工业元宇宙是结合虚拟现实、人工智能、区块链等先进技术构建的复杂先进的新数字化工业经济系统，它具有高度沉浸式的交互体验，将市场需求和生产效率结合，能够实现工业资源的优化配置，推动工业的数字化、智能化转型1。2022年8月26日，由中国仿真学会主办的首届世界元宇宙大会在京举行，中国工程院院士李伯虎在题为《工业元宇宙模式、技术与应用初探》的主题演讲中指出——“工业元宇宙可以加速形成虚实互动的智能制造新模式，提升工业价值创造，重构数字工业发展新生态，推动工业互联网向未来高级形态发展2。”

工业元宇宙具有广泛的应用场景，涵盖研发设计、生产制造、运维管理、技能培训、产品测试等多个方面。例如，在研发设计领域，数字孪生技术可以建立物理对象的虚拟映射，模拟零部件的运动方式；在生产制造领域，3D引擎技术可以优化生产流程、提高产品质量、降低生产成本等。通过将现实工业环境中的研发设计、生产制造、营销销售、售后服务等环节和场景在虚拟空间实现全面部署，工业元宇宙打通了虚拟空间和现实空间，从而实现工业的改进和优化，形成全新的制造和服务体系，达到降低成本、提高生产效率、高效协同的效果，促进工业高质量发展3。

内涵定义

中国工程院院士李伯虎在世界元宇宙大会上给出的基本内涵定义为：工业元宇宙是指在新发展理念指引下，在新一代人工智能技术引领下，借助新时代各类新技术群跨界融合，实现工业领域中“人、虚拟空间与现实空间”虚实映射/交互/融合、以虚促实、以虚强实的工业全要素链、全产业链和全价值链三链智慧、协同、开放、服务、互联的复杂数字工业经济系统。这一定义指出，工业元宇宙涉及到新一代人工智能技术、新技术群的跨界融合，以及工业领域中人、虚拟空间与现实空间的虚实映射、交互和融合。简单来说，工业元宇宙就是利用数字技术，将工业生产中的各个环节数字化、智能化，实现虚拟与现实的深度融合，以提高效率和创新能力。

此外，业内另一种定义认为：工业元宇宙是以XR、数字孪生为代表的新型信息通信技术与实体工业经济深度融合的新型工业生态。通过XR、AI、loT、云计算、数字孪生等技术，打通人、机、物、系统等领域的无缝连接，实现数字技术与现实工业结合，促进实体工业高效发展。

工业和信息化部工业文化发展中心于 2023年12月发布了《2023工业元宇宙白皮书》1，对工业元宇宙的三层内涵作出如下阐释：

（1）是虚实共生、综合集成的新型工业数字空间，是工业现实物理空间与其虚拟平行空间的合集，通过对工业实体及生产过程的数字化映射、模拟，构建而成的新型数字化应用环境。

案例：柯尼卡美能达利用AR技术实现售后远程化

日本印刷品牌柯尼卡美能达面对庞大的用户群体，特别是需要24小时不断打印输出的客户企业，通过引入AR技术，实现售后远程化，提升售后服务的响应速度和服务质量。

（2）是虚实协同、全沉浸式的新型工业智慧互联网系统，使能工业互联网中新型数字化工业系统，人与机器、机器与机器、机器实体与数字虚拟体的全面智慧互联和互操作，使工业互联网中实体空间向虚体空间延伸、时空一致向预测性时间延伸和价值延伸。

案例：上汽通用基于AI深度学习、AR等技术打造《雪佛兰AR车辆手册》

上汽通用利用AI深度学习、AR等技术，打造了《雪佛兰AR车辆手册》，用户通过手机扫描车内图标，即可显示对应功能、功能描述、动画演示、视频介绍等，实现AR实时交互，有效减少用户使用负担。

（3）是数字经济与实体经济融合发展的新型工业经济载体，对工业过程和场景的虚拟空间全面部署，实现虚实映射、虚实交互、虚实融合、以虚强实、以虚促实，促进数/实融合的工业高质量新发展。

案例：北美纸制品生产企业Kruger引入AR技术，为员工在作业现场提供“在职指导”

Kruger工厂的员工在AR技术的帮助下进行设备操作，系统集成了Power App和Dynamics 365 Supply Chain Management，现场员工佩戴AR眼镜即可快速访问工作清单与步骤说明等数字信息，提升质量控制与交付能力。

体系架构与关键技术

行业对工业元宇宙的技术架构给出了多种定义，如《2023工业元宇宙白皮书》1提到的“六个层次”模型和《2022年元宇宙系列白皮书：中国工业元宇宙发展洞见》6提出的“五大板块”模型等，这些层次共同构成了一个完整的工业元宇宙平台，能够支持包括工业制造、城市规划与管理、建筑工程与施工、交通能源等多个行业的应用。参照前者给出的工业元宇宙体系架构，自上而下主要包括六个层次，依次为：基础层、感知层、通信层、边缘层、云端层和应用层，如下图所示。

![]( "图2 工业元宇宙的体系架构")

（1）基础层：包含六要素——人员、设备、组织/管理、数据/知识、材料、资金，为工业元宇宙中虚拟资源的封装与池化提供最底层的实体支撑。

（2）感知层：对基础层的工业六要素进行感知与接入。

（3）通信层：依托物联网、天地一体网等传输网络，将六要素的各类信息进行高效化传输，融合处理成为工业元宇宙中的虚拟化对象。

（4）边缘层：对虚拟后的六要素信息进行处理，为工业元宇宙中工业数据的智能化处理与实时传输提供各类边缘侧服务。

（5）云端层：负责集中管理、智能分析、资源优化，是工业元宇宙的智慧大脑。

（6）应用层：面向整个工业元宇宙中的用户实现全系统生命周期的创新型应用。

技术架构中涉及到的主要关键技术7，包括数字孪生、3D 引擎及空间计算、AI、区块链、边缘计算、物联网等：

（1）数字孪生技术：跨企业、跨行业的数字孪生技术、架构和模型等相关标准成熟且落地，从产品到设备、产线、工厂实现全要素数字孪生，且与物联网实时数据联动。

案例：

空中客车公司利用数字孪生技术提高自动化程度并减少交货时间。特别是在碳纤维增强基复合材料（carbon fibre-reinforced polymer, CFRP）机身结构的组装过程中，由于CFRP组件的特性，要求在组装过程中剩余应力不得超过特定值。为了达到减小剩余应力的目的，空客开发了应用数字孪生技术的大型配件装配系统，对装配过程进行自动控制以减少剩余应力。该系统的数字孪生模型具有实时同步的特点，能够全面、精准、动态反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等，与物联网实时数据联动，实现全要素数字孪生。

（2）3D引擎和虚拟化技术：作为工业元宇宙的典型技术，VR/AR/MR和全息投影技术在工业场景实现规模化落地以及物理世界和孪生世界的双开发方面，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。

案例：

沃尔沃与Varjo Technologies合作，使用Unity引擎创建了整个汽车工厂园区的数字孪生。工程师和设计师可以通过交互式3D模型在VR中准确地展示他们的设想，模拟车机的设计流程和车外环境。这种技术的应用使得沃尔沃能够直接导入汽车模型，连通VR眼镜进行创建、测试和修改，从而带来了更好的协作方式、更快的设计迭代和开发速度，实现实时性、精准性、正确性的生产，保证产品质量，并满足客户的完美性要求。

（3）AI 技术：进入元宇宙时代，工业产品越来越倾向客户定制化、个性化，在设计理念出现面向制造的设计，而在实际生产中，有大量的人工智能技术应用，催生了人工智能和数字孪生、工业互联网相结合的智能制造。除了面向生产制造过程本身，AI还应用于人工工作，比如智能数字员工进行自动化生产，解决高精技术人员短缺问题。

案例：

海尔卡奥斯构建的卡奥斯COSMOPlat工业互联网平台深度融合了AI技术，包括视觉监控检测、质量缺陷检测、智能安防、智能物流等，广泛应用于工业设计与研发、机理仿真及数字孪生。通过深度融合AI技术，海尔卡奥斯能够实现对工业领域的群体智能决策，提升研发生产与运营效率，提升产品核心竞争力与质量，实现可持续发展。

（4）区块链：在工业元宇宙有多种应用，包括适配工业分布式协作场景、通过工业产品NFT与产品同步发售促进生产需求、对产品进行溯源等。（区块链在元宇宙中还支撑身份识别、货币、智能合约等模式，这些更偏向于消费元宇宙和治理元宇宙应用。）

案例16：

瓣鼎科技旗下的潮流元宇宙平台HOTDOG，基于区块链技术，以独特的平台模式，巧妙地将潮流品牌、文娱产业、助农项目、慈善公益等多个领域融合在一起。HOTDOG不但通过线上虚拟文化消费品为线下实体经济赋能，还促进了数字技术与实体经济的深度融合，开启了潮流消费的崭新篇章。

（5）空间计算：计算机图形学技术与行业Know-how相结合实现深度融合，物联网感知层数据借助3D建模软件等转化力海量实时的3D可视化内容。

案例17：

洛克希德·马丁公司在其Orion宇宙飞船的制造过程中，利用空间计算技术，特别是AR技术，来提高制造效率和降低成本。通过提供虚拟工作指南和远程协助，洛克希德·马丁能够捕捉操作知识，并在制造过程中实现成本的大幅降低。这种技术的应用展示了空间计算在提高制造效率和降低成本方面的巨大潜力。

（6）边缘计算：工业应用过程中大量的计算发生在一线，对实时性和信号的传送带宽都带来很高要求。边缘计算用于解决这个问题，将算力部署在临近一线的环节，减轻中央计算的压力，提高决策的实时性。

案例：

中国科学院沈阳自动化研究所曾鹏团队在国家自然科学基金项目中，对工业互联网边缘计算进行了深入研究和实践。该项目聚焦于工业互联网智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化转型等创新应用，通过边缘计算技术，实现了在靠近物或数据源头的网络边缘侧就近提供边缘智能服务，以满足行业数字化的关键需求。通过边缘计算，可以在数据产生的源头进行快速处理，降低了对带宽的需求，同时增强了数据的安全性和隐私保护。

（7）物联网：物联网是将工业产品、机器、生产线等物理世界与智能管理系统相连接，使得物理世界的表征能够反映在数字世界中，因而被操作人所获悉。

案例8：

西门子在其工业物联网解决方案中，通过使用MindSphere平台，将物理世界和数字化世界连接起来。制造商可以利用MindSphere这样的开放式工业物联网即服务解决方案来削减成本、改进性能、提高生产率。通过物联网技术，西门子能够实现对工业产品的实时监控和数据分析，优化生产流程，提高生产效率和产品质量。物联网技术使得物理世界的表征能够反映在数字世界中，为操作人员提供了实时的数据和信息，从而实现更精准的决策和控制。

应用场景

按照应用场景，工业元宇宙可以划分为以下四个类别9：

（1）智能制造元宇宙

智能制造元宇宙是一个通过元宇宙技术，将智能制造领域的从业人员融入到虚拟仿真建设中的环境。在智能制造元宇宙中，从业人员可以通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、区块链、人工智能（AI）等技术的融合，体验到智能制造的各个环节，包括产品设计、生产制造、质量检测等。此外，智能制造元宇宙还可以通过数字孪生技术，将现实世界中的生产设备、生产流程等复制到虚拟环境中，实现模拟操作和优化。

（2）智慧建筑元宇宙

智慧建筑元宇宙是一个虚拟的建筑世界，由数字孪生技术构建而成，可以模拟现实世界的建筑和城市环境。在这个世界中，用户可以自由地创建和编辑建筑、道路、公园、景观等元素，实现建筑设计、城市规划、绿色能源管理等多种功能。工业元宇宙赋能建筑规划设计、实施、运营维护等环节，实现高效、协作、低碳、安全的建筑产业现代化。

（3）智慧汽车元宇宙

智慧汽车元宇宙是一个虚拟的汽车世界，由数字孪生技术构建而成，可以模拟现实世界的汽车和交通环境。工业元宇宙应用于汽车的功能设计与研发、仿真测试、自动驾驶、故障诊断与设备维护等细分场景，助力城市交通智慧水平显著提高，大幅提升市民出行体验。

（4）智慧能源元宇宙

智慧能源元宇宙是一个虚拟的能源管理平台，通过数字孪生技术将现实世界的能源系统进行数字化建模，实现能源系统的可视化、智能化和自动化管理。工业元宇宙在能源领域的应用覆盖能源生产、储运、管理和消费等场景，赋能能源系统全要素数字化、实时化、智能化和可视化。

《2023工业元宇宙白皮书》1给出了工业元宇宙在工业流程各环节的应用情况：

（1）在研发设计环节的应用

应用场景：元宇宙数字资产模型构建、实时 3D 动态渲染、多模态仿真、虚拟产品协同设计、众包式 UGC 产品设计、数据采集&集成和融合分析、AIGC 驱动的模型生成。

特点：沉浸式体验、跨时空协作、支持众包式、仿真驱动、数据驱动

（2）在工业生产环节的应用

应用场景：收集全生产要素的数字资产后，同步构建生产场景的数字孪生场景，实现生产全流程的数字化监控、仿真和持续优化。

特点：沉浸式体验、实时交互、高度逼真、跨平台支持、优化生产流程

（3）在供应链环节的应用

应用场景：运营管理、订单管理、计划排产、采购管理、仓储物流

特点：实时可视化的全过程可视化、精准控制、智能优化、跨设备通信、数据安全和隐私保护

（4）在销售&服务环节的应用

应用场景：虚拟推广营销、虚拟展会、数字人营销、MR 用户虚拟体验、UGC 个性化定制、企业元宇宙门户、AR/VR 虚拟培训、AI 故障诊断与识别、远程专家和智能指导、智能客户服务中心

特点：增强产品展示的维度、优化销售流程、提高销售效率、增强客户体验、数据驱动与创新

重点案例

该部分是一些重点案例的介绍。

仓储物流协作设计

应用领域：研发设计

现存问题：

仓储物流作为生产和流通环节最重要的支撑系统，在现代复杂生产系统中其设计面临方案可行性分析难度大、运行策略分析和优化困难、多方协作效率低下无法进行定量验证等挑战。

解决方案：

西门子研发了工业元宇宙仓储物流协作设计平台，具体可以提供生产物流数字孪生工具集、物流设备资源规划工具集、虚拟调试和远程诊断工具集用于高效解决实际仓储物流协作设计问题。

应用成效：

• 基于平台协同完成产品规划、设计到建模等工作，实现及时共享的开发，提高仓储物流系统设计效率和质量；
• 建立集成商、工厂、供应链提供商等多方沟通场景，取得更佳沟通效果；
• 实现对产能配置、设备结构、人员动线等方面提前验证，极大降低系统实施风险。

高炉冶炼设备可视化运行监控与故障诊断

应用领域：生产制造

现存问题：

由于钢铁工业领域的高炉治炼具有高温、高压、密闭、连续生产的特征，导致同步监测困难、内部信息缺乏、生产控制不精确等问题，造成了能源浪费和环境污染。

解决方案：

北京相数科技基于数字孪生技术构建了宁钢高炉炉体系统三维可视化系统，实现高炉治炼的生产过程全面监测、数据可视化呈现、安全生产管理、设备模拟诊断等应用。

应用成效：

• 高炉治炼场景1:1还原，全面复现生产过程，实现透明化管理，生产效率提升30%，整体碳排量下降25%；

• 基于数字孪生监测预测能力，实现生产问题感知、事件态势回溯，提高生产安全管理水平，安全风险事件减少约20%，人力成本预计节约35%。

矿井安全生产管理

应用领域：运维管理

现存问题：

柠条塔矿属于水文地质和通风系统复杂型矿井，井下环境条件恶劣，人工作业危险系数高，运营方对安全生产态势的综合感应能力不足，在突发事件下无法精准决策。

解决方案：

优锘通过建设数字孪生统一管理平台，实现各业务子系统的全场景可视化智能管理，具备综合态势感知、智能巡检、应急指挥等功能。

应用成效：

• 提升安全生产管理水平：及时发现、预测异常，井下高等级安全事件环比减少8%；

• 提升运维管理效率：设备运维效率提升17%，运维检修人员减少10名，每年节省成本约180万元；

• 生产流程无人化：优化生产过程人员岗位配置，减少劳务成本约120万元/年。

沉浸式多功能全息虚拟实训

应用领域：技能培训

现存问题：

传统实训教学工作存在一定限制，特别是在涉及高危极端环境，不可逆操作以及高成本高消费情况时。具体问题有课程内容枯燥难懂、理论与实践难结合、模拟实训环节缺失和实训课程更新缓慢等。

解决方案：

谷东科技基于虚拟现实技术，通过硬件、系统、内容、数据分析系统结合，构建了面向实训与动手操作的多功能全息虚拟实训教室。

应用成效：

• 通过增强现实设备提高学生实训动手能力，协助教师了解实训效果；

• 应用三维仿真技术解决建筑与安全专业无实训环境教育难题；

• 通过AR/VR教学平台提供专业全套课程方案，增强就业竞争力。

数字样船虚拟仿真

应用领域：产品测试

现存问题：

由于现代船舶设计具有研制环节多、涉及专业复杂、参与人员众多、配套要求高的特征，导致测试的研发测试费用昂贵、周期长等问题。

解决方案：

朗迪锋基于仿真引擎技术构建了数字样船虚拟仿真系统，实现船舶研发测试的虚拟漫游评审、人机工效分析、外流场计算等应用。

应用成效：

• 通过建立与物理模型在几何外观、物理特征以及行为特性上基本一致的高还原度模型，提高了测试准确度；

• 通过建立虚拟测试系统，实现测试环境灵活配置，缩短了测试周期，减少测试成本；

• 实现虚拟人机工程合理性评估与优化，缩减产品设计环节，提升产品人机交互体验。

未来趋势与展望

技术进步与应用拓展

随着人工智能、机器学习、物联网、云计算等关键技术的不断发展和成熟，工业元宇宙将变得更加智能化。这些技术的进步将推动数据分析和预测模型的应用，优化生产流程，实现自动化控制，提高生产效率和决策的准确性。此外，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等沉浸式技术也将得到更广泛应用，进一步提升工业元宇宙的体验和应用效果。

行业渗透与市场增长

工业元宇宙的应用正在从高端装备制造、航空航天、汽车制造等传统优势行业向更多制造业领域扩展。轻便型MR产品在消费端市场占据重要地位，而沉浸式MR体验则在工业、教育等领域得到广泛应用。此外，工业元宇宙与城市数字化转型的紧密结合，加速了城市政府及社会主体的数字化步伐12。据全球咨询公司高德纳（Gartner）预测，到2027年，47%的企业会主动进入工业元宇宙行列，采用大连接、大算力和数字孪生等技术，预计从2021年到2030年，工业元宇宙收入预计将有10倍增长。

挑战与未来趋势

尽管工业元宇宙的发展前景广阔，但其发展仍面临技术瓶颈、高成本应用、法规法律及标准体系不完善以及数据安全风险等挑战。这些问题需要通过技术创新和政策引导来逐步解决。工业元宇宙的发展将呈现出多元化趋势，一方面赋能制造业，探索虚实互促的创新变革；另一方面推动跨行业、全场景的应用，改变产业结构和组织形式12。部分城市的产业园区和企业已开始探索基于元宇宙的产线运维、产品监测新模式，打造工业元宇宙的营销平台和虚拟培训系统12。未来，工业元宇宙将朝着更加智能化、多元化和个性化的方向发展，成为推动工业数字化转型的重要工具。

来源: 百度百科

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