元宇宙相關技術在工業領域的應用將賦能工業產品生命週期的各個場景
作者：徐迎雪張凌燕
2022年2月4日，全面佈局“元宇宙”的Meta公司在披露財報信息當日股價暴跌26%，創下美股市場歷史最大市值跌幅，市值跌超2370億美元；2月16日，“元宇宙第一股”Roblox發布財報次日盤後股價下跌15%，市值縮水約500億美元。在過去一年裡，資本市場對於元宇宙概念由熱捧走向冷靜，投資者也意識到了元宇宙概念與現實存在著較大差距。賽迪顧問智能製造研究中心認為，元宇宙從概念到應用的轉換仍需要企業和科研機構不斷嘗試，推進基礎技術和關鍵設備不斷迭代和更新，挖掘更多的應用場景。特別是，元宇宙相關技術在工業領域的應用將賦能工業產品生命週期的各個場景，能夠有效促進工業領域智能化升級，其應用價值將遠大於消費領域。
一、工業元宇宙“虛實協同”，是智能製造的未來形態
（一）如何理解工業元宇宙？
工業元宇宙即元宇宙相關技術在工業領域的應用，將現實工業環境中研發設計、生產製造、營銷銷售、售後服務等環節和場景在虛擬空間實現全面部署，通過打通虛擬空間和現實空間實現工業的改進和優化，形成全新的製造和服務體系，達到降低成本、提高生產效率、高效協同的效果，促進工業高質量發展。
（二）工業元宇宙“由虛向實”實現“虛實協同”
工業元宇宙，與“數字孿生”概念類似，兩者區別在於，數字孿生是現實世界向虛擬世界的1:1映射，通過在虛擬世界對生產過程、生產設備的控制來模擬現實世界的工業生產；工業元宇宙則比數字孿生更具廣闊的想像力，工業元宇宙所反映的虛擬世界不止有現實世界的映射，還具有現實世界中尚未實現甚至無法實現的體驗與交互。另外，工業元宇宙更加重視虛擬空間和現實空間的協同聯動，從而實現虛擬操作指導現實工業。
（三）工業元宇宙助力智能製造全面升級
智能製造基於新一代信息技術與先進製造技術深度融合，貫穿於設計、生產、管理、服務等製造活動的各個環節，是致力於推動製造業數字化、網絡化、智能化轉型升級的新型生產方式。工業元宇宙則更像是智能製造的未來形態，以推動虛擬空間和現實空間聯動為主要手段，更強調在虛擬空間中映射、拓寬實體工業能夠實現的操作，通過在虛擬空間的協同工作、模擬運行指導實體工業高效運轉，賦能工業各環節、場景，使工業企業達到降低成本、提高生產效率的目的，促進企業內部和企業之間高效協同，助力工業高質量發展，實現智能製造的進一步升級。
二、展望未來，工業元宇宙的應用場景將實現產品全生命週期覆蓋
現階段工業元宇宙的大部分案例更趨近於“數字孿生”技術的應用。展望未來，工業元宇宙的應用場景將覆蓋從研發到售後服務的產品全生命週期，由“虛”向“實”指導和推進工業流程優化和效率提升。以下從研發設計、生產優化、設備運維、產品測試、技能培訓等多個環節切入，展望工業元宇宙可能的應用場景。
圖1 展望工業元宇宙賦能的工業場景
資料來源：賽迪顧問，2022,03
（一）研發設計
相比現階段利用工業軟件進行產品設計，工業元宇宙相關技術應用下的研發設計將在更大程度上提高產品開發效率、降低產品開發成本。在產品設計方面，通過工業元宇宙平台可控制產品應用時的環境因素，並基於在工業元宇宙平台中設計的產品模型對產品各零部件的作用方式做出直觀、精準的模擬，能夠有效驗證產品性能。在協同設計方面，工業元宇宙能夠打破地域限制，支持多方協同設計，用戶也可以在工業元宇宙平台上參與產品設計並體驗其設計的產品。在用戶體驗方面，工業元宇宙平台上的產品研發經過用戶的深層參與，更加貼近用戶需求，並能在更大程度上增強用戶體驗。
（二）生產優化
通過工業元宇宙平台，能夠沉浸式體驗虛擬智能工廠的建設和運營過程，與虛擬智能工廠中的設備、產線進行實時交互，可以更加直觀、便捷地優化生產流程、開展智能排產。在智能工廠建設前期，可利用工業元宇宙平台建設與現實智能工廠的建築結構、產線佈置、生產流程、設備結構一致的虛擬智能工廠，從而能夠實現對產能配置、設備結構、人員動線等方面合理性的提前驗證。對於智能工廠生產過程中的任何變動，都可以在虛擬智能工廠中進行模擬，預測生產狀態，實現生產流程優化。例如，寶馬與英偉達正開展虛擬工廠相關合作，寶馬引入英偉達元宇宙平台（Omniverse平台）協調31座工廠生產，有望將寶馬的生產規劃效率提高30%。
（三）設備運維
相對於現階段利用大數據分析的預測性維護，基於工業元宇宙的設備運維能夠打破空間限制，有效提高設備運維響應效率和服務質量。在工業元宇宙平台建立的虛擬空間中，運維人員將不受地域限制，在生產設備出現問題時，能夠實現遠程實時確認設備情況，及時修復問題。對於難度大、複雜程度高的設備問題，可以通過工業元宇宙平台匯聚全球各地的專家，共同商討解決方案，從而提高生產效率。
（四）產品測試
對於應用標準高、測試要求復雜的產品，工業元宇宙能夠提供虛擬環境以開展試驗驗證和產品性能測試。通過虛實結合實現物理空間和虛擬空間的同步測試，更加直觀地感受產品的內外部變化，提高測試認證效率和準確性。例如，相對於民用消費級芯片產品，車規級AI芯片由於工作環境多變、安全性要求高等因素，功能設計複雜，其研發、測試、認證流程十分嚴苛，需滿足多項國際國內行業標準。工業元宇宙可為車規級AI芯片提供虛擬測試空間，工程師可以用較低的成本對車規級AI芯片進行測試，也可以模擬和體驗搭載AI芯片的自動駕駛汽車，提高車規級AI芯片的測試、認證效率。
（五）技能培訓
工業元宇宙能夠有效提高教學培訓效率，為高等院校、企業等組織提供培訓學生、員工專業技能的虛擬設備，讓學員更加直觀地操作生產設備。同時，對於地震、失火等極端特殊情況，可以通過工業元宇宙平台搭建虛擬空間，供相關人員演習逃生路線和檢驗事故處理辦法。
三、築牢基礎，迎接“工業元宇宙”時代的到來
工業元宇宙打造現實世界與虛擬世界互通發展，呈現虛實融合互相影響的形態，需要強大的算力、網絡等基礎技術作為底座，也需要強大的芯片、傳感器、光學鏡頭、VR/AR設備等硬件設備支撐工業元宇宙的想像和發展。為促進工業元宇宙從概念落實到應用，需要進一步開展多方面研究和建設。對於工業元宇宙，我們倡議政府和企業可以佈局和發展工業元宇宙相關技術，不要過度吹捧概念，避免基礎不牢導致“泡沫”過多。
一方面，要加速數字化、算力等新型基礎設施建設，加強雲計算、大數據、人工智能等基礎技術研究。一是持續推進數字化基礎設施建設，推進“雙千兆”網絡部署與應用，支持工業企業運用新型網絡技術和先進適用技術改造建設企業網絡，為工業元宇宙提供高帶寬、低延時、高可靠的網絡接入能力。二是加速建設數據中心，開展算力提升行動，推進國家樞紐節點之間進一步打通網絡傳輸通道，加快實施“東數西算”工程，提升跨區域算力調度水平。三是鼓勵高校、科研院所、企業等組織推進云計算、大數據等技術研究，加速工業元宇宙轉化進程。
另一方面，應加強VR/AR等相關硬件設備研發與應用，推進光學鏡頭、顯示面板、主控芯片、傳感器、存儲器等關鍵設備技術升級。一是推進關鍵核心技術“揭榜掛帥”行動，針對芯片、傳感器、存儲器等核心技術和工具設備研發設立專項研究課題，面向高等院校、科研院所、企業等組織“揭榜掛帥”，呼籲有能力的組織圍繞薄弱環節開展自主研發或聯合研究。二是加速推進建模、仿真類工業軟件開發，支持有基礎的企業持續開發和完善研發設計類工業軟件，鼓勵社會資本、產業基金支持我國研發設計類工業軟件發展，拉近當前我國研發設計類工業軟件與國外的差距，加速補齊短板，為元宇宙賦能工業奠定基礎。
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