航空航天沉浸式工程

Eric Abbruzzese ， 研究总监 关键发现 近年来，扩展现实（XR）市场经历了起伏波动，但有一个常量一直存在：该技术在多个关键应用领域对组织的价值潜力强大。这一点在培训、协作和数据可视化等领域尤为显著，并且已被证实。在COVID-19疫情期间，XR作为远程工作赋能工具发挥了重要作用，而这种价值至今仍在持续。 CONTENTS 案例研究 ： NATILUS … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …增强现实（AR）智能眼镜和虚拟现实（VR）头戴式显示器（HMDs）常用于相似的目标，但采用不同的方法。例如，智能眼镜保持用户的自然视野并叠加信息——这对于在危险或快速变化的环境中如工厂车间的安全至关重要。VR 头显用虚拟内容替代用户视野，并可通过摄像头透传能力引入现实世界——这有助于保持一定程度的环境意识并实现混合现实体验。根据预期的应用场景和使用环境，全沉浸或环境意识通常是更优选的。当沉浸感和可视化至关重要时，如在设计领域，VR 会胜出。 建议和结论 … … … … … … …… … … … … … … … 7采用最佳做法. 7 关键时间表. 根据预期的应用和使用环境 ， 完全浸没或环境意识通常是可取的。每当沉浸和可视化是关键 ， 如设计 ， VR 获胜。 虽然 XR 在企业部门中具有被证明的价值 ， 但在采用方面有一个一致的限制虽然 XR 在企业部门中具有被证明的价值 ， 但一个一致的限制是和用法 ， 到目前为止 ， 一直缺乏对 XR 内创建的支持。大多数 XR到目前为止 ， 采用和使用一直缺乏对 XR 内创建的支持。大多数 XR实现的重点是内容查看 ， 而不是直接创建 ，实现的重点是内容查看 ， 而不是直接创建 ，创作仍然由传统平台处理 ， 如计算机辅助设计 (CAD) 和内容仍由传统平台如计算机辅助设计（CAD）和三维（3D）建模软件处理。XR的价值则体现在视觉和虚拟协作，以及对内容的培训上。 此类许可方包括但不限于与该许可方同一公司或其他实体内的人员，未经许可方的明确书面许可不得使用。今天，这种情况正在发生变化，XR的能力开始包括创作功能。通过将XR与CAD和3D内容创作工具集成，用户可以在沉浸式平台上创建、交互和发布内容，从而减少干扰并扩展XR在整个工程工作流程中的适用场景。 在航空航天领域，这将证明是非常有价值的。航空航天行业多年来一直支持XR技术，因为XR应用与该行业内公司最迫切的需求高度契合。航空航天领域在运营、供应链和产品方面具有显著的复杂性；沉浸式可视化能力已经在培训和协作中证明了其有用性——将其扩展到内容创作有助于弥合解决方案之间的差距并简化用户体验。在处理主机成本和敏感的产品及操作时，这种简化可以减少迭代和错误，而在该领域这些错误的成本非常高。 市场痛点 航空航天业受到复杂产品和运营的影响，与之相关的高成本问题尤为突出。航空业最常见的三大痛点也是最具影响的痛点分别是：模型复杂性、高迭代成本以及设计和原型制作成本。 模型复杂性 无论运营规模如何，航空航天领域的产品都非常复杂，从组件级别到完整的车辆包。传统的设计软件如CAD适用于复杂的设计和产品，但在可视化和与设计交互方面存在不足。随着复杂性的增加，很容易遗漏细节——这可能发生在参数化设计、模型贴图等各个环节，所有这些都对工程过程至关重要。物理规模在航空航天领域也非常重要，组件和产品往往既大又精度要求高。在传统的二维（2D）屏幕上难以进行可视化展示，而组件之间的关键空间关系也可能被忽略。 在设计具有多个客户选择组件的产品时，复杂性可能会成指数级增长——从工程决策如发动机规格和座椅布置，到更具视觉导向的决策如面料和颜色选择。每个可用选项都会迅速增加复杂性，而这些选项之间的关系可能会被忽略。 极度严格的公差、显著的复杂性、高昂的流程和组件成本都促使了迭代需求的产生。在纸上或CAD软件中运行良好的设计，在转移到实体后可能无法正常工作，从而需要重新制作。在处理物理原型时，这种迭代不仅耗费时间，还会产生实际成本。工程与设计之间的脱节也可能导致重新工作，材料问题、空间关系以及可行性等在创建过程中都是潜在的关注点。 设计和原型成本 直接与高复杂性和迭代相关的是设计和原型制作的成本。精确的客户规格与高复杂性产品相结合，导致资源需求量大。产品的结构越复杂且多样化，达到最终结果的成本潜力就越大。例如，在为飞机工程座椅布局时，过程中需要制作比例模型，这无疑需要时间和资金。每一个未用于最终结果的比例模型都是通往最终产品的一个较低效率的路径。 混合现实能力和使用案例 航空航天的关键 XR 功能 通过沉浸式解决方案，可以在三个方面创造价值：协作、评审和创作。 协作 XR本质上是一种连接解决方案，而连接解决方案带来了协作潜力。XR可以通过实时交互、正确的比例内容和易于集成的数据源来增加额外的协作价值。用户可以使用XR直接创建、共享和交互内容，而无需在CAD解决方案中创建，然后从传统的桌面工作站进行屏幕共享。即使XR仅在专门的协作场景中偶尔使用——例如复杂的3D模型设计——空间准确的虚拟协作的实时价值也是显著的。 与协作相关，XR领域中更加正式化的工作流程和审查过程变得流行。访问视觉和空间上准确的3D内容对审查过程大有裨益，能够解锁传统系统无法实现的精确度和细节层次。逐步指令、可视化验证以及实时指导都是沉浸式平台的重要补充，充分利用了XR设备（如摄像头、机器视觉和可视化潜力）的能力。借助某些解决方案提供的空间元素，审查过程进入了一个全新的维度。以往需要物理原型和模型才能识别和解决的比例和间距问题，在虚拟世界中即可被发现并解决。在航空航天领域，全尺寸模型尤其具有影响力，因为它们需要更长的创建时间、更大的空间和更高的成本。 创建 内容创作是XR在企业应用中较为近期的一项能力。直到最近，XR 主要集中在内容创作之后的应用场景上；例如，在传统的CAD程序中创建内容，然后在XR中进行协作或培训。这种做法在大多数情况下已经足够，但这种方法始终存在一定程度的脱节和干扰。缺乏XR解决方案的能力和舒适度阻碍了其发展——个人计算机（PC）因其更为人所熟知且默认成为更常用的内容创作解决方案。 然而，XR确实提供了一些独特的创作潜力。再次强调，规模本身就是一种强大的可视化和创作工具。能够不仅在大规模下可视化模型，而且从一开始就能够在准确的虚拟尺度下创建和交互该模型，这在过去是不可能的。在空间中使用三维对象进行三维创作与在二维平面上工作然后将其转换为三维近似之间存在直接联系。这开启了独特的思维过程，而这些过程在传统创作中可能不会出现。 支持工作人员转移 虽然不是推动XR采用的主要因素，但一个不错的次要好处是与未来的工作force保持一致。航空航天领域的劳动力，以及大多数工业和制造业部门的劳动力正在变得年轻化。随着这些领域最资深专家的退休率显著上升，存在失去知识和专长的风险。 此外，劳动力结构日益呈现出混合化趋势。对于某些员工而言，这意味着灵活的工作地点。而对于如需现场工作的前线员工而言，这则意味着其可利用的专业知识和工具集得到了扩展（例如XR）。尽管强大的工程软件和工具通常需要专用工作站，但云解决方案的应用正在减少这一需求；通过使设计和工程工作更加灵活，可以保持工作效率。同样地，沉浸式解决方案也适用这一点，基于云的设计或仿真软件极大地扩展了可能的终端设备范围。 当XR平台支持设备内的内容创建时，持久性和准确性变得尤为重要。如果用户不知情地处理不同版本的文件，不仅会影响工作效率，还可能导致新解决方案本应改进的问题反而变得更加糟糕。实时更新的单一数据源可以让用户在编辑和交互内容时无需担心丢失或重复工作。在空间中进行工作——无论是完全虚拟的空间还是现实世界与数字增强的结合——使数字内容在会话之间和用户之间持续存在，从而简化了努力并再次减少了版本控制问题。当与物联网（IoT）或产品生命周期管理（PLM）等多重数据源结合使用时，这一优势尤为强大，因为每个数据点都被链接在一起。 CASE研究 ：NATILUS Natilus 是美国的一家航空航天运营商，专注于研发混合翼体飞机，旨在服务于货运行业。该公司当前正利用西门子的沉浸式工程解决方案以及索尼专为XR设计的头戴显示器。 索尼XR头戴式显示设备专为沉浸式工程应用设计。其独特的控制/输入解决方案结合了环形和指向型触觉控制器，提供了比传统VR控制器更精确、更灵活的输入方式，并支持眼动追踪。通过可翻转的显示屏和摄像头透传设计，用户界面设计更加自然且不侵扰，同时Siemens主要通过NX沉浸式设计师和NX CAD，以及Teamcenter产品生命周期管理（PLM）来支持该头戴式显示设备。 诺蒂卢斯与竞争对手的主要区别在于市场上的速度和灵活性。大型运营商由于客户和运营方面的重大限制，导致创新和新产品推出过程缓慢且迭代频繁。得益于沉浸式工程和更广泛的数字化运营，诺蒂卢斯能够实现更快的决策和产品更新，减少迭代次数。 Natilus 的沉浸式工程应用主要有两种形式：高效设计和客户参与。在设计和工程阶段，用户可以从精确的 3D 内容操控中获益，再次凸显了大规模虚拟工作流的优势。通过 XR协作，设计团队能够更好地理解工程管道中的各个组成部分。例如，在设计和预生产阶段通过虚拟方式试验座位布局，比物理原型制作节省了时间和成本，消除了该过程中空间和资源的限制，并且同时简化了协作流程。 这个相同的沉浸式平台可以用于向供应商和潜在客户展示产品。XR提供的真实感和细节水平是全新的，并且将在销售过程中被越来越多地利用。正如规模对设计师和工程师的价值一样，它在客户互动中也同样重要——对于飞机等产品，规模和视觉设计的直观印象是立竿见影的，而传统幻灯片或视频则很容易失去这种效果。 尽管目前沉浸式工程的实施过程还处于早期阶段，已有若干定性的绩效指标可以评估沉浸式解决方案。错误的成本较高，从一个简单的铆钉位置错误导致几百美元的损失到一个加工错误可能导致数万美元的损失。得益于更为协作和视觉导向的工程流程，避免这些错误直接带来了可量化的节省。简化了协作流程可以节约时间。最终，通过沉浸式解决方案提供的更具说服力和影响力的客户提案，增强了销售业绩。 建议和结论 采用最佳做法 XR在缺乏适当准备和教育的情况下可能会面临挑战，但已经有一些在大规模测试中被证明有效的方法可以最大限度地减少障碍和潜在困难。 Integration 理解数据在现有系统中的位置，以及通过XR接入哪些内容会带来价值。视觉上吸引人且复杂的数据显示是易于优先考虑的目标。早期XR努力的主要焦点往往是孤立的，与物联网（IoT）、产品生命周期管理（PLM）等其他系统分离。这主要是因为集成XR解决方案所面临的复杂性。独特的设备类型，没有保证与现有内容类型和平台兼容，意味着部署简单的、独立的XR解决方案用于单一应用场景（如远程专家支持）更为容易和快速。 在过去几年中，这种情况发生了快速的变化，这得益于对集成价值理解的增强以及由XR使能平台和解决方案提供的基础支持。市场上几乎所有的解决方案都通过应用程序编程接口（APIs）、内容创建工具集甚至专业服务提供了集成点，以简化集成和内容创建过程。 源与用户之间的双向数据关系极其宝贵。将集成视为优先事项可以确保从功能层面和数据安全层面正确设置这些关系路径，这一点在航空航天领域尤为重要。 一个XR解决方案可以非常强大，但同时也需要对正确使用方法进行一些教育。根据ABI Research最近的研究，2024 年工业和制造业调查 ： ， XR 采用的最有影响力的障碍围绕穷人扩展现实 (XR) 技术与目标的 alignment 以及在XR领域缺乏专业知识这些障碍应在初始部署阶段进行规划，并通过以下两种主要形式来解决：简化新用户注册流程和提升用户体验，以及创建内部倡导者推动该解决方案。 用户体