技经看察丨工业元宇宙的关键手艺、利用场景与前景展看
2021年以来，“元宇宙”概念敏捷升温，相关炒做与前瞻性摸索不竭涌现。在数字经济向虚实连系形态开展之际，连系工业企业数字化转型需求，工业元宇宙正成为行业摸索与理论的热点。此中，数字孪生、物联网、数字设想与仿实、加强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/MR）等前沿手艺正不竭开展，创造新的利用场景与用例，丰富工业元宇宙的内涵，有看为实体行业的消费与运做创造价值。
一、工业元宇宙的关键手艺
工业元宇宙的实现途径可视为数字孪生手艺与交互手艺的连系。数字孪生手艺概念起源于美国密歇根大学传授迈克尔·格里弗斯在2002年提出的“产物生命周期治理”概念。格里弗斯认为，通过物理设备的数据，能够在虚拟信息空间构建一个表征该物理设备的虚拟实体和子系统，而且那种联络不是单向和静态的，而是在整个产物的生命周期中都联络在一路。在数字孪生手艺的根底上，加以AR/VR/MR等手艺，有看实现实在世界与虚拟信息空间的连系。
在工业元宇宙业态迅猛开展的背后，若干关键手艺正起到积极支持感化。
（一）高速收集与算力根底设备
高速传输收集和算力根底设备是工业元宇宙的根底设备。工业元宇宙中将有大量数据的产生与活动，同时人工智能系统、图像处置系统都对计算机硬件有着较必然要求。在通信方面，低时延、广接进、高带宽的5G/6G手艺和光纤收集等手艺可保障数据的互联互通；在计算方面，高性能计算机、边沿计算设备和数据中心，将称心数据的处置和存储需求。
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图片来源：24Novembers
（二）工业掌握系统
工业掌握系统可实现工业消费、数据摘集与过程掌握主动化，其构成部门一般包罗传感器、信息处置系统与施行安装，能够通过摘集工业现场的数据，将丈量数据与目标值停止比力，实现形态监测、过程掌握、异动报警等功用。较大型的工业掌握系同一般会用数据摘集与监控系统（SCADA）来实现，或是由分离式掌握系统（DCS）及可编程逻辑掌握器（PLC）来实现。在监控端，工做人员一般利用组态软件实现信息读取和掌握功用。工业掌握系统目前普遍用于化工财产、造造业、发电厂、石油天然气提炼，以及电信业。
（三）计算机辅助设想与仿实
计算机辅助设想（CAD）与计算机辅助工程阐发（CAE）手艺已普遍用于工程设想范畴。CAD负责设想产物，CAE负责验证产物性能。现有的CAD手艺已经从二维平面图纸、三维图形设想开展到可以对产物的素材与构造停止设想。设想人员能够创建包罗外形、构造、功用和材量的完全虚拟模子。CAE以三维建模为根底，通过模仿产物构造、物理特征、运动学、动力学等方面的工做形态和表示，为产物功用、性能的可用性和可靠性供给根据，进而实现产物设想的优化。
连系人工智能与数字样机手艺，计算机仿实手艺已能模仿阐发机器人、汽车以及消费线等较为复杂的产物、系统与情况。例如，英伟达公司在2023年美国拉斯维加斯消费电子展（CES）上推出了Isaac Sim机器人模仿操练平台的2022.2版本。该平台基于英伟达的Omniverse工业元宇宙平台，是一款机器人模仿和合成数据生成（SDG）东西，可以在虚拟情况中操练机器人，可加速智能机器人的开发、测试、培训和摆设。Isaac Sim的最新版本重点进步了造造和物流机器人用例的性能和功用，且撑持将人添加到模仿情况中，能够进步机器人与人类协做的效率与平安性。
机器人模仿操练示企图 图片来源：英伟达
（四）人工智能手艺
人工智能手艺在工业元宇宙中的利用，有看促进更实在的数字化模仿，并实现更普遍的利用。机器进修模子可根据多重的反应源数据停止自我进修，从而几乎实时地在数字世界里闪现物理实体的实在情况，并可以对即将发作的事务停止揣度和预演。系统的自我进修除了能够依靠于传感器的反应信息，也可通过汗青数据或集成收集的数据进修，在不竭的自我进修与迭代中，模仿精度和速度将大幅提拔。
人工智能手艺在工业元宇宙中的一项重要利用是揣测性庇护（Predictive maintenance）。揣测性庇护也称基于形态的庇护，旨在通过传感器数据、汗青数据等确定设备形态，并通过人工智能模子来揣测何时需要做庇护。那比日常或按期停止的预防性庇护更节约成本，因为只在确有需要时才停止庇护，详细的项目凡是包罗：数据搜集与预处置、早期毛病检测、毛病检测、失效揣测、庇护方案、资本优化。揣测性庇护不只有助于检测设备形态、有针对性地调整、维修，削减设备泊车时间，也有助于改进消费率、达成立即化消费。
例如，美军与IBM、Uptake Technologies等公司协做，已将人工智能试验性地用于飞机、战车等配备的揣测性庇护，通过配备数据治理、人工智能阐发，揣测配备的零部件毛病。
（五）图形展现与交互手艺
工业元宇宙在操做和交互层面的实现，需要依托于图形处置、展现和交互手艺实现。目前业界喜爱的图形立体化展现以及数字化虚拟交互，需要通过图形处置手艺连系AR/VR/MR手艺闪现。
图形处置手艺依靠图形引擎的生成与处置功用。目前图形引擎中得到普遍利用的有Unity、OGRE、OpenGVS、Vtree、OSG等。以Unity图形引擎为例，全世界所有VR和AR内容中有超越60%均为Unity驱动。此中的实时衬着手艺能够利用于汽车的设想、造造人员培训、造造流水线的现实操做、无人驾驶模仿操练、市场妥帖展现等环节。Unity最新的实光阴线逃踪手艺能够创造出愈加传神的可交互虚拟情况，让参与者设身处地，感触感染虚拟现实的实在体验。高清实时衬着共同VR/AR/MR设备，能够展现传统CG离线衬着无法供给的可互动内容。并且在研发阶段，实时衬着能够实现“可见即所得”，闪开发者设身处地地停止设想、交互。Unity的各类处理计划可有针对性空中向和施工等各个行业，能够将功课图纸和信息转换成Unity 3D模子，撑持在各类设备上以沉浸、互动的体例审查实时模子。
现在，跟着企业数字化历程的加速，很多企业将AR/VR/MR手艺运用于设想和消费环节，在汽车、运输、造造、建筑等工程范畴拥有普遍用例。例如，西门子公司已经在其办事中连系VR手艺，容许用户通过VR眼镜实现协同设想、产线查抄等功用。
利用VR手艺查抄产物 图片来源：西门子
美国波音公司在飞机造造的环节中运用了AR手艺，利用AR眼镜的定位功用，搀扶帮助工人找到和改换用于差别部件造造的暂时紧固件，从而改进了复杂的线路规划、查验工做，由此进步飞机消费的效率，使得767客机、KC-46加油机等机型的消费时间缩短了至多30%，每架飞机上节约的费用达数百万美圆。
波音公司将AR手艺用于飞机消费布线 图片来源：波音
二、工业元宇宙的利用场景
工业元宇宙将笼盖从产物设想、消费、巡检、长途运维、运营治理等工业消费全链条环节，在工业范畴的利用价值或远大于消费范畴。
（一）研发设想协做
工业元宇宙的一大利用场景是协同设想，容许工程人员通过在线平台停止实时协做，配合设想、迭代和更改，从而简化工做流程。以美国英伟达公司于2021岁尾发布Omniverse平台为例。Omniverse是一个易于扩展的开放式平台，专为虚拟协做和物理级准确的实时模仿打造，其定位为“工程师的元宇宙”。创做者、设想师、研究人员和工程师能够毗连次要设想东西、材料和项目，从而在共享的虚拟空间中协做和迭代。目前，该平台已撑持Adobe、Autodesk等厂商的多款设想与工程软件的协做，有看变化艺术、工程设想等行业的工做流程。
Omniverse平台 图片来源：英伟达
（二）造造与建造
在工业造造和建筑建造行业，工业元宇宙有看发扬史无前例的潜力。连系5G/6G、物联网、人工智能等手艺，对根底设备、工艺配备与功课过程等停止模仿和优化，可实现精巧化治理与量量掌握。工业元宇宙的利用场景包罗：更改工场车间规划以测试差别的设置装备摆设，领会差别计划会给工人在车间内的挪动带来哪些影响，并揣度他们在挪动机器人四周的平安性；查抄来自传感器的数据，以确定振动的来源；通过查看虚拟物理模子形态，曲看地找到毛病的根源。
以宝马公司与英伟达开展的虚拟工场协做为例。宝马通过引进英伟达Omniverse平台协调其31座工场消费，有看将消费效率进步30%。
宝马虚拟工场示企图 图片来源：BMW
（三）物流与赐与链治理
工业元宇宙在物流与赐与链治理方面的利用次要在于模仿与阐发，以优化物流周转的效率。通过收集办事连通世界各地的物流中心/工场，实现赐与链与物流信息的同步，随后成立包罗物流情况、设备、货物品种、数量等要素的全环节模子，计算时间、效率及经济性，生成伶俐化拣货与排单战略，以快速面临、弹性适应天天不竭改变的订单需求。那种体例有看进步物流周转效率、降低成本，从而为企业创造更高利润。
三、将来前景展看
（一）工业元宇宙有看鞭策财产晋级
2021年12月，中纪委网站刊文《元宇宙若何改写人类生活》，指出多重因素将促使元宇宙从概念走向时髦，可为工业互联网等带来开展机遇。2022年11月，工信部工业文化开展中心发布《工业元宇宙立异开展三年动作方案（2022-2025）》，提出我国工业元宇宙开展的总体要求、重点使命以及保障办法。
凭仗数字化手艺赋能，工业元宇宙将使工业消费更协同、更高效、更平安、更智能、更精准，成本更低。根据集邦征询公司（TrendForce）的揣测，工业元宇宙将鞭策全球智能造造市场规模于2025年达5400亿美圆，2021至2025年复合生长率达15.35%。
（二）国表里工业元宇宙开展各有所长
当前，国外企业在手艺积存上更深挚，诸如英伟达、英特尔、微软等巨头企业的AI和行业数字化处理计划较为成熟，西门子、施耐德等企业在工业数字化方面的体味较为丰富。中国工业门类齐全，利用场景多，且国内科技企业的利用研发、落地才能较强，因而国内在工业元宇宙的利用场景方面可能愈加丰富。
跟着相关手艺与处理计划的开展成熟，工业元宇宙的市场将不竭扩展并产生规模效应，那关于广阔工业企业，特殊是期看借助新兴手艺和贸易形式实现数字化转型与效率提拔的企业，是个优良的机遇。企业应当挠住工业元宇宙手艺摸索和场景立异的窗口期，连系企业本身与市场的现实情状，量入为出地抉择合适元宇宙化的场景，停止摸索和立异测验考试，早日侵占手艺造高点。
（三）相关原则成立仍需时日
因为工业元宇宙概念刚刚鼓起，法式与系统接口、手艺标准、可靠性认证、利用平安等方面的原则系统亟待构建。应足够连系信息手艺与工业的开展情况，面向可互操做性、平安性、可靠性等现实要求，尽早停止原则造定与妥帖，进一步鞭策工业信息化向纵深开展。
根据《工业元宇宙立异开展三年动作方案（2022-2025）》的要求，行业与有关机构应逐渐开展重点范畴原则造定以及鞭策国际原则造定；整合检测资本，加强产物行量测试、平安评估、查验认证，确保智能产物和办事的可靠性、平安性，勤奋构成原则引领财产全面标准化开展的新格局。
做者简介
唐乾琛国务院开展研究中心国际手艺经济研究所研究二室，三级阐发员
研究标的目的：信息范畴战术、手艺和财产前沿
联络体例：tangqc96@163.com
编纂丨郑实
研究所简介
国际手艺经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是从属于国务院开展研究中心的非营利性研究机构，次要本能机能是研究我国经济、科技社会开展中的严重政策性、战术性、前瞻性问题，跟踪和阐发世界科技、经济开展态势，为中心和有关部委供给决策征询办事。“全球手艺地图”为国际手艺经济研究所官方微信账号，努力于向公家传递前沿手艺资讯和科技立异洞见。
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