工业元宇宙的关键技术应用场景与前景展望.docx
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1、工业元宇宙的关键技术、应用场景与前景展望2023年以来,元宇宙概念迅速升温,相关炒作与前瞻性探索不断涌现。在数字经济向虚实结合形态发展之际,结合工业企业数字化转型需求,工业元宇宙正成为行业探索与实践的热点。其中,数字李生、物联网、数字设计与仿真、增强现实/虚拟现实/混合现实(ARVRMR)等前沿技术正不断发展,创造新的应用场景与用例,丰富工业元宇宙的内涵,有望为实体行业的生产与运作创造价值。一、工业元宇宙的关键技术工业元宇宙的实现路径可视为数字李生技术与交互技术的结合。数字李生技术概念起源于美国密歇根大学教授迈克尔格里弗斯在2002年提出的产品生命周期管理概念。格里弗斯认为,通过物理设备的数据
2、,可以在虚拟信息空间构建一个表征该物理设备的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。在数字李生技术的基础上,加以ARVRMR等技术,有望实现真实世界与虚拟信息空间的结合。在工业元宇宙业态迅猛发展的背后,若干关键技术正起到积极支撑作用。(-)高速网络与算力基础设施高速传输网络和算力基础设施是工业元宇宙的基础设施。工业元宇宙中将有大量数据的产生与流动,同时人工智能系统、图像处理系统都对计算机硬件有着较一定要求。在通信方面,低时延、广接入、高带宽的5G/6G技术和光纤网络等技术可保障数据的互联互通;在计算方面,高性能计算机、边缘计算设备和数据中心,将满
3、足数据的处理和存储需求。(二)工业控制系统工业控制系统可实现工业生产、数据采集与过程控制自动化,其组成部分一般包括传感器、信息处理系统与执行装置,可以通过采集工业现场的数据,将测量数据与目标值进行比较,实现状态监测、过程控制、异动报警等功能。较大型的工业控制系统一般会用数据采集与监控系统(SCADA)来实现,或是由分散式控制系统(DCS)及可编程逻辑控制器(P1C)来实现。在监控端,工作人员一般使用组态软件实现信息读取和控制功能。工业控制系统目前广泛用于化工产业、制造业、发电厂、石油天然气提炼,以及电信业。(三)计算机辅助设计与仿真计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程分析(CAE)技术已广
4、泛用于工程设计领域。CAD负责设计产品,CAE负责验证产品性能。现有的CAD技术已经从二维平面图纸、三维图形设计发展到能够对产品的材料与结构进行设计。设计人员可以创建包括外形、结构、功能和材质的完整虚拟模型。CAE以三维建模为基础,通过模拟产品结构、物理特性、运动学、动力学等方面的工作状态和表现,为产品功能、性能的可用性和可靠性提供依据,进而实现产品设计的优化。结合人工智能与数字样机技术,计算机仿真技术已能模拟分析机器人、汽车以及生产线等较为复杂的产品、系统与环境。例如,英伟达公司在2023年美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上推出了IsaacSim机器人模拟训练平台的2023.2版本。该平台
5、基于英伟达的OmniVerSe工业元宇宙平台,是一款机器人模拟和合成数据生成(SDG)工具,能够在虚拟环境中训练机器人,可加速智能机器人的开发、测试、培训和部署。IsaacSim的最新版本重点提高了制造和物流机器人用例的性能和功能,且支持将人添加到模拟环境中,可以提高机器人与人类协作的效率与安全性。(四)人工智能技术人工智能技术在工业元宇宙中的应用,有望促进更真实的数字化模拟,并实现更广泛的应用。机器学习模型可根据多重的反馈源数据进行自我学习,从而几乎实时地在数字世界里呈现物理实体的真实状况,并能够对即将发生的事件进行推测和预演。系统的自我学习除了可以依赖于传感器的反馈信息,也可通过历史数据或
6、集成网络的数据学习,在不断的自我学习与迭代中,模拟精度和速度将大幅提升。人工智能技术在工业元宇宙中的一项重要应用是预测性维护(Predictivemaintenance)。预测性维护也称基于状态的维护,旨在通过传感器数据、历史数据等确定设备状态,并通过人工智能模型来预测何时需要做维护。这比日常或定期进行的预防性维护更节约成本,因为只在确有必要时才进行维护,具体的项目通常包括:数据收集与预处理、早期故障检测、故障检测、失效预测、维护计划、资源优化。预测性维护不仅有助于检测设备状态、有针对性地调整、维修,减少设备停车时间,也有助于改善生产率、达成即时化生产。例如,美军与IBM、UPtakeTeCh
7、no1OgieS等公司合作,已将人工智能试验性地用于飞机、战车等装备的预测性维护,通过装备数据管理、人工智能分析,预测装备的零部件故障。(五)图形显示与交互技术工业元宇宙在操作和交互层面的实现,需要依托于图形处理、显示和交互技术实现。目前业界青睐的图形立体化显示以及数字化虚拟交互,需要通过图形处理技术结合ARVRMR技术呈现。图形处理技术依赖图形引擎的生成与处理功能。目前图形引擎中得到广泛应用的有Unity、OGRE、OpenGVSVtreeOSG等。以Unity图形引擎为例,全世界所有VR和AR内容中有超过60%均为Unity驱动。其中的实时渲染技术可以应用于汽车的设计、制造人员培训、制造流
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