工业元宇宙应用初探与技术研究.pdf
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1、20问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)工业元宇宙应用初探与技术研究陈磊(汉威广园(广州)机械设备有限公司,广东广州510 7 0 0)【摘要】阐述了工业元宇宙技术在工业领域的应用现状、技术研究等,通过优化人机交互方式和体验、云-边一端泛在算力、数字李生体(人货场)打通多源异构数据等技术实现路径,为工业元宇宙增加更多可能性。【关键词】工业元宇宙;数字李生;多源异构Preliminary Study and Technical Research on the Applicationof Industrial MetaverseChen Lei(Hanwei Goyo(G
2、u a n g z h o u)Mechanical Equipment Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700)Abstract This paper expounds the application status and technical research of industrial metaverse technology in theindustrial field,and creates more possibilities to the industrial metaverse by optimizing the human-computer in
3、teraction modeand experience,cloud-edge-terminal ubiquitous computing power,digital twin(people,goods and space),and opening upmulti-source heterogeneous data.Key Words industrial metaverse;digital twin;multi-source heterogeneous1前言工业元宇宙是工业元宇宙技术与工业经济深度融合的新型基础设施应用模式和工业生态。通过打造与现实工业经济映射和交互的虚拟世界,构建起工业产品
4、全生命周期的虚实共生、企业和消费者智能高效闭环下的全息智能制造、智能经济体系,推动工业互联网走向更有效落地、更虚实融合的阶段。2工业元宇宙应用背景2.1工业元宇宙VS未来工厂3.0 的关系2.1.1未来工厂1.0 一黑灯工厂、无人车间从原材料到最终成品,所有的加工、运输、检测过程均无需人工操作,把工厂交给机器,利用工业机器人取代工厂人力,降低生产成本、提高生产效率。2.1.2未来工厂2.0 一全连接数字工厂利用物理模型、传感器实时数据、运行历史等数据,在虚拟空间中完成联动,反映相对应的实体装备的全生命周期过程仿真,优化产线运营效率、改善生产不足。2.1.3未来工厂3.0 一工业元宇宙落地形态之
5、一利用元宇宙及其相关技术,实现概念验证、产品测试、仿真运营等,将大幅度提升生产效率,减少试错成本2.2智能制造存在难点进人2 0 2 3年,智能制造发展基础和支撑能力明显增强,传统制造业重点领域基本实现数字化制造,有条件、有基础的重点产业智能转型取得明显进展。但工业互联网仍存在下列问题:2.2.1数据流动与融合问题(1)设备互联互通信息孤岛问题。一条生产线涉及大量不同的设备底层通信和数据交互协议等,要实现设备之间有效的数据流动和融合,难度较大。(2)在目前的人工智能发展阶段,对依托工业生产所产生的大数据进行智能化自动决策依然是有难度的。(3)工业互联网设备的专用软件难以通用,也是当前工业互联网
6、发展的一个较大瓶颈。2.2.2成本和安全问题(1)成本:涉及专业人员、数据中心、云计算等方面的成本。(2)安全:工业互联网的数据泄露和网络攻击风险等。21问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)(3)盈利模式仍需摸索。工业互联网行业标准多,各个制造业的垂直领域专业壁垒高,难以找到通用的盈利和发展模式。3工业元宇宙应用机遇到2 0 2 5年,智能制造支撑体系基本建立,重点产业初步实现智能转型。工业元宇宙将有效解决工业互联网存在的问题:3.1海量数据共建共享工业元宇宙建设初期,将会投人海量传感器和智能化设备,收集生产现场数据、企业业务数据、产业链数据、客户市场数据等,便于后期依
7、据现实数据构建虚拟世界。现阶段,数据孤岛等问题,除了受限于技术,还受制于工业各主体间信任和联动机制缺乏,区块链及智能合约等技术的应用将消除信任危机,推动各主体主动共享数据信息3.2算力普惠与隐私计算工业元宇宙同样面临成本问题,且集中体现为算力成本,主要依托于算力平台的集约化建设、服务化使用。网络安全方面则主要依靠隐私计算和区块链等技术的成熟应用。3.3数据确权与经济系统区块链等技术应用使得数据资产得以确权,成为工业元宇宙交易体系的基石,未来以数据资产为交付物,以数据价值为定价标准。4关键技术及实现路径工业元宇宙存在一条直接有效的技术实现路径,该技术路径应重点实现优化人机交互方式和体验、云-边-
8、端泛在算力、数字李生体(人货场)、打通多源异构数据等。4.1优化人机交互方式和体验工业元宇宙寻求自然交互模式。虚拟世界和现实世界的互动方式和互动体验的变革,是工业元宇宙区别于工业互联网的最显著特征。不同于以电脑、手机为载体的2 D式交互体验,现阶段的工业元宇宙用户将借助XR(包含VR、A R、M R)可穿戴设备,获得3D显示、实时互动、五感逼真的沉浸式体验,随着眼控交互、骨传导交互、体感交互、脑波交互等技术的发展,工业元宇宙最终将实现随时随地的自然交互,即通过使用人类自然的方式,如语音、面部表情、手势、移动身体、旋转头部等,完成操作(见表1)。表1工业元宇宙典型交互技术及产品类别VR(虚拟现实
9、)AR(增强现实)MR(混合现实)新型交互技术MR技术在AR的基础上更VR技术强调封闭式的虚拟世界,AR技术强调基于现实世界的设交互技术创新方向强调,让用技术进一步,可实现虚实实时交与现实世界联系较弱,更符合电子备、生产线等,提供解释信息、户更好控制设备,让设备更懂特征互,且虚拟信息和现实世界游戏特征。隐形信息可视化等功能。用户,使交互更自然顺畅。可以叠加。长期来看,VR技术并不适合工业相较AR,M R 技术更适用于相较VR,A R 技术更适用于与现眼控交互、骨传导交互、体元宇宙,但短期内,VR技术能用低时延场景和复杂场景,如适用实世界强交互的场景,如工业巡感交互、脑波交互、脑机接于与现实弱交
10、互的工业场景中,如远程协作、设备实时诊断、场景检、辅助维修、实操培训等,且口等技术成熟度较低,尚未应急演练、安全培训、虚拟场景构工业模型设计等,技术挑战典型应用案例众多,渗透率更高。进入规模化应用阶段。建等。较大。工业元宇宙场景中,虚拟信息和现实信息难以完全分离,呈现“实中有虚、虚中带实”的特点。据此3 5年内MR设备是最适合工业元宇宙的交互终端,当然不排除部分场景中VR、A R 设备渗透率更高,主要考虑到场景需求相关性和设备替换成本。从MR硬件和软件来看,都已有相对成熟的产品和落地案例,未来要在工业元宇宙中实现更大规模应用,技术改进方向主要有包括视场角、光学显示、人机交互,以及提高设备稳定性
11、、安全性、降低硬件成本以适应工业场景特点等。4.2云-边-端泛在算力算力是工业元宇宙运行的基础能源,支撑着数字资产运维、虚拟内容创作、用户体验等一切行为,算力技术成熟阶段能满足工业元宇宙设备无限量接人、时延趋近于零的要求。据有关资料显示,全球算力规模已基本满足元宇宙0.9的运行需求,从中国各行业算力应用分布来看,制造业算力占比仅4%,主要因为中国制造业整体数字化转型成熟度较低,企业缺乏动力自建算力,因此,短期内发展工业元宇宙还需要22问题研究第41卷2 0 2 3年第4期(总第2 2 6 期)普惠型公共算力基础设施的支持。中国工程院刘韵洁院士在2 0 2 2 年全球6 G技术大会上指出:元宇宙
12、相关技术实现依靠超强算力,需达到AR/VR:3900、区块链:550 0、AI:16000(单位:EFLPOS)1级别算力以提供连续长周期、突发短周期智能服务。进入算力网络化阶段,云边端泛在部署架构将成主流。硅基芯片的单核算力上限和多核数量走向极限,呕需“网络化”算力补充。此外,由于网络带宽和时延限制(性能)网络带宽成本限制(成本),边缘算力需求旺盛,未来算力必将走向“云-边-端”泛在部署架构(见图1)。4.3数字李生体(人货场数字李生综合运用感知、计算、建模等信息技术,通过软件定义,对物理空间进行描述、诊断、预测、决策,在数字李生技术的驱动下,工业元宇宙中虚拟与现实的关系将经历“数字李生一数
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