工业元宇宙的发展探索与人才培养启示★

丰江帆， 罗小波， 田 茂

（重庆邮电大学计算机科学与技术学院， 重庆 400065）

0 引言

元宇宙概念通常被认为源于尼尔·斯蒂芬森于1992 年发表的科幻小说《雪崩（SnowCrash）》[1]，然而，直至2021 年Facebook 更名为Meta 之后才逐渐演变成热点。2021 年12 月，首届中国元宇宙峰会通过社交媒体进行了现场直播，正式宣告了亚洲元宇宙时代的开启。元宇宙建立在扩展现实（XR）、5G、人工智能（AI）和数据处理等新兴技术基础上，其核心理念是构建一个沉浸式的互联网络，该理念在推动娱乐、电子商务、教育和工业领域的快速发展与应用方面发挥了重要作用。

刘经南院士认为，虚实结合、软硬结合是新工业时代的重要特征。工业元宇宙能够实现虚拟空间与物理空间的协同作用，将虚拟世界中的工业场景进行全息展示，并跨越时空进行聚合。同时，利用数字孪生、人机交互等技术在现实生产经营过程中发挥作用。从工业系统的层级来看，工业元宇宙已经应用于设备、产品线、工厂和产业链等多个层级，助力企业降本增效，并服务于产业链管理和供应链优化。从交互和协同的方式来看，工业元宇宙是工业互联网、工业物联网和工业智能联网等新一代信息通信技术的新形态和发展方向，将对传统工业生产方式和管理模式带来深远的影响。

1 工业元宇宙的概念和特点

工业元宇宙是指在新的发展理念以及新一代人工智能技术引领下，借助新时代各类新技术群跨界融合，实现工业领域中“人、虚拟空间与现实空间”虚实映射/交互/融合、以虚促实、以虚强实的工业全要素链、全产业链、全价值链（三链）智慧、协同、开放服务和互联的复杂数字工业经济系统[2]。其内涵可分为三个层次：一是新型工业数字空间，实现工业现实与虚拟的综合集成，数字化映射和模拟生产过程。二是全沉浸式工业智慧互联网，实现新型数字化工业系统、人与机器、机器与机器以及实体与虚拟的智慧互联和互操作。三是数字经济与实体经济融合发展，全面部署工业虚拟空间，实现虚实映射、交互和融合，推动工业高质量发展[3]。

有别于消费元宇宙中追求虚拟现实的酷炫效果，工业元宇宙构建的虚拟场景与对象对应现实世界中真实存在的物理系统，这个系统具有明确的组织、结构、目标与任务。工业元宇宙需要聚焦于虚拟空间中的活动如何指导现实生产实践，实现降本增效、提质节能和安全生产等业务目标，还可以在研发设计中发挥想象力，进行高频试错和迭代。因此，工业元宇宙融合元宇宙、数字孪生、仿真技术与先进制造技术，构建了一种全新的虚拟智能制造系统，为工业生产与管理的各环节、场景、业态赋能，推动制造业实现数字化、网络化和智能化转型升级。从应用层面来看，工业互联网强调工业系统与其他物理设备资源联网，工业元宇宙则进一步强化物理世界与虚拟世界交互融合。

2 工业元宇宙对工业经济的影响

工业元宇宙为工业经济带来了巨大的机遇和挑战。

2.1 工业元宇宙提升了工业生产的效率

通过将实际工厂数字化，并利用虚拟仿真和智能化技术，工业元宇宙实现了生产过程的可视化和优化。这种方式为企业提供了更高效的生产流程和精确的数据信息，能够大幅提高生产效率和产品质量。企业可以在虚拟环境中进行虚拟实验和模拟优化，减少试错成本，实现资源的最大化利用。此外，工业元宇宙还可以通过实时监控和预测分析，帮助企业进行生产计划调整和异常处理，进一步提高生产效率。通过更高效的工业生产，企业能够节约成本、提高产能，并更好地满足市场需求。

2.2 工业元宇宙为企业提供了一个创新的环境

企业可以在虚拟环境中进行产品设计、仿真实验和优化，加速创新过程，提高产品的竞争力。工业元宇宙还可以促进不同企业之间的合作与共享，通过在工业元宇宙中共享资源和知识，企业可以更好地利用外部的创新能力和技术实力，推动整个行业的发展。例如，不同企业可以共享虚拟测试环境，共同研发新产品；企业可以通过工业元宇宙中的虚拟培训和演练，提高员工的技能和创新能力，为企业带来了更多的商机和竞争优势。

2.3 工业元宇宙还推动了工业经济的产业升级

工业元宇宙作为一种数字化工业环境，能够帮助企业在不断变化的市场环境中更好地适应和应对挑战。工业元宇宙为企业提供了更多的商机和渠道，促进企业与供应商、合作伙伴和客户之间紧密联系、互信合作。通过工业元宇宙，企业可以实现生产过程的全面优化和资源的高效配置，从而提高整个产业的效益和竞争力，推动产业升级和转型。工业元宇宙也为企业带来了更大的市场机会，帮助企业在全球市场中获得竞争优势。

例如，德国的机械零部件制造商布奈尔公司通过应用工业元宇宙技术，实现了生产过程的可视化和数字化管理。通过实时监控机器的运行状态和整个生产过程的数据，可以进行精确的生产计划和资源调配，大幅提高了生产效率和产品质量。此外，还通过工业元宇宙系统与供应链合作伙伴实时共享数据和信息，促进了合作和协同，进一步提升了整个产业的竞争力。我国的汇川技术通过工业元宇宙系统，实现了全面智能化的生产和管理。在生产过程中，通过工业元宇宙系统实时监测和分析设备运行数据，进行生产计划和调度，实现了自动化和柔性化的生产。工业元宇宙帮助汇川技术实现了产品质量的实时跟踪和优化，提高了产品的可靠性和稳定性。汇川技术通过工业元宇宙系统与客户进行实时交互和协作，提供更好的客户服务和支持，进一步提升了市场竞争力。

工业元宇宙作为一种全新的数字化工业环境，对工业经济具有显著的影响。通过提升效率、促进创新和推动产业升级，工业元宇宙为企业带来了更多商机和竞争优势，推动了工业经济的发展。然而，要实现工业元宇宙的价值最大化，仍需要进一步完善技术标准和保障数据安全，促进工业元宇宙与现实世界的有效融合，实现工业经济更高水平的发展和持续创新。

3 典型案例

工业元宇宙为企业数字化、智能化转型升级带来巨大的发展空间。

3.1 集成制造

随着社会和人的因素被引入制造系统，增加了不确定性、多样性和复杂性。当前，制造系统面临的问题有：过多的人为干预，缺乏灵活性，难以实现按需生产以及人机交互效率低下等。工业元宇宙为解决这些问题提供了可行的解决方案。工业元宇宙由产品生命周期管理的网络系统、完全集成自动化的物理系统以及制造智能的社会系统组成。通过工业互联网和物联网，将包括材料、设备、机器人和人员在内的各种制造资源进行集成和协调，其中嵌入了知识自动化技术以形成工业思维的互联网。数字人、机器人和生物人以协作的方式完成大部分制造任务，而生物人更专注于创造性和全局性的任务。

3.2 缺陷检测

缺陷检测是工业生产过程中的重要环节。例如、液晶显示屏面板、集成电路载板和精密PCB 等产品的生产成本高、质量要求严格，在生产过程中出现缺陷很容易导致最终产品报废，或在产品使用时有潜在危险。因此，对这些产品进行缺陷检测尤为重要。随着计算机视觉和自动化设备的发展，大大减轻了手工检查的负担，同时，提高了检测的效率和稳定性。然而，在实际应用场景中，为了实现更高的检测准确性，仍需要在自动缺陷检测设备后进行人工复检。在此过程中需要大量的人力成本，并逐渐成为PCB 生产的瓶颈。一方面，工人需要大量的专业知识和实践经验，才能对缺陷的类型和严重程度作出正确判断。另一方面，手工修复的准确性和效率非常低，无法满足现代生产的需求。在工业元宇宙环境下，由机器人和数字工人协助进行检查操作，能够提高效率并降低工作难度。缺陷检测和修复工作主要由机器人完成，只在极少数情况下需要人工干预。

4 人才培养启示

工业元宇宙的出现对人才培养提出了新的要求。

1）随着工业元宇宙的发展，企业对于人工智能、软件开发和数据分析等领域的人才需求不断增加。为了适应这一变化，高校和其他教育机构需要调整课程设置，加强相关专业的培养，并提供更多机会让学生接触和实践相关技术，以满足工业元宇宙对人才的需求。

2）工业元宇宙对人才培养的影响。工业元宇宙的发展带来了技术和业务模式的变革，需要人才具备创新思维和敏锐的洞察力。因此，应注重培养学生的创新意识和实践能力，鼓励他们主动学习并应用新技术，培养解决问题和应对变化的能力。

3）工业元宇宙推动了对跨学科的人才培养。工业元宇宙的产业融合了物理、计算机科学、工业设计和经济学等多个学科领域，要求人才具备一定的跨学科背景和综合能力，需要加强不同专业的合作与交流，开设跨学科的课程和项目，并提供相关的实习和实践机会，培养具备跨学科创新能力的复合型人才。

5 结语

工业元宇宙是新一代信息技术推动下工业企业转型的必然趋势，为企业带来了无纸化、无人化和无感化的先进体验。通过工业元宇宙的服务，企业可以实现全产业链的协同与集成，优化价值链，提高资源利用效率，降低生产成本。此外，工业元宇宙服务还能提供精准的市场预测和分析，帮助企业制定有效的决策。通过数据的智能分析和挖掘，企业可以深入了解消费者需求，提供个性化定制的产品和服务，从而提高用户忠诚度。为应对快速变化的市场环境，企业应积极适应工业元宇宙的技术和服务，实现可持续发展的目标。同时，教育行业也应适应这一变革，为我国现代工业的高质量发展培养优秀的复合型人才。