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VR与数字工厂碰撞 智造之门开启

2019-09-09 15:45栏目:评测
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  信息产业是我国国民经济的基础性、战略性、先导性产 业,对我国经济结构调整具有重要的示范意义,是稳增长、促改革的主战场。

  我国是全球领先的信息产业大国,以虚拟现实等产品为代表的一批市场反响好、用户体验佳的创新性产品推动了供给侧改革。

  虚拟现实技术概念

  虚拟现实技术是指借助计算机系统及传感器技术生成三维环境,创造出一种崭新的人机交互方式,通过调动用户各种感官(视觉、听觉、触觉、嗅觉等)来享受更加真实的、身临其境的体验。

  在产业界,将虚拟现实定义为三类技术应用方式:

  虚拟现实(VR,Virtual Reality)

  增强现实(AR,Augmented Reality)

  混合现实(MR,Mixed Reality)

  虚拟现实技术是一种计算机仿真系统。通过对三维世界的模拟创造出一种崭新的交互系统。它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为系统仿真,并使用户沉浸到该环境中。

  1、虚拟现实产业发展情况

  虚拟现实技术属于前沿技术中信息技术部分三大技术之一。重点研究电子学、心理学、控制学、计算机 图形学、数据库设计、实时分布系统和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。

  2、国际虚拟现实产业发展情况

  目前虚拟现实行业仍处于起步阶段,供应链及配套还不成熟,但是发展前景引人想象,预计未来市场潜力巨大。

  3、虚拟现实标准化情况

  虚拟现实产业快速健康发展需要标准和规范引导,目前标准严重缺失,整个产业链发展就像带着锁链在跳舞,这个锁链就是不适合虚拟现实的一些现有标准和规范,因为虚拟现实的一些技术要求超出了原有的一些配套行业的技术要求。

  虽然国际上虚拟现实的技术和产品呈一片如火如荼的繁荣景象,但虚拟现实存在内容短板:虚拟现实内容稀缺、制作成本过高,内容呈现方式多样,虚拟现实内容没有统一标准,各类虚拟现实设备之间还无法实现互联互通,成为制约虚拟现实大规模产业应用的关键因素;同时虚拟现实内容数据量庞大,给实时网络传输带来新挑战。

  在虚拟现实终端设备方面,我国不管是增强现实、虚拟现实或是混合现实,虽然专注于此领域的公司有近百家,但多数团队都是技术型的创业团队,对行业的商业模式和应用方案并没有成型的思考,产品化能力捉襟见肘。

  虚拟现实技术特点

  1、虚拟现实技术综述

  虚拟现实基于动态环境建模技术、立体显示和传感器技术、系统开发工具应用技术、实时三维图形生成技术、系统 集成技术等多项核心技术,主要围绕虚拟环境表示的准确 性、虚拟环境感知信息合成的真实性、人与虚拟环境交互的自然性、实时显示、图形生成、智能技术等问题的解决使得 用户能够身临其境地感知虚拟环境,从而达到探索、认识客 观事物的目的。虚拟现实具有以下三个重要特征,常被称为虚拟现实的 3i 特征:

  (1)、构想性(Imagination)

  虚拟现实技术的应用,为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段,可以使人类跨越时间与空间,去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事件;

  可以使人类突破生理上的限制,进入宏观 或微观世界进行研究和探索;也可以模拟因条件限制等原因 而难以实现的事情。

  (2)、沉浸感(Immersion)

  沉浸性来源于对虚拟世界的多 感知性,除了常见的视觉感知外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。

  虚拟现实系统应该具备人在现实世界中具有的所有感知功能,但鉴于目前技术的局限性,在现在的虚拟现实系统的研究与应用中,较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸技术,而有关味觉与嗅觉的感知技术正在研究之中,目前还很不成熟。

  (3)、实时交互性(Interactivity)

  虚拟和现实交互性的产生,主要借助于虚拟现实系统中的特殊硬件设备(如数据手 套、力反馈装置等),使用户能通过自然的方式,产生同在真实世界中一样的感觉。虚拟现实系统比较强调人与虚拟世界之间进行自然的交互,交互性的另一个方面主要表现了交互的实时性。

  2、虚拟现实产业链

  虚拟现实产业链长,产业带动比高,涉及产业众多,包 括虚拟现实工具与设备、内容制作、分发平台、行业应用和 相关服务等在军事、民用以及科研等方面的各种应用。

  虚拟现实产业链中,工具和设备类可细分为输入设备、 输出设备、显示设备、拍摄设备、以及相关软件等;由于虚拟现实产业涉及到从基础硬件生产、软件开发、核心部件制造、实体以及网络分发平台、营销与服务等众多军事、民用领域。

  3、虚拟现实技术演进方向

  虚拟现实技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的互联世界,在这个世界中参与者可以实时地探索或 移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标。通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。

  虚拟现实技术仍将延续低成本、 高性能原则,从软件、硬件两方面展开模拟与仿真运用,发展方向主要归纳如下:

  (1)、低成本快速建模技术。

  虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。内容制作成本高、周期长,对于制作人员的要求也高,限制了虚拟现实应用的发展。

  (2)、实时三维图形生成和显示技术。

  三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是怎样实时生成,在不降低图形的质量和复杂程度的基础上,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。

  (3)、新型交互设备的研制。

  虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互,犹如身临其境,借助的输入输出设备主要有智能终端设备如头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置 传感器和三维声音产生器等。

  (4)、智能化、自然的虚拟现实建模。

  虚拟现实建模是一个比较繁复的过程,需要大量的时间和精力。如果将虚拟现实技术与自然交互、语音识别等技术结合起来,可以很好地解决这个问题。

  (5)、分布式虚拟现实技术。

  分布式虚拟现实(DistributedVirtual Environment,DVE)是今后虚拟现实技术发展的重要方向。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来,采用协调一致的结构、标准、协议和 数据库,形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境,参与者可自由地进行交互作用。

  4、工业领域的应用

  在工业领域,虚拟现实技术多用于产品论证、设计、装配、 人机工效和性能评价等。代表性的应用,如模拟训练、虚拟样机技术等已受到许多工业部门的重视。

  仿真软件与自动化的互联与集成正在用仿真技术客户提供更高效的设计分析,并且,这些技术已经融合了大量的传感技术、VR虚拟现实技术、Web技术,智能制造使得这些技术必须与自动化进行衔接,直接生成的制造参数将会发布给执行系统,由自动化系统来执行这些设计。

  智能产品与智能制造

  智能制造概念

  《智能制造》(Smart Manufacturing),就智能制造的内涵与前景进行了系统描述,将智能制造定义为通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模,以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产。

  智能制造是将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术结合,实现工厂和企业内部、企业之间和产品全生命周期的实时管理和优化的新型制造系统。

  1、智能制造的技术特征

  智能制造的特征在于实时感知、优化决策、动态执行等三个方面:

  (1)、是数据的实时感知。智能制造需要大量的数据支持,通过利用高效、标准的方法实时进行信息采集、自动识别,并将信息传输到分析决策系统;

  (2)、优化决策。通过面向产品全生命周期的海量异构信息的挖掘提炼、计算分析、推理预测,形成优化制造过程的决策指令。

  (3)、动态执行。根据决策指令,通过执行系统控制制造过程的状态,实现稳定、安全的运行和动态调整。

  2、智能制造的构成

  (1)、智能产品(装备)

  智能产品是发展智能制造的基础与前提

  由物理部件、智能部件和联接部件构成。

  智能部件由传感器、微处理器、数据存储装置、控制装置和软件以及内置操作和用户界面等构成;

  智能产品具有监测、控制、优化和自主等四个方面的功能。联接部件由接口、有线或无线联接协议等构成;物理部件由机械和电子零件构成。使信息可以在产品、运行系统、制造商和用户之间联通。

  监测是指通过传感器和外部数据源,智能产品能对产品的状态、运行和外部环境进行全面监测;

  在数据的帮助下,一旦环境和运行状态发生变化,产品就会向用户或相关方发出警告。

  控制是指可以通过产品内置或产品云中的命令和算法进行远程控制。

  优化是系统里植入数据的各种算法,从而大幅提高产品的利用率和生产效率;

  自主是指将检测,控制和优化功能融合到一起,产品就能实现前所未有的自动化程度。

  (2)、智能生产

  智能生产是指以智能制造系统为核心,以智能工厂为载体,通过在工厂和企业内部、企业之间以及产品全生命周期形成以数据互联互通为特征的制造网络,实现生产过程的实时管理和优化。智能生产涵盖产品、工艺设计、工厂规划的数字设计与仿真,底层智能装备、制造单元、自动化生产线,制造执行系统,物流自动化与管理等企业管理系统等。

  (3)、智能服务

  通过采集设备运行数据,并上传至企业数据中心(企业云),系统软件对设备实时在线监测、控制,并经过数据分析提早进行设备维护。例如;电力开关终端智能装备在控制箱内,安装了传感器、存储器、处理器以及SCADA系统,实现对电网运行的实时监控。

  (4)、智能产品的作用

  发展智能制造的核心是提高企业生产效率,拓展企业价值增值空间,主要表现在以下几个方面:一是缩短产品的研制周期。通过智能制造,产品从研发到上市、从下订单到配送时间可以得以缩短。通过远程监控和预测性维护为机器和工厂减少高昂的停机时间,生产中断时间也得以不断减少。

  二是提高生产的灵活性。通过采用数字化、互联和虚拟工艺规划,智能制造开启了大规模批量定制生产乃至个性化小批量生产的大门。

  三是创造新价值。通过发展智能制造,企业将实现从传统的以产品为中心向以集成服务为中心转变,将重心放在解决方案和系统层面上,利用服务在整个产品生命周期中实现新价值。

  3、数字化智能制造也常被称为数字化工厂

  数字化智能制造也常被称为数字化工厂是指以产品全生命周期的相关数据为基础,在计算机虚拟环境中,对整个生产过程进行仿真、评估和优化,并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式,也是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物。作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁,它的出现给基础制造业注入了新的活力。

  建设自动化、智能化、信息化、高效化的数字化工厂,俨然成为全球制造业未来的新一轮发展目标。