DE19832974A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erstellung eines virtuellen Anlagenmodells - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Erstellung eines virtuellen AnlagenmodellsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erstellung eines virtuellen Anlagenmodells (2) als Abbild einer realen Anlage (1). Als Datenbasis hierfür dienen einerseits digitale Bilddaten (4), die Abbilder einer realen Anlage (1) darstellen und andererseits Anlagenkomponenten (13) einer Komponentenbibliothek (6). Mittels einer Bildanalyse (5) werden die Daten der Anlagenkomponenten sowie die digitalen Bilddaten (4) der realen Anlage (1) ausgewertet. Anhand dieser Auswertung erfolgt eine Zuordnung der jeweils erkannten Anlagenkomponenten (13) zu dem virtuell erzeugten Anlagenmodell (2). Das so erzeugte virtuelle Abbild der realen Anlage kann der Dokumentation des tatsächlichen Aufbaus der Anlage, einer vereinfachten Störungsanalyse beispielsweise bei schwer zugänglichen Bereichen und/oder einer Bedien- und Beobachtung der Anlage dienen. Neben der Speicherung geometrischer Daten können zu den Anlagenkomponenten auch funktionelle Daten etc. gespeichert sein.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zur Erstellung eines virtuellen Anlagenmodells als Abbild
einer realen Anlage.
Bei einer derartigen realen Anlage handelt es sich beispiels
weise um eine geplante bzw. eine bereits existierende Indu
strieanlage, um Maschinen oder um einzelne Baugruppen dersel
ben. In der Praxis ist es dabei häufig der Fall, daß die rea
len Anlagen mit den ursprünglichen Plänen der Anlage nicht
übereinstimmen, da beispielsweise bei der Erstellung der
Anlage bereits spezielle Anpassungen oder Nachrüstungen
durchgeführt worden sind bzw. deren Pläne nicht die für die
datentechnische Weiterbearbeitung notwendigen Informationen
enthalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur einfachen Erstellung eines virtuellen
Anlagenmodells als Abbild einer realen Anlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erstellung ei
nes virtuellen Anlagenmodells als Abbild einer realen Anlage
gelöst, mit einem ersten Speicher zur Speicherung von Bildda
ten der realen Anlage, mit einem zweiten Speicher zur Spei
cherung von Informationsdaten von Anlagenkomponenten einer
Komponentenbibliothek, mit einem dritten Speicher zur Spei
cherung des virtuellen Anlagenmodells und mit einer Auswerte-
und Steuervorrichtung zum Vergleich der Informationsdaten der
Anlagenkomponenten mit den Bilddaten der realen Anlage, zur
Erkennung von Anlagenkomponenten in den Bilddaten, zur Ablei
tung von Annahmen über Komponenten in den Bilddaten und zur
Erzeugung jeweils erkannter Anlagenkomponenten zum virtuellen
Anlagenmodell.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erstellung eines
virtuellen Anlagenmodells als Abbild einer realen Anlage ge
löst, bei dem das virtuelle Anlagenmodell aus Bilddaten der
realen Anlage dadurch erzeugt wird, daß Anlagenkomponenten
einer Komponentenbibliothek mit den Bilddaten der realen An
lage verglichen werden und bei Übereinstimmung eine jeweils
erkannte Anlagenkomponente zum virtuellen Anlagenmodell hin
zugefügt wird.
Ausgangsbasis für die Erstellung des virtuellen Anlagenmo
dells sind zwei Datenquellen. Die erste Datenquelle enthält
die Bilddaten von der realen Anlage, während die zweite Da
tenquelle vordefinierte Anlagenkomponenten enthält, die beim
Aufbau der Anlage verwendet worden sind. Die Auswerte- und
Steuervorrichtung führt eine Bildanalyse durch, d. h. die In
formationen der Bilddaten und der vordefinierten Anlagenkom
ponenten werden gegebenenfalls unter Unterstützung des An
wenders kombiniert und ausgewertet. Sobald eine Anlagenkompo
nente in den Bilddaten erkannt wird, wird diese einem Abbild
für das virtuell erzeugte Anlagenmodell hinzugefügt. Der An
wender kann sich somit basierend auf den Bilddaten für eine
reale Anlage und mit Hilfe einer Komponentenbibliothek für
die verwendeten Anlagenkomponenten die reale Anlage virtuell
nacherzeugen. Er hat hierdurch einen Überblick über die aktu
ellen Ausrüstungszustände der Anlage, der gegebenenfalls auch
bei Änderungen der Anlage auf einen neuen Stand gebracht wer
den kann.
Eine weitestgehend automatische Betriebsweise der Vorrichtung
wird dadurch sichergestellt, daß die Auswerte- und Steuervor
richtung zur Bildanalyse der Bilddaten, der Informationsdaten
der Anlagenkomponenten der Komponentenbibliothek, des aktuel
len Zustands des virtuellen Anlagenmodells und/oder von Zu
satzinformationen eines Anwenders vorgesehen ist.
Die Bildanalyse kann vorteilhafter Weise derart erfolgen, daß
die Auswertevorrichtung zur Bildanalyse von Geometrieinforma
tionen der Bilddaten und/oder der Anlagenkomponenten der Kom
ponentenbibliothek vorgesehen ist.
Für eine übersichtliche und umfassende Benutzerführung sowie
Bedienoberfläche hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß
die Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung von
drei Sichten aufweist, wobei die erste Sicht zur Darstellung
der auf den Bilddaten beruhenden realen Anlage, die zweite
Sicht zur Darstellung der Informationsdaten der Anlagenkom
ponenten der Komponentenbibliothek und die dritte Sicht zur
Darstellung des virtuellen Anlagenmodells vorgesehen sind.
Eine vom Benutzer gesteuerte Erstellung des virtuellen Anla
genmodells kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß die
Auswerte- und Steuervorrichtung zur Steuerung des Aufbaus des
virtuellen Anlagenmodells in der Weise vorgesehen ist, daß
eine aus der Komponentenbibliothek ausgewählte Anlagenkompo
nente zur Verschiebung in den zur Darstellung der Bilddaten
der realen Anlage zugeordneten ersten Bildschirmbereich vor
gesehen ist.
Eine Zuordnung der jeweiligen Anlagenkomponente zu den in den
Bilddaten der realen Anlage enthaltenen "realen" Anlagenkom
ponenten erfolgt vorteilhafter Weise derart, daß die Auswer
te- und Steuervorrichtung die ausgewählte und in die erste
Sicht verschobene Anlagenkomponente unter Auswertung insbe
sondere von geometrischen Eigenschaften mit dem im Bild der
realen Anlage erkennbaren Komponenten in Einklang bringt und
nach erfolgreicher Detektion dieser Komponente zugeordnet
wird.
Die Erkennungssicherheit der Anlagenkomponenten kann dadurch
weiter erhöht werden, daß der Anlagenkomponente zugeordnete
Strukturinformationen, insbesondere geometrische und funktio
nale zur Zuordnung der Anlagenkomponenten zu den Bilddaten
mitausgewertet werden.
Eine übersichtliche und an den jeweiligen Status des Erstel
lungsprozesses angepaßte Übersicht kann dadurch sicherge
stellt werden, daß die Auswerte- und Steuervorrichtung zur
Hinzufügung einer Anlagenkomponente nach erfolgreicher Erken
nung zur dritten Sicht des virtuellen Anlagenmodells vorge
sehen ist.
Eine automatische Betriebsweise der Vorrichtung kann dadurch
erzielt werden, daß die Auswerte- und Steuervorrichtung zur
Steuerung einer Automatikfunktion vorgesehen ist, in der au
tomatisch Anlagenkomponenten ausgewählt, positioniert und ins
Anlagenmodell hinzugefügt werden. Die Auswahl der Anlagenkom
ponenten und deren Zuordnung zu den Bilddaten der realen An
lage bzw. deren Positionierung im virtuellen Anlagenmodell
erfolgt dabei soweit erforderlich unter Berücksichtigung
Strukturinformationen durch Generierung von Annahmen und
Verifizierung der Annahmen durch die Auswerte- und Steuervor
richtung.
Die Bilddatenerfassung der Bilddaten kann dadurch erfolgen,
daß zur Erzeugung der digitalen Bilddaten ein digitaler Foto
apparat, eine digitale Videokamera, digitalisierte Aufnahmen
und/oder Daten eines CAD-Systems vorgesehen sind.
Eine umfassende Übersicht über die gesamte reale Anlage wird
dadurch erzielt, daß zur Erfassung der digitalen Bilddaten
der realen Anlage verschiedene Ansichten von der realen An
lage vorgesehen sind, wobei bei Erkennung einer Anlagenkom
ponente die erkannte Anlagenkomponente allen Bilddaten der
Anlage zugeordnet wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiel näher beschrieben und er
läutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einer Prinzipdarstellung
für eine Vorrichtung zur Erstellung eines Anlagen
modells,
Fig. 2 einen Bildschirmausschnitt mit einem Bildschirmbe
reich mit einer Digitalaufnahme einer realen
Anlage,
Fig. 3 einen Bildschirmausschnitt mit einer ersten Sicht
für die reale Anlage und mit einer zweiten Sicht
für eine Anlagenkomponente "Tank",
Fig. 4 einen Bildschirmausschnitt mit einer ersten Sicht
für die reale Anlage, mit einer zweiten Sicht für
die Anlagenkomponente "Tank" und mit einer dritten
Sicht für ein virtuelles Anlagenmodell,
Fig. 5 einen Bildschirmausschnitt mit einer ersten Sicht
für die reale Anlage, mit einer zweiten Sicht für
eine Anlagenkomponente "Ventil",
Fig. 6 einen Bildschirmausschnitt mit einer ersten Sicht
für die reale Anlage, mit einer zweiten Sicht für
die Anlagenkomponente "Ventil" und mit einer drit
ten Sicht für die virtuellen Anlage,
Fig. 7 einen Bildschirmausschnitt mit einer ersten Sicht
für die reale Anlage, mit einer zweiten Sicht für
eine Anlagenkomponente "Rohrleitung" und mit einer
dritten Sicht für die virtuelle Anlage,
Fig. 8 einen Bildschirmausschnitt mit einer Sicht für eine
Anlagenkomponente "Tank" mit einer weiteren Sicht
mit der Anlagenkomponente "Tank" zugeordneten
Strukturdaten,
Fig. 9 eines Informations-, Bedien- und Beobachtungssy
stems auf Basis des virtuellen Anlagenmodells und
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel eines Datenmodells für den
Aufbau der Komponentenbibliothek und des virtuellen
Anlagenmodells.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild für eine Vorrichtung zur Er
stellung eines virtuellen Anlagenmodells. Das Bezugszeichen 1
kennzeichnet eine reale Anlage. Mit Hilfe eines Bilderfas
sungssystems 3 werden von der realen Anlage 1 Bilder erfaßt,
die in einem Speicher 20 der Vorrichtung 22 zur Erstellung
des virtuellen Anlagenmodells 2 gespeichert werden. Die Bild
daten 4, die im folgenden auch als digitale Bilddaten be
zeichnet werden, werden einer Auswerte- und Steuervorrichtung
5 zugeführt. Die Auswerte- und Steuervorrichtung 5 ver
arbeitet neben den Bilddaten 4 Komponentendaten 13 einer Kom
ponentenbibliothek 6, die in einem zweiten Speicher 21 der
Vorrichtung 22 gespeichert sind. Der zweite Speicher 21 der
Komponentenbibliothek 6 enthält darüber hinaus einen Spei
cherteilbereich 24 zur Speicherung von Strukturinformationen
23 der Anlagenkomponenten 6. Mittels des Pfeils 14 ist bei
den in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels symbolisiert,
daß die Auswerte- und Steuervorrichtung 5 auch zur Verarbei
tung von Anwenderdaten 14 eines Anwenders 7 in der Lage ist.
Die Ausgangsdaten 27 am Ausgang der Auswerte- und Steuervor
richtung 5 dienen als Eingangsdaten für ein virtuelles Anla
genmodell 2. Ein Bildschirm 8 bildet eine Anzeigevorrichtung
zur Darstellung der durch die Bilddaten 20 repräsentierten
realen Anlage 1, der Anlagenkomponenten 6 sowie des generier
ten virtuellen Anlagenmodells 2.
Zentrales Element der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 22
zur Erstellung eines virtuellen Abbilds 2 der realen Anlage 1
ist die Steuer- und Auswertevorrichtung 5. Die Steuer- und
Auswertevorrichtung 5 führt eine Bildanalyse durch, bei der
Geometrieinformationen, welche in den digitalen Bilddaten 4
enthalten sind, erkannt und in Einklang mit den in den Kompo
nenteninformationen 13 enthaltenen Geometrieinformationen
gebracht werden. Die Bildanalyse 5 ermittelt gegebenenfalls
anwendergesteuert mit Hilfe der Anwenderdaten 14 die Position
und Ausrichtung der einzelnen Anlagenkomponenten 13. Der An
wender 7 ist über den Bildschirm 8 in jeder Phase der Erstel
lung über den aktuellen Status der virtuell erstellten Anlage
2 informiert und kann bei Bedarf in den Erstellungsprozeß un
terstützend eingreifen, wie im Zusammenhang mit den Fig. 2
bis 8 noch erläutert wird.
Fig. 2 zeigt einen Bildschirmausschnitt, welcher auf dem Bild
schirm 8 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung darstellbar
ist. In einem ersten Bildschirmbereich 9 ist dabei ein auf
digitalen Bilddaten beruhendes digitales Bild 4 der realen
Anlage gezeigt, das über die Auswerte- und Steuervorrichtung
an den Bildschirm 8 gelangt (vgl. Fig. 1). Der Bildschirm 8
weist darüber hinaus sogenannte Iconleisten 12a, 12b, 12c
auf, die als Interaktions- und Bedieneroberfläche für den
Anwender dienen. Die Iconleisten enthalten jeweils Steuerele
mente beispielsweise zur Selektion, zum Greifen und zum Bewe
gen von Bilddaten und/oder Komponenten. Der rechte Bild
schirmbereich enthält im oberen Bildbereich 10 ein Bild
schirmfenster 13, welches der Darstellung einzelner Anlagen
komponenten dient. Diese Anlagenkomponenten sind mit Hilfe
der Iconleiste 12a auswählbar. Der untere rechte Bildschirm
bereich 11 enthält ein drittes Bildschirmfenster 15, welches
der Darstellung der virtuellen Anlage, d. h. der Anlagenkompo
nenten dient, die bereits der "realen" Anlage über Bilddaten -
dargestellt im Bildschirmfenster 4 - zugeordnet sind. Dar
über hinaus ist über Steuerleisten 12c, 12d eine "Kamera
steuerung", d. h. eine Bewegung der in den Bildschirmbereichen
13, 15 dargestellten Komponenten im 3D-Raum möglich. Anstelle
oder zusätzlich zur Iconleiste 12a zur Auswahl der Komponen
ten kann auf dem Bildschirm 8 auch eine weitere eigene Sicht
mit graphisch oder als Objekte dargestellten Komponenten vor
gesehen sein.
Der in Fig. 1 dargestellte Bildschirmausschnitt wird bei
spielsweise nach Aufruf bestimmter digitaler Bilddaten 4 ver
wendet und bildet den Einstieg zur Erstellung des virtuellen
Anlagenmodells. Bei weniger komplexen Anlagen kann der Anwen
der ausgehend von der im linken Bildschirmbereich dargestell
ten "realen" Anlage einen Automatikbetrieb starten, in wel
chem nacheinander die einzelnen Komponenten der Komponenten
bibliothek aufgerufen und die Auswerte- und Steuervorrichtung
versucht, diese den digitalen Bilddaten 4 zuzuordnen. Die
Auswerte- und Steuervorrichtung wertet dabei nach einem vor
gebbaren Suchschlüssel die der jeweils zu plazierenden Kompo
nente zugeordneten Informationsdaten aus. So kann eine erste
Auswertung die der Komponente zugehörigen Geometriedaten,
eine zweite Auswertung die der Komponente zugeordneten Struk
turdaten betreffen. Eine weitere Triggerung bei der Erstel
lung des virtuellen Anlagenmodells kann anhand der bereits
positionierten Komponenten und den noch bestehenden Lücken
erfolgen. So kann beispielsweise das Suchschema dadurch ein
gegrenzt werden, daß im Bereich einer bereits plazierten Kom
ponente "Tank", der die Informationsdaten "Anschlußventil
Position xxx" aufweist, lediglich die Komponenten mit der
Eigenschaft "Ventil" überprüft werden. Bei komplexeren Anla
genstrukturen erfolgt in der Regel zumindest teilweise ein
manueller Betrieb, wie im Zusammenhang mit den Fig. 3 bis
7 noch erläutert wird.
Fig. 3 zeigt einen Bildschirmausschnitt mit einer ersten Sicht
für die reale Anlage 4 und mit einer zweiten Sicht für eine
Anlagenkomponente eines Tanks 16a. Die virtuelle Anlagenkom
ponente 16a ist das virtuelle Abbild des in den digitalen
Bilddaten 4 gezeigten realen Tanks 16b. Die Darstellung im
Bildschirmbereich 10 wurde bei den in Fig. 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Menüleiste 12a durch den
Anwender durchgeführt. Mittels eines gestrichelt eingezeich
neten Pfeiles 17a ist symbolisiert, daß der Anwender die vir
tuellen Anlagenkomponententanks 16a in den linken Bildschirm
bereich der digitalen Bilddaten 4 verschiebt und im Bereich
des realen Tanks 16a positioniert. Der Anwender selektiert
somit die Anlagenkomponente in der Komponentenansicht 10 und
zieht diese auf die Bildsicht 4 (Drag-and-Drop-Verfahren).
Fig. 4 zeigt den nächsten Schritt nach einem Fallenlassen der
virtuellen Anlagenkomponente 16a im linken Bildschirmbereich
der realen Anlage 4. Mit Hilfe des Teils 17b ist symboli
siert, daß die virtuelle Anlagenkomponente 16a in den linken
Bildschirmbereich gezogen wurde und im Bereich des realen
Tanks 16b fallengelassen wurde. Mit Hilfe der Bildanalyse der
Auswerte- und Steuervorrichtung wird versucht, im Umfeld die
ser Position die Geometrieeigenschaften der Anlagenkomponente
16a mit Geometrieeigenschaften des Bildschirmausschnitts in
Einklang zu bringen. Hierbei werden beispielsweise Kanten
bzw. Kombinationen von Kanten ausgewertet. Nach erfolgreicher
Auswertung wird die Anlagenkomponente 16a bezüglich Position
und Ausrichtung den digitalen Bilddaten 4 zugeordnet und ent
sprechend gekennzeichnet. Gleichzeitig erfolgt im rechten un
teren Bildschirmausschnitt 11 eine sogenannte Instanzierung
der virtuellen Anlagenkomponente 16a im virtuellen Anlagen
modell. Damit erscheint das virtuelle Anlagenobjekt 16a in
der im Bildschirmbereich 11 dargestellten Anlagensicht.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Plazierung einer
Anlagenkomponente im Bereich der digitalen Bilddaten 4. Hier
zu ist im rechten oberen Bildschirmbereich 10 ein Ventil 18a
dargestellt, welches mittels der Menüleiste 12a aus der Anla
genkomponentenbibliothek aktiviert wurde. Mit Hilfe der Menü
leiste 12b wird das Ventil 18a auf der durch den Pfeil 26a
gestrichelt gekennzeichneten Linie in Richtung des realen
Ventils 18b geführt und dort fallengelassen.
Fig. 6 zeigt das im linken Bildschirmbereich 9 fallen gelas
sene virtuelle Ventil 18a, wobei zusätzlich auch der bereits
erkannte und plazierte virtuelle Tank 16a dargestellt ist. In
der rechten unteren Bildschirmebene 11 ist die so entstehende
virtuelle Anlagensicht, bestehend aus virtuellem Anlagentank 16a
und virtuellem Ventil 18a dargestellt. Sofern die Posi
tionierung einer Anlagenkomponente nicht automatisch erfolgen
kann, so kann die Positionierung und Ausrichtung der Anlagen
komponente auch vom Anwender vorgenommen werden. Hierbei wer
den im Bild analysierte Geometrieeigenschaften in Einklang
mit den Geometrieeigenschaften der Anlagenkomponente gesetzt.
Dadurch wird die Position und Ausrichtung der Anlagenkompo
nente festgelegt. Sofern die in einer Bildansicht der digi
talen Bilddaten 4 vorhandene Geometrieinformation nicht für
eine Zuordnung ausreicht, so kann versucht werden, die Zuord
nung der jeweiligen Anlagenkomponente über andere Darstel
lungsbilder in Form digitaler Bilddaten 4 zu erzielen.
Fig. 7 zeigt als weiteres Beispiel die Zuordnung einer Rohr
leitung 19a zu den in der linken Bildansicht der digitalen
Bilddaten 4 gezeigten realen Anlage. Im rechten unteren Bild
schirmausschnitt 11 ist erkennbar, welche Anlagenkomponenten
bereits in der virtuellen Ansicht der Anlage detektiert wor
den sind.
Fig. 8 zeigt am Beispiel einer virtuellen Anlagenkomponente
16a, welche im rechten oberen Bildschirmausschnitt 10 darge
stellt ist, die Zuordnung weiterer Strukturdaten 23, welche
im linken Bildschirmbereich dargestellt sind. Diese Struktur
daten beinhalten beispielsweise Angaben zur Größe und zu den
Anschlußmöglichkeiten des Tanks 16a. Die Strukturdaten 23
können bei der Zuordnung des Tanks zu den digitalen Bilddaten
mitausgewertet werden und so eine Ausrichtung und Positionie
rung der jeweiligen Anlagenkomponente unterstützen. Die
Strukturdaten werden dabei beispielsweise dazu verwendet, An
nahmen zu generieren, wie eine weitere Komponente beschaffen
sein könnte und/oder wo eine weitere Komponente liegen könn
te.
Damit eine effektive Funktionalität des virtuellen Anlagenmo
dells erzielt wird, enthalten die einzelnen Anlagenkomponen
ten des Anlagenmodells einen Verweis auf die zum jeweiligen
Aufbau verwendeten Bilddaten. Die Anlagenkomponenten kennen
dabei neben den Bezug zum jeweiligen Bild auch ihre jeweilige
Position im Bild. Die Bilder, d. h. die digitalen Bilddaten
enthalten ihrerseits Verweise auf die im Anlagenmodell 11
enthaltenen Komponenten, die einen Bezug zum Bild haben.
Fig. 9 zeigt ein Informations-, Bedien- und/oder Beobachtungs
system 31 auf Basis des mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung 22 erzeugten virtuellen Anlagenmodells 2. Das
Informations-, Bedien- und Beobachtungssystem 31, welches im
folgenden abkürzend auch als B bezeichnet wird, ist
über einen Konverter 30 mit dem virtuellen Anlagenmodell 2
gekoppelt. Über eine bidirektionale Verbindungsleitung ist
das B darüber hinaus mit der realen Anlage 1 gekop
pelt. Die Teile der Vorrichtung 22 zur Erzeugung des virtuel
len Anlagenmodells entsprechen denen des in Fig. 1 dargestell
ten Ausführungsbeispiels, so daß bezüglich der Beschreibung
der Vorrichtung 22 und deren Bezugszeichen auf die Ausführun
gen zu Fig. 1 verwiesen wird.
Die im virtuellen Anlagenmodell 2 bzw. in den Komponenten der
Komponentenbibliothek 6 enthaltene Information 13, 23 kann
für unterschiedliche nachgeschaltete Systeme Verwendung fin
den. Beispielhaft wird hier die Verwendung für Bedien- und
Beobachtungssysteme (z. B. WinCC von Siemens) aufgezeigt. Der
Konverter 30 extrahiert und wandelt aus dem virtuellen Anla
genmodell 2 die für das Bedien- und Beobachtungssystem 31 re
levanten Information um. Ein separates Engineering des Be
dien- und Beobachtungssystem entfällt bzw. wird drastisch re
duziert. Das Bedien- und Beobachtungssystem 30 ist mit der
realen Anlage 1 verbunden und ist in der Lage, den aktuellen
Prozeßzustand anzuzeigen, z. B. mit Hilfe einer auf dem virtu
ellen Anlagenmodell basierenden 3-dimensionalen Visualisie
rung. Über die definierten Bedienelemente der Komponenten
wird ein Eingriff in den Prozeß ermöglicht.
Weitere Systeme die auf dem virtuellen Anlagenmodell aufset
zen könnten sind z. B. Steuerung, Simulationssystem, Diagnose
system und Informationssystem.
Der grundlegende Vorteil einer Kopplung des virtuellen Anla
genmodells mit der realen Anlage 1 besteht darin, daß die
virtuelle Anlage 2 nicht lediglich einer statischen Visuali
sierung und Dokumentation der Anlage 1 dient, sondern darüber
hinaus eine Vielzahl weiterer realer Funktionen bezüglich In
formation, Bedienen und Beobachten der realen Anlage überneh
men kann. So können mit Hilfe des virtuellen Anlagenmodells
2, welches ein bezüglich der definierten Funktionen exaktes
Abbild der realen Anlage 1 darstellt, beispielsweise gefähr
liche Bereiche, weit entfernte Bereiche, schwer zugängliche
Bereiche etc. ohne Schwierigkeiten mit exakter Visualisierung
überwacht werden. Anhand fiktiver Simulationsdaten sind mit
Hilfe des virtuellen Anlagenmodells auch Simulationen bei
spielsweise für Trainingszwecke möglich.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Datenmodells für
den Aufbau der Komponentenbibliothek 6, des virtuellen Anla
genmodells 2 und deren Verknüpfungen, wie er im Zusammenhang
mit der in den Fig. 1 und 10 dargestellten Vorrichtung 22 ver
wendet werden kann. Dabei werden soweit dies möglich ist die
bereits im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 9 eingeführten
Bezugszeichen verwendet. In einem Bilderspeicher 20 (= erster
Speicher 20 in Fig. 1 und 9) werden im folgenden auch als
Quellen bezeichnete Bilddaten 201, z. B. digitale Bildaufnah
men oder CAD-Zeichnungen, und die damit verbundenen Bildin
formationen 202, 203, 204, 205 gespeichert. Die in der Quelle
201 des Bildspeichers 20 enthaltene Information wird von der
Auswerte- und Steuervorrichtung 5 in eine aufbereitete Quelle
51 umgewandelt. Für eine Quellzuordnung 52 wird mit Hilfe ei
ner Geometriezuordnung 54 beschrieben, welche Geometrieele
mente 53 einer Komponente 61 in Einklang mit Geometrieelemen
ten einer aufbereiteten Quelle gebracht werden konnten. Der
zweiten Speicher 6 der Komponentenbibliothek enthält vorge
fertigte Komponenten, beispielsweise Tank, Ventile, Rohrlei
tungen,. . . (vgl. Beschreibung Fig. 1 bis 9). Der dritte Spei
cher 2 des virtuelles Anlagenmodells enthält sowohl die Kom
ponenten 61 der virtuellen Anlage, die Information über die
aufbereiteten Quellen 51, als auch die Zuordnungsinformation
52 zwischen Komponenten 61 und aufbereiteten Bildern 201.
Das in Fig. 10 dargestellte Datenmodell wird mit Hilfe der
UML-Notation (Unified Modelling Language) beschrieben. Dabei
besitzen die eingesetzte Notation die folgende Semantik. Eine
sogenannte Klasse beschreibt eine Informationseinheit, z. B.
die Informationseinheit Komponente. Eine Klasse kann ein oder
mehrere Attribute besitzen, wobei die Attribute die konkreten
Eigenschaften bzw. den Zustand einer Klasse bzw. Instanz
festlegen (Attributwerte). So besitzt die Klasse Strukturin
formation 62 das Attribut "+Komponententyp". Klassen können
Assoziationen (Beziehungen) zu anderen Klassen bzw. zu sich
selbst aufbauen. Eine Beziehung beschreibt, welche Zuordnun
gen zwischen Klassen bestehen im Sinne einer sogenannten
Rolle (z. B. analysierte Komponenten) und der Kardinalität
(0. .n → kein, ein oder mehrere Zuordnungen).
Über die Raute werden Beziehungen gekennzeichnet, die eine
"besteht_aus" Rolle aufbauen zu einer anderen Klasse, z. B.
eine Komponente besteht aus Strukturinformation 61, physika
lischem Verhalten 63, Steuerverhalten 64. Eine weitere spezi
elle Beziehung ist die Vererbung, die über ein kleines Drei
eck am Ende einer sogenannten Superklasse gekennzeichnet ist.
Die Vererbung beschreibt, daß Eigenschaften einer Subklasse
von der Superklasse abgeleitet worden sind, die sie Subklasse
somit die Eigenschaften der Superklasse erbt. So erben z. B.
die Subklassen Punkt 55, Linie 56, Kurve 57 die Eigenschaften
der Superklasse Geometrieelement 53. Zu den Eigenschaften ge
hören neben den Attributen auch die Beziehungen und die nicht
näher beschriebenen Methoden einer Klasse. Die in Fig. 10 ge
zeigte Datenstruktur ist in der Lage zwei unterschiedliche
Quellen 201 zu verwenden. Beide Quelltypen (Subklassen) be
schreiben eine Sicht auf eine abzubildende Anlage. Bild 202
ist ein Quelltyp, der ein digitales Bild repräsentiert, wel
ches sich aus mehreren Pixel 204 zusammensetzt. CAD-Zeichnung
203 ist ein Quelltyp, der eine CAD-Zeichnung 203 repräsen
tiert, die sich aus CAD-Elementen 205 (Linien, Polygone, Bö
gen,. . .) zusammensetzt.
Die in einer Quelle 201 enthaltene Information wird von der
Auswerte- und Steuervorrichtung 5 in eine aufbereitet Quelle
51 umgewandelt. Dabei werden entweder die Pixel 204 eines
Bildes 202 bzw. die CAD-Elemente 205 einer CAD-Zeichnung 203
in Geometrieelemente 53 (z. B. Punkt 55, Linie 56, Kurve 57,
58) umgesetzt. Auf Basis der Geometrieelemente 53 kann
die Auswerte- und Steuervorrichtung 5 versuchen, ausgewählte
Komponenten 61 einer aufbereiteten Quelle 51 zuzuordnen.
Die Auswerte- und Steuervorrichtung versucht - automatisch
oder in Interaktion mit dem Anwender - Komponenten in aufbe
reiteten Quellen 51 - Bilder 202 oder CAD-Zeichnungen 203 -
zu identifizieren und dem virtuellen Anlagenmodell 2 hinzuzu
fügen. Diese Zuordnung erfolgt auf Basis der Geometrieelemen
te 53, die in einer aufbereiteten Quelle 51 analysiert wurden
bzw. den Komponenten 61 über die Geometrieeigenschaften 68
zugeordnet sind.
Konnte eine Komponente 61 einer aufbereiteten Quelle 51 zuge
ordnet werden, so wird diese Information in der Quellzuord
nung 52 hinterlegt. Die Quellzuordnung 52 beschreibt, welche
analysierten Komponenten 61. welchen Quellen 201 zugeordnet
werden können. Dabei kann eine Komponente 61 über mehreren
Quellzuordnungen 52 unterschiedlichen Quellen 201 zugeordnet
sein.
Mit Hilfe mehreren Geometriezuordnung 54 wird für eine Quell
zuordnung 52 beschrieben, welche Geometrieelemente 53 einer
Komponente in Einklang mit Geometrieelementen 53 einer auf
bereiteten Quelle 51 gebracht werden konnten.
Das virtuelle Anlagenmodell 2 besteht aus den Komponenten,
die bereits analysiert werden konnten. Die Informationen des
virtuelle Anlagenmodells 2 bzw. der in ihm enthaltenen Kompo
nenten 61 werden von unterschiedlichen nachgeschalteten Sy
stemen, z. B. Bedien- und Beobachtungssystem genutzt.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Erstellung eines virtuellen Anla
genmodells als Abbild einer realen Anlage. Als Datenbasis
hierfür dienen einerseits digitale Bilddaten, die Abbilder
einer realen Anlage darstellen und andererseits Anlagenkompo
nenten einer Komponentenbibliothek. Mittels einer Bildanalyse
werden die Daten der Anlagenkomponenten sowie die digitalen
Bilddaten der realen Anlage ausgewertet. Anhand dieser Aus
wertung erfolgt eine Zuordnung der jeweils erkannter Anlagen
komponenten zu dem virtuell erzeugten Anlagenmodell. Das so
erzeugte virtuelle Abbild der realen Anlage dient der Doku
mentation des tatsächlichen Aufbaus der Anlage sowie einer
vereinfachten Störungsanalyse in einem Störungsfall. Neben
der Speicherung geometrischer Daten können zu den Anlagenkom
ponenten auch funktionelle Daten etc. gespeichert sein.
Claims (22)
1. Vorrichtung (22) zur Erstellung eines virtuellen Anlagen
modells (2) als Abbild einer realen Anlage (1), mit einem er
sten Speicher (20) zur Speicherung von Bilddaten (4) der
realen Anlage (1), mit einem zweiten Speicher (21) zur Spei
cherung von Informationsdaten (13, 23) von Anlagenkomponenten
(13) einer Komponentenbibliothek (6), mit einem dritten
Speicher (28) zur Speicherung des virtuellen Anlagenmodells
(2) und mit einer Auswerte- und Steuervorrichtung (5) zum
Vergleich der Informationsdaten (13, 23) der Anlagenkompo
nenten (13) mit den Bilddaten (4) der realen Anlage (1), zur
Erkennung von Anlagenkomponenten (13) in den Bilddaten (4),
zur Ableitung von Annahmen über Komponenten in den Bilddaten
und zur Erzeugung jeweils erkannter Anlagenkomponenten (13)
im virtuellen Anlagenmodell (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerte- und Steuervorrichtung (5) zur Bildanalyse
der Bilddaten (4), der Informationsdaten der Anlagenkompo
nenten (13) der Komponentenbibliothek (6), des aktuellen
Zustands des virtuellen Anlagenmodells (2), des aktuellen
Zustands des virtuellen Anlagenmodells und/oder von Zusatz
informationen (14) eines Anwenders vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswertevorrichtung (5) zur Bildanalyse (5) von Geo
metrieinformationen der Bilddaten (4) und/oder der Anlagen
komponenten (13) der Komponentenbibliothek (6) vorgesehen
ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung (8) zur Darstel
lung von drei Sichten (9, 10, 11) aufweist, wobei die erste
Sicht (9) zur Darstellung der auf den Bilddaten (4) beruhen
den realen Anlage, die zweite Sicht (10) zur Darstellung der
Informationsdaten (13, 23) der Anlagenkomponenten (13) der
Komponentenbibliothek (6) und die dritte Sicht (11) zur Dar
stellung des virtuellen Anlagenmodells (2) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerte- und Steuervorrichtung (5) zur Steuerung des
Aufbaus des virtuellen Anlagenmodells (2) in der Weise vorge
sehen ist, daß eine aus der Komponentenbibliothek (6) ausge
wählte Anlagenkomponente (13) zur Verschiebung in den zur
Darstellung der Bilddaten (4) der realen Anlage (1) zugeord
neten ersten Bildschirmbereich (9) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerte- und Steuervorrichtung (5) die ausgewählte
und in den ersten verschobenen Anlagenkomponente unter Aus
wertung insbesondere von geometrischen Eigenschaften mit dem
im Bild der realen Anlage erkennbaren Komponenten in Einklang
bringt und nach erfolgreicher Detektion dieser Komponente zu
geordnet wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anlagenkomponente (13) zugeordnete Strukturinforma
tionen (23), insbesondere geometrische und funktionale Infor
mationen zur Zuordnung der Anlagenkomponenten (13) zu den
Bilddaten (4) mitausgewertet werden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerte- und Steuervorrichtung (5) zur Hinzufügung
einer Anlagenkomponente (13) nach erfolgreicher Erkennung zur
dritten Sicht (11) des virtuellen Anlagenmodells (2) vorgese
hen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerte- und Steuervorrichtung (5) zur Steuerung
einer Automatikfunktion vorgesehen ist, in der automatisch
Anlagenkomponenten ausgewählt, positioniert und ins Anlagen
modell (2) hinzugefügt werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung der Bilddaten (4) ein digitaler Fotoappa
rat, eine digitale Videokamera, digitalisierte Aufnahmen
und/oder Daten eines CAD-Systems vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erfassung der Bilddaten (4) der realen Anlage (1)
verschiedene Ansichten von der realen Anlage (1) vorgesehen
sind.
12. Verfahren zur Erstellung eines virtuellen Anlagenmodells
(2) als Abbild einer realen Anlage (1), bei dem das virtuelle
Anlagenmodell (2) aus Bilddaten (4) der realen Anlage (1) da
durch erzeugt wird, daß Informationsdaten (13, 23) von Anla
genkomponenten (13) einer Komponentenbibliothek (6) mit den
Bilddaten (4) der realen Anlage (1) verglichen werden und bei
Übereinstimmung eine jeweils erkannte Anlagenkomponente (13)
zum virtuellen Anlagenmodell (2) hinzugefügt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bilddaten (4) und die Daten der Anlagenkomponenten
(13) der Komponentenbibliothek (6) einer Bildanalyse (5) un
terzogen werden, bei der die Informationen der Bilddaten (4),
der Anlagenkomponenten (13) und/oder Informationen (14) eines
Anwenders (7) ausgewertet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Bildanalyse (5) Geometrieinformationen der Bild
daten (4) und/oder der Anlagenkomponenten (13) der Komponen
tenbibliothek (6) ausgewertet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Erstellung des virtuellen Anlagenmodells (2) auf
einer Anzeigevorrichtung (8) drei Sichten (9, 10, 11) darge
stellt werden, wobei die erste Sicht (9) zur Darstellung der
Bilddaten (4) der realen Anlage, die zweite Sicht (10) zur
Darstellung der Anlagenkomponenten (13) der Komponentenbi
bliothek (6) und die dritte Sicht (11) zur Darstellung des
virtuellen Anlagenmodells (2) vorgesehen sind.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Aufbau des virtuellen Anlagenmodells (2) aus der Kom
ponentenbibliothek (6) eine Anlagenkomponente (13) ausgewählt
wird, daß die ausgewählte Anlagenkomponente (13) in den Bild
schirmbereich (9), der der Darstellung der realen Anlage zu
geordnet ist, verschoben wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bildanalyse (5) die verschobene Anlagenkomponente
(16a) unter Auswertung insbesondere von geometrischen Eigen
schaften mit einer im Bild der realen Anlage (1) erkennbaren
Komponente (16b) in Einklang bringt und nach erfolgreicher
Detektion diese Komponenten einander zugeordnet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der virtuellen Anlagenkomponente (16a) Strukturinforma
tionen (23) zugeordnet sind, die zur Zuordnung der Anlagen
komponenten (13) zu den Bilddaten (4) mitausgewertet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach erfolgreicher Erkennung einer Komponente die erkann
te Komponente in der dritten Sicht (11) des virtuellen Anla
genmodells (2) hinzugefügt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren eine automatische Bildanalyse aufweist, in
der automatisch Anlagenkomponenten ausgewählt, positioniert
und ausgewählt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bilddaten (4) mittels eines digitalen Fotoapparats,
mittels einer digitalen Videokamera, mittels digitalisierter
Aufnahmen und/oder mittels Daten eines CAD-Systems erzeugt
werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß Bilddaten (4) verschiedener Ansichten der realen Anlage
verwendet werden, wobei bei erfolgreicher Erkennung einer An
lagenkomponente (13) eine automatische Zuordnung der erkann
ten Anlagenkomponente (13) zu den Bilddaten der verschiedenen
Ansichten erfolgt.
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