工业元宇宙——引领未来智能制造的变革 

唐敦兵 

　　 元宇宙，是引领未来智能制造变革的新技术，基于互联网而生、与现实世界互通、平行存在，是一个可以映射现实世界、独立于现实世界而存在的虚拟空间。由郑刚主编、东方出版社出版的《元宇宙:如何引领未来世界的变革》一书以创新思维、科学态度和前瞻视野，系统介绍元宇宙的概念、历史、发展现状、产业应用和未来趋势，并以元宇宙的产业应用和元宇宙的技术实现为叙事主线，一方面试图构建元宇宙的产业应用场景，如游戏、社交、消费、内容创作等，另一方面又对实现元宇宙所需的核心技术分别进行介绍，如虚拟现实（VR）技术、增强现实（AR）技术、人工智能技术、新一代网络技术、区块链技术、物联网技术、应用引擎开发技术等与元宇宙的融合应用，以技术和人文视域，全方位展望未来元宇宙时代的全景蓝图。可以说，该书不仅是一部帮助广大读者认清元宇宙的知识普及型读物，也是一部能让产业领域、科技领域的读者加速思考中国未来产业和科技的全面创新的专业读物。 

畅想元宇宙下的新型社会 

　　一场突如其来的疫情，使得人们在物理空间内不得不保持彼此的距离，减少了直接接触。为了降低疫情的影响，恢复人与人之间的沟通交流，元宇宙推进互联网世界的改造，为人类提供了功能多样、应用丰富的数字新世界，提供了更丰富的网络交流的新空间、新平台。元宇宙将虚拟世界和现实世界紧密联系，形成虚实融合、沉浸交互、拥有完备文明体系的新型社会存在。 

　　书中用多个章节描绘了元宇宙下的“新型社会”。“虚拟现实”，让人们各种体验更真实；“人工智能”，让万物世界更智能；“下一代网络”，万物互联，让“联系”从一种动作成为状态；“区块链”，好似开给新世界的一张通行密钥，让交往更安全……在数字技术与元宇宙融合发展下，未来人们的生活、工作状态将发生着巨大改变。小到游戏，斯皮尔伯格执导的《头号玩家》电影将从想象变成现实；大到工作，由于线上线下一体化，工作生活空间变得永不下线；日常如消费、社交，钱花得既便捷又更有感觉，友人不再分虚实；特殊如创作，“一花一世界”，你的创作可以影响到真实世界。 

　　然而，在众多设想蓝图中，由于具备较好的技术基础，工业领域是目前元宇宙运用最有可能触及最有可能取得率先突破的场景之一。 

工业元宇宙：“由虚向实”的全链条突破 

　　随着 “德国工业4.0”“中国制造2025”“美国《先进制造业国家战略计划》”“日本社会5.0”等战略的提出，全球工业强国正在加速智能化改造、数字化转型，让工业企业焕发新的生机与活力。而工业元宇宙旨在将制造领域中的材料（Material）、装备（Machine）、工艺（Methods）、测量（Measurement）、维护（Maintenance）这5M要素与区块链技术、交互技术、人工智能技术、智能网络技术、虚拟现实技术和物联网技术等数字技术领域的六大技术基础进行了完美融合，可以将确切的物理生产系统与虚拟的数字世界相融合，实现工业系统中的人、事、物全面互联和关系构建。数实空间的全连接将为工业生产带来更多的数据动能，有效驱动生产制造技术和现有模式的变革与突破，引领未来智能制造的变革。 

　　 工业元宇宙覆盖工业生产全链条环节，从产品设计、工艺开发、试产测试、产线生产、设备调试、产线巡检、远程运维等端到端的系统。 

　　在产品设计阶段，工业元宇宙可以跟踪产品设计的历史足迹，并跟踪改进，从而实现迭代优化。基于工业元宇宙的方法可以实现静态配置和动态执行之间的迭代设计优化，提高产品材料选择的准确性和效率，并反映动态参数的演变。工业元宇宙能够预测产品或系统性能，并识别潜在问题以指示优化方向，而传统仿真可能会忽略这一点。此外，工业元宇宙不断从物理空间收集、分析和累积数据，为设计阶段的决策提供充分的依据。对于不同的视角和利益相关者，工业元宇宙支持完全数字化的工作流程，因此在不披露涉密信息的情况下提供详细数据，避免了设计过程中产品和流程知识的碎片化。 

　　在产品生产制造阶段，工业元宇宙以另一种更好的方式提供实时监控。首先，工业元宇宙将所有需要的数据与3D模型进行可视化集成。其次，工业元宇宙融合了历史数据、实时数据和预测数据，以跟踪过去、监控现在和预测未来。工业元宇宙集成了全要素信息感知技术、增强现实技术、三维可视化监控技术等，以实现制造阶段的实时沉浸式监控。用于实时沉浸式监控的工业元宇宙不仅是当前数据和物理对象状态的表示，其高精度模型还有助于了解生产情况并做出优化决策。对于制造系统出现的扰动，工业元宇宙通过对动态环境的实时数据感知和高精度模型，在复杂环境下实施及时的智能控制策略，以适应当今复杂且要求苛刻的制造系统。为了在实际生产之前预测工件的性能，工业元宇宙集成了已知的物理规则、AI算法和多学科模型，提供复杂制造环境下的可计算虚拟对象和充足的生产数据。 

　　在产品服务阶段，用户主要关注产品的可靠性和便利性，而制造商和供应商主要关注产品的实时运行状态、维护策略等。在这一阶段，产品通常是分散的，并且不受制造商和供应商的控制。因此，很难管理和访问它们的数据，也很难实现闭环数据流。此外，现有的虚拟模型虽然是产品设计的精确三维表示，但它与特定制造零件没有确切联系，这意味着同一批次的产品在不同的服务环境中可能表现不同，但现有的虚拟模型却是一成不变的。工业元宇宙提供了高精度的模型，并在整个产品生命周期中不断更新。与传统的状态监控相比，工业元宇宙可以用更少的数据重新生成虚拟空间中物理对象的当前状态。此外，工业元宇宙包含一个产品的唯一标识符，用户可以通过该标识符从任何远程位置监控产品状态。 

元宇宙下智能制造的未来形态 

　　书中对于工业元宇宙的描绘，更像是智能制造的未来形态。以推动虚拟空间和现实空间联动为主要手段，更强调在虚拟空间中映射、拓宽实体工业能够实现的操作，通过在虚拟空间的协同工作、模拟运行指导实体工业高效运转。 

　　工业元宇宙打造了现实世界和虚拟世界之间的相互作用发展，呈现出虚实融合、相互影响的形式。它以强大的计算能力、网络和其他基础技术为基础，需要强大的芯片、传感器、光学镜头、VR/AR设备和其他硬件。为了促进工业元宇宙应用的实现，需要进一步的研究和布局相关技术。一方面，推进数字基础设施建设，加强云计算、大数据、人工智能等基础技术研究。加快数据中心建设，落实提高计算能力的措施，支持工业企业利用新的网络技术改造和建设业务网络，加快工业元宇宙转化进程。另一方面，推进VR/AR可穿戴设备、光学镜头、显示面板、处理器、传感器等相关硬件设备的研发，并尽快部署于工业企业以实现硬件设备的技术升级，为工业元宇宙赋能工业产业打下坚实基础。 

　　（作者系南京航空航天大学无锡研究院院长）