工业元宇宙的关键技术、应用场景与前景展望

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2021年以来,“元宇宙”概念迅速升温,相关炒作与前瞻性探索不断涌现。在数字经济向虚实结合形态发展之际,结合工业企业数字化转型需求,工业元宇宙正成为行业探索与实践的热点。其中,数字孪生、物联网、数字设计与仿真、增强现实/虚拟现实/混合现实(AR/VR/MR)等前沿技术正不断发展,创造新的应用场景与用例,丰富工业元宇宙的内涵,有望为实体行业的生产与运作创造价值。

一、工业元宇宙的关键技术

工业元宇宙的实现路径可视为数字孪生技术与交互技术的结合。数字孪生技术概念起源于美国密歇根大学教授迈克尔·格里弗斯在2002年提出的“产品生命周期管理”概念。格里弗斯认为,通过物理设备的数据,可以在虚拟信息空间构建一个表征该物理设备的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。在数字孪生技术的基础上,加以AR/VR/MR等技术,有望实现真实世界与虚拟信息空间的结合。

在工业元宇宙业态迅猛发展的背后,若干关键技术正起到积极支撑作用。

(一)高速网络与算力基础设施

高速传输网络和算力基础设施是工业元宇宙的基础设施。工业元宇宙中将有大量数据的产生与流动,同时人工智能系统、图像处理系统都对计算机硬件有着较一定要求。在通信方面,低时延、广接入、高带宽的5G/6G技术和光纤网络等技术可保障数据的互联互通;在计算方面,高性能计算机、边缘计算设备和数据中心,将满足数据的处理和存储需求。

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图片来源:24Novembers

(二)工业控制系统

工业控制系统可实现工业生产、数据采集与过程控制自动化,其组成部分一般包括传感器、信息处理系统与执行装置,可以通过采集工业现场的数据,将测量数据与目标值进行比较,实现状态监测、过程控制、异动报警等功能。较大型的工业控制系统一般会用数据采集与监控系统(SCADA)来实现,或是由分散式控制系统(DCS)及可编程逻辑控制器(PLC)来实现。在监控端,工作人员一般使用组态软件实现信息读取和控制功能。工业控制系统目前广泛用于化工产业、制造业、发电厂、石油天然气提炼,以及电信业。

(三)计算机辅助设计与仿真

计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程分析(CAE)技术已广泛用于工程设计领域。CAD负责设计产品,CAE负责验证产品性能。现有的CAD技术已经从二维平面图纸、三维图形设计发展到能够对产品的材料与结构进行设计。设计人员可以创建包括外形、结构、功能和材质的完整虚拟模型。CAE以三维建模为基础,通过模拟产品结构、物理特性、运动学、动力学等方面的工作状态和表现,为产品功能、性能的可用性和可靠性提供依据,进而实现产品设计的优化。

结合人工智能与数字样机技术,计算机仿真技术已能模拟分析机器人、汽车以及生产线等较为复杂的产品、系统与环境。例如,英伟达公司在2023年美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上推出了Isaac Sim机器人模拟训练平台的2022.2版本。该平台基于英伟达的Omniverse工业元宇宙平台,是一款机器人模拟和合成数据生成(SDG)工具,能够在虚拟环境中训练机器人,可加速智能机器人的开发、测试、培训和部署。Isaac Sim的最新版本重点提高了制造和物流机器人用例的性能和功能,且支持将人添加到模拟环境中,可以提高机器人与人类协作的效率与安全性。

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机器人模拟训练示意图 

(四)人工智能技术

人工智能技术在工业元宇宙中的应用,有望促进更真实的数字化模拟,并实现更广泛的应用。机器学习模型可根据多重的反馈源数据进行自我学习,从而几乎实时地在数字世界里呈现物理实体的真实状况,并能够对即将发生的事件进行推测和预演。系统的自我学习除了可以依赖于传感器的反馈信息,也可通过历史数据或集成网络的数据学习,在不断的自我学习与迭代中,模拟精度和速度将大幅提升。

人工智能技术在工业元宇宙中的一项重要应用是预测性维护(Predictive maintenance)。预测性维护也称基于状态的维护,旨在通过传感器数据、历史数据等确定设备状态,并通过人工智能模型来预测何时需要做维护。这比日常或定期进行的预防性维护更节约成本,因为只在确有必要时才进行维护,具体的项目通常包括:数据收集与预处理、早期故障检测、故障检测、失效预测、维护计划、资源优化。预测性维护不仅有助于检测设备状态、有针对性地调整、维修,减少设备停车时间,也有助于改善生产率、达成即时化生产。

例如,美军与IBM、Uptake Technologies等公司合作,已将人工智能试验性地用于飞机、战车等装备的预测性维护,通过装备数据管理、人工智能分析,预测装备的零部件故障。

(五)图形显示与交互技术

工业元宇宙在操作和交互层面的实现,需要依托于图形处理、显示和交互技术实现。目前业界青睐的图形立体化显示以及数字化虚拟交互,需要通过图形处理技术结合AR/VR/MR技术呈现。

图形处理技术依赖图形引擎的生成与处理功能。目前图形引擎中得到广泛应用的有Unity、OGRE、OpenGVS、Vtree、OSG等。以Unity图形引擎为例,全世界所有VR和AR内容中有超过60%均为Unity驱动。其中的实时渲染技术可以应用于汽车的设计、制造人员培训、制造流水线的实际操作、无人驾驶模拟训练、市场推广展示等环节。Unity最新的实时光线追踪技术可以创造出更加逼真的可交互虚拟环境,让参与者身临其境,感受虚拟现实的真实体验。高清实时渲染配合VR/AR/MR设备,可以展示传统CG离线渲染无法提供的可互动内容。而且在研发阶段,实时渲染可以实现“可见即所得”,让开发者身临其境地进行设计、交互。Unity的各类解决方案可有针对性地面向和施工等各个行业,可以将作业图纸和信息转换成Unity 3D模型,支持在各种设备上以沉浸、互动的方式审查实时模型。

如今,随着企业数字化进程的加速,不少企业将AR/VR/MR技术运用于设计和生产环节,在汽车、运输、制造、建筑等工程领域拥有广泛用例。例如,西门子公司已经在其服务中结合VR技术,允许用户通过VR眼镜实现协同设计、产线检查等功能。

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使用VR技术检查产品 图片来源:西门子

美国波音公司在飞机制造的环节中运用了AR技术,使用AR眼镜的定位功能,帮助工人找到和更换用于不同部件制造的临时紧固件,从而改进了复杂的线路布局、检验工作,由此提高飞机生产的效率,使得767客机、KC-46加油机等机型的生产时间缩短了至多30%,每架飞机上节省的费用达数百万美元。

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波音公司将AR技术用于飞机生产布线 图片来源:波音

二、工业元宇宙的应用场景

工业元宇宙将覆盖从产品设计、生产、巡检、远程运维、经营管理等工业生产全链条环节,在工业领域的应用价值或远大于消费领域。

(一)研发设计协作

工业元宇宙的一大应用场景是协同设计,允许工程人员通过在线平台进行实时协作,共同设计、迭代和更改,从而简化工作流程。以美国英伟达公司于2021年底发布Omniverse平台为例。Omniverse是一个易于扩展的开放式平台,专为虚拟协作和物理级准确的实时模拟打造,其定位为“工程师的元宇宙”。创作者、设计师、研究人员和工程师可以连接主要设计工具、资料和项目,从而在共享的虚拟空间中协作和迭代。目前,该平台已支持Adobe、Autodesk等厂商的多款设计与工程软件的协作,有望变革艺术、工程设计等行业的工作流程。

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Omniverse平台 

(二)制造与建造

在工业制造和建筑建造行业,工业元宇宙有望发挥前所未有的潜力。结合5G/6G、物联网、人工智能等技术,对基础设施、工艺装备与作业过程等进行模拟和优化,可实现精细化管理与质量控制。工业元宇宙的应用场景包括:更改工厂车间布局以测试不同的配置,了解不同方案会给工人在车间内的移动带来哪些影响,并判断他们在移动机器人周围的安全性;检查来自传感器的数据,以确定振动的来源;通过查看虚拟物理模型状态,直观地找到故障的根源。

以宝马公司与英伟达开展的虚拟工厂合作为例。宝马通过引入英伟达Omniverse平台协调其31座工厂生产,有望将生产效率提高30%。

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宝马虚拟工厂示意图 图片来源:BMW

(三)物流与供应链管理

工业元宇宙在物流与供应链管理方面的应用主要在于模拟与分析,以优化物流周转的效率。通过网络服务连通世界各地的物流中心/工厂,实现供应链与物流信息的同步,随后建立包括物流环境、设备、货物种类、数量等要素的全环节模型,计算时间、效率及经济性,生成智慧化拣货与排单策略,以快速面对、弹性适应每天不断变化的订单需求。这种方式有望提高物流周转效率、降低成本,从而为企业创造更高利润。

三、未来前景展望

(一)工业元宇宙有望推动产业升级

2021年12月,中纪委网站刊文《元宇宙如何改写人类生活》,指出多重因素将促使元宇宙从概念走向流行,可为工业互联网等带来发展机遇。2022年11月,工信部工业文化发展中心发布《工业元宇宙创新发展三年行动计划(2022-2025)》,提出我国工业元宇宙发展的总体要求、重点任务以及保障措施。

凭借数字化技术赋能,工业元宇宙将使工业生产更协同、更高效、更安全、更智能、更精准,成本更低。根据集邦咨询公司(TrendForce)的预测,工业元宇宙将推动全球智能制造市场规模于2025年达5400亿美元,2021至2025年复合成长率达15.35%。

(二)国内外工业元宇宙发展各有所长

当前,国外企业在技术积累上更深厚,诸如英伟达、英特尔、微软等巨头企业的AI和行业数字化解决方案较为成熟,西门子、施耐德等企业在工业数字化方面的经验较为丰富。中国工业门类齐全,应用场景多,且国内科技企业的应用研发、落地能力较强,因此国内在工业元宇宙的应用场景方面可能更加丰富。

随着相关技术与解决方案的发展成熟,工业元宇宙的市场将不断扩大并产生规模效应,这对于广大工业企业,特别是希望借助新兴技术和商业模式实现数字化转型与效率提升的企业,是个良好的机遇。企业应当抓住工业元宇宙技术探索和场景创新的窗口期,结合企业自身与市场的实际情况,量力而行地选择适合元宇宙化的场景,进行探索和创新尝试,早日抢占技术制高点。

(三)相关标准建立仍需时日

由于工业元宇宙概念刚刚兴起,程序与系统接口、技术规范、可靠性认证、应用安全等方面的标准体系亟待构建。应充分结合信息技术与工业的发展状况,面向可互操作性、安全性、可靠性等实际要求,尽早进行标准制定与推广,进一步推动工业信息化向纵深发展。

根据《工业元宇宙创新发展三年行动计划(2022-2025)》的要求,行业与有关机构应逐步开展重点领域标准制定以及推动国际标准制定;整合检测资源,加强产品质量测试、安全评估、检验认证,确保智能产品和服务的可靠性、安全性,努力形成标准引领产业全面规范化发展的新格局。

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