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什么是工业元宇宙?其为提高生产效率带来了哪些新的发展思路?

什么是工业元宇宙?其为提高生产效率带来了哪些新的发展思路?

前言
伴随着元宇宙概念大热,国内外多个巨头企业抢先布局,国内多个地方政府也在积极布局、发展元宇宙技术及相关产业,试图抢占先机。针对各业务场景与元宇宙的融合,万向区块链首席经济学家办公室团队出具了系列元宇宙相关研究报告,本篇将主要聚焦工业元宇宙,探索其发展路径。
作者:万向区块链首席经济学家办公室  王普玉
审核:万向区块链首席经济学家  邹传伟
原标题:《对工业元宇宙的认知丨万向区块链元宇宙系列报告》

本文从技术维度定义了工业元宇宙,提出“由实到虚”和“由虚到实”两条并行的工业元宇宙发展路径,并详细讨论工业元宇宙对以提升生产效率为目标的物质文明影响。

什么是工业元宇宙?其为提高生产效率带来了哪些新的发展思路?

Roblox上市,Facebook全面开启Meta布局,苹果、微软、腾讯、阿里等科技巨头纷纷对外宣布关于元宇宙的布局计划,一时间,元宇宙成为市场上人们所热议的话题。就在人们沉浸于讨论以社交、游戏、创作为主的消费元宇宙时,一批工业企业也提出了他们对元宇宙的布局,也就是本文将要讨论的内容——工业元宇宙。

工业元宇宙概述

人类社会的发展始终围绕着物质文明和精神文明两个主轴前行,且相辅相成。从主流观点看,宇宙也将如此,未来元宇宙将形成以推动物质世界生产效率为核心的产业元宇宙,和以升华个人精神世界为核心的消费元宇宙,形成双中心并行的生态系统。本文先以工业为例,讨论工业元宇宙将如何推动以生产效率为目标的物质文明发展。

技术视角的元宇宙

什么是元宇宙?有人认为元宇宙是现实世界和虚拟世界的并集,也有人认为元宇宙属于现实世界与虚拟世界的交集,还有人认为元宇宙是多个虚拟世界的映射等等,不同的组织和学者对元宇宙的形态有着不同的猜想,目前没有人能够给出确切的答案。但从技术维度基本形成了共识,元宇宙是用户通过AR、VR等技术,基于5G、物联网、数字孪生、人工智能、区块链等技术,可以随时随地、低时延的与元宇宙链接,在元宇宙中应用各种低代码引擎进行创作,也可以沉浸式的在元宇宙里办公、游戏、社交、购物等等。

什么是工业元宇宙?其为提高生产效率带来了哪些新的发展思路?

图1:元宇宙生态图(资料来源:Jon Radoff)

工业元宇宙作为元宇宙的一个子集,通过更高效的协作方法、更透明的数字化管理手段,为生产效率提高带来新的发展思路。下面我们将围绕两个维度对工业元宇宙展开详细讨论:分别是“由实到虚”“由虚到实”

“由实到虚”和“由虚到实”的区别

1. 定义

“由实到虚”是根据技术和经济的客观发展规律,将工业带入到元宇宙阶段。例如,工业设计中人们使用平面二维、三维CAD软件,到现在应用VR、AR等技术实现空间立体设计,这些技术的创新初始目的并非为了构建元宇宙,而是为了满足物理世界更高级别的设计要求。

而“由虚到实”的技术创新源于虚拟经济的需要,作业流程、协作方式及作业目标与物理世界没有直接的映射关系。例如,区块链将创作者经济的发展带到空前的高度,市场上一些NFT作品,制作过程和成品储存都是在数字世界中,没有映射到物理世界的具体实物。但是这些数字作品可以通过3D打印,变成物理世界真实的产品。

2. 两者关系

在发展过程中,“由虚到实”会影响“由实到虚”的方向,但随着科技发展以及人类认知的进步,会对“由虚到实”的内容和方向逐渐修正。20年前人们阅读小说《雪崩》,大多数人只会当作茶余饭后的消遣,同时满足精神世界的憧憬和向往。但随着通讯技术、硬件技术、图形处理、算法的发展,当人们再次提到《雪崩》时,发现20年前的那个虚拟世界正在走向现实。当我们把时间轴拉长看,会发现“由虚到实”和“由实到虚”的确存在着某种微妙的关系。

“由实到虚”的工业元宇宙

在这部分,我们分为两个部分来讨论,第一是围绕生产效率的提升,回顾“由实到虚”的技术发展;第二是“由实到虚”的技术发展,将会把工业带入怎样的元宇宙?

“由实到虚”的技术发展

1. 工业软件发展简述

“由实到虚”的技术发展代表了整个工业软件的发展历史,而工业软件的核心就是数字化建模与仿真。美国从1995年开始加速数字化建模和仿真战略,到2005年小布什总统的报告中提到计算科学,再到2010年发展高性能计算进行数字建模和仿真,和2018年的先进制造业伙伴计划,都是围绕着工具的模块化和开放式平台;尤其在2014年美国总统科技委员会确定的11个领域,基于多项影响国家发展的因素打分,其中可视化、信息化和数字制造是三大领域,这些都是围绕着数字化建模和仿真。仿真软件也从市场上最早的面向中低端制造,如Solidworks, Autodesk,AutoCAD等2D的仿真计算机辅助设计CAD和计算机辅助功能CAE软件,出现了面向高端市场,如达索的CATIA,西门子的Solid Edge等平面3D仿真CAD和CAE软件。

2. 工业软件分类

根据中国工业技术产业软件化联盟的分类,工业软件主要分为四类,分别是:

(1)研发设计类软件,细分为3小类:设计类绘图CAD和芯片设计EDA,仿真测试类CAE和CAM,产品管理类PDM和PLM;

(2)生产制造类,细分为3小类:现场控制类DCS、SCADA和PLC,流程管理类MES,能效管理类EMS;

(3)经营管理类,细分为4小类:企业资源管理类ERP,供应链管理SCM,人力资源管理HRM/HCM,营销管理类CRM;

(4)运维服务类,细分为2小类:工厂运维类MRO,设备管理类PHM。

3. 工业软件发展特点

工业软件是工业品的结晶,是长期积累的工业知识(工业制造方法及流程等)和诀窍的结晶。通过多年的数据积累及技术发展,工业软件在功能实现层面运算的准确性、正确性、兼容性和安全性都在提升,模型和数据管理的可恢复性、容错性和成熟性也在快速进步。产品的复杂度和环境的复杂度增加,市场对工业软件计算能力的要求在提升,人们对产品的图形界面要求也在提升,从二维到三维、从静态到动态、从历史数据到实时数据处理,伴随着工业软件的发展,在数字世界中正在还原着一个完整的物理世界。

“由实到虚”的工业元宇宙发展

提到元宇宙技术,首先想到的则是AR、VR等扩展现实相关的硬技术,其次则是数字孪生、CPS等软技术,本章节暂不对技术展开讨论,只针对前面提到的物质文明继续讨论:工业元宇宙相比现有技术,将如何提升生产效率?我们从工业四个阶段详细分析。

1. 研发阶段

二维和三维的CAD基本解决了静态设计中的问题,CAE和CAM实现了产品和产线在仿真动态环境中的表现。但随着科技与经济的发展,市场对制造业提出了更高的要求,需要进一步提高工业生产效率及降低生产成本,这些需求主要体现在以下几个方面:

(1)提高多方协作效率

车辆设计往往需要经过上百个环节,通常要上一环节完成设计并发送给下游,才能开始新一环节的设计,整个过程会非常漫长,而且可能遇到不同设计软件之间的数据互操作性问题。英伟达的Omniverse为元宇宙工业软件互操作性提供了基础保障,通过标准化的USD格式档案,实现不同平台和软件数据的无缝交换及传输,设计者和创作者们可以在不同办公地点之间在线同步协作,将车辆设计时长降低了30%。

(2)设计中虚拟与现实的无缝链接

当前各种仿真设计软件,均是在“仿真虚拟环境”中设计“仿真产品”,然后用于真实产品的量产;这个过程中,仿真虚拟环境对产品的影响因素无法完全量化,产品验证性能也无法达到接近物质世界的状态。而在工业元宇宙中,通过数字孪生构建仿真虚拟环境,物联网实现虚拟环境与物质世界之间对数据的实时通讯,不仅让仿真结果的可靠性提升,同时做到仿真系统的实时迭代和优化。设计者可以通过VR或AR眼镜,沉浸式的感受设计效果,通过“真实”的管理实验,完成各种人机工程的设计及优化。以上改变能够对工业设计效率和能力提升带来质的飞跃。

(3)基于产品全生命周期数据的设计迭代及优化

打通供应链数据,实现商业模式闭环是每个行业数字化改革的终极目标。然而,从这个目标提出至今已过去20多年,绝大多数行业仍然无法实现这个目标;排除各相关方的数据隐私和利益问题,仅从技术角度分析,供应链链条长、数据保存不规范、数字化程度不一致,导致各参与方仅持有供应链上片段数据,很难实现全链条数据打通,并完成基于数据的产品设计及迭代。在元宇宙中,每个工业产品都将在数字世界生成一个数字孪生体,伴随着产品的全生命周期,物理世界的实体产品数据通过IoT实时上传到数字世界孪生体,通过这些数据能够实时掌握产品状态,对产品的各种故障做出提前预警,用户也可以实时上传产品体验和建议,为产品设计和迭代提供参考。当前电动车行业已经开始这方面尝试,如未来基于数字孪生的汽车全生命周期管理得到普及后,将会加快工业元宇宙的发展。

2. 生产制造阶段

工业元宇宙在生产制造阶段的价值主要分为以下两方面:

(1)远程监控、巡检

工业元宇宙支持多用户在线协同及各类工业互联网云接入,兼容各类终端设备及AR眼镜,可快速应用于远程监控、操作指导、培训教育等场景。如图2所示,员工通过AR设备识别设备的运行状态及问题。

什么是工业元宇宙?其为提高生产效率带来了哪些新的发展思路?

图2:作业巡检(资料来源:DataMesh官网)

(2)制造流程可视化

通过数字孪生DT与信息物理系统CPS,对产线实时监督管理,做到事前合理规划,事中科学决策,事后决策模型迭代与优化。

3. 工业消费端阶段

工业元宇宙的到来,市场上会逐渐告别纸质、平面化的说明书时代,未来会有更多虚实共生、高沉浸感、强IoT连接的数字孪生所取代。在销售中,客户远程通过VR、AR在虚拟世界中参与产品设计和产品选择,提升销售订单转化率和无效沟通。在客户使用中,通过VR、AR设备,员工能够实时看到操作流程和要求,按照步骤完成相关任务,降低员工培训难度和减少生产过程的操作失误率。在售后维修保养中,供应商通过AR、VR进入虚拟工厂发现问题,并远程进行故障维修,或指导现场工人按照步骤完成维修工作,提高维修效率,降低维修成本。例如BMW负责人在介绍数字孪生工厂中提到,员工头戴智能眼镜,操作的内容和方法会逐步演示与提醒,员工只需根据操作指导画面完成相关作业即可,节约了培训成本与减少操作失误率。

4. 工业企业内部经营管理阶段

新冠疫情让人们逐渐习惯了远程办公、居家办公等方式,员工招聘也跨越了地理局限,中国企业完全可以招聘欧洲员工并通过线上办公协作。Facebook所推出的Horizon Workrooms就是准备用元宇宙替代传统Zoom等会议软件,让人们在元宇宙中远程办公室效率超越传统虚拟方式。

“由虚到实”的工业元宇宙

“由虚到实”的工业元宇宙很难预判,无法根据现有技术再结合惯性逻辑思维去判断它到底是什么,大多只能通过比特世界的一些蛛丝马迹进行推测和想象,所以本部分内容只是探讨,而不做出任何具体方向的预判。比特币、以太币的出现让我们对比特世界的认知焕然一新,接着基于以太坊的智能合约实现了价值的可编程性,出现了如DeFi,NFT等创新,从加密资产到各种金融衍生品,再到数字艺术品的市场化、区块链游戏的火爆让创作者经济发展空前热闹,这一系列的发展让我们感受到了与以往不一样的力量,这股力量正在让我们突破由物理边界构成的想象限制,让我们围绕比特世界看到更多可能性。其中有三方面是当下讨论最多的,分别是:技术能力、协作关系和商业模式。

技术能力

如图3所示的元宇宙产业链,其中技术能力大多来自于“由实到虚”过程的发展,如5G、WIFI6、云计算、AR/VR、AI等等、CPS、数字孪生等等技术。但有一部分技术则是来自于“由虚到实”的过程,最典型的就是区块链,虽然区块链综合了“由实到虚”的分布式计算、密码学、隐私计算等等,但区块链概念源于比特币应用,用技术重构信任,颠覆了物理世界的一套金融管理方法。

协作关系

如果说产业元宇宙是通过生产效率的提高而实现更高阶的物质文明,那么提升供应链协同效率则是生产效率提升的基本保障。供应链协同是一个非常复杂的问题,在20世纪80年代,美国日用品制造商宝洁公司将信息系统与一家超级市场的系统相连,实现数据共享并完成自动下单补货,大大提升协作效率,这也是历史上首次实现了供应链信息共享和协同管理。此后,不同行业不同领域都在试图打破企业的边界,将供应链上的各个信息孤岛连接在一起,打通数据链条并实现多方利益最大化。但市场竞争环境复杂多变,资源分配不均且各方目标不同,因此信息孤岛问题长时间陷入僵局,多方协作信任问题严重影响供应链效率,基于不完整数据的博弈问题导致供应链出现严重的牛鞭效应,高昂的库存成本让供应链上游企业在发展道路上“负重”前行。就在行业一筹莫展的时候,“由虚向实”的比特世界提出的分布式自组织DAO,为供应链协同提供了一个新思路。“未来的竞争不是企业与企业之间的竞争,而是供应链与供应链之间的竞争”,这个观点在十年前已经被企业家们认可,但在这十年时间里,又有多少企业真正是站在供应链总成本最大化的角度去考虑与上下游的协作?更多是利用供应链核心企业的主导地位去挤压上下游中小合作商的利益,例如供应商管理库存VMI模式,这种模式下让核心企业实现了零库存,达到自身成本降低的目标,但因为供应链数据不透明,供应商仍持有大量库存用来缩短前置期而满足下游的订货需求,所以VMI模式只是将成本从下游转移到上游,而没有真正实现供应链总成本降低。DAO将目标相同的企业聚集到一起,共同维护生态的发展和治理,通过资产质押、积分和token持有等方式让组织的目标与企业目标实现强绑定,生态发展向上则全员受益,个别企业作恶自身资产价值也会受到影响。DAO模式将重新界定了企业间协作方式,虽然DAO目前还没有成熟的业态,但在未来工业元宇宙发展中不会缺席。

商业创新

比特世界中的商业创新,其内在爆发力则是来于“信任”,“In Blockchain, We Trust”,区块链用技术重新定义信任。谈到“信任”,工业企业在“信任”维护和管理上耗费大量的“隐性成本”,这个隐性成本的金额到底有多少?没有人统计过,我们通过一个简单的“采购”管理流程就可以基本判断。采购环节,很多企业有着严格且复杂的流程,供应商需要提供各种资质证明材料、销售情况、产品质量证明、生产能力证明、研发能力证明等等,企业会对这些材料的真实性花较长时间审核,这个过程花费大量的人力成本和时间成本,而这项工作仅仅是将供应商数据纳入到企业供应商认证资源库,而且采购部门需要每半年或一年对资源库各家企业信息更新一次;当有采购需求时,采购部门会从资源库找出潜在供应商还需要进行新一轮能力的考察。如果供应链各方企业能够将所有业务数据上链存证,未来商业撮合成本是否会大幅降低?撮合效率是否也会大幅提高?

在工业元宇宙发展中,来自比特世界的分布式数字身份DID、非同质化代币NFT,分布式存储IPFS也将不会缺席。Web2.0阶段,数字知识产权保护问题难以解决,工业创新也会受到严重阻碍,例如一些设计企业,将设计文件发送到OEM企业,虽然可以利用法律合同作为“信任假设”限制OEM企业将设计文件外泄;但文件从设计方发出后,后续流程成为黑匣子,设计方无从得知关于文件的去向和使用范围。以区块链为基础的Web 3.0为创作者经济发展提供新的解决思路,设计者将设计作品mint成NFT,借助智能合约限定作品的所有权、使用权、使用方式、使用期限及使用用途,全程数据上链,透明且不可篡改,从根本解决数字化产品流通过程中的信任问题。元宇宙的到来,通过个性化、定制化来体现稀缺性的内容会越来越多,人人可参与到设计和创作,数字世界设计的产品在物理世界生产,这导致工业企业原有的大批量、少品种的流水线生产方式将不再适用,需要更多小批量、多品种的柔性化生产方式,这将是来自于“由虚到实”的一场倒逼改革。工业元宇宙将颠覆产业竞争的传统定义,技术范式的变化不仅速度更快、频率更高,而且掌握先进技术的潜在竞争者可以快速地进入和替代原先占据垄断性主导地位的厂商。

工业元宇宙技术

我们距离工业元宇宙还有多远?这个由两方面因素决定,第一方面是元宇宙底层偏“硬”的基础设施和硬件建设,这方面无论是工业互联网还是消费互联网,都有一定的互通性;第二方面是工业元宇宙里偏“软”的技术能力和内容建设。

基础设施和硬件

如图3元宇宙产业链七层所示,这部分我们主要讨论人机交互的硬件设施,当前VR眼镜的引领者是Facebook的OculusQuest 2,而AR眼镜的引领者是微软的Hololens。就AR/VR眼镜整体市场存在的问题如下:第一、价格高昂,例如Hololens的销售价格上万元,普通用户进入元宇宙的门槛较高;第二、画面延迟,AR/VR显示画面无法与用户视线的观察角度做到一致,存在延时,画面与实际运动不匹配出现眩晕感;第三、AR/VR市场内容匮乏;第四、当前AR/VR主要以单机版为主,数据存储量少且处理器能力较弱,无法满足元宇宙中通讯需求及内容交互要求。

什么是工业元宇宙?其为提高生产效率带来了哪些新的发展思路?

图3:元宇宙产业链的七层

除Facebook和微软外,苹果公司的AR/VR设备在市场中备受期待,从2010年收购瑞典面部识别公司Polar Rose,启动VR布局后,后面近十年从未停止在虚拟现实方面的硬件研发投入,包括收购3D感应和动作捕捉PrimeSense、 Faceshift公司, 收购现实增强公司Metaio等等;据最新消息,苹果公司的智能眼镜已经与台积电试产,预计2022年发布,2023年上市,市场期待苹果公司能够推出iPhone手机将市场带进移动互联网阶段一样,通过智能眼镜将用户带进元宇宙,值得期待。国内如华为、小米等都在布局智能眼镜,但技术方面与国际巨头们相比仍有较大进步空间。行业预测,AR/VR等智能设备技术将在2025年才能进入成熟阶段,才能够让终端市场真正打开进入元宇宙的大门。

工业元宇宙技术能力和内容建设

技术能力方面我们主要讨论数字孪生DT和信息物理系统CPS,这两项技术都是实现工业元宇宙内容的最基础组成要素,其中数字孪生DT应用传感器、物理模型、运行数据,将物理世界的场景镜像到虚拟世界中,我们通过AR\VR等XR技术可以看到一个与物理世界1:1的虚拟世界,能够反映物理对象的全生命周期过程。CPS主要解决3C问题(计算、通信和控制功能),为数字孪生的决策的方法和内容提供科学基础依据,并用感知数据来计算控制及输出并将其发送到执行器进行物理实现;这个过程需要依赖于工业软件能力的辅助,如前面内容提到过,工业软件是工业品的结晶,聚集着大量的工业知识和智慧,而面向高端制造业的工业软件技术牢牢把握在欧美国家,这方面对于我国无论布局工业互联网,还是工业元宇宙会,都是卡脖子的问题,近两年国家也大力鼓励国产软件替代计划,但技术障碍并非能在短期突破的,未来道路仍然漫长。不过中国是唯一一个覆盖所有工业制造业品类的国家,工业知识和数据积累丰富,未来由工业企业主导(而非IT企业),通过与科技公司深度合作,相信能够有所突破。

总结

通过对“由实到虚”和“由虚到实”的工业元宇宙发展路径讨论,工业元宇宙对于无论是设计、生产、销售还是内部运营,能够为工业生产效率提升带来无限想象空间。但当下仍然有很多障碍需要一一解决,首先是链接数字世界的基础设施VR\AR眼镜技术的提升;其次是从我国发展工业元宇宙,需要解决技术方面卡脖子的问题,即国产工业软件的发展,如果缺少工业知识和智慧的支撑,再逼真的虚拟世界对于工业发展终究是一次“海市蜃楼”。

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