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作者：彭昭（物聯(lián)網智庫創(chuàng)始人&云和資本合伙人）

物聯(lián)網智庫原創(chuàng)

導讀

元宇宙，這個詞誕生的意義可能大于一切，大于任何對她的解讀。元宇宙，無疑是顛覆式創(chuàng)新的集大成者，我很希望元宇宙能夠遍地開花，扎扎實實的在各行各業(yè)展現(xiàn)她的魅力。于是，我開始了這本以元宇宙為主題的書籍的寫作，和以往不同的是，這次你可以一起加入，方式詳見文末。

工業(yè)+元宇宙

我們一起來看看全球知名的飲料企業(yè)和造車企業(yè)的做法。百威英博是全球最大的啤酒企業(yè)之一，共擁有200多家啤酒廠，15萬員工。自1995年進入中國以來，百威英博已經在中國布局了50多家工廠和5000多家渠道分銷商。這家企業(yè)還是各種新理念的積極實踐者，他們嘗鮮了各種新技術和新應用。

在百威英博構建的“元宇宙”中，融合了物理世界和數字世界中的多種元素，創(chuàng)造了一系列的變革性解決方案。在其中我們可以看到數字孿生、機器學習、混合現(xiàn)實、低代碼、精準定位…多種技術的疊加，以及由這些技術和系統(tǒng)的構建的組合應用，在交織領域開啟的全新想象力和創(chuàng)造力。

在生產過程中，百威英博為啤酒廠和供應鏈創(chuàng)建了一個完整的數字孿生。這套數字模型可以實時同步的反應物理環(huán)境的變化，映射出各種天然成分和釀造過程之間的復雜關系。釀酒師們可以更為精準的把握釀造過程，并且及時調整工藝。來自一線的操作員也可以根據這套系統(tǒng)，實時了解產品質量和狀態(tài)參數，保證設備的正常運行并進行預測性維護。

在操作中，百威英博利用深度學習，幫助包裝流水線的工程師，檢測和修復在生產過程中的各種瓶頸問題。維修過程中，百威英博在數字孿生的基礎上，疊加了混合現(xiàn)實應用，鼓勵各種遠程協(xié)作。員工在任何位置啟用共享體驗，促進了跨區(qū)域的有效知識共享。每個百威英博的員工都可以使用低代碼方案，擴展系統(tǒng)中的數據，跟蹤產品的生產歷史以及預測未來狀態(tài)。

在運輸過程中，百威英博通過位置追蹤和實時定位，減少供應鏈的碳排放。在零售端，百威英博通過在線服務，為雜貨店提供定制化推薦。個性化產品的點擊率提升近100%，訂單轉化率也提高了67%。元宇宙，讓整個世界變成了百威英博的創(chuàng)意畫布。

2022年初，韓國汽車制造企業(yè)現(xiàn)代汽車宣布與Unity簽署合作備忘錄，雙方將共同構建元宇宙數字虛擬工廠，并構建全新元宇宙發(fā)展路線圖和平臺。Unity提供跨平臺的2D和3D游戲引擎，知名的游戲包括《王者榮耀》《爐石傳說》《神廟逃亡》等。利用生產創(chuàng)新，現(xiàn)代汽車希望未來可以轉型成為一家智能汽車解決方案提供商。雙方將共同設計元宇宙工廠Meta-Factory，如果一切順利，現(xiàn)代汽車將成為全球第一家將元宇宙工廠概念引入汽車制造行業(yè)的車企。

市場研究機構IoT Analytics分析了近2500家美國上市公司在2021年第四季度的財報電話會議，其中1.7%的企業(yè)管理者提到了“元宇宙”這個關鍵詞，比上一季度上升了338%。其中不乏知名企業(yè)。比如工業(yè)互聯(lián)網企業(yè)PTC，在最近的資料和演講中，正在使用“產業(yè)元宇宙”來替換過去的常用術語，比如AR、VR或數字孿生。PTC公司總裁兼首席執(zhí)行官Jim Heppelmann在2021年11月的演講中提到：“最近你可能聽到很多關于元宇宙的聲音，我猜你可能希望看到產業(yè)元宇宙的現(xiàn)場演示。我們將展示五種Vuforia Spatial Toolbox技術…”是否要跟進元宇宙熱潮？對于這個問題，越來越多的企業(yè)給出了自己的解答。

提到工業(yè)領域的元宇宙應用，關鍵一步是將模型實體的結構化數據生成物理模型數據，這樣三維模型與設備的數據就形成了一一對應的一張映射關系表，諸如XML、JSON等標準格式化數據結構以被工業(yè)軟件領域充分利用。這時可以通過軟件編程的方式控制數據表中的字面信息變量進行如機器人關節(jié)的姿態(tài)調整，電機轉速的調整等。目前很多國內外工廠，則是利用數字化車間看板實現(xiàn)該功能，更多的是展示、監(jiān)控為主。

說到這里或許還是少了一些元宇宙的味道，當然工業(yè)領域也是可以讓制造升級，比如嵌入專家系統(tǒng)的AR系統(tǒng)，可以指導現(xiàn)場操作工人進行設備的養(yǎng)護、維修等工作，也可以利用5G的遠程通信技術實現(xiàn)遠程的技術支持，比如現(xiàn)場產線的聯(lián)機調試、組裝等工作，大大節(jié)約了時間、和專家成本。

而在工業(yè)元宇宙中工業(yè)數字孿生作為其關鍵技術之一，也是工業(yè)領域最先接觸并嘗試應用的一種技術，對工業(yè)企業(yè)降本增效，以及后續(xù)工業(yè)元宇宙的構建都起到至關重要的作用。

工業(yè)數字孿生的背景

工業(yè)元宇宙中最為關鍵的技術是數字孿生的發(fā)展與應用，數字孿生在工業(yè)領域主要通過3D交互，數據可視化和實時仿真幫助企業(yè)降本增效。在傳統(tǒng)工業(yè)領域，尤其是大型的先進制造企業(yè)，一般所用作生產的物聯(lián)網設備價格高昂，技術復雜，維護成本較高，技術人員的整體技術素養(yǎng)要求高。在人員培訓，設備維護，品質保障方面成本較高。而且隨著設備使用年限的增加，設備損耗加劇，時常會有突發(fā)性的設備宕機或引發(fā)不易發(fā)覺的品質問題為企業(yè)帶來較大的損失。人員對高精尖設備的不熟練維護效率低，不易發(fā)現(xiàn)的隱患問題時常導致較大損失?，F(xiàn)如今大多數工業(yè)企業(yè)主要運用精益管理生產方法，在數字化方面的探索尤其數字化管理方面相對薄弱，而元宇宙的發(fā)展帶動數字孿生AR等新興技術的成熟及應用，為工業(yè)物聯(lián)網企業(yè)帶去了新的數字化管理模式。

工業(yè)數字孿生的作用

在降低成本方面尤其針對智慧工廠，智能設備維修保養(yǎng)是最主要的成本，尤其設備突發(fā)故障使得產線長時間停產會導致企業(yè)重大損失，而設備的維修也是較大一部分成本。故而智慧工廠大都在推動預防性維護，旨在通過過程監(jiān)控的加強，設備參數的實時監(jiān)控與趨勢預測來達到預防性設備維護，減少突發(fā)性宕機造成的損失，同時有計劃的提前維修保養(yǎng)，可以提前統(tǒng)一采購備件，人員做好充分技術儲備，在人力物力上也能降低很大成本。工業(yè)數字孿生在預防性維護中所發(fā)揮的作用主要是，將整體設備及設備所組成的各個關鍵部件都以3D模型可視化的方式更直觀的展現(xiàn)在用戶面前，通過將設備實時數據與模型聯(lián)通，3D模型實時仿真可以提前暴露設備隱患。在維修計劃階段，技術人員也可以查看設備模型中各模塊的損耗程度來制定維修計劃的優(yōu)先級，并且提前查看需維修模塊的整體結構及技術資料確保高效率的維修。即使出現(xiàn)故障，也能根據設備模型的報警模塊，迅速找到實際設備的損壞模塊，快速維修或更換，確保生產線能及時恢復生產。

在提高效率方面，在工業(yè)領域主要有兩種，一種是通過提高人員的技術素養(yǎng)，提高人員的維修操作效率，解決故障的能力，從而縮短停產的時間，減少由于人員失誤造成的事故來降低成本，另一種是設備的優(yōu)化，通過優(yōu)化設備的性能參數，運動路徑，在延長設備使用壽命的同時，使得設備更加符合所生產產品的工藝條件，最大程度的提升產品品質。

工業(yè)數字孿生在人員技術素養(yǎng)提升方面主要有幫助用戶構建3D可視化的知識管理系統(tǒng)，隨時隨地的沉浸式技術培訓，以及3維動畫的智能助理和遠程專家技術指導。其中3D可視化的知識管理系統(tǒng)，主要是對設備和關鍵部件的數字模型進行分層式技術講解，并以動畫，技術報告，語音等多種媒體方式傳達該部件的作用，維修方法，注意事項，使得技術人員能更直觀易懂的了解所面對的設備和關鍵模塊，并將自己每次維修所總結的經驗更新至系統(tǒng)中逐漸優(yōu)化這個知識管理系統(tǒng)。在新員工培訓時也可以通過這個系統(tǒng)和數字孿生模型讓新員工身臨其境的體驗各種設備的維修使用方法，能夠極大的縮短新員工的適應時間。而在發(fā)生故障維修過程中，知識管理系統(tǒng)伴隨將來的AR技術能夠智能的為技術人員推送當前損壞部件的技術維修演示動畫，技術人員只需跟著動畫一步步操作即可，如同打游戲的新手引導，可以極大的縮短維修時間提高維修效率，同時避免由于經驗不足或遺忘導致出錯，造成不必要的損失。而在設備性能優(yōu)化方面，通過設備實時數據的反饋，在工業(yè)數字孿生模型中進行大規(guī)模的仿真，利用AI不斷的嘗試演練，可找出最佳的設備運作方案，應用到實際生產中，提升設備生產效率。

如何構建工業(yè)數字孿生

工業(yè)物聯(lián)網企業(yè)中主要有兩種，一種是為企業(yè)生產物聯(lián)網設備的設備廠商，另一種運用設備生產產品的生產企業(yè)。在這個兩種廠商中，設備廠商對自家生產的設備更為了解，從研發(fā)設計到最后組裝測試都有完整的技術儲備，而生產企業(yè)則更為了解自家生產的產品，對設備了解并不太過深入，主要是對設備運用和維護方面的了解，但生產企業(yè)相比設備廠商所管理的設備更多且成體系，從整個工廠角度管理不同廠商設備所組成的生產線。

在數字孿生系統(tǒng)構建方面，設備廠商可以做到更細分的建模和更細節(jié)的設備性能數據管理，小到一個零件的參數和作用，例如通用電氣的航空發(fā)動機的數字化管理，通過對每個零件，每個模塊的建模，傳感器方案的設計，實時數據監(jiān)測，能更加精細化的管理設備性能，預測故障的發(fā)生。數字孿生系統(tǒng)的建立，可讓物聯(lián)網設備廠商為使用設備的智慧工廠制定更加精細化的售后服務方案，提前供給設備備件和技術咨詢方案，更好的協(xié)助自身客戶保障設備性能。同時設備性能的管理可控性不僅能讓客戶對設備的質量放心，還有益于之后的升級改造，建立長期合作關系，并且在為客戶提供技術咨詢時，能更加準確的找到問題點，迅速的解決問題，而不是先做大量排查和溝通后才確定問題范圍，能為客戶減少由于設備故障導致的大量停產時間。

對于生產企業(yè)的智慧工廠而言，數字孿生系統(tǒng)的建立一般無法追求設備廠商那樣對單個設備足夠精細的數據監(jiān)控，智慧工廠主要是對各種不同廠商設備所組成的生產線或工廠的整體監(jiān)測與管控，整體產線各單元設備性能的穩(wěn)定是保障自身產品品質的基礎條件，智慧工廠基于設備廠商的知識經驗，保障整體設備的性能來服務所生產的自家產品。由于設備廠商對自身核心技術的保密，智慧工廠不太可能了解設備的所有細節(jié)，更多的是基于設備廠商的技術支持和自身長期的經驗積累，對設備由外到內的建設知識體系。

智慧工廠在建設數字孿生系統(tǒng)時會更加注重整體產線或工廠的性能，對單個設備更適宜于由外到內的模塊化監(jiān)控，單個設備的數字孿生體建立其深入層度雖然不及設備廠商，但基于生產和維修經驗可優(yōu)先將易出故障的模塊做重點監(jiān)控管理，由于整個工廠或產線的實時監(jiān)控數據量和復雜度要遠遠大于單個設備，這種單個設備由外到內，重點模塊化孿生體的建立與監(jiān)控，將有益于工廠迅速搭建起一個基本的數字孿生框架，后續(xù)再根據生產需求和維修經驗不斷填充與優(yōu)化，不斷打造更適合自身的工廠級數字孿生系統(tǒng)。

在建設數字孿生系統(tǒng)時無論是生產企業(yè)還是設備廠商在技術選型上都有對物聯(lián)網設備數據實時獲取和數據可視化的需求，數據獲取方面首先是設備廠商在設備研發(fā)時設計的數據監(jiān)控方案，但這些監(jiān)控方面并不能滿足不同類型生產企業(yè)的監(jiān)控需求，后續(xù)根據實際生產情況，生產企業(yè)再自行增加需求模塊的傳感器數據獲取方案，或邀請設備廠商進行升級改造進行定制，在保障設備性能數據實時監(jiān)控傳輸后，后面便是將這些數據通過數字孿生系統(tǒng)與構建的模型交互起來，便捷易懂的展示出來。

而如今在3D模型交互和實時渲染方面虛幻引擎比較強大，但其以客戶端形式存在，需要用戶先安裝客戶端才能查看，不夠便捷，不過隨著webRTC技術的推進，虛幻引擎也可以通過像素流的方式將3D內容發(fā)送到瀏覽器端查看，同時由于是視頻方式交互使得數據更加安全。還有一種是webGL那種基于游覽器展示3D交互模型的方式，可以實現(xiàn)隨時隨地查看，分享也足夠便捷，但其也有缺點，就是模型不夠精細，比較適合那些對模型精度要求不夠主要對數據流把控的用戶。目前這兩種C/S和B/S架構是市場上主流的兩種數字孿生構建方式，隨著英偉達omniverse的發(fā)展，既能將虛幻和blender等軟件工具協(xié)同起來做數字孿生場景，又為其提供了人工智能，實時仿真的功能，把建模，渲染，人工智能優(yōu)勢都結合了起來，將把數字孿生推向更高階的發(fā)展，為產業(yè)元宇宙的到來提供了莫大的幫助。

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