工业元宇宙就是下一张全真工业互联网

闫同柱

一、工业元宇宙

工业元宇宙是以CPS为基础、工业元宇宙平台为中枢、数据为要素、安全为保障。工业元宇宙通过新一代信息通信技术如CPS、三维设计、虚拟现实、增强现实、人工智能、数字孪生、物联网、5G 网络、大数据、云计算等，打通人、机、物、系统等的无缝连接，将确切的物理系统与虚拟的数据世界相融合，将制造领域中人、机、料、法、环、测与数字技术领域进行融合，进而优化工业制造环节中的物理设备、人与流程。

二、工业元宇宙和工业互联网之间的关系

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、料、法、环、测等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系。工业互联网是以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障，它既是新生产方式、组织方式、运营方式，也是一种新的基础设施。工业互联网的核心是数据驱动的智能优化闭环，通过对工业系统实时数据的采集、传输、处理、分析、决策与反馈控制，并与工业知识相结合，形成新的优化范式，不断改进物理世界的运行效率，创造更大的价值。工业互联网平台作为重构产业价值链的核心价值支撑点，通过实现“互联—优化—重构”，重构旧的价值创造体系，成为新的价值高地，塑造新工业制造体系正逐渐成为现实。通过把信息技术、通信技术，以及运营与自动化技术应用到工业领域中，即OT（运营技术）+IT（信息技术）+CT（通讯技术），实现人、机、料、法、环、测和基于平台的数据联结，通过算法模型使实时资源优化配置成为可能。

作为工业元宇宙的基础，CPS信息物理系统通过集成物联网、机器人、AR、VR、5G、AI等技术，构建出物理世界与虚拟世界中，人、机、料、法、环测等要素实时交互、高效协同的数字孪生体，实现系统内资源配置的最优化。数字孪生是CPS（信息物理系统）的核心，而CPS则是工业元宇宙的核心。数字孪生技术不仅可以让我们看到产品外部的變化，更可以看到产品内部每一个零部件的工作状态，进行预测性的决策。CPS要实现虚实融合。第一层是实体，实体要有智能。实体智能就是第二层的。实体智能向上联接要采用物联的方法，物联就是第三层。物联到实体孪生体（Physical DTwin），这就是第四层，它是类似于驱动程序的一层，实现控制实体和让实体向自己进行信息反馈。实体孪生体（Physical DTwin）之上是第五层，即系统孪生体（System DTwin）。生产线和设备系统不可能分散工作，必须要统一于系统孪生体之下。再上面的第六层是产品孪生体（Product DTwin）。三个孪生体之间用数字纽带联系起来，机器人可以直接使用产品孪生体的控制参数。数控车床可以直接使用数字孪生体里面的数控程序。产品孪生体（Product DTwin）之上是第七层：接口层。这一层的供应商与客户通过产品孪生体（Product DTwin）层与其他层建立关联。作为工业元宇宙的一部分，工业互联网扮演的主要是基础设施的角色，主要负责物理现实世界的打通协同。而工业元宇宙，还要进一步结合5G、AR、VR、AI计算机视觉、区块链等技术，继续强化虚拟世界和现实世界的联动，让数据信息更深入地服务于企业运营、资源调度、人员协同等等。工业元宇宙是针对现实工业场景中的研发设计、生产制造、营销销售、售后服务等场景建立工业元宇宙平台，通过虚拟空间和现实空间的相互指导和优化，实现降本提效、高效协同、节能减排的效果。工业元宇宙从发展的路径来看，可以分成五个层级，分别是单元应用、系统化应用，集成化应用，网络化应用以及网络化集成。

三、中国工业元宇宙将从哪些方面对工业带来改变

工业元宇宙将覆盖工业生产全链条环节，从产品设计、工艺开发、试产测试、产线生产、设备调试、产线巡检、远程运维、经营管理、人员培训、市场营销等端到端的系统。

提高协作效率。通过数字化平台将产品规划、设计到建模等工作在协同的数字平台实现，将原流程化的设计师、工程师等融合，实现及时共享的开发，通过虚拟化模拟设计到成品的效果验证，加速产品开发中的交流的时间成本，加速产品开发速度，降低产品开发成本，加速产品的上市时间。在消费领域，元宇宙强调沉浸感、真实感;而在工业领域，工业产品的虚拟化将达到可以实际生产的水平。在现实中，企业往往根据职能分成设计师、工艺师、车间工艺师、车间生产工人、班组长、调度员等，在工艺和生产方面，设计师往往考虑得相对较少，这样就导致从设计到生产的过程中容易出现问题。造成这种结果的原因是基础设施能力、信息基础、设计手段和工具不足。进入元宇宙时代，工业元宇宙将为提升虚拟化水平创造条件，如国产工业软件更具性价比，可以实现从三维设计的普及化，到计算机辅助加工的普及化、计算机辅助工程（仿真分析）的普及化。开展虚拟仿真分析时，不仅要考虑企业自身水平，也要考虑世界同行水平和客户需求水平，从而确立领先地位。达到这样水平的虚拟工业产品可以大幅提高一次制造成功率，使产品在市场上更具备竞争力。在虚拟化阶段包括草图、二维图、三维模型、分析模型、加工模型等，进入实际生产也往往需要一个过程，如一般企业会有原型产品、初步设计产品、定型产品。在整体的设计过程中，沟通协同无处不在，典型的有设计师与设计师、工艺人员、仓库物流员的协同，企业人员与相关供应链的协同，企业人员与客户、消费者乃至管理机构的协同。这些协同的场景都需要提升信息内容，数字化技术方面需要深化应用三维设计、装配模型、工业造型、仿真分析、优化设计等软件，物理方面需要利用摄像头云阵、先进的网络技术设备、大屏幕展示设备等，更好地展示、交互与体验，以获得更好的产品设计。

降低创新成本。元宇宙时代，人不仅是消费者，也是生产者，更是创造者。在元宇宙时代，更强调个人的创意，既包括客户、消费者的需求，也包括企业领导、企业普通员工的创意，然后逐步从不确定性向确定性转化。在元宇宙时代，个人可以利用更好的创新工具，如借助三维设计软件、仿真软件，基于计算机构建虚拟样机，模拟多种场景（工况）下的状态，工业产品的创新成本可以大幅度下降。

强化客户深度交互。进入元宇宙时代，工业产品的信息将发生巨大变化，从信息化到数字化，意味着信息更加精确，从定性到定量。信息的完整性、时效性、实时性也都将大幅提升，由于网络能力的提升，可以让生产者与客户、消费者建立起更强大的沟通场景，更好的沟通模式，从而取得更佳的沟通效果。例如，以往传递的是二维图，今后传递的可能是三维模型;可以传递产品的运动模型表达产品功能;可以传递仿真模型表达产品的刚度、强度。在制造过程中，客户、消费者可以实时掌握生产的进度;生产者遇到问题时可以及时处理，从而避免更大规模的损失;如有新的创意，可以及时落实。

优化生产流程。通过工业元宇宙平台，能够沉浸式体验虚拟智能工厂的建设和运营过程，与虚拟智能工厂中的设备、产线进行实时交互，可以更加直观、便捷地优化生产流程、开展智能排产。在智能工厂建设前期，可利用工业元宇宙平台建设与现实智能工厂的建筑结构、产线布置、生产流程、设备结构一致的虚拟智能工厂，从而能够实现对产能配置、设备结构、人员动线等方面合理性的提前验证。对于智能工厂生产过程中的任何变动，都可以在虚拟智能工厂中进行模拟，预测生产状态，实现生产流程优化。例如，宝马与英伟达正开展虚拟工厂相关合作，宝马引入英伟达元宇宙平台（Omniverse平台）协调31座工厂生产，有望将宝马的生产规划效率提高30%。

虚拟制造降低生产调整成本。虚拟工厂将先于物理工厂建设，在虚拟空间中对生产布局、生产工艺、生产组织、物流运输等环节进行建模仿真，优化得出最佳结果后再进行现实空间的建设，最大程度减少资源消耗。

提高安全生产保障。从前期的人员培训，将工业生产场景虚拟化，通过XR等设备进行教育训练、风险可视化识别与强化提醒。在实际产线应用中，通过建设安全生产系统体系，将重点安全点检和隐患排查等通过可视化体现，并通过系统提醒与任务管理，将原来人工化的方式改变为人工与数字融合的方式，提升安全管理可靠度。

降低运维维护成本。相对于现阶段利用大数据分析的预测性维护，基于工业元宇宙的设备运维能够打破空间限制，有效提高设备运维响应效率和服务质量。在工业元宇宙平台建立的虚拟空间中，运维人员将不受地域限制，在生产设备出现问题时，能够实现远程实时确认设备情况，及时修复问题。对于难度大、复杂程度高的设备问题，可以通过工业元宇宙平台汇聚全球各地的专家，共同商讨解决方案，从而提高生产效率。

提升产品测试效率。对于应用标准高、测试要求复杂的产品，工业元宇宙能够提供虚拟环境以开展试验验证和产品性能测试。通过虚实结合实现物理空间和虚拟空间的同步测试，更加直观地感受产品的内外部变化，提高测试认证效率和准确性。例如，相对于民用消费级芯片产品，车规级AI芯片由于工作环境多变、安全性要求高等因素，功能设计复杂，其研发、测试、认证流程十分严苛，需满足多项国际国内行业标準。工业元宇宙可为车规级AI芯片提供虚拟测试空间，工程师可以用较低的成本对车规级AI芯片进行测试，也可以模拟和体验搭载AI芯片的自动驾驶汽车，提高车规级AI芯片的测试、认证效率。

元宇宙品牌营销。元宇宙营销时代已经到来，作为企业品牌（尤其是面向c端的消费品品牌）应该抓住元宇宙风口，打造NFT虚拟形象或艺术藏品，以一种全新的品牌形象建立与年轻消费者之间的纽带。但在这个过程中，需要牢牢把握品牌定位。从趋势的角度，越是在竞争中弱势的品牌越应该率先布局元宇宙，因为它是一个全新的、无争的空间或渠道。在当前，元宇宙中几乎所有的品类都是空缺，你可以成为元宇宙第一咖啡品牌，也可以成为元宇宙第一跑车品牌，只需要设计开发出所属的NFT数字产品。未来，产品开发逻辑也会因此转向为“先虚拟后现实”，那么在元宇宙中的领导品牌就有可能成现实中的领导品牌。但现实中的领导品牌若不尽早布局，很可能沦为收割对象。

虚拟店铺购物。随着元宇宙概念的爆发，越来越多的企业和消费者对于VR、AR的应用有了更浓厚的兴趣。“虚拟店铺购物”将传统线上购物的痛点一一击破，高保真还原线下店铺的购物体验，确保用户线下线上购物的“无缝切换”。通过VR技术将实体场景一比一切换为虚拟店铺，提供逼真的线下购物的沉浸感，结合AR技术，可以做到用户体验到和线下门店一致的购物体验。虚拟店铺能够实现实时转化，用户可以在店铺里自由探索，感受品牌调性与氛围;点击感兴趣的产品可以查看细节，实现初步种草，结合AR虚拟试穿，达到深度种草，最后一键下单，缩短购买链路，极速转化，实现完整的销售闭环。

实时设备资产管理。数据是企业管理的基础，来自物联网设备的真实参考数据可以进一步提高数字模型的准确性。卡奥斯COSMOPlat D3OS运用物联网技术，通过对设备、生产、工艺、质量、能耗等多方数据的挖掘与统一治理，可实现：企业设备物联、上云用数的需求;对企业等各层级的设备及零部件的虚实联动、状态识别、跟踪预警等全流程监管。在某纺织行业数字化改造中，卡奥斯COSMOPlat通过将生产过程中的多类系统进行融合打通，并结合3D建模，完成工厂生产的数字孪生系统。通过该系统，该企业实现一屏统管，对车间机台、订单、能耗等关键设备和数据实现实时化、可视化管控。

四、结论

虽然国内工业元宇宙还属于初期阶段，但与国外的差距不大，由于互联网的出现，有大量的多学科、多技术、多产品、多业务、多领域、多行业的深度融合会大量出现，产业跨界融合急需立体直观的高效协同平台，因此工业元宇宙将会有力促进产业融合协同创新的发展需求，不少的案例都表明工业元宇宙将使工业生产更协同、更高效、更安全、更智能、更精准和更低成本。工业元宇宙产业为工业寻找新的增长点提供了很好的思路，成为企业数字化转型的一个新动能，进一步推动工业互联网向纵深发展，工业元宇宙的出现给了中国工业一次弯道超车的大机遇。

（作者为北京信息化和工业化融合服务联盟理事长）