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產(chǎn)業(yè)元宇宙是各行各業(yè)的終極愿景(工業(yè)+元宇宙)

作者 | Ivy2022-04-14

元宇宙，這個(gè)詞誕生的意義可能大于一切，大于任何對(duì)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(shí)實(shí)的在各行各業(yè)展現(xiàn)她的魅力。

《產(chǎn)業(yè)元宇宙》第8章｜產(chǎn)業(yè)元宇宙是各行各業(yè)的終極愿景(3.工業(yè)+元宇宙)

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(jìn)入中國以來，百威英博已經(jīng)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(shí)踐者，他們嘗鮮了各種新技術(shù)和新應(yīng)用。

在百威英博構(gòu)建的“元宇宙”中，融合了物理世界和數(shù)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(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)、混合現(xiàn)實(shí)、低代碼、精準(zhǔn)定位…多種技術(shù)的疊加，以及由這些技術(shù)和系統(tǒng)的構(gòu)建的組合應(yīng)用，在交織領(lǐng)域開啟的全新想象力和創(chuàng)造力。

在生產(chǎn)過程中，百威英博為啤酒廠和供應(yīng)鏈創(chuàng)建了一個(gè)完整的數(shù)字孿生。這套數(shù)字模型可以實(shí)時(shí)同步的反應(yīng)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(fù)雜關(guān)系。釀酒師們可以更為精準(zhǔn)的把握釀造過程，并且及時(shí)調(diào)整工藝。來自一線的操作員也可以根據(jù)這套系統(tǒng)，實(shí)時(shí)了解產(chǎn)品質(zhì)量和狀態(tài)參數(shù)，保證設(shè)備的正常運(yùn)行并進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。

在操作中，百威英博利用深度學(xué)習(xí)，幫助包裝流水線的工程師，檢測(cè)和修復(fù)在生產(chǎn)過程中的各種瓶頸問題。維修過程中，百威英博在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，疊加了混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，鼓勵(lì)各種遠(yuǎn)程協(xié)作。員工在任何位置啟用共享體驗(yàn)，促進(jìn)了跨區(qū)域的有效知識(shí)共享。每個(gè)百威英博的員工都可以使用低代碼方案，擴(kuò)展系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，跟蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史以及預(yù)測(cè)未來狀態(tài)。

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

《產(chǎn)業(yè)元宇宙》第8章｜產(chǎn)業(yè)元宇宙是各行各業(yè)的終極愿景(3.工業(yè)+元宇宙)

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(gòu)建元宇宙數(shù)字虛擬工廠，并構(gòu)建全新元宇宙發(fā)展路線圖和平臺(tái)。Unity提供跨平臺(tái)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(chǎn)創(chuàng)新，現(xiàn)代汽車希望未來可以轉(zhuǎn)型成為一家智能汽車解決方案提供商。雙方將共同設(shè)計(jì)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(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IoT Analytics分析了近2500家美國上市公司在2021年第四季度的財(cái)報(bào)電話會(huì)議，其中1.7%的企業(yè)管理者提到了“元宇宙”這個(gè)關(guān)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(wǎng)企業(yè)PTC，在最近的資料和演講中，正在使用“產(chǎn)業(yè)元宇宙”來替換過去的常用術(shù)語，比如AR、VR或數(shù)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(guān)于元宇宙的聲音，我猜你可能希望看到產(chǎn)業(yè)元宇宙的現(xiàn)場(chǎng)演示。我們將展示五種Vuforia Spatial Toolbox技術(shù)…”是否要跟進(jìn)元宇宙熱潮？對(duì)于這個(gè)問題，越來越多的企業(yè)給出了自己的解答。

提到工業(yè)領(lǐng)域的元宇宙應(yīng)用，關(guān)鍵一步是將模型實(shí)體的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)生成物理模型數(shù)據(jù)，這樣三維模型與設(shè)備的數(shù)據(jù)就形成了一一對(duì)應(yīng)的一張映射關(guān)系表，諸如XML、JSON等標(biāo)準(zhǔn)格式化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以被工業(yè)軟件領(lǐng)域充分利用。這時(shí)可以通過軟件編程的方式控制數(shù)據(jù)表中的字面信息變量進(jìn)行如機(jī)器人關(guān)節(jié)的姿態(tài)調(diào)整，電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整等。目前很多國內(nèi)外工廠，則是利用數(shù)字化車間看板實(shí)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(dāng)然工業(yè)領(lǐng)域也是可以讓制造升級(jí)，比如嵌入專家系統(tǒng)的AR系統(tǒng)，可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作工人進(jìn)行設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、維修等工作，也可以利用5G的遠(yuǎn)程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的技術(shù)支持，比如現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)線的聯(lián)機(jī)調(diào)試、組裝等工作，大大節(jié)約了時(shí)間、和專家成本。

而在工業(yè)元宇宙中工業(yè)數(shù)字孿生作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，也是工業(yè)領(lǐng)域最先接觸并嘗試應(yīng)用的一種技術(shù)，對(duì)工業(yè)企業(yè)降本增效，以及后續(xù)工業(yè)元宇宙的構(gòu)建都起到至關(guān)重要的作用。

工業(yè)數(shù)字孿生的背景

工業(yè)元宇宙中最為關(guān)鍵的技術(shù)是數(shù)字孿生的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域主要通過3D交互，數(shù)據(jù)可視化和實(shí)時(shí)仿真幫助企業(yè)降本增效。在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，尤其是大型的先進(jìn)制造企業(yè)，一般所用作生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備價(jià)格高昂，技術(shù)復(fù)雜，維護(hù)成本較高，技術(shù)人員的整體技術(shù)素養(yǎng)要求高。在人員培訓(xùn)，設(shè)備維護(hù)，品質(zhì)保障方面成本較高。而且隨著設(shè)備使用年限的增加，設(shè)備損耗加劇，時(shí)常會(huì)有突發(fā)性的設(shè)備宕機(jī)或引發(fā)不易發(fā)覺的品質(zhì)問題為企業(yè)帶來較大的損失。人員對(duì)高精尖設(shè)備的不熟練維護(hù)效率低，不易發(fā)現(xiàn)的隱患問題時(shí)常導(dǎo)致較大損失。現(xiàn)如今大多數(shù)工業(yè)企業(yè)主要運(yùn)用精益管理生產(chǎn)方法，在數(shù)字化方面的探索尤其數(shù)字化管理方面相對(duì)薄弱，而元宇宙的發(fā)展帶動(dòng)數(shù)字孿生AR等新興技術(shù)的成熟及應(yīng)用，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)帶去了新的數(shù)字化管理模式。

工業(yè)數(shù)字孿生的作用

在降低成本方面尤其針對(duì)智慧工廠，智能設(shè)備維修保養(yǎng)是最主要的成本，尤其設(shè)備突發(fā)故障使得產(chǎn)線長時(shí)間停產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致企業(yè)重大損失，而設(shè)備的維修也是較大一部分成本。故而智慧工廠大都在推動(dòng)預(yù)防性維護(hù)，旨在通過過程監(jiān)控的加強(qiáng)，設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與趨勢(shì)預(yù)測(cè)來達(dá)到預(yù)防性設(shè)備維護(hù)，減少突發(fā)性宕機(jī)造成的損失，同時(shí)有計(jì)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(shù)儲(chǔ)備，在人力物力上也能降低很大成本。工業(yè)數(shù)字孿生在預(yù)防性維護(hù)中所發(fā)揮的作用主要是，將整體設(shè)備及設(shè)備所組成的各個(gè)關(guān)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(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與模型聯(lián)通，3D模型實(shí)時(shí)仿真可以提前暴露設(shè)備隱患。在維修計(jì)劃階段，技術(shù)人員也可以查看設(shè)備模型中各模塊的損耗程度來制定維修計(jì)劃的優(yōu)先級(jí)，并且提前查看需維修模塊的整體結(jié)構(gòu)及技術(shù)資料確保高效率的維修。即使出現(xiàn)故障，也能根據(jù)設(shè)備模型的報(bào)警模塊，迅速找到實(shí)際設(shè)備的損壞模塊，快速維修或更換，確保生產(chǎn)線能及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)。

在提高效率方面，在工業(yè)領(lǐng)域主要有兩種，一種是通過提高人員的技術(shù)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(chǎn)的時(shí)間，減少由于人員失誤造成的事故來降低成本，另一種是設(shè)備的優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)備的性能參數(shù)，運(yùn)動(dòng)路徑，在延長設(shè)備使用壽命的同時(shí)，使得設(shè)備更加符合所生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝條件，最大程度的提升產(chǎn)品品質(zhì)。

工業(yè)數(shù)字孿生在人員技術(shù)素養(yǎng)提升方面主要有幫助用戶構(gòu)建3D可視化的知識(shí)管理系統(tǒng)，隨時(shí)隨地的沉浸式技術(shù)培訓(xùn)，以及3維動(dòng)畫的智能助理和遠(yuǎn)程專家技術(shù)指導(dǎo)。其中3D可視化的知識(shí)管理系統(tǒng)，主要是對(duì)設(shè)備和關(guān)鍵部件的數(shù)字模型進(jìn)行分層式技術(shù)講解，并以動(dòng)畫，技術(shù)報(bào)告，語音等多種媒體方式傳達(dá)該部件的作用，維修方法，注意事項(xiàng)，使得技術(shù)人員能更直觀易懂的了解所面對(duì)的設(shè)備和關(guān)鍵模塊，并將自己每次維修所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)更新至系統(tǒng)中逐漸優(yōu)化這個(gè)知識(shí)管理系統(tǒng)。在新員工培訓(xùn)時(shí)也可以通過這個(gè)系統(tǒng)和數(shù)字孿生模型讓新員工身臨其境的體驗(yàn)各種設(shè)備的維修使用方法，能夠極大的縮短新員工的適應(yīng)時(shí)間。而在發(fā)生故障維修過程中，知識(shí)管理系統(tǒng)伴隨將來的AR技術(shù)能夠智能的為技術(shù)人員推送當(dāng)前損壞部件的技術(shù)維修演示動(dòng)畫，技術(shù)人員只需跟著動(dòng)畫一步步操作即可，如同打游戲的新手引導(dǎo)，可以極大的縮短維修時(shí)間提高維修效率，同時(shí)避免由于經(jīng)驗(yàn)不足或遺忘導(dǎo)致出錯(cuò)，造成不必要的損失。而在設(shè)備性能優(yōu)化方面，通過設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的反饋，在工業(yè)數(shù)字孿生模型中進(jìn)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(shè)備運(yùn)作方案，應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，提升設(shè)備生產(chǎn)效率。

如何構(gòu)建工業(yè)數(shù)字孿生

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)中主要有兩種，一種是為企業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)備廠商，另一種運(yùn)用設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)。在這個(gè)兩種廠商中，設(shè)備廠商對(duì)自家生產(chǎn)的設(shè)備更為了解，從研發(fā)設(shè)計(jì)到最后組裝測(cè)試都有完整的技術(shù)儲(chǔ)備，而生產(chǎn)企業(yè)則更為了解自家生產(chǎn)的產(chǎn)品，對(duì)設(shè)備了解并不太過深入，主要是對(duì)設(shè)備運(yùn)用和維護(hù)方面的了解，但生產(chǎn)企業(yè)相比設(shè)備廠商所管理的設(shè)備更多且成體系，從整個(gè)工廠角度管理不同廠商設(shè)備所組成的生產(chǎn)線。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建方面，設(shè)備廠商可以做到更細(xì)分的建模和更細(xì)節(jié)的設(shè)備性能數(shù)據(jù)管理，小到一個(gè)零件的參數(shù)和作用，例如通用電氣的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化管理，通過對(duì)每個(gè)零件，每個(gè)模塊的建模，傳感器方案的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，能更加精細(xì)化的管理設(shè)備性能，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生。數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立，可讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廠商為使用設(shè)備的智慧工廠制定更加精細(xì)化的售后服務(wù)方案，提前供給設(shè)備備件和技術(shù)咨詢方案，更好的協(xié)助自身客戶保障設(shè)備性能。同時(shí)設(shè)備性能的管理可控性不僅能讓客戶對(duì)設(shè)備的質(zhì)量放心，還有益于之后的升級(jí)改造，建立長期合作關(guān)系，并且在為客戶提供技術(shù)咨詢時(shí)，能更加準(zhǔn)確的找到問題點(diǎn)，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(shè)備故障導(dǎo)致的大量停產(chǎn)時(shí)間。

對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)的智慧工廠而言，數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立一般無法追求設(shè)備廠商那樣對(duì)單個(gè)設(shè)備足夠精細(xì)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，智慧工廠主要是對(duì)各種不同廠商設(shè)備所組成的生產(chǎn)線或工廠的整體監(jiān)測(cè)與管控，整體產(chǎn)線各單元設(shè)備性能的穩(wěn)定是保障自身產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)條件，智慧工廠基于設(shè)備廠商的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，保障整體設(shè)備的性能來服務(wù)所生產(chǎn)的自家產(chǎn)品。由于設(shè)備廠商對(duì)自身核心技術(shù)的保密，智慧工廠不太可能了解設(shè)備的所有細(xì)節(jié)，更多的是基于設(shè)備廠商的技術(shù)支持和自身長期的經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)設(shè)備由外到內(nèi)的建設(shè)知識(shí)體系。

智慧工廠在建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)會(huì)更加注重整體產(chǎn)線或工廠的性能，對(duì)單個(gè)設(shè)備更適宜于由外到內(nèi)的模塊化監(jiān)控，單個(gè)設(shè)備的數(shù)字孿生體建立其深入層度雖然不及設(shè)備廠商，但基于生產(chǎn)和維修經(jīng)驗(yàn)可優(yōu)先將易出故障的模塊做重點(diǎn)監(jiān)控管理，由于整個(gè)工廠或產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量和復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)設(shè)備，這種單個(gè)設(shè)備由外到內(nèi)，重點(diǎn)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(gè)基本的數(shù)字孿生框架，后續(xù)再根據(jù)生產(chǎn)需求和維修經(jīng)驗(yàn)不斷填充與優(yōu)化，不斷打造更適合自身的工廠級(jí)數(shù)字孿生系統(tǒng)。

在建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)無論是生產(chǎn)企業(yè)還是設(shè)備廠商在技術(shù)選型上都有對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取和數(shù)據(jù)可視化的需求，數(shù)據(jù)獲取方面首先是設(shè)備廠商在設(shè)備研發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)監(jiān)控方案，但這些監(jiān)控方面并不能滿足不同類型生產(chǎn)企業(yè)的監(jiān)控需求，后續(xù)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，生產(chǎn)企業(yè)再自行增加需求模塊的傳感器數(shù)據(jù)獲取方案，或邀請(qǐng)?jiān)O(shè)備廠商進(jìn)行升級(jí)改造進(jìn)行定制，在保障設(shè)備性能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控傳輸后，后面便是將這些數(shù)據(jù)通過數(shù)字孿生系統(tǒng)與構(gòu)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(shí)時(shí)渲染方面虛幻引擎比較強(qiáng)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(shù)的推進(jìn)，虛幻引擎也可以通過像素流的方式將3D內(nèi)容發(fā)送到瀏覽器端查看，同時(shí)由于是視頻方式交互使得數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查看，分享也足夠便捷，但其也有缺點(diǎn)，就是模型不夠精細(xì)，比較適合那些對(duì)模型精度要求不夠主要對(duì)數(shù)據(jù)流把控的用戶。目前這兩種C/S和B/S架構(gòu)是市場(chǎng)上主流的兩種數(shù)字孿生構(gòu)建方式，隨著英偉達(dá)omniverse的發(fā)展，既能將虛幻和blender等軟件工具協(xié)同起來做數(shù)字孿生場(chǎng)景，又為其提供了人工智能，實(shí)時(shí)仿真的功能，把建模，渲染，人工智能優(yōu)勢(shì)都結(jié)合了起來，將把數(shù)字孿生推向更高階的發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)元宇宙的到來提供了莫大的幫助。

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