2023工业元宇宙白皮书.pdf

1 20232023 工业元宇宙白皮书工业元宇宙白皮书 工业元宇宙协同发展组织工业元宇宙协同发展组织 工业和信息化部工业文化发展中心工业和信息化部工业文化发展中心 20232023 年年 1212 月月 5 前 言 工业元宇宙是利用虚拟现实、人工智能、区块链等先进技术构建的复杂先进的新数字化工业经济系统，它具有高度沉浸式的交互体验，将有效市场和高效生产结合，能够实现工业资源的优化配置，推动工业的数字化、智能化转型。当前，全球工业元宇宙处于起步阶段，各国都在抢占先机。为了更好地把握工业元宇宙的发展机遇，推动中国工业的转型升级，在工业和信息化部工业文化发展中心的指导下，工业元宇宙协同发展组织撰写了2023 工业元宇宙白皮书。本白皮书充分参考了国内外相关研究成果和案例，结合编写组对工业元宇宙的理解，从工业元宇宙的概念内涵、核心技术、产业应用场景、机遇挑战、人才及法律法规等方面的趋势进行分析，以期为政府、企业、研究机构等提供有益的参考和借鉴。由于产业发展尚处初期、编写时间有限等因素，内容或有疏漏，敬请谅解。期待与读者共同探讨、共同成长，共同迎接工业元宇宙的美好未来。I 目录 第一章第一章 概念内涵篇概念内涵篇.1 第一节第一节 从风洞到工业元宇宙从风洞到工业元宇宙.1 一、发展背景.1 二、工业元宇宙的内涵定义.7 三、工业元宇宙的关键特征.8 四、虚拟仿真、数字孪生与工业元宇宙的关系.9 第二节第二节 工业元宇宙的体系结构与技术体系工业元宇宙的体系结构工业元宇宙的体系结构与技术体系工业元宇宙的体系结构.14 一、工业元宇宙的体系架构.14 二、工业元宇宙的五维技术体系.17 第三节第三节 工业元宇宙助推我国工业高质量发展工业元宇宙助推我国工业高质量发展.23 一、工业元宇宙与新型工业化.23 二、工业元宇宙与工业互联网.26 第二章第二章 核心技术篇核心技术篇.31 第一节第一节 新一代人工智能技术新一代人工智能技术.31 一、新一代人工智能技术发展现状与展望.31 二、新一代人工智能技术核心技术与技术特征.34 三、新一代人工智能技术在工业元宇宙领域应用和案例.40 第二节第二节 数字孪生技术数字孪生技术.43 一、数字孪生技术发展现状与展望.43 二、数字孪生技术核心技术与技术特征.46 三、数字孪生技术在工业元宇宙领域的应用与实现路径.50 四、数字孪生技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例.53 第三节第三节 交互技术交互技术.55 一、交互技术发展现状与展望.55 二、交互技术的核心技术和技术特征.58 三、交互技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径.61 四、交互技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例.63 第四节第四节 3D 引擎技术引擎技术.67 II 一、3D 引擎技术发展现状和展望.67 二、3D 引擎技术核心技术和技术特性.69 三、3D 引擎技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径.72 四、3D 引擎技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例.75 第五节第五节 区块链技术区块链技术.77 一、区块链技术发展现状和展望.77 二、区块链技术的核心技术和技术特性.79 三、区块链技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径.82 四、区块链技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例.92 第六节第六节 物联网技术物联网技术.95 一、物联网技术发展现状和展望.95 二、物联网技术的核心技术和技术特征.97 三、物联网技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径.100 四、物联网技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例.102 第七节第七节 新型工业技术新型工业技术.105 一、云化 PLC 技术与工业元宇宙.105 二、先进工控网络技术与工业元宇宙.108 三、具身智能技术与工业元宇宙.111 四、机器人化制造技术与工业元宇宙.113 第三章第三章 产业应用篇产业应用篇.117 第一节第一节 工业元宇宙在工业流程各环节的应用工业元宇宙在工业流程各环节的应用.117 一、工业元宇宙在研发设计环节的应用.117 二、工业元宇宙在工业生产环节的应用.123 三、工业元宇宙在供应链环节的应用.131 四、工业元宇宙在销售&服务环节的应用.138 第二节第二节 工业元宇宙在工业系统各层级的应用工业元宇宙在工业系统各层级的应用.143 一、工业元宇宙在工业系统-设备层级中的应用.143 二、工业元宇宙在工业系统-产线层级中的应用.150 三、工业元宇宙在工业系统-工厂层级中的应用.156 四、工业元宇宙在工业系统-产业链层级中的应用.162 III 第四章第四章 机遇挑战篇机遇挑战篇.167 第一节第一节 工业元宇宙的发展机遇工业元宇宙的发展机遇.167 一、工业元宇宙推动智能制造的全面升级.167 二、工业元宇宙助力新兴工业经济社会模式构建.170 第二节第二节 工业元宇宙面对的挑战与应对办法工业元宇宙面对的挑战与应对办法.175 一、聚焦核心技术创新与融合.175 二、配套并完善数字基础设施.182 三、创建工业元宇宙运行机制.185 四、培养工业元宇宙创新人才.188 五、推进完善元宇宙法律法规.197 参考资料参考资料.204 附录附录.206 1 1 第一章第一章 概念内涵概念内涵篇篇 2010 年以来，连普通大众应该都能感觉到，著名科幻作家刘慈欣在 三体中所描述的“技术爆炸”似乎正在发生：大量的新概念新技术铺天盖地地涌现云计算、大数据、物联网这些出现仅仅 10 余年的技术目前已经在我们生活中司空见惯，互联网+、区块链、虚拟现实、数字孪生也在快速渗入各行各业，而近两年进入我们视野的元宇宙、AIGC、具身智能则以风卷般的速度一日一更新地创造让大家瞠目结舌的全新体验。面对日新月异的技术发展，无论个人还是组织，都会手忙脚乱的思考该如何跟上技术浪潮。任何新技术的诞生都不是空中楼阁、凭空创造。面对新技术，我们不一定都需要从零开始系统掌握。洞悉技术的发展脉络与原理本质，便能在浪潮之巅看清产业前沿和应用落地的未来。对待本书聚焦的工业元宇宙也是如此。本章我们将剖析工业元宇宙如何从早期的风洞、实物仿真一步步经过数字化、网络化和智能化的历程发展到如今人机物有机融合的虚拟世界，以帮助从业者更好去理解工业元宇宙的内涵与特征，以及更好去结合工业的需求开展创新应用。第一节第一节 从风洞到工业元宇宙从风洞到工业元宇宙 一、一、发展背景发展背景 无论是风洞还是工业元宇宙，都离不开仿真的本质。“仿真”是人类对物理世界进行“模拟”的活动。“仿真”和“模拟”在英文中都对应“Simulation”，但在汉语中“模拟”偏动词，是指人类用一个系统模仿另一个真实系统的过程，早在三国时期的古籍中便已出现。远到我们古已有之的盆景盆栽和园林假山，近到现代小朋友喜欢的玩具赛车和娃娃布偶，都是人类通过建立模型对真实世界进行模拟的典型例子。而“仿真”偏名词，代表了这一系列的模拟活动，在我国航天部门最早出现并在 70 年代逐步推广至航空、军队部门并广泛在学术科研与产业应用中使用。仿真在工业界出现的最早形态是实物仿真，通过建立逼真的实物与环境模型对工业对象进行研究和使用，从而实现对难以复现的工业现场进行实验并减少返工迭代的时间与成本。风洞便是实物仿真的著名实例，以人工的方式产生并且控 2 2 制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并量度气流对实体的作用效果。相对运动的气流环境会让飞行器实物模型（实物样机）的各模块“误以为”正在大气中飞行，进而产生真实的空气动力学响应与控制动作，从而使得研究者可以在实际静止的风洞环境中开展低成本的重复性试验验证，提升最终实际航行的成功概率。随着三维转台等姿态控制系统的逐步成熟，驾驶模拟器也开始在航空航天、汽车船舶等工业部门出现，结合风洞/水洞的流体仿真系统，让飞行员/船员可以在仿真环境中逼真的训练对设备的驾驶操作，见图 1。图 1 驾驶模拟器 从风洞开始，仿真科学飞速发展成以相似理论为基础构建对象模型并开展运行时分析与评估的系统性方法，并在航空航天、汽车船舶、钢铁冶金等这类环境高危高热、场景难以复现、试验成本过高的工业领域中得到广泛深入的应用。随着 20 世纪 90 年代工业软件、计算机仿真等技术的逐步成熟，仿真从基于实物系统模型的实物仿真快速演进至局部、全局数字模型的半实物仿真/虚拟仿真，并逐步作为虚拟样机取代实物样机参与到工业产品的研发、试验、生产、销售和训练全生命周期中去，见图 2。3 3 图 2 数字孪生与虚拟样机对比 数字孪生是虚拟仿真向虚实交互发展的重要里程碑阶段。在具备物联网/工业互联网的实时工业现场数据采集能力之前，工业界的虚拟仿真多数还是事前的预先模拟和计算，如在飞机试飞之前反复虚拟试验来验证其飞行控制的准确性、在汽车实开之前预测其动力性能和续航里程，并不能够根据工业现场的实际情况来动态调整和实时计算，见图 3。机身模型机身模型（结构结构、气动气动、热环境热环境）机翼模型机翼模型（结构结构、气动气动、控制控制）尾翼模型尾翼模型（结构结构、气动气动、控制控制）引擎模型引擎模型（发动机发动机、气动气动、热环境热环境）起落架模型起落架模型（控制控制、气动气动、结构结构）指挥控制模型指挥控制模型（定性定性、离散事件离散事件）图 3 虚拟试验飞机 数字孪生正是伴随着实时数采能力成熟而诞生的新型虚拟仿真形态，基于传感器更新的实体数据来驱动数字世界从而达到仿真结论的动态修正和演进优化。智智能能虚虚拟样机机基基于于智智能能模模型型的的虚虚拟仿仿真真干干预物物理理世世界界数数字字孪生生基基于于传感感器器更更新新的的实体体数数据据驱动数数字字世世界界虚虚拟样机机数数字字孪生生对比比项系统建模方法、分布交互仿真、CAx/DFx、复杂系统工程、人工智能计 算 机 建 模 与 仿 真、CAx/DFx、传感器（网络）、工业网络/互联网基础技术将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，解决全系统、全生命周期中人/组织、经营管理和技术，信息流、知识流、控制流、服务流集成优化在计算机的虚拟空间中构建出与物理孪生类似的数字化映像，通过对物体实体传感信号的接入，实现模拟的环境感知和模拟决策核心目标数字化研发设计、虚拟仿真试验、虚拟装配和模拟操作训练故障预测与消除、设备资产管理、工艺流程改进典型应用 4 4 数字孪生是目前工业界应用虚拟仿真的主要形态。在可以预见的将来，多数工业产品都会同步交付一个产品数字孪生给到用户，不仅用于产品原理和功能性能的展示，更能在产品运行使用阶段提供产品监控与故障维护等多种基于预测性虚拟仿真的服务。关注元宇宙的人们通常会认为小说 雪崩 是元宇宙概念的起点，1992 年美国科幻作家尼尔 史蒂芬森(Neal Stephenson)便描述了一个“戴上耳机和目镜，找到连接终端，就能够以虚拟分身的方式进入由计算机模拟、与现实世界平行的虚拟空间。”然而我国“航天之父”钱学森老先生早在 1990 年讨论“Virtual Reality”中文译名的时候，便提出了“灵境”这一富有中国味的概念，通过数字化的仿真手段让人们如身临其境地去感知虚拟的世界，见图 4。通过前面对于仿真的讨论可知，无论是史蒂芬森的雪崩还是钱老的灵境，本质上都是希望让人能够在仿真的宇宙世界中逼真地去感知、交互和创造，最理想的境界甚至是让元宇宙中的人们像风洞中的飞行器一般“误以为”在真实的世界里面活动。5 5 图 4 钱学森老先生关于“Virtual Reality”中文译名讨论 如同工业互联网的虚实交互能力催生数字孪生一样，元宇宙的兴起和落地也得益于 VR/AR/MR、新一代人工智能、区块链/NFT、自然语言处理/NLP 等先进信息技术的成熟，让冰冷的工业仿真系统与人类用户之间的交互变得越来越自然流畅，让“人在回路”的人机物融合系统有了真正实现的曙光。2021 年初，游戏公司 Roblox 将“Metaverse”写入招股书，以“元宇宙第一股”的概念成功上市，成为了引爆元宇宙概念的起点。同年，Facebook 正式更名 6 6 为 Meta，高调进军元宇宙相关产业，将元宇宙热度推向新的高潮。一时间，元宇宙成为了时下最热门的话题，受到了空前追捧，被视为互联网科技行业的新一代“风口”，各大热衷于追逐新概念的互联网公司、巨头和资本争相入局，涌入元宇宙产业新赛道，见图 5。图 5 关于元宇宙话题的讨论 目前，产学研各界对元宇宙的理解角度大体分为两派：一派强调“崭新的虚拟世界”，在数字空间里构建新世界以虚促实，这在社交网络、游戏文创等领域较为多见；而在工业制造、城市建设等领域的元宇宙则更强调“人、虚拟世界、现实世界融合构成的宇宙”。作为工业领域元宇宙落实与拓展的积极参与者，我们对元宇宙的理解是后者观点。宏观地讲，元宇宙是综合运用数字技术群构建的人、虚拟世界、现实世界融合的场景系统。具体地讲，元宇宙是整合多种数字新技术群而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，是一种去中心化、用户沉浸式参与、数据资产可拥有/拓展、“虚实融合”的三维化互联网。也正是由于元宇宙的上述特性，包括中国航天科工集团、中国石油化工集团等工业集团都敏锐地洞悉到元宇宙能够为工业中的人机物深度融合提供全新的赋能，特别在“人在回路”的层面，让工业用户从以往的“数据观察者和结论接受者”变成了可以深度介入仿真过程和实时自然交互的“系统参与者和数据创造者”，进而适用于大量依赖专家定性知识、模型数据难以量化、人机交互复杂紧密的工业场景。2022 年下半年以来，以李伯虎院士为代表的工业学术界，以及以工信部/工业文化发展中心为代表的政府部门，均高度重视并大量投入于工业元 7 7 宇宙相关的内涵技术、产业发展和政策配套。二、二、工业元宇宙的内涵定义工业元宇宙的内涵定义 工业元宇宙的定义会有很多解释，李伯虎院士在世界元宇宙大会上给出基本内涵定义为：工业元宇宙是指在新发展理念指引下，在新一代人工智能技术引领下，借助新时代各类新技术群跨界融合，实现工业领域中“人、虚拟空间与现实空间”虚实映射/交互/融合、以虚促实、以虚强实的工业全要素链、全产业链和全价值链三链智慧、协同、开放、服务、互联的复杂数字工业经济系统，见图 6。图 6 工业元宇宙：人/虚拟世界/现实世界融合构成的复杂数字工业经济系统 具体来说，我们认为工业元宇宙有三层内涵：一是，是虚实共生、综合集成的新型工业数字空间，是工业现实物理空间与其虚拟平行空间的合集，通过对工业实体及生产过程的数字化映射、模拟，构建而成的新型数字化应用环境；8 8 二是虚实协同、全沉浸式的新型工业智慧互联网系统，使能工业互联网中新型数字化工业系统，人与机器、机器与机器、机器实体与数字虚拟体的全面智慧互联和互操作，使工业互联网中实体空间向虚体空间延伸、时空一致向预测性时间延伸和价值延伸；三是数字经济与实体经济融合发展的新型工业经济载体，对工业过程和场景的虚拟空间全面部署，实现虚实映射、虚实交互、虚实融合、以虚强实、以虚促实，促进数/实融合的工业高质量新发展。三、三、工业元宇宙的关键特征工业元宇宙的关键特征 工业元宇宙的六“新”特征为，见图 7：图 7 工业元宇宙的关键特征 新技术。新技术。基于新型互联网，在新发展理念指引下，借助新时代的 8 类新技术群，尤其是在新一代人工智能技术引领下，借助新网络技术、新信息通信技术、新智能科学技术及新工业领域专业技术等 4 类新技术群跨界深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术为支撑技术，将工业领域人、虚拟空间与现实空间中的工业全要素链、全价值链、全产业链(三链)智慧地连接融合在一起，提供虚实融合的智慧资源、智慧产品与智慧能力随时随地按需服务的一种新型智慧服务互联工业经济系统的一类新技术。新模式。新模式。一种虚实映射、虚实交互、虚实融合、以虚强实、以虚促实，工业全要素链、全价值链、全产业链(三链)“数字化、物联化、服务化（云化）、协同化、定制化、柔性化、绿色化和智能化”的去中心化的云边协同的智慧协同互联新模式。9 9 新业态。新业态。物互联，智能引领，数(据)/知(识)驱动，虚实融合，虚实互动，协同服务，跨界创新。新特征。新特征。对全系统及全生命周期活动中虚实融合的要素/流自主智能地感知、互联、协同、学习、分析、认知、决策、控制、执行与创新。新要素新要素/流。流。工业全系统及全生命周期活动中的虚实融合的人、技术/设备、组织、数/知、材料、资金（六要素）及人才流、技术流、产业流、数/知流、物流、资金流（六流）。新目标。新目标。支持工业系统数字化转型与智慧化升级，实现“创新、绿色、开放、共享、个性”制造产品及服务。四、四、虚拟仿真、数字孪生与工业元宇宙的关系虚拟仿真、数字孪生与工业元宇宙的关系 有部分学者认为，元宇宙的概念并不新鲜，只不过是“新瓶装旧酒”，与近年来火爆的数字孪生技术并无差别。在我们看来，任何新技术的诞生都不是空中楼阁、凭空创造。工业元宇宙与元宇宙、数字孪生、仿真以及与工业现实世界，都是一脉相承、密不可分却又各自侧重的关系，见图 8。工业元宇宙继承了仿真技术对“现实物理世界的逼真模拟”，也强化了数字孪生关注的“数据/模型”以及“虚实交互”，并充分吸收了元宇宙作为一种“人在回路”数字经济系统在自然人机交互、数字化资产以及社交网络等方面的特点，实现了对工业现实世界中六要素六流的虚实有机融合。图 8 工业元宇宙与元宇宙、数字孪生、仿真之间的关系 1010 在我们看来，仿真是一种模拟物理世界的技术，是以相似理论为基础构建对以相似理论为基础构建对象模型并开展运行时分析与评估的系统性方法，象模型并开展运行时分析与评估的系统性方法，将完整的物理机能与确定性规律相结合，根据当前边界与状态来计算下一状态。仿真具备两个关键性特征：一是相似性原理相似性原理。仿真模型必须在几何、功能、性能等方面与被仿真对象相似，对仿真模型开展的研究才足以表征被仿真对象的真实特性，从而产生有实际指导意义的分析预测结果；二是时间敏感时间敏感。时间相关是仿真计算区别于常规科学计算的核心特征。按照时间步长或者时序事件 step by step 逐步推演计算得到结果是典型的仿真过程，也由此会出现化学、生物等领域仿真中用于“慢放”转瞬间分子反应过程的欠实时仿真，以及工业、交通等领域仿真中用于“快进”预测未来生产过程或者拥堵情况的超实时仿真，见图 9。狭义来讲，传统的虚拟仿真技术多数是离线、前置的仿真，用于事前分析、预测物理对象的表现。当在工业互联网当在工业互联网等实时通信技术以及高性能计算能力的支持下，虚拟仿真系统可以实时接收现等实时通信技术以及高性能计算能力的支持下，虚拟仿真系统可以实时接收现场数据并同步计算反馈结果的时候，便演进到了虚实交互的数字孪生阶段场数据并同步计算反馈结果的时候，便演进到了虚实交互的数字孪生阶段。图 9 仿真关键性特征 数字孪生技术是在传统仿真技术上发展起来的一种整合多物理、多尺度、多学科属性，面向产品全生命周期过程，对物理实体的数字副本进行仿真、诊断及预测以接收来自物理实体的实时数据并更新的在线模拟技术。虚拟仿真技术是实现数字孪生诸多关键技术的核心部分，是数字孪生创建和运行的有效支撑。而相较于传统虚拟仿真技术，数字孪生具备的核心特性包括：一是虚实交互虚实交互。在工业互联网等实时通信技术的支持下，数字孪生在能够反映物理世界的同时，接收物理世界的实时信息反过来实时驱动物理世界，其本体与孪生体之间能够实现相互 1111 反馈和数据的双向传输，对比传统的仿真技术，数字孪生技术具有动态性和双向性；二是数据与模型驱动数据与模型驱动。数字孪生除了构建物理对象的相似模型来驱动仿真之外，还掌握大量实时现场数据，结合愈渐成熟的机器学习等新一代人工智能技术，可以实现数据与模型混合驱动的计算模式通过现场数据来训练与修正孪生模型进而达到更加准确实时的仿真结果。从实际应用来看，无论是传统虚拟仿真还是数字孪生，其模拟和研究的对象多数为设备、环境等物理系统，“人”多数作为系统用户对仿真结果进行观察和决策响应，本质上人并没有实际参与到仿真系统的具体计算和运行中去。尤其是工业场景，出于实时性和安全性考虑，“人”多数时候是观察者和决策者，并不在仿真交互的回路中。然而工业中存在大量人在回路的应用场景，如车辆驾驶中人的操作习惯对整体系统有决定性的交互影响、服装工厂中工人手工车缝效率与整厂产能间的关系等等。如何让人在回路的系统仿真更加准确有效、人如何让人在回路的系统仿真更加准确有效、人-物理世物理世界界-数字空间的融合交互更加顺畅自然，元宇宙技术的出现为上述问题的解决提数字空间的融合交互更加顺畅自然，元宇宙技术的出现为上述问题的解决提供了可能。供了可能。元宇宙的概念内涵众说纷纭，笔者也并不准备给出一个元宇宙的准确定义，但从工业产品全生命周期的视角进行分析，针对工业元宇宙的形成过程建立虚拟工业世界要素与现实工业世界要素的融合模型，元宇宙的如下几点核心特征为工业元宇宙的落地提供了一些支撑，见图 10：图 10 元宇宙的核心特征（一）人在回路（一）人在回路 人在回路是元宇宙之所以能够在 Meta、Robolox 等社交游戏平台大受欢迎的核心原因。通过 VR/AR 等虚拟现实技术以及 NLP、大模型等人机交互能力的支持，1212 会让用户在元宇宙的虚拟世界里沉浸式地体验和自然轻松的交互。这些特性在工业中同样适用。除此之外，在工业元宇宙中，人在回路更重要的是指工业人员能够通过人工智能模型、数字替身等智能体参与到从工业产品研发，一直到工业产品使用情况跟踪等各个阶段，并在相应的阶段发挥“人”的作用。这点特别体现在工业产品的设计和生产过程中。对于工业中所采用的人工智能模型来说，因为模型的智能是基于在大型数据集上的上万次训练，这很容易使得智能模型对特定数据集产生依赖，并由于工业环境的复杂多变、工业数据的实时大规模更新等原因，会使得人工智能模型产生偏差，从而极大地影响生产效率，甚至可能引发大规模工业事故，所以通过“人”让模型顺应环境等其他多变因素具备一定的可行性。不仅如此，由于智能模型在工业上应用的保守性，有些工业生产人员是通过视觉、嗅觉等其他人体感官经验去控制一些工艺的启停，这样能够大大降低生产成本。例如，一些冶金行业人员根据炉内的焰火等其他现象判断炉内的熔炼情况，这比一般的人工智能模型更加高效和划算。（二）数字化资产（二）数字化资产 NFT/数字化藏品在元宇宙的很多应用中扮演了重要角色，但其本质上是通过区块链、NFT 等加密技术让元宇宙中易于拷贝复制的数字化内容变成可唯一定义价值并且交易的数字化资产。特别是将跟人/动作紧密相关的行为经验转换为价值好和可流转的数字资产。举例来说，在烹饪方面，同样是扬州炒饭，五星级大厨用同样食材炒出来的菜肴通常都要比普通人炒的要美味许多。这种技艺和经验不是简单通过菜谱就能记录与复制的，而且要学习大厨炒制的动作窍门以及火候调料的精髓。这些内容配合元宇宙中动作捕捉、NFT 等技术，就可以相对容易地将大厨的细微操作进行有效记录并唯一化定义，从而形成可传播、复现甚至交易的元宇宙菜谱。对应地，在工业实际应用中，涉及大量工装操作、工序调度的工艺流程也是工业中十分重要的一环，且很多企业将自己的工艺流程转化为一种专利技术，虽然同样工业产品在外观上可能一致，但是不同的工艺流程对产品的成本、质量和寿命等方面有极大的影响。所以，为了打造出工业产品在工业元宇宙中的唯一数字替身，并且将对应的工业知识软件化，就需要将工业产品的制造过程作为产品 1313 唯一标识的一部分。此外，与现实的工业世界不同的是，工业元宇宙强调去除“中心特权”。从金融的角度上来说，区块链、NFT 等技术能够提高金融安全性和透明度，释放流动性和增长机会，并支持一体化和标准化的经济体系。从产业角度上来说，去中心化能够防止垄断，增强企业的科技创新能力。（三）社交网络（三）社交网络 现实世界中的工业是一个十分庞大的经济体系，其中很多工业环节如联合研发、工艺会签、协同操作等，往往需要以团队协作的方式参与。例如在工业产品研发时，身处异地的工作人员可以通过自己的数字替身进入工业元宇宙与其他数字人开展实时讨论并进行 3D 建模和仿真，解决了人员在线沟通效率低下、产品试制周期长等现实问题；在工业产品制造时，利用数字孪生等技术使得员工可以在工业元宇宙中执行沉浸式的质量管理和人工调度等任务，有效提高了人员的操作和管理效率；在工业产品销售和服务时，员工能够在远程沉浸式地为客户提供高质量的使用指导与维修服务，降低了工业产品的维护成本；在企业内部管理时，企业人员可以在工业元宇宙中创建内部虚拟会议室等，在其中进行沉浸式的交谈，解决企业内部的矛盾，提高企业管理效率。同样，对应在工业元宇宙中，各类工种通过数字替身连接在同一个虚拟空间中相互交流与协作，完成自己的工作任务。类似的连接还体现在客户方与服务方之间，客户可以连接至工业元宇宙中沉浸式的参观工业产线，之后再根据自己的需求寻找合适的乙方，实现精准对接。工业元宇宙即元宇宙相关技术在工业领域的落地应用，则主要强调人在回路这一核心理念对现实工业空间场景（如研发设计、生产制造、营销售后等环节）进行复现。在工业元宇宙中，除了能够为人们提供工业场景的沉浸式体验外，还能够帮助企业将全生命周期中的工业流程转化为专利技术以打造数字化藏品，发挥虚拟世界的去中心化优势以构建高度融合的新型社会网络。随着数字孪生技术在深度和广度上的不断发展，作为未来工厂的工业元宇宙也在多方面实现了虚实空间的协同联动。工业元宇宙的构建需要数字孪生技术的支持，其正常运行需要以数字孪生技术作为基础，依托数字孪生技术还原物理世界，工业元宇宙能够有效地实现数据和模型的混合驱动，连接物理资产和数字世界，全面部署现实工业环境的虚实交互。1414 第二节第二节 工业元宇宙的体系结构与技术体系工业元宇宙的体系结工业元宇宙的体系结构与技术体系工业元宇宙的体系结构构 一、一、工业元宇宙的体系架构工业元宇宙的体系架构 工业元宇宙是复杂先进的新数字化工业经济系统，其体系架构自下而上主要包括六个层次，即基础层、感知层、通信层、边缘层、云端层和应用层，见图 11。图 11 工业元宇宙的体系架构 首先，基础层以物理工业空间中的人、设备、组织/管理、数据/知识、材料、资金等工业六要素作为主要对象进行构建，为工业元宇宙中虚拟资源的封装与池化提供最底层的实体支撑。基础层不仅仅是对这六要素的静态描述，更是一个动态的生态系统，负责捕获和处理实体层面的信息，为工业元宇宙中虚拟资源的封装与池化提供坚实而可靠的基础。通过深度集成和互操作性，基础层的建设旨在打破信息孤岛，将实体层的复杂性转化为数字化的清晰结构，为上层层次的虚拟 1515 化和智能化奠定坚实的基础。其次，感知层通过人机交互技术、设备连通技术、虚拟组织技术、数据感知技术、原料接入技术和价值实现技术等各类技术与基础层的六要素一一对应，对基础层的工业六要素进行感知与接入。其中，随着技术应用的不断演进，感知层的人机交互技术不仅仅限于操作，还可结合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等技术，使得工业元宇宙的用户能够更直观、全面地与虚拟环境和虚拟设备进行互动；设备联通技术的深入应用则可将各类工业设备联结成一个有机整体，实现高效协同生产；虚拟组织技术可使得工业元宇宙中的组织与管理抽象化和虚拟化，帮助企业更加灵活有效地完成组织合作；数据感知技术可及时捕捉到工业环境中各个方面的数据，并通过先进的数据分析算法为生产决策提供支持，帮助企业实时监测和记录生产过程中的数据流动；原料接入技术可实现原材料的流动和库存状态的实时掌握，实现供应链系统的无缝对接，帮助企业实现智能化的供应链管理；价值实现技术可将工业元宇宙中的各项资源转化为具体的价值，实现虚拟化资源与实际市场需求的紧密衔接。再次，通信层完成工业六要素的接入，依托物联网、天地一体网、未来互联网等传输网络，将六要素的各类信息进行高效化传输，融合处理成为工业元宇宙中的虚拟化对象，例如，将基础层的人员抽象为虚拟人、将基础层的组织/管理抽象为虚拟企业等。通信层作为连接现实物理世界与工业元宇宙的关键纽带，为工业六要素之间的信息交流提供更为便捷、灵活和高效的方式。其中，物联网技术通过在人、设备、组织等工业六要素上部署传感器和智能设备，实现实时数据的采集和传输，为工业元宇宙的信息汇总提供基础；天地一体网通过实时的数据共享，实现全球范围内生产活动的协同推进，使得工业元宇宙中的不同实体可以跨地域限制进行合作；未来互联网高速、低延迟的特性进一步加强了通信层的能力，提高生产过程的实时性和灵活性，使得工业元宇宙中各要素之间的通信更加可靠高效。此外，通信层还可以通过优化传输协议、网络拓扑结构和数据压缩算法等技术手段，确保海量数据的快速传输，以为工业元宇宙中的各类应用提供充足的信息支持。之后，边缘层对虚拟后的六要素信息进行处理，该层能够为工业元宇宙中工业数据的智能化处理与实时传输提供各类边缘侧服务。然而边缘层的功能不仅仅 1616 局限于简单的数据传输，更是通过对智能化的处理和服务，使得工业元宇宙能够在本地实现更为灵活和智能的运作。例如，边缘层强大的实时数据处理能力，可以在数据生成的源头进行本地处理和分析，实时检测异常状况并采取及时的纠正措施，避免事故发生或提前预警，提高生产线的可靠性和稳定性；此外，边缘层利用边缘计算技术，将计算任务从中心云转移到距离数据源更近的地方进行处理，这样的架构能够减少数据传输的延迟，降低对云端资源的依赖。进一步，云端层作为工业元宇宙的智慧大脑，发挥着集中管理、智能分析和资源优化的核心作用。云端层对虚拟化的工业六要素进行封装和池化，形成人力、设备、产业、数据、原料、价值资源池，云端层将所有工业元宇宙资源抽象为各类服务提供给用户，满足用户根据实际情况按需获取的需求，以达到人-机-环境三者虚实融合的有机统一。它不仅是工业元宇宙集中管理的平台，更是一个智能化的数据聚合和处理中心，支持全系统生命周期的创新型应用，如产品设计、生产规划、供应链管理等，促进工业数字化转型的全面发展。最终，应用层面向整个工业元宇宙中的用户实现全系统生命周期的创新型应用，促进工业数字化转型。应用层主要面向于工业元宇宙的工业系统粒度和制造生命周期两个部分。其中，在工业系统粒度方面，产业链层的创新型应用关注产业链上下游之间的数字化协同。通过实时的供需链数据共享和分析，促进产业链中的企业协同制造，从而提高整体效率。企业层的创新型应用致力于企业内部的数字化转型，通过整合生产、销售和管理数据，实现企业内各功能部门的高效协同。车间层的创新型应用关注生产流程的智能化和柔性化。通过实时监测设备状态和生产数据，实现车间内各工站之间的协同工作。设备层的创新型应用通过设备的联网和自主决策，实现设备之间的智能协同。产品层的创新型应用致力于产品设计和制造的个性化，通过数字化的产品设计工具，支持客户参与产品设计，实现按需定制的生产。在制造全生命周期方面，在协同化制造模式下，应用层通过提供协同工具，促进整个制造生命周期中的合作和协同。服务化制造模式强调制造过程中的服务化和可配置性，可提供云服务平台，支持企业按需选择和配置生产服务。定制化制造模式注重产品的个性化生产，通过提供虚拟设计和模拟工具，使客户能够参与产品设计过程，实现按需定制。柔性化制造模式关注生产过程的灵活性和适应性，通过实时监测和分析生产数据，调整生产流程，适应需求 1717 的变化。社会化制造模式注重对外部环境的开放性，通过连接供应商、合作伙伴和客户，实现更广泛的信息共享和资源协作。智能化制造模式是整个制造生命周期的未来趋势，可通过嵌入先进的数据分析、人工智能和机器学习技术，实现智能决策、自动优化和预测性维护，推动整个制造生命周期的智能化转型。以上六层级之间环环相扣，关系十分密切，即下一层是实现上一层的基础，上一层则是对下一层功能的扩展，共同形成工业元宇宙的体系架构。该体系架构具有如下新特色：（1）在新一代人工智能技术引领下，以 AI 驱动的工业元宇宙中全要素链、全产业链、全价值链（三链）的智慧融合。（2）是边缘端与云端协同形成的新架构。（3）是以云计算、人工智能、大数据、新互联网、区块链、建模仿真等为代表的新通信技术与新工业技术的融合。（4）实现了全系统虚拟化和服务化，尤其是感知层、接入层、通讯层的虚拟化和服务化。（5）实现了以用户为中心的虚实融合六要素的智慧共享服务。（6）体系架构中的各层均具有新时代下的新内涵和新内容。实现了虚实融合、以虚强实，系统跨域的再创新。二、二、工业元宇宙的五维技术体系工业元宇宙的五维技术体系 值得指出，工业元宇宙尚处于不断演进与发展的阶段。我们认为目前的工业元宇宙技术体系是一个五维的技术体系群。包括整体架构子体系、支撑技术子体系、安全技术子体系、标准技术子体系、工业软件子体系，见图 12。1818 图 12 工业元宇宙技术体系（一）工业元宇宙技术体系的整体架构子体系（一）工业元宇宙技术体系的整体架构子体系 工业元宇宙技术体系的整体架构子体系，是在新一代人工智能技术引领下，包括工业元宇宙系统总体技术、智能产品专业技术、智能感知/接入/通信层技术、智能边缘处理平台技术、智能云端服务平台技术、智能产品设计技术、智能生产/装备技术、智能经营管理技术、智能仿真与试验技术、智能售前/售中/售后服务技术等，见图 13。图 13 工业元宇宙技术体系的整体架构子体系图 1 1.工业元宇宙系统总体技术工业元宇宙系统总体技术 包括新一代人工智能技术引领下的智能制造新模式、商业模式、系统架构技术、系统集成方法论、工业价值实现技术、系统开发与应用实施及水平与能力评估技术等。1919 2.2.智能产品专业技术智能产品专业技术 包括面向互联化、服务化、协同化、个性化（定制化）、柔性化、社会化、去中心化的新一代人工智能技术引领下的智能数字化产品专业技术。3.3.智能感知智能感知/接入接入/通信层技术通信层技术 包括新一代人工智能技术引领下的各类信息感知技术、意识交互技术、视觉输出技术、普适物联技术；传统的互联网、物联网、车联网、卫星网、天地一体化网、未来互联网、物理安全防护技术等。4.4.智能边缘处理平台技术智能边缘处理平台技术 包括新一代人工智能技术引领下的边缘资源、产品、能力/感知通讯虚拟化/服务化技术；服务化的边缘人工智能引擎技术、边缘智能制造大数据引擎/仿真引擎/区块链引擎；云边协同技术、边缘制造技术、边缘技术安全防护技术等。5.5.智能云端服务平台技术智能云端服务平台技术 虚拟化制造服务云端环境的构建/管理/运行/评估技术；智能虚拟化制造云可信服务技术；制造知识/模型/大数据管理、分析与挖掘技术；服务化的智能制造云端智能引擎/工业仿真引擎；新一代人工智能引擎技术、普适自然交互技术；智能化的信息技术引擎/工业场景渲染引擎；去中心化的工业价值引擎；平台标准技术、云端技术安全防护技术等。6.6.智能产品设计技术智能产品设计技术 包括面向群体智能的设计技术、面向跨媒体推理的设计技术、物理与数字云端交互协同技术、基于云计算的产品协同设计仿真技术/人机工程仿真技术、基于数据驱动与知识指导的设计预测、分析和优化技术、云 CAX/DFX 技术、智能虚拟样机技术、云设计标准等。7.7.智能生产智能生产/装备技术装备技术 包括智能工业机器人、智能柔性生产、智能机床、智能 3D 打印、面向跨媒体推理的智能生产工艺、基于大数据的智能云生产技术、基于群体智能的生产调度仿真技术/生产性物流规划仿真技术、云生产标准等。8.8.智能经营管理技术智能经营管理技术 包括基于数据驱动与知识指导的智能项目管理、企业管理、质量管理、基于NFT 的工业价值交易技术；基于大数据的智能云供应链管理、云物流管理、云资 2020 金流管理、云销售管理技术、云营销标准、云管理标准、商业安全、管理安全防护技术、面向过程的工业要素标识技术、去中心化体系构建技术等。9.9.智能仿真与试验技术智能仿真与试验技术 包括基于数据驱动与知识指导的智能建模与仿真技术、数字孪生技术、单件/组件/系统的智能试验技术；基于大数据的仿真与试验技术、智能仿真云技术、云仿真标准等。10.10.智能售前智能售前/售中售中/售后服务技术售后服务技术 包括基于数字孪生的虚拟运维技术；基于大数据的智能售前/售中/售后综合保