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工业元宇宙 : 工业文明的未来

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发表于 2023-5-12 20:35:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
  近日ChatGPT火爆全球,众多企业纷纷入场,加速人工智能方向产品的研究。2月10日,据美国科技媒体The Information报道,微软刚刚成立四个月的工业元宇宙团队,已完全解散。

  微软工业元宇宙团队于2022年10月创立,该团队主要帮助客户搭建一个可以控制电力、工业机器人等综合性设备的操作系统。此举不得不让人思考工业元宇宙的未来。

  01

  如何理解工业元宇宙

  工业元宇宙即元宇宙相关技术在工业领域的应用,将现实工业环境中的研发设计、生产制造、营销销售、售后服务等环节和场景在虚拟空间实现全面部署,通过打通虚拟空间和现实空间实现工业的改进和优化,形成全新的制造和服务体系,达到降低成本、提高生产效率、高效协同的效果,促进工业高质量发展。

  它使制造商能够将他们的数字孪生与他们的客户和供应商联系起来,这样他们就可以一起工作,并根据实时数据获得洞察力。工业虚拟世界为公司提供了一种利用AR和VR技术在3D沉浸式环境中设计和测试产品、运行模拟以及协作研发的方法。工业元宇宙也被誉为将是未来产业的竞争战场。

  工业元宇宙是一个新的生态系统,以互联网为代表的技术、人工智能和数字孪生与实体经济深度融合,是一个新的制造和服务体系价值链。工业物联网解决方案将催生智慧城市和智慧建设基础设施,元宇宙将成为新兴技术的前线,从而证明它们在实际应用中的价值。

  02

  工业元宇宙发展意义

  1. 国家层面

  随着工业互联网创新发展工程的深入实施,我国涌现了大量数字化网络化创新应用,但在智能化探索方面实践较少,如何推动我国工业互联网应用由数字化网络化迈向智能化成为当前亟需解决的重大课题。工业元宇宙是一个跨越更大范围、更大时间的、包含更多内容的大型平台,是数据资源、设备资源、人力资源的载体,也是企业发展、行业发展、地区发展的着力点。工业元宇宙的新兴技术为我国工业互联网智能化探索提供了基础方法,成为支撑我国制造业高质量发展的关键抓手。

  2. 产业层面

  工业元宇宙技术有望带动我国工业软件产业快速发展,加快缩短与国外工业软件差距。由于我国工业历程发展时间短,工业软件核心模型和算法一直与国外存在差距,成为国家关键“卡脖子”短板。数字孪生能够充分发挥我国工业门类齐全、场景众多的优势,释放我国工业数据红利,将人工智能技术与工业软件结合,通过数据科学优化机理模型性能,实现工业软件弯道超车。通过地区平台构建产业集群,实现联合营销、设计、制造与服务,并促进数字经济、元宇宙新的产业,构建新兴业态,对于高价值工业软件、复杂高精度、大尺寸机床设备、检测设备、大数据、高算力、高显示力、人工智能系统集约性使用,提高综合利用率,降低使用成本,以获得较高的性能价格比,促进新兴技术的广泛化、普及化、深化、高水平应用。

  3.企业层面

  元宇宙时代有大量的创新技术在工业研发、生产、运维全链条均将发挥重要作用。在研发阶段,数字孪生能够通过虚拟调试加快推动产品研发低成本试错。在生产阶段, 数字孪生能够构建实时联动的三维可视化工厂,提升工厂一体化管控水平。在运维阶段,工业元宇宙技术可以将仿真技术与大数据技术结合,不但能够知道工厂或设备“什么时候发生故障”,还能够了解“哪里发生了故障”,极大提升了运维的安全可靠性。从信息化到数字化,意味着信息更加精确,从定性到定量。而信息的完整性、时效性、实时性也都大幅度提升,由于网络能力的提升,可以让生产者与客户、消费者建立起更强大的、更好的沟通场景,更好的沟通模式,从而取得更好的沟通效果。

  03

  工业元宇宙技术架构

  工业元宇宙存在一条直接有效的技术实现路径,相关技术可以概括为“Meta-X”技术群,其中包括混合现实、计算引擎、数字孪生、AIoT、计算机图形学和区块链。这决定了现阶段工业元宇宙至少能实现:优化人机交互方式和体验;云-边-端泛在算力;数字孪生体(人货场);打通多源异构数据。

  1. 混合现实

  从长远来看,VR不适合工业元宇宙,因为它强调虚拟世界的体验。而AR则以物理世界的设备和生产线为基础。MR(混合现实)可以帮助用户走得更远,因为它更擅长低延迟和复杂的场景,包括远程协作、实时设备诊断和工业模型设计。在工业MR应用中需要优化视野、视觉显示和人机交互逻辑三个方面,以确保产品在工业场景中的稳定性、安全性、适应性和灵活性。

  2. 计算引擎

  算力是工业元宇宙的基本引擎。它可以以接近零的延迟满足无数设备访问的需求。但总体而言,中国制造业算力占比小,数字成熟度低。企业在短期内仍将依赖包容性公共计算引擎。计算引擎将建立一个基础设施即服务(IaaS)、边缘设备和采集设备相结合的系统,实现低延迟、低传输成本的工业运营,这是一个必然趋势。

  3. 数字孪生

  数字孪生是未来工业元宇宙底层资产的重要载体。它是一种存在于计算机虚拟空间中的信息模型,完全等同于物理实体。现在主要用于工业实物的全生命周期构建,有利于降低创新的试错成本,加速产品开发。未来有望构建全产业链乃至产业经济的数字孪生。

  4. AIoT

  AIoT融合了AI(人工智能)和IoT(物联网)技术,可以将现实世界工业中的人、机、物、法、环境等要素转化为数据资源,支撑数字孪生的构建。但它目前的应用特点是碎片化和中心化。包容性和协调性将是其未来的趋势。

  5. 计算机图形学

  计算机图形学(Computer Graphics,CG)是利用计算机研究图形的表示、生成、处理和显示,主要包括3D几何模型的建模、渲染、动画和交互技术。基于CG技术创建的3D模型是工业元界的重要组成部分。

  6. 区块链

  基础技术直接影响工业元宇宙中的生产要素。区块链将直接重塑生产关系,带来去中心化的协作范式。也就是说,有利于构建“去信任的信任”,有效降低全产业链各主体之间的信任摩擦成本,促进数据资产去中心化交易。

  04

  工业元宇宙体系架构

  搭建元宇宙最基础的工作是完成三维数据的采集,也就是完成物理世界向虚拟世界映射的过程,可能会涉及到标准BIM或者CAD模型的转换,或者航测和倾斜影像采集,甚至激光雷达扫描等手段构建三维模型。这些模型通过导入接口接入到数字孪生平台,形成静态数字孪生体,再通过接入工厂应用所产生的实时数据赋予数字孪生体动作和状态,构建以数字孪生体为核心的数据资产管理,形成动态的虚拟世界。

  感知层:感知层主要包括物理实体中搭载先进物联网技术的各类新型基础设施。

  数据层:数据层主要包括保证运算准确性的高精度的数据采集、保证交互实时性的高速率数据传输、保证存取可靠性的全生命周期数据管理。

  运算层:运算层是数字孪生体的核心,其充分借助各项先进关键技术实现对下层数据的利用,以及对上层功能的支撑。

  功能层:功能层是数字孪生体的直接价值体现,实现系统认知、系统诊断、状态预测、辅助决策功能。系统认知一方面是指数字孪生体能够真实描述及呈现物理实体的状态,另一方面指数字孪生体在感知及运算之上还具备自主分析决策能力,后者属于更高层级的功能,是智能化系统发展的目标与趋势;系统诊断是指数字孪生体实时监测系统,能够判断即将发生的不稳定状态,即“先觉”;状态预测只是数字孪生体能够根据系统运行数据,对物理实体未来的状态进行预测,即“先知”;辅助决策是指能够根据数字孪生体所呈现、诊断及预测的结果对系统运行过程中各项决策提供参考。

  应用层:应用层是面向各类场景的数字孪生体的最终价值体现,具体表现为不同行业的各种产品,能够明显推动各行各业的数字化转型,目前数字孪生已经应用到了智慧城市、智慧工业、智慧医疗、车联网等多种领域,尤以数字孪生城市、数字孪生制造发展最为成熟。

  05

  工业元宇宙应用场景

  1、研发环节

  在研发环节,工业元宇宙在工厂端产线设计、工艺端产品研发等环节,通过将现实世界的测试、分析等在虚拟世界中模拟,很大程度的减少研发过程中的能量消耗与试错成本。

  国内家电巨头美的从几年前就开始布局数字孪生与仿真技术,逐步向“工业元宇宙”领域切入。目前,美的已经利用仿真系统和数字孪生搭建了一个将实体工厂1∶1还原的虚拟数字工厂。通过在虚拟工厂中模拟生产,大幅提升了新产品试制试产效率,缩短了产品的上市周期。

  国际上,西门子通过数字孪生模拟水流,进行了大量的实验调整设备,大幅减少能源设备的维护时间,节省大量的成本;爱立信做了整个城市的数字孪生,用来模拟在哪些位置放置5G基站效果更好,成本最低;奥迪推出的名为“虚拟装配线校检”技术,依托3D投射和手势操控技术,帮助流水线工人在名为“CAVE”的虚拟空间中完成对实际产品装配工作的预估和校准。

  2、生产制造环节

  在生产制造环节,可通过工业元宇宙相关技术进行制造流程管理、设备日常运营维护,大幅提升了生产制造效率,减少了生产测试成本、运维成本。同时,可通过远程操控保障危险环节作业人员的安全。

  波音、宝马等国际巨头也已实现虚拟制造。2020年GTC大会上英伟达发布了一款企业设计协作和三维平台Omniverse,集成了包括语音AI、计算机视觉、自然语言处理、模拟等方面的技术,为全球700多家客户提供专业的元宇宙底层服务架构。宝马集团就选择了英伟达发布的Omniverse平台,依靠数字孪生体进行模拟生产,目前已经将生产网络中31家工厂的工人的工单指令进行模拟,将生产计划减少了30%。

  在工业元宇宙中,还可通过AR/VR等终端实现人机交互作业并获得AI的指导与决策,形成了一种“游戏式”的新的工作方式。

  头戴式计算机品牌瑞欧威尔推出的全新品牌moziware以及相关新产品,通过AR头戴计算机进行语音操控、AR识别等,用来查看设备信息,测量部件尺寸,查看装配说明,实现远程协作。

  例如,在汽车制造行业,可通过AR技术帮助技术人员远程实时求助技术专家,成功消除了因制造现场无法快速获取专业知识而导致的车辆维修困难问题,减少了车辆停机时间。同时,有效减少了专家外派异地而产生的出差费用,提高工作效率的同时,间接减少了交通出行产生的碳排放。

  在物流仓储场景,将AR技术引入现场管理体系中,员工通过语音控制确认货物信息,减少了手动操作带来的失误,实现了分拣流程规范化。某头部快消品牌在其28个国家和地区的仓储物流现场使用了AR技术解决方案后,生产效率提升了6%~8%。

  3、设备运维

  在设备运维方面,工业元宇宙也开启了全新的设备运维工作方式。国内,宝武钢铁与AR企业亮风台合作,针对多岗位协同作业场景信息交换不通畅所造成的信息滞后与延时情况,打造了“AR智能运维系统”。通过关联设备的数字信息可视化,精准远程协作、高效记录管理过程,在保障数据安全的前提下,有效提升了作业现场的信息交互能力。

  4、产品测试

  对于应用标准高、测试要求复杂的产品,工业元宇宙能够提供虚拟环境以开展试验验证和产品性能测试。通过虚实结合实现物理空间和虚拟空间的同步测试,更加直观地感受产品的内外部变化,提高测试认证效率和准确性。例如,相对于民用消费级芯片产品,车规级AI芯片由于工作环境多变、安全性要求高等因素,功能设计复杂,其研发、测试、认证流程十分严苛,需满足多项国际国内行业标准。工业元宇宙可为车规级AI芯片提供虚拟测试空间,工程师可以用较低的成本对车规级AI芯片进行测试,也可以模拟和体验搭载AI芯片的自动驾驶汽车,提高车规级AI芯片的测试、认证效率。

  5、技能培训

  工业元宇宙能够有效提高教学培训效率,为高等院校、企业等组织提供培训学生、员工专业技能的虚拟设备,让学员更加直观地操作生产设备。同时,对于地震、失火等极端特殊情况,可以通过工业元宇宙平台搭建虚拟空间,供相关人员演习逃生路线和检验事故处理办法。

  6、产品销售

  在产品销售环节,元宇宙成为消费者交互参与的媒介。在产品销售的过程中增强产品展示的维度,让消费者更直观地感受产品,增加参与性,帮助企业触达用户。客户购买产品,核心是要满足某种需求。然而很多时候,客户的需求并不是确定的,因此就需要供需双方进行沟通。沟通内容既包括产品信息,也包括企业的生产能力、管控水平、价格成本等。

  企业应用信息化技术已经有了很多很好的案例,例如戚墅堰机车车辆厂针对上海铁路局领导查看新曙光动车组油漆方案图不满意,希望提供效果图的情况,联合浦镇车辆厂、某软件公司、上海电影制片厂设计并制作了效果图,获得了认可,推进了新曙光动车组项目落实。

  进入元宇宙时代,与客户的沟通,生产过程的管控,工业产品的应用服务越来越多地需要转向线上,因此工业企业需要积极思考,利用虚拟化技术,更好地展现产品,展现生产能力和保障能力,从而满足客户的需要,为企业赢得发展的机会。

  大众汽车通过空气动力可视化技术,将汽车空调吹出来的空气在车内的流动情况进行可视化,客户可以清楚地看到空调的空气从车的哪个位置吹出来、气流是怎么样运作的,用户有兴趣体验的话销售就达到了目的,增加了生意谈成的概率。

  06

  工业元宇宙布局资源图

  仅选取部分代表企业机构

  07

  工业元宇宙的问题与挑战

  工业元宇宙从概念的提出到如今成为一个较为流行的词汇,可能也就短短2年时间,2年对于一个行业发展来说是非常早期的阶段,甚至可以说还不成规模,因此免不了还有不少障碍需要跨越。

  首先,就工业元宇宙的供给端来说,目前的产品大多还是实验阶段,因为数字化的缓慢,很难做到全方位的数字孪生,毕竟没有真实数据的支持,工业元宇宙的实现程度会被大大减弱,其次,对需求端来说,大部分制造企业还停留在较为原始的生产方式上,这点反而需要工业互联网的接入来打好基础,否则快进到工业元宇宙只会出现"还没学会走路,就要奔跑"的节奏。

  回到元宇宙行业本身来说,不管是技术还是接受度都还处于早期,工具集依然还不完善,诸多企业的效用可能还需要时间来检验,因此并不适合企业的大范围普及。通过上面的描述,我们会发现工业元宇宙还面临着不少问题,但回归本质来说,其发展脉络与任何新兴技术都一样,既需要企业努力实践,也需要市场缓慢接受。而现在我们正处于这样的时刻,所以也必然会出现质疑与肯定这两种声音,但这才是市场真实的体现。

  附注:本文整理于网络,仅供阅读参考。

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