从数字孪生到工业元宇宙的发展路径

文 | 本刊记者 姜红德

今年7月份，Meta（由Facebook更名）联合一家海外咨询公司发布了全球元宇宙白皮书。数据显示，到2031年元宇宙将会为人类社会带来超过3万亿美元的GDP增长，其中大约有超过30%的份额来自亚太地区。

元宇宙包括社区元宇宙、消费元宇宙、工业元宇宙等众多分支领域。工业元宇宙源于工业企业和产业数字化转型的需求，是数字经济高度发展的产物，涵盖了数字孪生、虚拟现实等多项数字技术。事实上，工业元宇宙离我们并不遥远——在云计算、大数据的潮流下，网络设备和传感器被广为应用，5G网络逐渐商用，为现实物理世界的基础设施创造数字孪生成为可能。用一句话概括一下，从数字孪生起步，工业元宇宙的未来世界版图正在逐渐开始明朗起来。

数字孪生加持下的“工业元宇宙”

元宇宙一词最早诞生于1992年的科幻小说《雪崩》，小说描绘了一个庞大的虚拟现实世界，这里的人们用数字化身来控制，并相互竞争以提高自己的地位，由此可见它描绘的是超前的未来世界。

按照百度百科的定义，元宇宙是利用数字孪生、虚拟现实等高科技手段进行链接与创造的，与现实世界映射与交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间。

近年来，科技行业提及数字孪生概念的次数越来越多，微软、西门子等企业都是它的忠实拥趸者。从专业技术的角度来看，它是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。在日常生活中，我们如果化繁为简，可以认为数字孪生就是根据物理世界的形状，在数字平行世界中搭建一个虚拟的模型，这个模型可以伴随实体的变化而变化。

2010年NASA在路线图报告中为“数字孪生”正式命名，并应用于阿波罗项目中对飞行中的空间飞行器进行仿真分析，监测和预测空间飞行器的飞行状态，辅助地面控制人员作出正确的决策。2017年，Gartner 将数字孪生列为十大战略技术趋势之一，也正是从这个时候开始，数字孪生概念被越来越多工业应用领域。2021年亚马逊科技云推出了IoT TwinMaker，它让数字孪生变得更加轻而易举，企业通过数字孪生反映现实世界的功能提高了运营效率并减少停机时间。

有了数字孪生技术的加持，“工业元宇宙”变得触手可及。2022年6月30日，西门子和英伟达计划连接开放式数字业务平台Xcelerator与3D设计和协作平台Omniverse，形成数字与现实世界精准映射的数字孪生，并将软件定义的人工智能系统从边缘侧连接到云端，这是两者合作的第一步。接下来，借助来自于西门子的基于物理世界的数字模型和来自于英伟达的将人工智能与自然规律相结合的实时仿真技术，双方将共同打造与工业元宇宙有关的各种应用场景。

西门子全球董事会主席、总裁兼首席执行官博乐仁表示，将映射现实、基于物理的数字孪生内嵌到工业元宇宙中，可以为人们创造一个可以交互、协作以解决现实世界问题的虚拟世界，从而为经济和产业转型释放无限潜能。他说，“通过此次合作，我们将助力不同规模的企业打造工业元宇宙。过去十余年里，我们的数字孪生技术已经帮助各行各业的客户提高生产效率；今天，西门子可以为产业提供综合全面的数字孪生。借助西门子Xcelerator与Omniverse的互联互通，我们将能够打造一个实时、沉浸式的元宇宙，连接从边缘侧到云端的硬件和软件，并从西门子软件和解决方案中收集海量数据。”

英伟达创始人兼首席执行官黄仁勋对此也表示，不同规模的企业能够借助实时运营数据应用数字孪生技术，打造创新的工业物联网解决方案，应用在边缘侧或云端分析得出的可行性洞见，并通过视觉更加丰富、更沉浸式的模拟仿真来应对未来的工程挑战。

可能落地的应用场景预测

数字孪生贯穿产品设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期，可以帮助制造企业优化运营，改善不足，开发新的经营模式，实现绩效提升。从被Gartner列入未来10大战略技术之一以来，数字孪生被用于越来越多的工业应用场景。

监控工业生产状态。通常制造业企业在信息化阶段已经上线了很多信息系统，可以帮助企业实现业务信息化，员工操作电脑化。进入企业数字化转型之后，系统除了要对数据进行采集和传输，还要对数据进行展示和状态判断，并提出相应的警告，这就需要通过数字孪生相关的技术来完成对工业生产的监控。例如：从2020年开始，网思科技开始和广汽集团进行交流，通过一年多的测试，最后与广汽集团旗下汽车厂签署了第一期数字孪生合同。具体的落地场景中就包括将生产车间完全实时展现在系统上。比如说总装车间里，每一条生产线上面的每一个机械臂、每一个零件的状态都实时投射在系统里面，从而解决了工程的巡场监控问题。

预测性维护与管理。在可视化的基础上，数字孪生系统也可以为工厂在数字化转型中全面分析及预测提供数据基础，实现设备的预测性维护和管理流程的数据治理，提升设备综合利用率和产品一次性合格率。

自动驾驶。通过数字孪生，可以实时监测到自动驾驶汽车周边的实际情况和它的运行情况。比如说一台自动驾驶中的汽车，它周边实时的情况、路况、车况、来往行人、红绿灯及天气，都会展现在监控大屏上面，从而为远程保证行驶安全提供基础。

随着3D工业引擎、人工智能、软件定义制造等技术的融合发展，数字孪生技术在实现虚拟化映射、落地场景应用方面常是多种模式混合，从而更全面地帮助企业实现向工业元宇宙升级。

上文提及的网思科技和广汽集团合作案例中，在完成生产状态监控的基础上，可以在第二层面解决生产管理的问题，在安排生产计划时，通过对各生产环节的运转情况、工作效率以及停机检测的时间安排等方面的数据分析，从而为生产提供最优安排。

2022年5月13日，海尔卡奥斯COSMOPlat重磅发布D3OS数字孪生产品。作为平台仿真力的重要体现，产品聚焦工业企业数智化转型，将通过提供数据智能和数字孪生端到端解决方案，助力企业打造可视、可管、可预测的数字孪生虚拟工厂，为优化生产经营流程、实现降本增效提供数据支撑的“工业大脑”。

在科技巨头纷纷布局“元宇宙”的背景下，数字孪生技术既是对平台数智化赋能能力的补充与提升，也为推动大数据、物联网、人工智能等“工业元宇宙”技术与工业场景的结合提供了新路径。

未来挑战与展望

根据新华社的有关报道，元宇宙是基于扩展现实技术提供沉浸式体验，以及利用数字孪生技术生成现实世界的镜像。从这一定义可以看出，数字孪生与元宇宙之间是相互协作的关系，数字孪生可以看成是工业元宇宙技术的一部分，而工业元宇宙是数字孪生发展的必然方向之一。

目前，数字孪生正处于发展过程中，还面临着多方面的挑战：首先，企业中有各种来源的各种实时数据，由于设备、系统多种多样，这些数据需要手动输入；其次，企业要为所有相关知识提供广泛的入口，将信息源之间的关系映射到物理世界。在工业元宇宙发展道路上还存在更多方面的挑战，但是这并不妨碍工业元宇宙的必经之路会是数字孪生平台，或者说数字孪生是工业元宇宙发展所呈现出的一种状态。

总之，工业元宇宙应该是智能制造的“未来形态”，通过赋能工业制造各环节、场景，使工业企业达到降低成本、提高生产效率的目的，实现智能制造的进一步升级。