2021年以來，“元宇宙”概念迅速升溫，相關炒作與前瞻性探索不斷涌現。在數字經濟向虛實結合形態發展之際，結合工業企業數字化轉型需求，工業元宇宙正成為行業探索與實踐的熱點。其中，數字孿生、物聯網、數字設計與仿真、增強現實/虛擬現實/混合現實（AR/VR/MR）等前沿技術正不斷發展，創造新的應用場景與用例，豐富工業元宇宙的內涵，有望為實體行業的生產與運作創造價值。

一、工業元宇宙的關鍵技術

工業元宇宙的實現路徑可視為數字孿生技術與交互技術的結合。數字孿生技術概念起源于美國密歇根大學教授邁克爾·格里弗斯在2002年提出的“產品生命周期管理”概念。格里弗斯認為，通過物理設備的數據，可以在虛擬信息空間構建一個表征該物理設備的虛擬實體和子系統，并且這種聯系不是單向和靜態的，而是在整個產品的生命周期中都聯系在一起。在數字孿生技術的基礎上，加以AR/VR/MR等技術，有望實現真實世界與虛擬信息空間的結合。

在工業元宇宙業態迅猛發展的背后，若干關鍵技術正起到積極支撐作用。

（一）高速網絡與算力基礎設施

高速傳輸網絡和算力基礎設施是工業元宇宙的基礎設施。工業元宇宙中將有大量數據的產生與流動，同時人工智能系統、圖像處理系統都對計算機硬件有著較一定要求。在通信方面，低時延、廣接入、高帶寬的5G/6G技術和光纖網絡等技術可保障數據的互聯互通；在計算方面，高性能計算機、邊緣計算設備和數據中心，將滿足數據的處理和存儲需求。

（二）工業控制系統

工業控制系統可實現工業生產、數據采集與過程控制自動化，其組成部分一般包括傳感器、信息處理系統與執行裝置，可以通過采集工業現場的數據，將測量數據與目標值進行比較，實現狀態監測、過程控制、異動報警等功能。較大型的工業控制系統一般會用數據采集與監控系統（SCADA）來實現，或是由分散式控制系統（DCS）及可編程邏輯控制器（PLC）來實現。在監控端，工作人員一般使用組態軟件實現信息讀取和控制功能。工業控制系統目前廣泛用于化工產業、制造業、發電廠、石油天然氣提煉，以及電信業。

（三）計算機輔助設計與仿真

計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助工程分析（CAE）技術已廣泛用于工程設計領域。CAD負責設計產品，CAE負責驗證產品性能。現有的CAD技術已經從二維平面圖紙、三維圖形設計發展到能夠對產品的材料與結構進行設計。設計人員可以創建包括外形、結構、功能和材質的完整虛擬模型。CAE以三維建模為基礎，通過模擬產品結構、物理特性、運動學、動力學等方面的工作狀態和表現，為產品功能、性能的可用性和可靠性提供依據，進而實現產品設計的優化。

結合人工智能與數字樣機技術，計算機仿真技術已能模擬分析機器人、汽車以及生產線等較為復雜的產品、系統與環境。例如，英偉達公司在2023年美國拉斯維加斯消費電子展（CES）上推出了Isaac Sim機器人模擬訓練平臺的2022.2版本。該平臺基于英偉達的Omniverse工業元宇宙平臺，是一款機器人模擬和合成數據生成（SDG）工具，能夠在虛擬環境中訓練機器人，可加速智能機器人的開發、測試、培訓和部署。Isaac Sim的最新版本重點提高了制造和物流機器人用例的性能和功能，且支持將人添加到模擬環境中，可以提高機器人與人類協作的效率與安全性。

（四）人工智能技術

人工智能技術在工業元宇宙中的應用，有望促進更真實的數字化模擬，并實現更廣泛的應用。機器學習模型可根據多重的反饋源數據進行自我學習，從而幾乎實時地在數字世界里呈現物理實體的真實狀況，并能夠對即將發生的事件進行推測和預演。系統的自我學習除了可以依賴于傳感器的反饋信息，也可通過歷史數據或集成網絡的數據學習，在不斷的自我學習與迭代中，模擬精度和速度將大幅提升。

人工智能技術在工業元宇宙中的一項重要應用是預測性維護（Predictive maintenance）。預測性維護也稱基于狀態的維護，旨在通過傳感器數據、歷史數據等確定設備狀態，并通過人工智能模型來預測何時需要做維護。這比日?；蚨ㄆ谶M行的預防性維護更節約成本，因為只在確有必要時才進行維護，具體的項目通常包括：數據收集與預處理、早期故障檢測、故障檢測、失效預測、維護計劃、資源優化。預測性維護不僅有助于檢測設備狀態、有針對性地調整、維修，減少設備停車時間，也有助于改善生產率、達成即時化生產。

例如，美軍與IBM、Uptake Technologies等公司合作，已將人工智能試驗性地用于飛機、戰車等裝備的預測性維護，通過裝備數據管理、人工智能分析，預測裝備的零部件故障。

（五）圖形顯示與交互技術

工業元宇宙在操作和交互層面的實現，需要依托于圖形處理、顯示和交互技術實現。目前業界青睞的圖形立體化顯示以及數字化虛擬交互，需要通過圖形處理技術結合AR/VR/MR技術呈現。

圖形處理技術依賴圖形引擎的生成與處理功能。目前圖形引擎中得到廣泛應用的有Unity、OGRE、OpenGVS、Vtree、OSG等。以Unity圖形引擎為例，全世界所有VR和AR內容中有超過60%均為Unity驅動。其中的實時渲染技術可以應用于汽車的設計、制造人員培訓、制造流水線的實際操作、無人駕駛模擬訓練、市場推廣展示等環節。Unity最新的實時光線追蹤技術可以創造出更加逼真的可交互虛擬環境，讓參與者身臨其境，感受虛擬現實的真實體驗。高清實時渲染配合VR/AR/MR設備，可以展示傳統CG離線渲染無法提供的可互動內容。而且在研發階段，實時渲染可以實現“可見即所得”，讓開發者身臨其境地進行設計、交互。Unity的各類解決方案可有針對性地面向和施工等各個行業，可以將作業圖紙和信息轉換成Unity 3D模型，支持在各種設備上以沉浸、互動的方式審查實時模型。

如今，隨著企業數字化進程的加速，不少企業將AR/VR/MR技術運用于設計和生產環節，在汽車、運輸、制造、建筑等工程領域擁有廣泛用例。例如，西門子公司已經在其服務中結合VR技術，允許用戶通過VR眼鏡實現協同設計、產線檢查等功能。

美國波音公司在飛機制造的環節中運用了AR技術，使用AR眼鏡的定位功能，幫助工人找到和更換用于不同部件制造的臨時緊固件，從而改進了復雜的線路布局、檢驗工作，由此提高飛機生產的效率，使得767客機、KC-46加油機等機型的生產時間縮短了至多30%，每架飛機上節省的費用達數百萬美元。

二、工業元宇宙的應用場景

工業元宇宙將覆蓋從產品設計、生產、巡檢、遠程運維、經營管理等工業生產全鏈條環節，在工業領域的應用價值或遠大于消費領域。

（一）研發設計協作

工業元宇宙的一大應用場景是協同設計，允許工程人員通過在線平臺進行實時協作，共同設計、迭代和更改，從而簡化工作流程。以美國英偉達公司于2021年底發布Omniverse平臺為例。Omniverse是一個易于擴展的開放式平臺，專為虛擬協作和物理級準確的實時模擬打造，其定位為“工程師的元宇宙”。創作者、設計師、研究人員和工程師可以連接主要設計工具、資料和項目，從而在共享的虛擬空間中協作和迭代。目前，該平臺已支持Adobe、Autodesk等廠商的多款設計與工程軟件的協作，有望變革藝術、工程設計等行業的工作流程。

（二）制造與建造

在工業制造和建筑建造行業，工業元宇宙有望發揮前所未有的潛力。結合5G/6G、物聯網、人工智能等技術，對基礎設施、工藝裝備與作業過程等進行模擬和優化，可實現精細化管理與質量控制。工業元宇宙的應用場景包括：更改工廠車間布局以測試不同的配置，了解不同方案會給工人在車間內的移動帶來哪些影響，并判斷他們在移動機器人周圍的安全性；檢查來自傳感器的數據，以確定振動的來源；通過查看虛擬物理模型狀態，直觀地找到故障的根源。

以寶馬公司與英偉達開展的虛擬工廠合作為例。寶馬通過引入英偉達Omniverse平臺協調其31座工廠生產，有望將生產效率提高30%。

（三）物流與供應鏈管理

工業元宇宙在物流與供應鏈管理方面的應用主要在于模擬與分析，以優化物流周轉的效率。通過網絡服務連通世界各地的物流中心/工廠，實現供應鏈與物流信息的同步，隨后建立包括物流環境、設備、貨物種類、數量等要素的全環節模型，計算時間、效率及經濟性，生成智慧化揀貨與排單策略，以快速面對、彈性適應每天不斷變化的訂單需求。這種方式有望提高物流周轉效率、降低成本，從而為企業創造更高利潤。

三、未來前景展望

（一）工業元宇宙有望推動產業升級

2021年12月，中紀委網站刊文《元宇宙如何改寫人類生活》，指出多重因素將促使元宇宙從概念走向流行，可為工業互聯網等帶來發展機遇。2022年11月，工信部工業文化發展中心發布《工業元宇宙創新發展三年行動計劃（2022-2025）》，提出我國工業元宇宙發展的總體要求、重點任務以及保障措施。

憑借數字化技術賦能，工業元宇宙將使工業生產更協同、更高效、更安全、更智能、更精準，成本更低。根據集邦咨詢公司（TrendForce）的預測，工業元宇宙將推動全球智能制造市場規模于2025年達5400億美元，2021至2025年復合成長率達15.35%。

（二）國內外工業元宇宙發展各有所長

當前，國外企業在技術積累上更深厚，諸如英偉達、英特爾、微軟等巨頭企業的AI和行業數字化解決方案較為成熟，西門子、施耐德等企業在工業數字化方面的經驗較為豐富。中國工業門類齊全，應用場景多，且國內科技企業的應用研發、落地能力較強，因此國內在工業元宇宙的應用場景方面可能更加豐富。

隨著相關技術與解決方案的發展成熟，工業元宇宙的市場將不斷擴大并產生規模效應，這對于廣大工業企業，特別是希望借助新興技術和商業模式實現數字化轉型與效率提升的企業，是個良好的機遇。企業應當抓住工業元宇宙技術探索和場景創新的窗口期，結合企業自身與市場的實際情況，量力而行地選擇適合元宇宙化的場景，進行探索和創新嘗試，早日搶占技術制高點。

（三）相關標準建立仍需時日

由于工業元宇宙概念剛剛興起，程序與系統接口、技術規范、可靠性認證、應用安全等方面的標準體系亟待構建。應充分結合信息技術與工業的發展狀況，面向可互操作性、安全性、可靠性等實際要求，盡早進行標準制定與推廣，進一步推動工業信息化向縱深發展。

根據《工業元宇宙創新發展三年行動計劃（2022-2025）》的要求，行業與有關機構應逐步開展重點領域標準制定以及推動國際標準制定；整合檢測資源，加強產品質量測試、安全評估、檢驗認證，確保智能產品和服務的可靠性、安全性，努力形成標準引領產業全面規范化發展的新格局。

作者簡介

唐乾琛 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究二室，三級分析員

研究方向：信息領域戰略、技術和產業前沿

編輯：黃飛

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