Explorer le fossé cognitif et le potentiel des technologies XR
Le développement, la validation et l'industrialisation de produits sont devenus un cycle de vie numérique de bout en bout. Cependant, il existe une déconnexion fondamentale entre la richesse des données numériques disponibles pour les ingénieurs en produits et en fabrication, et le monde physique dans lequel nous tentons de les appliquer.
Ce post discute de l'impact du "fossé cognitif" qui en résulte et du défi associé aux équipes géographiquement dispersées. Il examine le potentiel offert par une nouvelle génération de 'computing spatial' ou 'Réalité étendue' (XR) technologies et présente comment Tech Soft 3D a tiré parti de l'expérience de Visualisation en ingénierie pour créer des espaces de travail collaboratifs uniques.
Chez Tech Soft 3D, nous croyons qu'en combinant les forces des humains et des machines et en intégrant la technologie numérique dans le monde physique, la XR augmentera considérablement la création de valeur en ingénierie.
Un monde qui exige plus !
Nous vivons dans un monde qui connaît des changements à un rythme sans précédent. La technologie évolue plus vite, et les taux d'adoption de la technologie s'accélèrent ; portés par des marchés en maturation rapide et une croissance de la population mondiale, le monde exige plus de choix, une personnalisation accrue et une performance supérieure. Les fabricants répondent avec plus de produits, les mettant sur le marché plus rapidement que jamais, et poursuivant toute opportunité de prendre un avantage concurrentiel.
Le rythme de développement et d'adoption technologique peut être un défi pour beaucoup, mais il est également le catalyseur de la transformation des entreprises nécessaire pour répondre.
Le développement, la validation et l'industrialisation de produits sont devenus un cycle de vie numérique de bout en bout. Au cœur du développement et de la fabrication de produits modernes, une épine dorsale numérique connecte désormais les ingénieurs produit au domaine de la fabrication, et à l'entreprise étendue en amont et en aval. Les ingénieurs produit et leurs pairs en fabrication capturent des données, les analysent et en tirent des enseignements, et créent une boucle fermée de rétroaction pour une amélioration continue dans l'ensemble de l'entreprise. Cette épine dorsale numérique permet la collaboration et la distribution en dehors de l'entreprise traditionnelle, dans un système de valeur mondial. Elle fournit la fondation pour la fabrication numérique, et pour l'adoption des technologies de fabrication avancées tant aujourd'hui que demain.
Écosystème numérique
Avec l'évolution de l'informatique comme partie essentielle de l'ingénierie de conception et de fabrication, les méthodes d'ingénierie séquentielle et simultanée de la conception et du développement de produits ont été remplacées par des approches d'ingénierie concurrente. En adoptant l'ingénierie concurrente, les fabricants peuvent éviter des erreurs coûteuses, améliorer les coûts et la qualité, et accélérer le temps de mise sur le marché. Cependant, comme l'ont noté Porter et Heppelmann dans le numéro de décembre 2017 de la Harvard Business Review, « il existe une déconnexion fondamentale entre la richesse des données numériques disponibles et le monde physique dans lequel nous les appliquons ». Les auteurs continuent de noter que « les riches données que nous possédons maintenant pour informer nos décisions et actions restent piégées sur des pages et des écrans 2D ».
Combler le fossé entre le monde numérique et physique présente une opportunité d'exploiter le pouvoir du développement de produits numériques et de la fabrication numérique comme un avantage concurrentiel. Ce post discute comment Tech Soft 3D a adopté une approche unique pour rendre cette opportunité accessible, démontre comment nous aidons les fabricants éclairés à embrasser la prochaine vague de collaboration, et présente les technologies qui sont à l'avant-garde de cette révolution immersive.
Combler le fossé cognitif
Les humains accèdent et traitent l'information par chacun de nos cinq sens ; la vue, l'ouïe, l'odorat, le goût et le toucher. Cependant, la capacité à traiter cette information varie entre les sens, et la majorité (estimée entre 80% et 90%) des informations humaines est accessible par la vue.
Notre capacité à consommer et traiter l'information est limitée par la demande sur notre capacité mentale, ce que l'on appelle 'charge cognitive'. La charge cognitive est influencée par l'effort mental nécessaire au traitement d'un certain type d'information. Par exemple, en lisant ce document, un effort mental est requis pour traduire les lettres en mots, et les mots doivent être ensuite interprétés en signification.
Plus important encore, dans le contexte de la déconnexion entre les mondes numérique et physique, la charge cognitive dépend également de manière significative de la 'distance cognitive', c'est-à-dire l'écart entre la forme sous laquelle l'information est présentée et le contexte dans lequel elle est appliquée. Par exemple, en suivant des instructions de navigation depuis un système de navigation satellite intégré au tableau de bord dans un véhicule, le conducteur doit consommer l'information présentée à l'écran, retenir cette information en mémoire de travail, traduire les instructions dans le monde physique devant lui, puis finalement agir sur les instructions, tout en gardant le contrôle du véhicule. Le voyage cognitif qui en résulte crée une charge cognitive significative. C'est pourquoi nous voyons maintenant des affichages tête haute (HUDs) être utilisés pour superposer les données pertinentes et les conseils là où ils sont nécessaires - en plaçant l'information dans le contexte et en superposant cette information sur le monde physique par une projection sur le pare-brise du véhicule, cela réduit la distance cognitive et donc minimise la charge cognitive.
Les psychologues poussent ce concept encore plus loin, en montrant grâce à la recherche que les humains ne peuvent se consacrer qu'à une 'tâche cognitive' à la fois. La recherche montre que le changement de tâche (alias multitâche) est « coûteux », prend plus de temps à accomplir, et entraine plus d'erreurs lorsque vous passez d'une tâche à l'autre. Si les tâches sont complexes, alors les pénalités de temps et d'erreur, ou 'coût cognitif', augmenteront. En fait, la même recherche a conclu que le changement de tâche pouvait entraîner une perte de productivité allant jusqu'à 40%.
Considérez donc le scénario de l'ingénieur d'aujourd'hui, contraint de visualiser des versions réduites de modèles 3D, à travers un écran 2D, tout en tentant de considérer l'impact des changements dans le contexte de produits de taille réelle dans le monde réel.
Étant donné les pressions croissantes sur les fabricants pour en faire plus, pour le faire plus vite et pour le faire mieux, les avantages de réduire la distance cognitive et le potentiel d'améliorer la productivité sont une raison impérieuse de relever le défi dans un contexte d'ingénierie.
Comment la technologie a-t-elle répondu pour réduire la 'distance cognitive' ?
La réalité virtuelle (VR) est une expérience générée par ordinateur prenant place dans un environnement entièrement simulé, incorporant des rétroactions auditives et visuelles, mais peut également inclure d'autres types de rétroactions sensorielles comme les haptiques. La simulation générée par ordinateur d'une image ou d'un environnement tridimensionnel peut être interagit d'une manière apparemment réelle ou physique par une personne utilisant un équipement électronique spécial, tel qu'un affichage monté sur la tête ou des gants équipés de capteurs. Dans un sens littéral, la VR peut permettre de 'vivre' n'importe quoi, n'importe où, n'importe quand. C'est le type de technologie de réalité le plus immersif.
Dans un contexte industriel, la VR commerciale évolue depuis environ 30 ans. Développée par des entreprises spécialisées dans les logiciels de niche, pour servir de grandes entreprises de développement de produits et de fabrication, l'expérience immersive peut être créée à travers des environnements CAVE complexes où des projecteurs sont dirigés vers trois à six murs d'un cube de la taille d'une pièce. Cela produit des rendus grandeur nature, donnant à l'utilisateur l'impression d'être immergé dans un monde 3D avec lequel il peut interagir grâce à des lunettes 3D et un contrôleur ou un gant. Les CAVEs sont, cependant, extrêmement chers, coûtant autour de 1 M$ ou plus.
Les PowerWalls ont tenté de réduire l'investissement requis autour de 100 000 $ (éventuellement plus si une résolution 4K est recherchée). Comme un CAVE, un PowerWall crée un affichage par projection ou plus récemment par un affichage matriciel. Encore une fois, comme dans un CAVE, des lunettes 3D sont utilisées pour créer l'illusion de trois dimensions. Cependant, malgré la résolution, inévitablement la sensation est celle de travailler sur un écran 2D, bien qu'à échelle réelle.
Il est également utile de noter que juste présenter les données en 3D ne fait pas un système immersif. C'est seulement grâce aux technologies de suivi de capture de mouvement que le système devient réellement immersif. Les marqueurs sont vus par le système et l'image sur l'écran est ensuite rendue selon le point de vue de la personne. Cela signifie que l'utilisateur suivi est correctement immergé. Cependant, cela ne peut suivre qu'une personne. En conséquence, pour tous les autres observateurs, la vue est légèrement décalée, sauf s'ils se tiennent directement derrière la personne suivie. Donc, votre CAVE ou Powerwall commercial n'est vraiment immersif que pour une personne à la fois ; en considérant ce fait, ces systèmes paraissent encore plus chers !
La VR commerciale sous forme de CAVEs et PowerWalls a été étroitement alignée avec les développeurs de logiciels de gestion du cycle de vie des produits (PLM), tels que Siemens, Dassault Systèmes et PTC, présentant un autre point d'accès coûteux pour les entreprises de développement de produits tentant de tirer parti de la VR. De même, la préparation des données pour l'utilisation dans ces systèmes de VR commerciale est un processus difficile et chronophage, amenant de plus grandes entreprises à déployer des équipes de préparation des données dédiées pour répondre à la demande.
De manière intéressante, la réalité virtuelle a suivi un chemin de développement parallèle dans le monde des consommateurs ; la VR grand public évolue depuis environ 20 ans. Contrairement à la VR commerciale, les entreprises de technologie derrière la VR grand public sont des géants technologiques mondiaux, tels que Samsung, HTC, Google et Oculus (Facebook). L'objectif a été la disponibilité à grande échelle et un coût réduit. Plus important encore, cependant, contrairement à la VR commerciale, et malgré la présence de multiples géants du matériel dans ce domaine, le logiciel derrière la VR grand public est issu de l'industrie du jeu, et il est dominé par deux acteurs massifs du monde du jeu ; Unity et Unreal. La VR grand public est une technologie totalement immersive, l'utilisateur voyant un environnement entièrement simulé à travers des affichages montés sur tête grand public. L'avantage est que les utilisateurs peuvent être 'transportés' vers une simulation grandeur nature de n'importe quel environnement, puis interagir avec cet environnement à travers des manettes liées. La simulation permet également à de multiples utilisateurs d'interagir dans le monde simulé. Un exemple fantastique de cela a été dépeint dans le film de 2018 "Ready Player One".
La VR grand public a évolué vers deux technologies alignées, la réalité augmentée et la réalité mixte. Utilisant les mêmes moteurs graphiques que la VR grand public, mais incluant maintenant d'autres approches de développement telles qu'ARKit d'Apple et ARCore de Google, la réalité augmentée (AR) offre la capacité de superposer et de visualiser des données numériques sur des images du monde réel, en utilisant des dispositifs traditionnels tels que les smartphones et les tablettes. Bien que dominée aujourd'hui par les applications de jeu, l'AR connaît une adoption rapide dans des applications telles que la formation, où des instructions d'assemblage ou de service numériques peuvent être présentées en ancrant des images numériques sur des 'repères' réels. Un certain nombre de développeurs de solutions de formation aident les fabricants à exploiter cette opportunité. L'inconvénient peut être une distance cognitive créée par le fait de devoir placer l'écran sur le côté tout en travaillant, ou le handicap de tenir un écran en essayant de travailler avec les images affichées. Les dispositifs montés sur tête, tels que VUZIX, ou les lunettes Google, ont présenté certaines options mains-libres pour résoudre ce problème. Bien que restreignant l'utilisateur à une expérience de visualisation relativement 'plate' (à travers un écran), il s'agit d'un pas substantiel en avant en termes de pertinence contextuelle lors de la visualisation de données. L'AR connaît une croissance significative, et il est prévu par les observateurs de l'industrie qu'elle l'emportera finalement sur la VR grand public.
La réalité mixte (MR) est un nouveau venu relatif dans cet espace. Jusqu'à récemment, l'espace MR a été dominé par le Microsoft HoloLens, mais récemment défié par une offre concurrentielle de Magic Leap (avec un investissement de grande envergure de Google, Alibaba et AT&T), tous deux fournissant un affichage monté sur tête (HMD) qui mélange des données numériques [holographiques] avec le monde physique. Ce mélange numérique et physique est l'étape la plus proche encore vers la fourniture d'un contexte spatial véritable pour l'utilisateur, plaçant des données numériques 3D grandeur nature 'dans' le monde de l'utilisateur, et supprimant la nécessité de 'visualiser à travers' un écran. Avec l'avantage distinct de pouvoir voir d'autres utilisateurs physiques dans le même espace, et même de présenter des 'avatars' virtuels d'utilisateurs dans la pièce, le MR est la solution la plus proche jusqu'à présent pour supprimer le fossé cognitif. Tout comme la VR grand public et l'AR, le MR est activé par les mêmes moteurs graphiques de jeu.
Bien que l'avantage de rapprocher les ingénieurs de leurs conceptions puisse être évident, l'échelle d'investissement requis pour la VR commerciale- et les complications de son application- constitueront une barrière pour de nombreuses entreprises de développement de produits. La VR grand public et les technologies relatives de réalité augmentée et mixte présentent une opportunité de surmonter les barrières financières à l'entrée. Ces technologies, collectivement connues sous le nom de 'XR', présentent également le potentiel de fournir aux ingénieurs de meilleures solutions pour interagir avec des représentations numériques grandeur nature de leurs conceptions dans un contexte spatialement pertinent. Malheureusement pour une application dans le domaine de l'ingénierie, les 'moteurs' de jeu Unity et Unreal ne sont pas configurés pour soutenir les approches de développement de produits, telles que la gestion d'une structure de nomenclature (Bill of Materials) - nous reviendrons à ce problème plus tard dans ce post.
Développement de produits aujourd'hui - Ingénierie distribuée globalement
Rarement les produits sont-ils complètement développés en un seul lieu avec la chance d'avoir des équipes de développement co-localisées. La réalité du développement de produits aujourd'hui implique une collaboration à travers les frontières internationales.
Le manque de compétences en ingénierie a été mis en lumière il y a plus d'une décennie, et depuis lors, il a été le sujet de nombreux débats. Des découvertes récentes continuent de dresser une image sombre, prévoyant qu'à l'horizon 2020, l'écart mondial entre l'offre et la demande incrémentielle de scientifiques, ingénieurs et techniciens qualifiés pourrait atteindre 74%. Dans une enquête menée en 2015 par la Confédération de l'Industrie Britannique (CBI), 44% des entreprises d'ingénierie, de sciences et de haute technologie ont signalé avoir des difficultés à trouver des recrues expérimentées avec les bonnes compétences STEM. Inévitablement, les entreprises ont donc été contraintes de localiser des compétences dans d'autres lieux, en installant leurs propres installations offshore ou en travaillant avec des fournisseurs de services d'ingénierie (ESPs), dans des lieux tels que l'Europe de l'Est, l'Inde, la Corée et la Chine. Alors que l'ingénierie évolue des sources traditionnelles en interne et dans la chaîne d'approvisionnement, les partenariats des fabricants avec les ESPs évoluent d'une réponse tactique à une capacité supplémentaire, progressant plutôt vers des partenariats stratégiques offrant une valeur supérieure tout au long du cycle de vie de réalisation de produit.
La technologie peut être une solution pour combler la distance cognitive, mais qu'en est-il de l'amélioration de la collaboration lorsque les équipes d'ingénierie ne peuvent plus travailler dans les mêmes murs ? Les réalités du développement de produits distribués à l'échelle mondiale signifient que les équipes d'ingénierie et leurs clients sont de plus en plus confrontés au défi de la collaboration à distance.
SpinFire XR - La prochaine frontière de la collaboration
La déclaration du problème est donc celle de réduire la distance cognitive, de rapprocher les ingénieurs de leurs conceptions, tout en abordant les réalités de la collaboration à distance. Tout cela doit être axé sur l'objectif d'améliorer la qualité et la productivité des processus d'ingénierie et de fabrication.
SpinFire XR a relevé le défi de 'fournir des technologies habilitantes pour que les entreprises d'ingénierie et de fabrication améliorent leurs processus de conception, d'ingénierie et de fabrication en utilisant des actifs numériques existants pour collaborer au sein d'expériences innovantes de Réalité Virtuelle, Augmentée et Mixte'. En combinant les forces des humains et des machines, nous croyons que la XR augmentera considérablement la création de valeur. Notre objectif a été de produire une plate-forme de collaboration agnostique en termes de technologie pour les entreprises de toutes tailles - 'la XR pour tout le monde'.
Au cœur de notre approche, nous exploitons plus de 25 ans d'expérience en Visualisation produit, en plaçant un 'Pipeline de Visualisation' agnostique de technologie au cœur des espaces de travail collaboratifs XR immersifs, contextuels et spatialement pertinents. Reconnaissant les investissements importants que certaines entreprises ont déjà effectués dans la VR commerciale, cette approche permet également de soutenir et d'améliorer tous les processus existants de VR commerciale ou de rendu photoréaliste.
Le Pipeline de Visualisation est une technologie basée sur serveur qui permet un traitement rapide, efficace, flexible et automatisé des données de CAO et de Visualisation, tout en maintenant les métadonnées associées (conservant le savoir essentiel intégré dans la source d'origine). Il a été conçu pour optimiser la sortie pour tous les flux de travail de Visualisation, soutenant les CAVEs et PowerWalls, mais soutenant aussi le rendu photoréaliste (comme Alias, VRED et 3DExcite), les technologies de visualisation légères existantes (comme JT, Creo View et 3D XML), et préparant les données pour une utilisation dans des expériences basées sur la XR (alimentées par Unity et Unreal). Pour que la collaboration devienne une réalité, les données doivent être rendues disponibles pour tous, indépendamment de leur outil de choix.
Le Pipeline de Visualisation peut traiter automatiquement les données en arrière-plan, ou à la demande avec des fonctionnalités 'enregistrer sous' et 'glisser-déposer', éliminant le besoin d'équipes dédiées au traitement de données.
Cependant, préparer les données pour la Visualisation dans le contexte de l'ingénierie est seulement la première étape vers l'exploitation du potentiel que représente la XR. Tech Soft 3D a beaucoup investi pour comprendre comment la XR peut être appliquée, non seulement en termes du potentiel à long terme, mais également comment la technologie peut être exploitée aujourd'hui pour apporter de réels avantages commerciaux aux entreprises de développement de produits et de fabrication. En travaillant avec des adopteurs précoces dans les industries automobile et aérospatiale, quatre cas d'utilisation clés ont été identifiés qui représentent un bénéfice immédiat; nous avons créé quatre ‘Expériences XR’ qui tirent le meilleur parti de l'ensemble d'outils XR, et avons encore prolongé ces expériences avec une suite d'outils ciblés pour offrir le plus grand gain :
Chaque expérience centrée sur un cas d'utilisation se base sur l'Expérience de Visualisation fondamentale qui permet aux ingénieurs d'interagir avec les données dans un contexte spatial 3D, visualisant leurs modèles, à l'échelle réelle. L'Expérience de Visualisation fournit les outils essentiels pour visualiser, naviguer, exploser, sectionner, et mesurer, en plus d'interroger les matériaux et autres informations (y compris les données extraites de bases de données externes).
Les révisions de conception sont une partie critique du cycle de vie du développement de produit. À travers le monde, les ingénieurs se rencontrent régulièrement, et à des étapes clés du programme pour entreprendre des activités de révision telles que :
Statut de publication et maturité (et identification/révision des écarts présents).
Discussion des problèmes connus / problèmes anticipés.
Détection de nouveaux problèmes (par exemple, problèmes de collision de géométrie, ou problèmes d'accès à la fabrication/service).
Résolution des problèmes d'intégration (interface), y compris les méthodologies telles que la gestion de zone/la gestion de bloc.
Discussion des changements proposés.
Rassembler les fonctions commerciales nécessaires pour pousser la prise de décision aussi loin en amont dans le processus de développement que possible (éviter les changements coûteux tard dans le processus).
De manière critique, les révisions de conception numériques permettent aux fabricants de :
Réduire le coût de fabrication de prototypes physiques pour aider à la détection de revue/problème.
Permettre au processus de révision d'inclure des équipes distribuées.
Améliorer la qualité des événements de qualité en aval en informant et en signalant la révision des zones focales, et mieux préparer la comparaison efficace entre la sortie physique et l'intention de conception.
L'Expérience de Révision de Conception tire parti de l'Expérience de Visualisation, mais permet en outre à un groupe d'ingénieurs, locaux ou dans des endroits distants, de réviser interactivement une conception à travers l'expérience immersive des technologies XR, comblant la distance cognitive pour tous les participants, et fournissant un espace de travail collaboratif unique. Il est important de noter que le processus de révision peut être enregistré en partie ou en totalité, capturant les commentaires et problèmes pour une diffusion plus large et une utilisation par d'autres membres de l'équipe étendue (y compris des rapports de gestion complets). L'Expérience de Révision de Conception peut rassembler des experts et des praticiens distribués pour réviser, débattre et résoudre les problèmes en temps réel, améliorant l'accès, économisant du temps et évitant des déplacements coûteux. L'Expérience d'Aménagement d'Usine, encore une fois en tirant parti des technologies habilitantes de l'Expérience de Visualisation, offre une riche expérience de Visualisation conçue pour aider les ingénieurs de production dans l'optimisation des installations de production. Utilisant une expérience VR immersive ou ancrant les données dans le monde réel grâce aux technologies AR et MR, les ingénieurs peuvent travailler à échelle réelle pour créer et déplacer les composants des installations de production, en évaluant l'efficacité du flux de travail, du design humain et ergonomique. Différentes stratégies d'aménagement peuvent être explorées et sauvegardées pour une distribution et une révision plus large par l'équipe étendue.
L'Expérience d'Aménagement d'Usine se concentre sur les besoins du planificateur, facilitant l'optimisation de l'équipement et la disposition des usines, et des accessoires tels que les bacs à composants et les cages, maximisant ainsi la productivité et l'efficacité, et réduisant les stocks. De même, les ingénieurs peuvent prendre en compte l'accès pour la maintenance, le nettoyage, et la manutention de matériaux sur le côté de la ligne. Tout cela peut être exploré et validé avant de s'engager dans des ressources physiques ; réduisant le potentiel de changements coûteux et chronophages tardifs.
En utilisant des données scannées dans un environnement VR ou en utilisant des modèles grandeur nature visualisés dans le monde réel via des dispositifs AR et MR, les ingénieurs de production peuvent contourner les réalités des installations d'usine en constante évolution ; planifiant autour d'infrastructures telles que les piliers de bâtiment, les installations électriques et de chauffage, et les conduits d'aération.
Les opérateurs de production sont souvent freinés par un accès tardif aux actifs physiques et ne peuvent généralement pas contribuer de leur point de vue unique à l'ingénierie de production tant tardivement dans le processus d'introduction d'un nouveau produit. En travaillant dans des environnements totalement immersifs ou réels, le personnel peut tirer parti de la XR pour fournir des commentaires en amont, améliorant la conception finale de la production, et à nouveau réduisant le potentiel de changements coûteux et chronophages tardifs.
Il est logique que les ingénieurs du développement de produits et de fabrication collaborent pour développer un produit qui fonctionne parfaitement et est fabriqué (et assemblé) de la manière la plus efficace. L'Expérience d'Aménagement d'Usine profite des mêmes fonctions de collaboration introduites dans l'Expérience de Révision de Conception. La puissance de l'outil SpinFire XR permet aux groupes d'ingénieurs répartis d'interagir à travers l'expérience immersive des technologies XR, comblant la distance cognitive pour tous les participants, et fournissant un espace de travail collaboratif unique.
SpinFire XR pour tout le monde
Tech Soft 3D a travaillé dur pour surmonter les limitations des technologies de VR grand public (et XR) afin qu'elles puissent être utilisées par les ingénieurs en développement de produits et en fabrication aujourd'hui.
En nous concentrant sur le gain à court terme des technologies de Réalité Virtuelle, Augmentée et Mixte, nous avons conçu une suite d'Expériences XR qui apportent des applications prêtes à l'emploi, orientées tâches, pour aider les fabricants modernes dans la quête de plus de produits, de temps de mise sur le marché accéléré et de performance supérieure.
Les Expériences SpinFire XR, étroitement intégrées avec le Pipeline de Visualisation central, s'attaquent au problème de la distance cognitive, rapprochant les ingénieurs de leurs conceptions, tout en abordant simultanément les réalités de la collaboration à distance. Nos solutions et méthodologies indépendantes de l'appareil maintiennent un focus précis sur l'objectif d'améliorer la qualité et la productivité des processus d'ingénierie et de fabrication par des technologies habilitantes.