在技术革新和终端消费需求多样化的双重推动下，智能制造作为制造业变革的核心，正在对价值链中各个环节进行重新评估与排序。IDC 研究指出，2021 年全球制造业 IT 相关支出达到 7,897.9 亿美元，其中中国市场 1,156.5 亿美元，据其预测，到 2025 年全球制造业 IT 市场投资将达到 1.1 万亿美元。在固定资产投资之上，制造业企业越来越重视数字化、软件及 AI 方面的投入，用以全面拥抱工业 4.0，通过物联网、自动化等技术，实现智能制造，提高生产效率和灵活性，或迈向更加可持续的工业 5.0，加强人机协作，推动制造业向更个性化、人性化、环境友好的方向发展。
实现这一转型的关键在于数字资产与现实世界的一致性与可互操作性，这能够让工厂规划与产品概念在数字世界得到验证，进而在物理世界实现实际应用和反复应用，节约大量的时间与金钱成本，并加速投产。
在企业应用端，当下当之无愧的“算力之王”和“ AI 基础设施之王” NVIDIA 给出了智能制造的解决方案组合—— Omniverse 平台、OpenUSD 和生成式 AI。NVIDIA 创始人兼首席执行官黄仁勋在 2024 GTC 大会期间表示：“所有制造出来的产品都将拥有数字孪生。Omniverse 是一个可以构建并操作物理真实的数字孪生的操作系统。Omniverse 和生成式 AI 都是将价值高达 50 万亿美元的重工业市场进行数字化所需的基础技术。
Omniverse ：虚拟工厂的数字“地基”
NVIDIA Omniverse 是一个原生 OpenUSD 软件平台，用于连接复杂的 3D 制作流程和开发适用于工业数字化的应用程序。其通过 USD 将 3D 工具和数据统一起来，打破信息孤岛，更大限度地减少繁琐的数据准备，并增强企业团队之间的协作。在 Omniverse 中，企业可以利用易于使用的开发者工具，构建先进的实时 3D 应用，来实现以完全高保真度可视化和模拟企业的产品、资产和设施。
Omniverse 于 2019 年在 GTC 大会上发布试用版，并在此之后发布多个平台内应用，宣布与 Autodesk 、 Adobe 等多家 ISV 厂商产品的生态连接，还推出了企业级的 Omniverse Enterprise 。作为 NVIDIA 助力构建虚拟世界的重要工具，Omniverse 仍在不断扩展其生态系统，是 NVIDIA 在虚拟协作和实时模拟技术方面的集大成之平台。
Omniverse 平台的一个关键优势是其数据互操作性。通过 OpenUSD，不同来源和格式的数据可以被整合到一个统一的环境中，为团队提供一个全面的工厂或产品视图。这种能力极大地简化了跨部门沟通，提高了决策的质量和速度。
Omniverse 平台支持实时仿真和协作，这意味着设计师、工程师和操作人员可以同时在同一个虚拟环境中工作，即使他们身处世界各地。这种实时的协作机制，为快速迭代和创新提供了可能。
NVIDIA 还将生成式 AI 技术融入 Omniverse 平台，使得虚拟工厂能够自我学习和优化。AI 的加入不仅提升了仿真的精度，还使得虚拟工厂能够预测未来的生产场景，为制造商提供前瞻性的洞察。
多家制造业领先企业已经通过采用 Omniverse 平台取得了显著成效。例如， Wistron 通过使用 Omniverse SDK 和 API 开发的定制软件，为其工厂创建了数字孪生，从而提高了工人效率，缩短了生产流程时间，并显著降低了缺陷率。
来自纬创（Wistron）的工厂数字孪生
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融合 AI 与软件生态， NVIDIA 在各环节工业工作流中“大显神通”
Omniverse 中整合了生成式 AI、数字孪生、实时仿真等前沿应用，将 AI 以及各类软件应用通过同一平台集成到工业工作流中。依托 NVIDIA 在图形处理和并行计算方面的优势，数字孪生与仿真能够学习和适应复杂的生产环境，以提高生产效率和产品质量。
在制造业、工厂物流和机器人领域，NVIDIA 的实时 AI 技术正在帮助处理繁复的工作。通过 Omniverse，NVIDIA 提供了一个共享的虚拟空间，使得跨学科团队能够在一个统一的环境中协作，实现从概念设计到生产规划的无缝衔接。通过仿真优先的方法，NVIDIA 使开发者能够在数字孪生环境中开发、测试和完善大规模实时 AI，然后再将其部署到实际的工业基础设施中，极大地节省了时间和成本。
在 GTC 2024 大会上，NVIDIA 发布了 Omniverse Cloud API，为开发者提供了五个强大的工具：USD Render 、USD Write、USD Query、USD Notify 和 Omniverse Channel。这些 API 可以单独使用或组合使用，以支持场景渲染、数据修改、查询、变更追踪和跨场景协作。通过这些 API，开发者能够将 Omniverse 的核心技术集成到现有的数字孪生设计与自动化软件应用中，或是集成到用于测试和验证机器人或自动驾驶汽车等自主机器的仿真工作流中。
由 Omniverse Cloud API 提供支持的自动驾驶车辆传感器仿真
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同时， NVIDIA 不断扩展其软件生态系统，通过与全球大型工业软件制造商合作，如 Ansys、Cadence、Hexagon、微软、罗克韦尔自动化、西门子和 Trimble 等，将 Omniverse Cloud API 集成到它们的软件组合中。此类合作为工业用户提供了更广泛的应用场景和解决方案。
NVIDIA 与西门子的合作是生成式 AI 在工业设计和制造中应用的一个典范。西门子正在其 Siemens Xcelerator 平台中采用 Omniverse Cloud API，其中的 Teamcenter X 作为业界领先的云端 PLM 软件，通过与 Omniverse API 的结合，能够实现更高效和沉浸式的产品设计与开发。这种集成不仅打通了设计数据到 NVIDIA 生成式 AI API 之间的通路，还在应用内直接使用了 Omniverse RTX 渲染，从而允许工程师和设计师在虚拟环境中以前所未有的细节和逼真度创建和评估产品的数字孪生。
由 NVIDIA Omniverse API 提供支持的西门子 Teamcenter X
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通过这种集成，西门子的客户可以在实际建造之前，对下一代产品、制造流程和工厂进行虚拟设计、建造和测试。这不仅加速了工程协作，还最大限度地减少了工作流中的浪费，节省了时间和成本，并降低了制造缺陷的风险。Omniverse Cloud API 的数据互操作性和基于物理学的渲染，为 Teamcenter X 中的工业规模设计和制造项目带来了颠覆性的改进，推动了整个制造业向更高层次的数字化和智能化发展。
工业级数字孪生需要具备哪些技术特性？
数字孪生是资产、流程或环境的物理精确虚拟副本，它们不仅遵循物理定律，而且与现实世界同步，具备真实的物理特性、材料、照明、渲染和行为。数字孪生通过 AI 的优化和训练，能够与我们的物理世界互动，并基于物理法则做出推荐和自主决策。
首先，在构建工业级数字孪生的过程中， NVIDIA Omniverse 允许用户在多种 3D 应用程序和数据格式之间无缝集成和协作，从而实现全保真度的 3D 数据集聚合。因此，制造企业可以创建一个单一的数据来源，实现 3D 模型的实时共享、协作和完善，这极大地简化了设计审查流程，并加快了决策和生产时间。此外，该平台的可定制性和可扩展性使用户能够开发自定义的 3D 工具和应用程序，以支持特定的数字孪生项目需求。
在实现数据集成与互通后，制造业企业可以通过 NVIDIA Omniverse 调用强大的物理仿真功能，这对于确保数字孪生在工业应用中的准确性至关重要。用户可以选择多种物理仿真选项，包括开源的 Physx、第三方物理求解器生成的数据，以及 NVIDIA Modulus 提供的 AI 加速物理仿真等。
对于自动化和 AI 集成需求， Omniverse Enterprise 能够支持企业实现数字孪生与机器人模型的连接，使用 NVIDIA Isaac Sim 进行仿真和训练，以及使用 NVIDIA Metropolis 和 Omniverse Replicator 进行 AI 感知系统的训练和优化。这些工具的结合使用，使得在现实世界中难以或不可能进行的训练和测试成为可能。
同时，通过物联网传感器、 PLC 和其他实时数据流，数字孪生可以与其真实世界实物连接，形成一个完美同步的系统。这使得企业能够持续监控并洞察物理系统和生产环境，进行准确的虚拟测试和实验，从而提高运营效率和性能。
实时 AI 与数字孪生的融合
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NVIDIA Omniverse 不仅是一个软件平台，它还代表了一种全新的合作和工作方式。其为制造业提供了一个强大的工具集，用于设计、模拟、优化和连接物理世界与数字世界。随着制造业不断寻求提高效率、降低成本和加速产品开发， NVIDIA Omniverse 正成为实现这些目标的关键技术之一。
小结
在智能制造的浪潮中， NVIDIA 以其创新的 Omniverse 平台，再次证明了其在推动工业数字化转型方面的领导地位。该平台基于 OpenUSD，不仅提升了研发和仿真的效率，还为工程师和设计师提供了更广阔的创造空间。NVIDIA 的坚持和初心，体现在其不断加快的创新步伐和对生产效率提升的不懈追求。通过 Omniverse，NVIDIA 正在帮助企业跨越数字工具的孤岛，构建起一个互联互通的虚拟工作环境，这不仅促进了企业内部的协作，也为整个制造业的数字化未来描绘了一幅生动的图谱。
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