工業(yè)元宇宙的發(fā)展探索與人才培養(yǎng)啟示★

豐江帆， 羅小波， 田 茂

（重慶郵電大學計算機科學與技術(shù)學院， 重慶 400065）

0 引言

元宇宙概念通常被認為源于尼爾·斯蒂芬森于1992 年發(fā)表的科幻小說《雪崩（SnowCrash）》[1]，然而，直至2021 年Facebook 更名為Meta 之后才逐漸演變成熱點。2021 年12 月，首屆中國元宇宙峰會通過社交媒體進行了現(xiàn)場直播，正式宣告了亞洲元宇宙時代的開啟。元宇宙建立在擴展現(xiàn)實（XR）、5G、人工智能（AI）和數(shù)據(jù)處理等新興技術(shù)基礎(chǔ)上，其核心理念是構(gòu)建一個沉浸式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該理念在推動娛樂、電子商務、教育和工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展與應用方面發(fā)揮了重要作用。

劉經(jīng)南院士認為，虛實結(jié)合、軟硬結(jié)合是新工業(yè)時代的重要特征。工業(yè)元宇宙能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬空間與物理空間的協(xié)同作用，將虛擬世界中的工業(yè)場景進行全息展示，并跨越時空進行聚合。同時，利用數(shù)字孿生、人機交互等技術(shù)在現(xiàn)實生產(chǎn)經(jīng)營過程中發(fā)揮作用。從工業(yè)系統(tǒng)的層級來看，工業(yè)元宇宙已經(jīng)應用于設(shè)備、產(chǎn)品線、工廠和產(chǎn)業(yè)鏈等多個層級，助力企業(yè)降本增效，并服務于產(chǎn)業(yè)鏈管理和供應鏈優(yōu)化。從交互和協(xié)同的方式來看，工業(yè)元宇宙是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通信技術(shù)的新形態(tài)和發(fā)展方向，將對傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式和管理模式帶來深遠的影響。

1 工業(yè)元宇宙的概念和特點

工業(yè)元宇宙是指在新的發(fā)展理念以及新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下，借助新時代各類新技術(shù)群跨界融合，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域中“人、虛擬空間與現(xiàn)實空間”虛實映射/交互/融合、以虛促實、以虛強實的工業(yè)全要素鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈（三鏈）智慧、協(xié)同、開放服務和互聯(lián)的復雜數(shù)字工業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)[2]。其內(nèi)涵可分為三個層次：一是新型工業(yè)數(shù)字空間，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)實與虛擬的綜合集成，數(shù)字化映射和模擬生產(chǎn)過程。二是全沉浸式工業(yè)智慧互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)新型數(shù)字化工業(yè)系統(tǒng)、人與機器、機器與機器以及實體與虛擬的智慧互聯(lián)和互操作。三是數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟融合發(fā)展，全面部署工業(yè)虛擬空間，實現(xiàn)虛實映射、交互和融合，推動工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[3]。

有別于消費元宇宙中追求虛擬現(xiàn)實的酷炫效果，工業(yè)元宇宙構(gòu)建的虛擬場景與對象對應現(xiàn)實世界中真實存在的物理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)具有明確的組織、結(jié)構(gòu)、目標與任務。工業(yè)元宇宙需要聚焦于虛擬空間中的活動如何指導現(xiàn)實生產(chǎn)實踐，實現(xiàn)降本增效、提質(zhì)節(jié)能和安全生產(chǎn)等業(yè)務目標，還可以在研發(fā)設(shè)計中發(fā)揮想象力，進行高頻試錯和迭代。因此，工業(yè)元宇宙融合元宇宙、數(shù)字孿生、仿真技術(shù)與先進制造技術(shù)，構(gòu)建了一種全新的虛擬智能制造系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)與管理的各環(huán)節(jié)、場景、業(yè)態(tài)賦能，推動制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)型升級。從應用層面來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)工業(yè)系統(tǒng)與其他物理設(shè)備資源聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)元宇宙則進一步強化物理世界與虛擬世界交互融合。

2 工業(yè)元宇宙對工業(yè)經(jīng)濟的影響

工業(yè)元宇宙為工業(yè)經(jīng)濟帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)。

2.1 工業(yè)元宇宙提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率

通過將實際工廠數(shù)字化，并利用虛擬仿真和智能化技術(shù)，工業(yè)元宇宙實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化和優(yōu)化。這種方式為企業(yè)提供了更高效的生產(chǎn)流程和精確的數(shù)據(jù)信息，能夠大幅提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)可以在虛擬環(huán)境中進行虛擬實驗和模擬優(yōu)化，減少試錯成本，實現(xiàn)資源的最大化利用。此外，工業(yè)元宇宙還可以通過實時監(jiān)控和預測分析，幫助企業(yè)進行生產(chǎn)計劃調(diào)整和異常處理，進一步提高生產(chǎn)效率。通過更高效的工業(yè)生產(chǎn)，企業(yè)能夠節(jié)約成本、提高產(chǎn)能，并更好地滿足市場需求。

2.2 工業(yè)元宇宙為企業(yè)提供了一個創(chuàng)新的環(huán)境

企業(yè)可以在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)品設(shè)計、仿真實驗和優(yōu)化，加速創(chuàng)新過程，提高產(chǎn)品的競爭力。工業(yè)元宇宙還可以促進不同企業(yè)之間的合作與共享，通過在工業(yè)元宇宙中共享資源和知識，企業(yè)可以更好地利用外部的創(chuàng)新能力和技術(shù)實力，推動整個行業(yè)的發(fā)展。例如，不同企業(yè)可以共享虛擬測試環(huán)境，共同研發(fā)新產(chǎn)品；企業(yè)可以通過工業(yè)元宇宙中的虛擬培訓和演練，提高員工的技能和創(chuàng)新能力，為企業(yè)帶來了更多的商機和競爭優(yōu)勢。

2.3 工業(yè)元宇宙還推動了工業(yè)經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)升級

工業(yè)元宇宙作為一種數(shù)字化工業(yè)環(huán)境，能夠幫助企業(yè)在不斷變化的市場環(huán)境中更好地適應和應對挑戰(zhàn)。工業(yè)元宇宙為企業(yè)提供了更多的商機和渠道，促進企業(yè)與供應商、合作伙伴和客戶之間緊密聯(lián)系、互信合作。通過工業(yè)元宇宙，企業(yè)可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面優(yōu)化和資源的高效配置，從而提高整個產(chǎn)業(yè)的效益和競爭力，推動產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型。工業(yè)元宇宙也為企業(yè)帶來了更大的市場機會，幫助企業(yè)在全球市場中獲得競爭優(yōu)勢。

例如，德國的機械零部件制造商布奈爾公司通過應用工業(yè)元宇宙技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化和數(shù)字化管理。通過實時監(jiān)控機器的運行狀態(tài)和整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，可以進行精確的生產(chǎn)計劃和資源調(diào)配，大幅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)與供應鏈合作伙伴實時共享數(shù)據(jù)和信息，促進了合作和協(xié)同，進一步提升了整個產(chǎn)業(yè)的競爭力。我國的匯川技術(shù)通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)，實現(xiàn)了全面智能化的生產(chǎn)和管理。在生產(chǎn)過程中，通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)實時監(jiān)測和分析設(shè)備運行數(shù)據(jù)，進行生產(chǎn)計劃和調(diào)度，實現(xiàn)了自動化和柔性化的生產(chǎn)。工業(yè)元宇宙幫助匯川技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的實時跟蹤和優(yōu)化，提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。匯川技術(shù)通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)與客戶進行實時交互和協(xié)作，提供更好的客戶服務和支持，進一步提升了市場競爭力。

工業(yè)元宇宙作為一種全新的數(shù)字化工業(yè)環(huán)境，對工業(yè)經(jīng)濟具有顯著的影響。通過提升效率、促進創(chuàng)新和推動產(chǎn)業(yè)升級，工業(yè)元宇宙為企業(yè)帶來了更多商機和競爭優(yōu)勢，推動了工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。然而，要實現(xiàn)工業(yè)元宇宙的價值最大化，仍需要進一步完善技術(shù)標準和保障數(shù)據(jù)安全，促進工業(yè)元宇宙與現(xiàn)實世界的有效融合，實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟更高水平的發(fā)展和持續(xù)創(chuàng)新。

3 典型案例

工業(yè)元宇宙為企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級帶來巨大的發(fā)展空間。

3.1 集成制造

隨著社會和人的因素被引入制造系統(tǒng)，增加了不確定性、多樣性和復雜性。當前，制造系統(tǒng)面臨的問題有：過多的人為干預，缺乏靈活性，難以實現(xiàn)按需生產(chǎn)以及人機交互效率低下等。工業(yè)元宇宙為解決這些問題提供了可行的解決方案。工業(yè)元宇宙由產(chǎn)品生命周期管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、完全集成自動化的物理系統(tǒng)以及制造智能的社會系統(tǒng)組成。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，將包括材料、設(shè)備、機器人和人員在內(nèi)的各種制造資源進行集成和協(xié)調(diào)，其中嵌入了知識自動化技術(shù)以形成工業(yè)思維的互聯(lián)網(wǎng)。數(shù)字人、機器人和生物人以協(xié)作的方式完成大部分制造任務，而生物人更專注于創(chuàng)造性和全局性的任務。

3.2 缺陷檢測

缺陷檢測是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。例如、液晶顯示屏面板、集成電路載板和精密PCB 等產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高、質(zhì)量要求嚴格，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)缺陷很容易導致最終產(chǎn)品報廢，或在產(chǎn)品使用時有潛在危險。因此，對這些產(chǎn)品進行缺陷檢測尤為重要。隨著計算機視覺和自動化設(shè)備的發(fā)展，大大減輕了手工檢查的負擔，同時，提高了檢測的效率和穩(wěn)定性。然而，在實際應用場景中，為了實現(xiàn)更高的檢測準確性，仍需要在自動缺陷檢測設(shè)備后進行人工復檢。在此過程中需要大量的人力成本，并逐漸成為PCB 生產(chǎn)的瓶頸。一方面，工人需要大量的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗，才能對缺陷的類型和嚴重程度作出正確判斷。另一方面，手工修復的準確性和效率非常低，無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。在工業(yè)元宇宙環(huán)境下，由機器人和數(shù)字工人協(xié)助進行檢查操作，能夠提高效率并降低工作難度。缺陷檢測和修復工作主要由機器人完成，只在極少數(shù)情況下需要人工干預。

4 人才培養(yǎng)啟示

工業(yè)元宇宙的出現(xiàn)對人才培養(yǎng)提出了新的要求。

1）隨著工業(yè)元宇宙的發(fā)展，企業(yè)對于人工智能、軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的人才需求不斷增加。為了適應這一變化，高校和其他教育機構(gòu)需要調(diào)整課程設(shè)置，加強相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)，并提供更多機會讓學生接觸和實踐相關(guān)技術(shù)，以滿足工業(yè)元宇宙對人才的需求。

2）工業(yè)元宇宙對人才培養(yǎng)的影響。工業(yè)元宇宙的發(fā)展帶來了技術(shù)和業(yè)務模式的變革，需要人才具備創(chuàng)新思維和敏銳的洞察力。因此，應注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力，鼓勵他們主動學習并應用新技術(shù)，培養(yǎng)解決問題和應對變化的能力。

3）工業(yè)元宇宙推動了對跨學科的人才培養(yǎng)。工業(yè)元宇宙的產(chǎn)業(yè)融合了物理、計算機科學、工業(yè)設(shè)計和經(jīng)濟學等多個學科領(lǐng)域，要求人才具備一定的跨學科背景和綜合能力，需要加強不同專業(yè)的合作與交流，開設(shè)跨學科的課程和項目，并提供相關(guān)的實習和實踐機會，培養(yǎng)具備跨學科創(chuàng)新能力的復合型人才。

5 結(jié)語

工業(yè)元宇宙是新一代信息技術(shù)推動下工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型的必然趨勢，為企業(yè)帶來了無紙化、無人化和無感化的先進體驗。通過工業(yè)元宇宙的服務，企業(yè)可以實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同與集成，優(yōu)化價值鏈，提高資源利用效率，降低生產(chǎn)成本。此外，工業(yè)元宇宙服務還能提供精準的市場預測和分析，幫助企業(yè)制定有效的決策。通過數(shù)據(jù)的智能分析和挖掘，企業(yè)可以深入了解消費者需求，提供個性化定制的產(chǎn)品和服務，從而提高用戶忠誠度。為應對快速變化的市場環(huán)境，企業(yè)應積極適應工業(yè)元宇宙的技術(shù)和服務，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。同時，教育行業(yè)也應適應這一變革，為我國現(xiàn)代工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展培養(yǎng)優(yōu)秀的復合型人才。