Modelling and use of SysML behaviour models for achieving dynamic use cases of technical products in different VR-systems

Digital methods and models help the product designers in performing early evaluations on a product that eventually help to gain understanding about a product’s behaviour and its interactions with neighbouring systems in its later life-phases. Virtual Reality (VR) is a technology that can facilitate the early evaluation process by showing later life situations of a product as early as at the design stage. However, the application of VR in the industry is currently limited due to high model preparation effort and poor reusability of already prepared models. Therefore, this thesis pursues towards the development of a method that can facilitate the early evaluations of the product in VR and thus, facilitate the use of VR in the product development process. This method aims at achieving generic behavioural descriptions for use in VR that can be reused as well to form dynamic use cases of a product in different VR-systems. The focus lies on reducing the overall preparation effort of VR-models and on achieving high reusability of already created models.
The core components of the thesis consist of the use of Model Based Systems Engineering (MBSE) to develop generic behavioural model descriptions, their use in building different use cases of a product in one VR-system and their reuse in different VR-systems as well. The Systems Modeling Language (SysML) is used to describe the behavioural models, the modelling process is described systematically and is also summarized in the form of general-purpose guidelines for later use. Furthermore, a dedicated physics engine is used to perform the physical calculations on virtual objects in VR and is integrated with the SysML. These SysML behaviour models together with the physics engine are used to achieve a real-time product use case simulation inside VR. The same SysML behaviour models are used across different VR-systems to achieve real-time simulations and to validate their reuse. Two VR prototypes are developed to demonstrate the effectivity and use of the presented method. Finally, one of the prototypes is put to the empirical evaluation performed with the help of experts from academia as well as the industry.

Digitale Methode und Modellen ermöglichen den Produktdesignern eine frühzeitige Evaluierung des Produkts, damit sie das Verhalten des Produkts und seine Interaktionen mit benachbarten Systemen in seinen späteren Lebensphasen besser verstehen können. Virtual Reality (VR) ist eine Technologie, die zum frühen Evaluierungsprozess beitragen kann, indem spätere Lebenssituationen eines Produkts schon in der Entwurfsphase angezeigt werden können. Die Anwendung von VR in der Industrie ist jedoch derzeit aufgrund des hohen Modellaufbereitungsaufwands und der limitierten Wiederverwendbarkeit vorhandener Modelle begrenzt. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Methode, die die frühzeitige Evaluierung des Produkts innerhalb von VR und die Verwendung von VR im Produktentwicklungsprozess erleichtern kann. Diese Methode befasst sich mit dem Prozess der Entwicklung allgemeiner Verhaltensbeschreibungen zur Verwendung in VR, die auch wiederverwendet werden können, um dynamische Anwendungsfälle eines Produkts in den verschiedenen VR-Systemen abzubilden. Der Fokus liegt auf der Reduzierung des gesamten Aufbereitungsaufwands von VR-Modellen und auf das Verwirklichen einer hohen Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Modelle.
Die Kernkomponenten der Arbeit bestehen in der Verwendung von Model Based Systems Engineering (MBSE) zur Entwicklung allgemeingültiger Verhaltensmodellbeschreibungen, ihrer Verwendung beim Erstellen verschiedener Anwendungsfälle eines Produkts in einem VR-System und ihrer Wiederverwendung in den verschiedenen VR-Systemen. Die Systems Modeling Language (SysML) wird zur Beschreibung der Verhaltensmodelle verwendet, der Modellierungsprozess wird systematisch beschrieben und auch in Form allgemeiner Anwendungsrichtlinien für die spätere Verwendung zusammengefasst. Darüber hinaus wird eine dedizierte Physik-Engine verwendet, um die physikalischen Berechnungen für virtuelle Objekte in VR durchzuführen, welche auch mit SysML integriert ist. Diese SysML-Verhaltensmodelle zusammen mit der Physik-Engine bilden eine echtzeitfähige Produktanwendungssimulation in VR. Dieselben SysML-Verhaltensmodelle werden für verschiedene VR-Systeme verwendet, um Echtzeitsimulationen abzubilden und ihre Wiederverwendung zu validieren. Zwei VR-Prototypen wurden entwickelt, um die Wirksamkeit und Verwendung der vorgestellten Methoden zu demonstrieren. Schließlich wurde einer der Prototypen einer empirischen Untersuchung unterzogen, die mithilfe von Experten aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt wurde.

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