以生态融合注入创新力,OpenUSD奠定企业数字化转型新里程碑

原创 智能制造IM 2024-02-02 19:30

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本文由e-works编辑部王聪原创发布。

中国有句谚语:“要想富,先修路。”现实生活中交通的高效运行会提高人流、物流等生产要素的流通效率,进而助力整个经济系统的发展。同样,在数字世界中,伴随着人工智能、仿真分析、机电一体化设计、数字化制造等技术和工具的深化应用,多工具之间的互操作性薄弱、集成能力差等弊端逐渐显现。一方面,制造企业需要整合其多元化、分散化的资深技术团队并扩大产品阵容,保持自身在激烈市场环境下的核心竞争力;另一方面,研发设计人员和工厂管理者需要进行跨工具、跨应用的实时协同,以沉浸式的体验加速创新。

实现这一点的关键在于流畅的设计协作,以及让开发者能够在开放、模块化和可扩展的框架中工作。对此,NVIDIA在OpenUSD(通用场景描述)技术基础上深度融合了在GPU数据处理、CUDA运算、实时光线追踪RTX等技术能力,以及长期深耕的可视化、人工智能、仿真生态系统实践,推出了创新、模拟和协作平台Omniverse,成为企业跨越数字工具的重要桥梁。日前,NVIDIA更携手OpenUSD联盟(AOUSD)成员公布了未来发展路线图以及新的OpenUSD协作项目,通过生态融合为虚拟世界的桥梁制订更科学和完善的“交通规则”,解决现实到虚拟世界协同创新中的各个“堵点”,在帮助企业加速创新、重塑竞争力的道路上树立新的里程碑。
 
图1 NVIDIA等公司通过OpenUSD使企业数字化转型迎来新里程碑




为虚拟世界“筑路”,走进OpenUSD的“前世今生”



全球“竞争战略之父”迈克尔·波特指出,企业最佳价值聚焦(best-value focus)来源于两种力量:产业技术的升级和消费者需求的变化。随着新一代信息技术、新能源、新材料等重要领域和前沿方向的革命性突破和交叉融合正在引发新一轮产业变革,对全球制造业产生颠覆性的影响,不同行业的产品研发创新模式发生了深刻巨变。数字孪生、衍生式设计、工业大模型等技术浪潮不断涌现,被制造企业汲取实践。

从需求侧的角度而言,面对激烈的市场竞争,制造企业需要持续改进产品的性能,为用户提供更好的体验。面对用户需求的多样化和个性化发展趋势,企业不仅仅要在研发设计阶段通过数字孪生构建数字化样机,还需要通过虚拟仿真覆盖产品的全生命周期数字孪生,进而优化产品生产工艺、工厂运营和维护模式。

这也是为什么高效的数字化协同创新平台对制造企业如此至关重要的原因。由于产品开发通常跨越多个专业技术领域并具有多种关键技术特征,此外产品的复杂性和用户的个性化发展趋势,都要求制造企业具备“敏捷开发、高效协同”的产品变型设计能力。企业需要采取全局性思维,通过跨工具平台整合数字孪生生态系统中的所有信息和数据模型,在各个模块共同运行过程数据时,共同优化数字孪生体(工厂、产线、设备)。


OpenUSD作为一种开源通用场景描述框架,可实现工具、数据和工作流之间的强大互操作性,使Omniverse成为了企业多工具流“一站式”解决平台。凭借OpenUSD的开放性和高可扩展性,研发设计人员可以随时随地共同协作,化灵感为现实,将最新AI工具以及先进的数字内容创建解决方案集成到其自定义 3D 工作流和应用中。

在OpenUSD 联盟第一批成员(NVIDIA、皮克斯、Adobe、苹果和Autodesk)的共同努力下,OpenUSD拥有了大型复杂数据集所需的所有基本功能,并通过规定底层数据的结构和解释方式,确保跨软件平台和设备的可移植性和互操作性。随着本次十多名新成员(Cesium、Chaos、Epic Games、Foundry、Hexagon、IKEA、Lowe's、Meta、OTOY、SideFX、Spatial和Unity)的加入,OpenUSD的功能性和兼容性进一步提高,不仅支持构建虚拟世界过程中的各种需求,如几何体、摄像机、灯光和材质等更加逼真的呈现,还完成了数字工具的全栈布局,成为互联客户机和应用的中心枢纽。
 

图2 NVIDIA作为OpenUSD联盟的创始成员之一


例如在汽车研发设计过程中,涉及到电气设计、座舱设计、动力总成等多个领域,OpenUSD不仅让所有研发设计参与者都能够通过统一且确定的方式轻松访问和使用OpenUSD数据,还能够实时传递逼真的物理性质、材质、照明、渲染效果。此外,在NVIDIA的RTX、ChatUSD等AI训练技术加持下,汽车整个设计链能博采众家之长,以更敏捷、高效、真实的方式完成协同创新。



为关键场景“赋能”,

树立协同创新“新里程碑”



随着数字孪生的广泛应用,将实时或准实时的动态运行数据记录叠加传统工业模型,工业技术的显性化、模型化、软件化将进一步加速。从企业实际应用角度来看,如何保证信息系统之间动态数据模型的一致更新和功能性孪生,实现建模、渲染、仿真、可视化等各个功能及场景之间的协作和互连,将单点突破提升为整个价值链的共振,成为了数字孪生应用拓展和价值提升的关键。

例如在产品开发过程中,进行设计后必须先制造出实体零部件,才能对设计方案的质量和可制造性进行评估,这种串联的创新方式带来了成本和风险的增加。基于OpenUSD可以让处于产品创新中各个阶段的开发者实时互动,将一环扣一环的串联改为协同创新的并联工作模式,所有开发者可通过实时互动来构建数字化样机、仿真模拟和渲染场景,使产品在制造流程初期就掌握准确信息并预见制造过程,更快的抢占市场先机。

在工程模拟方面,借助在Omniverse平台上开发的定制解决方案,设计团队可以直接在数字世界中优化工厂的整体布局、产线规划、机器人开发和物流系统。工厂管理者可以在这里调整文件的有效性、进行参考文件的更新并确保项目文件的实时性,各个岗位的工厂规划人员随时都可以使用标准化数据库进行产线和工位的协作设计,让整个团队在虚拟工厂中进行互动,使工厂未来更加科学、智能和数字化。例如宝马的德布勒森电动汽车工厂就通过Omniverse平台完成了人机-物料关系验证、多产线配置验证、AGV小车路径规划等一系列应用。
 

图3 宝马集团利用Omniverse构建德布勒森电动汽车数字工厂


在智能工厂建设上,由于Omniverse深度融合了人工智能技术,企业可以在现实世界和数字孪生环境之间实现自主反馈回路,从而不断重复训练和优化AI,优化保证设计和制造准确执行。作为“全球首家全工序数字孪生技术工厂”,位于国内武汉的路特斯通过数字模拟将工厂及产品生成3D模型,再进行仿真还原,使智能工厂的建设效率大幅度提高,从开工到建成投产仅用时三年。
 

图4  NVIDIA Omniverse从多个维度加速数字化制造进程




为生态融合“筑基”,释放数字孪生“无限潜能”



从OpenUSD联盟的图标我们可以看到主要由两个互嵌的三角形构成,这也象征了OpenUSD联盟希望加快虚实融合步伐,共同探索数字孪生应用落地。众所周知,在创建数字孪生的过程中,其开发难点在于它是一个融合多技术、多学科的复杂工程。而OpenUSD的可扩展性与能够支持定义和渲染对象的各种属性,让它非常适合应对这种复杂性。

 

图5 NVIDIA Omniverse重要技术创新路线图


通过3D 工具与 OpenUSD 的无缝互通,可以使用户在各种工具和流程中高效地工作。对于研发设计人员而言,应用OpenUSD只是一种手段,而非目的。无论是进行数字样机设计、仿真分析还是高性能渲染,研发设计人员仍然可以继续在自己喜欢且擅长的3D软件程序如3DMax、MAYA、REVIT中进行工作,然后通过专用的连接器将数据导入到Omniverse中,并进一步完成USD数据模拟、场景规划以及后期呈现。

从技术到场景,再到生态。OpenUSD背后的交换框架不仅仅是一种文件格式,它还连接着一个强大的创作和开发者工具生态系统。在使用过程中,OpenUSD丰富组件能够赋予平台极高的灵活性与协作性,多种功能结构将Omniverse打造成应用、连接器、服务、扩展程序和渲染器的结合体。


例如在日前NVIDIA和西门子打成的深度合作中,可以看到通过连接NVIDIA Omniverse和西门子Xcelerator平台后,数字孪生应用大幅度提升物理实体性能和运行绩效的综合性技术策略。以整个产线的仿真为例,经过西门子Xcelerator的全方位数据采集后,将数据融入NVIDIA Omniverse平台使整个产线拥有了逼真的物理性质、材质、照明、渲染效果。这也使NVIDIA能够为各种规模的企业都将能够使用带有即时性能数据的数字孪生、创建创新的工业物联网解决方案、充分利用来自边缘或云端的分析工具的可执行洞察,并让具有丰富视觉效果的沉浸式模拟变得更容易获取以应对未来的工程挑战。

 6 NVIDIA Omniverse和西门子Xcelerator平台共同深化数字孪生应用


微软Azure作为Omniverse Cloud的首家云服务商,能支持企业在享有Azure云服务的规模分析特性与安全性的同时,访问全套Omniverse软件应用及NVIDIA OVX计算系统。NVIDIA与微软携手基于Omniverse Cloud为客户提供了一套可用于设计、开发、部署和管理工业元宇宙应用的全面云环境和平台功能。
 

图7 NVIDIA与微软携手提供Omniverse Cloud应用方式


在加速IT与OT融合的道路上,NVIDIA还基于OpenUSD构建了多款Omniverse Cloud API,使开发者能够更加流畅地实施和部署OpenUSD流程和应用,例如全新的大型语言模型(LLM) copilot工具ChatUSD,促使各种经验水平的人都可以在 Omniverse 上使用 OpenUSD 进行开发。初学者可以使用现有的平台扩展程序,几乎无需编写代码就能开发工具。经验丰富的开发者可以使用模板,也可以使用 Python 或 C++ 从零开始构建,开发出自己的强大应用和扩展程序。这极大的促进了IT与OT的融合,帮助很多生产一线的自动化工程师在不太精通编程的环境下,加入到开发和部署OpenUSD工作流和应用程序中。

回顾Omniverse平台的“进化史”可以看出,自2019年在GTC大会上发布试用版以来,NVIDIA对Omniverse平台持续更新,不断迭代。一步一个脚印的使其能够更加广泛的赋能企业研发设计人员和个人创作者;通过OpenUSD加速企业创新流程,在推进数字化转型升级道路上树立了一座又一座里程碑。基于OpenUSD联盟的生态协作发展路线图,在即将到来的2024春季GTC大会上,NVIDIA还将携手合作伙伴推出更多基于OpenUSD的拓展功能和典型实践应用,引领未来工业新生态。
 



小结



在描绘企业数字化的未来图谱,感知智能时代的道路上,NVIDIA一直坚持初心,将加快创新步伐、提升生产效率作为推动工业数字化转型升级的方向。正如当初NVIDIA将GPU部署在工作站中加速制造企业研发设计流程一般,基于OpenUSD的Omniverse平台正在成为帮助企业跨越数字工具孤岛的重要桥梁。不仅能够提升研发和仿真效率,为研发人员带来更多想象空间与可能性;更在完善标准和生态建设上赋能,通过融合应用创新发展激发企业数字化转型升级新动能。
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