一文读懂 | 工业元宇宙场景建设及体系结构

发布时间：2024-11-06 08:34:23     阅读：3496

随着元宇宙技术的不断发展，工业领域的元宇宙技术应用已经成为进一步提升生产效率、生产安全性，促进新的生产模式及产业生态形成的重要途径。元宇宙技术与工业场景深度融合最直接的体现在技术与场景的融合应用，而工业领域的元宇宙化是多工业元宇宙场景的组合完善的过程。正确认知当前工业领域元宇宙场景的需求、目标、特征，进而形成场景化建设思路，能够更加科学地实现工业元宇宙场景建设，通过对元宇宙场景进行统一的规划，加速工业元宇宙的发展进程。

1 工业领域的需求要素分析

1.1 人员素质水平要素

人员素质和生产要求不匹配是阻碍工业数字化进程的重要因素。工业领域企业的智能化、数字化变革，对从事工业生产人员的素质要求不断增加，生产人员的培训也越来越复杂，工业企业对于生产人员上岗培训的时间周期和成本也不断增加。

1.2 生产管控能力要素

生产环节的不可控性是影响生产效率和安全的主要原因。工业生产由于工艺复杂、环节多、操作不透明的情况，对生产情况难以做到全面把控，导致大量成本浪费，生产过程安全难以保证。

1.3 数据挖掘能力要素

生产数据价值的深层挖掘成为工业企业的核心竞争要素。目前工业企业已经逐步能够实现数据的采集、清洁、处理，建立数据库并对生产数据进行初步的挖掘利用。但是对数据的价值挖掘仍然不够彻底，造成数据采集管理的成本与数据产生的价值收益严重不对等。

2 工业元宇宙场景建设目标

2.1“透彻感知”：全生命周期信息无死角采集

基于元宇宙技术的底层数据采集处理能力及感知能力，利用元宇宙技术描述信息的变化及连锁反应原理、机制，实现对企业全生命周期中各个环节的生产信息、环境信息、市场信息等信息的实时采集和展示。

2.2“全面控制”：工业场景的全面智能化控制

基于元宇宙技术清晰化管理控制的流程、原理，结合数据挖掘、机器学习等技术，一方面实现虚拟平台对生产全生命周期各环节的远程控制，另一方面实现实时的应急反馈和智能化的辅助决策。

2.3“资产转化”：工业生产信息资产产品转化

基于元宇宙技术帮助企业对生产信息进行分类整理，对接虚拟产品市场，分析市场需求，对信息资产进行统合性管理，赋予统一标识编码，转化为信息资产虚拟产品。

2.4“虚实映射”：虚拟场景与现实场景的映射

基于元宇宙技术对企业全生命周期各个环节的实际场景在虚拟平台进行镜像化的仿真还原。链接虚拟场景与现实场景，实现虚拟场景与现实场景的相互映射能力。

2.5“无障碍交互”：高效多样的人机交互能力

基于元宇宙技术扩展人机交互渠道，通过降低人机交互的认知负荷，拉低生产人员素质水平要求。通过多样化的信息转化模式及信息展示方式使人与机器交流的阻碍降低。

3 工业元宇宙场景特征

3.1 虚拟现实的交织化

工业元宇宙场景必然是一种虚拟世界与现实世界相互关联、相互影响、相互映射的交织化场景，其特征主要体现在 3 个方面 ：一是现实场景的虚拟化还原，通过对现实场景的透彻解析，将现实场景数据化并在虚拟世界还原 ；二是虚拟场景对现实场景的实时反馈，虚拟场景就随着现实场景情况实时变化 ；三是虚拟场景能够对现实场景产生影响，对虚拟场景的干预影响现实场景的活动。

3.2 人机交互的统一化

机器与人、人与人的交互模式的统一化的特征性主要体现在 3 个方面 ：一是信息展示设备的变化，通过展示设备的升级，降低人获取信息的难度 ；二是信息展示方式的变化，从传统视觉感知发展出的文字感知、图像感知、视频感知等方式的基础上，增加听觉感知、触觉感知等多种信息感知的方式 ；三是信息展示的可选择可交互模式的产生，从单纯意义上的信息灌输到可交互问答形式的信息展示模式上的转变。

3.3 生产场景的功能化

工业元宇宙场景搭建的最终表现形式是将工业生产各个环节通过功能模块的方式进行展示，其主要强调 3 个特性 ：一是实现现实交互态势还原，在虚拟维度最大程度还原现实中的交互场景 ；二是开拓虚拟环境的创新渠道，利用虚拟世界的便利，在虚实结合的理念上重新定义原有的功能体系架构，赋予功能模块新的定义 ；三是建立功能场景之间的因果力场，还原现实场景之间的因果关系。

3.4 行业场景的特征化

工业元宇宙场景的搭建需要充分考虑行业的特异性，其特征化主要集中体现在以下 3 个方面 ：一是对本行业全生命流程的仿真还原，还原行业的特异性特征、生产运营场景等 ；二是对本行业资产的重新定义，根据行业的特异性，结合行业原有资产类别和数据资产的产生，构成不同的产品模式和资产运营模式 ；三是促使本行业产业链扁平化，基于元宇宙世界的规则建立虚拟的产业化社区，实时查看全产业链的情况，从而使行业产业链更加扁平化。

4 工业元宇宙场景建设实施

由于元宇宙技术的不可具现化的特征，工业元宇宙场景成为企业了解元宇宙技术、应用元宇宙技术极为重要的途径之一，也是通过元宇宙技术解决企业痛点的问题最直接的手段。工业元宇宙场景的建设需要充分结合元宇宙技术，尊重元宇宙产业发展的规律，从最初的基础设施支撑逐步实现工业元宇宙的产业生态化，工业元宇宙场景的实施路线如图 1 所示。

图 1 工业元宇宙场景建设实施路线

 

4.1 基础设施建设阶段

基础设施建设阶段是搭建工业元宇宙底层基础设施的阶段。该阶段的重点是在元宇宙服务商提供的元宇宙的基座上完善自有的工业元宇宙基础设施，其主要包括支撑设施、场景要素和交互要素 3 个方面。工业元宇宙的支撑设施是指帮助工业场景上载的元宇宙虚拟世界中的相关设备设施，包括基础的数据采集设备、测绘定位设施、数据存储设备、感知交互设备等，此类设施是虚拟世界与现实世界对接的通道，是工业场景元宇宙化的重要支撑。这一类支撑设施与元宇宙服务商搭建元宇宙的基础设施有本质区别，支撑设施主要指的工业企业将自身特异性在元宇宙世界中仿真还原所需要用到的基础设施。工业元宇宙场景要素指的是在元宇宙虚拟空间中组成工业场景的基本要素，其主要构成为符合元宇宙场景特征的环境建模、工业建模等基本构成单元。工业元宇宙交互要素指的是支撑工业元宇宙虚拟平台与人的交互的最基本的单元要素，例如文字展示模块、图片展示模块及数字化人等。

4.2 场景设计搭建阶段

场景设计搭建阶段是工业元宇宙场景的设计开发实施落地的工作阶段，其主要包括工业场景的特征化组态设计、智能化仿真预测、实时化的虚实映射 3 个方面。特征化组态设计是利用工业元宇宙的场景要素和交互要素基于工业场景的内在机理进行配置组合，在虚拟世界最大限度地还原现实的场景的运行模式 ；智能化仿真预测是在完成虚拟场景的仿真之后，基于现实数据对工业元宇宙各个环节的趋势走向构建预测模型 ；实时化的虚拟映射是强调虚拟世界场景与现实世界场景交互的时效性，在此阶段构建实时数据传输反馈机制，确保虚拟场景和现实场景的相互映射。

4.3 场景整合联动阶段

场景整合联动阶段解决的是多个工业元宇宙场景之间的互联互通问题，该阶段的主要工作包括多场景关联逻辑解析、协同机制构建及多节点联动反馈模式形成 3 个方面。多场景关联逻辑解析是通过深度解析各个工业元宇宙场景之间的关联关系及其互相影响的逻辑脉络，从而达到明确两个元宇宙场景相互作用机理的目的 ；协同机制构建是在关联逻辑分析之后，根据不同工业元宇宙场景之间的关联关系建立多场景之间相互作用、相互影响的协同机制，以确保不同场景的现实联系能够在虚拟世界中还原 ；多节点联动反馈模式是在多场景协同作用的情况时，为了兼顾现实世界与虚拟世界实时状态的协同而形成的信息反馈模式，多场景的协同产生的海量数据必然会对数据传输渠道造成巨大的压力，该模式能够摆脱单一传输渠道进行数据传输的弊端，有效利用所有场景的数据传输通道，同时支撑多节点的数据运算及数据传输，以此确保数据传输效率，保障虚拟现实的实时同步。

4.4 产业生态形成与发展阶段

产业生态形成与发展阶段是指实现多个行业工业元宇宙之间联动从而形成基于元宇宙的产业生态的阶段。该阶段的实现首先需要打通不同工业元宇宙之间的数据壁垒。不同工业元宇宙由于元宇宙世界的底层架构框架、数据格式、接口协议等的不同，会造成数据传输壁垒，从而造成不同元宇宙之间的信息、资产及生产要素等难以流通，无法形成多行业的集成串联，难以实现产业化生态。其次，需要提升工业领域虚拟资产的产品转化能力。随着元宇宙技术的应用及工业元宇宙场景的普及，工业领域产业的发展从生产要素驱动转化为数据驱动，以至于工业领域的产业结构也逐渐发生改变，从实物产品的流通逐步拓展到虚拟资产的流通。因此，虚拟世界资产的产品转化能力也将成为影响基于工业元宇宙的产品生态发展的因素之一。最后，需要建立基于工业元宇宙的产业链信用体系。信用体系是保障产业链健康发展的基础，随着元宇宙技术在工业领域的应用，虚拟数字产品的交易额导致原有的信用体系已经无法满足基于工业元宇宙产业生态发展的需求。因此通过赋予产业生态中各个产品唯一标识的方式，采用去中心化的信息记录方式，建立工业元宇宙特有的信用标识体系，不仅能够使原有产业链的信用体系更加完善，还能满足现有工业元宇宙产业生态的需求。

5 工业元宇宙场景体系结构

建立工业元宇宙场景体系能够对现有的工业元宇宙场景进行梳理分类，并对可能产生的场景进行预测，以此引导工业元宇宙的发展趋势。根据上述对工业元宇宙的研究发现，工业元宇宙场景的建立是从单一功能场景逐步发展完善，进而实现不同行业之间在元宇宙虚拟空间的交互共生，构建工业元宇宙的产业生态。在工业元宇宙场景建设阶段，功能场景是解决元宇宙技术在工业领域的应用部署及功能实现的问题，行业场景是对工业元宇宙功能点进行组态，两者所占的维度不同。因此，本文认为工业元宇宙场景的构成需要从功能场景和行业场景两个维度进行展示。

图 2 工业元宇宙场景体系结构图

 

如图 2 所示，功能场景是从工业的生产全生命周期对场景进行划分，覆盖研发设计、安全生产、质量管理、供应链管理、生产制造、运营管理、仓储物流、运营维护全功能模块，强调的是从生产运营各个功能点上建立工业元宇宙场景。行业场景是从行业特异性出发建立具备行业特性的工业元宇宙场景，其强调的是建立覆盖全功能模块的、具备综合性及行业特殊性特征的工业元宇宙场景。

6 结语

本文通过分析工业领域当前的需求要素和主要问题，提出建立工业元宇宙场景的方式改善当前工业领域面临的痛点问题。本文结合工业领域特征，确定了工业领域建立元宇宙场景的主要目标以及工业元宇宙场景的主要特性，以此提出工业元宇宙场景的建设思路，进而构建工业元宇宙场景的体系结构。通过上述研究以期帮助企业了解元宇宙技术在工业领域的应用情况，明确工业元宇宙场景的构成及工业元宇宙场景最终目标，促进元宇宙技术在工业领域的应用和发展。