Τα σύγχρονα συστήματα παραγωγής πρέπει να λειτουργούν αποδοτικά σε ένα δυναμικά μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Ένα βασικό χαρακτηριστικό που πρέπει να λάβουν υπόψη τους οι μηχανικοί στη βιομηχανία είναι η ευελιξία των συστημάτων παραγωγής. Η ευελιξία αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος παραγωγής να ανταποκρίνεται και να προσαρμόζεται στις αλλαγές του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί. Αλλά η ευελιξία είναι δύσκολο να συμπεριληφθεί στη διαδικασία λήψης αποφάσεων κατά τον σχεδιασμό ή τη λειτουργία ενός συστήματος, αν δεν έχει περιγραφεί ποσοτικά. Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι να αναπτύξει και να επιδείξει μια μέθοδο για την εκτίμηση και ποσοτικοποίηση της ευελιξίας. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πραγματικά προβλήματα στη βιομηχανία και να βοηθήση στη λήψη αποφάσεων σχετικά με τον απαραίτητο βαθμό της ευελιξίας που πρέπει να έχει ένα σύστημα παραγωγής ειδικά στην περίπτωση που υπάρχει αβεβαιότητα και είναι δύσκολο να γίνουν αξιόπιστες προβλέψεις σχετικά με τις απαιτήσεις της αγοράς. Στην διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί αρκετές εργασίες που προσεγγίζουν το πρόβλημα της εκτίμησης της ευελιξίας ενός συστήματος παραγωγής. Οι περισσότερες όμως από τις εργασίες αντιμετωπίζουν μεμονωμένα προβλήματα, κάτω από ειδικές συνθήκες, που τις περισσότερες φορές αναφέρονται και σε συγκεκριμένους τύπους συστημάτων παραγωγής. Η προτεινόμενη μέθοδος στηρίζεται στη θεώρηση ότι η ευελιξία ενός συστήματος παραγωγής καθορίζεται από την ευαισθησία του στις αλλαγές. Όσο λιγότερο ευαίσθητο ένα σύστημα είναι στις αλλαγές του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί τόσο περισσότερο ευέλικτο είναι. Η βασική αυτή θεώρηση εφαρμόζεται μέσω της μέτρησης του εύρους των διαφόρων τιμών του συνολικού κόστους ενός συστήματος παραγωγής. Οι τιμές του συνολικού κόστους υπολογίζεται για καθένα σενάριο από ένα μεγάλο αριθμό πιθανών σεναρίων αγοράς. Στη συνέχεια με στατιστική ανάλυση στις τιμές του συνολικού κόστους οδηγούμαστε σε συμπεράσματα για την ευαισθησία ενός συστήματος παραγωγής σε ένα αβέβαιο περιβάλλον λειτουργίας. Ο υπολογισμός του συνολικού κόστους λαμβάνει υπόψη του διάφορες φάσεις του συστήματος παραγωγής στον κύκλο ζωής του όπως την αρχική επένδυση και το κόστος των αλλαγών. Επιπλέον, για να μπορούν οι διαφορετικές τιμές του κόστους να είναι συγκρίσιμες θα πρέπει να υπολογιστούν με βάση κάποιον κανόνα. Η εργασία αυτή προτείνει έναν τρόπο για την εύρεση του ελάχιστου κόστους στον κύκλο ζωής ενός συστήματος παραγωγής. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται σε μια περίπτωση μελέτης στην αυτοκινητοβιομηχανία και τέλος περιγράφεται ένα λογισμικό που υλοποιεί την προτεινόμενη μέθοδο καθώς και η UML (Unified Modelling Language) περιγραφή των βασικών οντοτήτων. / Modern manufacturing firms must learn to operate effectively in very dynamic environments. One key aspect that firms must consider is manufacturing flexibility. Manufacturing flexibility refers to the ability of a manufacturing system to accommodate uncertainty in the production environment. But flexibility cannot be considered in the decision making process if it is not assessed in quantifiable terms. The goal of this dissertation is to develop and demonstrate a practical method to assist manufacturers in managing environmental uncertainty and in determining the appropriate level of flexibility in their production systems. A number of research efforts have been published in the litterature that deal with the scientific issue of flexibility assessment. However, most of the published research work deals with case specific engineering problems, under certain circumstances, and in most of the cases they are applicable to specific types of production system. The approach suggested by the this dissertation considers that manufacturing flexibility is determined by its sensitivity to changes. The less flexible a manufacturing system is the more flexible it should be considered. We consider flexibility during the lifecycle of a system, from initial investment to major reconfiguration. A large number of market scenarios are being considered and the lifecycle cost of the system for all scenarios is calculated. Following, statistical analysis on the lifecycle cost results provides results on the sensitivity of the system to the uncertainty of the market environment. Furthermore, in order to make the lifecycle cost values comparable amongst the different production systems, their minimum value is calculated at a minimum level with the help of a specially developed optimization algorithm. The proposed method is applied in a case study in the automotive industry. Finally, a web-based software package that implements the proposed method along with the UML (Unified Modelling Language) description of the main entities is also being described.

This work investigates the flexibility of manufacturing systems and the introduction of flexibility considerations into the change management of manufacturing systems. The change drivers that make flexibility important for manufacturing systems are analyzed and the definition and dimensions of flexibility as they have been approached in the literature are discussed. In order to measure flexibility, a Flexibility Evaluation Toolbox comprised of five individual measures is proposed in the thesis. The Flexibility Evaluation Toolbox enables the responsible engineer to select the most appropriate measure to be used in each case under study. Furthermore, each of the measures requires different data providing the opportunity to the engineer to use the Flexibility Evaluation Toolbox in a wide range of situations. A classification table of the five measures in relation to a set of usability criteria has been included. A methodology supporting the user to select the most appropriate measure according to the case under study and the user’s preferences is also provided. The Flexibility Evaluation Toolbox has been integrated in a software platform able to handle the required data, automate the calculations, provide quantitative results and eventually drive the change management directions. The software architecture and the individual modules of the software platform are described. The three basic modules of the platform are the Flexibility Evaluation Toolbox, the Data Collector and the Change Management Component. The solution proposed in this thesis can be used in small, medium or large enterprises and in different industrial sectors. This is demonstrated in the provided four case studies where flexibility evaluation has been used to support change management decisions in the commercial refrigerators sector in local and world-wide scale, the pharmaceutical/cosmetics sector and the mobile communications sector. / Στην παρούσα εργασία διερευνάται η ευελιξία στα συστήματα παραγωγής και o τρόπος εξέτασης της ευελιξίας κατά τη διαχείριση αλλαγών σε συστήματα παραγωγής. Αναλύονται οι λόγοι για τις απαιτούμενες αλλαγές που κάνουν την ευελιξία σημαντική για τα συστήματα παραγωγής και συζητούνται οι διάφορες παράμετροι της ευελιξίας, όπως παρουσιάζονται στην βιβλιογραφία. Στοχεύοντας στην μέτρηση της ευελιξίας, μια ‘εργαλειοθήκη’, αποτελούμενη από πέντε διαφορετικά ‘εργαλεία’ για την μέτρηση της ευελιξίας, προτείνεται στην εργασία. Η εργαλειοθήκη μέτρησης της ευελιξίας επιτρέπει στον ενδιαφερόμενο μηχανικό να επιλέξει το πιο κατάλληλο μέτρο για την κάθε κατάσταση που μελετάται. Επιπλέον, κάθε ένα από τα μέτρα χρησιμοποιεί διαφορετικές πληροφορίες για την αξιολόγηση δίνοντας την ευκαιρία στον μηχανικό να τα χρησιμοποιήσει σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις. Παρέχεται ένας πίνακας ταξινόμησης των πέντε αυτών μέτρων σε σχέση με τις εφαρμογές και ιδιότητες τους, όπως και μία μεθοδολογία που μπορεί να ακολουθηθεί για την επιλογή του καταλληλότερου μέτρου. Στην εργασία προτείνεται επίσης και η ενσωμάτωση της εργαλειοθήκης των μέτρων αξιολόγησης της ευελιξίας σε μια πλατφόρμα λογισμικού η οποία είναι ικανή να διαχειριστεί τα απαιτούμενα δεδομένα, να αυτοματοποιήσει τους υπολογισμούς, να παράσχει αριθμητικά αποτελέσματα και τελικά να οδηγήσει προς την σωστή κατεύθυνση τις απαραίτητες αλλαγές. Αντίστοιχα, περιγράφονται η αρχιτεκτονική του λογισμικού και κάθε υποσύστημά της. Τα τρία κύρια υποσυστήματα της πλατφόρμας είναι η εργαλειοθήκη των μέτρων αξιολόγησης της ευελιξίας, ο συλλέκτης δεδομένων και ο διαχειριστής των αλλαγών. Η προτεινόμενη προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρές, μεσαίες και μεγάλες επιχειρήσεις που μπορεί να ανήκουν σε διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς. Αυτό αποδεικνύεται και από τις τέσσερις περιγραφόμενες περιπτώσεις πιλοτικής χρήσης, όπου η μέτρηση της ευελιξίας πραγματοποιείται ώστε να υποστηρίξει τη διαχείριση και να βοηθήσει την επιλογή των κατάλληλων αλλαγών στη βιομηχανία κατασκευής επαγγελματικών συστημάτων ψύξης σε τοπικό και διεθνές επίπεδο, στην φαρμακευτική βιομηχανία και στην βιομηχανία παραγωγής συσκευών κινητής τηλεφωνίας.

Objective of the present study is the development of methods for the assessment of manufacturing systems complexity and the investigation of flexibility and complexity relationship. Towards this target, a complete approach based on information theory permitting the analytical, quantitative and systematic modeling and quantification of both static and dynamic manufacturing complexity is proposed. Static complexity concerns the structure of the manufacturing systems, namely the products, the processes, the resources that constitute the systems as well as their interconnections. Static complexity is treated as the information that is required for the description of a manufacturing system. Multi domain matrices modeling the relationships between products, processes and resources are formalized as networks following the notions of graph theory. The information content of each matrix is assessed employing Shannon entropy measure and their aggregation yields the static complexity. Dynamic complexity is related to the uncertainty in the behaviour of a manufacturing system and in the present study is associated with the unpredictability of the performance indicators timeseries. The unpredictability of the performance indicators timeseries, which are provided by computer simulation, is captured employing the Lempel Ziv algorithm that calculates the Kolmogorov complexity. The dynamic complexity is either the unpredictability of a specific timeseries or the weighted mean of a series of performance indicators timeseries produced under different product demand scenarios. The relationship between flexibility and complexity is investigated for a group of 19 different configurations of a manufacturing system. In particular, operation flexibility that refers to the system’s ability to produce a set of products through different machines, materials, operations and sequences of operations and total complexity, and both static and dynamic are examined employing a utility function. As a case study, two assembly lines producing three car floor model types at three different product mixes are investigated. The dynamic complexity of each assembly line is assessed and the relationship between product mix and dynamic complexity is studied. The evaluation of the case study revealed the efficiency of the suggested approach validated its applicability to industrial environments. / Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για την εκτίμηση πολυπλοκότητας συστημάτων παραγωγής και η διερεύνηση της σχέσης ευελιξίας και πολυπλοκότητας. Προς αυτή την κατεύθυνση προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση βασισμένη στην θεωρία της πληροφορίας που επιτρέπει μια αναλυτική, ποσοτικοποιημένη και συστηματική προτυποποίηση και εκτίμηση τόσο της στατικής όσο και της δυναμικής πολυπλοκότητας των συστημάτων παραγωγής. Η στατική πολυπλοκότητα αφορά την δομή των συστημάτων παραγωγής, και σχετίζεται με τα προϊόντα, τις διεργασίες, τους παραγωγικούς πόρους που αποτελούν το σύστημα καθώς και τις μεταξύ τους σχέσεις. Η στατική πολυπλοκότητα αντιμετωπίζεται ως η πληροφορία που απαιτείται για να περιγραφεί ένα σύστημα παραγωγής. Πολυ-πεδιακοί πίνακες αναπαριστούν τις σχέσεις μεταξύ προϊόντων, διεργασιών και πόρων και προτυποποιούνται ως δίκτυα ακολουθώντας την θεωρία γράφων. Το πληροφοριακό περιεχόμενο κάθε πίνακα εκτιμάται με την χρήση της εντροπίας Shannon και το άθροισμα για όλους τους πίνακες δίνει την στατική πολυπλοκότητα. Η δυναμική πολυπλοκότητα σχετίζεται με την αβεβαιότητα της συμπεριφοράς των συστημάτων παραγωγής και στην παρούσα διατριβή συνδέεται με την απροβλεψιμότητα των χρονοσειρών δεικτών απόδοσης ενός συστήματος. Οι χρονοσειρές των δεικτών απόδοσης προκύπτουν από υπολογιστική προσομοίωση και η απροβλεψιμότητα τους εκτιμάται με των αλγόριθμο Lempel Ziv ο οποίος υπολογίζει την πολυπλοκότητα Kolmogorov. Η δυναμική πολυπλοκότητα είναι η απροβλεψιμότητα είτε μιας συγκεκριμένης χρονοσειράς είτε ο σταθμισμένος μέσος όρος ενός συνόλου χρονοσειρών δεικτών απόδοσης. Η σχέση ευελιξίας – πολυπλοκότητας διερευνάται για 19 διαμορφώσεις ενός συστήματος παραγωγής. Συγκεκριμένα, η ευελιξία λειτουργίας που αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος να παράγει ένα σύνολο προϊόντων χρησιμοποιώντας διαφορετικές μηχανές και διεργασίες και πολυπλοκότητα τόσο η στατική όσο και η δυναμική μελετώνται με μια συνάρτηση χρησιμότητας. Ως περίπτωση μελέτης εξετάζονται δύο γραμμές συναρμολόγησης που παράγουν τρία δάπεδα αμαξιού σε τρία μείγματα παραγωγής. Η δυναμική πολυπλοκότητα κάθε γραμμής και η σχέση μείγματος παραγωγής και δυναμικής πολυπλοκότητα μελετώνται. Η αξιολόγηση της περίπτωσης μελέτης αποδεικνύει την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων σε βιομηχανικό περιβάλλον.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό την παράθεση και ανάλυση των μεθόδων που έχουν παρουσιαστεί αυτή τη στιγμή στη διεθνή βιβλιογραφία και αφορούν τον έλεγχο και συγχρονισμό σε δίκτυο των Διασπαρμένων Συστημάτων Παραγωγής Ισχύος (Δ.Σ.Π.Ι.). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη Διασπαρμένη Παραγωγή (Δ.Π.) και στα Δ.Σ.Π.Ι. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα κύρια χαρακτηριστικά των στρατηγικών ελέγχου που σχετίζονται με τον έλεγχο των Δ.Σ.Π.Ι. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση και ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για το συγχρονισμό των Δ.Σ.Π.Ι. με το δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο, όμοια με προηγούμενα, έγινε προσπάθεια για παρουσίαση των στρατηγικών ελέγχου των Δ.Σ.Π.Ι. σε περίπτωση που έχουμε εσφαλμένο δίκτυο. / The aim of this master thesis , is the presentation and analysis of the control strategies which are implemented on the distributed power generation systems(grid connection. Moreover, grid synchronization methods of DPGS are presented and evaluated. Control strategies when running on grid faults are also presented.

Objective of the present work is the deep study of the manufacturing systems in terms of energy efficiency. Manufacturing enterprises have to reduce energy consumption for both cost saving and environmental friendliness, finding new ways to produce more with less. As a first step, clear definitions for the energy efficiency are provided, in order to successfully include this significant key performance indicator into the manufacturing decision-making attributes. These definitions are used in order to develop a generalized and holistic approach towards manufacturing energy efficiency. The basic element of the approach is the division of energy efficiency definition and study into four manufacturing levels, namely process, machine, production line, and factory. Process-level definitions are provided for the majority of manufacturing processes. A machine-level study indicates and solves difficulties, generated by the workpiece geometry, and points out the interaction with the process level through factors, such as the process time. Moreover, machine tool peripherals are responsible for a significant portion of the consumed energy. Classification of the machine peripherals, based on the dependence of their consumption on process variables, is required. Studies made on the production line and factory levels show that energy efficiency, at these levels, is heavily dependent on production planning and scheduling and can be improved through the appropriate utilization of machines, with the inclusion of shutdown and eco-modes. All the methods developed for each of the manufacturing levels are verified with appropriate case studies. Moreover, a holistic case study is presented, showing that many of the difficulties towards the optimization of energy efficiency can be dealt with successfully, using the proposed generalized approach. The implementation of the method in a software platform is presented. The tool is industrially evaluated using three case studies from three different industrial sectors (i.e. aeronautics, automotive and household). The evaluation of the presented case studies clearly reveals the usefulness and efficiency of the suggested approach validating its applicability to real industrial environments. This prototype information technology decision support tool can assist the manufacturing sector towards energy and eco-efficiency, within the context of a multi-objective optimization procedure, incorporating traditional metrics (i.e. time, cost, flexibility and quality), interacting with the machine monitoring systems. / Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της ενεργειακής αποδοτικότητας των συστημάτων παραγωγής. Η αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας, προσφέρει μείωση του κόστους παραγωγής και των βλαβερών επιπτώσεων στο περιβάλλον. Αρχικά, παρέχονται ορισμοί για την ενεργειακή αποδοτικότητα, προκειμένου να συμπεριληφθεί και αυτός o σημαντικός δείκτης στα συνήθη κριτήρια λήψης αποφάσεων (δηλαδή το χρόνο, το κόστος, την ευελιξία και την ποιότητα). Οι ορισμοί αυτοί χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μιας γενικευμένης και ολιστικής μεθοδολογίας ως προς την αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας στα συστήματα παραγωγής. Το βασικό στοιχείο της μεθόδου είναι ο διαχωρισμός του ορισμού της ενεργειακής απόδοσης και της μελέτης του σε τέσσερα ιεραρχικά επίπεδα, ξεκινώντας από την διεργασία, τη εργαλειομηχανή, τη γραμμή παραγωγής και την μονάδα παραγωγής. Ορισμοί στο επίπεδο της διεργασίας, παρέχονται για την πλειονότητα των κατηγοριών των μηχανουργικών διεργασιών. Στο επίπεδο της εργαλειομηχανής μελετώνται οι διαφορές που προκύπτουν από την γεωμετρία του προϊόντος, και επισημαίνονται οι αλληλεπιδράσεις με το επίπεδο της διεργασίας μέσω παραγόντων, όπως ο χρόνος διεργασίας. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι τα περιφερειακά των εργαλειομηχανών είναι υπεύθυνα για ένα σημαντικό μέρος της καταναλισκόμενης ενέργειας. H ενεργειακή κατάταξη των περιφερειακών των εργαλειομηχανών, με βάση την εξάρτηση της κατανάλωσης τους από παραμέτρους της διεργασίας, είναι απαραίτητη. Μελέτες στα επίπεδο της γραμμής παραγωγής και της μονάδας παραγωγής, δείχνουν ότι η ενεργειακή αποδοτικότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον χρονοπρογραμματισμό της παραγωγής και μπορεί να βελτιωθεί με την κατάλληλη αξιοποίηση των εργαλειομηχανών, συμπεριλαβαίνοντας τον τερματισμό της λειτουργιάς αυτών ή τη χρήση οικολογικών λειτουργιών (eco-modes). Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν για τα επίπεδα παραγωγής επαληθεύονται με μελέτες εφαρμογής. Για την υλοποίηση της μεθόδου αναπτύχθηκε λογισμικό το οποίο αξιολογήθηκε σε τρεις διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς με σημαντικά αποτελέσματα. Αυτό το πρωτότυπο εργαλείο υποστήριξης αποφάσεων μπορεί να βοηθήσει στην μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης χρησιμοποιώντας πολύ-παραγοντική βελτιστοποίηση, λαμβάνοντας υπόψιν την ενεργειακή αποδοτικότητα μαζί με τα συνήθη κριτήρια λήψης αποφάσεων αλληλοεπιδρώντας με τα συστήματα παρακολούθησης των εργαλειομηχανών.

Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της ανάπτυξης περιβάλλοντος εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας για την υποστήριξη ανθρωποκεντρικών διεργασιών στον τομέα της παραγωγής. Οι τεχνολογίες εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας μπορούν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο και το κόστος ανάπτυξης προϊόντων και διεργασιών στην παραγωγή. Αυτή τη στιγμή υπάρχει ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ των συμβατικών CAD-βασιζόμενων μεθόδων και των μεθόδων προηγμένης προτυποποίησης και επικύρωσης που προσφέρει η χρήση της εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας. Συνεπώς, υπάρχει ανάγκη εμπλουτισμού των εικονικών περιβαλλόντων με νοημοσύνη, μέσω ενσωμάτωσης της γνώσης, επιτρέποντας την πραγματοποίηση πολύπλοκων εργασιών, μειώνοντας την ανάγκη για ανάπτυξη φυσικών πρωτοτύπων και αυξάνοντας τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης. Αφενός, περιβάλλοντα επαυξημένης πραγματικότητας που βασίζονται σε σημασιολογική γνώση καθώς και νέες μέθοδοι αλληλεπίδρασης με τον χρήστη μπορούν να παρέχουν τα μέσα για την επανατοποθέτηση του ανθρώπου στην παραγωγική διαδικασία. Αφετέρου, περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας σε συνδυασμό με τη σημασιολογική γνώση μπορούν να παρέχουν μεθόδους και εργαλεία που ενσωματώνουν τις 3D γεωμετρίες με τις πληροφορίες και τη γνώση, έτσι ώστε οι μηχανικοί να μπορούν αποτελεσματικά να αξιολογήσουν και να διαχειρίζονται εικονικά πρωτότυπα σε ένα εμβυθισμένο και διαδραστικό περιβάλλον. Εντός της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκε μια γενική VR και AR προσέγγιση βασισμένη στην ανάλυση της ανθρώπινης εργασίας και των μεθόδων χαρτογράφησης της γνώσης που υλοποιούνται σε ένα πλαίσιο εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας. Το πλαίσιο VR/AR έχει αναπτυχθεί για να χρησιμοποιηθεί με την προσέγγιση μεθόδου δύο σταδίων χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές αλληλεπίδρασης. Η μέθοδος και το πλαίσιο που αναπτύχθηκαν επιβεβαιώνονται μέσα από μια σειρά πραγματικών δοκιμών στην παραγωγή, τόσο της αυτοκινητοβιομηχανίας όσο και της αεροδιαστημικής βιομηχανίας. Τέλος, η αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων και του πλαισίου βασίζεται σε πραγματικές δοκιμές στη βιομηχανία με χρήση ποσοτικών δεικτών, επιβεβαιώνοντας τη βελτίωση της ροής εργασιών σε σύγκριση με τη συμβατική. / The aim of this work is to study the development of virtual and augmented reality environment for the support of human-based processes in manufacturing. Virtual and augmented reality technologies can significantly reduce the development time and cost of products and processes in manufacturing. However there is currently a big gap between the conventional CAD-based processes and the advanced prototyping and validation methods offered with the use of VR and AR technology. There is a need for the virtual environments to be enriched with intelligence through the incorporation of knowledge. This will allow for complex tasks to be carried out, thus reducing the need for an ad hoc development, while the reusability of such an environment will be increased. On the one hand, augmented reality environments based on semantic knowledge and new user interaction methods can provide the means for putting the human back in the process loop at manufacturing level. On the other hand, virtual reality environments coupled with semantic knowledge can provide methods and tools that integrate 3D geometries with information/knowledge so that engineers can effectively evaluate and manipulate virtual prototypes in an immersive and interactive environment. Within the current dissertation, a generic VR and AR approach is developed based on human task analysis and knowledge mapping methods that are implemented in a Virtual and Augmented Reality Framework. The VR/AR framework is developed to be used with the two-step method approach using advanced interaction techniques. The developed method and framework are validated through a series of real life manufacturing test cases derived from both the automotive and aerospace industrial practices. Finally, an evaluation of the proposed methods and framework is carried out, based on one of the industrial test cases using quantitative metrics, giving insight on to the improvement of the engineering workflow using the proposed work compared with the conventional physical workflow.

Η παρούσα διπλωματική εργασία συνιστά μια επισκόπηση του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας της νήσου Ικαρίας. Πρόκειται για ένα Αυτόνομο Σύστημα Παραγωγής, που βασίζεται σε έναν Τοπικό Σταθμό Παραγωγής, ισχύος 14 MW, που λειτουργεί με εμβολοφόρες πετρελαιομηχανές. Σκοπός της εργασίας είναι τόσο η μελέτη του συγκεκριμένου συστήματος, αλλά και η γενικότερη προσέγγιση των ΣΗΕ, και ειδικά των ΑΣΠ με τις ιδιαιτερότητες που τα χαρακτηρίζουν. Στην συνέχεια χρησιμοποιείται το λογισμικό προσομοίωσης HOMER Energy, με το οποίο κατασκευάζεται ένα μοντέλο του ΣΗΕ. Το λογισμικό εκτελεί τεχνοοικονομική ανάλυση της λειτουργίας συστημάτων, σε όλο τον κύκλο ζωής τους, και εξάγει συμπεράσματα όσον αφορά την βιωσιμότητα και την βέλτιστη μορφή τους. Με το εργαλείο αυτό διερευνώνται ζητήματα όπως η δυνατότητα διείσδυσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο ΑΣΠ Ικαρίας, καθώς και η μελλοντική λειτουργία του συστήματος, μετά την ένταξη του κατασκευαζόμενου Υβριδικού Ενεργειακού Έργου (αιολικού - υδροηλεκτρικού). Το πρότυπο αυτό έργο, ισχύος μέχρι 6,8 MW, θα επιτρέπει την αποθήκευση ενέργειας, με την μορφή της αντλησιοταμίευσης, σε δεξαμενή νερού. Η μελέτη του ΣΗΕ Ικαρίας συμπληρώνεται με την ανασκόπηση του ζητήματος των κεραυνικών πληγμάτων στις γραμμές μέσης τάσης, όπου γίνεται υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων, σε αντιπαράθεση με καταγεγραμμένα, ενώ προτείνονται λύσεις για την μείωση των προβλημάτων που δημιουργούν οι υπερτάσεις. Η συλλογή των στοιχείων της εργασίας έγινε από επιτόπιες καταγραφές, από δεδομένα που μας διατέθηκαν και από δημοσιευμένες πληροφορίες. Τα στοιχεία αυτά παρουσιάζονται κατά την επισκόπηση, μαζί με απαραίτητες διευκρινήσεις και παραπομπές στην βιβλιογραφία. Στην συνέχεια με τα στοιχεία αυτά κατασκευάζεται το μοντέλο του συστήματος, γίνονται οι υπολογισμοί, και συγκρίνονται τα αποτελέσματα. Αφού στο 1ο Κεφάλαιο δοθούν οι απαραίτητες εισαγωγικές διευκρινήσεις για τα ΣΗΕ και τα ΑΣΠ, και μια αναφορά στις ΑΠΕ, παρουσιάζονται στο 2ο Κεφάλαιο γεωγραφικά στοιχεία για το νησί, και μια σύντομη ιστορική αναδρομή στο ενεργειακό του σύστημα. Η επισκόπηση του ΑΣΠ Ικαρίας ξεκινά στο 3ο Κεφάλαιο με τα στοιχεία της Παραγωγής ενέργειας, περιγράφοντας αναλυτικά τον ΤΣΠ, τις μονάδες και τις εγκαταστάσεις του και αναλύοντας την λειτουργία του. Περιγράφεται έπειτα μία εγκατεστημένη Ανεμογεννήτρια των 600 kW, εξηγείται η λειτουργία της και σημειώνεται η επίδρασή της στην παραγωγή. Παρουσιάζεται το Υβριδικό Ενεργειακό Έργο, οι αρχές λειτουργίας, τα επιμέρους στοιχεία και αναφέρεται η αναμενόμενη συμπεριφορά του. Στην συνέχεια στο 4ο Κεφάλαιο γίνεται η επισκόπηση της Διανομής ενέργειας. Παρουσιάζεται το εναέριο δίκτυο Μέσης Τάσης, ο εξοπλισμός των γραμμών και η γεωγραφική εξάπλωση. Περιγράφονται τα δίκτυα διανομής Χαμηλής Τάσης, από τους Υποσταθμούς μέχρι τους καταναλωτές. Στο 5ο Κεφάλαιο η λειτουργία του ΣΗΕ εξετάζεται σαν σύνολο, με στοιχεία για την παραγόμενη ενέργεια, 28 GWh ετησίως, την εποχιακή και ημερήσια διακύμανση της ισχύος και την μελλοντική αύξηση της κατανάλωσης. Επισημαίνονται έπειτα οι κυριότερες αιτίες σφαλμάτων, οι μηχανισμοί δημιουργίας των συμβάντων κυρίως από καιρικά φαινόμενα, καθώς και η καταγραφή και η αποκατάσταση των βλαβών. Τέλος, στο 6ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελλοντική εξέλιξη του συστήματος, μετά την ένταξη του Υβριδικού Έργου, την αναβάθμιση του ΤΣΠ και του δικτύου ΜΤ, και οι προοπτικές για επιπλέον ΑΠΕ. Εκτός από τα Αιολικά συστήματα, εξετάζονται τα Φωτοβολταϊκά και η Γεωθερμία. Αναφέρεται και η ενδεχόμενη διασύνδεση του νησιού με το ηπειρωτικό δίκτυο της χώρας. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του ΣΗΕ, με το λογισμικό HOMER. Παρουσιάζεται το πρόγραμμα, και οι οικονομικές έννοιες που χρησιμοποιεί για την αξιολόγηση των συστημάτων. Η διαδικασία μοντελοποίησης παρουσιάζεται αναλυτικά. Αρχικά κατασκευάζεται το μοντέλο του παρόντος συστήματος, όπου διαπιστώνεται η ορθότητα του μοντέλου σε σχέση με το πραγματικό σύστημα, και σημειώνεται η θετική οικονομική επίδραση της Α/Γ στο ΑΣΠ. Από την άλλη, διαφαίνεται η αδυναμία του προγράμματος να αντιληφθεί τα όρια διείσδυσης ΑΠΕ. Στην συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψιν το παραπάνω ζήτημα, εμπλουτίζεται το μοντέλο με επιπλέον ΑΠΕ, και προκύπτει το συμπέρασμα ότι συμφέρει πρωτίστως η εγκατάσταση άλλων 2 Α/Γ, και 200 kWp Φ/Β συστημάτων, αλλά δευτερευόντως και άλλων συνδυασμών, μέχρι 7 Α/Γ συνολικά. Έπειτα, κατασκευάζεται το μοντέλο του Υβριδικού, προσεγγιστικά, λόγω έλλειψης υποστήριξης από το HOMER. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης της λειτουργίας του είναι σε συμφωνία με τα αναμενόμενα. Προκύπτουν επίσης τα εξής συμπεράσματα: (α) Το Έργο είναι οικονομικά βιώσιμο. (β) Η οικονομική επίδοση του Έργου βελτιώνεται με δέσμευση επιπλέον νερού στις δεξαμενές για αντλησιοταμίευση. (γ) Το Έργο υποστηρίζει οικονομικώς Ανεμογεννήτριες μέχρι 10 MW και Φ/Β 2,5 MWp. (δ) Το Έργο δεν επαρκεί για την μελλοντική αύξηση της κατανάλωσης, ακόμα και με επιπλέον ΑΠΕ, εκτός και αν αυξηθεί παράλληλα η ισχύς του ΤΣΠ. Η εργασία ολοκληρώνεται στο 8ο Κεφάλαιο, με το ζήτημα της θεωρητικής πρόβλεψης σφαλμάτων από κεραυνούς. Αφού παρουσιαστεί το φαινόμενο και οι επιπτώσεις του στις γραμμές, γίνεται υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων σε όλο το δίκτυο ΜΤ της Ικαρίας, μήκους 120 km, με την χρήση (α) της απλής μεθόδου Ισοδύναμης Συλλεκτήριας Επιφάνειας, και (β) της μεθόδου που προτείνεται από τον κανονισμό IEEE-1410, περί βελτίωσης της αντικεραυνικής συμπεριφοράς ηλεκτρικών γραμμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν πολύ λιγότερα σφάλματα από τα καταγεγραμμένα κάθε χρόνο (90 έναντι 175 μέσο όρο). Εξηγούνται οι βασικότερες αιτίες, όπως η γενικότητα των υπολογισμών, η ασάφεια στις καταγραφές, αλλά και το γεγονός ότι συγκεκριμένα γεωγραφικά σημεία καταπονούνται ιδιαίτερα από κεραυνικά πλήγματα και είναι υπεύθυνα για πολλά σφάλματα. Το τελευταίο, επιδεικνύεται με την μελέτη ενός ορεινού εκτεθειμένου κλάδου των γραμμών, μήκους 2 km, που παρουσιάζει 20,5 ιδιαίτερα καταστροφικά σφάλματα ετησίως, έναντι των 1,5 που αναμένονται. Προτείνονται τέλος κάποιοι οικονομικοί τρόποι προστασίας, με περισσότερους απαγωγείς υπερτάσεων και βελτίωση της γείωσης και της στάθμης μόνωσης της γραμμής. / This diploma thesis is an overview of the Electrical Power System of Ikaria Island. It is an Autonomous Production System, based on a Local Station with diesel engines. The thesis describes the Station, an installed Wind Turbine, and the Hybrid Power Plant under construction. It presents the Distribution System, consisting of overhead medium voltage power lines, as well as the low voltage distribution wiring. It includes information about the power production, the main system faults, and the future development. The study is supplemented by a simulation of the system, using HOMER Energy software, in order to investigate the renewable penetration potential, and to validate the operation of the Hybrid Power Plant. The thesis is concluded with the estimation of lightning faults on the power lines of the island's grid.