工業元宇宙的發展探索與人才培養啟示★

豐江帆， 羅小波， 田 茂

（重慶郵電大學計算機科學與技術學院， 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實（XR）、5G、人工智能（AI）和數據處理等新興技術基礎上，其核心理念是構建一個沉浸式的互聯網絡，該理念在推動娛樂、電子商務、教育和工業領域的快速發展與應用方面發揮了重要作用。

劉經南院士認為，虛實結合、軟硬結合是新工業時代的重要特征。工業元宇宙能夠實現虛擬空間與物理空間的協同作用，將虛擬世界中的工業場景進行全息展示，并跨越時空進行聚合。同時，利用數字孿生、人機交互等技術在現實生產經營過程中發揮作用。從工業系統的層級來看，工業元宇宙已經應用于設備、產品線、工廠和產業鏈等多個層級，助力企業降本增效，并服務于產業鏈管理和供應鏈優化。從交互和協同的方式來看，工業元宇宙是工業互聯網、工業物聯網和工業智能聯網等新一代信息通信技術的新形態和發展方向，將對傳統工業生產方式和管理模式帶來深遠的影響。

1 工業元宇宙的概念和特點

工業元宇宙是指在新的發展理念以及新一代人工智能技術引領下，借助新時代各類新技術群跨界融合，實現工業領域中“人、虛擬空間與現實空間”虛實映射/交互/融合、以虛促實、以虛強實的工業全要素鏈、全產業鏈、全價值鏈（三鏈）智慧、協同、開放服務和互聯的復雜數字工業經濟系統[2]。其內涵可分為三個層次：一是新型工業數字空間，實現工業現實與虛擬的綜合集成，數字化映射和模擬生產過程。二是全沉浸式工業智慧互聯網，實現新型數字化工業系統、人與機器、機器與機器以及實體與虛擬的智慧互聯和互操作。三是數字經濟與實體經濟融合發展，全面部署工業虛擬空間，實現虛實映射、交互和融合，推動工業高質量發展[3]。

有別于消費元宇宙中追求虛擬現實的酷炫效果，工業元宇宙構建的虛擬場景與對象對應現實世界中真實存在的物理系統，這個系統具有明確的組織、結構、目標與任務。工業元宇宙需要聚焦于虛擬空間中的活動如何指導現實生產實踐，實現降本增效、提質節能和安全生產等業務目標，還可以在研發設計中發揮想象力，進行高頻試錯和迭代。因此，工業元宇宙融合元宇宙、數字孿生、仿真技術與先進制造技術，構建了一種全新的虛擬智能制造系統，為工業生產與管理的各環節、場景、業態賦能，推動制造業實現數字化、網絡化和智能化轉型升級。從應用層面來看，工業互聯網強調工業系統與其他物理設備資源聯網，工業元宇宙則進一步強化物理世界與虛擬世界交互融合。

2 工業元宇宙對工業經濟的影響

工業元宇宙為工業經濟帶來了巨大的機遇和挑戰。

2.1 工業元宇宙提升了工業生產的效率

通過將實際工廠數字化，并利用虛擬仿真和智能化技術，工業元宇宙實現了生產過程的可視化和優化。這種方式為企業提供了更高效的生產流程和精確的數據信息，能夠大幅提高生產效率和產品質量。企業可以在虛擬環境中進行虛擬實驗和模擬優化，減少試錯成本，實現資源的最大化利用。此外，工業元宇宙還可以通過實時監控和預測分析，幫助企業進行生產計劃調整和異常處理，進一步提高生產效率。通過更高效的工業生產，企業能夠節約成本、提高產能，并更好地滿足市場需求。

2.2 工業元宇宙為企業提供了一個創新的環境

企業可以在虛擬環境中進行產品設計、仿真實驗和優化，加速創新過程，提高產品的競爭力。工業元宇宙還可以促進不同企業之間的合作與共享，通過在工業元宇宙中共享資源和知識，企業可以更好地利用外部的創新能力和技術實力，推動整個行業的發展。例如，不同企業可以共享虛擬測試環境，共同研發新產品；企業可以通過工業元宇宙中的虛擬培訓和演練，提高員工的技能和創新能力，為企業帶來了更多的商機和競爭優勢。

2.3 工業元宇宙還推動了工業經濟的產業升級

工業元宇宙作為一種數字化工業環境，能夠幫助企業在不斷變化的市場環境中更好地適應和應對挑戰。工業元宇宙為企業提供了更多的商機和渠道，促進企業與供應商、合作伙伴和客戶之間緊密聯系、互信合作。通過工業元宇宙，企業可以實現生產過程的全面優化和資源的高效配置，從而提高整個產業的效益和競爭力，推動產業升級和轉型。工業元宇宙也為企業帶來了更大的市場機會，幫助企業在全球市場中獲得競爭優勢。

例如，德國的機械零部件制造商布奈爾公司通過應用工業元宇宙技術，實現了生產過程的可視化和數字化管理。通過實時監控機器的運行狀態和整個生產過程的數據，可以進行精確的生產計劃和資源調配，大幅提高了生產效率和產品質量。此外，還通過工業元宇宙系統與供應鏈合作伙伴實時共享數據和信息，促進了合作和協同，進一步提升了整個產業的競爭力。我國的匯川技術通過工業元宇宙系統，實現了全面智能化的生產和管理。在生產過程中，通過工業元宇宙系統實時監測和分析設備運行數據，進行生產計劃和調度，實現了自動化和柔性化的生產。工業元宇宙幫助匯川技術實現了產品質量的實時跟蹤和優化，提高了產品的可靠性和穩定性。匯川技術通過工業元宇宙系統與客戶進行實時交互和協作，提供更好的客戶服務和支持，進一步提升了市場競爭力。

工業元宇宙作為一種全新的數字化工業環境，對工業經濟具有顯著的影響。通過提升效率、促進創新和推動產業升級，工業元宇宙為企業帶來了更多商機和競爭優勢，推動了工業經濟的發展。然而，要實現工業元宇宙的價值最大化，仍需要進一步完善技術標準和保障數據安全，促進工業元宇宙與現實世界的有效融合，實現工業經濟更高水平的發展和持續創新。

3 典型案例

工業元宇宙為企業數字化、智能化轉型升級帶來巨大的發展空間。

3.1 集成制造

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

3.2 缺陷檢測

缺陷檢測是工業生產過程中的重要環節。例如、液晶顯示屏面板、集成電路載板和精密PCB 等產品的生產成本高、質量要求嚴格，在生產過程中出現缺陷很容易導致最終產品報廢，或在產品使用時有潛在危險。因此，對這些產品進行缺陷檢測尤為重要。隨著計算機視覺和自動化設備的發展，大大減輕了手工檢查的負擔，同時，提高了檢測的效率和穩定性。然而，在實際應用場景中，為了實現更高的檢測準確性，仍需要在自動缺陷檢測設備后進行人工復檢。在此過程中需要大量的人力成本，并逐漸成為PCB 生產的瓶頸。一方面，工人需要大量的專業知識和實踐經驗，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，無法滿足現代生產的需求。在工業元宇宙環境下，由機器人和數字工人協助進行檢查操作，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，只在極少數情況下需要人工干預。

4 人才培養啟示

工業元宇宙的出現對人才培養提出了新的要求。

1）隨著工業元宇宙的發展，企業對于人工智能、軟件開發和數據分析等領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需要調整課程設置，加強相關專業的培養，并提供更多機會讓學生接觸和實踐相關技術，以滿足工業元宇宙對人才的需求。

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

3）工業元宇宙推動了對跨學科的人才培養。工業元宇宙的產業融合了物理、計算機科學、工業設計和經濟學等多個學科領域，要求人才具備一定的跨學科背景和綜合能力，需要加強不同專業的合作與交流，開設跨學科的課程和項目，并提供相關的實習和實踐機會，培養具備跨學科創新能力的復合型人才。

5 結語

工業元宇宙是新一代信息技術推動下工業企業轉型的必然趨勢，為企業帶來了無紙化、無人化和無感化的先進體驗。通過工業元宇宙的服務，企業可以實現全產業鏈的協同與集成，優化價值鏈，提高資源利用效率，降低生產成本。此外，工業元宇宙服務還能提供精準的市場預測和分析，幫助企業制定有效的決策。通過數據的智能分析和挖掘，企業可以深入了解消費者需求，提供個性化定制的產品和服務，從而提高用戶忠誠度。為應對快速變化的市場環境，企業應積極適應工業元宇宙的技術和服務，實現可持續發展的目標。同時，教育行業也應適應這一變革，為我國現代工業的高質量發展培養優秀的復合型人才。