豐江帆， 羅小波， 田 茂

（重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 重慶 400065）

0 引言

元宇宙概念通常被認(rèn)為源于尼爾·斯蒂芬森于1992 年發(fā)表的科幻小說《雪崩（SnowCrash）》[1]，然而，直至2021 年Facebook 更名為Meta 之后才逐漸演變成熱點(diǎn)。2021 年12 月，首屆中國(guó)元宇宙峰會(huì)通過社交媒體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直播，正式宣告了亞洲元宇宙時(shí)代的開啟。元宇宙建立在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、5G、人工智能（AI）和數(shù)據(jù)處理等新興技術(shù)基礎(chǔ)上，其核心理念是構(gòu)建一個(gè)沉浸式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該理念在推動(dòng)娛樂、電子商務(wù)、教育和工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展與應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用。

劉經(jīng)南院士認(rèn)為，虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合是新工業(yè)時(shí)代的重要特征。工業(yè)元宇宙能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬空間與物理空間的協(xié)同作用，將虛擬世界中的工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行全息展示，并跨越時(shí)空進(jìn)行聚合。同時(shí)，利用數(shù)字孿生、人機(jī)交互等技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中發(fā)揮作用。從工業(yè)系統(tǒng)的層級(jí)來看，工業(yè)元宇宙已經(jīng)應(yīng)用于設(shè)備、產(chǎn)品線、工廠和產(chǎn)業(yè)鏈等多個(gè)層級(jí)，助力企業(yè)降本增效，并服務(wù)于產(chǎn)業(yè)鏈管理和供應(yīng)鏈優(yōu)化。從交互和協(xié)同的方式來看，工業(yè)元宇宙是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通信技術(shù)的新形態(tài)和發(fā)展方向，將對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式和管理模式帶來深遠(yuǎn)的影響。

1 工業(yè)元宇宙的概念和特點(diǎn)

工業(yè)元宇宙是指在新的發(fā)展理念以及新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下，借助新時(shí)代各類新技術(shù)群跨界融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域中“人、虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間”虛實(shí)映射/交互/融合、以虛促實(shí)、以虛強(qiáng)實(shí)的工業(yè)全要素鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈（三鏈）智慧、協(xié)同、開放服務(wù)和互聯(lián)的復(fù)雜數(shù)字工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[2]。其內(nèi)涵可分為三個(gè)層次：一是新型工業(yè)數(shù)字空間，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)實(shí)與虛擬的綜合集成，數(shù)字化映射和模擬生產(chǎn)過程。二是全沉浸式工業(yè)智慧互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)新型數(shù)字化工業(yè)系統(tǒng)、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及實(shí)體與虛擬的智慧互聯(lián)和互操作。三是數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展，全面部署工業(yè)虛擬空間，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射、交互和融合，推動(dòng)工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[3]。

有別于消費(fèi)元宇宙中追求虛擬現(xiàn)實(shí)的酷炫效果，工業(yè)元宇宙構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景與對(duì)象對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)存在的物理系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)具有明確的組織、結(jié)構(gòu)、目標(biāo)與任務(wù)。工業(yè)元宇宙需要聚焦于虛擬空間中的活動(dòng)如何指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)降本增效、提質(zhì)節(jié)能和安全生產(chǎn)等業(yè)務(wù)目標(biāo)，還可以在研發(fā)設(shè)計(jì)中發(fā)揮想象力，進(jìn)行高頻試錯(cuò)和迭代。因此，工業(yè)元宇宙融合元宇宙、數(shù)字孿生、仿真技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)，構(gòu)建了一種全新的虛擬智能制造系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)與管理的各環(huán)節(jié)、場(chǎng)景、業(yè)態(tài)賦能，推動(dòng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。從應(yīng)用層面來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)工業(yè)系統(tǒng)與其他物理設(shè)備資源聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)元宇宙則進(jìn)一步強(qiáng)化物理世界與虛擬世界交互融合。

2 工業(yè)元宇宙對(duì)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響

工業(yè)元宇宙為工業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.1 工業(yè)元宇宙提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率

通過將實(shí)際工廠數(shù)字化，并利用虛擬仿真和智能化技術(shù)，工業(yè)元宇宙實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化和優(yōu)化。這種方式為企業(yè)提供了更高效的生產(chǎn)流程和精確的數(shù)據(jù)信息，能夠大幅提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬優(yōu)化，減少試錯(cuò)成本，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。此外，工業(yè)元宇宙還可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)分析，幫助企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整和異常處理，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。通過更高效的工業(yè)生產(chǎn)，企業(yè)能夠節(jié)約成本、提高產(chǎn)能，并更好地滿足市場(chǎng)需求。

2.2 工業(yè)元宇宙為企業(yè)提供了一個(gè)創(chuàng)新的環(huán)境

企業(yè)可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，加速創(chuàng)新過程，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。工業(yè)元宇宙還可以促進(jìn)不同企業(yè)之間的合作與共享，通過在工業(yè)元宇宙中共享資源和知識(shí)，企業(yè)可以更好地利用外部的創(chuàng)新能力和技術(shù)實(shí)力，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。例如，不同企業(yè)可以共享虛擬測(cè)試環(huán)境，共同研發(fā)新產(chǎn)品；企業(yè)可以通過工業(yè)元宇宙中的虛擬培訓(xùn)和演練，提高員工的技能和創(chuàng)新能力，為企業(yè)帶來了更多的商機(jī)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.3 工業(yè)元宇宙還推動(dòng)了工業(yè)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)

工業(yè)元宇宙作為一種數(shù)字化工業(yè)環(huán)境，能夠幫助企業(yè)在不斷變化的市場(chǎng)環(huán)境中更好地適應(yīng)和應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。工業(yè)元宇宙為企業(yè)提供了更多的商機(jī)和渠道，促進(jìn)企業(yè)與供應(yīng)商、合作伙伴和客戶之間緊密聯(lián)系、互信合作。通過工業(yè)元宇宙，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面優(yōu)化和資源的高效配置，從而提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)的效益和競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型。工業(yè)元宇宙也為企業(yè)帶來了更大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，幫助企業(yè)在全球市場(chǎng)中獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

例如，德國(guó)的機(jī)械零部件制造商布奈爾公司通過應(yīng)用工業(yè)元宇宙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化和數(shù)字化管理。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行精確的生產(chǎn)計(jì)劃和資源調(diào)配，大幅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)與供應(yīng)鏈合作伙伴實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)和信息，促進(jìn)了合作和協(xié)同，進(jìn)一步提升了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)的匯川技術(shù)通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全面智能化的生產(chǎn)和管理。在生產(chǎn)過程中，通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和柔性化的生產(chǎn)。工業(yè)元宇宙幫助匯川技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)跟蹤和優(yōu)化，提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。匯川技術(shù)通過工業(yè)元宇宙系統(tǒng)與客戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互和協(xié)作，提供更好的客戶服務(wù)和支持，進(jìn)一步提升了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

工業(yè)元宇宙作為一種全新的數(shù)字化工業(yè)環(huán)境，對(duì)工業(yè)經(jīng)濟(jì)具有顯著的影響。通過提升效率、促進(jìn)創(chuàng)新和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，工業(yè)元宇宙為企業(yè)帶來了更多商機(jī)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。然而，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)元宇宙的價(jià)值最大化，仍需要進(jìn)一步完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和保障數(shù)據(jù)安全，促進(jìn)工業(yè)元宇宙與現(xiàn)實(shí)世界的有效融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)更高水平的發(fā)展和持續(xù)創(chuàng)新。

3 典型案例

工業(yè)元宇宙為企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來巨大的發(fā)展空間。

3.1 集成制造

隨著社會(huì)和人的因素被引入制造系統(tǒng)，增加了不確定性、多樣性和復(fù)雜性。當(dāng)前，制造系統(tǒng)面臨的問題有：過多的人為干預(yù)，缺乏靈活性，難以實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)以及人機(jī)交互效率低下等。工業(yè)元宇宙為解決這些問題提供了可行的解決方案。工業(yè)元宇宙由產(chǎn)品生命周期管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、完全集成自動(dòng)化的物理系統(tǒng)以及制造智能的社會(huì)系統(tǒng)組成。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，將包括材料、設(shè)備、機(jī)器人和人員在內(nèi)的各種制造資源進(jìn)行集成和協(xié)調(diào)，其中嵌入了知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)以形成工業(yè)思維的互聯(lián)網(wǎng)。數(shù)字人、機(jī)器人和生物人以協(xié)作的方式完成大部分制造任務(wù)，而生物人更專注于創(chuàng)造性和全局性的任務(wù)。

3.2 缺陷檢測(cè)

缺陷檢測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。例如、液晶顯示屏面板、集成電路載板和精密PCB 等產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高、質(zhì)量要求嚴(yán)格，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)缺陷很容易導(dǎo)致最終產(chǎn)品報(bào)廢，或在產(chǎn)品使用時(shí)有潛在危險(xiǎn)。因此，對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行缺陷檢測(cè)尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)視覺和自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展，大大減輕了手工檢查的負(fù)擔(dān)，同時(shí)，提高了檢測(cè)的效率和穩(wěn)定性。然而，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，為了實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)準(zhǔn)確性，仍需要在自動(dòng)缺陷檢測(cè)設(shè)備后進(jìn)行人工復(fù)檢。在此過程中需要大量的人力成本，并逐漸成為PCB 生產(chǎn)的瓶頸。一方面，工人需要大量的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能對(duì)缺陷的類型和嚴(yán)重程度作出正確判斷。另一方面，手工修復(fù)的準(zhǔn)確性和效率非常低，無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。在工業(yè)元宇宙環(huán)境下，由機(jī)器人和數(shù)字工人協(xié)助進(jìn)行檢查操作，能夠提高效率并降低工作難度。缺陷檢測(cè)和修復(fù)工作主要由機(jī)器人完成，只在極少數(shù)情況下需要人工干預(yù)。

4 人才培養(yǎng)啟示

工業(yè)元宇宙的出現(xiàn)對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的要求。

1）隨著工業(yè)元宇宙的發(fā)展，企業(yè)對(duì)于人工智能、軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的人才需求不斷增加。為了適應(yīng)這一變化，高校和其他教育機(jī)構(gòu)需要調(diào)整課程設(shè)置，加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)，并提供更多機(jī)會(huì)讓學(xué)生接觸和實(shí)踐相關(guān)技術(shù)，以滿足工業(yè)元宇宙對(duì)人才的需求。

2）工業(yè)元宇宙對(duì)人才培養(yǎng)的影響。工業(yè)元宇宙的發(fā)展帶來了技術(shù)和業(yè)務(wù)模式的變革，需要人才具備創(chuàng)新思維和敏銳的洞察力。因此，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，鼓勵(lì)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)并應(yīng)用新技術(shù)，培養(yǎng)解決問題和應(yīng)對(duì)變化的能力。

3）工業(yè)元宇宙推動(dòng)了對(duì)跨學(xué)科的人才培養(yǎng)。工業(yè)元宇宙的產(chǎn)業(yè)融合了物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，要求人才具備一定的跨學(xué)科背景和綜合能力，需要加強(qiáng)不同專業(yè)的合作與交流，開設(shè)跨學(xué)科的課程和項(xiàng)目，并提供相關(guān)的實(shí)習(xí)和實(shí)踐機(jī)會(huì)，培養(yǎng)具備跨學(xué)科創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。

5 結(jié)語

工業(yè)元宇宙是新一代信息技術(shù)推動(dòng)下工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型的必然趨勢(shì)，為企業(yè)帶來了無紙化、無人化和無感化的先進(jìn)體驗(yàn)。通過工業(yè)元宇宙的服務(wù)，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同與集成，優(yōu)化價(jià)值鏈，提高資源利用效率，降低生產(chǎn)成本。此外，工業(yè)元宇宙服務(wù)還能提供精準(zhǔn)的市場(chǎng)預(yù)測(cè)和分析，幫助企業(yè)制定有效的決策。通過數(shù)據(jù)的智能分析和挖掘，企業(yè)可以深入了解消費(fèi)者需求，提供個(gè)性化定制的產(chǎn)品和服務(wù)，從而提高用戶忠誠(chéng)度。為應(yīng)對(duì)快速變化的市場(chǎng)環(huán)境，企業(yè)應(yīng)積極適應(yīng)工業(yè)元宇宙的技術(shù)和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。同時(shí)，教育行業(yè)也應(yīng)適應(yīng)這一變革，為我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展培養(yǎng)優(yōu)秀的復(fù)合型人才。