1、20问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)工业元宇宙应用初探与技术研究陈磊(汉威广园(广州)机械设备有限公司,广东广州510 7 0 0)【摘要】阐述了工业元宇宙技术在工业领域的应用现状、技术研究等,通过优化人机交互方式和体验、云-边一端泛在算力、数字李生体(人货场)打通多源异构数据等技术实现路径,为工业元宇宙增加更多可能性。【关键词】工业元宇宙;数字李生;多源异构Preliminary Study and Technical Research on the Applicationof Industrial MetaverseChen Lei(Hanwei Goyo(G
2、u a n g z h o u)Mechanical Equipment Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700)Abstract This paper expounds the application status and technical research of industrial metaverse technology in theindustrial field,and creates more possibilities to the industrial metaverse by optimizing the human-computer in
3、teraction modeand experience,cloud-edge-terminal ubiquitous computing power,digital twin(people,goods and space),and opening upmulti-source heterogeneous data.Key Words industrial metaverse;digital twin;multi-source heterogeneous1前言工业元宇宙是工业元宇宙技术与工业经济深度融合的新型基础设施应用模式和工业生态。通过打造与现实工业经济映射和交互的虚拟世界,构建起工业产品
4、全生命周期的虚实共生、企业和消费者智能高效闭环下的全息智能制造、智能经济体系,推动工业互联网走向更有效落地、更虚实融合的阶段。2工业元宇宙应用背景2.1工业元宇宙VS未来工厂3.0 的关系2.1.1未来工厂1.0 一黑灯工厂、无人车间从原材料到最终成品,所有的加工、运输、检测过程均无需人工操作,把工厂交给机器,利用工业机器人取代工厂人力,降低生产成本、提高生产效率。2.1.2未来工厂2.0 一全连接数字工厂利用物理模型、传感器实时数据、运行历史等数据,在虚拟空间中完成联动,反映相对应的实体装备的全生命周期过程仿真,优化产线运营效率、改善生产不足。2.1.3未来工厂3.0 一工业元宇宙落地形态之
5、一利用元宇宙及其相关技术,实现概念验证、产品测试、仿真运营等,将大幅度提升生产效率,减少试错成本2.2智能制造存在难点进人2 0 2 3年,智能制造发展基础和支撑能力明显增强,传统制造业重点领域基本实现数字化制造,有条件、有基础的重点产业智能转型取得明显进展。但工业互联网仍存在下列问题:2.2.1数据流动与融合问题(1)设备互联互通信息孤岛问题。一条生产线涉及大量不同的设备底层通信和数据交互协议等,要实现设备之间有效的数据流动和融合,难度较大。(2)在目前的人工智能发展阶段,对依托工业生产所产生的大数据进行智能化自动决策依然是有难度的。(3)工业互联网设备的专用软件难以通用,也是当前工业互联网
6、发展的一个较大瓶颈。2.2.2成本和安全问题(1)成本:涉及专业人员、数据中心、云计算等方面的成本。(2)安全:工业互联网的数据泄露和网络攻击风险等。21问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)(3)盈利模式仍需摸索。工业互联网行业标准多,各个制造业的垂直领域专业壁垒高,难以找到通用的盈利和发展模式。3工业元宇宙应用机遇到2 0 2 5年,智能制造支撑体系基本建立,重点产业初步实现智能转型。工业元宇宙将有效解决工业互联网存在的问题:3.1海量数据共建共享工业元宇宙建设初期,将会投人海量传感器和智能化设备,收集生产现场数据、企业业务数据、产业链数据、客户市场数据等,便于后期依
7、据现实数据构建虚拟世界。现阶段,数据孤岛等问题,除了受限于技术,还受制于工业各主体间信任和联动机制缺乏,区块链及智能合约等技术的应用将消除信任危机,推动各主体主动共享数据信息3.2算力普惠与隐私计算工业元宇宙同样面临成本问题,且集中体现为算力成本,主要依托于算力平台的集约化建设、服务化使用。网络安全方面则主要依靠隐私计算和区块链等技术的成熟应用。3.3数据确权与经济系统区块链等技术应用使得数据资产得以确权,成为工业元宇宙交易体系的基石,未来以数据资产为交付物,以数据价值为定价标准。4关键技术及实现路径工业元宇宙存在一条直接有效的技术实现路径,该技术路径应重点实现优化人机交互方式和体验、云-边-
8、端泛在算力、数字李生体(人货场)、打通多源异构数据等。4.1优化人机交互方式和体验工业元宇宙寻求自然交互模式。虚拟世界和现实世界的互动方式和互动体验的变革,是工业元宇宙区别于工业互联网的最显著特征。不同于以电脑、手机为载体的2 D式交互体验,现阶段的工业元宇宙用户将借助XR(包含VR、A R、M R)可穿戴设备,获得3D显示、实时互动、五感逼真的沉浸式体验,随着眼控交互、骨传导交互、体感交互、脑波交互等技术的发展,工业元宇宙最终将实现随时随地的自然交互,即通过使用人类自然的方式,如语音、面部表情、手势、移动身体、旋转头部等,完成操作(见表1)。表1工业元宇宙典型交互技术及产品类别VR(虚拟现实
9、)AR(增强现实)MR(混合现实)新型交互技术MR技术在AR的基础上更VR技术强调封闭式的虚拟世界,AR技术强调基于现实世界的设交互技术创新方向强调,让用技术进一步,可实现虚实实时交与现实世界联系较弱,更符合电子备、生产线等,提供解释信息、户更好控制设备,让设备更懂特征互,且虚拟信息和现实世界游戏特征。隐形信息可视化等功能。用户,使交互更自然顺畅。可以叠加。长期来看,VR技术并不适合工业相较AR,M R 技术更适用于相较VR,A R 技术更适用于与现眼控交互、骨传导交互、体元宇宙,但短期内,VR技术能用低时延场景和复杂场景,如适用实世界强交互的场景,如工业巡感交互、脑波交互、脑机接于与现实弱交
10、互的工业场景中,如远程协作、设备实时诊断、场景检、辅助维修、实操培训等,且口等技术成熟度较低,尚未应急演练、安全培训、虚拟场景构工业模型设计等,技术挑战典型应用案例众多,渗透率更高。进入规模化应用阶段。建等。较大。工业元宇宙场景中,虚拟信息和现实信息难以完全分离,呈现“实中有虚、虚中带实”的特点。据此3 5年内MR设备是最适合工业元宇宙的交互终端,当然不排除部分场景中VR、A R 设备渗透率更高,主要考虑到场景需求相关性和设备替换成本。从MR硬件和软件来看,都已有相对成熟的产品和落地案例,未来要在工业元宇宙中实现更大规模应用,技术改进方向主要有包括视场角、光学显示、人机交互,以及提高设备稳定性
11、、安全性、降低硬件成本以适应工业场景特点等。4.2云-边-端泛在算力算力是工业元宇宙运行的基础能源,支撑着数字资产运维、虚拟内容创作、用户体验等一切行为,算力技术成熟阶段能满足工业元宇宙设备无限量接人、时延趋近于零的要求。据有关资料显示,全球算力规模已基本满足元宇宙0.9的运行需求,从中国各行业算力应用分布来看,制造业算力占比仅4%,主要因为中国制造业整体数字化转型成熟度较低,企业缺乏动力自建算力,因此,短期内发展工业元宇宙还需要22问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)普惠型公共算力基础设施的支持。中国工程院刘韵洁院士在2 0 2 2 年全球6 G技术大会上指出:元宇宙
12、相关技术实现依靠超强算力,需达到AR/VR:3900、区块链:550 0、AI:16000(单位:EFLPOS)1级别算力以提供连续长周期、突发短周期智能服务。进入算力网络化阶段,云边端泛在部署架构将成主流。硅基芯片的单核算力上限和多核数量走向极限,呕需“网络化”算力补充。此外,由于网络带宽和时延限制(性能)网络带宽成本限制(成本),边缘算力需求旺盛,未来算力必将走向“云-边-端”泛在部署架构(见图1)。4.3数字李生体(人货场数字李生综合运用感知、计算、建模等信息技术,通过软件定义,对物理空间进行描述、诊断、预测、决策,在数字李生技术的驱动下,工业元宇宙中虚拟与现实的关系将经历“数字李生一数
13、字伴生一数字原生”三大阶段(见图2)。基于现有的技术认知,数字李生阶段,工业元宇宙局限于虚拟世界对现实世界的数字复刻,主要参照物为物理设备、生产线等;数字原生阶段,工业元宇宙可以摆脱现实世界的限制,塑造全新的数字世界;数字伴生承前启后,关键在建立起虚拟和现实间的双向链接。数字李生体是未来工业元宇宙基础资产的重要载体,是指在计算机虚拟空间存在的与物理实体完全等价的信息模型,可以基于数字李生体对物理实体进行仿真分析和优化,数字李生是技术、过程、方法,数字李体是对象、模型和数据。云端算力下载云数据处理上传数据缓存请求分布服务发布边边缘设备隐私保护请结请结请结求果求端口口T-采集设备采集设备采集设备更
14、灵活:带宽大、时延低、可满足不同量级的算力需求成本低:边缘设备与终端物理距离近,传输成本低图1云边端泛在部署架构数字李生数字伴生数字原生落地形态当前处于过渡阶段,瓶呈现出数据大爆炸的特数字李生工厂颈在于QT、IT 等数据尚虚拟工厂点,必须有性能强大的底未完全打通、AI数据模层芯片、网络设备、超算型缺陷较明显等中心等作为基础设施虚实关系以生产线、产品等物体为核通过5G或互联网,将生产线环境与产品数心,捕提形成李生商品或工厂据实时上传,通过AI与生产大数据在线融模型,完成对现实世界的合,模拟生产的最优解部署回现实世界中1:1精准复刻谊染+仿真AI优化能力硬件承载力核心技术描述诊断分析预测辅助决策应
15、用人员培训、远程维修、能源监工艺设计、产品研发、概念测试、设备逐步覆盖生产之外的环节、如商务谈判、合同场景控、数据可视化等预测性维护等签订,及后期的产品检测、运输、服务等图2 工业元宇宙发展三大阶段(虚实关系视角)当前数字李生体主要基于工业物理对象的全生命周期构建,有利于降低创新的试错成本,加快产品研发和迭代升级,但数字李生本身技术门槛较高且严重依赖于工业实时联动数据,因此应用场景有限,未来有望发展到以“人”为核心,构建全产业链、乃至工业实体经济的数字李生体。4.4打通多源异构数据多源异构数据融合是工业元宇宙价值落地的23问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)关键瓶颈。基
16、于工业领域AIoT场景应用的现状,工业数据呈现出“多源异构性”,即数据来源各异,数据种类复杂。在多源异构数据融合度较低的情况下,数字李生体相当于是简单的可视化模型,即便视觉效果逼真,实际应用价值也相对有限;在多源异构数据融合度较高的情况下,数字李生体将携带时空位置、规格、型号、供应商等信息,并实时加载动态运行数据,真正促进数据有效分析,为工业决策提供支撑,从而实现工业元宇宙价值落地。4.4.1多源异构数据融合难点(1)产品大数据融合难点。产品大数据是制造业数据的根源与核心。制造业范畴极广、体系复杂,产品种类庞杂且不断出现新品类,其融合难点在于,缺乏规范的产品大数据的定义与分类方法,导致数据处理
17、无据可依,大量数据成为无用数据。(2)物联接人设备数据融合难点。物联大数据是实现再制造业数据畅通流动的必要手段。在工业实际应用中,工业软件、高端物联设备不具备国产自主可控性,物联接入的高端设备读写不开放,形成设备信息孤岛,此外工业现场大量异构设备和网络也给数据融合带来了难度。(3)信息集成贯通难点。信息集成贯通是工业大数据的基础。集成贯通难以在于如何做到商业驱动、打通关键节点、掌握产品源头和设备参数、如何实现持续优化等。4.4.2多源异构数据融合解决方案(1)宏观政策引导。规范数据格式:搭建国家、行业、企业等不同等级的工业大数据平台,规划和探索建立挖掘工业数据价值的核心技术体系。完善数据治理:
18、推动工业数据分类分级管理,尽快构建起以企业为主体的工业数据分类分级管理体系。强化数据安全:开展加密传输、访问控制、数据脱敏等安全技术攻关,提升防篡改、防窃取、防泄漏能力。(2)企业数据管理。加快数据汇聚:实现研发、生产、经营、运维等全流程的数据采集,现场永夜设备互联互通,开放数据接口,实现数据全面采集。推动数据共享:与上下游企业积极加强数据合作,建立互利共赢的共享机制,打通产业链底层数据。深化数据应用:积极试点,开展数据全过程应用,用好各业务环节的数据,驱动智能制造,形成有益经验。5应用场景一生产设备运维管理生产设备运维管理的核心要素是设备和人。针对设备,工业元宇宙技术将进一步打通生产过程数据
19、、构建起集成多维度数据的设备李生体,并实施设备全生命周期管理;针对人,工业元宇宙技术将推动工业知识显性化、可视化,降低技术和知识门槛;针对人机协同关系,工业元宇宙技术将改善人机交互方式,保证各类人员高效获取准确有用的设备及相关深度信息5.1应用现状5.1.1设备(1)设备信息分布散乱。设备知识分散在不同数据库、电子文件、线下文档中,结构化水平低。(2)哑设备现象严重。大部分工业生产设备采用软硬件一体化分析系统,加上设备生产商各自采用的数据标准不一,造成设备采集的生产过程数据无法共享(3)预知性维护难度大。预知性维护是以状态为依据的维修,要求对设备进行实时状态监测和数据分析,目前大部分工厂难以实
20、现5.1.2人机协同(1)机器缺乏主动智能。目前人机交互以人输人指令、机器被动接受为主,人为错误难以避免。(2)知识技能壁垒高。针对机械结构复杂、工艺参数维度众多等类型的设备,其运维工作高度依赖专家知识,经常出现跨厂调配、一人多岗等问题。5.1.3人(1)管理者。骨干员工“人走知识去”,知识留存度低。(2)员工。遇到实际问题时难以获取数据,缺乏历史积累资料。5.2产生价值5.2.1设备(1)通过数据采集和监控等工具,将物理世界的生产过程数据和表现实现透明化,联动智能排产和视觉检测等,实现生产更有序可控,品质检测更标准统一。(2)通过采用设备预测管理系统,将实现设备数据化呈现,实现设备利用率和健
21、康管理智能可控,提高OEE和并降低生产成本5.2.2人机交互(1)X R 等终端设备成为人机结合、虚实融合的新一代智能界面,提供人与智能设备之间传24-上接第19 页问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)递、交换信息的媒介和对话接口。(2)在虚拟空间中,运维人员将不受地域限制,在生产设备出现问题时,能够实现远程实时确认设备情况,及时修复问题,甚至可以汇聚全球各地的专家,共同商讨解决方案,从而提高生产效率。5.2.33人(1)虚实数据实时同步,生产管理人员可以通过虚拟分身等随时随地及时获取生产、质量、订单等各种信息,提高管理响应速度和透明度,促进各部门间的知识共享和协作。(
22、2)一线生产人员将通过轻量化的AR/VR眼镜,随时佩戴并及时掌握生产数据,及时获取来自智能分析的决策提醒,实现远程确认问题并及时修复。6结语工业元宇宙是以工业领域细分应用场景的具体业务痛点为导向实现落地,并且落地效果好坏直接决定是否继续推行相关案例,相比较消费元宇宙的的梦幻畅想,工业元宇宙必须脚踏实地。在工业生产领域,元宇宙有可能引发前所未有的变革。参考文献:1】亿欧智库.2 0 2 2 中国工业元宇宙产业研究报告C.2022.(2 0 2 2-10-17 收稿)表1计算得出水分测定仪显示含水量烘干前氯化钠烘干后氯化钠次数蒸馅水质量/g氯化钠溶液质量/g实测含水量/%理论值/%表显/%误差/%
23、标物质量/g标物质量/g15.7420109.09785.712.5109.097394.7695.0094.64-0.1225.5809106.03685.5583106.036294.7695.0094.30-0.4335.143297.687 25.129 4101.670794.9595.0094.62-0.3345.069896.305 05.022299.422694.9595.0095.52-0.4355.561 1105.660 14.683 292.229 394.9295.0094.80-0.1265.5349105.15315.2211103.144594.9395.00
24、94.86-0.0775.6066106.52525.1081101.009094.9495.0095.350.4185.6926108.15875.015198.539094.9195.0094.19-0.7295.3908102.425.34.987296.838894.8595.0094.31-0.54105.5743105.91314.912493.391694.7495.0094.47-0.27参考文献:1国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会.GB6730.2-2018铁矿石水分含量的测定重量法S.北京:中国标准出版社,2 0 18.2中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T12087-2008淀粉水分测定烘箱法S.北京:中国标准出版社,2 0 0 8.3中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T211-2017煤中全水分的测定方法S.北京:中国标准出版社,2 0 18.4国家市场监督管理总局.JJG658-2022烘干法水分测定仪S.北京:中国标准出版社,2 0 2 2.(2023-06-10收稿)