工业元宇宙作为基础设施将促进工业企业、行业生态发生革命性改变，同时改变人的思维模式，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，创造巨大的经济价值与社会价值。

文｜李正海
 

关键词：工业元宇宙   虚实结合   营销新模式   数字孪生   人机结合   元宇宙平台

       工业元宇宙是目前三维设计、虚拟现实、增强现实、人工智能、数据孪生、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，作为基础设施将大幅提升算力（硬件、软件、算法）、展示力、交互水平、通信流量、速率、数据储量。 元宇宙的框架很大，本文从工业产品、工业制造过程、人机结合等方面进行探讨。

工业产品
       工业产品从简单到复杂，既有封闭系统，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。
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，工业产品的虚拟化将达到可以实际生产的水平。在现实中，企业往往根据职能分成设计师、工艺师、车间工艺师、车间生产工人、班组长、调度员等，在工艺和生产方面，设计师往往考虑得相对较少，这样就导致从设计到生产的过程中容易出现问题。造成这种结果的原因是基础设施能力、信息基础、设计手段和工具不足。进入元宇宙时代，工业元宇宙将为提升虚拟化水平创造条件，如国产工业软件更具性价比，可以实现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。开展虚拟仿真分析时，不仅要考虑企业自身水平，也要考虑世界同行水平和客户需求水平，从而确立领先地位。达到这样水平的虚拟工业产品可以大幅提高一次制造成功率，使产品在市场上更具备竞争力。
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，还包括备品备件、安装调试、维修服务等内容。在物联网、工业互联网、5G移动网络的基础上，工业产品将更加智能化、智慧化。
       工业产品的使用说明已从早期的使用书（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。随着元宇宙时代的到来，工业产品的能力将大幅提升，如工业机床设备、机械臂、机器人等。机床设备可引入视觉识别技术，应用人工智能，快速实现零件装夹；水稻插秧机器人经过设置后，可以自动规划路线、自动提升插秧台，在遇到树、电线杆等障碍物时会自动绕行；一架植保无人机喷洒农药，每小时作业量可达50〜80亩，效率是人工的40〜60倍，同时可以节约50%的农药使用量及90%的用水量。元宇宙时代的工业产品，不仅可以前端作业，而且可以有近端的大数据、人工智能、算力支持，远程的人员支持、控制、操作与管理，乃至基于整体互联网生态的数据、知识、智能迭代升级。
3.  更加美化、人性化的工业产品
       传统的工业品给人冷冰冰的感觉，而进入元宇宙时代，不论是面向消费者的手机、冰箱、彩电、汽车等，还是面向专业应用的机床设备、工程机械等，都将会更加注重人的感觉和体验，在产品的应用方面，也将结合人的能力、行为和心理，使产品更符合人的需求。
       工业设计以美学为基础，涉及心理学、社会学、人机工程学等，是各种学科、技术和审美观念的交叉产物。在满足工业产品功能要求的基础上，通过合理的材料、构造、加工及装饰等，使产品具有新的视觉品质，符合时代潮流，协调应用场景，使人获得美的享受。

工业制造过程
        传统的工业制造过程包括设计、生产、销售与应用，而在元宇宙时代，营销变得更为重要，因此个性化生产、依单生产将占据越来越多的比例。基于互联网的供应链协同制造、区域协同制造、远程制造乃至跨国制造、云制造等将成为趋势。
        进入元宇宙时代，工业产品的信息将发生巨大变化，从信息化到数字化，意味着信息更加精确，从定性到定量。信息的完整性、时效性、实时性也都将大幅提升，由于网络能力的提升，可以让生产者与客户、消费者建立起更强大的沟通场景，更好的沟通模式，从而取得更佳的沟通效果。例如，以往传递的是二维图，今后传递的可能是三维模型；可以传递产品的运动模型表达产品功能；可以传递仿真模型表达产品的刚度、强度。在制造过程中，客户、消费者可以实时掌握生产的进度；生产者遇到问题时可以及时处理，从而避免更大规模的损失；如有新的创意，可以及时落实。在产品的应用阶段，可以利用互联网、物联网、移动网络技术，实现从数据孪生到信息物理系统，进而实时性地远程仿真、操控、维护。
1. 营销新模式
        客户购买产品，核心是要满足某种需求。然而很多时候，客户的需求并不是确定的，因此就需要供需双方进行沟通。沟通内容既包括产品信息，也包括企业的生产能力、管控水平、价格成本等。企业应用信息化技术已经有了很多很好的案例，例如戚墅堰机车车辆厂针对上海铁路局领导查看新曙光动车组油漆方案图不满意，希望提供效果图的情况，联合浦镇车辆厂、某软件公司、上海电影制片厂设计并制作了效果图，获得了认可，推进了新曙光动车组项目落实。又如资阳内燃机车厂在参与一个美国项目招标时，针对美方提出的原有产品存在局部缺陷的情况，根据美方提供的产品图纸进行建模，利用有限元软件进行仿真分析，重新优化了产品设计，最后赢得了订单。进入元宇宙时代，与客户的沟通，生产过程的管控，工业产品的应用服务越来越多地需要转向线上，因此工业企业需要积极思考，利用虚拟化技术，更好地展现产品，展现生产能力和保障能力，从而满足客户的需要，为企业赢得发展的机会。
2. 设计模式
        工业产品往往相对复杂，涉及多个领域，因此产品的设计是一个复杂的过程，称得上是一个开放的复杂巨系统。典型的就是个性化产品、客户定制产品，并不是所有零部件都需要定制，客户不可以随心所欲，而是要符合外在多样性、内部标准化的过程，综合考虑产品交期、质量、成本与服务便利性。
        工业产品的设计也是一个过程，在元宇宙时代，更强调个人的创意，既包括客户、消费者的需求，也包括企业领导、企业普通员工的创意，然后逐步从不确定性向确定性转化。在虚拟化阶段包括草图、二维图、三维模型、分析模型、加工模型等，进入实际生产也往往需要一个过程，如一般企业会有原型产品、初步设计产品、定型产品。
       在整体的设计过程中，沟通协同无处不在，典型的有设计师与设计师、工艺人员、仓库物流员的协同，企业人员与相关供应链的协同，企业人员与客户、消费者乃至管理机构的协同。这些协同的场景都需要提升信息内容，数字化技术方面需要深化应用三维设计、装配模型、工业造型、仿真分析、优化设计等软件，物理方面需要利用摄像头云阵、先进的网络技术设备、大屏幕展示设备等，更好地展示、交互与体验，以获得更好的产品设计。
       在工业产品的设计中，尤其要强调多工况的考虑。我国的工业产品逐渐走向全球，应用场景日益复杂，工业产品往往有较长的应用周期，随着时间的变化，需要相应的维护保养，直至最终报废。因此在产品的设计阶段，不仅要考虑正常使用情况，还要考虑一些极限情况，如出现安全问题的紧急处置，未雨绸缪地设计预先防范机制尤为重要。另外，要面向全球范围思考应用场景以及竞争产品、替代产品、客户产品，这将促使产品设计达到世界级水平，乃至世界领先水平。
3.  从智能制造到智慧制造
        通常意义上的制造过程是物质的变化过程，有切削、挤压等物理变化，有合成药品等化学变化，也有地理位置改变的运输变化；进入信息时代，这些变化过程中也都将包含信息的变化。同时，制造过程也是人的作业过程。虽然目前一些工作已经没有了人的参与，如全自动化工厂、黑灯工厂。但是笔者认为，这种模式适用于工业产品的内在标准化部分，而不适用于完整的产品。作为整体的工业产品，需要人机结合。在硬件设备层面，由数字加工中心、自动化装夹、智能刀具系统、机器人、自动运输小车、流水线等组成；在生产控制方面，需要检测技术、控制技术、自动化计划等；在生产指挥方面，需要计算机技术、大数据技术、人工智能技术。工业产品的制造过程是效率、成本、质量、客户满意度的平衡与优化，很多工作还是需要人来完成，如生产调度、异常情况的解决、生产过程的改进、产品的优化等。
        德国提出的工业4.0强调将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，实现互联，降低信息不对称，加速加强各方的联系与反馈，从而达到快速、有效、个人化的产品供应。而在元宇宙时代，智慧制造是智能制造的升级，也就是要强调那些隐性的问题，或者说需要改进的问题，强调宏观而不是微观，强调定性而不是定量，强调经验而不是逻辑，这样把人与智能设备结合起来，才可以真正生产制造出客户满意、经济价值高的工业产品。元宇宙理念与技术的典型应用包括：在产品生产之前模拟车间整体的生产过程；佩戴VR眼镜，在系统指导下，进行复杂零件的安装；企业生产人员更好地监控生产设备的状态；快速解决生产过程中的问题；海外客户可以远程掌握生产过程的状态，以保证产品符合质量要求；企业对生产线、生产过程、工业产品进行改进优化等。

4.  工业产品应用
        工业产品应用也是不断改进升级的，美国提出的工业互联网就强调工业产品的智能化，如从航空发动机到芯片、网络设备、电信运营商、数据分析及展示的综合集成。进入元宇宙时代，我们需要综合考虑如何使工业产品保持正常的工作状态和工作能力。
        数字孪生、信息物理系统可以作为工业产品应用过程中的典型信息化应用模式。数据孪生的狭义定义就是从物理实体孪生出数据，而数据经过传输，改变了地理位置。例如太空中的卫星数据，传递到了地球上的控制中心，进而利用这些数据构建出卫星的三维模型，以更好地查看、掌握卫星的状态。数据孪生的进一步发展，称为信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS），信息物理系统的构成包括三个要素——通信、计算与控制，具备使能能力和闭环控制能力，可以认为数据孪生是信息物理系统的核心组成部分。近阶段有一个新名称诞生，就是HCPS（Human-Cyber-Physical Systems，人－信息－物理系统），这种模式引进了真实的人，这样就更为完整，更具有智能、智慧。
        进入元宇宙时代，工业产品应用需要达到一个更高的水平。例如，监控数据展示的内容不仅仅是简单的复刻、映射，更要强调利用AR等技术，让人更好地觉察系统的异常。这里沉浸感只是其中一个要素，要考虑人的响应时间、操作速度等内容，从而使监控水平提高到一个显著改进的层级。再如问题的处理，在产品的设计阶段，往往已经进行了大量的预测，但是难免还会有小概率事件发生，那么如何应急响应，如何快速处理？就需要当前场景信息的完整、精细、正确、实时地传递。现在高铁运行过程中，就采取了在轨道路基上安装大量摄像装置，在机车车辆设备上安装大量传感器设备，以及相应的网络通信设备等手段。同时需要工业产品的仿真模型，相关场景（工况）模型，计算模型、算法、大数据基础、人工智能基础，还需要一批多领域的专家团队，这样才能做到快速、正确处置。
       随着工业产品应用的智能化，工业产品的营销模式也改变了，如一台工程机械可以采取融资租赁的形式，使用人员可以用较小的成本使用工程机械，假如使用人员不按时缴纳费用，企业可以远程停止工程机械，或者查询工程机械位置后将其运回。在宏观层面，制造企业可以根据工程机械的开工情况，预测经济形势，以制订更合适的经营决策。
5.  总结与提升
       前述是工业产品的典型制造过程，实际上制造过程可以更为细化，而且可能往复迭代。在元宇宙时代，更要强调集成，元宇宙涉及的各种技术、场景、应用更为繁杂，对要素之间的数据架构、模型、接口等内容要求更高，强调大集成能力，这种单元提升与大集成所带来的将是工业的显著性改进。

人机结合
       元宇宙时代，人不仅是消费者，也是生产者，更是创造者。个人要有元宇宙的思维模式，要敢于想象，制订一个以往不可能实现的目标，并针对这个目标进行深度思考，也许就可以发现一些未曾想到的资源、创意，也就是灵感。将这种灵感表达出来，并利用接力式创新予以转化，促进个人、产品、企业跨越式发展。
1. 从基层创新到战略创新
      企业的构成包括人、财、物，而人显然是其中最具活力的部分，是具备灵性的，因此构建创新文化，发挥人的积极性至关重要。在元宇宙时代，个人可以利用更好的创新工具，如借助三维设计软件、仿真软件，基于计算机构建虚拟样机，模拟多种场景（工况）下的状态，工业产品的创新成本可以大幅度下降。而通过网络系统，可以连接企业内部、企业供应链，乃至全世界的相关人员，并且可以利用VR/AR/XR等技术实现展现、交互、交流，从而更好地认识、评价、改进、创新工业产品，或者说对产品进行不断改进。在企业层面，则从全企业的维度思考新产品和产品改进，促进基层创新上升到战略创新。当然企业在元宇宙时代也需要积极推进创新文化，改进管理思路，从管理员工变成赋能员工，从而让企业更具活力。

2.  虚拟人与虚拟身份
        在工业企业中，早已应用了实物的虚拟人，如汽车碰撞试验中使用假人。也有虚拟的假人，如在设计车间生产线时，考虑人机工程，也就是让机器、装置更适合人的生理机能与心理特征，使人在工作时更省力，感觉舒服，让人体的骨架结构能够适应，肌肉组织能够操纵，精神系统能够控制，同时要保障人体的安全。进入元宇宙时代，这种虚拟人将会有更为广泛的应用。
另外在工业企业中，更要强调虚拟身份。例如，因为个人的身份原因，往往会人微言轻，那么建立匿名的合理化建议系统，就可以大幅度减少这样的问题。再如，构建虚拟组织，可以引入外部资源，像星期天工程师、外部专家库，“不求我有，但求我用”，可以大幅度提升企业的能力。同时随着互联网、通信能力的提升，外部人员、专家不必亲临现场，可以做到远程指导、远程操控、远程交流、远程解决问题、远程协同创新。
3.  人机结合的表现
       进入元宇宙时代，不能把人与机器简单地分离，而是要集成性地看待，工业的制造过程不仅是物的变化过程，也是信息的变化过程，更是人的作业过程，人与机器结合，人与大数据、云计算、人工智能相结合，才是正确的方式，或者说是趋势。
        笔者提出了Meta Man的概念，也就是超智能人，按照地域划分可以分成四个层级。第一层级是前端，由人与作业单元（机械臂、机床等）、数据采集单元、边缘计算智能设备（提供交互、展现、计算、通信）构成；第二层级是近端，由支持人员、管理人员、服务器、人工智能、云计算、大数据等提供支持与管理；第三层级是远端，由远程专家，更为强大的服务器、人工智能、云计算、大数据提供支持，也可以与客户、消费者、供应链进行展示、交流、体验、改进；第四层级是更为广泛的全网性连接，涉及行业、地区、国家乃至全世界的资源，可以支持、协同，解决问题，保障运作，促进创新。

从企业到生态平台再到工业元宇宙
       元宇宙来临，个人是重要的主体，只有让个人的价值发挥出来，让创意变成产品，让产品规模化生产，才能真正创造出巨大价值，因此元宇宙赋能工业企业意义重大。元宇宙代表多种新兴技术与理念，在企业中应用，可以采用总体规划、分步实施、重点突破、效益驱动的模式，根据自身的具体情况，从单元技术到内部平台，再到外部平台，乃至工业元宇宙平台推进发展。
1. 积极推进元宇宙单元新兴技术应用
        制造业创新体系中，企业是核心主体，联合“政产学研用”，在工业领域加强关键技术攻关，积极引进科技成果，加强企业数字化应用的广度、深度，提升数字化水平，加强数字化与工业化的融合。推进元宇宙相关新兴技术应用，普及应用三维设计、仿真分析、工业造型来优化设计，将工业化、电子化、信息化、数字化融合提升到新的水平，构建工业互联网、物联网、移动网络，强调可视化模式，应用VR/AR/XR模式，在企业各业务领域推进应用，改进企业的生产、管理与决策。
2. 构建企业的设计平台、管理平台、创新平台，实现大集成
        工业产品的设计与制造是非常复杂的从不确定性向确定性的转化过程，数据的种类、数量是不断增加的。例如，订单阶段只要求技术说明；设计阶段产出的是批量的图纸、三维模型；工业阶段的一个零件需要数张工艺图纸乃至几十张工艺图纸；而到生产阶段，每一个产品都有相应的生产记录。进入元宇宙时代，这些图纸、信息都需要电子化、数字化，并实现标准化，从而更好地传递、集成、转换应用，因此企业构建统一的设计平台、管理平台、创新平台尤为重要，这些也称为数据中台。数据中台强调数据的规范，数据交换的算法、模型、交换协议，从而实现信息的大集成模式。同时数据不是简单的集成，而是要在生产中、生产后及应用服务中，不断提炼知识，建立知识系统、专家系统、人工智能系统，提升运营支持能力、问题解决能力、创新能力。
3. 主持及参与供应链平台、行业平台、地区平台
        工业企业根据自身情况，积极主持及参与企业之外的平台建设，相对于内部平台更为重要，通过供应链的集成，可以实现全链优化，从而提升管理效率、生产效率，降低与客户、消费者之间因信息不对称而产生的错误，提高顾客满意度。通过行业平台，资源共享、技术共享、问题缺陷共享，在各有专攻、各有所长的基础上，运用对标管理，提升技术融合、产品融合、业务融合，从而取长补短，提升整个行业的水平。通过地区平台构建产业集群，实现联合营销、设计、制造与服务，并促进数字经济、元宇宙新的产业，构建新兴业态。对于高价值工业软件，复杂高精度的大尺寸机床设备和检测设备，大数据、高算力、高显示力的人工智能系统集约性使用，提高综合利用率，降低使用成本，以获得较高的性能价格比，促进新兴技术的广泛化、普及化、深化、高水平应用。
4.  积极建设工业元宇宙平台
        工业元宇宙可以看成是一个跨越更大范围、更长时间、包含更多内容的大型平台，是数据资源、设备资源、人力资源的载体，是企业发展、行业发展、地区发展乃至国家发展的主阵地，是企业经营与竞争的重要载体，有比喻说数据资源、数字资源是新一代的石油，那么其重要意义不言而喻。建设工业元宇宙不仅要采集数据、传输数据、存储数据，更要通过人工智能和国内外专家团队对数据进行分析、处理，用更容易让人接受、让机器设备接受的方式进行展示，从而促进数据、数字、知识的应用，辅助生产经营、决策应用，解决问题，促进创新。
        需要注意的是，工业元宇宙平台会出现强者越强、大者越大的格局，因此在目前元宇宙眼花缭乱的阶段，尽早入局，抢占先发优势，树立大旗尤为重要。在具体执行时，企业、行业、地区要发挥自身特色，结合自身优势，建立与自身匹配的，但是也大胆超越的、面向世界、面向未来的工业元宇宙平台。

展望未来
       工业4.0被认为是“互联网+制造业”，笔者认为工业元宇宙则是“个人创意/体验+互联网+制造业”。很多专家认为元宇宙是具有划时代意义的，钱学森也曾对虚拟现实（VR）给予“灵境”的中文译名，认为灵境“将使人进入前所未有的新天地，新的历史时代要开始了”。
       展望未来，可以预期的是将产生海量用户创造的有价值的内容；网络等基础设施能力得到充分应用，而且高算力、高展示力设备更为先进；信息的模式发生革命性改变，通过VR/AR/XR技术实现更好地展示、交流、体验与交易，手势、体感、脑波等新交互技术可以更好地表达、接收、交流个人思想；人工智能、人机结合，利用3D打印、集成制造、智能制造、云制造等工业基础设施，可以更加高效便捷地促进虚拟产品变成现实;工业产品必将极大丰富，更为美观便利，同时成本降低，质量提高，价值提升；国民经济将高速度、大规模、高水平迈向现代化，社会将更具创新活力与创新能力，人民将享受更多的获得感与幸福感。■

作者系北京金山顶尖科技股份有限公司元宇宙研究院院长