沉浸式工程，协作合作以及与元元的关系

Konrad Wolfenstein

11 个月前

沉浸式工程、协作团队以及它们与元宇宙的关系——图片来源：Xpert.Digital

VR、AR、XR：这些工具正在革新制造业。

工业元宇宙中的沉浸式工程与协作：一种变革性的共生关系

随着工业4.0和工业元宇宙的兴起，工业生产领域正处于产品开发全新模式的风口浪尖，这种模式的驱动力源于沉浸式工程、先进的协作方法以及新兴元宇宙技术的融合。尽管元宇宙——通常与娱乐和社交媒体联系在一起——的经济意义仍在探索之中，但有一个特定领域已然成为现实世界创新的驱动力：工业元宇宙。这一发展预示着产品设计、开发、制造和维护方式将发生根本性的范式转变。.

本报告阐述了这一转型的多方面特征，并分析了沉浸式工程与协作工作在工业元宇宙中融合所带来的技术、组织和经济影响。我们借鉴了当前研究计划和开创性工业项目的洞见，全面描绘了这一发展带来的机遇和挑战。.

适合：

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元宇宙沉浸式工程的技术基础

工业元宇宙建立在一系列关键技术之上，这些技术相互结合，为产品开发和制造开辟了全新的维度。这场技术革命的核心是沉浸式工程，它使工程师和设计师能够沉浸在虚拟的交互式环境中，并与数字模型和模拟进行交互，如同身临其境一般。.

互联互通的XR生态系统作为基础设施基础

实现工业元宇宙的一个基本前提是拥有高性能且互联互通的XR生态系统（XR代表扩展现实，是一个涵盖虚拟现实、增强现实和混合现实的总称）。传统的虚拟现实头戴设备虽然已在许多领域得到应用，但在要求严苛的工业应用中往往难以胜任。因此，开发超越简单头戴式显示器的先进XR基础设施显得尤为重要。.

弗劳恩霍夫应用光学研究所 (Fraunhofer IAO) 的 INSTANCE 项目等举措展现了未来的发展方向。该项目基于复杂的系统，构建了一个跨行业的软硬件基础设施。它不再使用虚拟现实 (VR) 头显，而是采用高分辨率投影仪、强大的实时图形架构和精准的追踪系统。这些联网的扩展现实 (XR) 实验室使不同地点的团队能够同时实时地与相同的虚拟原型进行交互。.

这一发展的一个典型例子是所谓的CAVE环境（Cave自动虚拟环境），例如虚拟工程中心使用的那种环境。这些房间利用高亮度4K投影技术，打造沉浸式360°显示效果，使用户完全沉浸在虚拟世界中。精准的追踪技术能够捕捉用户的动作，并实现与虚拟环境的直观交互，其性能远远超越了传统VR头显。.

这种联网的XR生态系统的优势在于，它既能呈现高度复杂的虚拟环境，又能同时促进分布式团队之间的协作。工程师和设计师即使身处异地，也能感受到如同共同开发实体原型般的体验。这不仅加快了开发进程，还能激发创造力和创新精神，因为团队可以更有效地交流想法，共同开发解决方案。.

CAD/PLM系统与XR接口的混合

工业元宇宙中沉浸式工程的另一个关键成功因素是将现有工程工具和系统无缝集成到虚拟工作环境中。尤其重要的是，CAD（计算机辅助设计）和PLM（产品生命周期管理）系统与XR界面之间的双向连接。.

CAD系统是现代产品开发的核心。它们用于创建组件、装配体和完整产品的3D模型。另一方面，PLM系统管理着产品的整个生命周期，从最初的概念到开发、制造，再到维护和报废。将这些系统集成到工业元宇宙中，可以直接从CAD数据生成虚拟原型，并将其与PLM系统中的信息实时关联起来。.

西门子与索尼合作开发的NX沉浸式设计器便是这一发展趋势的例证。该解决方案展示了如何将NX CAD系统中的参数化3D模型数据无缝传输到索尼的混合现实眼镜中。其关键特性在于双向通信：在虚拟环境中进行的设计更改会实时同步回PLM系统。.

这种所谓的“闭环”方法消除了媒体中断，避免了在不同系统之间手动传输数据的需要。它还支持在虚拟环境中提供上下文相关的工具面板。这意味着XR环境中用户可用的工具和功能会根据当前的工程任务动态调整。例如，设计评审所需的工具与装配规划或维护模拟所需的工具就有所不同。.

因此，CAD/PLM系统与XR界面的融合是使工业元宇宙成为工程工作流程不可或缺的一部分的关键一步。它使工程师和设计师能够在沉浸式协作环境中继续使用他们熟悉的工具和流程，同时还能受益于XR技术的优势。.

物理上精确的仿真环境

元宇宙沉浸式工程的另一个重要方面是在虚拟环境中进行物理精确模拟的能力。光线追踪引擎和物理模拟等领域的进步使得实时、高精度地呈现材料属性、流动行为、机械应力以及许多其他物理现象成为可能。.

光线追踪引擎确保虚拟环境中光影的逼真呈现。这不仅对视觉沉浸感至关重要，而且对评估表面纹理、反射和颜色等设计要素也至关重要。另一方面，物理模拟允许研究虚拟物体在各种条件下的行为。例如，可以模拟力和载荷对组件的影响，或者分析复杂系统中液体和气体的流动行为。.

Holo-Lights 的 AR3S 系统展示了如何将这种物理精度极高的模拟应用于增强现实技术。该系统将有限元分析 (FEA)（一种计算机械应力和变形的方法）的结果直接以全息叠加的形式覆盖到物理原型上。这使得工程师能够在真实物体的背景下立即可视化和评估模拟结果。.

NVIDIA Omniverse 是推动这一发展的另一个平台。Omniverse 支持 GPU 加速的多物理场仿真，其计算速度远超传统的基于 CPU 的系统。这显著加快了产品开发的迭代周期。工程师可以更快地模拟和比较不同的设计方案，从而优化产品并缩短开发时间。据报道，使用此类技术可以将迭代周期缩短高达 40%。.

因此，工业元宇宙中物理上精确的模拟为提高产品开发效率和质量提供了巨大的潜力。它们使得产品能够在构建物理原型之前进行虚拟测试和优化。这不仅节省了时间和成本，还减少了材料消耗，从而有助于实现更可持续的产品开发。.

工业元宇宙中的协作工作模式

工业元宇宙不仅是一个技术平台，也是新型协作方式的催化剂。元宇宙的沉浸式和互动性为团队协作开辟了全新的视角，超越了地域限制。.

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多模态交互范式

现代XR系统依靠多模态交互模式来实现虚拟环境的直观自然操作。它摒弃了传统的键盘和鼠标输入方式，而是结合了多种输入方法，包括语音控制、手势识别和触觉反馈。.

语音控制使用户只需说话即可发出指令并与虚拟环境互动。手势识别功能可捕捉手部和身体动作，并将其转化为虚拟世界中的动作。触觉反馈则提供触觉感受，例如通过控制器中的振动马达或专用手套。这增强了沉浸感，并使用户能够与虚拟对象进行更精准、更自然的交互。.

西门子与索尼的合作展示了这种多模态交互模式在工业应用中的融合。例如，他们的XR解决方案采用了6自由度（6DoF）控制器，能够对虚拟组件进行精确操控。6DoF意味着控制器可以检测六个自由度的运动：前后、左右、上下以及绕三个轴的旋转。这使得在虚拟环境中实现高度直观且精确的控制成为可能。.

此外，系统还集成了眼动追踪功能，用于捕捉用户的视线方向和焦点。眼动追踪技术可应用于多种场景，例如分析设计团队内部的注意力分布。通过分析视线数据，可以确定虚拟原型中哪些区域最受关注，以及潜在的设计问题或优化机会可能存在于何处。.

现代XR系统的多模态特性显著缩短了新用户的培训时间，并提高了技术的接受度。据报道，与传统VR界面相比，培训时间平均可缩短60%。这在工业环境中尤为重要，因为工业环境中通常需要大量背景和知识水平各异的员工使用系统。.

通过人工智能驱动的虚拟化身进行异步协作

在工业元宇宙的协作工作模式领域，另一项令人振奋的发展是利用人工智能 (AI) 支持异步协作。异步协作意味着团队成员无需同时在同一地点开展项目工作。这对于全球分布式团队以及跨越时区和不同工作时间的项目尤为重要。.

人工智能驱动的虚拟化身在此发挥着关键作用。它们是团队成员的数字化代表，可以在真人缺席的情况下在虚拟环境中行动。例如，这些虚拟化身可以记录决策、跟踪任务，并根据历史交互数据生成行动建议。.

工业软件供应商AVEVA正在深入研究人工智能虚拟形象的开发。他们的研究表明，人工智能虚拟形象能够显著提高跨洲开发项目的一致性。据报道，一致性最高可提升35%。这是因为人工智能虚拟形象能够跨越文化和时间障碍，例如，以标准化格式记录信息和决策，并使所有团队成员无论身处何地或处于哪个时区都能访问这些信息和决策。.

人工智能化身还可以帮助防止知识流失，确保项目连续性。如果团队成员离职或休假，他们的人工智能化身可以继续执行任务，确保重要信息和决策不会丢失。.

需要强调的是，人工智能虚拟形象并非旨在取代人类员工。相反，它们旨在作为辅助工具，提高协作效率和效果，使团队即使在复杂分散的环境中也能成功协作。.

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上下文自适应知识库

工业元宇宙中协作工作模式的另一个重要方面是集成情境自适应知识库。复杂的工程项目会产生海量信息和数据，包括CAD模型、材料数据表、标准、指南、以往项目信息等等。挑战在于如何确保在合适的时间、以合适的方式将这些信息提供给相关员工。.

集成知识图谱可以为此提供解决方案。知识图谱是一种语义网络，它以节点和边的形式表示信息，并描绘不同信息元素之间的关系。在工业元宇宙的背景下，知识图谱可以将CAD模型与标准、材料数据表和历史项目信息等关联起来。.

IT 服务公司 DXC Technology 利用元宇宙环境，以全息叠加的方式，将这些数据以上下文关联的方式呈现出来。当工程师在虚拟环境中查看特定组件时，知识图谱中的相关信息会自动显示，例如材料规格、制造指南或以往的测试结果。.

据报道，使用这种上下文自适应知识库可以将设计评审中的错误率降低高达 28%。这是因为工程师可以更快、更轻松地访问相关信息，从而做出更明智的决策。.

此外，机器学习算法可用于分析用户在虚拟环境中的交互，并主动推荐相关信息。例如，如果工程师经常搜索特定标准或材料数据，系统可以自动将这些信息置于显眼位置，甚至在用户搜索之前就主动显示这些信息。.

因此，工业元宇宙中的上下文自适应知识库有助于管理信息过载，并确保工程师和设计师随时都能获得所需的信息，从而使他们能够更高效、更无误地工作。.

经济影响和市场发展

将沉浸式工程和协作工作融入工业元宇宙，不仅在技术上令人振奋，而且有望带来显著的经济效益。该领域的市场发展充满活力，前景广阔。.

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增长预测和投资策略——背景分析

市场研究与创新：元宇宙为何正在改变行业

像 ABI Research 这样的市场研究公司预测，工业元宇宙市场将实现令人瞩目的增长，预计到 2034 年，其复合年增长率 (CAGR) 将达到 32.05%。各公司越来越注重精益实施，以实现清晰且短期的投资回报 (ROI)。.

德勤的一项研究指出，产业元宇宙中存在三大主要投资策略集群：

数字孪生

约45%的公司将投资数字孪生技术列为优先事项。数字孪生是物理对象、流程或系统的虚拟表示。它们使公司能够在虚拟世界中模拟、分析和优化其现实世界的运营。.

人工智能驱动的协作工具

约有30%的公司依赖人工智能驱动的协作工具。这些工具旨在改善团队合作、支持知识管理并优化决策流程。.

自有XR生态系统

大约25%的公司正在开发自己的XR生态系统。这包括构建自己的硬件和软件基础设施，用于元宇宙中的沉浸式工程和协作应用。.

西门子与索尼的合作充分展现了战略联盟如何降低工业领域的研发成本。通过技术共享和专业知识互补，企业可以整合资源，加速创新。据报道，此类合作可将研发成本降低高达40%。.

投资回报率 (ROI) 分析

在工业元宇宙中，对沉浸式工程和协作技术的投资能为企业带来多方面的回报。大量研究和行业项目都证明了这些技术的积极投资回报率。.

虚拟原型技术的关键优势在于能够减少物理原型和测试周期。通过使用仿真和虚拟模型，可以在构建物理原型之前对产品进行全面测试和优化。据报道，虚拟原型技术平均可减少 62% 的物理测试周期。这不仅节省了材料成本，还节省了宝贵的开发时间。.

在虚拟环境中进行同步多学科评审也有助于加速产品开发。来自不同学科的团队能够同时协作地评审和讨论虚拟原型，从而提高协调效率，加快决策速度。据报道，这种同步评审可以将产品上市时间缩短高达 35%。.

塑料制品制造商Igus推出的“Iguversum”系统展示了通过虚拟化自动化测试实现的潜在成本节约。Igus利用虚拟环境来规划、测试和优化自动化系统。据报道，Igus通过使用Iguversum系统每年可节省78万欧元，同时将差旅成本降低了89%。.

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压缩机系统制造商布克哈特压缩机公司（Burckhardt Compression）利用增强现实（AR）技术进行设备维护。AR辅助的维护指导和远程支持能够显著提高维护效率。据报道，布克哈特压缩机公司通过AR辅助维护，设备可用性提高了43%。.

这些案例表明，沉浸式工程和协作技术在工业元宇宙中的投资回报率在各个应用领域和行业都十分显著。其优势涵盖成本和时间的节省、质量的提升以及工厂可用性的提高。.

新的商业模式和价值链

工业元宇宙的发展不仅能提高现有商业模式的效率并降低成本，而且还能开辟全新的商业模式和价值链。.

元宇宙即服务平台就是一个例子，它提供按需付费的高端仿真资源访问方式。获取昂贵的仿真软件和硬件可能是一项重大障碍，尤其对于中小企业而言。元宇宙即服务平台使这些公司能够以经济高效的方式按需使用仿真资源，而无需进行大量的前期投资。.

Holo-Light 的“XR now”平台就是此类平台的一个例子。“XR now”提供按需付费的超级计算资源，供 XR 应用使用。据报道，企业只需每 GPU 小时 0.12 欧元即可使用超级计算资源。这具有颠覆性潜力，尤其对中小企业 (SME) 而言，因为它使规模更小的公司也能进行复杂的模拟，并受益于沉浸式工程的优势。.

与此同时，专门的咨询服务正在发展，旨在将XR技术集成到现有的产品生命周期管理（PLM）流程中。企业引入沉浸式工程和元宇宙技术通常需要对流程、结构和技能进行深刻变革。咨询公司为企业成功管理这一转型提供支持。预计到2026年，此类咨询服务的市场规模将达到124亿欧元。.

因此，工业元宇宙的发展不仅为企业改进其产品和流程创造了新的机遇，也为新公司开发创新服务和商业模式创造了机遇。.

协作的未来：OpenXRT 和区块链如何塑造工业元宇宙

尽管工业元宇宙具有巨大的潜力，但企业在实施过程中也必须考虑一些挑战和关键成功因素。.

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互操作性和标准化

最大的挑战之一是XR格式和CAD系统的异构性。目前存在多种不同的文件格式、跟踪协议和物理引擎，它们之间往往互不兼容。这使得不同系统和平台之间的数据交换和协作变得复杂。.

为了应对这一挑战，标准化举措至关重要。例如，弗劳恩霍夫应用光学与光学研究所 (Fraunhofer IAO) 正在制定一项名为“OpenXRT”的标准，旨在统一文件格式、跟踪协议和物理引擎。其目标是为工业领域的XR技术创建一个开放且可互操作的标准。.

OpenXRT 标准的初步测试结果令人鼓舞。报告显示，数据转换时间最多可缩短 70%，模型精度提高 92%。该标准将显著简化不同 XR 系统和工程工具之间的数据交换，从而提高开发效率。.

分布式环境中的数据安全

分布式环境下的数据安全是另一个重要方面。在工业元宇宙中，敏感的设计数据和生产信息经常在不同的地点和合作伙伴之间交换。因此，确保这些数据免受未经授权的访问和篡改至关重要。.

基于区块链的解决方案，例如西门子的“工业数据空间”，为该领域提供了极具前景的途径。“工业数据空间”实现了企业间安全且自主的数据交换。它利用区块链技术和零知识证明，确保敏感数据只能由授权方查看和使用，同时保护用户隐私。.

加密数据令牌使得在不完全暴露中央PLM系统的情况下，向外部合作伙伴授予临时访问权限成为可能。这对于与供应商和服务提供商合作尤为重要，因为他们可能只需要在有限的时间内访问某些数据。.

因此，数据安全和隐私是企业接受和使用工业元宇宙的关键成功因素。稳健的安全理念和技术对于赢得企业对这些新技术的信任以及确保敏感数据的安全至关重要。.

技能发展与变革管理

引入沉浸式工程和元宇宙技术不仅需要技术上的调整，还需要全面的技能发展和有效的变革管理。员工必须接受新技术培训，并为工作方式的改变做好准备。.

DXC Technology公司宣布推出专为工业元宇宙需求量身定制的200小时培训项目。这些项目不仅传授使用XR系统和仿真软件的技术技能，还培养虚拟团队协作所需的软技能。.

这些培训项目运用游戏化元素来提高参与者的积极性和参与度。据报道，游戏化能够显著提高培训项目的完成率。与完成率通常在 67% 左右的传统培训相比，采用游戏化元素的虚拟现实（VR）辅助培训项目的完成率最高可达 89%。.

与此同时，将伴随工业元宇宙引入而来的文化转变制度化至关重要。制造业领导力委员会 (MLC) 的一项研究表明，68% 的制造企业正在设立专门的元宇宙部门，以积极塑造这种文化变革并推动新技术的整合。.

因此，技能发展和变革管理是成功实施工业元宇宙的关键因素。企业必须投资于员工的培训和继续教育，并培育一种支持创新和新工作方式的企业文化。.

工业元宇宙中的量子计算：未来模拟

工业元宇宙的发展仍处于早期阶段，令人兴奋的未来前景和研究重点已经出现，这将进一步提高这些技术的潜力。.

神经适应性XR系统

基于脑机接口（BCI）的神经自适应XR系统是一个极具发展前景的研究领域。脑机接口能够实现人脑与计算机之间的直接通信。在工业元宇宙的背景下，脑机接口可以将认知信号直接整合到设计流程中，使人与虚拟环境的交互更加直观高效。.

弗劳恩霍夫应用光学研究所 (Fraunhofer IAO) 的早期原型已经展现了神经自适应扩展现实 (XR) 系统的潜力。这些系统读取脑电图 (EEG) 数据，以检测虚拟会议中的压力水平，并自动调节环境亮度。其目标是优化虚拟环境中的工作条件，并减轻用户的认知负荷。.

索尼正在试验基于功能磁共振成像（fMRI）的系统，该系统能够捕捉人们无意识的设计偏好，并将其作为生成式人工智能系统的输入。基于这些偏好，生成式人工智能可以自动生成设计建议，从而加速并改进设计流程。.

神经自适应XR系统有望从根本上改变我们与虚拟环境的交互方式，并催生新型的人机交互模式。然而，要将这些技术推向市场，并解决与脑数据使用相关的伦理问题，还需要开展大量研究。.

用于实时模拟的量子计算

另一个极具前景的未来应用是将量子计算用于工业元宇宙中的实时模拟。量子计算机利用量子力学的原理，能够比传统计算机更快地完成某些计算任务。.

将量子模拟器与XR可视化技术相结合，可以将复杂流动分析或材料模拟的计算时间从数周缩短至数分钟。这将显著加快产品开发的迭代周期，并拓展虚拟测试和优化的可能性。.

苏黎世联邦理工学院的研究项目在材料疲劳的量子预测方面取得了初步成功。这些模拟结果可以可视化为全息损伤图，并应用于工业元宇宙中，以虚拟方式测试部件的寿命和可靠性。.

量子计算有望彻底革新工业元宇宙中的模拟技术，并开辟全新的应用领域。然而，量子计算仍处于早期发展阶段，距离这项技术在工业应用中得到广泛应用还有一段时间。.

通过虚拟工厂实现可持续发展潜力

工业元宇宙也蕴藏着巨大的可持续发展潜力。数字孪生技术能够从设计阶段就开始对生产设施进行节能优化规划。通过模拟各种生产场景和能量流动，企业可以优化工厂的能源消耗并节约资源。.

电池制造商FREYR利用超级工厂模拟来降低其生产设施的能耗。据报道，FREYR通过对生产线进行虚拟平衡，可以将能耗降低23%。.

在工业元宇宙中，人工智能驱动的物流模拟也有助于提升供应链的可持续性。通过优化运输路线和仓储，企业可以减少供应链中的二氧化碳排放。据报道，人工智能驱动的物流模拟平均可减少供应链中18%的二氧化碳排放。.

工业元宇宙中的虚拟工厂使企业能够在不消耗实体资源的情况下规划、模拟和优化生产流程。这有助于实现更可持续的生产，并支持企业努力减少其环境足迹。.

行动的综合分析和建议

分析表明，工业元宇宙中的沉浸式工程并非遥不可及的未来愿景，而是推动竞争关键型创新的重要手段。战略性地拥抱这一发展趋势的企业能够获得显著优势，并引领工程新时代的潮流。.

因此，我们向企业决策者提出以下建议：

采取渐进式实施策略

首先要明确定义能够快速带来投资回报的应用案例。虚拟设计评审或增强现实（AR）支持的维护是积累初步经验并促进公司内部接受度的良好切入点。.

建立跨学科能力中心

组建由信息技术、机械工程和认知科学等领域的专家组成的团队。这些团队可以开发以用户为中心、量身定制的XR解决方案，以满足企业的特定需求。.

优先发展开放型生态系统

采用开放标准和模块化架构，通过 API 接口确保灵活性和适应性。这有助于快速集成新一代技术，并避免厂商锁定。.

实施人工智能协作的伦理准则

制定明确的人工智能在协作环境中应用指南。算法决策过程的透明度和人工监督对于建立信任和最大限度降低伦理风险至关重要。.

协作式、沉浸式和变革式

工业元宇宙的发展在很大程度上取决于人们对沉浸式技术的理解程度，即它们并非孤立的工具，而是网络化价值链不可或缺的组成部分。那些以战略性视角看待这一转型并采纳上述建议的企业，将能够充分发挥工业元宇宙的潜力，并获得决定性的竞争优势。工程的未来已经到来，它是沉浸式的、协作式的、变革性的。.

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