Ο αξιόπιστος και αποτελεσματικός ανθρωποκεντρικός σχεδιασμός προϊόντων και διαδικασιών παραγωγής αποτελεί μείζον ζήτημα της κατασκευαστική βιομηχανίας. Για το λόγο αυτό, πλήθος ελέγχων που αφορούν στη λειτουργικότητα, την ασφάλεια και την άνεση, τόσο των προϊόντων που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο, όσο και των διαδικασιών παραγωγής που συμμετέχει ο ανθρώπινος παράγοντας, πραγματοποιούνται και αξιολογούνται σε περιβάλλον Η/Υ με τη χρήση λογισμικών προσομοίωσης και εικονικής πραγματικότητας. Η ρεαλιστική και αξιόπιστη αναπαράσταση της ανθρώπινης κίνησης μέσα σε εικονικό περιβάλλον, αποτελεί στις μέρες μας επιτακτική ανάγκη. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας μοντελοποίησης της ανθρώπινης κίνησης, που βασίζεται στην προσαρμογή μιας υπάρχουσας κίνησης σε νέα ανθρωπομετρικά δεδομένα και περιορισμούς του περιβάλλοντος εργασίας (εικονικού πρωτοτύπου ή σταθμού εργασίας). Η προτεινόμενη προσέγγιση αποσκοπεί στη δημιουργία ρεαλιστικών και αξιόπιστων κινήσεων ψηφιακών ανθρωποειδών με στόχο την προσομοίωσή τους σε εικονικό περιβάλλον, ώστε να εξαχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα κατά την εργονομική αξιολόγηση του σχεδιασμού προϊόντων και σταθμών εργασίας σε γραμμή παραγωγής. Αρχικά, γίνεται εισαγωγή τόσο στη σπουδαιότητα, όσο και στα προβλήματα του εργονομικού σχεδιασμού με χρήση ψηφιακών ανθρωποειδών, που αποτέλεσαν και το κύριο έναυσμα της παρούσας έρευνας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης, που αφορούν σε μεθόδους μοντελοποίησης της ανθρώπινης κίνησης με χρήση τεχνολογίας ψηφιακών ανθρωποειδών, καθώς και σε λογισμικά προσομοίωσης ανθρώπινης συμπεριφοράς και εργονομικού σχεδιασμού. Στη συνέχεια, παρατίθεται μια εκτεταμένη ανάλυση που έχει ως στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της ανθρώπινης κίνησης. Η ανάλυση αυτή βασίζεται στη θεωρία του Στατιστικού Σχεδιασμού Πειραμάτων και χρησιμοποιεί πειραματικά δεδομένα καταγραφής ανθρώπινων κινήσεων. Η Ανάλυση της Διακύμανσης χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών που επηρεάζουν περισσότερο την ανθρώπινη κίνηση, καθώς και για την ποσοτικοποίηση της επιρροής τους στη διαφοροποίηση της κίνησης. Βάσει των αποτελεσμάτων της Ανάλυσης της Διακύμανσης, γίνεται ανάπτυξη ημι-εμπειρικών, προσθετικών μοντέλων κίνησης, τα οποία συσχετίζουν την επίδραση των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών με τις τροχιές των αισθητήρων που τοποθετούνται πάνω στο ανθρώπινο σώμα για την καταγραφή της κίνησης. Ακολουθεί η στοιχειοθέτηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης. Δεδομένου ότι η ανθρώπινη κίνηση αναλύεται σε ένα σύνολο διαδοχικών στιγμιοτύπων, η μεθοδολογία μοντελοποίησης αποσκοπεί στη δημιουργία στάσεων σώματος ψηφιακού ανθρωποειδούς για κάθε στιγμιότυπο του επιθυμητού σεναρίου κίνησης. Ως σενάριο κίνησης ορίζεται κάθε δυνατός συνδυασμός “εργασίας – ψηφιακού ανθρωποειδούς – περιβάλλοντος εργασίας”. Για τη δημιουργία ενός στιγμιότυπου της νέας κίνησης, ο αλγόριθμος της μεθοδολογίας παράγει τυχαίες εναλλακτικές στάσεις σώματος, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την αποφυγή τόσο των μη-ρεαλιστικών στάσεων, όσο και των στάσεων που δεν ικανοποιούν τους περιορισμούς του νέου σεναρίου κίνησης. Η βασική ιδέα της μεθοδολογίας μοντελοποίησης στηρίζεται στη θεωρία λήψης αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων, η οποία χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των εναλλακτικών και την τελική επιλογή των βέλτιστων στάσεων σώματος, για τη σύνθεση της νέας κίνησης. Τα κριτήρια αφορούν αφενός στην εξασφάλιση της ρεαλιστικότητας της κίνησης και αφετέρου στην ικανοποίηση των νέων χωρικών περιορισμών, που προκύπτουν από τις γεωμετρικές τροποποιήσεις του περιβάλλοντος εργασίας. Έπεται η περιγραφή των βοηθητικών και δομικών στοιχείων του συστήματος υλοποίησης, καθώς και ο αναλυτικός σχεδιασμός του. Το σύστημα που αναπτύχθηκε αποτελείται από τα ακόλουθα δομικά στοιχεία: i)τη βάση δεδομένων, στην οποία αποθηκεύονται οι κινήσεις αναφοράς, τα ψηφιακά ανθρωποειδή, τα περιβάλλοντα εργασίας και τα αρχεία περιγραφής εργασιών, ii)το μηχανισμό που παράγει τις εναλλακτικές στάσεις σώματος λαμβάνοντας υπ’ όψη τους νέους περιορισμούς, iii)τα κριτήρια αξιολόγησης των εναλλακτικών κινήσεων, που αφορούν στην ομοιότητα των γωνιών των αρθρώσεων του σώματος και στην ομοιότητα της θέσης του άκρου εργασίας, iv)τον πίνακα αποφάσεων, ο οποίος υπολογίζει το δείκτη αξιολόγησης για κάθε εναλλακτική, βάσει των κριτηρίων αξιολόγησης, v)το μηχανισμό συνολικής αξιολόγησης των εναλλακτικών, ο οποίος υπολογίζει τον τελικό δείκτη αξιολόγησης, βάσει των δεικτών αξιολόγησης του πίνακα αποφάσεων και των βαρών των κριτηρίων, vi)το μηχανισμό κατάταξης των εναλλακτικών στάσεων, ο οποίος κατατάσσει τις εναλλακτικές, βάσει του τελικού δείκτη αξιολόγησης, και επιλέγει τη βέλτιστη στάση σώματος για κάθε στιγμιότυπο κίνησης. Το σύστημα που αναπτύχθηκε παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας προσαρμοσμένων κινήσεων ψηφιακών ανθρωποειδών που ικανοποιούν τις νέες συνθήκες και περιορισμούς. Οι νέες συνθήκες και περιορισμοί προέρχονται από την τροποποίηση των ανθρωπομετρικών διαστάσεων του ψηφιακού ανθρωποειδούς που εκτελεί την κίνηση, ή/και από την τροποποίηση της γεωμετρίας του περιβάλλοντος εργασίας, όπου εκτελείται η κίνηση. Η αξιολόγηση της αξιοπιστίας της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης παρουσιάζεται μέσα από μια σειρά πειραμάτων εκτέλεσης της πιλοτικής εφαρμογής από το χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας. Η πιλοτική εφαρμογή αποσκοπεί στην εργονομική αξιολόγηση του σχεδιασμού του εσωτερικού ενός επιβατηγού αυτοκινήτου, επικεντρώνοντας στην επιλογή της βέλτιστης θέσης του καθίσματος του οδηγού και της εσωτερικής λαβής της πόρτας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης καταδεικνύει τις δυνατότητες πρόβλεψης του αλγορίθμου όταν τροποποιούνται, τόσο τα ανθρωπομετρικά, όσο και οι διαστάσεις του περιβάλλοντος εργασίας. Ο αλγόριθμος δημιουργεί ρεαλιστικές και αξιόπιστες ανθρώπινες κινήσεις οι οποίες μπορούν να συντελέσουν στη βελτίωση του εργονομικού σχεδιασμού προϊόντων και διαδικασιών παραγωγής. / The efficient and reliable human-centred design of products and processes is a major goal of the manufacturing industry. Thus, numerous aspects related to performance, safety and ergonomics, need to be verified using Simulation and Virtual Reality techniques, in the context of the product development procedure. The realistic and accurate representation of human motion in Virtual Environment is crucial for the reliability of the simulation results. In this context, this dissertation focuses on the design and development of a novel methodology for human motion modelling, based on the adaptation of a given motion of a digital human model to new anthropometrics and environment’s constraints (related to virtual prototype or workspace). The proposed approach aims at the generation of realistic and reliable digital human motions in order to drive computer manikins into a Virtual Environment, so as to obtain reliable evaluation results during ergonomic design of a product or a production line’s workspace. The introductory chapter presents both the importance and the limitations of the ergonomic design using computer manikins, which consisted the major motivation of this research work. State-of-the-art is presented next, concerning other approaches related to human motion modeling using computer manikins, as well as software tools for digital human modeling and ergonomic design. Next chapter presents an extensive analysis, which focuses on the better understanding of the human motion. This analysis is based on a Statistical Design Of Experiments (SDoE) and makes use of experimental motion captured data. Analysis of Variance (ANOVA) was performed for the determination of the impact factor of the anthropometric parameters influencing the human motion path. Semi-empirical additive models was developed next, based on the results of this analysis, which connects the effect of anthropometrics with the trajectories of the markers that are attached on the human body during the motion capture procedure. The composing of the proposed motion modelling methodology is following. Given that human motion is analysed by a set of sequential motion frames, the modelling methodology aims at the generation of digital human’s postures for each frame of the desirable motion scenario. Motion scenario is each possible combination of “task – computer manikin – environment”. For the creation of a new motion’s frame, the algorithm of the methodology generates alternative postures, ensuring the rejection of non-realistic and constraint-violating postures. The basic concept of the modelling methodology is based on the multi-criteria decision making, which is used for the alternatives’ evaluation and the selection of the best-ranked human postures that constitute the new human motion. The criteria concern both the extensionality of the new motion and the satisfaction of the new constraints, related to the geometric modifications of the working environment. The description of the primary and secondary components of the implemented system, as well as their detailed design are presented next. The developed system consists of the following primary components: i)the data base, which includes reference motions, computer manikins, virtual environments and tasks , ii)the alternative generation mechanism, which takes into account the new constraints, iii)the evaluation criteria of alternatives, which are related to joint angles’ and end-effector’s similarity, iv)the decision matrix, which calculates the evaluation score of each alternative posture, based on the criteria, v)the aggregation mechanism, which calculates the utility score of each alternative, based on the evaluation scores and the weights of the criteria, vi)the ranking mechanism, which sorts the alternatives based on the utility score and selects the best-ranked alternative for each motion frame. The developed system enables the creation of adapted motions for digital humans that satisfies the new conditions and constraints. The new conditions and constraints come from the modification of the anthropometrics of the digital human model that realize the motion and/or the modification of the shape/geometry of the working environment. The evaluation of the proposed methodology’s efficiency is illustrated through a set of experiments through the pilot application coming from the automotive industry. The pilot application aims at the ergonomic evaluation of the interior design of a passenger car, focusing mainly on the position optimization for the driver’s seat and the door’s handle. The evaluation demonstrates the prediction capabilities of the algorithm, when both anthropometrics and environment parameters are modified. The algorithm generates accurate and realistic human motions that can be efficiently used in order to improve the computer-aided ergonomic design of manufacturing products and processes.

Σκοπός αυτής της Διπλωματικής είναι η μελέτη του προβλήματος οικονομικής κατανομής φορτίου και η μελέτη του προβλήματος ένταξης μονάδων ενός καθαρά θερμικού συστήματος. Το πρόβλημα της οικονομικής κατανομής φορτίου και της ένταξης μονάδων εξετάζονται αρχικά θεωρητικά. Στα πλαίσια αυτής της Διπλωματικής γίνεται και εφαρμογή της οικονομικής κατανομής φορτίου και της ένταξης μονάδων σ' ένα ενδεικτικό δίκτυο δοκιμών με χρήση Η/Υ. Για την οικονομική κατανομή φορτίου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα Economic Dispatch Program και για την ένταξη μονάδων, τα προγράμματα Unit Commitment και Unitcom. Επίσης εξετάζεται συνοπτικά το Ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας και δίνονται τα βασικά σημεία της Απελευθέρωσης Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Ελλάδα. / This diploma essay's purpose is to study the economic dispatch problem and the unit commitment problem of a simple thermal power system. Initially, the economic dispatch problem and the unit commitment problem are examined theoretically. In this essay takes place an application of the economic dispatch problem and an application of the unit commitment problem, in an indicative test network, with the use of a PC. For the economic dispatch problem is used the Economic Dispatch Program and for the unit commitment problem are used the Unit Commitment and Unitcom programs. Furthermore, in this essay are concisely examined the Hellenic power system and the release of the Hellenic electric market.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί το πρόβλημα του προγραμματισμού παραγωγής και ελέγχου των αποθεμάτων των συστημάτων διακριτής παραγωγής. Στόχος της είναι να προτείνει ένα νέο σύστημα PPC (r-MRP) που θα ξεπερνά ορισμένους βασικούς περιορισμούς των MRP-based συστημάτων. Το σύστημα αυτό αναπτύχθηκε πάνω σε μία νέα μέθοδο που ενοποιεί τις λειτουργίες διαχείρισης αποθεμάτων και λεπτομερούς χρονοπρογραμματισμού σε μία ενιαία παράλληλη υπολογιστική διαδικασία (reverse MRP). Ο σχεδιασμός του προτεινόμενου συστήματος ξεπερνάει βασικές αδυναμίες των MRP-based συστημάτων, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς δυναμικότητας των παραγωγικών πόρων, τη διακύμανση των χρόνων υστέρησης των εργασιών σε αυτούς και τις σχετικές προτεραιότητες των παραγγελιών, μέσα σε ένα περιβάλλον συνεχούς χρόνου. Επιπλέον εισάγει ένα εργαλείο αξιολόγησης και επιλογής ενός αποδοτικού συνδυασμού χρονοπρογράμματος εργοστασίου και πλάνου αποθεμάτων μέσα από ένα σύνολο διαθέσιμων και εφικτών εναλλακτικών σεναρίων. Η διαμόρφωση των εναλλακτικών αυτών σεναρίων γίνεται λαμβάνοντας κάθε φορά υπόψη τους υφιστάμενους περιορισμούς δυναμικότητας της επιχείρησης και των υλικών, καθώς και ένα σύνολο κριτηρίων, ενίοτε αλληλοσυγκρουόμενων. Τα εναλλακτικά σενάρια που σχηματίζονται αξιολογούνται μέσα από ένα σύνολο δεικτών απόδοσης τόσο χρονοπρογραμματισμού, όσο και διαχείρισης αποθεμάτων. Το προτεινόμενο σύστημα υλοποιήθηκε υπό τη μορφή πειραματικού λογισμικού, μέσα σε περιβάλλον προσομοίωσης διακριτών συμβάντων (discrete-event simulation). Η απόδοση του μελετήθηκε μέσα από την πιλοτική εφαρμογή του σε μία τυπική κλωστοϋφαντουργική μονάδα και βρέθηκε να υπερτερεί σε συγκεκριμένες περιπτώσεις της υπολογιστικής διαδικασίας ενός τυπικού συστήματος MRPII, όσον αφορά ένα σύνολο δεικτών απόδοσης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης αποθεμάτων. Το προτεινόμενο σύστημα r-MRP θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα MRP-based σύστημα ως ένα διασυνδεόμενο υποσύστημα (module) υποστήριξης της λειτουργίας προγραμματισμού παραγωγής και ελέγχου αποθεμάτων. / This thesis discusses the design of a production planning and control system (PPC) for discrete manufacturing environments, referred to as r-MRP. The proposed approach operates under the framework of hierarchical finite capacity shop-floor modelling and discrete-event simulation. It overcomes some of the main deficiencies of MRP-based systems by considering capacity constraints, lead times fluctuations, lot sizing and priority control in a ‘bucket-less’ environment. The r-MRP system was developed based on a new method that integrates shop scheduling and material planning in a simultaneous computational process (reverse MRP). Under this methodology, material and capacity constraints are considered, together with a number of conflicting planning criteria, in a continuous time environment. Lead times are dynamically calculated variables, based on actual loads in each workcenter. A number of alternative feasible shop schedule and material plan combinations are formed in real time. The r-MRP system was implemented as an experimental software tool. Its performance has been evaluated in a case study of a textile company with ‘real life’ data. When studied through a set of simulation experiments it has been found to outperform standard MRPII system in cases of short production times, high value inventory items and frequent, small deliveries by suppliers, in terms of a number of scheduling and inventory performance indicators. The r-MRP tool can be incorporated in legacy IT systems as an interfaced functional module.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση καθώς και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/Β) γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την κατασκευή μιας ηλεκτρονικής διάταξης, η οποία θα χρησιμοποιηθεί για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/B) γεννητριών μικρής ισχύος, στο ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα, διερευνάται και κατασκευάζεται ένας υψίσυχνος αντιστροφέας ρεύματος τοπολογίας Flyback, ο οποίος θα είναι κατάλληλος για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules), δηλαδή Φ/Β διατάξεων, ηλεκτρικής ισχύος έως 300W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη (Micro-inverter). Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε είναι ο μικρός βαθμός πολυπλοκότητας του κυκλώματος ισχύος με άμεση συνέπεια την υψηλή αξιοπιστία του, η γαλβανική απομόνωση που παρέχει ανάμεσα στη Φ/Β γεννήτρια και το ηλεκτρικό δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.), η ικανότητα σημαντικής ανύψωσης της τάσης εισόδου του, ο υψηλός συντελεστής ισχύος, καθώς και ο υψηλός βαθμός απόδοσης (ο οποίος αγγίζει το 94,25%) για ένα ευρύ φάσμα λειτουργίας του. Ο μικρός όγκος και το μικρό βάρος (σε περίπτωση βιομηχανοποίησης), είναι επιπρόσθετα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης τοπολογίας. Αρχικά, αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία του αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback, η οποία έχει αναπτυχθεί στη Διδακτορική Διατριβή του Αναστάσιου Χ. Κυρίτση, «Βέλτιστος Σχεδιασμός Υψίσυχνου Μονοφασικού Αντιστροφέα για τη Διασύνδεση Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Μικρής Ισχύος με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης». Ταυτόχρονα, διερευνώνται δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου, οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας (λειτουργία σε ασυνεχή αγωγή, DCM - λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής, BCM) και εξασφαλίζουν τη δημιουργία εναλλασσόμενου ημιτονοειδούς ρεύματος συμφασικού με την τάση του ηλεκτρικού δικτύου. Αναπτύσσονται τα κυκλώματα ελέγχου του αντιστροφέα, ενώ παρουσιάζεται ένας αποτελεσματικός τρόπος μέτρησης του υψίσυχνου διακοπτικού ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του μετασχηματιστή του αντιστροφέα. Τέλος, πραγματοποιείται η κατασκευή της διάταξης στο εργαστήριο, με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / This degree thesis deals with the study, the analysis and the manufacture of a new topology that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric network of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The goal of the present thesis is to contribute in the sector of Dispersed Power Generation PV systems, with the development of an electronic device that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the low voltage electric network. Specifically, a high frequency current source Flyback inverter is investigated and manufactured, that will be suitable for “Alternative Current Photovoltaic Modules” (AC-PV Modules) applications. An AC-PV Module is the combination of a single PV module (whose power production varies under 300W) and a single-phase power electronic micro-inverter in a single electrical device. Special characteristics of the inverter are the simple power electronic circuit structure, having high reliability as an immediate consequence, the electrical isolation provided between the PV generator and the electric network, the high power factor and the high efficiency (reaching 94.25%) for a wide range of its power. Moreover, small volume and weight are particular characteristics, attributes very important considering its applications (incorporation in PV generators that will be placed in aspects or roofs of buildings). For this topology - whose theory is in the Ph.D. thesis of A. Ch. Kyritsis “Optimum Design of a High Frequency Singe - Phase Inverter for the Interconnection of Small Power PV Systems with the Low Voltage Network” developed - two different control techniques were investigated, leading to different operation modes (Discontinuous Conduction Mode - DCM, Boundary between Continuous and Discontinuous Mode - BCM) and ensuring alternative sinusoidal current, in phase with the electric network voltage. Simultaneously, their suitability is studied for different power levels. Moreover, the control circuits of the inverter were developed and an effective way of measuring the high - frequency switching currents of the inverter’s transformer is presented. Last but not least, the design of the whole system is completed in the laboratory, in order to carry out the experimental measurements required, to confirm and evaluate the studied theory.

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.

H διατριβή διερευνά προβλήματα αποδοτικής οργάνωσης χωροταξικών δεδομένων, προτείνει συγκεκριμένες δενδρικές δομές για τη διαχείρισή τους και, τέλος, δίνει παραδείγματα χρήσης τους σε ειδικές περιοχές εφαρμογών. Το πρώτο κεφάλαιο ασχολείται με το γεωμετρικό πρόβλημα της εύρεσης των ισo-προσανατολισμένων ορθογωνίων που περικλείουν ένα query αντικείμενο που μπορεί να είναι ένα ισο-προσανατολισμένο ορθογώνιο είτε σημείο ή κάθετο / οριζόντιο ευθύγραμμο τμήμα. Για την επίλυσή του προτείνεται μια πολυεπίπεδη δενδρική δομή που βελτιώνει τις πολυπλοκότητες των προηγούμενων καλύτερων λύσεων. Το δεύτερο κεφάλαιο εξετάζει το πρόβλημα της ανάκτησης σημείων σε πολύγωνα. H προτεινόμενη γεωμετρική δομή είναι επίσης πολυεπίπεδη και αποδοτική όταν το query πολύγωνο έχει συγκεκριμένες ιδιότητες. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εφαρμογή δενδρικών δομών σε δύο βιομηχανικά προβλήματα. Το πρώτο αφορά στη μείωση της πολυπλοκότητας ανίχνευσης συγκρούσεων κατά την κίνηση ενός ρομποτικού βραχίονα σε μια επίπεδη σκηνή με εμπόδια. Ο αλγόριθμος επίλυσης κάνει χρήση μιας ουράς προτεραιότητας και μιας UNION-FIND δομής ενώ αξιοποιεί γνωστές δομές και αλγόριθμους της Υπολογιστικής Γεωμετρίας όπως υπολογισμός κυρτών καλυμμάτων, έλεγχος polygon inclusion, κλπ. Το δεύτερο πρόβλημα ασχολείται με το σχεδιασμό απαιτήσεων υλικών (MRP) σε ένα βιομηχανικό σύστημα παραγωγής. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας MRP επεξεργαστής που χρησιμοποιεί διασυνδεμένες λίστες και εκτελείται στην κύρια μνήμη για να είναι αποδοτικός. Το τελευταίο κεφάλαιο εξετάζει το πρόβλημα του ελέγχου της παραγωγής και συγκεκριμένα της δρομολόγησης εργασιών. Στο πλαίσιο αυτό σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα ευφυές σύστημα δρομολόγησης σε περιβάλλον ροής που συνδυάζει γνωσιακή τεχνολογία και προσομοίωση με on-line έλεγχο προκειμένου να υποστηρίξει το διευθυντή παραγωγής στη λήψη αποφάσεων. / Τhe dissertation examines problems of efficient organization of spatial data, proposes specific tree structures for their management, and finally, gives examples of their use in specific application areas. The first chapter is about the problem of finding the iso-oriented rectangles that enclose a query object which can be an iso-oriented rectangle either a point or a vertical / horizontal line segment. A multilevel tree structure is proposed to solve the problem which improves the complexities of the best previous known solutions. The second chapter examines the problem of point retrieval on polygons. The proposed geometric structure is also multileveled and efficient when the query polygon has specific properties. The third chapter is about the application of tree structures in two manufacturing problems. The first one concerns the reduction in the complexity of collision detection as a robotic arm moves on a planar scene with obstacles. For the solution a priority queue and a UNION-FIND structure are used, whereas known data structures and algorithms of Computational Geometry such as construction of convex hulls, polygon inclusion testing, etc. are applied. The second problem is about material requirements planning (MRP) in a manufacturing production system. To this end an MRP processor was developed, which uses linked lists and runs in main memory to retain efficiency. The last chapter examines the production control problem, and more specifically the job scheduling problem. In this context, an intelligent scheduling system was designed and developed for flow shop production control which combines knowledge-based technology and simulation with on-line control in order to support the production manager in decision making.