2021年以来，“元宇宙”概念迅速升温，相关炒作和前瞻性探索不断涌现。随着数字经济向虚实结合发展，结合工业企业数字化转型的需求，工业元宇宙正在成为行业探索和实践的热点。其中，数字孪生、物联网、数字设计与仿真、增强现实/虚拟现实/混合现实(AR/VR/MR)等前沿技术不断发展，创造出新的应用场景和用例，丰富了产业元宇宙的内涵，有望为实体产业的生产运营创造价值。一、工业元宇宙的关键技术
工业元宇宙的实现路径可以看作是数字孪生技术和交互技术的结合。数字技术的概念源于2002年美国密歇根大学教授迈克尔格里弗斯提出的“产品生命周期管理”概念。格里弗斯认为，通过物理设备的数据，可以在虚拟信息空间中构建一个代表物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种连接不是单向的、静态的，而是在产品的整个生命周期中链接在一起。在数字孪生技术的基础上，AR/VR/MR等技术有望实现现实世界与虚拟信息空间的结合。
在工业元宇宙快速发展的背后，一些关键技术正在发挥积极的支撑作用。
(1)高速网络和计算基础设施
高速传输网络和计算基础设施是工业元宇宙的基础设施。工业元宇宙中会有大量的数据产生和流动，同时人工智能系统和图像处理系统都对计算机硬件有一定的要求。在通信方面，低时延、宽接入、高带宽的5G/6G技术和光纤网络可以保证数据的互联互通；在计算方面，高性能计算机、边缘计算设备和数据中心将满足数据处理和存储的需求。
图片来源：11月24日
(2)工业控制系统
工业控制系统可以实现工业生产、数据采集和过程控制的自动化，其组成部分一般包括传感器、信息处理系统和执行装置。通过采集工业现场数据，将测量数据与目标值进行比较，实现状态监测、过程控制、异常变化报警等功能。大型工业控制系统通常由SCADA或分布式控制系统(DCS)和PLC实现。在监控端，工作人员一般使用组态软件实现信息读取和控制功能。目前，工业控制系统广泛应用于化学工业、制造业、发电厂、石油和天然气提炼以及电信。
(3)计算机辅助设计和模拟
计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程分析(CAE)技术已经广泛应用于工程设计中。CAD负责设计产品，CAE负责验证产品性能。现有的CAD技术已经从二维平面图纸和三维平面设计发展到能够设计产品的材料和结构。设计师可以创建完整的虚拟模型，包括形状、结构、功能和材料。基于CAE三维建模，通过模拟产品结构、物理特性、运动学、动力学等的工作状态和性能。为产品功能和性能的可用性和可靠性提供依据，进而实现产品设计的优化。
计算机仿真技术将人工智能与数字样机技术相结合，已经能够对机器人、汽车、生产线等复杂的产品、系统和环境进行仿真和分析。例如，英伟达在2023年美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上推出了2022.2版本的Isaac Sim机器人模拟训练平台。这个平台是基于英伟达的Omniverse工业元宇宙平台。它是一个机器人模拟和合成数据生成(SDG)工具，可以在虚拟环境中训练机器人，并加速智能机器人的开发、测试、训练和部署。l
机器人模拟训练图图片来源：英伟达
(4)人工智能技术
人工智能技术在工业元宇宙中的应用，有望推动更逼真的数字仿真，实现更广泛的应用。机器学习模型可以根据多个反馈源数据进行自我学习，从而几乎实时地呈现数字世界中物理实体的真实情况，并能够对即将发生的事件进行推测和预览。系统的自学习不仅可以依靠传感器的反馈信息，还可以从历史数据或综合网络数据中学习。在不断的自学习和迭代中，仿真的精度和速度都会大大提高。
人工智能技术在工业元宇宙中的一个重要应用就是预测性维护。预测性维护，也称为基于状态的维护，旨在通过传感器数据、历史数据等确定设备的状态。并通过人工智能模型预测何时需要维护。这比常规或定期预防性维护更节省成本，因为维护只在真正必要时进行。具体项目通常包括：数据收集和预处理、早期故障检测、故障检测、故障预测、维护计划和资源优化。预知维修不仅有助于检测设备的状态，有针对性地进行调整和维护，减少设备的停机时间，而且有助于提高生产率，实现即时生产。
例如，美国军方与IBM、Uptake Technologies等公司合作，尝试性地将人工智能应用于飞机、战车等设备的预测性维护，通过设备数据管理和人工智能分析，对设备部件的故障进行了预测。
(5)图形显示和交互技术
工业元宇宙在操作和交互层面的实现依赖于图形处理、显示和交互技术。目前业界青睐的图形立体显示和数字虚拟交互，需要图形处理技术结合AR/VR/MR技术来呈现。
图形处理技术依赖于图形引擎的生成和处理功能。目前图形引擎广泛使用的有Unity、OGRE、OpenGVS、Vtree、OSG等。以Unity图形引擎为例。全球超过60%的VR和AR内容都是由Unity驱动的。其中，实时渲染技术可应用于汽车设计、制造人员培训、制造流水线实际操作、无人驾驶模拟训练、营销展示等环节。Unity最新的实时光线追踪技术可以创建更真实的交互式虚拟环境，让参与者感受到虚拟现实的真实体验。用VR/AR/MR设备进行实时高清渲染，可以显示传统CG离线渲染无法提供的交互内容。而且在R&D阶段，实时渲染可以做到“所见即所得”，让开发者以身临其境的方式进行设计和互动。Unity的各种解决方案可以针对各种行业，如建筑等。并可将手术图纸和信息转换为Unity 3D模型，支持在各种设备上以沉浸式和交互式的方式查看实时模型。
如今，随着企业数字化进程的加快，许多企业在设计和生产中应用AR/VR/MR技术，在汽车、交通、制造、建筑等工程领域有着广泛的使用案例。比如西门子就将VR技术融入其服务中，让用户通过VR眼镜实现协同设计、生产线巡检等功能。
利用VR技术查看产品图片来源：西门子
美国波音公司在飞机制造过程中应用了AR技术，利用AR眼镜的定位功能，帮助工人寻找和更换不同零件制造中使用的临时紧固件，从而改善了复杂的电路布局和检查工作，从而提高了飞机生产效率，将767客机、KC-46加油机等机型的生产时间缩短了高达30%，每架飞机上可节省数百万美元。
波音公司将AR技术用于飞机生产和布线。图片来源：波音公司
二、工业元宇宙的应用场景
工业元宇宙将涵盖从产品设计、生产、检验、远程操作和主
工业元宇宙的一大应用场景是协同设计，让工程师通过在线平台实时协作，一起设计、迭代、更改，从而简化工作流程。以2021年底美国Nvidia发布的Omniverse平台为例。Omniverse是一个易于扩展的开放平台，专门为虚拟协作和物理级精确实时仿真而构建。它被定位为“工程师的元宇宙”。创作者、设计师、研究人员和工程师可以连接主要的设计工具、材料和项目，在共享的虚拟空间中进行协作和迭代。目前，该平台已支持Adobe、Autodesk等厂商的各种设计和工程软件的协作，有望改变艺术、工程设计等行业的工作流程。
Omniverse平台图片来源：Nvidia
(2)制造业和建筑业
在工业制造和建筑行业，工业元宇宙有望发挥前所未有的潜力。结合5G/6G、物联网、人工智能等技术，对基础设施、工艺装备、作业流程进行模拟优化，实现精细化管理和质量控制。工业元宇宙的应用场景包括：改变工厂车间的布局来测试不同的配置，了解不同的方案会对工人在车间内的运动产生什么影响，判断他们在移动机器人周围的安全性；检查来自传感器的数据，以确定振动源；通过查看虚拟物理模型的状态，可以直观地找到故障的根本原因。
以宝马和英伟达的虚拟工厂合作为例。宝马有望通过引入英伟达Omniverse平台来协调旗下31家工厂的生产，从而提高30%的生产效率。
宝马虚拟工厂示意图图片来源：宝马
物流和供应链管理
工业元宇宙在物流和供应链管理中的应用主要在于模拟和分析，以优化物流周转的效率。通过网络服务将遍布全球的物流中心/工厂连接起来，实现供应链和物流信息的同步，进而建立包括物流环境、设备、货物种类和数量的全链路模型，计算时间、效率和经济性，生成智能拣货和订货策略，快速面对和灵活适应每天不断变化的订单需求。这种方法有望提高物流周转效率，降低成本，从而为企业创造更高的利润。
三、未来前景
(一)产业元宇宙有望促进产业升级
2021年12月，中共中央纪律检查委员会在其网站上发表了《元宇宙如何改写人类生活》号文章，指出多重因素将推动元宇宙从概念走向普及，这将为工业互联网带来发展机遇。2022年11月，工信部工业文化发展中心发布《工业元宇宙创新发展三年行动计划（2022-2025）》，提出了中国工业元宇宙发展的总体要求、重点任务和保障措施。
随着数字技术的赋能，工业元宇宙将使工业生产更协调、更高效、更安全、更智能、更精确、成本更低。根据TrendForce的预测，工业元宇宙将在2025年推动全球智能制造市场达到5400亿美元，2021-2025年复合增长率为15.35%。
(二)国内外产业元宇宙的发展各有所长。
目前国外企业在技术积累上更先进，如英伟达、英特尔、微软等巨头企业的AI和工业数字化解决方案相对成熟，而西门子、施耐德等企业在工业数字化方面经验丰富。我国产业门类齐全，应用场景众多，国内科技企业具有较强的应用R&D和落地能力，因此我国产业元宇宙的应用场景可能更加丰富。
随着相关技术和解决方案的发展和成熟，工业元宇宙的市场将不断扩大并产生规模效应，这对于广大工业企业，尤其是希望借助新兴技术和商业模式实现数字化转型和效率提升的企业来说，是一个很好的机会。企业应抓住机遇
由于工业元宇宙的概念刚刚兴起，程序与系统接口、技术规范、可靠性认证、应用安全等标准体系亟待构建。我们应该充分结合信息技术和产业的发展，面对互操作性、安全性、可靠性等实际需求。尽快制定和推广标准，进一步推动工业信息化的深入发展。
根据《工业元宇宙创新发展三年行动计划（2022-2025）》的要求，行业和相关机构应逐步制定关键领域的标准，推动国际标准的制定；整合检测资源，加强产品质量检测、安全评估、检验认证，保障智能产品和服务的可靠性和安全性，努力形成标准引领行业全面规范发展的新格局。
作者简介
唐干臣itei研究室2，三级分析师
研究方向：信息领域战略、技术、产业前沿。
联系人：tangqc96@163.com
编辑郑石
研究所简介
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