AR 和 VR技术在工业4.0 时代的机遇

2024-10-30上海AR开发专家

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  　　前　　言
  　　以绿色、智能为主题的2012年德国的汉诺威博览会展示了工业4.0的概念工艺, 让在场的人大开眼界，成为第四次工业革命开端的历史标志;
  　　虽然这次展会有上千家中国企业参展，但是中国企业的智能化程度远不及德国企业，只是单纯的展示机械零配件，相对德国企业高度智能化的产品来说显得差距很大；德国企业则主要展示了机器人、机械臂、3D打印、VR、
  AR技术
  在工业制造领域的应用, 以及把工业制造小型化、分散化的理念;
  　　其实，罗伯特清崎很多年前就曾讲过一个规律：任何事物都会先从个体向巨型发展，当达到庞大的规模又会开始向分散、但功能齐全的小型化发展；船舶、汽车、公司，都是这样的规律～
  　　通过“面向未来——工业4.0”项目，德国政府立项研究这一创新的发展趋势， 德国经济与能源署（BMWi）开展的“工业4.0时代机械自动化”科技项目中，对“面向未来——工业4.0”进行了具体描述并提供支持。
  　　何为 工业4.0
  　　工业4.0概念包括两方面的意思：一方面表示制造业已经进入了第四个发展阶段，通过互联网将实体世界与信息系统相结合，使得企业未来将机械设备、库存系统以及物资融合在一起，而系统、设备、物资之间可以自主交换信息、开展行动、相互监控；另一方面，4.0这样的版本称呼更明确的表明了本次革命不限于传统意义上的机械以及设备制造变革，而是由信息技术产业主导的新型变革；
  　　在工业4.0的概念中， 所有参与制造的设备都可以相互交换数据， 而且能实现跨越多条价值链的横向集成，横向集成是互联网技术在生产制造领域的深入应用，同时也是社会生产力大大提升的阶段；
  　　一切要从产品部件的大规模生产，转变为定制化生产开始。在生产之前，这些产品的使用目的就已确定，并且在生产之前，包括部件所需的全部信息，就已经存在于“虚拟现实”中，所有其他相关的部件也要在虚拟环境中规划，这些部件也有自己的名称和地址，具体的身份信息，因此这些部件知道什么时候，哪条生产线，或哪个工艺过程需要它们，通过这些方式，这些部件得以协商确定各自在数字化工厂中的位置，然后经过数公里的距离到达目的地，到达加工中心后，工件会被识别出来，生产设备实时调用所需要的全部加工信息，加工完成后，通过光学设备，或其他测量设备对其进行检测，可在现场及时发现并剔除不合格的产品，如果及其需要补给或保养，则会在缺料或故障之前发出故障请求，系统会记录库存数量，并对库存及时更新，加工过程中，产品的所有的相关数据，都存在自己的数字化产品记忆库中，这样可以精确的追踪生产的每个步骤，机器设备和工件之间可以直接交流，从而自主决定后续的生产步骤，组成一个分布式、高效、灵活的系统。信息物理融合系统，正是实现这一切的关键技术。但即使是高度自动化的生产，人类的创造力、经验、以及评估、判断实际状况的能力任然不可替代。自动化和人工紧密结合，在质量控制方面，员工可以使用“
  增强现实
  ”技术，来判定产品是否已达到规定的质量标准，从而判定是否可以将产品发给客户。　
  　　在工厂真正智能化之前，必须要解决几个重要问题，其中包括标准化和信息安全方面的问题，工业4.0 将为此提供巨大的机遇。　　
  　　从大规模客制化生产，到个人定制化生产的转变，需要信息技术、虚拟现实、智能机械的支持，智能机械则需要马达、驱动器、控制器、编码器、传感器、视觉识别系统等支持。
  　　经 理 消 失
  　　马克思在研究英国工业革命时期指出：生产力的改变不是革命， 只有生产关系的改变才是革命。
  　　第二次、第三次工业革命都没有真正的改变生产关系，但第四次工业革命做到了：
  　　由于工业4.0时代的技术高度发达， 大量机器人的应用实现了高度自动化， 无所不在的泛计算将导致高度信息化得以实现， 加上真正的CPS(Cyber-Physical Systems，信息物理融合系统，也有学者将其译为“信息物理系统”) 带来的高度网络化， 传统意义上的工人、经理将不复存在，工业4.0 生产体系的自组织能力， 将模糊工人和经理之间的界限，也许每个人都是生产者，每个人也同时是管理者，当然， 每个人也可以给自己投资，成为一个“资本家”。
  　　但如果你要抬杠说，生产关系还是没变，因为人类变成了资本家，而机器人变成了奴隶，那么这个说法是不正确的，因为机器人的存在需要人类的维护、保养，如果人类不付出劳动，机器人依然无法工作，因此从这个意义上说，人类通过为机器人付出劳动彻底当上了自己的主人～
  　　AR和VR的应用
  　　在工业4.0体系中，智能化的标志之一就是虚拟技术在工程上的有效应用；
  　　虚拟工程的方法印发了对现有开发和生产过程本质上的重新思考；
  　　其中CPS所起的作用日益明显，此外，现代3D、4D可视化技术不断进步，此项技术帮助人们看见原本无形的现象，并及早对其进行验证，从而实现新的产品特性和功能；虚拟工程的投入使用让人们可以切实、直接的体验那些未来的、实际尚不存在的物体。
  　　20世纪80年代的“视窗、指针、菜单”模式依然支配着我们的日常生活。由此产生了虚拟工程的核心问题：虚拟现实技术的继续发展在何种程度上能够作为人类与机器之间自然直观合作形式的基础，为人机交互的变化做出贡献？要弄清这个问题，第一个就是要研究人类在何种程度上可以将他的直觉与天性运用到和机器的互动中。这里所指的是人的整体行为，比如身体姿态、手势、语言；
  　　由此我们可以看出，虚拟工程的目标是借助虚拟现实系统来模拟人类的多样的输入和输出途径，以求完美的互动。这样人们就无需再学习如何操作系统，而是系统反过来学习如何服务人类。这就是当代人类向“有能力的人”转变所面临的最大挑战之一。它由计算机交互模拟组成，模拟器追踪参与者的位置和动作，并且用一个或者多个人类的感官来替代或者延伸他们的反馈，从而使得参与者感觉自己精神上沉浸或者置身于模拟环境中。
  　　用户可以通过输入设备或者手势在虚拟世界中导航，或者操纵虚拟世界，虚拟现实的三大主要特征是：
  　　沉浸：用户融入虚拟世界的程度；
  　　交互：用户与虚拟世界间信息的双向流动；
  　　想象力：用户受到环境刺激后所发挥的想象空间。
  　　除了一些又经济实力的部门，如汽车和航空航天工业之外，虚拟现实在工业上还无法得到推广。近年来游戏产业的一项重大模式转变在工程学领域也同样受到了重视。
  　　但作为经典人机界面的计算机桌面环境将会慢慢退出历史舞台，取而代之的是以用户为中心的新型系统；
  　　人们不再操作系统，而是直接改变可视化内容，这些系统界面必须具有相当高的沉浸度才能使得用户有置身虚拟世界的感觉；娱乐行业的3D电视、头戴显示器、游戏主机可以通过手势操控达到这一要求，这些技术的优点在于他们能更快的将信息传递给用户，用户通过感官能更好的融入界面中，从而缩短信息处理时间，加速互动并做出更好的判断，信息、网络、动画、声音、物理等实时仿真也可被纳入虚拟场景中。
  　　总　　结
  　　迈向工业4.0之路是循序渐进、不管严禁的：许多基础技术仍然需要进一步发展，现存的制造业基础设施需要适应工业4.0时代的要求，建立有效的信息物理系统模型也需要新工具、新技术、新方法的大力支持。但只要与信息技术全面整合、具备先进分析和预测能力的工业4.0 得以成功运用和实施，企业的全球竞争力将得以提高，本土制造业将得以恢复，全新的市场将得以开创。
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