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虚拟现实技术与传统行业的融合
发布时间:2017-06-14 09:28  来源:高科技与产业化  作者:温晓君 徐永健 徐丰
 作为继计算机、智能手机之后又一潜在的通用型计算平台,虚拟现实真正的经济价值和社会效益,将体现在与传统行业领域的深度融合和广泛应用中。从全球看,虚拟现实在基础技术方面仍存在一些共性难点和问题,全球企业都在寻找更可行的新技术和新方案,虚拟现实的技术体系和商业模式处于不断发展演进中。
目前,全球虚拟现实在B端行业应用市场已渐成燎原之势,前期应用领域主要包括军事、制造、教育、医疗、文化艺术、旅游等。行业应用的快速渗透和效益拉动,将为虚拟现实产业的真正爆发提供不竭动力。
广阔的行业应用
军事:有效提高战场生还率
虚拟现实在武器系统的设计和性能评价、操作训练、大规模军事演习及战役指挥等方面发挥了重要作用并产生了巨大的经济效益,同时有效地降低了意外伤亡事故。据统计,未参加过实战的飞行员在首次执行任务时生还率只有60%,而经模拟对抗训练后,生还率可提高到90%以上。美军利用“虚拟舰艇作战指挥中心”仅需5个月就能培训出合格军官。未来,军事领域仍将围绕提高这三类虚拟系统能力展开,进一步开发包括战场环境数据融合与输出建模(包括地形绘制、天气描述、运动和传感、武器系统与效应、自主兵力部署等)、分布式多维武器系统交互等应用场景。
制造:打破二维平面思维桎梏
虚拟现实技术在制造业的设计研发、装配、检修、培训等环节已实现初步应用。
在设计研发环节,虚拟现实技术可展现产品的立体面貌,使研发人员能够全方位设计产品的外形、结构、模具及零部件配置使用方案,特别是在飞机、汽车等大型、精密装备原型样品研制过程中,有效提升设计效率。福特公司自2000年以来就开始将虚拟现实应用于汽车设计过程,目前已将虚拟现实置于汽车开发的核心位置;法国达索公司开发了虚拟现实通用设计平台,波音公司采用该平台设计了波音777和787型飞机的三百多万个零部件,使得设计错误修改量减少90%、研发周期缩短了50%、成本降低60%。
在装配环节,虚拟现实技术主要应用于精密加工和大型设备的装配,通过高精度设备、精密测量、精密伺服系统与虚拟现实技术的协同,实现工件、加工环境、加工系统之间的精准配合,将系统误差和随机误差降到极低的水平。操作人员在产品原型实际加工之前即可全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉,也可通过程序自动检查装配状态,大大提高实际装配成功率并降低零件制作返工率。中国一拖集团采用我国本土企业曼恒数字研发的“数字化虚拟现实显示系统”打造出虚拟装配车间,可实现360度内部全景漫游,既能多角度观察每个装配工位,又能精准跟踪装配工件的生产工艺流程,为我国大型农业装备制造行业发展注入了技术创新的活力。
在设备维护检修环节,虚拟现实技术应用于复杂系统的检修工作中,能够实现从出厂前到销售后的全流程检测,提高服务效率、拓展服务内容、提升服务质量,将制造业服务化推向新的阶段。美国福特公司联合克莱斯勒公司与IBM合作开发了应用于汽车制造的虚拟现实环境,在汽车出厂前可以检验出其存在的设计缺陷并辅助修正,在汽车出厂后,还可以通过远程数据传输构建虚拟可视化检修环境,实现远程预判性和实时性的检测维修服务。
在培训环节,通过利用虚拟现实技术建立虚拟培训基地,能立体展现制造场景,帮助学员通过全方位的感知体验,获取高仿真、可重复、低风险的学习体验,有利于制造业从业人员提前熟悉制造场景、提升应用技能。当前,已有许多国内外企业运用虚拟现实技术开展培训工作。英国皇家装甲公司采用虚拟现实技术,对14.5吨的新型车辆进行车辆训练模拟,实现了对专用车型驾驶员的操作培训。
未来,虚拟现实尤其是其中增强现实技术应用的逐渐成熟,实现大型物理系统与信息交互系统的实时感知和动态控制,打通从设计到制造再到服务的链条,为智能制造的发展提供强有力的支撑。
教育:革新知识获取的渠道和交互方式
虚拟现实技术在教育领域的应用主要包括科学研究、虚拟学习环境、人体模型仿真等。虚拟现实通过提供生动逼真、沉浸性和交互性的体验,有助于营造“自主学习”的环境,实现由传统的“以教促学”的学习方式向学习者自主感知并与环境信息交互汲取知识、技能的新型学习方式转变。IBM开发的AWEDU(Active Worlds Educational Universe)系统,可让教师甚至初学者在3D环境中快速构造和定制一个虚拟世界。中国科技大学开发的大学物理仿真教学软件开创了物理实验教学的新模式,它利用计算机将实验设备、教学内容(包括理论教学)、教师指导和学习者的思考、操作有机融合为一体,克服了实验教学长期受到课堂、课时限制,在内容上进行了扩展。未来,虚拟教育、虚拟课堂等应用将更加普及,虚拟现实技术将会更广泛地应用于学习情景的创设,大幅提升学习内容的形象性和趣味性。
医疗:术前规划精准施治
虚拟现实技术在医疗健康领域的应用主要包括学习培训、手术模拟、精神康复质量等方面。汉堡大学开发了VOXEL-MAN虚拟平台,建立了融合医学影像学领域优秀成果及完备的医学知识库系统的三维可视化人体模型。用户可选择任意角度观察虚拟人体,可模拟解剖、外科手术,可模拟进行放射成像、测量距离等、可方便地进行手术前模拟训练,提高手术成功率。通过提供具有真实感的环境和实时的触觉反馈,虚拟现实技术可帮助医生提高手术的熟练度和成功率,虚拟出有效的康复训练计划帮助病人实现术后康复,帮助培训者快速地掌握医学要领。未来,虚拟现实在人体病理模型建模、药物研制开发等方面还将大有可为。Rutgers大学设计成了一种敏感手套,可记录手指的运动和力,利用记录数据和力反馈信息虚拟出相应的康复疗法,已在为有听力障碍者提高听力方面实现了应用。多伦多大学药品系分子结构设计和信息技术中心(MDIT)虚拟现实中心推出高性能计算与具有高度沉浸感的可视化技术相结合的SGIOnyx3800系统,使研究人员能够更有效地研究分子之间的相互作用,运用应用软件来完成计算化学所需的繁琐数字计算,进行新药品的开发。
文化艺术:提升想象空
间虚拟现实在文化艺术领域的应用,主要包括通过数字手段进行文物古迹复原、文物和艺术品展示,提供虚拟场景进行雕塑、立体绘画等艺术创作,以及作为一种新型工具进行建筑设计、汽车设计和室内设计。圆明园与清华大学、北京航空航天大学等合作,利用虚拟现实技术,建立数字模型,通过光学显示将模型叠加到现存的废墟上,真实地再现圆明园原来的场景。《经济学人》媒体实验室用虚拟现实技术重构了被毁坏的伊拉克摩苏尔博物馆,还原了部分文物,包括石狮子、神像和图腾。体验者通过佩戴VR眼镜就可游览“摩苏尔博物馆”。作为传输显示信息的媒体和新型设计工具,虚拟现实可将艺术动态化,将设计者构思变成看得见的虚拟物体和环境,将不复存在的文物进行复原展示,大幅提高表现能力,为文化艺术发展带来无限想象空间。
旅游:虚拟体验
虚拟旅游是在现实旅游景观基础之上充分利用虚拟现实技术,通过模拟或还原现实中的旅游景区构建虚拟旅游环境,向旅游者提供虚拟体验的旅游形式。虚拟旅游可细致逼真、生动地再现旅游景点的风光风貌,带来虚拟导游、地图导航、酒店预订、社区、虚拟古迹等方面切实可观的效益。爱尔兰、菲律宾等国家的旅游部门和众多著名的旅游公司,如STATravel、Starwood、Hyatt等均在SecondLife、OpenSim、ProjectWonderland等在虚拟现实游戏中开发了虚拟旅游市场,吸引游客将其作为旅游目的地。截至2015年底,全球旅游网上交易共达130亿美元,其增长速度甚至高于IT行业。
构建开放生态体系
虚拟现实在行业应用的共性结合点可归纳为三个方面:一是规划决策,二是设计评价,三是训练体验。虚拟现实的行业应用一定从高端装备制造、原型产品设计、流程仿真、高端虚拟平台服务等高附加值行业或价值链的高端环节兴起,新技术系统应用增加的成本须与所获得的效率之间达成权衡。
虚拟现实产业与应用发展的重点在于构建跨领域融合开放的产业生态体系,促进资源共享和协同创新。作为典型的跨界融合领域,虚拟现实基础层面与物联网、工业互联网、云计算、大数据等紧密联系,产品层面与智能手机、可穿戴设备、智能家居、智能汽车等智能设备息息相关,应用层面与智能制造、智慧医疗、智慧教育、智慧交通等领域关联密切,任何单一的企业均无法涵盖虚拟现实从技术、产品到应用的全产业链。分行业应用的成功案例中,开放生态体系的搭建包括三个层次:一是底层基础资源共享,包括高校、科研院所、企业间核心技术和核心软硬件资源的合作;二是产业链的深度合作,包括行业事实标准体系的建立,产业链环节的互动和开放式协同创新等;三是建设经济上可持续、可维持的应用系统,通过智能终端融合应用、传统产业融合应用、互联网平台的融合应用来控制成本、提高盈利。
促进虚拟现实行业应用
从全球看,虚拟现实在基础技术方面仍存在一些共性难点和问题,全球企业都在寻找更可行的新技术和新方案,虚拟现实的技术体系和商业模式处于不断发展演进中。作为一个新兴领域,国内外虚拟现实产业目前的发展基本同步,国外企业加快发展的同时,国内企业也在积极布局跟进。这为我国电子信息行业提供了同步参与国际创新、同台竞争、跨越式赶超的机遇,而行业应用的深入开展,既是中国特色“互联网+”的细化创新,也为《中国制造2025》战略实施提供了强有力的保障。为此,提出以下建议:
强化顶层设计
定义和构建若干典型应用场景,明确应用需求,分步、有序推进虚拟现实技术在各行业领域的融合应用。推动虚拟现实在设计研发、检测维护、操作培训、营销展示等环节的应用,提升辅助设计能力和制造服务化水平。将虚拟现实应用于协同制造、远程协作等方面,建立生产过程数据采集和分析系统,实现生产进度、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送等生产现场数据的可视化管理,提高制造执行、过程控制的精确化程度。推进虚拟现实在产品全生命周期各环节和企业管理各方面的应用,实现设计、工艺、制造、管理、物流等环节的集成优化,推进企业数字化设计、装备智能化升级、工艺流程优化、精益生产、可视化管理、质量控制与追溯、智能物流等方面的快速提升。
加强重点攻关
组织产、学、研,用各机构多方面力量解决关键共性技术问题,鼓励开发具有更好使用体验的创新型产品。突破工业互联网信息三维空间的注册定位、建模、搜索、显示与交互等核心技术。提升虚拟现实主控芯片、微显示器、高端传感器的供应能力。加快虚拟设计、虚拟装配制造、虚拟检测维修、虚拟培训等软件及工具包的开发及产业化。构筑大数据和虚拟现实相结合的智能服务云平台,提升产业自主创新能力和融合创新能力。
制定标准规范
推动建立虚拟现实技术、产品和系统评价指标体系,开发相应的评价工具,保障虚拟现实产品性能和质量。构建基于虚拟现实技术的信息物理系统参考模型和综合技术标准体系。推动工业级虚拟现实软硬件标准,以及工业互联网设备、产品之间标识解析、数据交换、安全通信等标准的制定。建设虚拟现实应用测试验证平台和综合验证试验床,开展兼容适配、互联互通和互操作等测试验证。
推进试点示范
推广宣传典型示范案例,提高相关企业、产品和品牌影响力,进一步推动其市场化应用。面向汽车、钢铁、高端装备制造等重点行业,设立若干基于虚拟现实的智能制造应用示范区,打造智能制造单元、智能生产线、智能车间、智能工厂,通过应用验证反馈完善系统功能。培育一批系统解决方案供应商,组织开展行业系统解决方案应用试点,为中小企业提供标准化、专业化的系统解决方案。
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