從數字孿生到工業元宇宙的發展路徑

文 | 本刊記者 姜紅德

今年7月份，Meta（由Facebook更名）聯合一家海外咨詢公司發布了全球元宇宙白皮書。數據顯示，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。

元宇宙包括社區元宇宙、消費元宇宙、工業元宇宙等眾多分支領域。工業元宇宙源于工業企業和產業數字化轉型的需求，是數字經濟高度發展的產物，涵蓋了數字孿生、虛擬現實等多項數字技術。事實上，工業元宇宙離我們并不遙遠——在云計算、大數據的潮流下，網絡設備和傳感器被廣為應用，5G網絡逐漸商用，為現實物理世界的基礎設施創造數字孿生成為可能。用一句話概括一下，從數字孿生起步，工業元宇宙的未來世界版圖正在逐漸開始明朗起來。

數字孿生加持下的“工業元宇宙”

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實世界，這里的人們用數字化身來控制，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，元宇宙是利用數字孿生、虛擬現實等高科技手段進行鏈接與創造的，與現實世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間。

近年來，科技行業提及數字孿生概念的次數越來越多，微軟、西門子等企業都是它的忠實擁躉者。從專業技術的角度來看，它是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。在日常生活中，我們如果化繁為簡，可以認為數字孿生就是根據物理世界的形狀，在數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“數字孿生”正式命名，并應用于阿波羅項目中對飛行中的空間飛行器進行仿真分析，監測和預測空間飛行器的飛行狀態，輔助地面控制人員作出正確的決策。2017年，Gartner 將數字孿生列為十大戰略技術趨勢之一，也正是從這個時候開始，數字孿生概念被越來越多工業應用領域。2021年亞馬遜科技云推出了IoT TwinMaker，它讓數字孿生變得更加輕而易舉，企業通過數字孿生反映現實世界的功能提高了運營效率并減少停機時間。

有了數字孿生技術的加持，“工業元宇宙”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字業務平臺Xcelerator與3D設計和協作平臺Omniverse，形成數字與現實世界精準映射的數字孿生，并將軟件定義的人工智能系統從邊緣側連接到云端，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字模型和來自于英偉達的將人工智能與自然規律相結合的實時仿真技術，雙方將共同打造與工業元宇宙有關的各種應用場景。

西門子全球董事會主席、總裁兼首席執行官博樂仁表示，將映射現實、基于物理的數字孿生內嵌到工業元宇宙中，可以為人們創造一個可以交互、協作以解決現實世界問題的虛擬世界，從而為經濟和產業轉型釋放無限潛能。他說，“通過此次合作，我們將助力不同規模的企業打造工業元宇宙。過去十余年里，我們的數字孿生技術已經幫助各行各業的客戶提高生產效率；今天，西門子可以為產業提供綜合全面的數字孿生。借助西門子Xcelerator與Omniverse的互聯互通，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據。”

英偉達創始人兼首席執行官黃仁勛對此也表示，不同規模的企業能夠借助實時運營數據應用數字孿生技術，打造創新的工業物聯網解決方案，應用在邊緣側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對未來的工程挑戰。

可能落地的應用場景預測

數字孿生貫穿產品設計、開發、制造、服務、維護乃至報廢回收的整個周期，可以幫助制造企業優化運營，改善不足，開發新的經營模式，實現績效提升。從被Gartner列入未來10大戰略技術之一以來，數字孿生被用于越來越多的工業應用場景。

監控工業生產狀態。通常制造業企業在信息化階段已經上線了很多信息系統，可以幫助企業實現業務信息化，員工操作電腦化。進入企業數字化轉型之后，系統除了要對數據進行采集和傳輸，還要對數據進行展示和狀態判斷，并提出相應的警告，這就需要通過數字孿生相關的技術來完成對工業生產的監控。例如：從2020年開始，網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字孿生合同。具體的落地場景中就包括將生產車間完全實時展現在系統上。比如說總裝車間里，每一條生產線上面的每一個機械臂、每一個零件的狀態都實時投射在系統里面，從而解決了工程的巡場監控問題。

預測性維護與管理。在可視化的基礎上，數字孿生系統也可以為工廠在數字化轉型中全面分析及預測提供數據基礎，實現設備的預測性維護和管理流程的數據治理，提升設備綜合利用率和產品一次性合格率。

自動駕駛。通過數字孿生，可以實時監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，都會展現在監控大屏上面，從而為遠程保證行駛安全提供基礎。

隨著3D工業引擎、人工智能、軟件定義制造等技術的融合發展，數字孿生技術在實現虛擬化映射、落地場景應用方面常是多種模式混合，從而更全面地幫助企業實現向工業元宇宙升級。

上文提及的網思科技和廣汽集團合作案例中，在完成生產狀態監控的基礎上，可以在第二層面解決生產管理的問題，在安排生產計劃時，通過對各生產環節的運轉情況、工作效率以及停機檢測的時間安排等方面的數據分析，從而為生產提供最優安排。

2022年5月13日，海爾卡奧斯COSMOPlat重磅發布D3OS數字孿生產品。作為平臺仿真力的重要體現，產品聚焦工業企業數智化轉型，將通過提供數據智能和數字孿生端到端解決方案，助力企業打造可視、可管、可預測的數字孿生虛擬工廠，為優化生產經營流程、實現降本增效提供數據支撐的“工業大腦”。

在科技巨頭紛紛布局“元宇宙”的背景下，數字孿生技術既是對平臺數智化賦能能力的補充與提升，也為推動大數據、物聯網、人工智能等“工業元宇宙”技術與工業場景的結合提供了新路徑。

未來挑戰與展望

根據新華社的有關報道，元宇宙是基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，以及利用數字孿生技術生成現實世界的鏡像。從這一定義可以看出，數字孿生與元宇宙之間是相互協作的關系，數字孿生可以看成是工業元宇宙技術的一部分，而工業元宇宙是數字孿生發展的必然方向之一。

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

總之，工業元宇宙應該是智能制造的“未來形態”，通過賦能工業制造各環節、場景，使工業企業達到降低成本、提高生產效率的目的，實現智能制造的進一步升級。