淺談工業(yè)元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)

2021年以來，“元宇宙”概念迅速升溫，相關(guān)炒作與前瞻性探索不斷涌現(xiàn)。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)向虛實(shí)結(jié)合形態(tài)發(fā)展之際，結(jié)合工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，工業(yè)元宇宙正成為行業(yè)探索與實(shí)踐的熱點(diǎn)。其中，數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字設(shè)計(jì)與仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（AR/VR/MR）等前沿技術(shù)正不斷發(fā)展，創(chuàng)造新的應(yīng)用場(chǎng)景與用例，豐富工業(yè)元宇宙的內(nèi)涵，有望為實(shí)體行業(yè)的生產(chǎn)與運(yùn)作創(chuàng)造價(jià)值。

一、工業(yè)元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)元宇宙的實(shí)現(xiàn)路徑可視為數(shù)字孿生技術(shù)與交互技術(shù)的結(jié)合。數(shù)字孿生技術(shù)概念起源于美國密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里弗斯在2002年提出的“產(chǎn)品生命周期管理”概念。格里弗斯認(rèn)為，通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬信息空間構(gòu)建一個(gè)表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。在數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)上，加以AR/VR/MR等技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界與虛擬信息空間的結(jié)合。

在工業(yè)元宇宙業(yè)態(tài)迅猛發(fā)展的背后，若干關(guān)鍵技術(shù)正起到積極支撐作用。

（一）高速網(wǎng)絡(luò)與算力基礎(chǔ)設(shè)施

高速傳輸網(wǎng)絡(luò)和算力基礎(chǔ)設(shè)施是工業(yè)元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)元宇宙中將有大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與流動(dòng)，同時(shí)人工智能系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)都對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有著較一定要求。在通信方面，低時(shí)延、廣接入、高帶寬的5G/6G技術(shù)和光纖網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)可保障數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；在計(jì)算方面，高性能計(jì)算機(jī)、邊緣計(jì)算設(shè)備和數(shù)據(jù)中心，將滿足數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)需求。

（二）工業(yè)控制系統(tǒng)

工業(yè)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)采集與過程控制自動(dòng)化，其組成部分一般包括傳感器、信息處理系統(tǒng)與執(zhí)行裝置，可以通過采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，將測(cè)量數(shù)據(jù)與目標(biāo)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過程控制、異動(dòng)報(bào)警等功能。較大型的工業(yè)控制系統(tǒng)一般會(huì)用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）來實(shí)現(xiàn)，或是由分散式控制系統(tǒng)（DCS）及可編程邏輯控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)。在監(jiān)控端，工作人員一般使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)信息讀取和控制功能。工業(yè)控制系統(tǒng)目前廣泛用于化工產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)、發(fā)電廠、石油天然氣提煉，以及電信業(yè)。

（三）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）技術(shù)已廣泛用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。CAD負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，CAE負(fù)責(zé)驗(yàn)證產(chǎn)品性能?，F(xiàn)有的CAD技術(shù)已經(jīng)從二維平面圖紙、三維圖形設(shè)計(jì)發(fā)展到能夠?qū)Ξa(chǎn)品的材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建包括外形、結(jié)構(gòu)、功能和材質(zhì)的完整虛擬模型。CAE以三維建模為基礎(chǔ)，通過模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、物理特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面的工作狀態(tài)和表現(xiàn)，為產(chǎn)品功能、性能的可用性和可靠性提供依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

結(jié)合人工智能與數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已能模擬分析機(jī)器人、汽車以及生產(chǎn)線等較為復(fù)雜的產(chǎn)品、系統(tǒng)與環(huán)境。例如，英偉達(dá)公司在2023年美國拉斯維加斯消費(fèi)電子展（CES）上推出了Isaac Sim機(jī)器人模擬訓(xùn)練平臺(tái)的2022.2版本。該平臺(tái)基于英偉達(dá)的Omniverse工業(yè)元宇宙平臺(tái)，是一款機(jī)器人模擬和合成數(shù)據(jù)生成（SDG）工具，能夠在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練機(jī)器人，可加速智能機(jī)器人的開發(fā)、測(cè)試、培訓(xùn)和部署。Isaac Sim的最新版本重點(diǎn)提高了制造和物流機(jī)器人用例的性能和功能，且支持將人添加到模擬環(huán)境中，可以提高機(jī)器人與人類協(xié)作的效率與安全性。

（四）人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)在工業(yè)元宇宙中的應(yīng)用，有望促進(jìn)更真實(shí)的數(shù)字化模擬，并實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可根據(jù)多重的反饋源數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，從而幾乎實(shí)時(shí)地在數(shù)字世界里呈現(xiàn)物理實(shí)體的真實(shí)狀況，并能夠?qū)磳l(fā)生的事件進(jìn)行推測(cè)和預(yù)演。系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)除了可以依賴于傳感器的反饋信息，也可通過歷史數(shù)據(jù)或集成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，在不斷的自我學(xué)習(xí)與迭代中，模擬精度和速度將大幅提升。

人工智能技術(shù)在工業(yè)元宇宙中的一項(xiàng)重要應(yīng)用是預(yù)測(cè)性維護(hù)（Predictive maintenance）。預(yù)測(cè)性維護(hù)也稱基于狀態(tài)的維護(hù)，旨在通過傳感器數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等確定設(shè)備狀態(tài)，并通過人工智能模型來預(yù)測(cè)何時(shí)需要做維護(hù)。這比日?；蚨ㄆ谶M(jìn)行的預(yù)防性維護(hù)更節(jié)約成本，因?yàn)橹辉诖_有必要時(shí)才進(jìn)行維護(hù)，具體的項(xiàng)目通常包括：數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理、早期故障檢測(cè)、故障檢測(cè)、失效預(yù)測(cè)、維護(hù)計(jì)劃、資源優(yōu)化。預(yù)測(cè)性維護(hù)不僅有助于檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)、有針對(duì)性地調(diào)整、維修，減少設(shè)備停車時(shí)間，也有助于改善生產(chǎn)率、達(dá)成即時(shí)化生產(chǎn)。

例如，美軍與IBM、Uptake Technologies等公司合作，已將人工智能試驗(yàn)性地用于飛機(jī)、戰(zhàn)車等裝備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，通過裝備數(shù)據(jù)管理、人工智能分析，預(yù)測(cè)裝備的零部件故障。

（五）圖形顯示與交互技術(shù)

工業(yè)元宇宙在操作和交互層面的實(shí)現(xiàn)，需要依托于圖形處理、顯示和交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前業(yè)界青睞的圖形立體化顯示以及數(shù)字化虛擬交互，需要通過圖形處理技術(shù)結(jié)合AR/VR/MR技術(shù)呈現(xiàn)。

圖形處理技術(shù)依賴圖形引擎的生成與處理功能。目前圖形引擎中得到廣泛應(yīng)用的有Unity、OGRE、OpenGVS、Vtree、OSG等。以Unity圖形引擎為例，全世界所有VR和AR內(nèi)容中有超過60%均為Unity驅(qū)動(dòng)。其中的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可以應(yīng)用于汽車的設(shè)計(jì)、制造人員培訓(xùn)、制造流水線的實(shí)際操作、無人駕駛模擬訓(xùn)練、市場(chǎng)推廣展示等環(huán)節(jié)。Unity最新的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)可以創(chuàng)造出更加逼真的可交互虛擬環(huán)境，讓參與者身臨其境，感受虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)體驗(yàn)。高清實(shí)時(shí)渲染配合VR/AR/MR設(shè)備，可以展示傳統(tǒng)CG離線渲染無法提供的可互動(dòng)內(nèi)容。而且在研發(fā)階段，實(shí)時(shí)渲染可以實(shí)現(xiàn)“可見即所得”，讓開發(fā)者身臨其境地進(jìn)行設(shè)計(jì)、交互。Unity的各類解決方案可有針對(duì)性地面向和施工等各個(gè)行業(yè)，可以將作業(yè)圖紙和信息轉(zhuǎn)換成Unity 3D模型，支持在各種設(shè)備上以沉浸、互動(dòng)的方式審查實(shí)時(shí)模型。

如今，隨著企業(yè)數(shù)字化進(jìn)程的加速，不少企業(yè)將AR/VR/MR技術(shù)運(yùn)用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在汽車、運(yùn)輸、制造、建筑等工程領(lǐng)域擁有廣泛用例。例如，西門子公司已經(jīng)在其服務(wù)中結(jié)合VR技術(shù)，允許用戶通過VR眼鏡實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、產(chǎn)線檢查等功能。

美國波音公司在飛機(jī)制造的環(huán)節(jié)中運(yùn)用了AR技術(shù)，使用AR眼鏡的定位功能，幫助工人找到和更換用于不同部件制造的臨時(shí)緊固件，從而改進(jìn)了復(fù)雜的線路布局、檢驗(yàn)工作，由此提高飛機(jī)生產(chǎn)的效率，使得767客機(jī)、KC-46加油機(jī)等機(jī)型的生產(chǎn)時(shí)間縮短了至多30%，每架飛機(jī)上節(jié)省的費(fèi)用達(dá)數(shù)百萬美元。

二、工業(yè)元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)元宇宙將覆蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、巡檢、遠(yuǎn)程運(yùn)維、經(jīng)營(yíng)管理等工業(yè)生產(chǎn)全鏈條環(huán)節(jié)，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值或遠(yuǎn)大于消費(fèi)領(lǐng)域。

（一）研發(fā)設(shè)計(jì)協(xié)作

工業(yè)元宇宙的一大應(yīng)用場(chǎng)景是協(xié)同設(shè)計(jì)，允許工程人員通過在線平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)作，共同設(shè)計(jì)、迭代和更改，從而簡(jiǎn)化工作流程。以美國英偉達(dá)公司于2021年底發(fā)布Omniverse平臺(tái)為例。Omniverse是一個(gè)易于擴(kuò)展的開放式平臺(tái)，專為虛擬協(xié)作和物理級(jí)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)模擬打造，其定位為“工程師的元宇宙”。創(chuàng)作者、設(shè)計(jì)師、研究人員和工程師可以連接主要設(shè)計(jì)工具、資料和項(xiàng)目，從而在共享的虛擬空間中協(xié)作和迭代。目前，該平臺(tái)已支持Adobe、Autodesk等廠商的多款設(shè)計(jì)與工程軟件的協(xié)作，有望變革藝術(shù)、工程設(shè)計(jì)等行業(yè)的工作流程。

（二）制造與建造

在工業(yè)制造和建筑建造行業(yè)，工業(yè)元宇宙有望發(fā)揮前所未有的潛力。結(jié)合5G/6G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、工藝裝備與作業(yè)過程等進(jìn)行模擬和優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理與質(zhì)量控制。工業(yè)元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景包括：更改工廠車間布局以測(cè)試不同的配置，了解不同方案會(huì)給工人在車間內(nèi)的移動(dòng)帶來哪些影響，并判斷他們?cè)谝苿?dòng)機(jī)器人周圍的安全性；檢查來自傳感器的數(shù)據(jù)，以確定振動(dòng)的來源；通過查看虛擬物理模型狀態(tài)，直觀地找到故障的根源。

以寶馬公司與英偉達(dá)開展的虛擬工廠合作為例。寶馬通過引入英偉達(dá)Omniverse平臺(tái)協(xié)調(diào)其31座工廠生產(chǎn)，有望將生產(chǎn)效率提高30%。

（三）物流與供應(yīng)鏈管理

工業(yè)元宇宙在物流與供應(yīng)鏈管理方面的應(yīng)用主要在于模擬與分析，以優(yōu)化物流周轉(zhuǎn)的效率。通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)連通世界各地的物流中心/工廠，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈與物流信息的同步，隨后建立包括物流環(huán)境、設(shè)備、貨物種類、數(shù)量等要素的全環(huán)節(jié)模型，計(jì)算時(shí)間、效率及經(jīng)濟(jì)性，生成智慧化揀貨與排單策略，以快速面對(duì)、彈性適應(yīng)每天不斷變化的訂單需求。這種方式有望提高物流周轉(zhuǎn)效率、降低成本，從而為企業(yè)創(chuàng)造更高利潤(rùn)。

三、未來前景展望

（一）工業(yè)元宇宙有望推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

2021年12月，中紀(jì)委網(wǎng)站刊文《元宇宙如何改寫人類生活》，指出多重因素將促使元宇宙從概念走向流行，可為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等帶來發(fā)展機(jī)遇。2022年11月，工信部工業(yè)文化發(fā)展中心發(fā)布《工業(yè)元宇宙創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025）》，提出我國工業(yè)元宇宙發(fā)展的總體要求、重點(diǎn)任務(wù)以及保障措施。

憑借數(shù)字化技術(shù)賦能，工業(yè)元宇宙將使工業(yè)生產(chǎn)更協(xié)同、更高效、更安全、更智能、更精準(zhǔn)，成本更低。根據(jù)集邦咨詢公司（TrendForce）的預(yù)測(cè)，工業(yè)元宇宙將推動(dòng)全球智能制造市場(chǎng)規(guī)模于2025年達(dá)5400億美元，2021至2025年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)15.35%。

（二）國內(nèi)外工業(yè)元宇宙發(fā)展各有所長(zhǎng)

當(dāng)前，國外企業(yè)在技術(shù)積累上更深厚，諸如英偉達(dá)、英特爾、微軟等巨頭企業(yè)的AI和行業(yè)數(shù)字化解決方案較為成熟，西門子、施耐德等企業(yè)在工業(yè)數(shù)字化方面的經(jīng)驗(yàn)較為豐富。中國工業(yè)門類齊全，應(yīng)用場(chǎng)景多，且國內(nèi)科技企業(yè)的應(yīng)用研發(fā)、落地能力較強(qiáng)，因此國內(nèi)在工業(yè)元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景方面可能更加豐富。

隨著相關(guān)技術(shù)與解決方案的發(fā)展成熟，工業(yè)元宇宙的市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大并產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，這對(duì)于廣大工業(yè)企業(yè)，特別是希望借助新興技術(shù)和商業(yè)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與效率提升的企業(yè)，是個(gè)良好的機(jī)遇。企業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住工業(yè)元宇宙技術(shù)探索和場(chǎng)景創(chuàng)新的窗口期，結(jié)合企業(yè)自身與市場(chǎng)的實(shí)際情況，量力而行地選擇適合元宇宙化的場(chǎng)景，進(jìn)行探索和創(chuàng)新嘗試，早日搶占技術(shù)制高點(diǎn)。

（三）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立仍需時(shí)日

由于工業(yè)元宇宙概念剛剛興起，程序與系統(tǒng)接口、技術(shù)規(guī)范、可靠性認(rèn)證、應(yīng)用安全等方面的標(biāo)準(zhǔn)體系亟待構(gòu)建。應(yīng)充分結(jié)合信息技術(shù)與工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，面向可互操作性、安全性、可靠性等實(shí)際要求，盡早進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定與推廣，進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)信息化向縱深發(fā)展。

根據(jù)《工業(yè)元宇宙創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025）》的要求，行業(yè)與有關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)逐步開展重點(diǎn)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定以及推動(dòng)國際標(biāo)準(zhǔn)制定；整合檢測(cè)資源，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試、安全評(píng)估、檢驗(yàn)認(rèn)證，確保智能產(chǎn)品和服務(wù)的可靠性、安全性，努力形成標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)全面規(guī)范化發(fā)展的新格局。

作者簡(jiǎn)介

唐乾琛 國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所研究二室，三級(jí)分析員

研究方向：信息領(lǐng)域戰(zhàn)略、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)前沿

編輯：黃飛

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