“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

作者:高玉娴   【原创】   2021-11-26 10:24:21

关键字: CPS 数字孪生 元宇宙 工业互联网

无论是什么新理念、新技术,只有创造价值,才有意义。

“如果我们不进入元宇宙会怎么样?”最近,在和朋友聊起元宇宙这个话题时被这个问题困住了。参考过去的技术史,那些错过“风口”的人或者企业,或被淘汰,或留下遗憾。最近的一次,自然就是互联网这一轮变革。但是,元宇宙的“威力”能否和20年前的互联网相媲美?如今的舆论场已经出现了两极分化——有人极度“诟病”,也有人极度“追捧”,却很少人关注“我们为什么需要元宇宙”。

大多数人认为,作为一个“更加身临其境的互联网”,元宇宙的最大价值是带来沉浸感和存在感。那么,这就会引出另一个问题——我们为什么需要沉浸感和存在感?没有这种体验我们又会怎么样?

结合通讯方式的演进来思考这个问题:在“车马慢,书信远”的古时候,人们只能通过文字交流,对方的举手投足全靠想象;19-20世纪,电话、手机被发明和普及,人们开始从声音中感受彼此的存在;而随着4G时代到来,视频通话不再新鲜,人们不仅能互闻其声,还能看到对方的表情、动作和周围环境——可以看到,除了通讯手段不同,我们在交互过程中所能掌握的数据量也在持续扩大,数据的维度不断叠加。

元宇宙的道理也是如此,通过在互联网的“二维画面”基础上再加一个维度,可以进一步避免“信息盲区”。

这种维度的增加在很多场景都是有必要的。举一个例子:电影《萨利机长》的原型萨伦伯格机长在遇到飞机两台发动机同时熄火后,把飞机迫降在了哈德逊河,这个举措让机上155名乘客和机组人员全部获救。但是,在事后调查的过程中,他的急救策略却遭到了质疑,调查组有人指出,根据模拟分析,飞机拥有足够的时间降落到备降机场,而不是水面上。萨伦伯格机长查看模型方案后提出,这个模型没有到考虑“人的延迟反应时间”这一维度。于是经过调查组探讨,加上了一定的反应延迟时间,重新进行了多次分析,得到的结论都一致——即飞机坠毁。因此,调查结果最终认定萨伦伯格机长的决策虽然具有一定危险性,却是正确的决策。

再比如工业场景,“信息盲区”的存在,意味着管理者无法掌控全局,如果关键节点出现问题,不能及时采取应对措施。往小了说,这可能会影响企业的生产效率,往大了说,这还可能造成生产事故,甚至是人员伤亡。为此,近几年来,数字孪生、工业互联网等相关技术和理念正在逐步渗透到工业场景,为企业构建更全面的、实时的数据洞察。

那么,面对更多维的元宇宙,工业变革又有什么可能性?对此,笔者采访了北京金山顶尖科技股份有限公司高级顾问李正海。谈及“工业元宇宙”的概念,他认为,这是正确进入元宇宙的方式之一。基于人、设备、数据、网络等为一体的MetaR超越现实架构体系,加上云、大数据、人工智能等技术,工业元宇宙可以为工业场景升级带来诸多裨益——包括降低创新门槛和复杂度,提升产品转化的便利性,扩大创新的规模化。在这个过程中,工业元宇宙基于其真实性、示范性、创新性等特点,可以解决企业实实在在的痛点问题,促进企业数字化转型,从而能够产生具体的经济价值。

“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

北京金山顶尖科技股份有限公司高级顾问 李正海

李正海强调,面对工业元宇宙这样一种未来模式,我们不能总想着“让子弹飞一会儿”,那会错过“风口”。即便“看不懂、太遥远”,企业也可以“先上路、做探索”。

什么是工业元宇宙?

至顶网:为什么会有“工业元宇宙”这样一个概念?

李正海:目前,关于元宇宙的应用领域,大家已经达成了一些普遍共识:第一种是社交,也就是Facebook扎克伯格提出的元宇宙的主要形式;第二种是游戏,比如电影《头号玩家》的游戏场景;第三种是虚拟人,比如此前英伟达黄仁勋就通过自己虚拟形象,在发布会上做公开演讲。其中,有人提出,元宇宙在社交和游戏领域的应用,会让人类沉迷,甚至把人类推向灭亡。

但从我的角度来看,任何一个事物,都要以一种“扬弃”的精神去看待,既要考虑其中的风险,也要看清有益的部分。针对元宇宙,如果它能作为一种理论和技术基础与工业很好地结合起来,将能给工业发展带来很好的经济价值。那么经过分析,综合起来说,我认为工业元宇宙是我们正确进入元宇宙的方式之一。

另一方面,工业元宇宙所涉及的一些核心技术和方法论,事实上在工业系统中已经得到了广泛的应用。比如,我国的第一列准高速内燃动车组-新曙光号,在产品的研发生产过程中,虚拟技术就起到过非常大作用。当时,根据客户的要求,我们利用一个称为Alias Wavefront的工业造型软件制作了一个三维模型渲染图。这张效果图,得到了客户的高度认可,促成了项目的落实。

“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

“新曙光号”油漆造型图

“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

“新曙光号”三维模型渲染图

“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

“新曙光号”是我国的第一列180km/h级别准高速内燃动车组,1999年出厂,创下了当时的最高运行速度记录

总的来说,一方面元宇宙作为一种新兴技术可以为工业发展提供全新的动力;另一方面,其中的核心技术如今已经在工业领域创造了很多的价值。这就是我提出工业元宇宙概念的两大原因。

至顶网:那么,工业元宇宙和如今的工业互联网之间有什么关系或者不同点?

李正海:工业互联网其实可以理解为是工业元宇宙的一部分。但确切来说,工业互联网更加强调工业系统及其设备资源的联网,通常一个设备的制造单元——比如一台机床,与自身的刀具单元、装夹单元等,就可以构成一个小网络。这个制造单元与其它的之间单元之间,构成一个稍大的网络。上升到整个生产线,涉及的就是多台机床设备之间的联动和数据传递。工业互联网的作用,是在这个过程中确保生产的连续性和高效性。再往上,包括整个车间和企业内部的协作,甚至是产业上下游关联企业之间的协同, 以及所有流程的全局优化,这些主要都是工业互联网在做的事情。作为工业元宇宙的一部分,它扮演的主要是基础设施的角色。

“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

而在完整的工业元宇宙架构中,主要会覆盖三大核心:第一,是人,包括人的思想;第二,是物理部分,包括前面谈到的机床设备、网络系统、物料等等;第三,是信息部分,包括订单数据、产品数据、经营数据等等的处理和分析。所以,两个概念之间是从属的关系。

至顶网:是否可以这么理解——工业互联网更多涉及的是物理现实世界的打通,而工业元宇宙会继续强化虚拟世界和现实世界的联动,让数据信息更深入地服务于企业生产或者资源调度?

李正海:这是其中一方面。另一方面,工业元宇宙还会涉及三个方面的集成:第一,垂直方向上,从制造单元设备到生产线,再到整个车间和企业的贯穿,涉及MES、ERP等多个系统、多个层面的集成;第二,横向上看,是从产品设计到工艺设计、加工检测、仓储物流等等整个链条的集成;第三,是端到端的集成,也就是垂直和横向集成的交叉点,把连接点规模化、扩大化。这个其实也是工业4.0的核心,但是这些主要是信息层面,也可以说成是数据层面的集成与变换,但是这些信息、数据都是和人、组织与硬件设备象关联的,但是我们比较强调数据的集成与变换。

在整个架构中,工业互联网更强调物理硬件和系统的联动,但缺少了虚拟世界的一些概念,比如三维设计,例如有限元分析,但这是工业元宇宙中的重中之重。

工业元宇宙的应用场景

至顶网:可以举几个具体的例子吗?

李正海:我们先结合场景明确一下三个概念——VR虚拟现实、AR增强现实和MR混合现实。以汽车制造过程中工人对某个零件的装配场景为例:虚拟现实指的就是工人在拿到零件时,完全通过虚拟安装的方式模拟现实操作,提前进行安装学习和训练,整个过程不涉及实物操作;增强现实指的是在现实操作过程中,增加虚拟的部分,比如,通过配戴AR设备,就能看清实物零件上的四个安装孔,边上有个安装过程,现状左上右下地安装两个螺钉,再左下右上地安装两个螺钉。这样一来,就可以更好的指导工人操作、避免错误。

而混合现实是将真实世界和虚拟世界混合在一起,产生新的可视化环境,营造的是更进一步的沉浸感和真实感,环境中同时包含了物理实体与虚拟信息,并且必须是“实时的”,用户难以区分虚拟与真实。比如飞机、汽车、高铁甚至航空器的驾驶舱,一般都会采用混合现实的方式来提前操作和训练,它既有现实部分,但更强调虚拟部分。这个特性使得混合现实能被应用于很多场景的模拟,比如大火扑救的演练,我们不可能真的放一场大火,这时候就可以做一个虚拟的场景,让相关人员进行沉浸式的演练和训练。

延伸到工业场景,也就是说,我们也可以通过虚拟现实技术,构建混合现实环境,在生产之前模拟生产过程,提前发现问题、解决问题。当然,也可以在生产之后针对具体问题进行再模拟,分析问题、追溯原因等等。

至顶网:所以,工业元宇宙会很适用于一些极端的场景?

李正海:是的。针对极端场景,我们一般可以采取两种策略。第一种是使用机器人,在这个过程中,机器人需要作为一个独立个体自己去完成任务,但是,极端环境往往有着大量的不确定因素,要求机器人具备非常强大的人工智能能力,或者通过人工进行远程控制。

第二种策略,是提升人本身的综合能力,拓展人的能力范围。过去很多材料说,每个人的思想都是一个“小宇宙”。那么进入工业元宇宙时代。我们可以打造出很多人机结合的虚拟“未来人”去处理各种生产和业务问题。

以企业安全管理场景为例:在工作时,安全人员除了携带一些传统装备,还可以携带一些具备边缘计算、传输能力、信息采集,甚至是辅助性远程遥控执行的设备,例如机械臂。在面对具体工作任务时,安全人员如果遇见疑难问题,就可以向后台服务器、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,也包括采集设备提供的信息,后台的系统调用知识库进行回答,甚至是具备人工智能的系统进行回答。而假如后台系统没有能够给出合适的答案,还可以通过系统调用远程的专家资源,联系专家进行合作处理和远程操作,最终当前任务的完满解决。

这种模式,我称为MetaR超越现实,它包含了人、设备、数据、网络等等的架构体系,有前端、网络、服务器端(云端、大数据、云计算、人工智能等),还可以引入人机结合模式和专家资源。起名MetaR,也是因为一个有了一个词XR,但是这个XR实在是没有个清晰的概念,所以用MetaR进行区分,也是为了强调这是工业元宇宙时代顺势创立的一个词。当然也可以在此基础上进行进一步的探讨,结合具体的业务进行深化,典型的,有针对人的超越提升,对于机电设备也可以超越提升,例如工程机械、农业机械等等。

“工业元宇宙”是进入元宇宙的正确方式之一

MetaR模式,我认为是进入工业元宇宙后的主要模式,就像纺锤,两头小,一是机器人,一是纯人工,中间的大部分则是MetaR模式。

关键技术的发展成熟度

至顶网:那么,在这样一个设想中,现在老生常谈的数字孪生、信息物理系统等技术会充当什么样的角色?

李正海:从技术关系来看,数字孪生是CPS(信息物理系统)的核心,而CPS则是工业元宇宙的核心。

其中,数字孪生的作用是对物理设备,比如一台机床、飞机、锅炉等的状态信息、生产信息等相关数据进行实时采集和回传,然后通过计算做分析,从而确认设备的运行状态是否正常。据此,我们可以预测某个部件的运行寿命,然后进行状态维护、在发生重大事故前就早期参与,从而改变传统的定期维护,或者出现问题的救急处理模式。

以火车上的柴油机为例,在机车车辆行驶的过程中,我们可以通过数字孪生技术监测柴油机的运行状态,当发现损伤达到一定程度时候,也就是达到一个阈值的时候。就可以基于CPS系统及时采取限速或者停车的措施,避免损伤扩大化,例如可以让机车车辆低速行驶到下一个车站,避免机破,停在正线上,影响整条线路的运营,还要安排救援机车去把它拉到车站,那是耗时耗力,影响巨大。

从概念范畴来理解,数字孪生主要是机电设备到数据,而CPS系统还会包括通讯、计算和控制,它更强调执行。但和工业元宇宙相比,这两个概念更强调在生产过程的应用。在整个工业流程中,还涉及前期商务合作的谈判、合同签订、产品设计、工艺设计,以及后期的产品检测、入库、运输、安装、服务等等,并且整个流程还必须形成闭环。其中,生产场景之外的环节,目前的连接和互通程度、或者说集成能力是不足的,这就是虚拟技术可以发挥价值的地方,也是我们认为需要引入工业元宇宙这个概念的原因。

至顶网:但是,和数字孪生和CPS相比,虚拟技术目前的普及度是比较低的,您觉得这会成为工业元宇宙实现的阻碍吗?

李正海:事实上,工业元宇宙中所包含的关键要素,VR、AR也好,三维建模也好,很多都得到了应用。但是,问题的关键就在于,这些关键要素要达到什么水平,或者说什么阈值,才能满足工业元宇宙的需要。

虽然目前这个问题还没有定论,但我认为,如果说过去的应用主要是单点技术应用,那么,工业元宇宙至少是一次先进技术的大规模集成化。此外,每一个单元技术的应用水平也要有大幅度的提升。那么,提升的指标是什么?

以虚拟化为例,我认为它至少要达到可以生产的水平。一个工业品,从二维草图到三维模型,然后还要做强度、刚度分析,以及疲劳分析、碰撞分析、模态响应等等。在针对一些复杂件、特殊场景时,往往还要在加工前进行模拟操作。这就要求虚拟化达到一个非常高的水平,并且虚拟后的产品可以满足真实制造的水准。这个其实是一个极高的要求,是具有划时代意义的。在学术上有个词叫面向制造的设计,但是在现实的企业中,应该说绝大部分人听都没听过,更别说达到这样的要求了。

当然,在工业元宇宙场景,每一个现实世界的人还可以通过“虚拟人”把自己的创意点融入到整个工业流程中,然后在现实世界把产品制造出来。

回到技术阻碍这个问题,我认为其中有一点是因为新兴技术的成本往往非常高,学习起来也很难,需要的支撑也很多。这就要看投入产出比。就像过去我们做信息化,肯定要研究具体的某一个项目投入之后是亏钱还是赚钱,如果折算下来企业是赚的,那就可以去做。

任何一个新技术的普及都会经历这个阶段,我们可以考虑通过以下几种模式来降低成本:第一,如果能在企业中形成规模化的生产,通常就能把整体成本降下来;第二,我们也能考虑在某一个地区或者园区实行联合购买,从而实现成本分担;第三,还可以参考公共服务平台的租用模式,降低绝对成本。

而除了成本之外,企业还要考虑新技术应用的风险。针对这个问题,我认为可以通过试点应用的办法来逐步推进。比如,企业做一个无人工厂,是不是一定要花五个亿把所有设备都换了?显然不一定,一些标准化程度高的,可靠性高的,需要生产的规模大的,我们可以用无人工厂,但是千万不要认为,有人的工厂就不需要了。我还是比较建议具体问题具体分析,做成组合式的模式,既有无人工厂,也有通常意义上的有人工厂,更有一些场景采用人机结合方案,这样逐步替代传统的人工,而不是所谓一步到位,那会水土不服的。

至顶网:那么,从技术成熟度本身来看,这些关键技术是否已经能够满足企业现阶段打造工业元宇宙的需求了?

李正海:工业元宇宙总体上还是认为是一种未来模式,但是现在已经有了很多比较成熟的单元技术、单元产品,以及很多的管理方案和集成策略。当然,工业元宇宙其中涉及的很多技术也被认为是一种未来技术,目前还没有完全成熟,进一步的深化应用、普及应用显然还需要一个过程。

但是,我们不能因为发展还不够成熟就“让子弹先飞一会儿”,而是要先行动起来,在现有技术水平和应用水平下,先做一些试点性项目,然后逐步“以点带面”实现更深层次的应用,打造行业标杆,改善实体经济现状。

在这个过程中,随着生产关系发生变化,企业会慢慢转变成松散组织,从劳动关系到商务关系可能都是松散的。换句话说,为了应对这些变化,企业必须从现在开始着手准备、开始落实。

工业元宇宙的未来时

至顶网:如果说工业元宇宙是一种未来模式,那么,您认为它在多长的时间内能够达到一个什么样的状态?对此您有什么期待或展望?

李正海:在中国,“元”字的意思是首先、开始,重要、圆满的意思。一方面,它代表着一个新的开始;另一方面,从完整性上来看,它的内涵已经不仅包括了虚拟世界、过去世界,还有现实世界、未来世界。在技术层面包括了虚拟现实、增强现实、混合现实、超越现实(MetaR)、区块链、云计算、数字孪生、人工智能等众多新兴技术。简要地说,是人、虚拟、现实的跨越时空的大集成。

长期来看,它将极大地促进创意、创新、创业,促进实体经济发展,推动精神文明和物质文明的极大丰富。短期来看,我认为,用三年时间作为一个关键节点,工业元宇宙的理念会更加清晰,并且涌现出一批产业的引领者,涌现出大量的创新产品和创新的商业模式。就像现在的工业互联网平台,未来模式中必然会出现所谓的“工业元宇宙平台”,在平台上面,我们可以构建创意、产品、服务、方案等等,同时也会出现一些“样板应用”、“样板工厂”,甚至虚拟的样板产品,和虚拟的样板人、虚拟的样板组织。

总结一下,我认为短期的,在三年内,工业元宇宙从创意诞生到产品研发、从企业应用到产业平台,都会取得阶段性的显著成果。

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