工业元宇宙行业创新城市白皮书（2023年）.pdf

工业元宇宙创新城市白皮书（2023 年）工业元宇宙协同发展组织工业元宇宙协同发展组织 工业和信息化部工业文化发展中心工业和信息化部工业文化发展中心 2 2023023 年年 1212 月月 sXhUmWdVnXyXaQ9R9PpNrRtRsOiNrRnOkPrQpN9PrQqNuOoMxPxNsPqN编写说明 本白皮书是在工业和信息化部工业文化发展中心和工业元宇宙协同发展组织的指导和组织下，由工业和信息化部工业文化发展中心工业元宇宙实验室会同工业云制造（四川）创新中心有限公司等单位编写完成。其中，工业元宇宙概念、技术体系等内容是基于在调研了工业元宇宙协同发展组织内外近百家企业，以及咨询清华大学、北京航空航天大学、中国传媒大学、大连理工大学等高校院所相关专家的基础上编写形成，并得到李伯虎院士团队的指导和支持。工业元宇宙协同发展组织组建了专题研究组，在广泛调研并查阅公开资料和数据的基础上，选取发布了支持元宇宙发展政策和布局了相关产业园区的十个典型城市进行深入研究，城市之间不予排名，只根据研究需要进行归类。本白皮书的亮点在于尝试提出了工业元宇宙城市发展实施框架，专题研究组对这一框架进行了广泛的讨论和征求意见，得到了成都市经济和信息化局市新经济发展委员会、大连市工业和信息化局、苏州市工业和信息化局等单位元宇宙相关部门的支持和反馈，在此一并致谢！此外，受编写时间仓促、编写人员知识积累有限、产业发展尚在初期等因素的影响，内容或有疏漏，敬请指正。前 言 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要（以下简称“十四五”规划纲要）提出，要发展壮大战略性新兴产业，着眼于抢占未来产业发展先机；加快数字化发展，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。“十四五”规划纲要明确了数字经济七大重点产业：大数据、云计算、物联网、工业互联网、区块链、人工智能、虚拟现实与增强现实；数字化十大应用场景：智能交通、智慧能源、智能制造、智慧农业及水利、智慧教育、智慧医疗、智慧文旅、智慧社区、智慧家居、智慧政务。元宇宙是数字与物理世界融通作用的沉浸式互联空间，是新一代信息技术集成创新和应用的未来产业，是数字经济与实体经济融合的高级形态，对推动产业链、技术链、创新链全面提升至关重要。今年九月，工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国务院国资委、广电总局联合印发元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023-2025 年），将从科技创新、产业融合、人才培养等多维度为中国元宇宙发展带来重要影响。支撑元宇宙实现的技术储备和装备基础来自工业产业，元宇宙技术和装备能促进传统制造业转型升级，在这个过程中不断产生新的应用场景，乃至拓展到交通、能源、教育、医疗、文旅、农业等其他行业。工业元宇宙是元宇宙在工业领域的落地与拓展，是新型工业数字空间，是新型工业智慧互联网系统，是数字经济与实体经济融合发展的新型载体。工业元宇宙技术体系是由多种技术群综合而成，其热点技术包括大数据处理、云计算、物联网/CPS、工业互联网、区块链、人工智能、虚拟现实与增强现实、网络通讯、新材料等。工业元宇宙的主要技术与“十四五”规划纲要中数字经济七大产业有着高度的交叉与融合，能够赋能数字化十大应用场景；工业元宇宙作为数实融合的新载体，与现代产业体系有着紧密关联，有助于推进新型工业化，是未来产业的代表性方向之一。通过工业元宇宙发展相关产业，可以促进数字技术迭代升级与深化应用，加强数字基础建设、推动数字经济与实体经济深度融合。城市是随着社会分工而形成、随着工业发展而不断发展的，是现代经济社会发展的重要承载空间，是数字经济发展的物理空间和重要载体。“十四五”规划纲要提出推进新型智慧城市建设，推进城市数据大脑建设，探索建设数字孪生城市。许多城市敏锐地捕捉到了元宇宙产业与智慧城市、数字化城市建设之间的紧密联系，纷纷发布支持元宇宙发展的政策，从不同角度和侧重点对元宇宙相关产业进行布局。可以预见，未来几年内，元宇宙相关产业将进入快速而有序的发展阶段，工业元宇宙相关技术和创新产品将在交通、能源、制造、教育、医疗、文旅、社区、政务等诸多场景得到大量应用，逐步成为智慧化、数字化城市发展的重要方向和城市竞争力的重要体现。由工业和信息化部工业文化发展中心牵头成立的工业元宇宙协同发展组织，致力于推动新技术与新场景的结合、新业态与新价值的探索，致力于推动工业元宇宙相关产业基础高级化、产业链现代化。为全面了解我国城市元宇宙产业发展情况，推动工业元宇宙有效促进各地经济高质量发展，工业元宇宙协同发展组织组建了专题研究组，选取发布了元宇宙相关发展行动计划、政策和布局相关产业园区的各类典型城市共十个进行了广泛调研，联合相关单位编制了工业元宇宙创新城市白皮书。本白皮书阐述了工业元宇宙与城市创新发展、数字经济发展之间的关系，系统研究了典型城市工业元宇宙相关产业的技术路径、基础设施、融合应用、发展特点，梳理了其工业元宇宙场景建设与产业生态建设情况，总结了工业元宇宙发展现状、发展趋势、面临的问题与挑战。在此基础上，本白皮书探索构建了工业元宇宙城市发展实施框架，从政策环境、技术支撑、应用场景、安全协同、运营运维五个维度分析了十个典型城市及相关企业案例，梳理了城市工业元宇宙发展现状、发展趋势、面临的问题与挑战，以期为地方数字经济的发展及投资者提供参考。I 目录 一、工业元宇宙概述与发展态势.1（一）工业元宇宙概述.1 1工业元宇宙的定义.1 2工业元宇宙技术体系与发展趋势.2 3工业元宇宙融合应用.4（二）工业元宇宙的发展态势.5 1工业元宇宙发展现状.5 2工业元宇宙基础设施与产业生态.6 3工业元宇宙发展阶段.8（三）工业元宇宙应用场景.9 1工业系统各层级的应用.10 2产品全生命周期的应用.12 3跨行业、全场景应用.16 二、工业元宇宙与城市创新发展.18（一）工业元宇宙与产业创新.19 1.工业元宇宙创新应用.19 2.工业元宇宙自身发展将塑造新的产业.20 3.改变产业的生产方式和效率.21 4.带来新的产业机会和市场.22 5.改变产业结构和组织形式.22 6.产业的需求和趋势反过来影响技术的发展.23（二）工业元宇宙与消费创新.24（三）工业元宇宙与智慧城市建设.25（四）工业元宇宙城市发展实施框架.30 三、代表城市工业元宇宙发展情况.37（一）科研创新及人才驱动型.38 1.上海.39 2.广州.41 3.合肥.42 II（二）市场投融资及政策驱动型.43 1.武汉.44 2.大连.46 3.济南.47（三）文旅及消费场景驱动型.49 1.成都.49 2.苏州.52 3.杭州.55 4.厦门.58 四、工业元宇宙发展趋势及面临问题.59（一）城市工业元宇宙的发展趋势.59 1.城市数字化转型加速.59 2.人工智能与自动化高度融合.59 3.智慧城市数据共享与合作生态系统建立.60 4.跨行业和跨领域的应用将被拓展.61（二）工业元宇宙发展面临的问题与应对办法.61 1.关键技术有待突破.61 2.高成本制约应用规模.62 3.缺乏标准与互操作性.63 4.数据安全与隐私保护.63（三）工业元宇宙在城市中创新发展的建议.64 1.智慧城市规划与设计.64 2.数字基础设施建设.65 3.工业元宇宙与智慧产业的融合.65 4.创新应用场景开发，拓展应用领域.65 5.人才培养和技术创新.66 6.数据安全和隐私保护.66 7.智慧治理与公共服务.66 8.跨界合作与交流.67 参考文献.68 1 1 一、工业元宇宙概述与发展态势一、工业元宇宙概述与发展态势 （一）工业元宇宙概述（一）工业元宇宙概述 1 1工业元宇宙的定义工业元宇宙的定义 2023 年 9 月 8 日，工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国务院国资委、广电总局等五部委联合印发元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023-2025 年），指出：元宇宙是数字与物理世界融通作用的沉浸式互联空间，是新一代信息技术集成创新和应用的未来产业，是数字经济与实体经济融合的高级形态，提出“构建工业元宇宙、赋能制造业为主要目标”。中国工程院院士李伯虎认为，工业元宇宙是元宇宙在工业领域的落地与拓展。工业元宇宙协同发展组织发布的工业元宇宙创新发展三年行动计划（2022-2025 年）中，采纳并扩展了李伯虎院士这个观点，将工业元宇宙定义为：在新发展理念指引下，在新一代信息技术引领下，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、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，是元宇宙在工业领域的落地与拓展，是数字经济与实体经济融合发展的新型载体。本书中关于工业元宇宙的论述均基于这个定义展开。这与李伯虎院士团队于 2022 年 12 月在前沿科学发布的文章工业元宇宙：工业发展新阶段的赋能者中的观点大体一致。该文还对一些针对元宇宙的流行异议做出了回应。有部分学者认为元宇宙概念与近年来数字孪生技术无明显差别。事实上，任何新技术、新应用的诞生都不是空中楼阁、凭空创造。工业元宇宙与仿真、数字孪生、元宇宙及工业物理世界，是一脉相承、密不可分却又各自侧重的关系。工业元宇宙继承了仿真技术对“现实物理时间的逼真模拟”，也强化了数字孪生关注的“数据/模型”及“虚实交互”，并充分吸收了元宇宙作为一种数字经济系统在自然人机交互、数字化资产及社交网络等方面的特点，实现了对工业现实世界中六要素（人、技术/设备、组织、数/知、材料、资金）、六流（人才流、技术流、产业流、数/知流、物流、资金流）的虚实有机融合，如图 1 所示。2 2 图 1 本书关于工业元宇宙与仿真、数字孪生、元宇宙及工业物理世界关系的理解 一些来自产业界的研究者对工业元宇宙提出了更加具体的定义。四川省工业云制造创新中心研究所所长张星智在 2023 中国数字经济创新发展大会上提出，工业元宇宙是一种数字化、虚拟化的工业生态系统，它通过连接物理设备、传感器、人员和系统，将实时数据收集、处理和分析与物理制造过程紧密结合，它的核心理念是将现实世界与虚拟世界无缝集成，使得在虚拟世界中对物理设备进行仿真、优化和控制成为可能。他还简单阐述了工业元宇宙的四个发展阶段：虚实映射、虚实结合、以实控虚、以虚强实。2 2工业元宇宙技术体系与发展趋势工业元宇宙技术体系与发展趋势 工业元宇宙主要由五大体系构成，包括技术体系、标准体系、产品体系、服务体系和保障体系等。工业元宇宙的技术体系目前主要由“时空引擎+实时渲染+大规模建模技术”、自然交互技术、区块链技术、网络通讯与算力技术、人工智能技术、物联网/传感技术、数字孪生技术等构成。其中，工业元宇宙的热点技术包括5G/6G、算力网络、虚拟现实/增强现实技术、数字孪生技术、人工智能技术、区块链技术、工业元宇宙平台及先进计算等。2023 年 9 月，国家知识产权局印发了关键数字技术专利分类体系（2023），文件涉及的元宇宙技术分类体系也适用于对工业元宇宙领域关键数字技术专利发展状况进行宏观统计监测，适用于各地方有关部门和社会各界结合实际需要开展相关产业专利统计分析工作。元宇宙技术体系包括沉浸式计 3 3 算、WEB3.0、新型基础设施 3 个一级技术分支，下设 13 个二级技术分支，45 个三级技术分支，79 个四级技术分支，54 个五级技术分支，共计 194 个技术分支，是人工智能、高端芯片、量子信息、物联网、区块链、工业互联网和元宇宙等七大关键技术中技术分支最多的技术体系，如图 2 所示。图 2 元宇宙技术分支架构关键数字技术专利分类体系（2023）工业元宇宙技术体系参照图 2 的元宇宙技术分支架构，尚处于不断演进与发展的阶段，其发展趋势从以下几个方面阐述。首先，技术成熟度和普及度不断提高。随着虚拟现实、增强现实、人工智能等技术的不断发展，工业元宇宙技术体系将逐渐成熟，并得到更广泛的应用和普及。其次，工业元宇宙技术体系将与工业制造领域的数字化转型深度融合，成为数字化转型的关键技术。通过数字孪生、人工智能等技术，实现生产过程的自动化、智能化和可视化，提高生产效益和降低成本。人工智能、5G/6G、数字孪生等技术将深度融合成统一的元宇宙技术生态系统，在未来的发展中，工业元宇宙技术体系将与人工智能、5G/6G、物联网等技术深度融合，形成更加强大、智能、高效的工业制造生态系统。这些技术的融合将有助于实现工业制造的全面数字化、智能化和网络化。4 4 此外，工业元宇宙技术体系的发展将促进工业制造领域的优化和升级。通过数字孪生、人工智能等技术实现对生产过程的实时监控、预测和优化，提高生产效率和产品质量，同时降低能源消耗和环境污染。通过工业元宇宙技术体系，构建全新的工业制造服务模式。在传统的生产过程中，企业主要关注生产效率和产品质量，而在新的服务模式下，企业通过数字孪生、人工智能等技术，提供更加个性化、智能化和高效化的服务模式。3 3工业元宇宙融合应用工业元宇宙融合应用 工业元宇宙是数字经济与实体经济融合发展的新型载体，带来了全场景和数实融合运用。工业元宇宙通过数字孪生技术将现实世界的工业场景进行虚拟化，构建虚实融合的场景，包括工厂环境、设备运行状态、产品研发设计流程等，如图 3 所示。图 3 工业元宇宙的融合应用 工业元宇宙通过扩展现实技术提供沉浸式体验，让人们身临其境地感受工业场景中的各个环节和细节，提供更加广阔的创意空间。在工业元宇宙场景中，设计师通过虚拟现实技术进行交互式创作，对虚拟化的工业场景进行修改、调整和优化。这种交互式创作使得设计师更加便捷地进行创作，同时提高了创作的灵活性和准确性。工业元宇宙的融合应用使得实体经济不再局限于传统的表现形式，而是向多元化方向发展。例如，创作者通过虚拟现实技术将工业场景转化为数字艺术作品，或者通过增强现实技术将虚拟元素与现实场景进行结合，创造出全新的 5 5 艺术形式。可见，工业元宇宙与内容创造的融合应用使得创作变得更加多元化、智能化和高效化，同时也为工业领域提供了更加丰富的创意空间和艺术表达形式，见图 4。图 4 真实加工厂作品 目前认为，互联网经过 Web 1.0、Web 2.0 阶段，正在向 Web 3.0 与元宇宙时代发展，工业元宇宙的内容创造方式也在不断地变化，内容产业也将迎来数字化转型的关键时期。内容创造方式更加依赖 AI 技术生成内容，即 AIGC（AI-Generated Content，AI 生成内容）技术，内容的生产主体不再是人类，而是人工智能。从应用场景来看，工业元宇宙与 AIGC 的相通之处很多，不仅着力于数字世界的创建，更着力于影响及改造现实世界。在数字原生领域，AIGC 能通过AI 创作工具提升 UGC 创作能力，而在数字孪生领域，AIGC 能够通过自动创作、设计、渲染等提升数字孪生模型生产效率。总之，AIGC 的融合应用将为工业元宇宙产业带来巨大变革。它提高了元宇宙内容生产效率，丰富其多样性，提供可交互的个性化、定制化元宇宙场景。同时也降低了元宇宙的应用门槛，实现大规模应用，弥补内容生产缺口，助力工业元宇宙内容智能生产和各种场景的实现。（二）工业元宇宙的发展态势（二）工业元宇宙的发展态势 1 1工业元宇宙发展现状工业元宇宙发展现状 工业元宇宙的发展现状可以从以下几个方面来看。6 6 技术发展技术发展：目前，工业元宇宙已经集合了多种前沿技术，包括虚拟现实、增强现实、5G 通信、大数据分析、AI 智能等，这些技术为工业元宇宙的发展提供了强大的支撑。同时，量子计算等领域也在不断发展，在未来将大大推动工业元宇宙的技术进步。投资活跃度波动投资活跃度波动：中国元宇宙行业的融资活跃度在 2022 年达到高峰后有小幅震荡，但一直保持在较高的位置，部分投资者对工业元宇宙产业有信心，未来将继续支持该领域的发展，从而进一步提升工业元宇宙产业发展水平。全球发展全球发展：随着技术的发展，工业元宇宙产业及其应用正在全球范围内发展，不仅在国内拥有广泛的应用，而且还在全球范围内获得广泛的关注和支持。应用场景不断扩大应用场景不断扩大：目前，工业元宇宙的应用场景已经涵盖了能源管理、制造过程优化、产品设计和创新、供应链管理、设备维护和故障预测等多个领域。随着技术的不断进步和应用的深入挖掘，工业元宇宙的应用场景范围还将不断扩大。未来，工业元宇宙将以赋能制造业为主要目标，大力探索虚实互促的制造业创新变革，在工业关键流程的元宇宙化改造、重点行业工业元宇宙布局和探索工业元宇宙创新应用模式三个方向发力。基于当前现状的发展方向，为建设工业元宇宙基础通用模型数据库，打造高精度、可交互、沉浸式的工业虚拟映射空间。部分城市的产业园区和企业已经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。未来会开发面向不同产品的个性化全生命周期管理系统，围绕资产设备、订单数据等开展供应链金融服务等，这也是通过发展工业元宇宙赋能新型工业化的重要措施。2 2工业元宇宙基础设施与产业生态工业元宇宙基础设施与产业生态（1 1）“硬性”与“软性”基础设施）“硬性”与“软性”基础设施 工业元宇宙的基础设施包括“硬性”和“软性”基础设施两大类。“硬性”基础设施主要体现为硬件及底层基础设施的技术支撑，“软性”基础设施主要体现为保障体系、标准体系和服务体系的建设，如图 5 所示。7 7 图 5 工业元宇宙基础设施 在硬件及底层基础设施搭建上，需要建设 5G-A/6G、千兆光网/万兆光网、FTTR、卫星互联网等新型网络，满足工业元宇宙高速率、低时延、全域立体覆盖的应用需求。建设云边一体、算网一体、智能调度、绿色低碳的新型算力1，为工业元宇宙超高内容拟真度、实时交互自由度提供算力保障。发展工业元宇宙信任的“硬性”基础设施，试点去中心化场景应用，支撑元宇宙可信存储需求。此外，还需打造元宇宙基础设施综合管理平台，实现计算、存储和通信能力的分布式协同，提升运营效率与可靠性。工业元宇宙的软性基础设施中，保障体系和服务体系的详细内容将在第二章第四节进行阐述。工业元宇宙的标准体系尚处于发展的萌芽阶段，需要开展工业元宇宙标准化路线图研究，建设工业元宇宙产业标准规范体系，全面梳理工业元宇宙产业链标准化需求。按照行动计划的要求，围绕基础共性、互联互通、安全可信、隐私保护和行业应用等，组织开展国家标准、行业标准和团体标准制定和预研。（2 2）“软性”基础设施推进产业聚集）“软性”基础设施推进产业聚集 工业元宇宙的保障体系、标准体系、服务体系三位一体，从以下几个方面共同推进工业元宇宙的基础设施建设和产业聚集。1 元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023-2025 年）8 8 强化战略规划和顶层设计：强化战略规划和顶层设计：国家和地方政府加强对工业元宇宙发展的战略规划和顶层设计，明确发展目标、重点领域和实施方案，是推动工业元宇宙产业聚集的先决条件。健全法律法规和标准体系：健全法律法规和标准体系：加强工业元宇宙领域的法律法规建设，完善知识产权保护、数据安全、网络安全等方面的法律法规。同时，加快制定工业元宇宙相关标准，推动形成统一、开放、互操作的标准体系。加强产业协同和合作创新：加强产业协同和合作创新：促进工业元宇宙产业链各环节的协同合作，推动产学研用深度融合，共同推进技术研发、标准制定和产业化应用。鼓励企业加强合作创新，共享资源，协同发展。优化政策扶持和资源配置：优化政策扶持和资源配置：政府通过加大对工业元宇宙相关企业的扶持力度，如给予税收优惠、专项资金支持、优先采购等政策支持，优化资源配置，推动工业元宇宙产业的聚集发展。建立人才培养和引进机制：建立人才培养和引进机制：建立健全工业元宇宙领域的人才培养和引进机制，加大人才培养力度，推动人才跨领域交流与合作，为工业元宇宙发展提供强有力的人才保障。推进示范应用和场景建设：推进示范应用和场景建设：鼓励各地结合产业基础和资源禀赋，建设工业元宇宙特色产业园，推动关键技术产品和重点领域应用的示范应用。同时，加强与相关领域的数字化、智能化、网络化进程紧密衔接，加速工业元宇宙与实体经济各领域的深度融合发展。加强风险防控和监管治理：加强风险防控和监管治理：建立健全工业元宇宙领域的风险防控和监管治理体系，加强数据安全、网络安全、市场监管等方面的工作，防范化解各类风险，保障工业元宇宙产业的健康发展。总之，从战略规划、法律法规、标准制定、产业协同、政策扶持、人才培养、示范应用、风险防控等多方面入手，完善工业元宇宙的基础设施和产业生态建设，推动其健康、可持续发展。3 3工业元宇宙发展阶段工业元宇宙发展阶段 工业元宇宙的发展可分为四个阶段2：在初期发展的虚实映射阶段，产业形态较为单一，现实世界的工业生产过程和消费需求结构尚未改变，需要对物理 2 李伯虎工业元宇宙：工业发展新阶段的赋能者 9 9 设备进行数字化建模。在虚实融合的第二阶段，物理设备数字化建模完成后，通过传感器实时采集设备运行过程中的数据，设备的运行状态被实时传输到工业元宇宙的虚拟世界中，为下一阶段虚拟世界中进行物理仿真提供基础。现实世界与虚拟世界虚实融合的程度有待发展，工业元宇宙相关服务和支撑保障体系还处在早期发展阶段。在以实控虚的第三阶段，现实场景虚拟化进程加快，AR/VR 硬件从娱乐设备向生产力工具转型，虚拟世界的工具和技术深入参与到改造现实世界的生产过程，产品设计、生产制造、交易流通等生产经营活动加速向虚拟世界迁移，工业元宇宙可以在虚拟世界中对物理设备进行高度精确的仿真，完全还原物理世界中的即时情景。在以虚强实的成熟发展阶段，工业元宇宙将实现工业生产的虚实统一，虚拟世界和现实世界之间实现完整映射和无缝交互，网络化协同体系完善，如图 6 所示。图 6 工业元宇宙发展的四个阶段（三）工业元宇宙应用场景（三）工业元宇宙应用场景 场景是满足公众生产、生活和消费需求的具有文化意义的空间3，对工业元宇宙来说，应用场景是工业价值和理念在特定情境中的具象化呈现。3 祁述裕数字文化场景助力成都高质量发展研究报告 1010 1 1工业系统各层级的应用工业系统各层级的应用 工业系统的层级应用方面，工业元宇宙将实现设备级、产线级、工厂级、产业链级各层级的应用，会大幅度地促进企业提质降本增效、服务产业链治理与供应链优化，见图 7。图 7 工业系统各层级的应用（1 1）设备级）设备级 通过工业元宇宙技术对工业系统的设备进行仿真和模拟，可以帮助工程师和技术人员在实际制造之前对设备进行充分的模拟和测试，以便更好地了解设备的性能、功能和特点，从而优化设备的设计和功能。工业元宇宙技术能够实现设备的远程监控和维护。通过数字孪生技术，将现实世界的设备信息映射到虚拟世界中，使得工程师和技术人员在远程对设备进行监控和维护。这样不仅提高了设备的运行效率和使用寿命，还降低了设备的维护成本和减少停机时间。在智能诊断与预测性维护方面，通过人工智能和大数据分析等技术的应用，工业元宇宙能够对设备的运行数据进行智能分析和预测，从而提前发现设备可能出现的问题和故障，并采取及时的维护和修复措施。这样避免了设备在生产过程中出现停机等意外情况，提高设备的可靠性和稳定性。工业元宇宙技术能够对整个生产过程进行优化。通过数字孪生技术和仿真模拟技术的应用，实现对生产过程的可视化和管理，使得生产过程更加清晰、直观和可控。同时，通过对生产数据的分析和预测，优化了生产计划和生产流程，提高生产效率和产品质量。1111 总之，工业元宇宙在工业系统的设备级应用能够帮助工程师和技术人员更好地了解设备的性能、功能和特点，优化设备的设计和功能，提高设备的可靠性和稳定性，同时也实现了对生产过程的优化和管理，提高生产效率和产品质量。（2 2）产线级）产线级 通过工业元宇宙技术对整个生产线进行模拟和优化。在虚拟环境中构建生产线模型，进行模拟预测和提前验证，降低研究成本。通过实时监控生产线数据，能够优化生产流程，提高生产效率。通过数字孪生技术，将现实世界的生产线信息映射到虚拟世界中，实现远程监控和维护。这样能够及时发现和修复问题，提高生产效率。工业元宇宙能够实现人机协同生产。在虚拟环境中，人和机器共同完成任务，提高生产效率和质量。在需要高度专业知识和技能的生产环节中，通过人机协同来实现高质量、高效率的生产。（3 3）工厂级）工厂级 在工厂规划与设计方面，工业元宇宙技术支持在虚拟环境中模拟和设计工厂。这能够帮助工程师和设计师更好地了解工厂在整体设计和具体操作中所需的性能、功能和特点，优化工厂的设计和功能。同时，通过模拟工厂的运行和生产过程，预测和解决潜在的问题，提高工厂运行的可靠性和稳定性，见图 8。图 8 宝马基于英伟达 Omniverse 平台打造的未来工厂，NVIDIA Omniverse 使用户能够从多个不同的角度查看虚拟工厂 1212 通过工业元宇宙技术，对生产线布局进行优化。在虚拟环境中，模拟生产线布局，发现潜在的问题和瓶颈，并采取及时的调整和改进措施。这样提高了生产效率和质量，降低生产成本和能源消耗。在能源管理上，通过工业元宇宙技术，对工厂的能源使用进行智能管理和优化。在虚拟环境中，实时监控能源使用情况和能源消耗，并采取及时的调整和改进措施。这样降低了能源成本和减少环境污染。在设备管理与维护方面，通过工业元宇宙技术，实现设备的远程监控和维护。在虚拟环境中，实时监控设备的运行状态和健康状况，并采取及时的维护和修复措施。这样提高了设备的可靠性和稳定性，降低设备维护成本和停机时间。通过工业元宇宙技术，对工厂的应急响应进行模拟和预测。在虚拟环境中模拟应急响应过程，发现潜在的问题和瓶颈，并采取及时的应对措施。这样提高了应急响应能力和降低潜在风险。（4 4）产业链级）产业链级 在产品设计和测试方面，通过工业元宇宙技术，对产品进行虚拟化设计和测试。在虚拟环境中模拟产品的设计和测试过程，及时发现和解决潜在的问题，提高产品的设计效率和质量，减少生产成本和风险。通过工业元宇宙技术对供应链进行优化。在虚拟环境中模拟全行业供应链的运行和上下游对接过程，发现潜在的问题并采取及时的调整和改进措施。这样提高了供应链的效率和经济性。在产品营销与展示方面，通过工业元宇宙技术将产品的设计和特点进行数字化展示。在虚拟环境中模拟产品的外观和功能，让客户更好地了解产品的特点和优势，提高产品的市场竞争力。在工业遗产保护与文化传承方面，通过工业元宇宙技术，保护和传承工业遗产。在虚拟环境中模拟工业遗产曾经的工作状态，让后人更好地了解工业发展的历程和成就，传承工业文化。2 2产品全生命周期的应用产品全生命周期的应用（1 1）工业元宇宙的产品体系）工业元宇宙的产品体系 工业元宇宙的产品体系与技术体系发展相一致，可以大致分为以下几类。1313 虚拟资产虚拟资产/数字资产：数字资产：工业元宇宙中的虚拟资产包括数字孪生模型、虚拟设备、虚拟产品等。这些虚拟资产在虚拟环境中创建、模拟、交易和管理，能够用于优化生产流程、提高产品质量、降低生产成本和提高市场竞争力。AIGA（AI-Generated Assets）是内容生产工具变革下数字资产的新形式，是大数据和云计算的集合产物，通用性强、自动化程度高、无须标注大量数据。硬件设备：硬件设备：包括增强现实（AR）/虚拟现实（VR）设备、物联传感和网络传输设备等。工业元宇宙需要各种 AR/VR 设备来支持其虚拟环境和沉浸式体验。这些设备包括头戴式显示器、控制器、定位器等。物联传感设备包括深度摄像头（ToF）、惯性测量单元（IMU）、各种传感器、执行器等，用于监测和控制元宇宙中的各种物理设备和系统。5G/6G 网络是元宇宙中重要的网络传输设备，它们提供了高速、低延迟的网络连接，使得元宇宙中的各种设备和系统能够实时地相互通信和传输数据。软件软件和平台：和平台：工业元宇宙需要各种软件和平台来支持其运行和管理。这些软件和平台包括虚拟化软件、操作系统、开发工具、运行时软件等。数据数据和服务：和服务：工业元宇宙需要各种数据和服务来支持其运行和管理。这些数据和服务包括传感器数据、云计算服务、数据分析服务、网络安全服务等。总之，工业元宇宙的产品体系涵盖了虚拟资产、AR/VR 设备、软件和平台、数据和服务等多个方面，如图 9 所示，这些产品为企业提供更加高效、智能的生产经营和管理服务，提升企业竞争力和生产效益。1414 图 9 工业元宇宙的产品体系（2 2）产品全生命周期各阶段的应用）产品全生命周期各阶段的应用 从产品全生命周期的角度来看，工业元宇宙已在产品的研发阶段、生产阶段、管理阶段、销售阶段、实训阶段实现不同程度的应用。工业元宇宙在产品的研发阶段能够帮助企业提高产品的设计效率和质量，优化产品的应用场景，促进多方协同设计和创新，具体表现在这几个方面：在产品设计和模拟方面，通过工业元宇宙技术在虚拟环境中模拟产品的设计和应用过程。这能够帮助工程师和设计师更好地了解产品的性能、功能和特点，优化产品设计，减少产品的缺陷和问题。工业元宇宙能够优化产品应用场景的研发，帮助工程师模拟产品的应用场景。通过虚拟现实和增强现实技术，模拟产品在不同环境、不同条件下的性能表现，从而优化产品的应用场景，提高产品的适用性和竞争力。工业元宇宙能够支持多方协同设计和研发。在虚拟环境中，不同领域的专家能够共同参与产品的设计和研发，实现跨领域的协同创新。同时，通过工业元宇宙平台，各方共享设计数据和资源，提高研发效率和质量。在产品的设计阶段，通过虚拟原型技术和用户测试，评估产品的易用性和用户体验。这有助于发现潜在的问题和瓶颈，并及时进行改进。在生产阶段的生产模拟与优化方面，通过工业元宇宙技术在虚拟环境中模 1515 拟产品的生产过程。这能够帮助企业预测和解决生产过程中可能出现的问题，优化生产流程，提高生产效率和质量。工业元宇宙能够实现产品的远程监控和维护。在虚拟环境中实时监控产品的生产状态和健康状况，及时发现和修复问题，提高产品的可靠性和稳定性。通过应用人工智能和大数据分析等技术，工业元宇宙能够实现智能排产和调度。这有助企业合理安排生产计划和生产排程，提高生产效率和经济性。此外，工业元宇宙帮助企业实现能源的智能化管理和节能。在虚拟环境中实时监控能源使用情况和能源消耗，并采取及时的调整和改进措施，降低能源成本和环境污染，实现产品的智能化和绿色制造。在管理阶段，工业元宇宙提供统一的产品数据管理平台，实现产品数据的集中存储和管理。这有助于保证产品数据的准确性和一致性，提高产品研发和管理效率。工业元宇宙有助企业实现产品配置管理。在虚拟环境中根据客户需求和生产计划，进行产品配置和调整。这有助于提高产品的一致性和灵活性，满足不同客户的需求。工业元宇宙有助于企业实现质量管理。在虚拟环境中模拟产品的检测和检验过程，对产品进行质量评估和检测。这有助于提高产品质量和可靠性，降低退货和维修成本。工业元宇宙能够帮助企业实现产品维护和支持。在虚拟环境中模拟产品的维护和支持过程，及时发现和修复问题，提高产品的可靠性和稳定性。同时，通过工业元宇宙平台，客户能获得更好的产品支持和售后服务，提高客户满意度。这些应用帮助企业实现产品全生命周期的数据管理和配置管理，提高产品质量和可靠性，降低退货和维修成本，同时为客户提供更好的产品支持和售后服务，提高客户满意度。工业元宇宙在产品全生命周期的销售阶段有助企业制定更为精准的销售策略，提高产品的市场竞争力，拓展销售渠道，实现精准对接需求，从而实现销售阶段的数字化转型和升级，主要体现在这几个方面：在销售策略制定上，工业元宇宙通过对市场和客户的精准分析，制定有效的销售策略。在虚拟环境中模拟产品的市场表现和客户反馈，帮助企业更好地了解市场需求和客户偏好，从而制定更为精准的销售策略。工业元宇宙能够帮助企业进行虚拟营销和宣传。在虚拟环境中模拟产品的特点和优势，让客户更好地了解产品，让消费者更好地理解、感受产品，包括拆解产品、试运营产品等，提升消费者体验。工业元宇宙能够帮助企业拓展销售渠道。在虚拟环境中模拟产品的销售过程和效果，1616 发现潜在的销售渠道和销售机会，从而拓展销售渠道，提高销售效果。工业元宇宙有助于企业精准对接需求，实现用户需求到销售、到生产，甚至到设计的直接对接。通过打通虚拟空间和现实空间，企业更好理解消费者的需求和反馈，将用户的需求直接对接到产品的研发和生产过程中，实现 C2M（消费者到生产者）和 C2D（消费者到设计师）的打通。工业元宇宙在产品全生命周期的实训阶段有助于企业提高员工的操作技能和实训效果，增强员工的安全意识和安全操作能力，提高设备与工具的使用效率和操作能力，以及增强员工的应急反应能力和自救互救能力，具体表现在这几个方面：工业元宇宙能够帮助企业进行模拟操作和实训。在虚拟环境中模拟产品的操作流程和实训过程，让员工更好地了解产品的操作方法和注意事项，提高员工的操作技能和实训效果。工业元宇宙辅助企业进行安全培训。在虚拟环境中模拟产品的安全操作和事故案例，让员工更好地了解产品的安全性能和事故预防措施，提高员工的安全意识和安全操作能力。工业元宇宙有助企业进行设备与工具的使用实训。在虚拟环境中模拟设备和工具的使用方法和注意事项，让员工更好地了解设备和工具的性能和使用方法，提高员工的工作效率和操作能力。工业元宇宙能够帮助企业进行应急演练。在虚拟环境中模拟突发事件和应急处置过程，让员工更好地了解应急处置的流程和方法，提高员工的应急反应能力和自救互救能力。3 3跨行业、全场景应用跨行业、全场景应用 工业元宇宙的跨行业应用是在形成一批可复制、可推广的应用模式和商业模式基础上，广泛结合汽车、能源、钢铁、航空、石油、机械装备及电子制造等工业领域，打开工业产品市场空间。工业元宇宙的全场景应用，可以理解为在虚拟空间里将现实工业环境中研发设计、生产制造、营销销售、售后服务等环节和场景实现全面部署，通过连接现实与虚拟的空间来改善和优化，形成全新的制造和服务体系。结合工业元宇宙在工业系统各层级和产品全生命周期的应用，跨行业、全场景的应用可贯穿在以下几个方面。工业元宇宙实现制造过程的数字化建模、仿真和优化，提高生产效率和质量。特别是在汽车制造、机械制造等行业，工业元宇宙技术成为优化制造流程的重要工具。1717 工业元宇宙构建了全数字化的产品模型和创新平台，加速产品设计和创新过程。在航空航天、汽车等领域，工业元宇宙相关技术成为产品设计和创新的重要工具。通过工业元宇宙技术，企业能够实现供应链的数字化管理和优化，提高供应链的效率和灵活性。在医疗、零售、物流等行业，工业元宇宙技术成为优化供应链管理的重要工具。工业元宇宙通过实时数据监控和预测性分析，实现设备的数字化维护和故障预测，提高设备的可靠性和维修效率。在电力、石油、化工等行业，工业元宇宙技术成为设备维护和故障预测的重要工具。工业元宇宙能够实现资源利用的数字化优化和环境影响的可视化监控，推动企业的环保和可持续发展。在矿业、钢铁等行业，工业元宇宙技术成为环保和可持续发展的重要工具。此外，在重点行业的工业元宇宙布局具体包括针对家电、汽车、船舶、航空航天、重大技术装备、电子信息制造等离散型制造业，加速实现基于工业元宇宙的跨行业协同。针对钢铁、纺织、电力等流程型制造业，推动工业元宇宙在物料配方优化、工艺模拟仿真等关键场景中的应用，强化流程排产、物料计算、材料追踪等预测性服务能力。工业元宇宙应用在城市的创新发展上是最为典型的跨行业、全场景应用。举例来说，上海市在全国率先开展智能化全息测绘体系建设研究，实现了城市基础测绘产品全面转型升级，通过智能化全息测绘的手段，实现了上海城市的建筑、交通、绿化、水系、管线等各种地理要素全景还原，形成了满足城市治理现代化、长三角区域一体化等高质量发展需求的全息数据资源体系，见图 10。元宇宙的空间计算技术中“硬性”基础设施地理信息系统为支撑，扩大应用范围到建筑业、交通业、园林业等，进一步的融合发展对城市治理和公共服务能力提升起很大作用，这样的全场景应用案例可以推广到其他城市发展中去。1818 图 10 上海市全息成果平台展示 二、工业元宇宙与城市创新发展二、工业元宇宙与城市创新发展 习近平同志在党的十八届五中全会上提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，把创新提到首要位置。今日世界，发展面临的最大矛盾仍是供需矛盾，尤