工業元宇宙就是下一張全真工業互聯網

閆同柱

一、工業元宇宙

工業元宇宙是以CPS為基礎、工業元宇宙平臺為中樞、數據為要素、安全為保障。工業元宇宙通過新一代信息通信技術如CPS、三維設計、虛擬現實、增強現實、人工智能、數字孿生、物聯網、5G 網絡、大數據、云計算等，打通人、機、物、系統等的無縫連接，將確切的物理系統與虛擬的數據世界相融合，將制造領域中人、機、料、法、環、測與數字技術領域進行融合，進而優化工業制造環節中的物理設備、人與流程。

二、工業元宇宙和工業互聯網之間的關系

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、料、法、環、測等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系。工業互聯網是以網絡為基礎、平臺為中樞、數據為要素、安全為保障，它既是新生產方式、組織方式、運營方式，也是一種新的基礎設施。工業互聯網的核心是數據驅動的智能優化閉環，通過對工業系統實時數據的采集、傳輸、處理、分析、決策與反饋控制，并與工業知識相結合，形成新的優化范式，不斷改進物理世界的運行效率，創造更大的價值。工業互聯網平臺作為重構產業價值鏈的核心價值支撐點，通過實現“互聯—優化—重構”，重構舊的價值創造體系，成為新的價值高地，塑造新工業制造體系正逐漸成為現實。通過把信息技術、通信技術，以及運營與自動化技術應用到工業領域中，即OT（運營技術）+IT（信息技術）+CT（通訊技術），實現人、機、料、法、環、測和基于平臺的數據聯結，通過算法模型使實時資源優化配置成為可能。

作為工業元宇宙的基礎，CPS信息物理系統通過集成物聯網、機器人、AR、VR、5G、AI等技術，構建出物理世界與虛擬世界中，人、機、料、法、環測等要素實時交互、高效協同的數字孿生體，實現系統內資源配置的最優化。數字孿生是CPS（信息物理系統）的核心，而CPS則是工業元宇宙的核心。數字孿生技術不僅可以讓我們看到產品外部的變化，更可以看到產品內部每一個零部件的工作狀態，進行預測性的決策。CPS要實現虛實融合。第一層是實體，實體要有智能。實體智能就是第二層的。實體智能向上聯接要采用物聯的方法，物聯就是第三層。物聯到實體孿生體（Physical DTwin），這就是第四層，它是類似于驅動程序的一層，實現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，即系統孿生體（System DTwin）。生產線和設備系統不可能分散工作，必須要統一于系統孿生體之下。再上面的第六層是產品孿生體（Product DTwin）。三個孿生體之間用數字紐帶聯系起來，機器人可以直接使用產品孿生體的控制參數。數控車床可以直接使用數字孿生體里面的數控程序。產品孿生體（Product DTwin）之上是第七層：接口層。這一層的供應商與客戶通過產品孿生體（Product DTwin）層與其他層建立關聯。作為工業元宇宙的一部分，工業互聯網扮演的主要是基礎設施的角色，主要負責物理現實世界的打通協同。而工業元宇宙，還要進一步結合5G、AR、VR、AI計算機視覺、區塊鏈等技術，繼續強化虛擬世界和現實世界的聯動，讓數據信息更深入地服務于企業運營、資源調度、人員協同等等。工業元宇宙是針對現實工業場景中的研發設計、生產制造、營銷銷售、售后服務等場景建立工業元宇宙平臺，通過虛擬空間和現實空間的相互指導和優化，實現降本提效、高效協同、節能減排的效果。工業元宇宙從發展的路徑來看，可以分成五個層級，分別是單元應用、系統化應用，集成化應用，網絡化應用以及網絡化集成。

三、中國工業元宇宙將從哪些方面對工業帶來改變

工業元宇宙將覆蓋工業生產全鏈條環節，從產品設計、工藝開發、試產測試、產線生產、設備調試、產線巡檢、遠程運維、經營管理、人員培訓、市場營銷等端到端的系統。

提高協作效率。通過數字化平臺將產品規劃、設計到建模等工作在協同的數字平臺實現，將原流程化的設計師、工程師等融合，實現及時共享的開發，通過虛擬化模擬設計到成品的效果驗證，加速產品開發中的交流的時間成本，加速產品開發速度，降低產品開發成本，加速產品的上市時間。在消費領域，元宇宙強調沉浸感、真實感;而在工業領域，工業產品的虛擬化將達到可以實際生產的水平。在現實中，企業往往根據職能分成設計師、工藝師、車間工藝師、車間生產工人、班組長、調度員等，在工藝和生產方面，設計師往往考慮得相對較少，這樣就導致從設計到生產的過程中容易出現問題。造成這種結果的原因是基礎設施能力、信息基礎、設計手段和工具不足。進入元宇宙時代，工業元宇宙將為提升虛擬化水平創造條件，如國產工業軟件更具性價比，可以實現從三維設計的普及化，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，從而確立領先地位。達到這樣水平的虛擬工業產品可以大幅提高一次制造成功率，使產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，進入實際生產也往往需要一個過程，如一般企業會有原型產品、初步設計產品、定型產品。在整體的設計過程中，溝通協同無處不在，典型的有設計師與設計師、工藝人員、倉庫物流員的協同，企業人員與相關供應鏈的協同，企業人員與客戶、消費者乃至管理機構的協同。這些協同的場景都需要提升信息內容，數字化技術方面需要深化應用三維設計、裝配模型、工業造型、仿真分析、優化設計等軟件，物理方面需要利用攝像頭云陣、先進的網絡技術設備、大屏幕展示設備等，更好地展示、交互與體驗，以獲得更好的產品設計。

降低創新成本。元宇宙時代，人不僅是消費者，也是生產者，更是創造者。在元宇宙時代，更強調個人的創意，既包括客戶、消費者的需求，也包括企業領導、企業普通員工的創意，然后逐步從不確定性向確定性轉化。在元宇宙時代，個人可以利用更好的創新工具，如借助三維設計軟件、仿真軟件，基于計算機構建虛擬樣機，模擬多種場景（工況）下的狀態，工業產品的創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，工業產品的信息將發生巨大變化，從信息化到數字化，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，由于網絡能力的提升，可以讓生產者與客戶、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;可以傳遞產品的運動模型表達產品功能;可以傳遞仿真模型表達產品的剛度、強度。在制造過程中，客戶、消費者可以實時掌握生產的進度;生產者遇到問題時可以及時處理，從而避免更大規模的損失;如有新的創意，可以及時落實。

優化生產流程。通過工業元宇宙平臺，能夠沉浸式體驗虛擬智能工廠的建設和運營過程，與虛擬智能工廠中的設備、產線進行實時交互，可以更加直觀、便捷地優化生產流程、開展智能排產。在智能工廠建設前期，可利用工業元宇宙平臺建設與現實智能工廠的建筑結構、產線布置、生產流程、設備結構一致的虛擬智能工廠，從而能夠實現對產能配置、設備結構、人員動線等方面合理性的提前驗證。對于智能工廠生產過程中的任何變動，都可以在虛擬智能工廠中進行模擬，預測生產狀態，實現生產流程優化。例如，寶馬與英偉達正開展虛擬工廠相關合作，寶馬引入英偉達元宇宙平臺（Omniverse平臺）協調31座工廠生產，有望將寶馬的生產規劃效率提高30%。

虛擬制造降低生產調整成本。虛擬工廠將先于物理工廠建設，在虛擬空間中對生產布局、生產工藝、生產組織、物流運輸等環節進行建模仿真，優化得出最佳結果后再進行現實空間的建設，最大程度減少資源消耗。

提高安全生產保障。從前期的人員培訓，將工業生產場景虛擬化，通過XR等設備進行教育訓練、風險可視化識別與強化提醒。在實際產線應用中，通過建設安全生產系統體系，將重點安全點檢和隱患排查等通過可視化體現，并通過系統提醒與任務管理，將原來人工化的方式改變為人工與數字融合的方式，提升安全管理可靠度。

降低運維維護成本。相對于現階段利用大數據分析的預測性維護，基于工業元宇宙的設備運維能夠打破空間限制，有效提高設備運維響應效率和服務質量。在工業元宇宙平臺建立的虛擬空間中，運維人員將不受地域限制，在生產設備出現問題時，能夠實現遠程實時確認設備情況，及時修復問題。對于難度大、復雜程度高的設備問題，可以通過工業元宇宙平臺匯聚全球各地的專家，共同商討解決方案，從而提高生產效率。

提升產品測試效率。對于應用標準高、測試要求復雜的產品，工業元宇宙能夠提供虛擬環境以開展試驗驗證和產品性能測試。通過虛實結合實現物理空間和虛擬空間的同步測試，更加直觀地感受產品的內外部變化，提高測試認證效率和準確性。例如，相對于民用消費級芯片產品，車規級AI芯片由于工作環境多變、安全性要求高等因素，功能設計復雜，其研發、測試、認證流程十分嚴苛，需滿足多項國際國內行業標準。工業元宇宙可為車規級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，提高車規級AI芯片的測試、認證效率。

元宇宙品牌營銷。元宇宙營銷時代已經到來，作為企業品牌（尤其是面向c端的消費品品牌）應該抓住元宇宙風口，打造NFT虛擬形象或藝術藏品，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，只需要設計開發出所屬的NFT數字產品。未來，產品開發邏輯也會因此轉向為“先虛擬后現實”，那么在元宇宙中的領導品牌就有可能成現實中的領導品牌。但現實中的領導品牌若不盡早布局，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，越來越多的企業和消費者對于VR、AR的應用有了更濃厚的興趣。“虛擬店鋪購物”將傳統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，結合AR技術，可以做到用戶體驗到和線下門店一致的購物體驗。虛擬店鋪能夠實現實時轉化，用戶可以在店鋪里自由探索，感受品牌調性與氛圍;點擊感興趣的產品可以查看細節，實現初步種草，結合AR虛擬試穿，達到深度種草，最后一鍵下單，縮短購買鏈路，極速轉化，實現完整的銷售閉環。

實時設備資產管理。數據是企業管理的基礎，來自物聯網設備的真實參考數據可以進一步提高數字模型的準確性。卡奧斯COSMOPlat D3OS運用物聯網技術，通過對設備、生產、工藝、質量、能耗等多方數據的挖掘與統一治理，可實現：企業設備物聯、上云用數的需求;對企業等各層級的設備及零部件的虛實聯動、狀態識別、跟蹤預警等全流程監管。在某紡織行業數字化改造中，卡奧斯COSMOPlat通過將生產過程中的多類系統進行融合打通，并結合3D建模，完成工廠生產的數字孿生系統。通過該系統，該企業實現一屏統管，對車間機臺、訂單、能耗等關鍵設備和數據實現實時化、可視化管控。

四、結論

雖然國內工業元宇宙還屬于初期階段，但與國外的差距不大，由于互聯網的出現，有大量的多學科、多技術、多產品、多業務、多領域、多行業的深度融合會大量出現，產業跨界融合急需立體直觀的高效協同平臺，因此工業元宇宙將會有力促進產業融合協同創新的發展需求，不少的案例都表明工業元宇宙將使工業生產更協同、更高效、更安全、更智能、更精準和更低成本。工業元宇宙產業為工業尋找新的增長點提供了很好的思路，成為企業數字化轉型的一個新動能，進一步推動工業互聯網向縱深發展，工業元宇宙的出現給了中國工業一次彎道超車的大機遇。

（作者為北京信息化和工業化融合服務聯盟理事長）