智能工厂元宇宙赋能数字工厂

 

　　摘要

 

　　在工业互联网中，标识解析体系是打通物理世界的关键环节，区块链是实现信用传递和数据安全共享的关键技术，而元宇宙是基于互通物理世界，将区块链、人工智能、VR/AR等技术进行整合，并对现实世界所涉及的内容生产、经济系统、用户体验等实施改造。

 

　　通过分析当前数字工厂存在的问题、现实世界与虚拟世界的关系以及当前工厂元宇宙的研究现状，构建了基于标识解析体系和“星火·链网”体系的工厂元宇宙6层体系架构，详细阐述了物理层、软件层、数据层、策略层、应用层、交互层的功能和作用。通过对一些特定场景的分析和描述，认为工厂元宇宙发展虽然可能面临很多挑战，但是它能够改变传统数字化工厂的生产模式，促进产业生产力的发展。

 

　　0引言

 

　　在2021年3月，中国政府发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，在加快推进数字产业化和推进产业数字化转型方面，明确提出要培育壮大人工智能、大数据、区块链、云计算、网络安全等新兴数字产业，提升通信设备、核心电子元器件、关键软件等产业水平，构建基于5G的应用场景和产业生态。推动数据赋能全产业链协同转型，深化研发设计、生产制造、经营管理、市场服务等环节的数字化应用，培育发展个性定制、柔性制造等新模式，加快产业园区数字化改造。

 

　　目前，随着我国两大新型基础设施体系（即：国家工业互联网标识解析体系、国家区块链“星火·链网”体系）的建立、应用和推广，促进了工业数字化及智能化的发展，解决了工业企业之间的“数据孤岛”问题，保障了工业数据的安全性和可信性。

 

　　但是由于工业互联网的快速发展，大型工厂规模不断扩大，存在着智能监控装置部署分散、日常巡检与管控压力大、人员成本高、生产协同困难、产品定制化困难、系统维护自动化程度低和上岗工人培训耗时费力且成效不够显著等一系列问题，根据相关研究报告，元宇宙技术能够达到远程操控作业、虚拟运维、模拟运行、实境培训等需求，为解决当前存在的问题提供了方向。

 

　　为带动生产力提升、改进工厂生产模式、人员协同模式，促成企业数字化转型和以人为本的转型，优化产业生态，进而促进价值分配与经济模式转变，保障人员生产安全和设备运行安全，打造工厂元宇宙成为了数字化工厂进一步升级转型的关键。

 

　　元宇宙作为集成了扩展现实（XR）、人工智能、区块链和5G等多种技术的融合成果，大型工厂作为具有相对固定场景且数字化程度较高的物理环境，使得工厂完全具备构建元宇宙条件与优势。

 

　　因此，本文基于工业互联网标识解析与星火·链网体系，对元宇宙赋能未来工厂展开研究，提出基于元宇宙概念的打造工厂元宇宙的技术架构、应用与挑战，对减少人力成本、时间成本和避免资源浪费有着正向促进作用，对实现产品个性化定制、产品全生命周期管理、资产价值链传递和高效运维等具有重要意义，同时，对实现“十四五”规划将起到推动性作用。

 

　　1元宇宙概述

 

　　2021年被称为“元宇宙元年”，相关报告习惯将超出现实世界物理限制的虚拟世界称为“元宇宙”。

 

　　随着“元宇宙”投资市场飓风的掀起，多方资本介入，相关概念股持续大涨，Roblox股价暴涨，估值超600亿美元，INVIDIA推出元宇宙平台Omniverse，2021年8月，字节跳动公司为提前布局元宇宙，共斥资90亿元收购Pico，2021年10月，一直致力于数字孪生平台研究的供应商——DataMesh公司，为打造工业“元宇宙”，实现了接近1亿元的资本融合。

 

　　在资本驱动和巨头的叠加效应下，作为新兴概念的元宇宙被完全引爆，成为2021年贯穿工业互联网、智能制造、互联网、数字化、娱乐、区块链等多个行业的爆点。

 

　　随着虚拟现实、数字孪生、5G通信技术、区块链、AI、低时延远程控制等技术的发展，元宇宙的定义不断具象化，如Wright[1]等（2008）认为元宇宙不仅仅是简单的电脑或游戏程序，而是一个能同时支持大量人员进行社交互动的大型3D虚拟网络世界。

 

　　Rehm[2]等将元宇宙定义为技术发展趋势与社会和商业数字化转型之间的中介，他们相信通过虚拟分身和沉浸式的辅助技术可以实现这种连接。清华大学沈阳教授认为元宇宙是通过整合人工智能、大数据等新技术而形成的一个理念或概念，并不是一种单纯的技术。

 

　　随着工业数字化的发展，将元宇宙概念引入至工业场景成为了可能，据相关分析报告定义，以“工业元宇宙”为标志的未来工厂发展的三个阶段，第一阶段：黑灯工厂与无人化车间，第二阶段：以数字孪生、CPS信息物理系统和全连接工厂为标志的未来工厂，第三阶段：以“工业元宇宙”为标志的未来工厂，如今第一阶段和第二阶段均已实现，正在向第三阶段迈进。

 

　　比如：拥有1.8万平方的小米黑灯工厂，车间没有工人，却能每秒生产一部小米手机。综上所述，元宇宙是未来工厂的发展方向，通过利用扩展现实、数字孪生和区块链等多种前沿技术，使用户以数字替身的方式进行生产、创作和经济交易，通过这种方式保持着对现实世界全面的感知与控制，但又与现实世界平行。

 

　　2研究现状分析

 

　　2.1元宇宙相关政策动向

 

　　随着元宇宙相关概念的提出及相关技术的发展，各个国家和组织对元宇宙表现出不同的态度。

 

　　美国是首先对元宇宙进行探索的国家，其主要关注元宇宙在开放性条件下如何保障相关数据的安全性和隐私性。

 

　　韩国为打造本土的虚拟现实平台，成立了“元宇宙”联盟，联盟内成员主要包括SK公司、LG公司、现代汽车等公司。欧盟注重元宇宙的规则、监管和安全问题，为充分保障用户权益和网络安全，先后出台了《人工智能法案》、《数字服务法案》等法律法规。

 

　　我国一直致力于推进产业数字化转型升级和工业数字经济的快速发展，出台了多项推动元宇宙发展的政策（如表1所示）。

 

　　2018年12月，国家工信部在《关于加快推进虚拟现实产业发展指导意见》一文明确指出：到2025年，需要将我国虚拟现实产业整体提实力进入全球前列，2021年3月，国家工信部提出“双千兆”网络协同发展行动计划（2021-2023年），形成增强现实/虚拟现实等典型行业千兆应用示范，2022年“两会”提案成立国家级“元宇宙”研发机构，届时工信部明确提出了在我国培育进军元宇宙的创新型企业的建议。

 

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