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工业元宇宙将如何改变制造业
责任编辑：cres 作者：Kyt Dotson | 2023-01-11 11:12:03 原创文章 企业网D1Net
林肯电气控股有限公司是世界上规模最大的焊接设备制造商之一，在北美、欧洲、中东、亚洲以及拉丁美洲拥有42个以上的制造设施，其业务依赖于确保更多的焊工获得使用其设备的认证。
出于这个原因，该公司认为需要建立一所学校来培训焊接工人——但传统的培训方式速度慢、成本高而且流程繁琐。因此，该公司转向采用与消费游戏更相关的技术：虚拟现实(VR)和元宇宙。
现在，参加培训的焊接工人戴上VR头显进行虚拟焊接，并在元宇宙这种沉浸式环境中获得关于焊接管道或钣金平直度的即时反馈。如果他们焊接失败，可以立即重置虚拟系统并不断改进，不必在重复尝试中浪费焊接材料。一旦他们学会了正确的焊接方法，就会使用林肯电气公司的焊接设备，并将学到的这些技能应用到实际的焊接工作中。
林肯电气公司发现，采用新方法培训焊工的时间是传统方法的23%。培训更多熟练的焊工意味着该公司的焊接设备有更大的潜在市场。技术咨询机构West Monroe公司的高级合伙人Randal Kenworthy 表示，“采用虚拟现实技术可以减少培训时间，同时提高焊接工人的熟练程度。”
围绕“元宇宙” 这一术语的炒作在一定程度上要归功于Meta公司和其他科技公司，他们声称这是下一个大型技术平台，类似于个人电脑和智能手机。Meta公司的理念是，消费者能够在沉浸式数字世界中相互联系，在这个世界中，他们可以比在个人电脑和智能手机上更好地娱乐、社交和玩游戏。
在培训工人、制造产品或运营基础设施的行业中，还有另一组潜在的用途可能会传播得更快。这就是所谓的“工业元宇宙”，它使用虚拟现实和增强现实来融合物理世界和数字世界，从而改变了企业设计、制造和与对象交互的方式。
工业元宇宙有许多构建模块并不新鲜。新事物是增强现实和虚拟现实的头显设备、物联网技术、以及更好的连通性和计算能力的更大可用性和可承受性。总之，它们使得将工业应用带入虚拟世界成为可能。
这促进了工业元世界用例的大量增长，其中包括培训、协作和模拟现实世界的数字孪生。在这些用例中，将人们带入身临其境的3D世界的能力，能够可靠地模拟真实的工业应用，例如工厂车间、组件、机器人甚至其他应用，并正在帮助行业参与者比以往更快、更有效、更好地完成工作。
最近针对消费者的虚拟现实兴起，导致了用于工业应用的经济实惠的AR和VR头显设备的大幅增长，以及企业级头显设备的开发。根据调研机构Market Prospects公司发布的一份研究报告，到2025年，全球工业元宇宙市场规模预计将达到5400亿美元。研究机构ABI Research的报告表明，消费者和企业市场的出货量都在持续增长，到2026年，全球出货量将达到5010万台，获得的市场收入将超过501亿美元。
这些设备包括当前一代的虚拟和混合现实头显设备，例如Meta Quest Pro、HTC Vive和Varjo XR3，这些都是高端的企业级头显设备。还有增强现实头显，例如微软公司的HoloLens 2和最近发布的Magic Leap 2。重工业用例也受益于Vuzix等公司的产品，该公司生产工业级、安全等级的智能眼镜和用于野外工作的头显设备。
工业元宇宙的发展如今仍处于萌芽阶段，由于设备成本高和技术困难，它面临着很大的挑战。虚拟现实和混合现实经常导致有限的参与，因为会面临“模拟器病”(一种由一些沉浸式体验引起的运动病)以及构建和建模准确虚拟体验的总体成本。
在培训工人的工业模拟中使用AR技术可以克服部分问题，但这项技术发展缓慢。元宇宙应用程序还需要以高带宽和低延迟交换大量数据，这意味着需要有下一代电信基础设施提供支持。
尽管如此，对于许多企业来说，其发展前景仍然是诱人的，尤其是在更强大的VR和AR硬件和软件的出现开始将工业元宇宙变成现实之后。因此，一些企业正在全速前进，以期在未来几年可能成为技术发展关键基础的领域抢占先机。
支持工业元宇宙的培训
在元宇宙中进行培训很像玩视频游戏，而其不同之处在于，员工可以使用虚拟现实头显沉浸在现实世界的场景中，这种场景可能发生在他们的工作地点。事实证明，VR技术的使用比实际操作更能提高培训工人的效果，而且更便宜、更快、更安全。West Monroe公司的Kenworthy说:“就我所看到的目前VR应用最多的领域而言，其中一些其他的用例可能会在未来更加普遍，尤其是在培训领域。”
使用新兴的工业元宇宙技术，可以创造高度沉浸式的体验，在他们与设备交互的虚拟现实模型中，这些体验与工人在工作现场时的操作非常相似。他们甚至可以对所处的环境做出类似的行为和反应，这有助于他们为在工厂车间或现场开展工作做好准备。
VR的另一个优势是，工人可以在不需要采用成本高昂的设备的情况下接受培训，甚至在他们在工作现场开展工作之前，就可以在任何地方接受培训，甚至在家进行远程培训。他们还可以在潜在危险的场景和环境中接受训练，而不会面临任何危险。
为了看到在元宇宙中培训的好处，林肯电气控股有限公司和爱荷华州立大学对两组接受培训的工人进行了比较，一组工作完全采用传统的动手实践培训方法，另一组进行一半动手实践和一半VR焊接的培训。
结果表明，接受VR培训的焊工在学习和团队互动方面的水平显著提高，总体认证水平比传统培训组提高了41.6%。除了在整体培训上花费的时间比传统培训组少23%之外，使用VR技术还显著减少了每人243美元的培训成本，因为他们可以重新开始，而不会浪费焊接材料或重新组装设备的时间。
Kenworthy说：“使用VR平台，接受培训的工人可以在使用实际设备之前更快地学习和测试技术。VR通过帮助他们实时显示改善焊接技术所需的调整，加快了培训时间。”
在过去的四年中，VR培训在制造业中变得更加普遍，例如在汽车和航空业，工人们在工厂车间重复机械的步骤，甚至与机器人互动。宝马公司使用VR技术同时培训多名员工。大众汽车公司发起了一项全球倡议以培训更多的员工。航空制造巨头波音公司通过VR技术将培训时间缩短了75%。由于新冠疫情导致飞行员短缺，航空公司也使用元宇宙技术来培训空中飞行员。Loft Dynamics AG公司一直在美国使用VR模拟器培训直升机飞行员，将空中训练时间减少了60%。
工业元宇宙中的合作
尽管当今的视频电话会议技术可以用于支持人们开展远程工作和共享协作应用程序，但缺乏虚拟现实和混合现实的沉浸式力量。对于工业元宇宙的应用，工程师和设计师将为制造业设计多人参与的头显设备。
芬兰工业级VR头显制造商Varjo Technologies Oy公司的联合创始人兼首席技术官Urho Kontorri表示，汽车行业的一个主要趋势是用远程团队设计汽车发动机和底盘。
例如，汽车制造商起亚汽车公司负责开发设计的设计师为了完成评审，必须从该公司的欧洲总部飞到韩国的设计机构参加会议。然而，当新冠疫情爆发并实施旅行限制之后，几乎不可能到现场参会。
使用Autodesk VRED的虚拟协作功能和VR头显设备，可以让每个人远程聚集到一个沉浸式元宇宙空间中，设计师、工程师以及企业高管都可以在汽车周围进行探讨，而无需出差旅行。
Kontorri说，“有一些设计师来自德国法兰克福，一些来自韩国，他们会做和以前一样的事情。只不过由于旅行时间的原因，以前需要一周才能完成的事情现在可以一周完成四次。”
他们不仅发现可以更频繁地召开会议，每天都可以进行合作，而且设计团队发现他们甚至可以让更多的人参与汽车设计。他们能够将一辆车周围的人数扩大到20人，这大约是所能容纳的最多的人数，而其空间不会变得过于拥挤。
Kontorri解释说:“神奇的是，他们不再觉得自己处在远方的办公室，而是开始觉得自己在一起工作的全球团队中工作。这真是一个很好的启示。”
他说，汽车行业很可能都在进行同样的调整。例如，汽车制造商沃尔沃公司有一个非常相似的解决方案。通过使用VR技术，该公司发现它可以让设计团队在一天内完成通常需要数周或更长时间的工作，并通过在虚拟现实中的“现实生活”场景中测试用户体验概念，快速迭代用户体验概念。
该技术允许工程师和设计师在VR中进行试驾设计。因此，设计团队可以在未来的汽车成为原型之前对它们进行研究，并在它们成为生产线上的问题之前避免出现缺陷。
另一种类型的协同工业元宇宙应用在制造业中使用增强现实技术，例如采用HoloLens 2头显设备实现。这使得现场工作人员可以将数字图像覆盖在现实世界上，该公司称之为全息图。沃尔沃公司最近透露，与川崎重工公司签署协议，成为该技术的新客户，卡夫亨氏公司和波音公司将成为制造合作伙伴。
头戴AR头显设备的工人可以在工厂车间使用全息图作为操作机器的指南。然后，当尝试一个复杂的任务或修复机器时，他们可以与技术专家开展合作，以便使用他们视野中的视觉线索引导他们完成修复过程。头显设备的传感器和摄像头还使远程工作的工程师能够与工人远程协作，了解生产车间正在发生的事情，即使他们位于不同的国家和地区。
数字孪生和工业元宇宙
工业元宇宙最突出的用例之一是“数字孪生”，即对通道、建筑物、工厂车间、传送带和机器人等现实世界物体的精确模拟。
英伟达公司Omniverse和仿真技术副总裁RevLe baredian表示，数字孪生为制造业创造了许多以前不存在的“超能力”，因为在突然之间，企业客户可以访问他们可以合作的工厂的完全实现的模拟虚拟版本。
这些超能力包括瞬间移动，例如工人们可以虚拟移动到工厂的任何地方，无论他们在世界上的哪个地方，都可以看到数字孪生中正在发生什么，只要它模拟的是现实中正在发生的事情。或者他们可以穿越到过去，工厂的生产活动能够被记录和回放，这样就可以查看异常情况，看看它们是如何发生的，或者更好的是，穿越到未来，通过加速模拟并观察将会发生什么情况。
数字孪生还允许设计师在虚拟原型中构建设备或车间，并在投入实际生产之前进行模拟。目的是看看他们将如何运作，了解是否会有任何潜在的问题。它允许他们在现实世界中发生潜在异常之前进行实验、优化和简化，从而降低工人面临的故障风险或安全问题。
西门子数字工业软件公司总裁兼首席执行官Tony Hemmelgarn表示，西门子公司多年来一直在自己的制造流程和客户中使用数字孪生技术，工业元宇宙给数字孪生带来的是全面的模拟。
随着工业元宇宙技术的进步，工程师能够以全面的沉浸式视图看到整个工厂和车间，并充满信心地进行模拟。Hemmelgarn说，“各个团队现在可以聚在一起查看，我认为这才是工业元宇宙的真正前景。”
Lebaredian解释说，“通过这种方式，我们通过拥有数字孪生来获得所有这些超能力。所有这些都依赖于对现实世界事物的精确模拟，并使它们与数字孪生保持同步。如果能做到这一点，我认为可以想象在这个行业中可以做很多事情。我的意思是，如果有一个瞬移和时间机器，能够探索多种可能的未来，还有什么不能做的呢?”
Lebaredian表示，让英伟达公司感到意外的是，该公司预计元宇宙技术将首先在娱乐行业得到应用(已经广泛使用VR)，然后是建筑和设计行业，最后是制造业。
与其相反，元宇宙技术首先应用在了制造业。Lebaredian表示，他认为原因在于系统和工厂本身极其复杂，需要模拟未来的能力来优化和降低成本——如果愿意的话，这是数字孪生的超级力量之一。
凯捷公司在2022年对使用数字孪生的企业进行的一项调查之后指出，很多受访企业表示，参与者的销售额、周转时间和运营效率平均提高了15%。接受调查的受访者表示，他们还发现通过使用数字孪生技术，系统性能提高了25%，可持续性提高了16%。根据调研机构MarketsandMarkets的数据，2021年的全球数字孪生市场规模约为69亿美元，预计到2027年将增长到735亿美元。
这种兴趣在很大程度上是由于工厂的复杂性和更好地了解不同系统相互作用方式的需要，以及新冠疫情如何影响大规模的规划和建设。突然之间，许多企业的制造业务需要找到一种不同的数字化转型途径，从一开始就考虑到甚至是微小的细节。数字孪生尽可能精确地模拟，做到了这一点。
这也引起了航空航天制造商波音公司的兴趣，该公司于2021年12月宣布，计划使用数字孪生和工业元宇宙来连接其飞机制造供应链。他们的期望是，在元宇宙中模拟设计、部件和制造过程的沉浸式力量将在缺陷形成之前发现缺陷，并帮助飞机更快地从图纸推向市场。
波音公司计划在资深工程师Linda Hapgood的帮助下，构建实现这一目标所需的数字工具来完成这一目标。Hapgood以将波音767加油机的线束转化为3D模型而闻名。在那之后，工人配备了平板电脑和HoloLens AR耳机，用于模拟操作飞机发动机，从而将质量提高了90%。将供应链引入元宇宙的努力将涉及100多名工程师，并以这些早期成功为基础得以发展。
工业元宇宙为制造业带来了巨大的希望，并提供了培训机会，这些机会已经显示出显著的效果。VR和AR都可以把来自世界各地的团队聚集在一起，就像他们在同一个房间中合作开发项目。它还使现场技术人员能够从外部获得帮助，这些人可以将信息叠加在他们的视觉上。数字孪生的加入也为工业和商业用例拥有了全新的“超能力”。
VR和AR设备的进步将为工业元宇宙应用带来更多机会。但对商业用例来说，最重要的可能是元宇宙所依赖的3D模型的数据集成和机器学习。这一点尤其重要，因为越来越多的行业开始用元宇宙应用来增强他们的供应链，包括进行员工接受培训、合作和数字孪生，以及更逼真和真实的物理模拟。
所有这些都意味着，元宇宙对工业的影响在未来几年可能比技术创造者最初想象的对消费者的影响更明显。
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