從數(shù)字孿生到工業(yè)元宇宙的發(fā)展路徑

文 | 本刊記者 姜紅德

今年7月份，Meta（由Facebook更名）聯(lián)合一家海外咨詢公司發(fā)布了全球元宇宙白皮書。數(shù)據(jù)顯示，到2031年元宇宙將會(huì)為人類社會(huì)帶來(lái)超過(guò)3萬(wàn)億美元的GDP增長(zhǎng)，其中大約有超過(guò)30%的份額來(lái)自亞太地區(qū)。

元宇宙包括社區(qū)元宇宙、消費(fèi)元宇宙、工業(yè)元宇宙等眾多分支領(lǐng)域。工業(yè)元宇宙源于工業(yè)企業(yè)和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的產(chǎn)物，涵蓋了數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)等多項(xiàng)數(shù)字技術(shù)。事實(shí)上，工業(yè)元宇宙離我們并不遙遠(yuǎn)——在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的潮流下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳感器被廣為應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)逐漸商用，為現(xiàn)實(shí)物理世界的基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)造數(shù)字孿生成為可能。用一句話概括一下，從數(shù)字孿生起步，工業(yè)元宇宙的未來(lái)世界版圖正在逐漸開始明朗起來(lái)。

數(shù)字孿生加持下的“工業(yè)元宇宙”

元宇宙一詞最早誕生于1992年的科幻小說(shuō)《雪崩》，小說(shuō)描繪了一個(gè)龐大的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，這里的人們用數(shù)字化身來(lái)控制，并相互競(jìng)爭(zhēng)以提高自己的地位，由此可見它描繪的是超前的未來(lái)世界。

按照百度百科的定義，元宇宙是利用數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)等高科技手段進(jìn)行鏈接與創(chuàng)造的，與現(xiàn)實(shí)世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間。

近年來(lái)，科技行業(yè)提及數(shù)字孿生概念的次數(shù)越來(lái)越多，微軟、西門子等企業(yè)都是它的忠實(shí)擁躉者。從專業(yè)技術(shù)的角度來(lái)看，它是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。在日常生活中，我們?nèi)绻睘楹?jiǎn)，可以認(rèn)為數(shù)字孿生就是根據(jù)物理世界的形狀，在數(shù)字平行世界中搭建一個(gè)虛擬的模型，這個(gè)模型可以伴隨實(shí)體的變化而變化。

2010年NASA在路線圖報(bào)告中為“數(shù)字孿生”正式命名，并應(yīng)用于阿波羅項(xiàng)目中對(duì)飛行中的空間飛行器進(jìn)行仿真分析，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)空間飛行器的飛行狀態(tài)，輔助地面控制人員作出正確的決策。2017年，Gartner 將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一，也正是從這個(gè)時(shí)候開始，數(shù)字孿生概念被越來(lái)越多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。2021年亞馬遜科技云推出了IoT TwinMaker，它讓數(shù)字孿生變得更加輕而易舉，企業(yè)通過(guò)數(shù)字孿生反映現(xiàn)實(shí)世界的功能提高了運(yùn)營(yíng)效率并減少停機(jī)時(shí)間。

有了數(shù)字孿生技術(shù)的加持，“工業(yè)元宇宙”變得觸手可及。2022年6月30日，西門子和英偉達(dá)計(jì)劃連接開放式數(shù)字業(yè)務(wù)平臺(tái)Xcelerator與3D設(shè)計(jì)和協(xié)作平臺(tái)Omniverse，形成數(shù)字與現(xiàn)實(shí)世界精準(zhǔn)映射的數(shù)字孿生，并將軟件定義的人工智能系統(tǒng)從邊緣側(cè)連接到云端，這是兩者合作的第一步。接下來(lái)，借助來(lái)自于西門子的基于物理世界的數(shù)字模型和來(lái)自于英偉達(dá)的將人工智能與自然規(guī)律相結(jié)合的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，雙方將共同打造與工業(yè)元宇宙有關(guān)的各種應(yīng)用場(chǎng)景。

西門子全球董事會(huì)主席、總裁兼首席執(zhí)行官博樂仁表示，將映射現(xiàn)實(shí)、基于物理的數(shù)字孿生內(nèi)嵌到工業(yè)元宇宙中，可以為人們創(chuàng)造一個(gè)可以交互、協(xié)作以解決現(xiàn)實(shí)世界問題的虛擬世界，從而為經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型釋放無(wú)限潛能。他說(shuō)，“通過(guò)此次合作，我們將助力不同規(guī)模的企業(yè)打造工業(yè)元宇宙。過(guò)去十余年里，我們的數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)幫助各行各業(yè)的客戶提高生產(chǎn)效率；今天，西門子可以為產(chǎn)業(yè)提供綜合全面的數(shù)字孿生。借助西門子Xcelerator與Omniverse的互聯(lián)互通，我們將能夠打造一個(gè)實(shí)時(shí)、沉浸式的元宇宙，連接從邊緣側(cè)到云端的硬件和軟件，并從西門子軟件和解決方案中收集海量數(shù)據(jù)?！?/p>

英偉達(dá)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛對(duì)此也表示，不同規(guī)模的企業(yè)能夠借助實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，打造創(chuàng)新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，應(yīng)用在邊緣側(cè)或云端分析得出的可行性洞見，并通過(guò)視覺更加豐富、更沉浸式的模擬仿真來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的工程挑戰(zhàn)。

可能落地的應(yīng)用場(chǎng)景預(yù)測(cè)

數(shù)字孿生貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)乃至報(bào)廢回收的整個(gè)周期，可以幫助制造企業(yè)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)，改善不足，開發(fā)新的經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)績(jī)效提升。從被Gartner列入未來(lái)10大戰(zhàn)略技術(shù)之一以來(lái)，數(shù)字孿生被用于越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)。通常制造業(yè)企業(yè)在信息化階段已經(jīng)上線了很多信息系統(tǒng)，可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息化，員工操作電腦化。進(jìn)入企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型之后，系統(tǒng)除了要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和狀態(tài)判斷，并提出相應(yīng)的警告，這就需要通過(guò)數(shù)字孿生相關(guān)的技術(shù)來(lái)完成對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控。例如：從2020年開始，網(wǎng)思科技開始和廣汽集團(tuán)進(jìn)行交流，通過(guò)一年多的測(cè)試，最后與廣汽集團(tuán)旗下汽車廠簽署了第一期數(shù)字孿生合同。具體的落地場(chǎng)景中就包括將生產(chǎn)車間完全實(shí)時(shí)展現(xiàn)在系統(tǒng)上。比如說(shuō)總裝車間里，每一條生產(chǎn)線上面的每一個(gè)機(jī)械臂、每一個(gè)零件的狀態(tài)都實(shí)時(shí)投射在系統(tǒng)里面，從而解決了工程的巡場(chǎng)監(jiān)控問題。

預(yù)測(cè)性維護(hù)與管理。在可視化的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生系統(tǒng)也可以為工廠在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中全面分析及預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)和管理流程的數(shù)據(jù)治理，提升設(shè)備綜合利用率和產(chǎn)品一次性合格率。

自動(dòng)駕駛。通過(guò)數(shù)字孿生，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到自動(dòng)駕駛汽車周邊的實(shí)際情況和它的運(yùn)行情況。比如說(shuō)一臺(tái)自動(dòng)駕駛中的汽車，它周邊實(shí)時(shí)的情況、路況、車況、來(lái)往行人、紅綠燈及天氣，都會(huì)展現(xiàn)在監(jiān)控大屏上面，從而為遠(yuǎn)程保證行駛安全提供基礎(chǔ)。

隨著3D工業(yè)引擎、人工智能、軟件定義制造等技術(shù)的融合發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在實(shí)現(xiàn)虛擬化映射、落地場(chǎng)景應(yīng)用方面常是多種模式混合，從而更全面地幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)向工業(yè)元宇宙升級(jí)。

上文提及的網(wǎng)思科技和廣汽集團(tuán)合作案例中，在完成生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，可以在第二層面解決生產(chǎn)管理的問題，在安排生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，通過(guò)對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、工作效率以及停機(jī)檢測(cè)的時(shí)間安排等方面的數(shù)據(jù)分析，從而為生產(chǎn)提供最優(yōu)安排。

2022年5月13日，海爾卡奧斯COSMOPlat重磅發(fā)布D3OS數(shù)字孿生產(chǎn)品。作為平臺(tái)仿真力的重要體現(xiàn)，產(chǎn)品聚焦工業(yè)企業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型，將通過(guò)提供數(shù)據(jù)智能和數(shù)字孿生端到端解決方案，助力企業(yè)打造可視、可管、可預(yù)測(cè)的數(shù)字孿生虛擬工廠，為優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)流程、實(shí)現(xiàn)降本增效提供數(shù)據(jù)支撐的“工業(yè)大腦”。

在科技巨頭紛紛布局“元宇宙”的背景下，數(shù)字孿生技術(shù)既是對(duì)平臺(tái)數(shù)智化賦能能力的補(bǔ)充與提升，也為推動(dòng)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等“工業(yè)元宇宙”技術(shù)與工業(yè)場(chǎng)景的結(jié)合提供了新路徑。

未來(lái)挑戰(zhàn)與展望

根據(jù)新華社的有關(guān)報(bào)道，元宇宙是基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，以及利用數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像。從這一定義可以看出，數(shù)字孿生與元宇宙之間是相互協(xié)作的關(guān)系，數(shù)字孿生可以看成是工業(yè)元宇宙技術(shù)的一部分，而工業(yè)元宇宙是數(shù)字孿生發(fā)展的必然方向之一。

目前，數(shù)字孿生正處于發(fā)展過(guò)程中，還面臨著多方面的挑戰(zhàn)：首先，企業(yè)中有各種來(lái)源的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由于設(shè)備、系統(tǒng)多種多樣，這些數(shù)據(jù)需要手動(dòng)輸入；其次，企業(yè)要為所有相關(guān)知識(shí)提供廣泛的入口，將信息源之間的關(guān)系映射到物理世界。在工業(yè)元宇宙發(fā)展道路上還存在更多方面的挑戰(zhàn)，但是這并不妨礙工業(yè)元宇宙的必經(jīng)之路會(huì)是數(shù)字孿生平臺(tái)，或者說(shuō)數(shù)字孿生是工業(yè)元宇宙發(fā)展所呈現(xiàn)出的一種狀態(tài)。

總之，工業(yè)元宇宙應(yīng)該是智能制造的“未來(lái)形態(tài)”，通過(guò)賦能工業(yè)制造各環(huán)節(jié)、場(chǎng)景，使工業(yè)企業(yè)達(dá)到降低成本、提高生產(chǎn)效率的目的，實(shí)現(xiàn)智能制造的進(jìn)一步升級(jí)。