工业与智能制造元宇宙：
工业与智能制造元宇宙
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工业元宇宙（Industrial metaverse）是以XR、数字孪生为代表的新型信息通信技术与实体工业经济深度融合的工业生态，它通过XR/AI/IoT/云计算/区块链/数字孪生等技术打通人、机、物、系统等的无缝连接，将数字技术与现实工业结合，促进实体工业高效发展，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，是工业乃至产业数字化、智能化发展的全新阶段。
“工业版元宇宙”的必经之路，是数字孪生平台。Omniverse就是其中一种。目前，泛行业在数字孪生上的应用越来越普及，例如港口行业，通过动态数据实时驱动，在数字孪生全要素场景下，能够覆盖从货物到港、装卸、转堆、仓储及出港的全周期作业仿真；在5G环境感知港口全量工业设备态势，还能实现人、车、物、法、环的数字孪生全模拟......是数字化转型不可或缺的一步。
事实上，工业领域也将实现与“元宇宙”的深度融合。通过将CPS（信息物理系统）、数字孪生与5G引发的AR、VR、AI计算机视觉、低时延远程控制等应用按照“元宇宙”的概念有机整合，便构建起了支撑未来智能数字制造的“工业元宇宙”平台。
制造业的“元宇宙”
每十年，都会有一波新的技术浪潮。先是PC互联网，再是移动互联网，2021年我们迎来的是元宇宙。
元宇宙概念最近非常火热，据说元宇宙将提供给各行业一条数字化转型的全新路径。
早在8月，一段“虚拟人”视频在各大社交平台刷屏。这段视频里，英伟达首席执行官黄仁勋在一场公开演讲中用了14秒的“虚拟人”替身，但直到最后竟无人察觉该替身。这个“虚拟人”正是使用英伟达研发的元宇宙基础设施平台—Omniverse制作。据介绍，该基础设施平台是用于创造虚拟空间的。
宝马说我来试试，要知道早在2013年，德国人就已经提出了工业4.0了，Omniverse能做什么？简单来说，Omniverse能够支持多人在平台中共创内容，使大家能够创建和仿真符合物理定律的共享虚拟3D世界，与现实世界高度贴合，就像用现实数据1:1创造的一个虚拟世界。
宝马在用它搭建的虚拟工厂里，让全球的工程师、设计师、专家等融合到同一个场景中协作，共同进行产品规划、设计、模拟等等复杂的工作，甚至在数字工厂中完成整套产品规划。据说，宝马基于Omniverse平台的生产效率比以往高30%，它的目标是在全球31家工厂建立数字化版本。
除了宝马，爱立信、沃尔沃、Adobe、Epic Games在内的众多公司都正在与Omniverse合作。换言之，元宇宙最广泛的应用，很可能不是面向广大C端消费者，而是工业互联网相关的B端客户。
这就不是我们在新闻里看到的那个元宇宙，这是工业互联网升级版，工业元宇宙！
从这个角度看，那么元宇宙概念，需要优先关注的行业，就偏向工业领域。
“工业版元宇宙”的必经之路
“工业版元宇宙”的必经之路，是数字孪生平台。Omniverse就是其中一种。目前，泛行业在数字孪生上的应用越来越普及，例如港口行业，通过动态数据实时驱动，在数字孪生全要素场景下，能够覆盖从货物到港、装卸、转堆、仓储及出港的全周期作业仿真；在5G环境感知港口全量工业设备态势，还能实现人、车、物、法、环的数字孪生全模拟......是数字化转型不可或缺的一步。
事实上，工业领域也将实现与“元宇宙”的深度融合。通过将CPS（信息物理系统）、数字孪生与5G引发的AR、VR、AI计算机视觉、低时延远程控制等应用按照“元宇宙”的概念有机整合，便构建起了“工业元宇宙”。
“元宇宙”距离中国制造业还有多远？
其实在我们发出这样思考之前，中国制造业企业就已经做出了类似的尝试。
小米黑灯工厂：1.8万平的智能工厂几乎关灯，车间没有工人，却能每秒生产一部小米手机。“黑灯工厂”可实现全程自动化无人生产，人工仅进行物料补给，真正做到自动化、信息化、智能化。
信息物理系统（cps）：吉利汽车从新车设计、工艺开发、试产验证等都已大量使用到CPS （赛博物理系统），大大缩减了新车研制的周期。
VR与MR：江西鑫铂瑞科技有限公司利用VR技术实现工艺设备及工艺过程仿真建模，生产效率提升20%以上。合肥联宝电子科技公司将影创科技MR智能眼镜用于质检，大大减少了企业因设备故障停工带来的损失。
基于“黑灯工厂”和数字孪生/CPS的工业元宇宙将颠覆目前经济社会的结构，不同的传统行业会在工业元宇宙中得到重生。
今后的未来工厂，AR/VR不再是现场辅助安装、技能培训，而是大家都带上眼镜，在虚拟世界一起工作，比在现实世界的工作有更强的参与感、体验感，可以得到AI的指导与决策支撑，可以不必在现场就提前验证结果实时纠错。
企业的产品设计、工艺开发、试产测试、经营管理、市场营销都可以开放的形式面向全社会；结果只有在仿真验证过之后才通过CPS和5G转入物理世界实际生产。结果状态又通过物联网和5G传回虚拟世界。
虚拟世界与现实世界的各项决策与结果都通过区块链纪录下来，可溯源不可篡改，作为考核、审计的依据。
元宇宙是基于虚拟现实游戏体验的沉浸式3D数字世界，其实我们可以简单地将元宇宙定义为：一个人人可以参与的、虚实交织的电子网络世界。
当Facebook被改名为“Meta”的时候，“Meta”是“元宇宙”（Metaverse）的前缀，于是这个全球流行的社交软件平台摇身一变成为虚拟宇宙。同时，将Meta设计为一个集中且封闭的“围墙花园”，这意味着它旨在从其平台拥有的用户数据中获利。因此，元宇宙的形式应是开放的、去中心化的，其目的是保护使用元宇宙并入住其中的个人的权利和隐私。
每一项技术的迭代和革新，都将意味着一个新的契机、挑战，同时也是一个新的开始，元宇宙与制造业也一样。当前，传统制造业的数字化转型升级正如火如荼，元宇宙中的数字孪生平台，是能够能通过动态数据实时驱动，实现人、车、物、法、环的数字全链路全模拟，是未来工厂不可或缺的一步。
在我们想象中的未来工厂中，AR/VR不再是现场辅助安装、技能培训，而是大家戴上眼镜，在虚拟世界一起工作。通过5G 将在虚拟世界人对数字机器的操作、决策结果，经过AI辅助纠正、验证、区块链记录之后，传送到物理世界的机器上自动执行。执行结果再返回到虚拟世界，周而复始，生生不息。
当前的企业数字化转型和智能制造建设进程加快推进，智能工厂建设成为制造企业的主攻方向。乐石科技作为数字化产业建设中的一员，将以“产业大脑+未来工厂”为核心构架，推进产业数字化与数字化产业的融合发展，积极探索5G+工业互联网（未来工厂）的实践应用，赋能行业向智能化、绿色化发展。
结语
虽然制造业的元宇宙还属于小试牛刀阶段，但不少的案例都表明虚拟现实使得制造生产更安全、更智能、更高效、更精准和更低成本。虚拟现实产业为制造业寻找新的增长点提供了很好的思路，成为企业数字化转型的一个新动能。元宇宙产业的发展和成熟，势必会承载制造业新的一次质的飞跃。
“世界的尽头是铁岭，互联网的尽头是元宇宙”，这是最近频繁被提及的一句玩笑话。
今年，“元宇宙”成为顶流热词，特别是在科技、游戏及互联网行业，国内外互联网巨头也争相入局，随着Facebook母公司宣布改名Meta “All in元宇宙” ，#元宇宙#话题一度冲上热搜，成为大家争论的焦点。
其实元宇宙的概念并不新鲜，早在1992年美国作家尼尔斯蒂芬森的科幻小说《雪崩》中，就描绘了一个平行于现实世界的虚拟世界，每一个人都沉浸在这个虚拟空间里，以虚拟替身的形式相互交流，这一描述在小说出版时，被贴上了“科幻”的标签。从科幻到现实，仅仅过了不到三十年。
在一些科幻电影中，元宇宙也有体现，例如电影《头号玩家》的“绿洲”、《失控玩家》的“自由城”，被认为是目前最符合《雪崩》中描述的“元宇宙”状态，主人公戴上VR头盔便可进入虚拟世界，不仅能“看到”，还能通过体感设备体会到，这种直观感受，让大家对“元宇宙”有了更深层次的理解。
换句话说，元宇宙是对现实世界的数字化表达，现实中的人、物、天气，甚至故事、情感都可以搬进虚拟世界中，让人们在这里能进行社交、娱乐、教育、交易等社会性活动，为用户提供丰富的消费内容、可靠的经济系统、沉浸式的交互体验。
那么，元宇宙就可以和XR（扩展现实）、游戏划等号了吗？恐怕也不是。
01、智能制造元宇宙爆发
随着数字孪生（DT）、增强现实（AR）、人工智能（AI）、虚拟现实（VR）元宇宙的底层技术不断进步融合，元宇宙的应用范围正在不断拓展，每个行业都从自身角度，为元宇宙赋予了不同的定义。
目前行业对“元宇宙”发展趋势，已初步形成两大方向：
第一是消费市场，赋能新消费、新娱乐，主流形态将明显集中在游戏领域，侧重沉浸式消费体验与娱乐社交。
第二是商用市场，赋能智能制造、智慧服务、智慧办公等，改变人们生活、工作连接方式，实现降本提效，以及产业数字化、智能化。
我们如今的元宇宙时代正是娱乐、社交最火热的消费阶段，它在诸多现实场景中已获得了广泛应用，不过伴随元宇宙经济的快速发展，商用在经济中的拉动力愈发凸显。换句话说，未来元宇宙最广泛的应用，或许不是面向个人消费者，而是率先产生实际价值的商用市场，特别是全球新一轮科技与产业竞争核心的“智能制造”。
“智能制造元宇宙”的本质，是围绕“研发”、“制造”、“销售”、“终端”四大场景创建的虚拟场景，模拟其在现实环境状态而产生的价值。形象地讲，相当于企业把自己打包搬进了虚拟世界，变成一座虚拟工厂，同时，这座虚拟工厂与现实工厂数据同步，实现生产要素可视、可析、可验证以及智能化管理的“元宇宙”应用，大大减少实体运营维护，提高生产效率、降低生产成本。
区别于传统认知，“元宇宙”已初步应用到企业研发制造场景，在其中扮演“关键先生”的，就有联想。作为很早就开始智能化转型企业，联想走在了行业前列，尤其是智能制造转型探索中，联想通过内生外化、实践孕育出了5大能力：互联互通、柔性制造、虚实结合、闭环质量、智能决策，这些能力渗透在联想智能制造场景应用的每一个环节，形成了制造转型的最短路径。
聚焦于“智能制造元宇宙”，联想依托产品设计和制造过程中的虚实结合能力，尤其是数字孪生-仿真技术的应用，帮助企业建立“虚拟工厂”，实现虚拟环境下的测试和分析，然后再通过虚拟制造对生产流程验证和优化，确保真实的生产顺利进行。产品进产线后，进行数字孪生虚实互联，让关键设备在模型上实时监控，识别和调整设备的状态，改善现有产品、运营和服务，这一系列数字孪生技术的应用，让联想走在了“智能制造元宇宙”应用前列。
如果说联想可以打开“智能制造元宇宙”的大门，那么“数字孪生”正是打开大门的关键之钥。
02、数字孪生的元宇宙方法论
“数字孪生”，也被称为数字映射、数字镜像，元宇宙是数字孪生对现实世界的镜像表达，通俗解释就是在一个设备或系统基础上，创造一个与之对应的数字版“克隆体”。
数字孪生体最大的特点在于它对“本体”的动态仿真，数字孪生体是会“动”的。而且，数字孪生体 “动”的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，这就是数字孪生的“模拟仿真”技术。
说白了，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到“克隆体”身上。在“智能制造元宇宙”中，不仅是外界的环境条件会复现到“克隆体”中，同时“克隆体”的情况也会映射到实物产品，把实物产品运营实际过程中的数据作为输入传到数字孪生模型中，就可以优化实际的产品性能。
这种特性，刚好让“数字孪生”在元宇宙应用场景中，拥有极强的可塑性。
以我国航天为例，今年首次出舱活动的神舟十二号，数字孪生的技术突破在研发中起到了关键性的作用，通过模拟仿真构建一个和飞船一模一样的虚拟模型，让科学家在虚拟太空中进行无数次的模拟飞行，在研发效率和成本控制上达到了新的高度，不仅于此，还可以操作现实中无法进行的实验。
如果把“智能制造元宇宙”比喻成一款RPG游戏，数字孪生扮演的角色就是“游戏引擎”，所有人物、设备、场景都由它进行赋能创建，没有它的模拟仿真技术介入，就很难制作出细腻真实的游戏世界。
在“智能制造元宇宙”的搭建中，数字孪生重要性不言而喻，对关键设备的仿真、建模、分析，再部署传感器实现虚实交融，实时反馈设备信息，不仅数据可追溯、故障点可精确定位，同时也可以远程操控、诊断恢复，当维护人员通过AR/VR检查设备时，简直就相当于在游戏中开了上帝视角。
03、数字孪生实践路径，为制造企业转型赋能
数字孪生实践应用又是什么样的情况呢？
随着智能化浪潮，叠加疫情常态化，今天，产品开始越来越注重个性化，快速迭代的压力不断增长，这对制造业的挑战越来越大，虽然很多企业已加速自身智能化转型步伐，但技术融合过程中，能有的放矢、精准转型，仍然是一个困难重重的过程。
在生产制造过程中，产品验证周期长、依赖实物、工艺灵活度不够一直是制造企业面临的痛点，这些问题也同样困扰过联想.....
几年前，联想开始智能化转型，通过“端-边-云-网-智”全覆盖的新IT架构，将数字孪生技术应用于从销售、计划、采购、生产、交付、服务的各个场景，比如MBD解决方案、数字化工艺解决方案、产品工程化仿真方案、智能仓储解决方案、智能包装解决方案、智能城配路线解决方案、物流网络选址解决方案。
在产品设计的流程中，传统方式中，由于产品设计团队多、跨专业，试制品整合需要大量的时间和精力，联想的MBD解决方案可以充分利用信息系统的优势，将相应单学科设计软件工具的设计图样，集成至PTC的Winchill PLM，形成3D数字化样机。
联想MBD架构图
3D数字化样机具有可视化的特点，可以让设计团队在完整的视图中评审产品，排除问题，简直像上帝视角，这一应用也大幅提高了设计团队的效率和设计品质。
在生产运营流程中，传统方式的研发设计与制造工艺数据分开独立管理运行，这就造成了信息不对称，很容易导致停线、重工、上市推迟等损失。联想打破了从研发到制造的“数据孤岛”，通过建立物理产品的数字映射，基于产品使用过程中产生的数据形成闭环反馈和优化，打造了数字化工艺解决方案，该方案的应用场景主要包括：
1、研发人员可以实时查看产品在工厂产线的工序工艺等制造信息，一目了然。
2、工厂工艺或制造工程师可以实时查看产品的研发图档、设计要求等研发信息。
3、根据订单配置不同，实时生成对应的最佳工艺序列，以可视化的方式呈现给产线员工。
4、工厂可以实时及时收到变更信息，自动更新产线的可视化工艺。
在生产运营流程中，为了构建从产品设计到生产规划、生产工程、生产执行、服务支持的全价值链数字化体系，联想还有一个产品工程化仿真方案。产品工程化仿真是指物理产品在虚拟空间的数字模型，这个数字模型不仅和现实世界的物理产品形似，能模拟产品的实际运行，还能通过产品在包装过程中反馈的数据，反映产品运行状况，乃至改变产品形态。
在该方案中，产品工程验证阶段，制造工程人员可以通过设计图纸仿真提前发现设计问题并进行研发优化，制造工艺人员能够提前规划产能及设备的布置，在整个产品的生命周期内，制造工程人员还可以通过仿真工具分析问题并找到解决方案。
通过对数字孪生仿真工具的使用，该方案能切实为企业带来从研发量产周期、到生产效率、再到产品质量的全方位提升。比如，缩短10-20%的上市时间，制造效率提升10-20%，制造成本降低10-20%，质量提升15-20%。
联想产品形态繁多，各种类的产品随着功能的扩展，带来制造过程的复杂。同时，联想还面临高成本压力下的高质量需求，新材料的使用、不断更新的零部件、人力成本的攀升产生成本压力，同时客户对产品质量的要求逐步提高。
产品更新换代的加速造成新产品的生命周期不断缩短，需要在较短的产品生命周期内保障足够的产能。这其中还包括定制机型与个性化需求要求产线具备柔性制造的能力。
为了应对以上挑战，联想探索出了制造过程仿真解决方案可以应用于以下场景：
场景一，在工厂/仓库/产线还处于设计阶段，没有实体设备时，通过建立数字化的仿真模型，可验证设计方案中流程、产线和设备结构的合理性，发现潜在问题，并针对性地提出改进建议。
场景二，对于已建成准备投产的工厂/仓库/产线，可建立对应的仿真模型，模拟运行产品生产流程，验证产能，发现瓶颈，优化流程。
场景三，在现有的产线上进行生产订单切换、新产品投产等生产变动之前，可以通过仿真验证是否会对产能及交付时效性产生影响。
人机因仿真
尤其是在新品导入时，联想通过数字模型验证和仿真技术，来解决样品装配，避免试投才发现问题。这样做的效果，是我们可以提前2-3周发现并解决20%的问题，这就大大加速了新品导入过程，而且保证了量产时的质量水平。
更值得一提的是，数字孪生不仅能够单独赋能，去年联想还结合物联网（IOT）技术，在工厂试点虚拟工厂，由数字工艺平台直接向产线发布调整工艺，根据产品配置、人力情况，灵活调整生产情况；并采集设备和人工操作数据，全面监控生产，让一条线每年可节约125小时以上的换线时间。
在“智能制造元宇宙”的展望里，这仅仅是一个开始。随着联想对数字孪生技术的深入理解，这些代表了未来的新技术正在不断推广、应用到新产品、新工厂。长远的未来里，元宇宙也将携着数以亿计的实体设备，让万物皆可“数字孪生”。
