元宇宙浪潮已退？工业元宇宙火种刚起

August 5, 2024

Fanny Hu

发布于2024-08-05

2021年，元宇宙概念横空出世，旨在用科技创造一种与现实世界映射交互的虚拟世界。Meta、Roblox等各大科技公司们纷纷涌入，在其中，人们似乎看到了在虚拟世界中长出一个新型社会的机会。然而，时至2024年，元宇宙离塑造出一个新型社会仍然有较远的距离，如今甚至已经出现了“元宇宙已死”的说法。

不过，在远离普通人视野的地方，工业元宇宙作为元宇宙的一个分支却正在蓬勃发展。以数字孪生技术和XR（Extended Reality）技术为核心的工业元宇宙，希望能够在工业这一细分场景下，打通现实世界和虚拟世界的界限。工业元宇宙是当前工业智能化管理的集大成概念，通过运用数字世界的模拟算法来辅助现实世界的智慧决策，并借助以可穿戴方式融合虚拟与现实，让工人在执行任务时能够同时改造虚拟世界和现实世界，有望大幅提升生产力。

但相比于工业物联网，目前工业元宇宙的概念仍然很新。对此，我们采访了工业元宇宙专家，向他深入了解这一未来十年或可能改变工业生产样貌的技术。

工业元宇宙，基础为数字原型

工业元宇宙的愿景是在工业流程中创建一个与现实世界交互的虚拟世界，实现这一目标的核心技术之一是数字原型和数字孪生技术，均以3D模型为基础。其中，数字孪生技术是工业元宇宙的基本构件，强调每个现实物体都有一一对应的虚拟映射，可以实时反映物理世界的状态和变化，从而实现对整个系统的监控和优化。而数字原型则不强调一一对应，一个模型可能对应现实中多个实体，因此在产品实际生产之前数字原型可以进行多次修改和优化，从而减少成本和时间，为工业元宇宙提供了产品设计和开发阶段的虚拟模型。

数字原型和数字孪生技术都依赖于三维重建技术，在工业元宇宙中目前的典型应用是BIM技术。BIM是一种基于数字化三维模型的建筑工程管理方法，用3D几何模型替代了2D图纸，并整合建筑各阶段的信息，从而有效管理建筑全生命周期。使用BIM技术，设计师可在同一模型上协作；施工方可在施工前进行模拟，精准施工；运维者也可以通过3D可视化提升效率。

图一：图源 geralt / pixabay.com

3D模型生成分为as-design和as-build。前者在设计过程中生成3D设计图，后者在建筑完成后生成3D模型。

主流的as-build重建技术包括倾斜摄影、激光雷达扫描和人工建模，其中倾斜摄影是常见的模型生成方式。倾斜摄影主要使用无人机拍摄，生成多角度图像，再通过深度学习三维重建（MVS）技术生成3D模型。MVS技术最早出现于2002年或更早，在2009年后，摄像头画质的提升和与GPU运算的结合让MVS具备了在现实世界中实际应用的可行性。

不过，倾斜摄影目前仅适用于厂区外部模型生成，仍需较多人工映射，才能生成可用的数字孪生3D模型。且MVS技术高度依赖视觉特征生成3D模型。在低亮度和视觉特征重复高的厂房内部，目前主要应用雷达扫描生成3D模型。

而近年来包括NERF在内的新3D生成技术，生成的3D模型仍不够精确，还无法满足工业生产的需求。

XR是工业元宇宙的另一半拼图

数字孪生技术侧重于将物理世界带入虚拟世界中，而工业元宇宙拼图的另一半则是更侧重于将人们带入虚拟世界的XR技术。

在理想的工业元宇宙状态下，工人能够通过XR终端等显示媒介，与虚拟世界沉浸式地交互。通过人本身作为媒介，提升人的生产效率，进而提升工业效率。前XR在工业领域的主要应用场景包括：

工业点巡检

在工厂场景，通常工人要戴很厚的劳保手套。使用XR设备前，在进行检修点巡检时，工人只能摘下手套用纸质文档记录，或在合适位置使用防爆设备或手机进行记录，对工人不友好，且一个巡检过程往往需要2个小时，单靠工人去记住所有规则和流程，很容易出现遗漏。

而使用XR设备，如Rokid的X-Craft头环，工人则可以直接通过语音，与AR中的虚拟菜单交互，做到无障碍的切换和互动。这不仅能够解放工人的双手，也使工厂能够避免使用纸质文档采集原始数据后还需要信息化处理的麻烦，同时整个巡检流程可追溯，避免遗漏情况。通过与传感器连接，异常信息能第一时间同步到信息系统中，得到更快处置。

图二：图源 geralt / pixabay.com

远程专家

结合5G通信技术，XR设备还能够让异地专家、协作者更好地与工厂沟通协作。工厂人员通过佩戴AR设备与远程专家连线，能够让远程专家更好地对现场情况进行实时监控和诊断。同时，专家可以在视野中标注关键点和操作步骤，检修人员则可以按照专家的指导进行操作，提高了沟通的效率和准确性。

工业维检修

在良好的工厂数字孪生模型的前提下，XR设备可以直接将工厂的管道设计和隐匿在墙体里的结构以三维形式呈现在检修人员的视野中，或能快速为检修人员调出相应操作流程。检修人员能够更直观和更高效地进行检修。在XR设备的辅助下，工业检修不必依赖于老员工头脑中的知识，降低了人员更迭对工厂造成的成本。

职业培训

结合XR和AI技术，工人们可以直接在XR中进行培训和模拟操作。系统可以在工人们进行错误操作的时候直接发送提醒。比如，在富士康成都电子工厂，不少员工已完成经由XR设备的培训，据报道，XR设备的引入将原本两周的培训时间缩短至不到一周。同时，对于年轻员工而言，XR培训更沉浸化和游戏化，相比于传统培训模式也更受欢迎。同时，在多个分厂的工厂内，也避免了考核专家的奔波。

协同工作

通过XR，公司可以构建虚拟的生产车间，便于员工协同工作。2022年，本田就曾宣布开始利用XR开发产品，洛杉矶团队使用XR进行产品评估的第一款量产车型为2023本田Pilot TrailSport。“这些虚拟现实的方法改变了设计流程，提供了无限颜色和材料应用的可视化，改善了协作，并允许更快的反馈。”本田表示。

工业元宇宙正在打开新的想象空间

与已经发展了超过二十年的工业物联网相比，工业元宇宙的概念还处于萌芽阶段，实际产业发展状况有如下特点：

数字孪生成为大企业弯道超车的关键

目前，数字孪生技术越来越多地被应用于大企业中，成为他们所期待的弯道超车工具。

例如，在芯片制造中，工厂可以利用数字孪生技术对孪生体的芯片预测试，观察其对不同的电流变化和数据组态的反应，提高良品率。今年有报道指出，应用数字孪生技术后，台积电的3nm芯片工艺良品率在70%左右；而没有应用数字孪生技术的三星，良品率约60%。在高端制造业中，企业往往重视技术的领先性，很快就有了三星与英伟达合作布局数字孪生技术的新闻。

再比如，西门子在建造西门子数控南京工厂时，破土动工前就确定要使用西门子自己的数字孪生软件对工厂进行设计和后期运维。数字孪生技术可以让工厂的动线设计更合理——在孪生体中，可以对物流进行多次模拟，发现堵点进行重新设计，同时数字孪生技术也能让工厂的后期运维效率提升很多。

对于西门子这样的大企业，工厂投资动辄上亿，在工厂设计过程中可以讨论长期性价比，使用自有数字孪生软件也能对企业的工业软件销售产生示范作用。而对于中小规模的工业企业而言，数字孪生技术的使用成本依然高昂，因此鲜见成效斐然的工业项目。

在实际应用中，专家也表示目前中国的数字孪生行业尚有一些乱相：更多地来自顶层推动，工厂决策者并不真正关注数字孪生所带来的价值；作为尝鲜项目，工厂每年分配的预算有限且固定，降本增效时可能最先被优化掉，缺乏长期和可累加的投入；由于来自顶层推动，工厂进行数字孪生项目时，更关注于实现可视化的大屏展示，然而大屏上并非显示所有实时数据，甚至采用假数据等等。

XR技术适用性尚待提高

XR是实现工业元宇宙的重要技术之一，不过目前的XR技术尚不成熟，这也影响了XR技术的转化落地。目前，在工业领域目前AR眼镜相比于VR眼镜的使用更多，虽然如此，但AR眼镜应用仍然面临一些难题：

首先，AR眼镜的显示对外在环境有要求。在强光环境下和暗光环境下，目前的AR眼镜显示效果都欠佳。这限缩了AR眼镜在工业中的应用范围，使得AR眼镜更多地只能应用于室内生产环境。

图三：图源 vilkasss / pixabay.com

其次，就工业环境而言，目前的AR眼镜的适配性有待提高。比如，产品本身耐摔性不足导致应用成本高。目前市面上的AR眼镜，尤其是如Hololens等高端AR眼镜价格昂贵，而工业环境高粉尘、高油污，工人操作也相对粗放，导致产品很难大规模应用于生产前线。同时，许多工业环境存在防爆要求，但目前的AR产品需要做很多妥协和牺牲才能与之适配。

至于使用了VST（Video See-Through，视频透视）技术的VR眼镜，想进入工业场景，则仍需克服运动模糊的问题。目前，苹果公司所最新推出的搭载M2微处理器和R1芯片Vision Pro能够达到相关要求，但其重量仍并不适合日常佩戴。

综合来看，XR在工业元宇宙中的应用目前有明显的倾向性：更适用于工业设计或流水线制造。

或为技术变量的区块链和AI

前区块链和AI在工业元宇宙实际落地场景中应用仍然较少。不过，在未来的工业元宇宙场景下，区块链和AI或许将带来新的技术变量。

工业元宇宙将是一个持久运行、虚实融合的世界，而其中心就是数据的流动。区块链技术的引入能赋予数据不可篡改的特性，从而支持数据、资源和资产的跨平台管理和流通。此外，区块链技术还能成为工业元宇宙打造可信价值网络和新型经济体系的基础。

而AI技术则能为工业元宇宙的未来带来更大的想象空间。目前的工业元宇宙，更多地是把2D的交互搬到3D空间，而生成式AI则有可能带来交互方式的革命。比如通过自然语言与虚拟世界进行交互，或通过多模态与现实世界交互，从而成为人们在虚拟工业生产世界中的“助理”。

结语

作为一项尚新的技术概念，工业元宇宙已经展现出它的潜力。

从宝马集团宣布在其全球生产网络中构建并运行工业元宇宙应用，到西门子投资5亿欧元打造工业元宇宙技术发展中心，世界各地的灯塔工厂已经在应用工业元宇宙的概念来改造工厂，提升工业效率。

在数字原型、数字孪生和XR技术的加持下，虚实融合的工业元宇宙技术正在赋能现实世界，直到现实世界的每个角落都有数字化改造的身影。虽然目前支撑工业元宇宙的各项技术仍有进步空间，但透过先行者的身影，我们已经能够看见未来工业的雏形。

参考文献

1.http://xinhuanet.com/techpro/20220331/87c3fd92b58341aba5754fb1a44dde4d/c.html