工業元宇宙場景建設及體系結構
發布時間：2024-04-24 03:27:55
隨著元宇宙技術的不斷發展，工業領域的元宇宙技術應用已經成為進一步提升生產效率、生產安全性，促進新的生產模式及產業生態形成的重要途徑。元宇宙技術與工業場景深度融合最直接的體現在技術與場景的融合應用，而工業領域的元宇宙化是多工業元宇宙場景的組合完善的過程。正確認知當前工業領域元宇宙場景的需求、目標、特征，進而形成場景化建設思路，能夠更加科學地實現工業元宇宙場景建設，通過對元宇宙場景進行統一的規劃，加速工業元宇宙的發展進程。
隨著元宇宙技術的不斷發展，工業領域的元宇宙技術應用已經成為進一步提升生產效率、生產安全性，促進新的生產模式及產業生態形成的重要途徑。元宇宙技術與工業場景深度融合最直接的體現在技術與場景的融合應用，而工業領域的元宇宙化是多工業元宇宙場景的組合完善的過程。正確認知當前工業領域元宇宙場景的需求、目標、特征，進而形成場景化建設思路，能夠更加科學地實現工業元宇宙場景建設，通過對元宇宙場景進行統一的規劃，加速工業元宇宙的發展進程。
工業領域的需求要素分析
1.1 人員素質水平要素
人員素質和生產要求不匹配是阻礙工業數字化進程的重要因素。工業領域企業的智能化、數字化變革，對從事工業生產人員的素質要求不斷增加，生產人員的培訓也越來越復雜，工業企業對于生產人員上崗培訓的時間周期和成本也不斷增加。
1.2 生產管控能力要素
生產環節的不可控性是影響生產效率和安全的主要原因。工業生產由于工藝復雜、環節多、操作不透明的情況，對生產情況難以做到全面把控，導致大量成本浪費，生產過程安全難以保證。
1.3 數據挖掘能力要素
生產數據價值的深層挖掘成為工業企業的核心競爭要素。目前工業企業已經逐步能夠實現數據的采集、清潔、處理，建立數據庫并對生產數據進行初步的挖掘利用。但是對數據的價值挖掘仍然不夠徹底，造成數據采集管理的成本與數據產生的價值收益嚴重不對等。
工業元宇宙場景建設目標
2.1“透徹感知”：全生命周期信息無死角采集
基于元宇宙技術的底層數據采集處理能力及感知能力，利用元宇宙技術描述信息的變化及連鎖反應原理、機制，實現對企業全生命周期中各個環節的生產信息、環境信息、市場信息等信息的實時采集和展示。
2.2“全面控制”：工業場景的全面智能化控制
基于元宇宙技術清晰化管理控制的流程、原理，結合數據挖掘、機器學習等技術，一方面實現虛擬平臺對生產全生命周期各環節的遠程控制，另一方面實現實時的應急反饋和智能化的輔助決策。
2.3“資產轉化”：工業生產信息資產產品轉化
基于元宇宙技術幫助企業對生產信息進行分類整理，對接虛擬產品市場，分析市場需求，對信息資產進行統合性管理，賦予統一標識編碼，轉化為信息資產虛擬產品。
2.4“虛實映射”：虛擬場景與現實場景的映射
基于元宇宙技術對企業全生命周期各個環節的實際場景在虛擬平臺進行鏡像化的仿真還原。鏈接虛擬場景與現實場景，實現虛擬場景與現實場景的相互映射能力。
2.5“無障礙交互”：高效多樣的人機交互能力
基于元宇宙技術擴展人機交互渠道，通過降低人機交互的認知負荷，拉低生產人員素質水平要求。通過多樣化的信息轉化模式及信息展示方式使人與機器交流的阻礙降低。
工業元宇宙場景特征
3.1 虛擬現實的交織化
工業元宇宙場景必然是一種虛擬世界與現實世界相互關聯、相互影響、相互映射的交織化場景，其特征主要體現在 3 個方面 ：一是現實場景的虛擬化還原，通過對現實場景的透徹解析，將現實場景數據化并在虛擬世界還原 ；二是虛擬場景對現實場景的實時反饋，虛擬場景就隨著現實場景情況實時變化 ；三是虛擬場景能夠對現實場景產生影響，對虛擬場景的干預影響現實場景的活動。
3.2 人機交互的統一化
機器與人、人與人的交互模式的統一化的特征性主要體現在 3 個方面 ：一是信息展示設備的變化，通過展示設備的升級，降低人獲取信息的難度 ；二是信息展示方式的變化，從傳統視覺感知發展出的文字感知、圖像感知、視頻感知等方式的基礎上，增加聽覺感知、觸覺感知等多種信息感知的方式 ；三是信息展示的可選擇可交互模式的產生，從單純意義上的信息灌輸到可交互問答形式的信息展示模式上的轉變。
3.3 生產場景的功能化
工業元宇宙場景搭建的最終表現形式是將工業生產各個環節通過功能模塊的方式進行展示，其主要強調 3 個特性 ：一是實現現實交互態勢還原，在虛擬維度最大程度還原現實中的交互場景 ；二是開拓虛擬環境的創新渠道，利用虛擬世界的便利，在虛實結合的理念上重新定義原有的功能體系架構，賦予功能模塊新的定義 ；三是建立功能場景之間的因果力場，還原現實場景之間的因果關系。
3.4 行業場景的特征化
工業元宇宙場景的搭建需要充分考慮行業的特異性，其特征化主要集中體現在以下 3 個方面 ：一是對本行業全生命流程的仿真還原，還原行業的特異性特征、生產運營場景等 ；二是對本行業資產的重新定義，根據行業的特異性，結合行業原有資產類別和數據資產的產生，構成不同的產品模式和資產運營模式 ；三是促使本行業產業鏈扁平化，基于元宇宙世界的規則建立虛擬的產業化社區，實時查看全產業鏈的情況，從而使行業產業鏈更加扁平化。
工業元宇宙場景建設實施
由于元宇宙技術的不可具現化的特征，工業元宇宙場景成為企業了解元宇宙技術、應用元宇宙技術極為重要的途徑之一，也是通過元宇宙技術解決企業痛點的問題最直接的手段。工業元宇宙場景的建設需要充分結合元宇宙技術，尊重元宇宙產業發展的規律，從最初的基礎設施支撐逐步實現工業元宇宙的產業生態化，工業元宇宙場景的實施路線如圖 1 所示。
4.1 基礎設施建設階段
基礎設施建設階段是搭建工業元宇宙底層基礎設施的階段。該階段的重點是在元宇宙服務商提供的元宇宙的基座上完善自有的工業元宇宙基礎設施，其主要包括支撐設施、場景要素和交互要素 3 個方面。工業元宇宙的支撐設施是指幫助工業場景上載的元宇宙虛擬世界中的相關設備設施，包括基礎的數據采集設備、測繪定位設施、數據存儲設備、感知交互設備等，此類設施是虛擬世界與現實世界對接的通道，是工業場景元宇宙化的重要支撐。
這一類支撐設施與元宇宙服務商搭建元宇宙的基礎設施有本質區別，支撐設施主要指的工業企業將自身特異性在元宇宙世界中仿真還原所需要用到的基礎設施。工業元宇宙場景要素指的是在元宇宙虛擬空間中組成工業場景的基本要素，其主要構成為符合元宇宙場景特征的環境建模、工業建模等基本構成單元。工業元宇宙交互要素指的是支撐工業元宇宙虛擬平臺與人的交互的最基本的單元要素，例如文字展示模塊、圖片展示模塊及數字化人等。
4.2 場景設計搭建階段
場景設計搭建階段是工業元宇宙場景的設計開發實施落地的工作階段，其主要包括工業場景的特征化組態設計、智能化仿真預測、實時化的虛實映射 3 個方面。特征化組態設計是利用工業元宇宙的場景要素和交互要素基于工業場景的內在機理進行配置組合，在虛擬世界最大限度地還原現實的場景的運行模式 ；智能化仿真預測是在完成虛擬場景的仿真之后，基于現實數據對工業元宇宙各個環節的趨勢走向構建預測模型 ；實時化的虛擬映射是強調虛擬世界場景與現實世界場景交互的時效性，在此階段構建實時數據傳輸反饋機制，確保虛擬場景和現實場景的相互映射。
4.3 場景整合聯動階段
場景整合聯動階段解決的是多個工業元宇宙場景之間的互聯互通問題，該階段的主要工作包括多場景關聯邏輯解析、協同機制構建及多節點聯動反饋模式形成 3 個方面。多場景關聯邏輯解析是通過深度解析各個工業元宇宙場景之間的關聯關系及其互相影響的邏輯脈絡，從而達到明確兩個元宇宙場景相互作用機理的目的 ；協同機制構建是在關聯邏輯分析之后，根據不同工業元宇宙場景之間的關聯關系建立多場景之間相互作用、相互影響的協同機制，以確保不同場景的現實聯系能夠在虛擬世界中還原 ；多節點聯動反饋模式是在多場景協同作用的情況時，為了兼顧現實世界與虛擬世界實時狀態的協同而形成的信息反饋模式，多場景的協同產生的海量數據必然會對數據傳輸渠道造成巨大的壓力，該模式能夠擺脫單一傳輸渠道進行數據傳輸的弊端，有效利用所有場景的數據傳輸通道，同時支撐多節點的數據運算及數據傳輸，以此確保數據傳輸效率，保障虛擬現實的實時同步。
4.4 產業生態形成與發展階段
產業生態形成與發展階段是指實現多個行業工業元宇宙之間聯動從而形成基于元宇宙的產業生態的階段。該階段的實現首先需要打通不同工業元宇宙之間的數據壁壘。不同工業元宇宙由于元宇宙世界的底層架構框架、數據格式、接口協議等的不同，會造成數據傳輸壁壘，從而造成不同元宇宙之間的信息、資產及生產要素等難以流通，無法形成多行業的集成串聯，難以實現產業化生態。其次，需要提升工業領域虛擬資產的產品轉化能力。隨著元宇宙技術的應用及工業元宇宙場景的普及，工業領域產業的發展從生產要素驅動轉化為數據驅動，以至于工業領域的產業結構也逐漸發生改變，從實物產品的流通逐步拓展到虛擬資產的流通。
因此，虛擬世界資產的產品轉化能力也將成為影響基于工業元宇宙的產品生態發展的因素之一。最后，需要建立基于工業元宇宙的產業鏈信用體系。信用體系是保障產業鏈健康發展的基礎，隨著元宇宙技術在工業領域的應用，虛擬數字產品的交易額導致原有的信用體系已經無法滿足基于工業元宇宙產業生態發展的需求。因此通過賦予產業生態中各個產品唯一標識的方式，采用去中心化的信息記錄方式，建立工業元宇宙特有的信用標識體系，不僅能夠使原有產業鏈的信用體系更加完善，還能滿足現有工業元宇宙產業生態的需求。
工業元宇宙場景體系結構
建立工業元宇宙場景體系能夠對現有的工業元宇宙場景進行梳理分類，并對可能產生的場景進行預測，以此引導工業元宇宙的發展趨勢。根據上述對工業元宇宙的研究發現，工業元宇宙場景的建立是從單一功能場景逐步發展完善，進而實現不同行業之間在元宇宙虛擬空間的交互共生，構建工業元宇宙的產業生態。在工業元宇宙場景建設階段，功能場景是解決元宇宙技術在工業領域的應用部署及功能實現的問題，行業場景是對工業元宇宙功能點進行組態，兩者所占的維度不同。因此，本文認為工業元宇宙場景的構成需要從功能場景和行業場景兩個維度進行展示。
如圖 2 所示，功能場景是從工業的生產全生命周期對場景進行劃分，覆蓋研發設計、安全生產、質量管理、供應鏈管理、生產制造、運營管理、倉儲物流、運營維護全功能模塊，強調的是從生產運營各個功能點上建立工業元宇宙場景。行業場景是從行業特異性出發建立具備行業特性的工業元宇宙場景，其強調的是建立覆蓋全功能模塊的、具備綜合性及行業特殊性特征的工業元宇宙場景。
結語
本文通過分析工業領域當前的需求要素和主要問題，提出建立工業元宇宙場景的方式改善當前工業領域面臨的痛點問題。本文結合工業領域特征，確定了工業領域建立元宇宙場景的主要目標以及工業元宇宙場景的主要特性，以此提出工業元宇宙場景的建設思路，進而構建工業元宇宙場景的體系結構。通過上述研究以期幫助企業了解元宇宙技術在工業領域的應用情況，明確工業元宇宙場景的構成及工業元宇宙場景最終目標，促進元宇宙技術在工業領域的應用和發展。
來源：新工業網
