工業(yè)元宇宙就是下一張全真工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

閆同柱

一、工業(yè)元宇宙

工業(yè)元宇宙是以CPS為基礎(chǔ)、工業(yè)元宇宙平臺為中樞、數(shù)據(jù)為要素、安全為保障。工業(yè)元宇宙通過新一代信息通信技術(shù)如CPS、三維設(shè)計、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、5G 網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算等，打通人、機、物、系統(tǒng)等的無縫連接，將確切的物理系統(tǒng)與虛擬的數(shù)據(jù)世界相融合，將制造領(lǐng)域中人、機、料、法、環(huán)、測與數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域進行融合，進而優(yōu)化工業(yè)制造環(huán)節(jié)中的物理設(shè)備、人與流程。

二、工業(yè)元宇宙和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，通過對人、機、料、法、環(huán)、測等的全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造和服務(wù)體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、平臺為中樞、數(shù)據(jù)為要素、安全為保障，它既是新生產(chǎn)方式、組織方式、運營方式，也是一種新的基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能優(yōu)化閉環(huán)，通過對工業(yè)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、分析、決策與反饋控制，并與工業(yè)知識相結(jié)合，形成新的優(yōu)化范式，不斷改進物理世界的運行效率，創(chuàng)造更大的價值。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為重構(gòu)產(chǎn)業(yè)價值鏈的核心價值支撐點，通過實現(xiàn)“互聯(lián)—優(yōu)化—重構(gòu)”，重構(gòu)舊的價值創(chuàng)造體系，成為新的價值高地，塑造新工業(yè)制造體系正逐漸成為現(xiàn)實。通過把信息技術(shù)、通信技術(shù)，以及運營與自動化技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中，即OT（運營技術(shù)）+IT（信息技術(shù)）+CT（通訊技術(shù)），實現(xiàn)人、機、料、法、環(huán)、測和基于平臺的數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)，通過算法模型使實時資源優(yōu)化配置成為可能。

作為工業(yè)元宇宙的基礎(chǔ)，CPS信息物理系統(tǒng)通過集成物聯(lián)網(wǎng)、機器人、AR、VR、5G、AI等技術(shù)，構(gòu)建出物理世界與虛擬世界中，人、機、料、法、環(huán)測等要素實時交互、高效協(xié)同的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置的最優(yōu)化。數(shù)字孿生是CPS（信息物理系統(tǒng)）的核心，而CPS則是工業(yè)元宇宙的核心。數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以讓我們看到產(chǎn)品外部的變化，更可以看到產(chǎn)品內(nèi)部每一個零部件的工作狀態(tài)，進行預(yù)測性的決策。CPS要實現(xiàn)虛實融合。第一層是實體，實體要有智能。實體智能就是第二層的。實體智能向上聯(lián)接要采用物聯(lián)的方法，物聯(lián)就是第三層。物聯(lián)到實體孿生體（Physical DTwin），這就是第四層，它是類似于驅(qū)動程序的一層，實現(xiàn)控制實體和讓實體向自己進行信息反饋。實體孿生體（Physical DTwin）之上是第五層，即系統(tǒng)孿生體（System DTwin）。生產(chǎn)線和設(shè)備系統(tǒng)不可能分散工作，必須要統(tǒng)一于系統(tǒng)孿生體之下。再上面的第六層是產(chǎn)品孿生體（Product DTwin）。三個孿生體之間用數(shù)字紐帶聯(lián)系起來，機器人可以直接使用產(chǎn)品孿生體的控制參數(shù)。數(shù)控車床可以直接使用數(shù)字孿生體里面的數(shù)控程序。產(chǎn)品孿生體（Product DTwin）之上是第七層：接口層。這一層的供應(yīng)商與客戶通過產(chǎn)品孿生體（Product DTwin）層與其他層建立關(guān)聯(lián)。作為工業(yè)元宇宙的一部分，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)扮演的主要是基礎(chǔ)設(shè)施的角色，主要負責(zé)物理現(xiàn)實世界的打通協(xié)同。而工業(yè)元宇宙，還要進一步結(jié)合5G、AR、VR、AI計算機視覺、區(qū)塊鏈等技術(shù)，繼續(xù)強化虛擬世界和現(xiàn)實世界的聯(lián)動，讓數(shù)據(jù)信息更深入地服務(wù)于企業(yè)運營、資源調(diào)度、人員協(xié)同等等。工業(yè)元宇宙是針對現(xiàn)實工業(yè)場景中的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、營銷銷售、售后服務(wù)等場景建立工業(yè)元宇宙平臺，通過虛擬空間和現(xiàn)實空間的相互指導(dǎo)和優(yōu)化，實現(xiàn)降本提效、高效協(xié)同、節(jié)能減排的效果。工業(yè)元宇宙從發(fā)展的路徑來看，可以分成五個層級，分別是單元應(yīng)用、系統(tǒng)化應(yīng)用，集成化應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)化集成。

三、中國工業(yè)元宇宙將從哪些方面對工業(yè)帶來改變

工業(yè)元宇宙將覆蓋工業(yè)生產(chǎn)全鏈條環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品設(shè)計、工藝開發(fā)、試產(chǎn)測試、產(chǎn)線生產(chǎn)、設(shè)備調(diào)試、產(chǎn)線巡檢、遠程運維、經(jīng)營管理、人員培訓(xùn)、市場營銷等端到端的系統(tǒng)。

提高協(xié)作效率。通過數(shù)字化平臺將產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計到建模等工作在協(xié)同的數(shù)字平臺實現(xiàn)，將原流程化的設(shè)計師、工程師等融合，實現(xiàn)及時共享的開發(fā)，通過虛擬化模擬設(shè)計到成品的效果驗證，加速產(chǎn)品開發(fā)中的交流的時間成本，加速產(chǎn)品開發(fā)速度，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，加速產(chǎn)品的上市時間。在消費領(lǐng)域，元宇宙強調(diào)沉浸感、真實感;而在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)產(chǎn)品的虛擬化將達到可以實際生產(chǎn)的水平。在現(xiàn)實中，企業(yè)往往根據(jù)職能分成設(shè)計師、工藝師、車間工藝師、車間生產(chǎn)工人、班組長、調(diào)度員等，在工藝和生產(chǎn)方面，設(shè)計師往往考慮得相對較少，這樣就導(dǎo)致從設(shè)計到生產(chǎn)的過程中容易出現(xiàn)問題。造成這種結(jié)果的原因是基礎(chǔ)設(shè)施能力、信息基礎(chǔ)、設(shè)計手段和工具不足。進入元宇宙時代，工業(yè)元宇宙將為提升虛擬化水平創(chuàng)造條件，如國產(chǎn)工業(yè)軟件更具性價比，可以實現(xiàn)從三維設(shè)計的普及化，到計算機輔助加工的普及化、計算機輔助工程（仿真分析）的普及化。開展虛擬仿真分析時，不僅要考慮企業(yè)自身水平，也要考慮世界同行水平和客戶需求水平，從而確立領(lǐng)先地位。達到這樣水平的虛擬工業(yè)產(chǎn)品可以大幅提高一次制造成功率，使產(chǎn)品在市場上更具備競爭力。在虛擬化階段包括草圖、二維圖、三維模型、分析模型、加工模型等，進入實際生產(chǎn)也往往需要一個過程，如一般企業(yè)會有原型產(chǎn)品、初步設(shè)計產(chǎn)品、定型產(chǎn)品。在整體的設(shè)計過程中，溝通協(xié)同無處不在，典型的有設(shè)計師與設(shè)計師、工藝人員、倉庫物流員的協(xié)同，企業(yè)人員與相關(guān)供應(yīng)鏈的協(xié)同，企業(yè)人員與客戶、消費者乃至管理機構(gòu)的協(xié)同。這些協(xié)同的場景都需要提升信息內(nèi)容，數(shù)字化技術(shù)方面需要深化應(yīng)用三維設(shè)計、裝配模型、工業(yè)造型、仿真分析、優(yōu)化設(shè)計等軟件，物理方面需要利用攝像頭云陣、先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)備、大屏幕展示設(shè)備等，更好地展示、交互與體驗，以獲得更好的產(chǎn)品設(shè)計。

降低創(chuàng)新成本。元宇宙時代，人不僅是消費者，也是生產(chǎn)者，更是創(chuàng)造者。在元宇宙時代，更強調(diào)個人的創(chuàng)意，既包括客戶、消費者的需求，也包括企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、企業(yè)普通員工的創(chuàng)意，然后逐步從不確定性向確定性轉(zhuǎn)化。在元宇宙時代，個人可以利用更好的創(chuàng)新工具，如借助三維設(shè)計軟件、仿真軟件，基于計算機構(gòu)建虛擬樣機，模擬多種場景（工況）下的狀態(tài)，工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新成本可以大幅度下降。

強化客戶深度交互。進入元宇宙時代，工業(yè)產(chǎn)品的信息將發(fā)生巨大變化，從信息化到數(shù)字化，意味著信息更加精確，從定性到定量。信息的完整性、時效性、實時性也都將大幅提升，由于網(wǎng)絡(luò)能力的提升，可以讓生產(chǎn)者與客戶、消費者建立起更強大的溝通場景，更好的溝通模式，從而取得更佳的溝通效果。例如，以往傳遞的是二維圖，今后傳遞的可能是三維模型;可以傳遞產(chǎn)品的運動模型表達產(chǎn)品功能;可以傳遞仿真模型表達產(chǎn)品的剛度、強度。在制造過程中，客戶、消費者可以實時掌握生產(chǎn)的進度;生產(chǎn)者遇到問題時可以及時處理，從而避免更大規(guī)模的損失;如有新的創(chuàng)意，可以及時落實。

優(yōu)化生產(chǎn)流程。通過工業(yè)元宇宙平臺，能夠沉浸式體驗虛擬智能工廠的建設(shè)和運營過程，與虛擬智能工廠中的設(shè)備、產(chǎn)線進行實時交互，可以更加直觀、便捷地優(yōu)化生產(chǎn)流程、開展智能排產(chǎn)。在智能工廠建設(shè)前期，可利用工業(yè)元宇宙平臺建設(shè)與現(xiàn)實智能工廠的建筑結(jié)構(gòu)、產(chǎn)線布置、生產(chǎn)流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)一致的虛擬智能工廠，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)能配置、設(shè)備結(jié)構(gòu)、人員動線等方面合理性的提前驗證。對于智能工廠生產(chǎn)過程中的任何變動，都可以在虛擬智能工廠中進行模擬，預(yù)測生產(chǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)流程優(yōu)化。例如，寶馬與英偉達正開展虛擬工廠相關(guān)合作，寶馬引入英偉達元宇宙平臺（Omniverse平臺）協(xié)調(diào)31座工廠生產(chǎn)，有望將寶馬的生產(chǎn)規(guī)劃效率提高30%。

虛擬制造降低生產(chǎn)調(diào)整成本。虛擬工廠將先于物理工廠建設(shè)，在虛擬空間中對生產(chǎn)布局、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)組織、物流運輸?shù)拳h(huán)節(jié)進行建模仿真，優(yōu)化得出最佳結(jié)果后再進行現(xiàn)實空間的建設(shè)，最大程度減少資源消耗。

提高安全生產(chǎn)保障。從前期的人員培訓(xùn)，將工業(yè)生產(chǎn)場景虛擬化，通過XR等設(shè)備進行教育訓(xùn)練、風(fēng)險可視化識別與強化提醒。在實際產(chǎn)線應(yīng)用中，通過建設(shè)安全生產(chǎn)系統(tǒng)體系，將重點安全點檢和隱患排查等通過可視化體現(xiàn)，并通過系統(tǒng)提醒與任務(wù)管理，將原來人工化的方式改變?yōu)槿斯づc數(shù)字融合的方式，提升安全管理可靠度。

降低運維維護成本。相對于現(xiàn)階段利用大數(shù)據(jù)分析的預(yù)測性維護，基于工業(yè)元宇宙的設(shè)備運維能夠打破空間限制，有效提高設(shè)備運維響應(yīng)效率和服務(wù)質(zhì)量。在工業(yè)元宇宙平臺建立的虛擬空間中，運維人員將不受地域限制，在生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)問題時，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時確認(rèn)設(shè)備情況，及時修復(fù)問題。對于難度大、復(fù)雜程度高的設(shè)備問題，可以通過工業(yè)元宇宙平臺匯聚全球各地的專家，共同商討解決方案，從而提高生產(chǎn)效率。

提升產(chǎn)品測試效率。對于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)高、測試要求復(fù)雜的產(chǎn)品，工業(yè)元宇宙能夠提供虛擬環(huán)境以開展試驗驗證和產(chǎn)品性能測試。通過虛實結(jié)合實現(xiàn)物理空間和虛擬空間的同步測試，更加直觀地感受產(chǎn)品的內(nèi)外部變化，提高測試認(rèn)證效率和準(zhǔn)確性。例如，相對于民用消費級芯片產(chǎn)品，車規(guī)級AI芯片由于工作環(huán)境多變、安全性要求高等因素，功能設(shè)計復(fù)雜，其研發(fā)、測試、認(rèn)證流程十分嚴(yán)苛，需滿足多項國際國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)元宇宙可為車規(guī)級AI芯片提供虛擬測試空間，工程師可以用較低的成本對車規(guī)級AI芯片進行測試，也可以模擬和體驗搭載AI芯片的自動駕駛汽車，提高車規(guī)級AI芯片的測試、認(rèn)證效率。

元宇宙品牌營銷。元宇宙營銷時代已經(jīng)到來，作為企業(yè)品牌（尤其是面向c端的消費品品牌）應(yīng)該抓住元宇宙風(fēng)口，打造NFT虛擬形象或藝術(shù)藏品，以一種全新的品牌形象建立與年輕消費者之間的紐帶。但在這個過程中，需要牢牢把握品牌定位。從趨勢的角度，越是在競爭中弱勢的品牌越應(yīng)該率先布局元宇宙，因為它是一個全新的、無爭的空間或渠道。在當(dāng)前，元宇宙中幾乎所有的品類都是空缺，你可以成為元宇宙第一咖啡品牌，也可以成為元宇宙第一跑車品牌，只需要設(shè)計開發(fā)出所屬的NFT數(shù)字產(chǎn)品。未來，產(chǎn)品開發(fā)邏輯也會因此轉(zhuǎn)向為“先虛擬后現(xiàn)實”，那么在元宇宙中的領(lǐng)導(dǎo)品牌就有可能成現(xiàn)實中的領(lǐng)導(dǎo)品牌。但現(xiàn)實中的領(lǐng)導(dǎo)品牌若不盡早布局，很可能淪為收割對象。

虛擬店鋪購物。隨著元宇宙概念的爆發(fā)，越來越多的企業(yè)和消費者對于VR、AR的應(yīng)用有了更濃厚的興趣?！疤摂M店鋪購物”將傳統(tǒng)線上購物的痛點一一擊破，高保真還原線下店鋪的購物體驗，確保用戶線下線上購物的“無縫切換”。通過VR技術(shù)將實體場景一比一切換為虛擬店鋪，提供逼真的線下購物的沉浸感，結(jié)合AR技術(shù)，可以做到用戶體驗到和線下門店一致的購物體驗。虛擬店鋪能夠?qū)崿F(xiàn)實時轉(zhuǎn)化，用戶可以在店鋪里自由探索，感受品牌調(diào)性與氛圍;點擊感興趣的產(chǎn)品可以查看細節(jié)，實現(xiàn)初步種草，結(jié)合AR虛擬試穿，達到深度種草，最后一鍵下單，縮短購買鏈路，極速轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)完整的銷售閉環(huán)。

實時設(shè)備資產(chǎn)管理。數(shù)據(jù)是企業(yè)管理的基礎(chǔ)，來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的真實參考數(shù)據(jù)可以進一步提高數(shù)字模型的準(zhǔn)確性?？▕W斯COSMOPlat D3OS運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對設(shè)備、生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、能耗等多方數(shù)據(jù)的挖掘與統(tǒng)一治理，可實現(xiàn)：企業(yè)設(shè)備物聯(lián)、上云用數(shù)的需求;對企業(yè)等各層級的設(shè)備及零部件的虛實聯(lián)動、狀態(tài)識別、跟蹤預(yù)警等全流程監(jiān)管。在某紡織行業(yè)數(shù)字化改造中，卡奧斯COSMOPlat通過將生產(chǎn)過程中的多類系統(tǒng)進行融合打通，并結(jié)合3D建模，完成工廠生產(chǎn)的數(shù)字孿生系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，該企業(yè)實現(xiàn)一屏統(tǒng)管，對車間機臺、訂單、能耗等關(guān)鍵設(shè)備和數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時化、可視化管控。

四、結(jié)論

雖然國內(nèi)工業(yè)元宇宙還屬于初期階段，但與國外的差距不大，由于互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，有大量的多學(xué)科、多技術(shù)、多產(chǎn)品、多業(yè)務(wù)、多領(lǐng)域、多行業(yè)的深度融合會大量出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)跨界融合急需立體直觀的高效協(xié)同平臺，因此工業(yè)元宇宙將會有力促進產(chǎn)業(yè)融合協(xié)同創(chuàng)新的發(fā)展需求，不少的案例都表明工業(yè)元宇宙將使工業(yè)生產(chǎn)更協(xié)同、更高效、更安全、更智能、更精準(zhǔn)和更低成本。工業(yè)元宇宙產(chǎn)業(yè)為工業(yè)尋找新的增長點提供了很好的思路，成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個新動能，進一步推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向縱深發(fā)展，工業(yè)元宇宙的出現(xiàn)給了中國工業(yè)一次彎道超車的大機遇。

（作者為北京信息化和工業(yè)化融合服務(wù)聯(lián)盟理事長）