und in Echtzeit visualisieren. Es muss jedoch gewährleistet sein, dass durch eine geschickte Aggregation von Informationen alle relevanten Informationen dargestellt werden. Dieses bedingt ebenfalls den Einsatz geeigneter Metaphern, wie z.b. die grafische Repräsentation mittels 3D-Objekten oder durch Nutzung abstrakter Grafiken wie z.b. Diagramme. 2 Stand der Technik Die Visualisierung von Betriebsdaten innerhalb einer VR-Anwendung hat eine Reihe von Vorteilen: Visualisierung von Störfällen, Überwachung der Fertigungsaufträge sowie die Darstellung von Engpasssituationen. Auf diese Weise können Planungsfehler reduziert und auf Störungen schneller und gezielter reagiert werden. Darüber hinaus erhalten Verantwortliche durch die Möglichkeiten der Interaktion mit der Maschine als VR-Modell und der Online-Kopplung zum Prozess einen anschaulichen Überblick über das Fertigungsgeschehen. So wurde für die Krause-Biagosch GmbH eine interaktive VR-Visualisierung für eine Belichtungsmaschine entwickelt [KKK04]. Ziel hierbei war es, den aktuellen Zustand der Maschine während des Belichtungsprozesses zu visualisieren, da die beweglichen Komponenten wie Belichtungsplattenförderer, Feeder, Belichtertisch oder Deloader im Betrieb nicht eingesehen werden können. Im Falle eines Fehlers wird in der VR- Visualisierung neben den aktuellen Zustand der Maschine auch dargestellt, ob einzelne Komponenten zugänglich sind ohne die Belichtung der Platte zu stören. Bild 3 zeigt die VR-Visualisierung der Betriebsdaten dieses Belichtungsautomaten. Zur Laufzeit liefern die internen Sensoren der realen Maschine eine Vielzahl von Betriebsdaten (Zustand der Belichtungseinheit, Position des Belichtungsplattenförderers, aufgetretene Fehler, etc.). Diese Daten werden dann in Echtzeit über eine Schnittstelle eingelesen und innerhalb der VR-Anwendung visualisiert.
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 213 Bild 3: Visualisierung der Krause CPT) internen Prozesse eines Belichtungsautomaten (Quelle: Als komplexes, vernetztes System kann auch ein Produktionssystem angesehen werden, welches aus vielen miteinander gekoppelten Einzelsystemen besteht. Innerhalb von Produktionssystemen sind mit Betriebsdaten alle beim betrieblichen Wertschöpfungs- prozess anfallen Daten, hier insbesondere die Maschinendaten, gemeint [AWA05]. Die einzelnen Abläufe innerhalb des Produktionssystems wie Teilefertigung, Montage, La- wer- gerhaltung, betriebliches Transportwesen, Instandhaltung und Qualitätssicherung den durch die Fertigungssteuerung oder Manufacturing Execution Systeme (MES) ge- steuert [GPW09]. Hierzu werden die aktuellen Daten aller einzelnen Produktionssyste- me zum MES gesendet, dort aggregiert und visuell für den Benutzer dargestellt. Bild 4: Visualisierung eines Anlagenteils innerhalb des Papierherstellungsprozes- ses (Quelle: Mewes & Partner GmbH)
Seite 214 C. Matysczok, C. Neider So wurde ein für den Papierherstellungsprozess der Voith Paper Holding GmbH & Co. KG ein Anlagenteil des Papierherstellungsprozesses in einer virtuellen Umgebung abgebildet (siehe Bild 4). Die einzelnen Geräte wurden dazu als virtuelle Komponenten nachgebaut und bilden in Ihrer Gesamtheit den gesamten Anlagenteil ab. Über ausgewählte Systemkonfigurationen wurde dann die VR-Anwendung mit den Steuerungssystemen der realen Anlage verbunden. Auf diese Weise konnten z.b. die Signale der realen Steuerung für die Fördererantriebe in der VR-Anwendung exakt dargestellt werden. 3 Geldautomaten als Beispiel für hochgradig vernetzter, intelligente Systeme Beispiele solcher in Kapitel 1 beschriebenen hochgradig vernetzten, intelligenten Systeme sind auch Geldautomaten und Kassensysteme. Deutschlandweit sind über 55.000 Geldautomaten aufgestellt. Der reibungslose Betrieb dieser komplexen Systeme stellt hohe Anforderungen an Verfügbarkeit, Qualität und Ausfallsicherheit. Hierzu ist eine Überwachung aller dieser Systeme in Echtzeit notwendig. Gerade im Bereich des Bargeld-Managements ist es wichtig, alle beteiligten Systeme lückenlos zu erfassen, da jederzeit Informationen über Ort und Zustand des Bargelds verfügbar sein müssen. Durch die hohe Anzahl an Geldautomaten und Kassensystemen wird ein solches Netzwerk zu einem sehr komplexen System. Da alle Betriebsdaten nicht nur zu einem zentralen Server gemeldet werden, sondern über intelligente Geldkassetten auch untereinander ausgetauscht werden, steigt hiermit auch die Komplexität des Gesamtsystems. 3.1 Systemarchitektur Eine lückenlose Verfolgung des Bargelds kann nur erreicht werden, wenn der Betriebszustand jedes Geldautomaten und Kassensystems zu jeder Zeit bekannt ist. Daher melden alle Systeme permanent ihren Status an einen zentralen Server. Komplexe Analysesoftware verarbeitet hier die Betriebsdaten und bereitet sie auf. Im drohenden oder auftretenden Ausfall der Systeme werden dann entsprechende Maßnahmen initiiert. Alle Geldautomaten und Kassensysteme sind über ein Netzwerk mit dem zentralen Monitoring-Server (ProView) verbunden. Dieser registriert den Status der einzelnen Systeme und kann entsprechende Maßnahmen bei Statusänderungen bzw. Fehlfunktion veranlassen. Ein Überblick über die beteiligten Systeme und die Vernetzung untereinander ist in Bild 5 dargestellt. Der Bargeldzyklus startet im Cash Center. Hier wird das Geld von der Zentralbank in die einzelnen Geldkassetten kommissioniert. Die Information über den Inhalt wie Nennwert, Gesamtbetrag, Ursprung und Zielsystem der Geldkassette wird zum zentralen Monitoring-Server übermittelt. Zusätzlich werden diese Informationen auch auf der Geldkassette gespeichert. Für den Transport zum Geldautomaten wird die Kassette dem Geldtransportunternehmen übergeben. Das Rack im Transporter, welches
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 215 die Geldkassetten aufnimmt, liest ebenfalls alle Informationen auf der Geldkassette aus, sodass die Position des Geldes jederzeit verfolgt werden. Mit Hilfe der Zieldaten kann auch die Route des einzelnen Fahrzeugs optimiert werden. Am Geldautomaten angekommen, werden die Informationen auf der Geldkassette vom Automaten mit den Soll- Daten des Servers abgeglichen. Die manuelle Initialisierung und Bestückung des Automaten entfällt. Bild 5: Systemarchitektur und Vernetzung der Systeme Analog zur Befüllung der Geldautomaten kann die Entsorgung des Bargelds mit Hilfe der Betriebsdatenerfassung vereinfacht und optimiert werden. Zusätzlich ergibt sich weiteres Einsparpotential beim Tausch der Geldkassette unter den einzelnen Automaten.
Seite 216 C. Matysczok, C. Neider Damit ist es nun nicht mehr notwendig, jede Kassette neu über das Cash Center zu befüllen und zu entsorgen. Durch die völlige Transparenz der Daten kann nun z.b. auch eine leere Geldkassette von einem Geldautomaten einer Bank mit einer vollen Kassette eines Tresors in einem Handelsunternehmen ausgetauscht werden dieses war bisher nicht möglich. Die Informationen über Inhalt, Ursprung- und Zielautomat werden dann auf der Kassette gespeichert. Beim Austausch der Kassette zwischen den Automaten werden die Daten des zentralen Servers mit den Daten auf der Kassette abgeglichen. Daraufhin werden dort die entsprechenden Buchungsvorgänge gestartet, um somit die Zuordnung der Bargeldbestände zu gewährleisten. Die Vernetzung aller Geldautomaten und Kassensysteme ist mittels einer Client-Server Architektur realisiert, so dass nur die Systeme ihre Betriebsdaten zentral melden aber nicht direkt miteinander kommunizieren. Über die intelligente Geldkassette können jedoch Daten auch untereinander ausgetauscht werden. Über die Daten auf dem RFID- Chip weiß die Kassette somit, wem das Geld zuzuordnen ist und mit wem es bei einem Austausch der Kassette verrechnet werden muss. Somit unterscheidet sich diese Technologie von einer klassischen Stern-Architektur und ermöglicht Zeit und Kosten im Bargeldzyklus zu sparen. 3.2 Anwendungfälle für die Wincor World 2010 Mit Hilfe einer anschaulichen Darstellung der einzelnen Systemzustände zeigt Wincor Nixdorf den Kunden und Besuchern der Wincor World 2010 mit einer innovativen und ansprechenden Visualisierung, wie durch das ganzheitliche Lösungsangebot alle Bargeld-Prozesse im Geldkreislauf von der Befüllung im Cash Center bis zur Geldausgabe im Automaten hinweg optimiert werden kann. Für die Wincor World 2010 wird die Komplexität von tausenden vernetzten Systemen auf 20 Hardwareexponaten reduziert. Zusätzlich ist über jedem Exponaten ein großformatiger Bildschirm angebracht. Auf diesem wird die Visualisierung der Betriebsdaten gezeigt. Eine Darstellung des Beispielsetups ist in Bild 6 zu sehen. Durch Aktionen an der Hardware (z.b. Ein- bzw. Auszahlung am Geldautomaten) werden die Betriebsdaten mit den geänderten Systemstatus über die Hardware-Schnittstelle an die Visualisierung gesendet, dort aufbereitet und auf dem Bildschirm anschließend angezeigt.
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 217 Bild 6: Skizze des Hardwaresetups Aus dieser oben beschriebenen Systemarchitektur sind sieben Anwendungsfälle abgleitet worden, die auf der Wincor World 2010 dargestellt werden. Hierzu werden die realen Geldautomaten und die Prozessdarstellung an den Monitoren miteinander verknüpft. Ändert sich der Betriebszustand eines Geldautomaten (z.b. indem eine Geldkassette ausgetauscht wird), wird die Visualisierung der Hintergrundprozesse am Monitor über die Hardware-Schnittstelle gesteuert. Die Anwendungsfälle zeigen die Prozesse in den Branchen Banking und Retail. Innerhalb eines Anwendungsfalls können die Geldkassetten beliebig unter den Systemen ausgetauscht werden. Es werden folgende Themenbereiche unterschieden: Banking/ Retail Cycle: Brancheninterne Prozesse, z.b. ein Tausch von Geldkassetten zwischen zwei Bankautomaten oder Kassensysteme. Interbusiness Cycle: Prozesse zwischen Retail und Banking, z.b. der Tausch einer Geldkassette zwischen einem Automat in einer Bank und einem Kassenautomat. Herzstück dieser Interaktion ist die intelligente Geldkassette. Diese speichert zusätzliche Informationen zu Inhalt und Ursprung auf einem Chip ab. Somit ist es jederzeit erkennbar, welche Beträge welchem Kunden zugeordnet werden können. Mittels RFID- Technik kann zusätzlich die Position der Geldkassette verfolgt werden. Hierdurch ist es nun möglich, die gesamte Prozesskette von der Kasse bis zur Gutschrift auf das Konto des Handelsunternehmens, von der Zentrale über die Filialen bis zu den externen Geldautomaten der Bank zu optimieren. 4 Unser Vorgehen Der Fokus der Visualisierung liegt neben der detailgetreuen Abbildung der Geldautomaten und Kassensysteme auch in den dahinter ablaufenden Prozessen. Das inhaltliche und gestalterische Konzept muss hierauf abgestimmt sein. Für die Darstellung von Betriebsdaten ist eine Visualisierung in Echtzeit notwendig. Die darzustellenden Inhalte
Seite 218 C. Matysczok, C. Neider müssen erstellt und hierhin überführt werden. Kernstück dieser Visualisierung ist die Hardware-Schnittstelle zur Übermittlung der Betriebsdaten. Diese Schnittstelle muss konzipiert und entwickelt werden. Schließlich wird die Software getestet und in Betrieb genommen. Bild 7 zeigt die vier notwendigen Phasen für die Entwicklung der Visualisierung. Sie umfasst folgende Phasen: Konzept entwickeln, Inhalte erstellen, Applikation entwickeln und In Betrieb nehmen. Im Folgenden wird auf die einzelnen Phasen weiter eingegangen. Phase 1 Konzept entwickeln : Da neben der Interaktion an den Hardwareexponaten auch die dahinter liegenden Prozesse dargestellt werden, ist es besonders wichtig, ein stimmiges Konzept zu entwickeln. Dieses Konzept beschreibt, wie die Inhalte und Informationen dargestellt und inszeniert werden. Besonderer Fokus liegt hier auf den abstrakten Informationsprozessen. Auf Basis des Konzepts wird das Storyboard erstellt. Dieses deckt die darzustellenden Inhalte sowie die notwendigen Visualisierungselemente ab. Nach der Abstimmung des Storyboards wird ein konkretes Designkonzept entwickelt. Mit den Anforderungen aus dem Designkonzept und dem Storyboard werden die Hardwareanforderungen an das Visualisierungssystem abgeleitet. Phase 2 Inhalte erstellen : Die notwendigen Objekte werden anhand der Vorgaben des in Phase 1 entwickelten Designkonzepts und Storyboards definiert und erstellt. Dieses umfasst je nach Bedarf Grafiken, Fotos, Videos und 3D-Modelle. Die 3D-Modelle werden aus verfügbaren 3D-Daten (z.b. Konstruktions- oder Fertigungsdaten) generiert und anschließend mit realistischen Materialeigenschaften versehen. Schließlich werden die Animationen für die Objekte erstellt. Phase 3 Applikation entwickeln : Zur Echtzeitdarstellung der in Phase 2 erstellten Objekte wird eine die Visualisierungen implementiert, die alle aus Phase 1 und 2 abgeleiteten Leistungsmerkmale aufweist. Die zuvor erstellten Animationen und Objekte werden nun überführt und aufbereitet. Für die Steuerung der Visualisierung wird die notwendige Interaktionsschnittstelle programmiert. Basis für die Interaktion und die Visualisierungslogik sind die im Storyboard entwickelten Abläufe. Die Visualisierung wird über die Status-Meldungen der realen Hardwareexponate gesteuert. Bei Aktionen am Hardwareexponat erzeugt die Analysesoftware definierte Events. Zu dieser Software wird eine Schnittstelle erstellt, welche die Events empfängt und damit die Visualisierung steuert. Phase 4 In Betrieb nehmen : Für den laufenden Realbetrieb ist die reibungslose Funktion aller Komponenten essentiell notwendig. Daher wird die Echtzeitvisualisierung auf der spezifizierten Hardware vorab getestet. Zunächst werden die Applikationen auf den Rechnern installiert und ein Testlauf mit der Hardware durchgeführt. Nach erfolgreicher Durchführung des Probebetriebs wird die Inbetriebnahme begleitet.
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 219 Konzept entwickeln Inhalte erstellen Applikation entwickeln In Betrieb nehmen 1 2 3 4 Bestimmung der darzustellende Elemente Definition der Inhalte Erstellung des Storyboards Entwicklung des Designkonzepts Erstellung der Grafikobjekte für die Visualisierung Erstellen von Materialeigenschaften und Beleuchtung Erstellung Animationen Integration der Objekte und Animationen in die Visualisierungsumgebung Erstellung der Hardware- Schnittstelle Programmierung der Visualisierungslogik Entwicklung der Benutzerschnittstelle für die Interaktion Probebetrieb der Hardwareschnittstelle Inbetriebnahme der Echtzeitvisualisierungen Abgestimmte Inhalte Storyboard Designkonzept für das Exponat Hardwarespezifikation Aufbereitete 3D- Modelle Material- Materialeigenschaften eigenschaften und Texturen und Texturen Visualisierte Objekte Interaktive Echtzeitvisualisierungen Benutzerschnittstelle Schnittstelle zur Steuerung der Visualisierungen Getestete Hardwareschnittstelle Betriebsbereite Echtzeitvisualisierungen Bild 7: Vorgehensmodell
Seite 220 C. Matysczok, C. Neider 5 Visualisierung der Betriebsdaten in Echtzeit Im Rahmen der Wincor World 2010 wird eine interaktive Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit entwickelt, um die Mehrwerte der neuste Generation von Geldautomaten und Kassensystemen innovativ darzustellen. Bei der Darstellung der Betriebsdaten sind Komplexität und Verständlichkeit entscheidende Kriterien. Um die Darstellung auch für Laien verständlich zu gestalten, wurde bei Visualisierung bewusst die eigentliche Komplexität der Vernetzung reduziert. Basis der Visualisierung bilden die 3D-Produktdaten der realen Hardwaresysteme. Diese wurden als VRML-Dateien exportiert und in einem 3D-Modellierungswerkzeug aufbereitet. Hier werden ferner realistische Materialeigenschaften erstellt und den 3D-Modellen zugewiesen. Durch realistische Beleuchtungsberechnung erhalten sie realitätsnahe Oberflächeneigenschaften. Die auf diese Weise erstellten Modelle werden danach in die Visualisierung überführt. Die Visualisierungen werden über die Status-Meldungen der realen Hardware gesteuert. Bei Aktionen an den Hardware erzeugt die Analysesoftware ProView definierte Events. Zu dieser Software wird eine Schnittstelle erstellt, welche die ProView Events empfängt und damit die Visualisierung steuert. Zum Beispiel wird beim Abheben eines Geldbetrags das Event Füllstand Schwellenwert unterschritten gemeldet. Hierauf wird die entsprechende Animation auf den Bildschirmen oberhalb der Hardware gestartet und der nächste Prozessschritt eingeleitet. Die Visualisierung läuft nun ab und wartet bis zum nächsten Event, z.b. den Austausch der Geldkassette. Diese Schnittstelle wird über eine activemq [SBD08] von einem zwischengeschalteten Java-Programm abgeholt und an die entsprechende Visualisierungssoftware per TCP im Netzwerk weitergeleitet. Durch diese Hardwaresteuerung wird der aktuelle Status der Automaten in der Visualisierung angezeigt. So ist wird bei Aktionen am System wie z.b. Öffnen der Tresortüren, Entfernen von Kassetten oder Anmeldung am Administratormenü der entsprechende Status mittels eines Piktogramms dargestellt. Parallel hierzu ist ein Blick in das Gerät realisiert, indem der Status der Geldkassetten innerhalb des Tresors in der Visualisierung gezeigt wird. Bei einer Aktion am Hardwaresystem wird das entsprechende Gerät hervorgehoben, indem es aus der Bildschirmebene in den Vordergrund schwebt und seine Farbe wechselt.
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 221 Bild 8: Visualisierung von zwei Automaten und Anzeige der Tauschoptionen für die Geldkassette Zusätzlich zu der Darstellung der reinen Hardwareprozesse werden für jeden der sieben Anwendungsfälle die für den Kunden nicht sichtbaren, im Hintergrund laufenden Informationsprozesse visualisiert. Dabei wird jede Visualisierung über die Monitoring- Schnittstelle an das reale Banking- bzw. Retailsystem gekoppelt und in Echtzeit gesteuert. Diese Prozesse werden über eine grafische Bestandsübersicht oberhalb der dargestellten Systeme visualisiert. So kann der komplette Bestand der Systeme auf einen Blick erfasst und die verschiedenen Arten des Geldtransfers dargestellt werden. Befinden sich mehrere Systeme in einer Unter- bzw. Überversorgung, zeigt die Visualisierung mögliche Kombination für einen Austausch der Geldkassetten zwischen den betreffend Systemen an (siehe Bild 8). Das Bild zeigt die Darstellung eines Anwendungsfalls mit einem Auszahlautomaten (rechts) und einem Cash-Recycler (links). Neben der aktuellen Bestandsübersicht oberhalb der Automaten wird der Status auf einem Piktogramm neben den Systemen angezeigt. Der Schwellwert des Füllstands ist hier unter- (rechte Seite) bzw. überschritten (linke Seite). Die Geldkassetten mit kritischem Füllstand werden innerhalb der Automaten gelb angezeigt. Der Betriebszustand der Automaten wird mit einem Piktogramm auf dem Bildschirm dargestellt. Das Piktogramm in der Mitte der Visualisierung weist auf eine Tauschmöglichkeit der Geldkassetten zwischen den beiden Automaten hin.
Seite 222 C. Matysczok, C. Neider Bild 9: Darstellung des Transfers der Geldkassette (Cash in Transit) Ebenfalls wird das Geld innerhalb der Geldkassette in der Schwebe gezeigt. Neben der Darstellung der Aktionen an der realen Hardware, z.b. durch Austausch einer Geldkas- So wird sette, werden die dahinterliegenden, informationstechnischen Prozesse gezeigt. das entnommene Geld auf einem virtuellen Zwischenkonto verbucht und gleichzeitig dem Unternehmen gutgeschrieben. Hiernach kann die Geldkassette in ein beliebiges anderes System übergeben werden. Nach Übergabe des Bargelds wird das Geld vom Zwischenkonto entfernt und dem Zielunternehmen belastet (siehe Bild 9) ). Das Bild zeigt denselben Anwendungsfall wie Bild 8. Die Geldkassette für die 20er-Scheine wurde aus dem linken Automaten entfernt und befindet sich in der Schwebe. Die Be- ist frei (rot hervorgehoben). Die entnommene Geldkassette wird zusammen mit den standsanzeige oberhalb des linken Automaten zeigt keine Scheine an; das Kassettenfach gespeicherten Informationen im Vordergrund dargestellt. Durch die Aggregation dieser Einzelinformationen wird eine transparente Verfolgung von Bargeldbeständen über mehrere Automaten und sogar verschiedene Unternehmen hinweg ermöglicht. Eine weitere Visualisierung zeigt die komplette Prozesskette des Bargeldzyklus von der Befüllung der Geldkassette über den Transport und Lieferung zum Automat bis hin zum Entladen der Kassette im Cash Center. Diese hoch verdichtete Darstellung stellt nicht mehr die Statusinformationen des einzelnen Systems in den Vordergrund sondern foein Gesamt- kussiert auf den Prozess der Befüllung und Entleerung. Auf diese Weise ist überblick über die aktuelle Position des Bargelds sowie der Status aller Geldautomaten und Kassensysteme zu jeder Zeit gegeben. Hierzu erhält die Visualisierung ebenfalls Echtzeitdaten der einzelnen Systeme über die Hardwareschnittstelle. Eine Szene ist in Bild 10 dargestellt. Das Bild zeigt die aktuelle Position (grün) innerhalb der Prozessdar- die stellung des Befüllungs- (unten) und Entleerungszyklus (oben). Ebenfalls wird Posi-
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 223 tion der Geldkassette innerhalb des Bargeldzyklus markiert (grüne Darstellung des Geldtransporters). Die Hardwareschnittstelle erlaubt eine völlig generische Steuerung der Visualisierung, so dass sie nicht von einem starren Ablauf der zuvor definierten Anwendungsfälle ab- Reaktion innerhalb der Visualisierung. hängig ist. Auf jede definiertee Aktion am Hardwaresystem erfolgt eine entsprechende Bild 10: Visualisierung der kompletten Prozesskette im Bargeldzyklus Für die Bereiche IT-Management und Cash Management wurden zwei Anwendun- gen zur Betriebsdatenvisualisierung erstellt. Diese werden über eine Datenbankschnitt- stelle mit Echtdaten versorgt und visuell sowie inhaltlich aufbereitet. Bild 11 zeigt das Dashboard zur Analyse der Betriebsdaten von weltweiten Systemen. Wie innerhalb ak- verteilten tueller Business-Intelligence-Lösungen sollen hier die Daten der einzelnenn Systeme aggregiert und in hoch verdichteter Form präsentiert werden (sowohl weltweit als auch auf Landesebene). Mit Hilfe von Zeitreihendiagrammen und Status-Ampeln werden die Verfügbarkeit und Statussituation pro Kontinent grafisch dargestellt. In einem Tortendiagramm werden zusätzlich die Fehlerursachen analysiert und die Gesamtverfügbarkeit pro Land visuali- Konti- siert. Über die oberen Reiter oder die Informationsschaltflächen der einzelnen nente gelangt man auf eine Länderansicht. Dort werden die Betriebsdaten der vernetzten Systeme eines Landes analog zur globalen Ebene visuell aufbereitet. In der Regionalansicht wird die hoch aggregierte Darstellung verlassen. Hier bekommt man Zugriff auf das einzelne System und kannn auf einem Blick die Systemverfügbarkeit innerhalb der Region analysieren. Durch Klick auf die Einzelsysteme wird der aktuelle Status vom System abgefragt. Hierbei wird neben dem Status, Fehlerart und ursache auch der ak- tuelle Fortschritt bei der Fehlerbehebung angezeigt.
Seite 224 C. Matysczok, C. Neider Bild 11: Visualisierung von Betriebsdaten weltweiter verteilter und vernetzter Systeme 6 Resümee und Ausblick Vernetzte Systeme sind in der heutigen Industriegesellschaft allgegenwärtig. Sie reichen vom integrierten Temperatursensor im Lebensmitteletikett über den Pkw, der Informationen von mehr als 60 Sensoren während der Fahrt auswertet, bis hin zu hochgradig komplexen Systemen, die aus mehr als 1.000 Einzelsystemen bestehen. Solche intelligenten, vernetzten Systeme liefern zur Laufzeit eine Vielzahl von Betriebsdaten. Diese geben Aufschluss über den aktuellen Zustand jedes einzelnen Systems, auftretende Fehler aber auch über den Zustand des Gesamtsystems. Jedoch wachsen die anfallenden Betriebsdaten schnell bei komplexen Systemen dermaßen an, dass diese kaum noch einen Rückschluss auf den Status des Gesamtsystems zulassen. Ein Beispiel hierfür sind die mehr als 55.000 Geldautomaten und Kassensysteme in Deutschland. Hier sind innovative und leicht verständliche Visualisierungskonzepte gefragt, die die Betriebsdaten solcher komplexer, vernetzter Systeme erfassen und in Echtzeit visualisieren. Hierbei erweisen sich Visualisierungen auf Basis von 3D-Produktdaten innerhalb einer VR-Anwendung als nützliche Werkzeuge. Durch die direkte Verknüpfung zwischen Information und dem realen System können die einzelnen Status und Daten direkt erfasst und in den richtigen Kontext gebracht werden. Auch im Bereich des Bargeld- Managements bietet die Visualisierung von Betriebsdaten hohe Nutzenpotentiale. Neben der Überwachung des gesamten Netzwerks von Geldautomaten und Kassensystemen im Hinblick auf Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit muss ebenfalls der Betriebsstatus der einzelnen Systeme überwacht werden. Hierfür ist eine Röntgenblick ins Innere des Automaten im laufenden Betrieb notwendig.
Betriebsdatenvisualisierung von intelligenten, vernetzten Systemen in Echtzeit Seite 225 7 Literatur [AWA05] [GPW09] [KKK04] [Lie99] ALISCH, K.; WINTER, E.; ARENTZEN, U.: Gabler Wirtschaftslexikon. Gabler, 16. Auflage, 2005 GAUSEMEIER, J.; PLASS, C.; WENZELMANN, C.: Zukunftsorientierte Unternehmensgestaltung: Strategien, Geschäftsprozesse und IT-Systeme für die Produktion von morgen. Carl Hanser Verlag, 2009 KNOBEL, M.; KRUMM, H.; KAUFHOLD, T.: Praktische Gestaltung von 3D-Produkt- und Prozessvisualisierung im industriellen Umfeld. In: 3. Paderborner Workshop Augmented & Virtual Reality in der Produktentstehung, Paderborn, 2004 LIENING, A.: Komplexe Systeme zwischen Ordnung und Chaos: Neuere Entwicklungen in der Theorie nicht-linearer dynamischer Systeme und die Bedeutung für die Wirtschaftswissenschaft und ihre Didaktik, LIT, 1999. [SBD08] SNYDER, B.; BOSANAC, D.; DAVIES, R.: ActiveMQ in Action, Manning Publications, 2008 [Rot09] ROTARIU, E.: Das intelligente Haus. In: Bericht der Telekom Praxis, Ausgabe 01-02/2009 Autoren Dr. Carsten Matysczok ist Experte in der UNITY AG und ist im Competence Center Digitale Fabrik tätig. Seine Tätigkeitsschwerpunkte liegen im Bereich Virtual Engineering sowie in der Technologieberatung für Virtual Reality, Augmented Reality und Mobile Computing. Hier berät er internationale Kunden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Dr. Carsten Matysczok studierte Informatik mit dem Nebenfach Betriebswirtschaftslehre an der Universität Paderborn. Er promovierte zum Thema Augmented Reality am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn. Dipl.-Ing. (FH) Christian Neider ist Berater bei der UNITY. Er berät im Competence Center Digitale Fabrik Unternehmen im Einsatz der Technologien Virtual Reality und Augmented Reality während des Produktentstehungs- und Produktionsprozesses. Branchenschwerpunkte sind neben Maschinen- und Anlagenbau die Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie die Gesundheitsbranche. Christian Neider erwarb sein Diplom im Studiengang Medientechnik an der Fachhochschule Düsseldorf in Kooperation mit dem Max Planck Institut für Informatik über den Einsatz von Augmented Reality im virtuellen Studio.