工业元宇宙打开制造业数字化转型发展新空间

■ 文/郑茂宽

随着5G、人工智能、大数据等信息通信技术的发展，“工业元宇宙”相关概念应运而生，为我国制造业新一阶段的数字化转型发展提供了新的思路，打开了新的空间。

工业元宇宙的发展背景

元宇宙（Metaverse）被定义为利用科技手段进行链接和创造的、与现实世界映射和交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间，其本质是对现实世界的虚拟化、数字化过程。自2021 年元宇宙第一股Roblox 于美国纽约证券交易所上市以来，各大企业在元宇宙领域的布局出现在科技圈和大众视野中，包括国外的脸书（Facebook 已更名为Meta）、微软、英伟达，以及国内的腾讯、字节跳动、百度等互联网行业巨头。

目前，元宇宙的应用场景主要聚焦于社交、游戏、电商、文旅等To C（面向消费者用户）端的商业领域，重点从提升用户沉浸式体验升级入手设计商业闭环，业界称之为“消费元宇宙”。然而，如何应用元宇宙的技术和理念服务于To B（面向企业用户）端的生产力创造和提升，构造赋能实体经济与数字经济融合创新和高质量发展的“产业元宇宙”，同样是需要重点考虑的问题。

工业制造是实体产业的主战场，打造“工业元宇宙”成为近期的一个热点话题。基于对制造业发展历程的研究，我们认为，工业元宇宙相关的概念和理念并非新鲜事物，而是拥有长足的发展历史的和与演进过程相配套的各项技术发展到一定阶段的产物。20 世纪80 年代以来发展起来的CAD、CAE、CAM、PLM 等工业软件为制造业的关键环节提供了仿真数据，为制造业的信息化和数字化发展打下了坚实的基础，极大地提升了产品设计、制造的效率，信息技术也成为生产力的一部分。2012 年以来，随着德国、美国、中国相继提出工业4.0、工业互联网、智能制造等国家战略计划，数字孪生（Digital Twin）（见图1）、信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）等相关概念和体系架构逐步形成，数字化转型成为制造业创新发展的必经之路。

图1 数字孪生（Digital Twin）概念架构

2010 年以来，我国制造业增加值已连续11年位居世界第一，智能制造发展已经步入“深水区”，并在不断探索生产力、生产效率的新边界。随着5G、人工智能、大数据等信息通信技术的发展，“工业元宇宙”的概念应运而生，为我国制造业新一阶段的数字化转型发展提供了新的思路，打开了新的空间。

“ 作为数字孪生和CPS 相关概念的升级版，工业元宇宙将更加着重于构建物理世界与虚拟世界协同联动的体验与交互，构建纵向贯穿、横向拉通的虚实融合创新空间。

工业元宇宙理解与要素分析

对工业元宇宙的理解，目前业界尚未形成一个权威的定义，但有一个基本共识，即工业元宇宙是新一代信息技术（如物联网、人工智能、区块链、新型交互等）在工业领域全生命周期中的融合应用，其将物理世界中的研发设计、生产制造、物流供应链、市场营销、产品服务等各个环节和场景在虚拟空间中进行全面映射，并通过数字空间与物理空间的实时动态交互，构建全新的研发制造与服务体系，实现制造业全过程的提质降本增效和模式创新，带动工业制造向新的能级平台跃迁，并实现高质量发展。

作为数字孪生和CPS 相关概念的升级版，工业元宇宙将更加着重于构建物理世界与虚拟世界协同联动的体验与交互，构建纵向贯穿、横向拉通的虚实融合创新空间。因此，我们认为工业元宇宙的构建有几个关键要素亟待突破：

第一，互联互通的数字基础设施建设。当前，大部分企业信息化建设是以单个企业为核心构建的，以覆盖企业内部业务需求为主，所能搭建的是企业级碎片化、小规模的数字空间。与互联网的发展类似，工业元宇宙的构建亟待在标准化互联互通基础设施的建设上有所突破，包括底层的物联接入、中间层的数据交换、上层的应用集成交互等，即构建工业元宇宙的基础操作系统。

第二，面向微观和宏观尺度的新型工业软件突破。工业元宇宙从物理世界到虚拟世界的映射，从微观尺度（如分子构成、材料性能等）到宏观尺度（如产业组织、经济运行等）都要通过动态建模的方式在虚拟空间中进行复现和推演。但是，受限于人类的知识体系和对复杂系统的解释能力，元宇宙虚实两端的信息量并不对等。因此，亟待在微观和宏观两个尺度上不断进行机理模型构建、工业知识沉淀和解释能力提升，并持续迭代形成新兴工业软件，缩小虚实两端的信息差。

第三，人机交互技术的融合创新。数字孪生和CPS 体系的构建过程中，缺少对“人（Human）”这个角色参与的考虑，工业元宇宙则补足了这一环节，更加强调人机交互和沉浸式体验。目前，主要的人机交互手段包括触摸交互、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）等。但是，面向消费级场景所开发的技术迁移到工业级应用场景中，其交互体验和能力匹配仍有差距，亟待在智能传感、交互技术、终端工具和交互体验上进行创新提升。

工业元宇宙的应用场景和价值挖掘

元宇宙的提出颇具争议，有一部分人认为其太过于早期，概念和噱头偏多，缺少杀手级应用和价值化的体现。但是，“工业元宇宙”不同，其本身是立足于实体产业发展起来的新的“数字空间”，在物理世界中是有根基的，且拥有切实的应用场景和价值创造能力。下面围绕制造业全生命周期元宇宙的应用，列举几个典型的应用场景。

●协同研发设计

早在20 世纪90 年代，美国波音公司利用无纸设计技术研制出B-777 双发宽体客机,开创了飞机设计的新纪元。随着达索系统、PTC、西门子等企业在3D 设计软件、CAE 仿真、PLM 解决方案等方面的持续演进和突破，消费品、工业装备等领域的数字化协同设计和数字交付成为常态，产品可在数字空间得到全面验证和快速迭代优化，极大地降低了样机制造和实验验证的成本，提高了设计效率和设计质量。同时，设计过程支持用户全程参与，这无疑提高了产品的个性化设计能力，更加贴近用户的实际需求。

●智能生产优化

在工厂设计建造和生产运行过程中，设计人员、建设人员及运营管理人员等可通过工业元宇宙进行虚实融合的沉浸式交互体验。一方面，在工厂建设前期，设计人员可通过工业元宇宙平台对工厂的空间选址、建筑结构、产线布局、工艺流程、设备选型等进行数字化设计，并进一步对产能配置、物流路线、生产工艺等进行模拟验证和智能优化。另一方面，在工厂实际生产运行过程中，运营管理人员可对环境参数、设备状态、产能情况、质量数据等开展实时动态监测、可视化分析和反馈控制，将智能工厂打造成为生命体、有机体，并赋予其数字生命力。

●数字产品服务

对于高价值产品（如汽车、飞机、海工装备、工业装备等），产品交付才意味着其生命周期中价值创造的开始，高可用性和低成本运行是保证其高效率价值创造的基础。基于工业元宇宙的数字化、智能化产品服务和运维体系的构建，运维服务人员可在数字空间中构建其数字孪生体，并基于知识图谱、远程运维等技术，不受空间和时间的限制，为产品的高效可靠运行保驾护航，并持续创新服务模式，挖掘新的价值创造空间和增长点。

除此之外，工业元宇宙在供应链协同、产品测试、销售模式创新、人员实操培训、绿色低碳节能等方面也拥有巨大的想象空间，并将随着工业元宇宙体系框架的完善和各项技术的成熟得以应用推广。

数字化正以不可逆转的趋势改变着人类社会，逐渐成为推动经济社会发展的核心驱动力，深刻变革着生产组织和商业模式，重新定义了生产力和生产关系。制造业作为社会实体产业的核心支柱，应主动拥抱数字化，并将数字化技术作为制造业能级提升和模式创新的重要引擎。

工业元宇宙是面向工业数字化各项技术的集成整合，从概念提出到实效落地并形成生产力，需要多方面的研究和投入。一方面，我们要正视工业元宇宙的发展根本，避免浮于表面概念，实现纵向贯穿，做深做透，在数字化基础设施、机理模型、工业软件、交互技术上做持续性投入和提升；另一方面，业界各方也要协同合作，积极挖掘工业元宇宙所带来的新方法、新理念、新空间，横向拓展，跨界融合，寻求制造业高质量发展的新路径。