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元宇宙技术将搭起虚拟与现实之间的桥梁，让制造过程高度智慧化，元宇宙将让我们看到从工业自动化到智能制造的全部数字技术应用。 来源：新财富（ID：newfortune） 作者：孙道军（中国传媒大学经济与管理学院教授） 2020年，以脸书改名“元宇宙”为标志性事件，“元宇宙”成为快速发展的前沿赛道，媒体、游戏、文旅、教育等传统重虚拟空间行业纷纷入场，从价值结构到底层逻辑正在发生重大变化。那么，作为重现实空间的制造业，又将发生什么样的变化呢？新一代信息技术与先进制造技术贯穿于工业设计、生产、管理、服务等各个环节，赋能工业各环节、场景和流程，使工业企业达到降低成本、提高生产效率的目的，促进企业内部和企业之间高效协同，助力工业高质量发展，实现工业进一步向智能制造升级。 元宇宙与工业元宇宙 “元宇宙”是一个平行于现实世界、又独立于现实世界的虚拟空间，是映射现实世界的在线虚拟世界。虽然“元宇宙”至今还没有一个完全共识的定义，但有一点是确定的，即平行的虚拟存在不是目标，而是从虚拟维度赋予实体新的能量，催生线上、线下一体的形式，是现实世界的增强或替代。相较于其它数字技术概念，元宇宙有三个革命性的显著特点。 一是网络集成，在互联网基础上发展而来，是一个超级网络体，它通过多种网络技术整合来实现，比如移动互联网、5G、物联网、区块链和云计算等，是一个真正意义上的泛在网络空间。 二是虚实融合，虚拟和现实不仅形成明确的分工，虚拟的工作归集线上、现实的归集线下，而且虚拟与现实、线上与线下无缝衔接，一体化作业，突破所谓平行存在的理解。 三是人机协同，人工智能、机器人、数字人成为自然人的化身，代替人完成大量简单的、重复的，也包括一些危险的、高消耗的工作，相互依存、互相合作、协同进化。 因此，元宇宙不是一种技术，而是一组技术概念的集合，它基于互联网而生，是数字信息技术高度发展的产物。清华大学新媒体研究中心执行主任沈阳曾将元宇宙核心技术归纳为扩展现实、数字孪生和区块链，中国自动化学会专家咨询委员会孙柏林则认为元宇宙是一个更为复杂的技术体系，具有庞大工程科学需求的完整技术载体（XR、AI、LoT、云计算、区块链、数字孪生）。 元宇宙是在两个背景下出现的，一个是线下场景的数字化，主要体现在消费互联网领域的社交和娱乐上，另一个是产业和工业的数字化转型需求，也就是工业元宇宙。在消费领域，工业产品虚拟化达到可制造的水平，元宇宙强调沉浸感、真实感；而在工业领域，工业产品的虚拟化将达到可以实际生产的水平。 工业元宇宙不仅是工业加上元宇宙的概念，它是以扩展现实和数字孪生为代表的新兴数字技术与传统制造业成熟技术深度融合的新型工业形态，它综合应用扩展现实、数字孪生、区块链、物联网、云计算和人工智能等技术实现生产过程中的人、机、物、系统之间的无缝连接和有机协作，构建起覆盖全价值链、全生产过程的全新制造和服务体系，完成工业从信息化、自动化到数字化、智能化发展的全新过程。 虚实融合和人机协同展现工业的未来形态。工业领域，在工业互联网实现工业要素（人、机、物、系统）连接之后，关键就是要素之间的协作、自识别、自适应、自学习，创造工业企业数字化转型和升级的新动能，这是工业元宇宙的努力方向。工业元宇宙将覆盖工业产品的设计、生产、应用、服务全过程，促进实体工业高效发展。 工业自动化与智能制造 现代工业革命是以工业自动化为主线演进的，核心是减轻劳动强度、扩大生产规模和提高产品质量。20世纪40年代-60年代初，硬件数控机床技术发明，各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用，推动工业自动化向纵深方向发展；20世纪60年代中-70年代初期，软件数控系统出现并用于机床，工程设计软件开始用于实际工程的设计和制造，在单机自动化的基础上，各种组合机床、自动生产线出现，生产的批量规模大幅度提升，劳动强度减轻，产品生产周期加快；20世纪70年代中期-本世纪初，计算机集成制造（CIM）概念提出，自动化技术向广度和深度发展，分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体，各相关技术发挥整体最佳效能。 随着工业领域网络和通信技术发展，以及计算机硬件、软件的规范、标准化，车间层设备控制器和各种工厂系统大规模应用，工业自动化向深度集约方向发展。深度自动化产生节约成本效应，提高总产出和产品质量。同时，机器也会替代低技能工人，降低对低技能工人需求，减轻工业领域总体劳动强度。根据浙江省国有资本运营有限公司国资研究院陈赟的总结，工厂系统包括控制系统、 驱动系统、执行系统、反馈系统和输出系统。其中控制系统是工业自动化的核心大脑，主 要 包 括 PLC、 数 控 系 统（CNC）、IPC、DCS、HMI 等，是决定输出产品功能和性能的主要因素；驱动和执行系统包括变频器和伺服驱动设备，实现电力控制、机电一体化、工业自动化精密制造和柔性制造；反馈系统，以采集数据的传感与检测设备为主，是工业物联网的关键组成；输出系统是工业自动化末端应用部分，以机器人和数控机床为核心设备。 随着物联网、云计算、信息物理系统（CPS）和认知运算等后电脑时代技术在制造业和服务业环境中的应用，生产运营自主化、数据虚拟化、无线连接和物联网传感器，工厂系统因此拥有了从数据中学习的能力，一方面整个工厂变得更具智慧、更高效率和更少浪费，另一方面达到自我修复和生态协同学习状态，工业进入智能制造时代。智能制造不只是全面连网和机器学习，还提供交互串联且自动化的工作流程，能够提高生产品质，增加机器可用性，更能促成生产各部门、上下游合作伙伴和人员之间的合作和协同。 智能制造是制造思维的革命。传统的制造思维，从工业1.0到工业2.0、工业3.0，在其中起关键、起主导作用的一直是人，而工业4.0也就是智能制造则发生重大突破，由以人为主导转变为以机器为主导，它利用物联网、传感技术连接万物，机械与机械、机械与人之间相互沟通，将传统生产方式转化为高度定制化、智慧化和服务化，不仅可以完成大批量规模生产，更可以制造少量多项的产品，适应快速变化和高度个性的市场。除了生产过程的深度自动化和学习，智能制造系统也可以记录和采集各种数据，建立完整的工业大数据系统，通过大数据分析优化制造和服务流程，机器学习帮助企业创造巨大的竞争力。 根据国际半导体产业协会（SEMI）的总结，智能制造主要由智慧工厂、智慧生产物智慧物流三大部分组成。智慧工厂主要研究生产系统及过程智慧化，依靠边缘计算、人工智能、数据分析、传感系统，以及ERP、MES等流程系统，结合网络连结机械设备与人力，让制造流程最优化，将传统工厂从自动化向智慧化转型。智慧生产指的是应用网络、传感等技术，分析数据后建立一个从原材料、产品制造、企业经营、包装配送等自动化生产链。在生产过程中应用人工智能、3D技术和机器人，结合人机互动和协同，整体提升生产过程的智能化水平。智慧物流指的是以信息技术为基础，在物流过程中的运输、仓储、包装、搬运、加工、配送等环节，建立传感系统、数据分析、即时调整，也通过网际网络、物联网、物流网，整合物流资源，让物流自动化、网络化、可视化、即时化。 元宇宙赋能智能制造和数字企业 整体而言，元宇宙技术将搭起虚拟与现实之间的桥梁，让制造过程高度智慧化，元宇宙将让我们看到从工业自动化到智能制造的全部数字技术应用。自从低成本的传感器出现后，那些曾经冷冰冰的机器设备、原材料和生产车间就有了生命，制造商利用数据储存、大数据分析、智慧型装置和云端技术，不仅能即时且细致地监测各个设备、人员、供应商、加工线和制造厂，而且这些设备、人员、供应商、加工线和制造厂可以映射到数字世界，打造孪生数字虚体，原本由人在现实世界完成的工作，由数字虚体在虚拟世界自主完成，大大节省时间、资金和精力，降低现实生产的误差率。 元宇宙通过网络集成、虚实融合和人机协作优化生产流程，催生线上线下一体化作业。根据TIBCO对智能制造成熟度的分析，元宇宙至少可以在五个方面对智能制造赋能。一是提升人类和工厂的互通性，低成本传感器和处理器，以及5G通信技术的发展，信息物理系统深度融入生产各环节，让人类和工厂互相连接和无缝沟通；二是实体工厂的虚拟映射，将传感器数据与虚拟工厂模型和模拟模型串联起来，建立工厂的虚拟副本，实现工厂的数字分身，在虚拟世界进行反复模拟和试错后再进入现实世界建设或运营；三是生产的去中心化，在3D打印等柔性生产技术和信息物理系统自行决策能力的支持下，实现在当地生产，满足市场个性化的定制需求；四是敏捷响应能力，客户关系管理系统随时收集和分析市场需求数据，并立即提供有针对性形成相关建议和解决方案，抢占用户先验认知并获得心流驱动；五是强化服务主导的业务逻辑，通过服务网络（IoS）提供各项服务，并开放给所有参与者使用，形成价值共同体，推动价值共创。 元宇宙赋能智能制造的探索刚刚起步，可用的具体路线图虽然还远远没有明确，但发力的领域是基本可以肯定的，制造业无论怎么发展都离不开四个要件，即工厂、流程、商业和客户。高度智能化的制造流程由包括单站自动化系统（SSC）、自动化装配系统（AAS）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIM）和可重构制造系统（RMS）等系统支撑，这些系统的模拟建设、应用、跟踪和优化将是元宇宙发挥作用可预期的关键领域；商业模拟，每一个产品除了生产的技术和工程，重要的就是市场可行性，即是否有竞争优势和市场需求，数字人在Gucci小镇上畅游，试用数字虚拟产品，当他们发现自己的最爱，就会下单，随后孪生的自然人就会在线下收到实体产品，这就是基于商业模拟建构的全新商业链路；客户参与和价值共创是元宇宙赋能智能制造的另一个关键领域，智能制造时代，商业模式从B2C走向以客户需求为起点，市场个性化，生产分布式，多样少量C2B生产与销售，让客户回流，这需要累积大量消费者数据，分析了解客户习性、预测客户需求，除了完整的商业链路和触点管理记录认知、购买和消费轨迹外就是建虚拟空间，人们在这里设计他们想要的东西和生活方式，或基于心流体验给出确定的反馈。 Lichtblau等人在IMPULS报告中提出了一个准备度模型，即中小企业迈向智能制造需要六个级别的准备，包括组织战略、智能工厂、智能运营、智能产品、数据驱动服务和拥有数据技能的员工，这是工业元宇宙建设的基础目标，为我们探索元宇宙赋能智能制造提供了一个路径参考。（1）组织战略准备，企业首先需要在战略规划和控制体系上由传统的人员主导向机器主导转变，以满足智能制造的组织需要，这将是一种由机器高度参与的虚拟组织形态；（2）智能工厂形态准备，包括数字建模、设备基础设施、数据使用、IT系统、3D打印系统、微生产系统，实现分布式、高度自动化的生产，这里模拟工厂、无人工厂、黑灯工厂都是基本形态；（3）智能运营准备，借助信息共享、云图使用、IT安全、自主流程建设，实现实体世界和虚拟世界的全企业和跨企业集成；（4）智能产品准备，通过自动识别、本地化、自我报告等ICT的附加功能促进自动化、灵活、高效的生产管理，以及创建新的数据驱动服务；（5）数据驱动服务准备，通过提升数据驱动服务的可用性、数据驱动服务产生的收入份额和使用的数据份额支持数字化虚拟运营效率和收入流；（6）数字技能员工的准备，借助虚拟仿真实训系统，开展员工认知建设、意识升级和技能训练，适合智能制造的战略和组织文化等。 普华永道的Geissbauer等人在针对工业4.0的调研中所归纳的“数字企业”七个战略维度可以为我们探索元宇宙赋能智能制造提供了另一个路径参考，（1）数字业务模型和客户访问，即通过搭建数字业务模型，包括从数字化解决方案和单个应用程序到新的全数字旅程设计，让用户的访问不仅全旅程记录，还可以自主决策，沉浸其中；（2）产品和服务提供的数字化，从在线呈现到数字集成，产品和服务具备柔性组合、自动装配和重构能力，自适应客户旅程设计和管理；（3）垂直和水平价值链的数字化和集成，数字化和自动化子流程到完全数字化、集成流程，构建的是一个完整的数字虚拟空间；（4）作为核心能力的数据和分析，基于网络集成，从全渠道连接到完整数据采集、从基本分析到预测分析，建设完整数字空间数据能力体系；（5）灵活的IT架构，从每个单站内部分散的IT架构到一个完整生产线的数据湖架构，支撑从自动化装配到柔性制造、计算机集成制造再到可重构制造完整的智能制造系统；（6）合规安全、法律和税务，包括从传统的内部结构到优化价值链合规性的智能检查，智能问答、智能提醒以及人工智能合成的数字人辅助对话系统，让每一个自觉遵守合规安全、法律和税务要求；（7）组织，员工和数字文化，从筒仓到协作作为关键价值驱动因素，从个体到各部门和各子系统，相互依存、互相合作和协同进化，并积极规划生态系统方法。 元宇宙时代制造业的愿景和畅想 在讨论元宇宙与工业元宇宙，工业自动化和智能制造，元宇宙赋能智能制造和数字企业这些概念基础上，我们最后聚焦在元宇宙时代制造业的愿景，因为关乎到新时代，这至少是未来十年对竞争格局的重构。北京邮电大学教授吕廷杰教授认为，未来十年是社会经济系统数字化转型最为关键的十年，几乎所有的行业都将被重构。其中最核心的是基于Web3.0发展起来的第三代万维网，万物皆有身份，万物皆有数据，人人有权参与，将构建一个用户共创共建、共享共治的新型互联网生态系统，这是完整数字虚拟空间和虚实融合的技术基础和数据基础。 前述讨论告诉我们，工业元宇宙将覆盖工业产品的设计、生产、应用、服务全过程，从根本上改革实体工业的效能和发展模式，以下愿景是可以预见的。 1）客户参与的工业设计系统。工业产品的设计是一个复杂的过程，包括了功能、结构、材料、场景、电路、接口等诸多部分，称得上是一个复杂系统。而现代经济发展，个性化、客户定制化让这一系统变得更为复杂，需要客户和社会其它力量更为广泛的参与。元宇宙时代，数字技术和工业制造技术的集成应用将为这种设计系统创造了条件，在虚拟空间里客户可以自由参与并随心所欲自我表达，将内心需求转化为为想法创意，再将想法创意转化为生产，不仅可以考虑正常使用情况，还可以考虑一些极限或特殊情况，让设计更好符合外在多样性和内部标准。广泛的、大规模的客户思想和设计诉求得以采集、评估，以及从技术到工程和商业模拟验证，让设计更接近市场。 2）可预测的工业制造系统。从工业自动化到智能制造，制造过程全部数字化。元宇宙时代，我们看到的情景，一方面，越来越多的工作离开了人的参与，如全自动化工厂、黑灯工厂；另一方面，数字虚拟人与数字虚拟身份出现在越来越来多的工业企业和工业环节中；还有就是人机协同，人与机器不是简单地二元分离，而是一体化结合，即人与大数据、云计算、人工智能相结合。因此，传统由人主观主导的作业过程向由数据智能地理性主导的过程转变，具备了可预测的能力，制造过程的效率、成本、质量甚至客户满意度都是可见的，提高制造计划编制的精度、灵活性和控制水平。 3）工业产品应用达到一个更高的水平。元宇宙时代，人不仅是消费者，也是生产者，更是创造者。在元宇宙环境中，人们不仅可以根据自己的意愿和想象制订产品应用的目标，并针对应用过程进行完整的反馈，以及获得应用指导，正确、专业乃至超值地应用产品；还可以在应用产品过程中目标进行深度思考和调整，发现一些未曾想到的用途和资源，挖掘产品的潜在价值、附加价值和条件价值，获得超期望的回报；如果在产品应用过程中，产生一些产品优化创新的想法，也可以将这种创意表达出来，通过元宇宙集成网络系统，连接企业内部、企业供应链，乃至全世界的相关人员，并且可以利用扩展现实可视化等技术实现展现、交互、交流，从而更好地认识、评价、改进、创新工业产品，或者说对产品进行不断改进，促进个人、产品、企业迭代式发展。 4）服务超越产品成为整个工业的主导。元宇宙时代，工业品不再是冷冰冰的物体，而是有温度的价值传递，传递过程将会更加注重人的感觉和体验，产品的应用设计也将结合人的能力、行为和心理，使产品更符合人的需求。元宇宙时代的工业产品，不仅可以前端作业，而且可以有近端的大数据、人工智能、算力支持，远程的人员支持、控制、操作与管理，乃至基于整体互联网生态的数据、知识、智能迭代升级。元宇宙时代，工业产品的信息将发生巨大变化，从信息化到数字化，意味着信息更加精确，从定性到定量。信息的完整性、时效性、实时性也都将大幅提升，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沟通场景，更好的沟通模式，从而取得更佳的沟通效果。 参考文献 [1] 孙柏林.工业元宇宙—现实世界与虚拟世界互通的桥梁.计算机仿真，2022 ,（7）：1-7 [2] PWC 2022年数字化工厂转型调查，2022，（6），https://max.book118.com/html/2022/0817/7044011102004154.shtm [3] 陈赟.促进我国工业自动化行业发展的思考.中国国情国力，2022，（8）：11-14 [4] 谢 杰， 过重阳等.最低工资、工业自动化与技能溢价.中国工业经济，2022,（9）：102-120 [5] SEMI TAIWAN，工业4.0大全，从浅到深一篇搞懂它！2019-01-13 [6] Sameer Mittal,, Muztoba Ahmad Khana , David Romerob , Thorsten Wuest. 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