什么是虚拟工厂及其如何实现工业数字化？

为应对汽车电气化、半导体需求增加、制造业务离岸外包以及各种提高可持续性的远大目标，制造商正在投资开发新的工厂并对现有设施进行改造。

而这些项目往往会因为复杂的人工规划流程、老旧的技术基础设施以及相互脱节的工具、数据和团队而超出预算和时限。

制造商正在利用虚拟工厂和数字化应对这些挑战。由数字孪生、通用场景描述 (OpenUSD) 生态系统、生成式 AI 等技术提供支持的虚拟工厂，可以开辟从规划到运营的全新可能性。

什么是虚拟工厂

虚拟工厂是对真实工厂的物理级精确的呈现。通过这些数字孪生工厂，制造商可以在无需物理原型或试验工厂的情况下，对生产流程、资源和运营进行建模、模拟、分析和优化。

虚拟工厂的优点

虚拟工厂为制造商带来了许多优点和可能性，包括：

简化沟通：虚拟工厂简化了沟通，确保关键的设计和运营决策以最新数据为依据，而不是依赖面对面会议和静态规划文件来进行项目协调。
因地制宜的规划：在设施的设计、建设和试运行期间，项目利益相关方可通过虚拟工厂实现整个设施和生产流程的设计可视化。规划和运营团队可将已建结构与虚拟设计进行实时比较和验证，并在审查过程中尽早发现错误和采纳反馈意见，从而降低成本。
优化设施设计：通过连接虚拟工厂与流程和离散事件仿真，团队可从生产和物料流、人体工学工作设计、安全性和整体利用率方面优化设施设计。
智能化并优化运营：运营团队可将虚拟工厂与来自边缘物联网技术的宝贵生产数据整合到一起，利用 AI 推动进一步优化。

虚拟工厂：AI 和机器人技术的试验场

机器人开发者正越来越多地利用虚拟工厂来训练和测试在实体工厂中运行的 AI 和自动驾驶系统。例如开发者和制造团队可以在虚拟工厂中仿真数字工作者和自主移动机器人（AMR）、视觉 AI 智能体以及传感器，来创建整个设施内的工人活动总图。通过融合仿真摄像头数据流与多摄像头追踪数据，开发者可以生成 occupancy 图作为确定自主移动机器人最佳路线的参考。

开发者还可以利用这些物理级精确的虚拟工厂，来训练和测试能够管理机器人队伍的 AI 智能体，确保 AI 机器人能够适应现实世界中的变数，简化并提高人机协作配置效率。

虚拟工厂的基础是什么

为了建立物理精确的大型虚拟工厂，解锁这些带来转变的可能性，需要将多种工具、数据格式和技术集中到一起，协调数字世界中的真实世界呈现。

OpenUSD 最初由皮克斯动画工作室发明，包含一系列工具和功能。它为开发者和制造商带来了实现数字化目标所需的数据互操作性。

OpenUSD 的核心优势在于数据建模上的灵活性。开发者可以输入源应用中的 3D 内容，并通过统一的数据管线将其与各种数据相结合，例如来自计算机辅助设计（CAD）软件、实时传感器、文档和维护记录的数据等。借助 OpenUSD，开发者能够在各个仿真工具和 AI 模型之间共享这些类型的数据，为所有利益相关方提供洞察。工厂车间数据可以同步到数字孪生，为工厂经理和团队提供实时洞察。

通过在 OpenUSD 上开发虚拟工厂解决方案，开发者可以提升工厂团队的协作能力，使他们能够实时审查计划、讨论需要优化的方面并做出决策。

为推动并加快 OpenUSD 生态系统的发展，皮克斯、Adobe、苹果、Autodesk 和 NVIDIA 成立了 OpenUSD 联盟。该联盟正在核心规格、材质、几何体等方面为 USD 建立开放标准。

虚拟工厂在工业中的应用

为了释放虚拟工厂的潜力，Autodesk、Continental（大陆集团）、Pegatron、罗克韦尔自动化、西门子、Wistron 等行业领先者正在开发能与 OpenUSD 和 NVIDIA Omniverse 互操作的虚拟工厂解决方案。Omniverse是一个应用编程接口（API）和软件开发套件平台，开发者能够基于 OpenUSD 为复杂 3D 和工业数字化工作流构建应用。

Autodesk 旗下的 FlexSim 利用 OpenUSD 使工厂团队能够通过建立复杂系统和运营的仿真模型，来分析、可视化并优化现实世界中的流程。在该离散事件仿真软件直观的拖放界面上，可以创建 3D 仿真模型、考虑现实世界中的可变性、运行“假设”情景并执行深入分析。

德国头部汽车技术公司 Continental 的开发人员在OpenUSD 和 NVIDIA Omniverse 上开发了一款工厂规划和生产运营应用 ContiVerse。该应用帮助 Continental 优化工厂布局，协同规划生产流程，预计可将产品上市时间缩短 13%。

Continental 还与 IT 咨询及数字服务提供商 SoftServe 联合开发了 Industrial Co-Pilot，通过将 AI 驱动的洞察与沉浸式可视化相结合，为工程师提供实时指导和预测分析。预计这将减少 10% 的维护工作量和停机时间。

全球最大的智能手机和消费电子产品制造商之一 Pegatron 正在 OpenUSD 上开发虚拟工厂解决方案，以此加快新工厂的开发速度，尽可能减少订单变更、优化运营并实现现有工厂产线吞吐量的最大化。

罗克韦尔自动化正在将 NVIDIA Omniverse Cloud API 和 OpenUSD 与其 Emulate3D 数字孪生软件集成，为制造团队带来数据互操作性、实时协作和基于物理学的可视化，实现工业规模数字孪生生产系统的设计、构建和运行。

西门子既是自动化、数字化和可持续性领域的技术领导者，也是 OpenUSD 联盟成员之一。该公司将从位于云端的领先产品生命周期管理软件 Teamcenter X 开始，在其西门子 Xcelerator 平台中采用 Omniverse Cloud API。这将帮助团队先在虚拟世界中完成设计、构建和测试，然后再在物理世界中构建下一代产品、制造流程和工厂。

全球领先的技术服务商和电子产品制造商 Wistron 正在利用 OpenUSD 实现新老工厂的数字化。通过在 NVIDIA Omniverse 上开发虚拟工厂解决方案，Wistron工厂团队能够远程协同完善布局配置、优化表面贴装技术和内部电路测试线路并改造产品到岸测试。

借助这些解决方案，Wistron 员工的效率提高了 51%，生产流程时间缩短了 50%，通过布局优化和实时监控将缺陷率降低了 40%。Wistron 的全新 NVIDIA DGX 工厂建造速度从约五个月加快到仅两个半月，建造时间缩短了一半。