從數(shù)字孿生到工業(yè)元宇宙的發(fā)展路徑

文 | 本刊記者 姜紅德

今年7月份，Meta（由Facebook更名）聯(lián)合一家海外咨詢公司發(fā)布了全球元宇宙白皮書。數(shù)據(jù)顯示，到2031年元宇宙將會為人類社會帶來超過3萬億美元的GDP增長，其中大約有超過30%的份額來自亞太地區(qū)。

元宇宙包括社區(qū)元宇宙、消費元宇宙、工業(yè)元宇宙等眾多分支領(lǐng)域。工業(yè)元宇宙源于工業(yè)企業(yè)和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，是數(shù)字經(jīng)濟高度發(fā)展的產(chǎn)物，涵蓋了數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實等多項數(shù)字技術(shù)。事實上，工業(yè)元宇宙離我們并不遙遠——在云計算、大數(shù)據(jù)的潮流下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳感器被廣為應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)逐漸商用，為現(xiàn)實物理世界的基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)造數(shù)字孿生成為可能。用一句話概括一下，從數(shù)字孿生起步，工業(yè)元宇宙的未來世界版圖正在逐漸開始明朗起來。

數(shù)字孿生加持下的“工業(yè)元宇宙”

元宇宙一詞最早誕生于1992年的科幻小說《雪崩》，小說描繪了一個龐大的虛擬現(xiàn)實世界，這里的人們用數(shù)字化身來控制，并相互競爭以提高自己的地位，由此可見它描繪的是超前的未來世界。

按照百度百科的定義，元宇宙是利用數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實等高科技手段進行鏈接與創(chuàng)造的，與現(xiàn)實世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數(shù)字生活空間。

近年來，科技行業(yè)提及數(shù)字孿生概念的次數(shù)越來越多，微軟、西門子等企業(yè)都是它的忠實擁躉者。從專業(yè)技術(shù)的角度來看，它是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。在日常生活中，我們?nèi)绻睘楹?，可以認為數(shù)字孿生就是根據(jù)物理世界的形狀，在數(shù)字平行世界中搭建一個虛擬的模型，這個模型可以伴隨實體的變化而變化。

2010年NASA在路線圖報告中為“數(shù)字孿生”正式命名，并應(yīng)用于阿波羅項目中對飛行中的空間飛行器進行仿真分析，監(jiān)測和預(yù)測空間飛行器的飛行狀態(tài)，輔助地面控制人員作出正確的決策。2017年，Gartner 將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一，也正是從這個時候開始，數(shù)字孿生概念被越來越多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。2021年亞馬遜科技云推出了IoT TwinMaker，它讓數(shù)字孿生變得更加輕而易舉，企業(yè)通過數(shù)字孿生反映現(xiàn)實世界的功能提高了運營效率并減少停機時間。

有了數(shù)字孿生技術(shù)的加持，“工業(yè)元宇宙”變得觸手可及。2022年6月30日，西門子和英偉達計劃連接開放式數(shù)字業(yè)務(wù)平臺Xcelerator與3D設(shè)計和協(xié)作平臺Omniverse，形成數(shù)字與現(xiàn)實世界精準映射的數(shù)字孿生，并將軟件定義的人工智能系統(tǒng)從邊緣側(cè)連接到云端，這是兩者合作的第一步。接下來，借助來自于西門子的基于物理世界的數(shù)字模型和來自于英偉達的將人工智能與自然規(guī)律相結(jié)合的實時仿真技術(shù)，雙方將共同打造與工業(yè)元宇宙有關(guān)的各種應(yīng)用場景。

西門子全球董事會主席、總裁兼首席執(zhí)行官博樂仁表示，將映射現(xiàn)實、基于物理的數(shù)字孿生內(nèi)嵌到工業(yè)元宇宙中，可以為人們創(chuàng)造一個可以交互、協(xié)作以解決現(xiàn)實世界問題的虛擬世界，從而為經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型釋放無限潛能。他說，“通過此次合作，我們將助力不同規(guī)模的企業(yè)打造工業(yè)元宇宙。過去十余年里，我們的數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)幫助各行各業(yè)的客戶提高生產(chǎn)效率；今天，西門子可以為產(chǎn)業(yè)提供綜合全面的數(shù)字孿生。借助西門子Xcelerator與Omniverse的互聯(lián)互通，我們將能夠打造一個實時、沉浸式的元宇宙，連接從邊緣側(cè)到云端的硬件和軟件，并從西門子軟件和解決方案中收集海量數(shù)據(jù)?！?/p>

英偉達創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛對此也表示，不同規(guī)模的企業(yè)能夠借助實時運營數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，打造創(chuàng)新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，應(yīng)用在邊緣側(cè)或云端分析得出的可行性洞見，并通過視覺更加豐富、更沉浸式的模擬仿真來應(yīng)對未來的工程挑戰(zhàn)。

可能落地的應(yīng)用場景預(yù)測

數(shù)字孿生貫穿產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護乃至報廢回收的整個周期，可以幫助制造企業(yè)優(yōu)化運營，改善不足，開發(fā)新的經(jīng)營模式，實現(xiàn)績效提升。從被Gartner列入未來10大戰(zhàn)略技術(shù)之一以來，數(shù)字孿生被用于越來越多的工業(yè)應(yīng)用場景。

監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)。通常制造業(yè)企業(yè)在信息化階段已經(jīng)上線了很多信息系統(tǒng)，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)業(yè)務(wù)信息化，員工操作電腦化。進入企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型之后，系統(tǒng)除了要對數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，還要對數(shù)據(jù)進行展示和狀態(tài)判斷，并提出相應(yīng)的警告，這就需要通過數(shù)字孿生相關(guān)的技術(shù)來完成對工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控。例如：從2020年開始，網(wǎng)思科技開始和廣汽集團進行交流，通過一年多的測試，最后與廣汽集團旗下汽車廠簽署了第一期數(shù)字孿生合同。具體的落地場景中就包括將生產(chǎn)車間完全實時展現(xiàn)在系統(tǒng)上。比如說總裝車間里，每一條生產(chǎn)線上面的每一個機械臂、每一個零件的狀態(tài)都實時投射在系統(tǒng)里面，從而解決了工程的巡場監(jiān)控問題。

預(yù)測性維護與管理。在可視化的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生系統(tǒng)也可以為工廠在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中全面分析及預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性維護和管理流程的數(shù)據(jù)治理，提升設(shè)備綜合利用率和產(chǎn)品一次性合格率。

自動駕駛。通過數(shù)字孿生，可以實時監(jiān)測到自動駕駛汽車周邊的實際情況和它的運行情況。比如說一臺自動駕駛中的汽車，它周邊實時的情況、路況、車況、來往行人、紅綠燈及天氣，都會展現(xiàn)在監(jiān)控大屏上面，從而為遠程保證行駛安全提供基礎(chǔ)。

隨著3D工業(yè)引擎、人工智能、軟件定義制造等技術(shù)的融合發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在實現(xiàn)虛擬化映射、落地場景應(yīng)用方面常是多種模式混合，從而更全面地幫助企業(yè)實現(xiàn)向工業(yè)元宇宙升級。

上文提及的網(wǎng)思科技和廣汽集團合作案例中，在完成生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，可以在第二層面解決生產(chǎn)管理的問題，在安排生產(chǎn)計劃時，通過對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運轉(zhuǎn)情況、工作效率以及停機檢測的時間安排等方面的數(shù)據(jù)分析，從而為生產(chǎn)提供最優(yōu)安排。

2022年5月13日，海爾卡奧斯COSMOPlat重磅發(fā)布D3OS數(shù)字孿生產(chǎn)品。作為平臺仿真力的重要體現(xiàn)，產(chǎn)品聚焦工業(yè)企業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型，將通過提供數(shù)據(jù)智能和數(shù)字孿生端到端解決方案，助力企業(yè)打造可視、可管、可預(yù)測的數(shù)字孿生虛擬工廠，為優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營流程、實現(xiàn)降本增效提供數(shù)據(jù)支撐的“工業(yè)大腦”。

在科技巨頭紛紛布局“元宇宙”的背景下，數(shù)字孿生技術(shù)既是對平臺數(shù)智化賦能能力的補充與提升，也為推動大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等“工業(yè)元宇宙”技術(shù)與工業(yè)場景的結(jié)合提供了新路徑。

未來挑戰(zhàn)與展望

根據(jù)新華社的有關(guān)報道，元宇宙是基于擴展現(xiàn)實技術(shù)提供沉浸式體驗，以及利用數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實世界的鏡像。從這一定義可以看出，數(shù)字孿生與元宇宙之間是相互協(xié)作的關(guān)系，數(shù)字孿生可以看成是工業(yè)元宇宙技術(shù)的一部分，而工業(yè)元宇宙是數(shù)字孿生發(fā)展的必然方向之一。

目前，數(shù)字孿生正處于發(fā)展過程中，還面臨著多方面的挑戰(zhàn)：首先，企業(yè)中有各種來源的各種實時數(shù)據(jù)，由于設(shè)備、系統(tǒng)多種多樣，這些數(shù)據(jù)需要手動輸入；其次，企業(yè)要為所有相關(guān)知識提供廣泛的入口，將信息源之間的關(guān)系映射到物理世界。在工業(yè)元宇宙發(fā)展道路上還存在更多方面的挑戰(zhàn)，但是這并不妨礙工業(yè)元宇宙的必經(jīng)之路會是數(shù)字孿生平臺，或者說數(shù)字孿生是工業(yè)元宇宙發(fā)展所呈現(xiàn)出的一種狀態(tài)。

總之，工業(yè)元宇宙應(yīng)該是智能制造的“未來形態(tài)”，通過賦能工業(yè)制造各環(huán)節(jié)、場景，使工業(yè)企業(yè)達到降低成本、提高生產(chǎn)效率的目的，實現(xiàn)智能制造的進一步升級。