1、 工业元宇宙白皮书 （2022 年） 李正海 元宇宙研究院 北京金山顶尖科技股份有限公司 1 目 录 1. 工业元宇宙概述 . 1 1.1 工业元宇宙定义. 1 1.2 现在开始探索工业元宇宙 . 1 1.3 工业元宇宙落地方法 . 5 2. 工业元宇宙技术体系 . 7 2.1. 工业元宇宙基础设施架构 . 7 2.2. 工业元宇宙技术与产品 . 9 2.2.1. 技术及管理类 . 10 2.2.2. 生产及设备相关类 . 14 2.2.3. 经营管理类 . 17 2.3. 综合集成应用技术 . 19 3. 工业产品 . 21 3.1. 工业产品虚拟化达到可制造的水平 . 21 3.2. 虚实
2、结合的工业产品 . 22 3.3. 更加美化、人性化的工业产品 . 23 4. 工业制造过程场景 . 23 4.1. 营销新模式 . 24 4.2. 设计场景 . 24 4.3. 从智能制造到智慧制造场景 . 26 4.4. 工业产品应用场景 . 27 2 4.5. 企业战略决策场景 . 28 4.6. 质量管理场景 . 30 4.7. 库存管理场景 . 32 4.8. 物流管控与优化场景 . 34 5. 人机结合 . 36 5.1. 从基层创新到战略创新 . 37 5.2. 虚拟身份与虚拟人 . 37 5.3. 人机结合 . 39 6. 从企业到生态平台，再到工业元宇宙 . 39 6.1.
3、积极推进元宇宙单元新兴技术应用 . 40 6.2. 构建企业内部集成平台 . 40 6.3. 主持及参与供应链平台、行业平台、地区平台 . 41 6.4. 积极建设工业元宇宙平台 . 42 7. 政府监管与政策支持 . 43 8. 未来的展望 . 44 参考文献 . 49 1 1. 工业元宇宙概述 1.1 工业元宇宙定义 如果把元宇宙看成是虚拟、现实与人及人的思想相结合的世界，那么工业元宇宙是元宇宙的一部分。如果把元宇宙看成一种概念、一种技术，那么工业元宇宙可以理解成元宇宙概念、技术在工业中的应用，是元宇宙赋能工业，促进工业改进、创新，乃至革命。在经济社会中，工业是对自然资源的开采和对各种原材
4、料进行加工及装配的物质生产部门， 在经济体量上目前仍是产业结构中的第一组成部分。因此探讨工业元宇宙，显然具有重要意义，也有向社会其他行业进行推广的价值。 工业元宇宙是目前三维设计、虚拟现实、增强现实、人工智能、 数字孪生、 物联网、5G 网络、大数据、云计算等新兴技术的发展优化乃至升级并有机大集成， 作为基础设施将大幅度提升算力（硬件、软件、算法） 、展示力、交互水平、通讯流量、速率、数据储量，将促进工业企业、 行业的生态发生革命性的改变， 改变人的思维模式， 促进创意、 创新、 创业，促进工业产品的丰富性、高质量、精细化、艺术性，具备竞争力，进而创造巨大的经济价值与社会价值。 将元宇宙化繁为
5、简，可以狭义理解为是信息化的单元技术提升、集成性提升、水平提升，核心强调可视化水平升级，目的是可以让人更好地体验，从而快速思考、触动心理，从而产生合适、有效的行动，并取得卓越的成果。工业在国民经济中占有重要地位，因此结合国家的政策，将两化融合、智能制造、数字化转型与元宇宙结合，提高这些项目的技术水平、能力，将对工业产生巨大影响，从而促进工业产品、工业企业行业生产过程和工业产品应用都上升到卓越的水平。 1.2 现在开始探索工业元宇宙 对于元宇宙而言，很多人认为从理论、技术、产品、基础设施都不太成熟，因此可以让元宇宙再飞一会儿。典型的例如 VR 头盔，很多人认为，目前佩戴时间超过 15 分钟，就会
6、出现2 眩晕情况。再如网络设施，因为目前的传输能力限制，对于元宇宙模式的立体三维信息的数以百兆、乃至 GB 级的数据，目前还达不到几十毫秒级的传输，因此交互的感觉差，达不到沉浸感、真实感的要求。而最重要的是，目前三维数据的内容还是相对比较少的，花费数千元，甚至数万元购置装备并不经济。而我们认为，对于元宇宙，需要从可行性、必要性与迫切性方面进行分析、 思考， 而最终的结论是应该现在就开始探索工业元宇宙， 也就是既不是痴迷元宇宙，也不是观望，甚至敬而远之，而是适度投入，结合具体细分领域、典型场景进行试探性推进。 可行性:针对工业元宇宙项目的应用开展，我们要对比综合分析。第一是技术的成熟度。第二是需
7、求的满足度。例如现在有些技术、产品费用非常高，但是这些技术是相对成熟的，同时这些技术并不是所谓最先进的。那么在企业中在经营策略上，一般会采用相对成熟的技术，而不是最先进的技术。这样推进规模化应用，才能够避免巨大风险。当然如果企业综合思考长期竞争力，而且新兴技术就是企业的战略导向，那么必须深入研究最先进的技术，并探索典型场景的应用。对于需求的满足度，很多人会非常理想化，例如说能够解决多少问题？能不能够百分之百解决？经济价值多大？那么我们要从定性到定量的模式来思考元宇宙的技术、 产品的应用。对于工业企业而言，最先进技术的百分之百的问题解决，更多是个学术上的理念，而可行性的模式，我们认为还是例如人机
8、合成的模式。用一个多年前的案例来说明，曾经北京交通大学机械系与南口机车车辆厂，联合开发油泵油嘴的计算机辅助设计系统。第一部分包括基础数3 据的输入，输入完成后进行性能计算，同时得到油泵油嘴的一些绘图参数。如果性能计算结果不合格， 则改进基础数据， 如果认为计算结果合理， 则可以利用这些绘图参数， 进入第二部分。第二部分是一个绘图用数据处理程序， 执行后将之前的基础数据、绘图参数读入系统，并按照规则进行变换，然后生成细化的绘图数据，然后人工也可以调整。完成绘图数据后，进入第三部分，进入 Autocad 环境，调用 LISP 绘图语言编制的程序，根据这些绘图数据，自动生成图形。这样的一个系统，对比
9、以前的工作模式，效率提升非常明显。原先模式需要两位工程师工作一个月， 才能完成一个产品设计工作。而采用系统后，一位工程师两天就可以完成产品设计，包括 37 张图纸的绘制。这个项目在设计模式，就决定不是程序完成全部图形绘制的，因为其中不考虑图形干涉，而在程序绘制图形完成后，由设计师根据图面细节情况，适当进行干涉调整。所以对于推进工业元宇宙而言，关键在于能不能构思出一个好的、可行的策略。 必要性:进入元宇宙时代，整个世界、整个社会没有人能够独善其身。 作为一个企业， 不是孤立的，需要和其他企业保持一致， 而为了竞争力， 甚至很多时候需要领先一步， 这样才能赢得市场。 法国就有一个案例很典型， 在飞
10、机总装设计装配时，采用供应商提交的三维模型，结果装配时在很多细节上出现了碰撞。认真研究原因发现总装企业使用的软件版本和配套企业使用的软件版本不一致。 而大量的细节问题结合起来就变成了大问题，该型号飞机预计的设计时间被延误了八个月。而很多情况下，企业采用先进技术往4 往是被逼的。曾经戚墅堰机车车辆厂在参与当时的铁道部项目招标时，要求提供基于三维的、用来维护的柴油机爆炸示意图。 于是企业安排购置软件、硬件，请求干部处调动人员，然后 18天就完成了柴油机的从零件到总装的三维建模工作， 零部件数量数以千计， 同时批量性培养了 21 位三维设计人员。但是需要注意的是， 如果市场竞争激烈， 如果客户提出要
11、求，不能在较短时间内予以满足，可能就会丧失市场机会。 迫切性:这是我们认为的工业元宇宙时代最重要的一个概念， 目前国家在推进数字化经济， 一些省市也推出智能化改造与数字化转型， 而且很多企业因为疫情经营非常困难，那么在这个时期，就迫切需要用新的理念、新的技术来武装自己。 在宣传方面， 针对细分领域结合元宇宙思维、技术、产品，构建出符合自身特色的、具有优势的产品与方案， 从而吸引注意力， 并和媒体合作，扩大影响力， 从而为企业带来商业机会。同时深化元宇宙研究， 真正意义确立出企业在单元领域的优势，提升水平，从而把理念落到实处，不仅知道， 而且做到。同时可以把工业元宇宙狭义理解成信息化应用的升级，
12、 对于企业的水平提升也有很多优秀案例，核心在于这些信息化软件、硬件、系统、平台要普及应用、深化应用、高水平应用。 例如北京一家工业企业，生产奢侈品牌的销售展柜。 而项目往往门店水平要求很高、时间5 也很紧急，并且费用也会比较高。但是生产过程中，却经常出现拖期情况，后来企业普遍采用三维设计软件，并精确测量客户现场数据，结果生产的整体产品、零部件更为精确，于是现场的差错问题大幅度降低，重新板材切割之类的问题基本杜绝，这样生产效率提升显著，顾客的满意度也明显提升。 综合而言就是，很多学者也提出在元宇宙的新格局下，工业企业可以弯道超车，还有些人提出换道超车，但是我们甚至要提出升维打击，真正思考如何打破
13、思维里面的框架限制，确立以往的、当下的产品与服务，在元宇宙时代的上台阶级式提升，这样才能够开始探索工业元宇宙，并取得良好的成果。 1.3 工业元宇宙落地方法 元宇宙作为一种新兴的理念、技术、生态，结合企业的具体业务，进行探讨分析其应用，将可以更好地理解具体执行的模式、应用的方法，带来的业务变化，从而分析其投入产出，有个从宏观到微观，进而再回到宏观的过程。安全管理是工业企业生产经营中的一个重要部分，具有重要的意义。下面介绍元宇宙在安全工作四个阶段。分别是：工作前期、工作准备、工作进行、工作的结束与总结。 工作前期：主要针对安全工作的学习训练，安全培训可以提高员工的风险辨识和安全操作技能。 将某作
14、业岗位人的动作要领分解细化， 对每个细化的要领进行风险辨识，从设备的本质安全、 符合人机工程的作业环境、 确立人员的正确操作。准备 VR、AR、MR 各种材料。可一对一地培训， 也可对同类人员进行组合培训。 学习的方式可以分成三个阶段， 虚拟阶段、 增强现实阶段、 混合现实阶段。 安全问题有些可以现实化模拟，更多的是不能现实模拟，例如地震应对、大型火灾应对等等，VR、AR、MR 从技术上是渐进的，投入也是渐进的，经过这样的顺序，也是性能价格比比较高的模式。而在学习训练过程中，可以充分利用人工智能技术，分析学员的状态、动作、反应时间等等，从而更好地制定强化学习训练的策略，取得较好的结果。 工作准
15、备：一般安全工作包括：重点安全点检和隐患排查，点检部位与内容，正确图示确6 认，隐患描述确认与消除等。从实际的安全工作来看，例如相关的法律法规、注意事项很多，结合具体工作就会有一些相应的要求， 而根据当天的任务，需要什么样的准备，有什么风险，需要什么样的设备等等。 这些可以建立一套智能系统，安全人员输入当日任务信息后，系统展示出一些相关的材料，这样具备针对性，就可以大幅度提高效率。一些不确定性的问题，系统可以进行智能性地探索性应答。在这个过程中，事务具体、相关信息具体、人员具体，可以采用多种形式的展示模式，采用虚拟化模式，人机交互的形式进行预演及检查确认，然后再上岗。安全涉及的材料很多，范围很
16、广，个人遗漏、误解等等很常见，采用这种有针对性的人工智能模式预期工作成效会有显著改进。 工作进行与管理：从管理维度，安全着重人的不安全行为与各类人员的安全监督，融入新安法三管三必须，不局限于安全管理人员，一般的作业人业也需要正确操作的自主管理。不能仅仅把元宇宙、信息系统看成技术，而要作为动力工具看待，它们也可以具备使能能力。例如每天工作按 8 点开始，系统之前会生成任务条目，要求安全人员上班后需要任务条目查询检索、思考当日工作需要的规章要求、准备要求等，并提交系统。而管理人员可以在 8:30 查询系统，掌握安全人员是否完成这样的准备工作。在执行相关安全工作时，安全人员除了一些业务必须设备等，还
17、携带一些元宇宙相关设备，具备边缘计算、传输能力、信息采集，甚至一些辅助性可远程遥控的设备。在应对当前任务时，安全人员如果可以掌控态势，顺利解决，可以关闭，不做进一步处理。如果出现疑难问题，那么可以向后台服务器、云计算中心提交请求，请求的信息包括人工提交的文字、语言、照片、录像等等，也包括采集设备采集的信息，后台系统具备人工智能，有强大的知识库，可以给予有针对性的应答。而假如后台系统没有合适的答案，那也可以构建强大的有一定数量的高水平专家资源库，联系专家进行合作处理。一些特殊问题，专家可以远程进行操作。最终保证问题的完满解决。从管理的角度，对于一些风险较高的工作，可以实现远程的监控，指导，甚至是
18、可以采用远程控制技术，实现远程的操作。再如一些特殊领域，例如核设备的检测，则可以采用机器人，进行巡检。 7 工作的结束与总结。通常安全工作经常会出现收尾不善的情况，这样自检、他检、十分重要。利用信息化手段进行检查也可以加以应用，充分利用元宇宙时代的感知技术、人工智能技术，快速实现检查验证，从而保证安全工作的完备性，高质量。而针对当前完成的任务，回顾作业全过程，查找隐患，进行反思、总结、提高、固化、优化，这样积累的经验、教训可以输入到系统中，系统具备学习功能，可以扩充知识库，供今后的普及应用。重大事项及时宣传推广与反思培训、落实相关改进措施。 2. 工业元宇宙技术体系 2.1. 工业元宇宙基础设
19、施架构 进入元宇宙时代， 连接进入系统的主体、 内容将越来越多。 典型的， 一个人会有多种身份；通过物联网，将接入更多的设备；一个人拥有的智能设备越来越多；而我们所处的环境，所处的世界，也将会有更多的智能化终端， 包括采集、 传输、 计算、 控制能力。所以未来，不是以往说的万物互联，而可能是万亿物互联、 亿亿物互联， 而互联的前提就是从物理世界的事物转变成数字世界、虚拟世界的事物， 那么未来， 现8 有的一些基础设施的能力都要定性上更高一个台阶，定量上有明确的技术指标的显著性变化。所以可以预期的是基础设施将得到高速发展，比较典型的就是算力、图形展示力，网络系统、大数据、人工智能等内容。 网络的
20、提升：元宇宙时代的网络会更加的多元化，从接入端看，以往的手机、平板、计算机还是二维显示与交互，而采用 VR 眼镜，则会使三维显示和交互，因此如果消费端能够规模化采用 VR 眼镜，而另外一个领域，例如智能汽车、工业装备、城市基础设施的物联网终端能够规模化， 结合起来， 那么整体网络产业链将发生重大变化。 而面对不同类型的应用场景而言，网络支持的要求也是差异很大的， 例如工业生产往往需要毫秒级， 而以往的平面信息， 人的感官只要低于 300 毫秒，人就可以接受。 但是如果是几十兆、 几百兆的三维数据传递， 要达到几十毫秒级， 人才不会眩晕， 这样就给网络提出了一个很高的要求， 因此综合设定场景的解
21、决方案尤为重要。 第二网络的信息传输要真实可信，未来要加强对攻击者、攻击行为的识别，并且能够追踪，证据保全，并追究相应的经济、治安、法律责任。第三是网络系统的不确定性，如何保证网络的可靠性、鲁棒性尤为重要。综合而言，针对工业领域的工业互联网、车联网等新型应用，需要一些细分领域的典型场景的样板性工程，实现技术突破，最终以点带面实现新型网络的更上一层楼。 云平台：一般意义上的云平台会认为是大数据、硬件设施、计算软件、人工智能系统的集成， 但是这种定义实际上一种技术的定义， 而实际上通过了这些数据， 可以连接各种设备资源，连接城市环境资源，最终连接人，连接组织 （专家团队） ， 因此是一个庞大的资源
22、空间，是一个具有势能的场。在这样的空间里，如果规模足够大，其能力也会巨大，因此需要理性看待平台。最典型的概念就是所谓的去中心化，而从互联网发展的历史来看，9 最初的目标就是离散化，但是实际发展的结果却是越来越大的中心化，但是这种中心并不是单一中心化，而是有多中心化，而某个细分领域，第一家占到 90%以上，第二家、第三家也就几个百分点，然后剩下的大量的 1%不到的单元。但是我们也要看到很多极为细分的领域的小型中心，另外也要说成是最小的单元，也就是个人，以个人为中心的小宇宙，在传统意义上，一个顾客可能影响 25 个人， 但是未来个人的影响力可能有巨大的差异， 有的人可以有数以万计、百万，甚至亿计的
23、影响力，而有的人可能数百、上千。但是也要注意到这种影响力比传统的模式要大得多。 海量的复杂单元的综合集成能力：对于工业行业而言，云化是必然的方向，而资源聚集到一起，就需要更好地制定规范、接口、协议，这样才能更好的集成、统一，而且这些集成技术也是需要不断发展的，不断创新的。典型的例如工业产品，从满足功能、性能要求，到满足文化需求，到满足个性化需求，甚至是某一时刻的心理需求，这个细化将带来生产、管理的高度复杂性，就必须重构企业、重构生产模式，管理模式，充分利用网络基础设施、云平台，再结合人的智慧，才能在外部多样性和内部标准、自动化、智能化方面获得平衡，从而构造出工业生产的元宇宙时代的新模式。 综合
24、而言，网络系统及云平台将成为物理世界、数字世界、虚拟世界与人的汇集的基础与场所，是一个需要仰望、需要探索，而又可以获得巨大收益的元宇宙核心。 2.2. 工业元宇宙技术与产品 元宇宙在工业领域将会广泛应用，带动生产力提升、改进工业的业务模式，促成企业数字化转型、以人为本转型，优化产业生态，进而促进价值分配与经济模式转变。在工业领域有大量相关的工业软件、系统、互联网平台，进入元宇宙时代，这些软件、系统、平台也将达到一个更高的水平，也就是要上一个台阶，因此我们按照工业管理模式将主要技术划分成三类，第一类为技术及管理类、第二类为设备及生产相关类、第三类为经营管理类。另外说明在工业元宇宙技术体系中不介绍
25、元宇宙中的一些常规技术，例如虚拟现实、增强现实、虚拟人等内容。 10 从工业信息化发展的路径来看，可以分成五个层级，分别是单元应用、系统化应用，集成化应用，网络化应用，以及与更为广泛的互联网相集成。而系统与人的关系也逐步升级，从解决单元问题的工具类软件、到计算机辅助工具， 再到以信息系统为主， 以人为辅的模式，甚至以计算机为主的系统，再到针对开放复杂巨系统的从定性到定量的综合研讨厅体系。逐步发展的典型技术与产品包括 1： 二维绘图工具。2： 三维设计软件。3：产品生命周期管理系统、企业资源系统与制造作业系统。 4， 计算机辅助工程 CAE(仿真)。 而从这些技术、 系统与工业的关系来说， 两者
26、也是相辅相成的， 企业的信息化水平高，企业的工作效率、产品质量也会高；反过来，因为产品的要求高，因此也促进了信息系统的发展。而从经济学的角度看，我国不同行业的信息化水平、两化融合、智能制造、数字化转型差别很大，例如航天航空领域、汽车领域的应用广泛、深化，水平高，而一般的工业企业往往层级较低，使用的系统少，孤立式应用比较多，这种跟企业规模也有直接的关系。而随着我国的信息化系统应用的普及，积累了大量的知识，形成了数据、算法、模型、规范、软件、系统，这些都是宝贵的财富，可以继往开来。 2.2.1. 技术及管理类 工业领域在技术及管理方面，传统的软件、系统主要包括计算机辅助设计 CAD、计算机辅助工艺
27、 CAPP、计算机辅助加工 CAM、工业设计 CAI、计算机辅助质量 CAQ、计算机辅助工程 CAE(仿真)， 这些软件和系统由产品数据管理系统/产品生命周期管理系统 （PDM/PLM）实现集成与管理。而进入元宇宙时代，将进一步深化三维展现、沉浸式体验、真实感体验，更强大的算力，并充分应用人工智能、大数据、云计算等基础。 11 三维应用及工业设计类，目前我国的计算机辅助绘图已经非常普及，三维设计也进入了相对广泛的应用，从三维设计的系统看，可以包括机械设计、建筑设计、电子设计等内容，这些系统的应用，对于更为精确地表达工业产品，起到了非常重要的作用，同时工作效率高、质量水平好。 这些系统通常会包括
28、零件设计、 装配、 绘图、 曲面等内容， 另外会有很多的专业模块，典型的例如模具、钣金、管路线缆等等，同时这些模块的数据也可以实现有效的转换与集成，例如有所谓的主模型技术，而从管理的角度而言，采用模型驱动的结构，将有效地规范数据的内容、形式，数据量，从而可以实现更好的应用。 采用数字化技术，可以精确地表达产品，可以快速修改、复用，而从实际应用效果而言，利用三维建模技术可以减少产品的设计错误，计算出零部件，乃至产品的重量。设计的模型可以分成几何模型、物理模型与机械模型（建筑模型、电子模型等） ，这样也可以更好地展示、交流与改进，并最终实现加工生产。对于工业元宇宙而言，笔者认为，将工业产品的虚拟化
29、水平提升到可制造的水平，这样将大幅度提升一次制造的成功率，但是对于设计人员，系统、硬件都提出了非常高的要求。 进入元宇宙时代，工业产品不仅仅要满足一般意义上的功能、性能，而且更加要符合人的12 心理， 这样就需要进行工业设计工作， 综合考虑产品的外观、 材质、 纹理， 让人有更好的体验，当然产品也更符合人的便利性要求，这些都对建模软件、系统提出了更高的要求，但是另一方面， 适合非专业人员， 甚至儿童老人的建模软件系统也纷纷涌现， 从而为大众创新奠定了基础。 目前我国的 CAD 软件主要包括 CAXA、尧创 CAD、中望 CAD 等，也有基于国外产品二次的开发平台，例如天正 CAD，天河 CAD
30、 软件。在三维设计领域则包括 1：国内的中望CAD、国外的 3D Studio Max、Maya、Rhino、Blender、AutoCAD、CATIA、Unigraphics NX、Pro/Engineer 、Top Solid、Solidworks、Cimatron、Alias 等。2：基于照片的 3D 建模软件，例如 Autodesk 123D、3DSOM Pro、PhotoSynth。3：在工业领域也有基于逆向工程的 3D 建模软件，也就是通过扫描出来点云构建模型，包括Geomagic、RapidForm、ReconstructMe、PolyWorks。4：一些基于网页(WebGL)开
31、发的 3D 模型设计软件，如 3DTin、TinkerCAD，可以在浏览器中完成 3D 建模。5，另外也包括一些非专业的草图软件，如 SketchUp、Teddy、EasyToy 等。 而进入元宇宙时代，更有俗称“人物造型大师”的 Metacreations 公司的 Poser 软件和开源的 MakeHuman 软件。现在在网络上也出现了 从事捏脸的专业人员。此外需要说明的是，一些游戏软件也有建模的能力，例如我的世界 Minecraft、Unity,近来很火的 ROBLOX等。需要说明的是，这些建模软件往往有自身的格式定义，在进行集成式往往需要转换成标准格式，有些产品相对独立，需要二次开发，而
32、典型的如中科院遥感所就完成了 Unity 模型数据向自身三维系统的转换工作。 仿真分析类，通常介绍仿真分析，主要是计算机辅助工程 CAE，但是实际上仿真不仅包括 CAE，还有多项内容： 零件的加工仿真，根据产品需要，设置胚料、设置数控机床、装夹、刀具等信息，设计工艺，并进行模拟加工，检查碰撞情况，分析加工效率等工作，最终生成加工代码，可以实现零件的数字化生产。 13 装配仿真，进入元宇宙时代，远程协同是一种常态，因此之前三维软件也支持装配工作， 但是为了降低硬件系统要求， 减少数据量， 往往采取一些轻量级模型， 进行产品、部件的装配，另外根据人的视觉需要，也采取一些，例如远近不同，则显示模式不
33、同的方式，以提高显示效率。随着元宇宙时代的来临，利用头盔、利用平台，可以更好地查看虚拟产品、分析性能，找出问题，并持续优化。 生产线模拟与系统模拟，而在构造制造业企业方面，也有一些交互式、可视化的仿真软件，这些软件主要包括模型的构建，包括设备、人员、空间资源等，并对时间、资源的分配、使用、释放、变换，进行过程性的模拟分析，查看正确性、可行性，发现错误，解决问题，并且可以量化问题，并进行财务分析和决策优化。 计算机辅助工程 CAE，这类软件主要是偏向机电性能 方 面 的 分 析 计算，改变以往的产品设计、 样品试制，然 后 进 行 试 验 分析，最终定型量产的过程，而是通过虚拟的方式进行结构力学
34、、流体力学、 电磁学、热分析、碰撞分析、多刚体动力学分析、复合场分析等等，这样降低了实物制造的成本，可以缩短时间，提高质量水平，同时有效减低安全风险，并且可以不断优化，从而最终实现产品的一次制造成功。 零件的加工、装配仿真往往和三维设计软件集成，而生产线模拟与系统模拟软件主要包括 Arena、 InteRobot 生产线仿真软件等等。 典型 CAE 软件包括 产品， 如 Ansys、Simulia、Fluent、CFD、Altair、HyperWorks 等等. 产品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM） ，将产品从需求、创意开始，到设计、制造、营销
35、、应用及服务，最终产品淘汰报废的全部过程。管理的对象不仅包括产品数据，也包括人员组织、工作流程、项目等内容。 产品生命周期管理系统可以作为各种技术领域的软件系统的集成化应用平台，而在产品数据的内容与形式上，现在先进模式是模型驱动的结构模式，这么模式下，对于数据的架构、数14 据内容、形式、状态都进行了规定。而对比历史，从图纸，到三维模型，到工艺数据，加工数据，后来增加了产品结构数据、零件族数据，管理作业、流程、项目，进而实现与 ERP 集成等内容。因此产品生命周期管理系统也是不断发展的。而进入元宇宙时代，很显然的，数据的内容与形式又将产生巨大的变化，典型的，例如大量的动态的三维模型，为了更好地
36、展示，采取多种级别的显示模式数据。 这里我们需要强调的是，工业的生产过程是一个不断的从不确定性到确定性的过程，因此数据是不断地转化的。 例如营销时只有简略的技术说明， 然后是设计方案， 再到产品设计模型，设计图纸，再到工艺设计、加工设计，装配设计，再到质量检测、运输库存、应用服务，数据是越来越增加的，而在一个产品生产结束后，或者说一定的应用周期后，往往会对产品进行评价分析，以实现经验知识积累，从而为后期的设计生产起到指导作用。 国内的上海思普产品生命周期管理系统 PLM 是领军品牌，还有以财务软件知名的金蝶和用友分别收购广州普维、重庆迈特后宣称进入 PLM 行业。国外品牌如 PTC 的 Win
37、dchill、西门子的 TeamCenter、达索的 Enovia 等。 2.2.2. 生产及设备相关类 工业企业发展到今天，最典型的就是出现了智能制造系统，最典型的就是数控机床加工设备，检测设备、机器人，智能运输小车等自动化智能化设备。在执行控制方面。工业控制系统得到了广泛的应用，而为了提升生产的集成性，机床设备联网、自动化乃至智能化生产线已经日益普及，而为了适应车间级实时性、变化大、批量小的要求特点，制造执行系统得到了广泛的应用。这里主要说明元宇宙时代的一些典型的关联技术。 人工智能技术，进入元宇宙时代，工业产品越来越客户定制化、个性化，因此产品越来越15 小批量，多品种，这样也就意味着大
38、量的不确定性，在设计理念出现面向制造的设计，而在实际生产中，就会有大量的人工智能技术应用，比较典型的，例如生产过程中，物料在流水线运动，装夹机器人可以智能化识别，进行拾取、放置、固定。刀具系统智能化选择刀具、安装刀具，并智能化确定加工起点位置、在产品加工时，能动态识别产品的质量状态，及时矫正，或者出现系统性偏差时进行报警，从而使生产更具柔性。 机器人技术，在工业企业中，机器人得到了大量的应用。工业机器人是用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性、智能性，主要包括动力及驱动部分、机械执行部分、传感部分、人机交互系统、控制部分，可以独立应用，或与主设备集成为加工制造单元、焊
39、接单元、装配单元，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加16 工制造功能。具备易用、生产效率高、安全风险低、容易管理、经济效益显著等特点。被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。 在元宇宙时代，工业机器人会日益智能、自主化，机械动力性能能为强大，而人机结合、网络化日益成为重要发展方向。 远程制造技术，在元宇宙时代，工业生产越来越离散化，标准化，除了一些重大装备、特殊装备外，加工设备、制造型企业将成为一种基于网络的能力提供者，这样的模式下，那么基于物联网、工业互联网、互联网、移动网络，远程制造的模式将成为一种趋势，这种模式下，如同工业 4.0 中提出的端到端的集成，在底层逻辑上大量
40、的标准化，数字化，信息化，有统一的接口、算法、模型、软件，从而可以实现数据的变换与集成，最终形成加工指令，而基于网络，就可以传递从产品数据，直到加工的各种级别的数据，最终实现实时性的远程制造。而在制造的过程中，绝不是纯粹意义上的无人生产，大量的标准化的产品，可以自动化生产，有一些产品可以通过人工智能，柔性生产线、生产设备完成生产，更有大量的工作可以人机结合，通过远程的指导、管理、操控来完成。 数字孪生技术作为工业元宇宙的典型技术，在加工设备应用关联及工业产品生产过程中，可以认为是物理性的事物和数字虚拟性事物的同期变化，这样通过精准地映射，可以远程第创造出数字化模型，以 VRAR 的形式展现信息
41、，从而使人可以更好的认知、监控、处理事物，从17 而实现多种主体的互动与协同，最终实现实时性、精准性、正确性的生产，从而保证产品的质量，满足客户的完美性要求。 在这些领域比较著名的企业， 人工智能领域包括百度、 华为、 腾讯、 阿里巴巴、 科大讯飞、海康威视、华大基因、字节跳动、大疆、商汤科技；机器人领域包括富士康、杭州国辰、沈阳新松、南京埃斯顿、哈尔滨博实、湖北三丰、广东拓斯达、武汉华中数控、深圳大疆、北京臻迪；数字孪生领域包括：安世亚太、天夏智慧、延华智能、赛摩智能、神州数码、华力创通、能科股份、恒为科技、楚天高速、华中数控、运达科技、兰光创新等。 2.2.3. 经营管理类 传统的工业企业
42、的信息化系统包括 ERP （企业资源计划） 、 CRM （客户关系管理） 、 SCM(供应链管理系统)，还有 OA(办公自动化系统)、PM（项目管理系统） 、BI （商业智能系统）等等，这些系统的核心是管理企业的各种资源，将其有机合理地组织起来，以最大程度发挥其功效，以实现经营性目标，也就是避免风险与失败,创造产值与利润。 而进入元宇宙时代,需要注意的是管理的对象发生了巨大的改变，典型的例如大数据、NFT艺术品将成为企业最重要的资产，而发挥人的潜力，为人提高创意、创造、创新的平台尤为重要，生产协同面向全世界，而客户也面向全世界，当然竞争也面向全世界，因此企业必须积极学习、思考、接受新兴技术，把
43、握时代潮流，才能在竞争中赢得胜利，做大做强，成为世界级品牌。 在元宇宙时代，数据将成为更主要的资产，那么系统的对数据的处理能力尤为重要，从会计电算化， 支持企业规模化经营，辅助战略决策，数字资产的确权、定价、交流、交易，使用、18 改进都变得更为重要，这些工作往往需要与云计算、大数据、移动互联网相结合，要求有更高的实时性、精确性与经济性。同时需要注意的是，在企业运作过程中，NFT 资产、虚拟人、虚拟身份、自然人，这些对象往往都是动态变化的，需要适度控制风险，顺畅应用。典型的，例如一项数字资产是与一个员工的虚拟身份绑定的，能否在员工离职时及时收回。 而在元宇宙时代，大量的创意创新工具涌现，采用虚
44、拟人、虚拟身份可以促进企业员工发挥积极性，那么利用人工智能系统，构建基于互联网、移动网络的新兴技术的知识与技能对标系统就尤为重要。一方面跟踪、适应，甚至引领世界先进技术潮流，另一方面，保证自身企业的能力能与企业的生产运营、竞争与未来发展相适应。 19 综合而言，在元宇宙时代，企业的经营管理的对象将更为巨大、复杂、动态，因此将形成一种生态， 而管理与控制这种生态也需要更为强大的经营管理系统，那么企业就要高度强调电子化、信息化、标准化、数字化，这样才能实现自动化、智能化，并在企业从领导到员工的智慧引领下，实现企业的盈利与发展。 在经营管理领域国内著名的公司有金蝶、用友，国际的 SAP 软件。我们需
45、要注意的是国内的很多软件企业进行了大量的集成性工作， 例如上海思普的 PLM 软件就和 SAP 软件完成了很好的集成体系，并在客户中大量应用。 2.3. 综合集成应用技术 进入元宇宙时代，例如 VR/AR 技术可以贯穿整个工业流程，用户可以通过穿戴设备进入虚拟场景， 查看现实工业企业映射、 生产过程， 期望设计生产的产品， 目前产品的应用形态等，而这种查看是可以突破空间限制的，对象可以是人、是工业产品、是环境场景，也可以是纯粹的数字信息、虚拟信息。 在数据信息层面，利用三维模型，整合物联网采集的数据，建立增强的环境、设备、人员的可视化模型，并可以对要素进行增强现实，一般性的设备、部件用线框表示
46、，而例如机器内20 部 有 故 障 的 部 件 ， 用 红 色 块 表 示 ， 这 样 可 以 做 到 更 好 的 展 现 。 在数据的展示层面，越来越多地实现总体化、体系化、重点突出化，具体而言就是展示的信息利用大屏幕、 或者多屏幕技术， 尽可能完整地展示数据。 然后是根据企业的管理经营特色，将数据有机地集成起来展示，通过分析、综合、对比等方式，有逻辑地展示。再就是针对重点关注对象，予以强化显示，例如红色图表、警铃发声、闪烁显示，多种形式综合的方式，从而达到可以让人很好感知的目的。 在体验方面，针对人的感知能力，进行系统设计，典型例如显示的文字的大小，颜色之间差异的人的敏感度，针对色盲人员的
47、特殊设计等等，这样的目的就是让人有很好的体验。而在手段上例如采用三维眼镜，这样可以更好地感知虚拟世界，从而形成沉浸感、真实感、美感。 进入元宇宙时代，因为信息量巨大，结合人的需求，需要自然而然的交互，传统的模式包括键盘、鼠标，然后目前有了一些触摸、手势识别，也有了一些图像识别、声音识别，表情识别、身体几何模型采集、动作识别、而现在也有一些探索性的交互技术与应用，例如远程的嗅觉、味觉、体感，脑机接口，这些都为更好地实现人机交互、人人交互提供了技术基础。 在实际的应用中，这些技术不是孤立的，而是集成综合应用的，因此单元技术很重要，而集成技术也很重要，就需要全流程，全链条地规划设计，从而结合具体的业
48、务，包括例如远程的协同设计，指导生产、应用过程中的监控、问题解决、获得更为优越的运维方案，减少意外停机的带来的损失；针对用户、合作伙伴、服务人员的培训等场景，设计元宇宙时代的解决方案。 21 3. 工业产品 工业产品从简单到复杂，有封闭系统，也有开放系统，数量从单个到少量，到数以万计、千万计，乃至亿计的大规模，应用场景则千变万化，因此工业产品的设计过程、工业制造与应用过程实际上是从不确定性向确定性转变的过程。进入元宇宙时代，工业产品也将发生相应的改变。 3.1. 工业产品虚拟化达到可制造的水平 在消费领域，元宇宙强调沉浸感、真实感，而在工业领域，首先要探讨工业产品的虚拟水平，我们认为工业产品的
49、虚拟化要达到可以实际生产的水平。在目前的现实中，企业往往根据职能会分成设计师、工艺师、车间工艺师、车间生产工人、班组长、调度等等，设计师需要考虑工艺，考虑生产，但是定性说，考虑得相对较少，定量说，也许 10%都不到。这样就导致从设计到生产中往往会出现大量的问题，返工返修，重新设计情况比比皆是。造成这样结果的原因也是因为基础设施能力、信息基础不足、设计手段、工具不足。进入元宇宙时代，将为虚拟化提升水平创造条件，例如国产的工业软件更具性能价格比，从而可以实现普及化应用。这样从三维设计的普及化，到计算机辅助加工的普及化、计算机辅助工程（仿真分析）的普及化。同时开展虚拟22 仿真分析时，不仅考虑立足自
50、身企业，也要考虑世界同行水平，客户需求水平，从而确立领先地位。而显然达到这样水平的虚拟工业产品的制造可以大幅度提高一次制造成功率，在市场上也具备竞争力。 3.2. 虚实结合的工业产品 工业产品不仅仅是一台单纯的设备，还有备品备件，还有安装调试，还有维修、服务等内容，因此工业产品不仅仅是钢铁，还有软件系统，还有算法，有大数据。在物联网、工业互联网、5G 移动网络的基础上，工业产品将更具智能化、智慧化。 典型的工业产品的使用说明从最早的使用书，包括文字与二维示意图，发展到三维的拆卸、安装爆炸图，再到提供二维码，查看拆卸、安装的视频，乃至基于 VR、AR 的应用与维护训练。更为重要的是工业产品在使用
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