元宇宙賦能數字工廠：架構、應用與挑戰 | 人人都是產品經理

近日，美國科技公司巨頭們紛紛公布了2022年第三季度財報。面對「裁員」「市值蒸發」等消息，科技行業真的走向下坡路了嗎？本文透過現象看本質，重新分析了美國科技公司們利潤下降增長放緩的原因，結合當下環境對這些現象提出了前瞻性的理解，希望能為你提供有用的參考。

摘要

在工業互聯網中，標識解析體系是打通物理世界的關鍵環節，區塊鏈是實現信用傳遞和數據安全共享的關鍵技術，而元宇宙是基於互通物理世界，將區塊鏈、人工智慧、VR/AR等技術進行整合，並對現實世界所涉及的內容生產、經濟系統、用戶體驗等實施改造。

通過分析當前數字工廠存在的問題、現實世界與虛擬世界的關係以及當前工廠元宇宙的研究現狀，構建了基於標識解析體系和「星火·鏈網」體系的工廠元宇宙6層體系架構，詳細闡述了物理層、軟體層、數據層、策略層、應用層、交互層的功能和作用。通過對一些特定場景的分析和描述，認為工廠元宇宙發展雖然可能面臨很多挑戰，但是它能夠改變傳統數字化工廠的生產模式，促進產業生產力的發展。

0 引言

在2021年3月，中國政府發布了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，在加快推進數字產業化和推進產業數字化轉型方面，明確提出要培育壯大人工智慧、大數據、區塊鏈、雲計算、網路安全等新興數字產業，提升通信設備、核心電子元器件、關鍵軟體等產業水平，構建基於5G的應用場景和產業生態。推動數據賦能全產業鏈協同轉型，深化研發設計、生產製造、經營管理、市場服務等環節的數字化應用，培育發展個性定製、柔性製造等新模式，加快產業園區數字化改造。

目前，隨著我國兩大新型基礎設施體系（即：國家工業互聯網標識解析體系、國家區塊鏈「星火·鏈網」 體系）的建立、應用和推廣，促進了工業數字化及智能化的發展，解決了工業企業之間的「數據孤島」問題，保障了工業數據的安全性和可信性。

但是由於工業互聯網的快速發展，大型工廠規模不斷擴大，存在著智能監控裝置部署分散、日常巡檢與管控壓力大、人員成本高、生產協同困難、產品定製化困難、系統維護自動化程度低和上崗工人培訓耗時費力且成效不夠顯著等一系列問題，根據相關研究報告，元宇宙技術能夠達到遠程操控作業、虛擬運維、模擬運行、實境培訓等需求，為解決當前存在的問題提供了方向。

為帶動生產力提升、改進工廠生產模式、人員協同模式，促成企業數字化轉型和以人為本的轉型，優化產業生態，進而促進價值分配與經濟模式轉變，保障人員生產安全和設備運行安全，打造工廠元宇宙成為了數字化工廠進一步升級轉型的關鍵。

元宇宙作為集成了擴展現實（XR）、人工智慧、區塊鏈和5G等多種技術的融合成果，大型工廠作為具有相對固定場景且數字化程度較高的物理環境，使得工廠完全具備構建元宇宙條件與優勢。

因此，本文基於工業互聯網標識解析與星火·鏈網體系，對元宇宙賦能未來工廠展開研究，提出基於元宇宙概念的打造工廠元宇宙的技術架構、應用與挑戰，對減少人力成本、時間成本和避免資源浪費有著正向促進作用，對實現產品個性化定製、產品全生命周期管理、資產價值鏈傳遞和高效運維等具有重要意義，同時，對實現「十四五」規劃將起到推動性作用。

1 元宇宙概述

2021年被稱為「元宇宙元年」，相關報告習慣將超出現實世界物理限制的虛擬世界稱為「元宇宙」。

隨著「元宇宙」投資市場颶風的掀起，多方資本介入，相關概念股持續大漲，Roblox股價暴漲，估值超600億美元，INVIDIA推出元宇宙平台Omniverse，2021年8月，位元組跳動公司為提前布局元宇宙，共斥資90億元收購Pico，2021年10月，一直致力於數字孿生平台研究的供應商——DataMesh公司，為打造工業「元宇宙」，實現了接近1億元的資本融合。

在資本驅動和巨頭的疊加效應下，作為新興概念的元宇宙被完全引爆，成為 2021 年貫穿工業互聯網、智能製造、互聯網、數字化、娛樂、區塊鏈等多個行業的爆點。

隨著虛擬現實、數字孿生、5G通信技術、區塊鏈、AI、低時延遠程控制等技術的發展，元宇宙的定義不斷具象化，如Wright[1]等（2008）認為元宇宙不僅僅是簡單的電腦或遊戲程序，而是一個能同時支持大量人員進行社交互動的大型3D虛擬網路世界。

Rehm[2]等將元宇宙定義為技術發展趨勢與社會和商業數字化轉型之間的中介，他們相信通過虛擬分身和沉浸式的輔助技術可以實現這種連接。清華大學瀋陽教授認為元宇宙是通過整合人工智慧、大數據等新技術而形成的一個理念或概念，並不是一種單純的技術。

隨著工業數字化的發展，將元宇宙概念引入至工業場景成為了可能，據相關分析報告定義，以「工業元宇宙」為標誌的未來工廠發展的三個階段，第一階段：黑燈工廠與無人化車間，第二階段：以數字孿生、CPS信息物理系統和全連接工廠為標誌的未來工廠，第三階段：以「工業元宇宙」為標誌的未來工廠，如今第一階段和第二階段均已實現，正在向第三階段邁進。

比如：擁有1.8萬平方的小米黑燈工廠，車間沒有工人，卻能每秒生產一部小米手機。綜上所述，元宇宙是未來工廠的發展方向，通過利用擴展現實、數字孿生和區塊鏈等多種前沿技術，使用戶以數字替身的方式進行生產、創作和經濟交易，通過這種方式保持著對現實世界全面的感知與控制，但又與現實世界平行。

2 研究現狀分析

2.1 元宇宙相關政策動向

隨著元宇宙相關概念的提出及相關技術的發展，各個國家和組織對元宇宙表現出不同的態度。

美國是首先對元宇宙進行探索的國家，其主要關注元宇宙在開放性條件下如何保障相關數據的安全性和隱私性。

韓國為打造本土的虛擬現實平台，成立了「元宇宙」聯盟，聯盟內成員主要包括SK公司、LG公司、現代汽車等公司。歐盟注重元宇宙的規則、監管和安全問題，為充分保障用戶權益和網路安全，先後出台了《人工智慧法案》、《數字服務法案》等法律法規。

我國一直致力於推進產業數字化轉型升級和工業數字經濟的快速發展，出台了多項推動元宇宙發展的政策（如表1所示）。

2018年12月，國家工信部在《關於加快推進虛擬現實產業發展指導意見》一文明確指出：到2025年，需要將我國虛擬現實產業整體提實力進入全球前列，2021年3月，國家工信部提出「雙千兆」網路協同發展行動計劃（2021-2023年），形成增強現實/虛擬現實等典型行業千兆應用示範，2022年「兩會」提案成立國家級「元宇宙」研發機構，屆時工信部明確提出了在我國培育進軍元宇宙的創新型企業的建議。

表1 各單位/地區推動元宇宙發展的政策Table 1 Policies of each unit/region to promote the development of the metaverse

2.2 元宇宙行業發展現狀

2007年Metaverse Roadmap團隊就確定了元宇宙世界的四個主要場景：增強現實、生命日誌、虛擬世界和鏡像世界[9]。

在2014年Facebook收購Oculus VR，率先進行元宇宙產業布局，於2021年10月公司更名為「Meta」，宣布正式向元宇宙進軍[10]。

騰訊公司在元宇宙系統布局上開展了多項投資，如：與Roblox合作成立公司，投資Epic Games，Avakin life等遊戲。另外，騰訊還推出智慧信息底層平台Citybase，正式進軍城市信息模型領域[11]。

除此之外，位元組跳動對元宇宙也採取了積極的應對態度，分別向「中國版Roblox」投資1億元和以90億元的價格收購VR Pico，進入VR賽道。除這些互聯網巨頭外，谷歌、蘋果、百度、阿里巴巴等公司也都在積極籌劃元宇宙相關業務。

2.3工廠元宇宙研究現狀

2022年1月7日消息，韓國現代汽車宣布與3D內容平台Unity開展合作旨在打造元宇宙數字虛擬工廠[12]。寶馬構思並設計的最新工廠可實現1分鐘下線1輛車，所生產的每輛車均可實現定製化，整個生產的流程均在Omniverse元宇宙環境下進行模擬。

我國在工廠元宇宙的研究仍處於起步階段，根據《中國元宇宙商標申請企業畫像報告（2021年）》[13]，於2021年底，我國相關企業申請的元宇宙商標共計1.14萬個，包含小鵬汽車、比亞迪汽車、國聯雲等在內的企業現在已經開始推進元宇宙數字化工廠的平台建設，期望通過模擬工廠生產，優化生產工藝和流程，實現降本增效和綠色低碳的發展。

3 技術架構

3.1 總體架構設計

當前元宇宙處於探索階段，針對不同場景下元宇宙應用技術架構在學術界和工業界並未形成統一的定義。

Jon Radoff[14]基於出口市場價值鏈的產業分工提出了7層元宇宙架構，以滿足產業需求，該架構從底層到頂層分別為：基礎設施、人機交互、去中心化、空間計算、創造者經濟、發現系統、用戶體驗。華子荀等[15]基於教育元宇宙的教學場域提出了的4層元宇宙架構，包含物理層、軟體層、應用層、分析層，以滿足師生在物理世界和虛擬世界的教與學需求。

李默[16]基於智慧圖書館服務模式提出了圖書館元宇宙體系6層架構，包含物理層、軟體層、數據層、規則層、應用層和交互層，為元宇宙在智慧圖書館的應用研究提供了參考。

元宇宙通過實現全真互聯網，賦能現實工廠的工藝設計、排產計劃、生產流程、員工交流、個性化定製、設備和系統維護等環節，從而實現改變工廠生產模式和員工工作、生活、交流方式的目的。

在工廠數字原生世界中，通過我國構建的標識解析和「星火·鏈網」兩大基礎設施體系，實現了工業企業內外各平台數據的互聯互通和數據的可信傳遞。但由於打造工廠元宇宙需要對現實世界進行映射，映射過程中需要對現實世界物理身份進行綁定，同時元宇宙需要依靠區塊鏈技術實現信用價值安全傳遞。

因此，本文結合元宇宙的相關技術、基本特點、核心要素和工業互聯網標識解析平台、星火·鏈網平台、工廠數字化平台，構建工廠元宇宙模型，設計工廠元宇宙體系架構，該架構共6層，分別為物理層、軟體層、數據層、策略層、應用層、交互層，如圖1所示。

圖1 工廠元宇宙6層架構Figure 1. 6-layer architecture of factory Metaverse

3.2 分層介紹

（1）物理層

物理層是構建整個工廠元宇宙體系的基礎，是數據生成、數據保存、數據傳輸的有效載體，該層主要包含賦有標識編碼的感知設備、工控設備、生產線、智能化加工及檢測單元、智能化物流單元等數字化基礎設施。

感知設備主要是利用智能移動終端、感測器模塊、視覺感知攝像頭、高精度GPS、RFID等設備，感知、識別工廠內部的設備（如：生產、加工、物流、控制設備等）和工廠環境（如：溫濕度、光照強度等），以及獲取建設工廠元宇宙的基本數據（如：用戶的數據信息可以通過移動終端和GPS進行獲取），最終利用自動標識掃碼器、RFID 實現對工廠物料、產品、設備的使用數據進行實時上傳。

物理層和軟體層中間的傳輸通道是整個物理層最關鍵的部分，通過利用5G/6G網路、WIFI網路、AioT網路、邊緣計算網路、TSN網路形成的通信管道，實現海量數據的實時傳輸。通過AioT、TSN等網路將多維度的物聯網數據在雲端和邊緣端進行保存，並將數據上傳至軟體層進行使用。

（2）軟體層

軟體層是整個架構的關鍵層，該層主要包含兩大軟體，即：工業系統性軟體和工業應用性軟體。軟體層主要是負責加工、分析和處理經物理層上傳的數據，同時為數據層提供應用數據源支撐，該層在工廠元宇宙中起到了核心驅動器的作用。

工業系統軟體用途主要是控制、協調工廠內部接入的硬體設備，支撐應用軟體的設計、研發、部署和運行，該部分主要包括元宇宙系統軟體、雲計算系統、人工智慧控制軟體、資料庫系統、Windows/Linux/Android/IOS操作系統等多種系統。

應用軟體則是指一些定製化軟體，這些軟體可以實現工廠元宇宙定製化功能，通過應用軟體與工業互聯網標識解析體系結合，打通與物理層、現實應用場景之間的關係，構建一個基礎性的EOP平台，為整個數字工廠的3D構建軟體、實時通信軟體、腦機交互軟體等提供公共型服務。

（3）數據層

數據層主要由數據中心、數字資產中心和數字孿生三個部分組成。

數據中心實現對工廠元宇宙產生的用戶數據（用戶基礎數據、行為和操作數據等）、系統數據（標識編碼數據、設計數據、設備數據（設備狀態數據、設備運行數據）、能耗數據、生產數據、物料信息數據、環境數據、模擬模擬數據、質量檢測數據、系統日誌數據、設備故障與維護數據等）等海量原始數據的匯聚與存儲，為數據的更上層的應用提供原始數據分析和參考。

數字資產中心是一個底層基礎平台，基於該平台可實現數字資產交易，平台採用分散式去中心化的區塊鏈技術實現資產的可信性、安全性和數字化，同時，通過採用虛擬電子形式對非貨幣性資產數據進行統籌管理。

數字孿生是對工廠的內外部環境、實時數據和歷史狀態的復現，通過構建與現實數字化工廠一一對應的數字孿生體，可實現智能工廠的精細化管理，為員工、用戶提供更優質的服務。

（4）策略層

策略層主要是為數據應用建立規範化的策略，構建監管體系，維護數字化工業生產秩序。策略層主要包括數字治理、工藝流程、組織監管、生產流程、智能化排班排產、行為活動、推理計算、強化學習等。

其中，數字治理就是依託數據要素作為驅動力，構建開放、創新、協同的治理體系；工藝流程是以工業產品生產為依託，構建產品工藝模型，實現工藝流程的管控；組織監管主要是為保障制度的實施；生產流程主要是基於生產要素，利用推理計算策略和強化學習方法構建生產過程模型，實現生產流程的虛擬透明化。

此外，策略層還需要通過生產流程和工廠制度實現智能化排班排產、約束生產者的行為活動，保障生產的有序執行。

（5）應用層

應用層位於策略層之上，以物聯網技術、網路及運算技術、虛擬現實技術、人工智慧技術、區塊鏈技術等作為支撐，並與工廠元宇宙融合，共同為工廠內外的不同類型用戶提供應用。

工廠元宇宙利用物聯網技術為工廠內萬物連接及虛實共生提供技術保障，利用網路及運算技術將應用層上各系統的運算結果傳輸至用戶端，比如面向用戶的虛擬諮詢、虛擬辦公、社交服務、虛擬培訓、資源調度等；採用人工智慧技術為用戶提供智能生產、班次交接、互動交流等功能應用；採用區塊鏈技術，依託星火·鏈網平台研發虛擬數字貨幣及對應的數字化交易軟體，搭建虛擬經濟體系和DID用戶身份認證體系，實現用戶虛擬資產價值的安全傳遞和安全交易。

（6）交互層

交互層為用戶提供工廠元宇宙入口，用戶可通過AR/VR、移動終端、PC、腦機介面、可穿戴設備等獲得在工廠元宇宙中的全感官沉浸式體驗。

通過人機交互設備打通一條可使用戶抵達工廠元宇宙的隧道，採用觸覺、視覺、語音、動作、意圖等多種感知技術，實現工廠元宇宙與用戶多感官的信息交互，遠程指導工廠自動化生產、設備自動化檢查和維護。

4 應用場景

4.1 場景1：虛擬生產

工廠員工利用可穿戴虛擬現實設備（如：VR/AR、腦機介面、肢體感知設備等）進入工廠元宇宙，在工廠元宇宙中會自動生成一個鏡像數字替身（數字替身通過星火·鏈網平台進行DID身份註冊並與現實世界中的用戶ID進行唯一性綁定），數字替身進入基於現實工廠的元宇宙數字孿生工廠。

生產開始前，數字替身首先在元宇宙中查看訂單狀態、設備狀態、產品狀態，通過人工智慧演算法找到最優的生產方案後下達生產計劃。

生產過程中，數字替身可以在元宇宙中遠程監控並實時調整車間的生產狀態，現實工廠和工廠元宇宙同步運行，依照數字替身在元宇宙中下達的指令自主完成物料配送、生產節拍、質量管理、數據採集等協同生產過程。生產完成後，數字替身在元宇宙中通過操控智能物流系統和智能倉儲系統，自動根據訂單狀態並完成產品無人分揀、智能搬運和智能倉儲等流程。

4.2 場景2：工作交接

員工的本班次結束后，元宇宙智能雲計算系統立即統計出生產工人的工作量和當前生產進度，並將數據自動上傳至工廠管理雲平台，雲平台自動分析該員工的產量、效率、能耗、工時等數據，公司生產管理調度系統依據這些生產信息進行生產計劃安排和調整。

同時，換班員工通過虛擬現實設備進入元宇宙，交接班員工的數字替身通過查看生產計劃表、語音交流，確定已完成和待完成工作內容，在元宇宙內完成生產許可權、生產進度和設備狀態的交接。交接工作完成後，上一班次員工下線，換班員工的數字替身向管理人員確認生產計劃后按計劃在元宇宙中進行生產，同時，現實工廠同步推進生產工作。

4.3 場景3：故障維護

當工廠設備運行發生故障時，維護人員穿戴虛擬現實設備進入工廠元宇宙，通過元宇宙中的數字孿生工廠結合原生設備的三維模型，定位設備故障點，並根據現場感測器返回的數據確定故障原因。依託元宇宙強大的雲計算能力，基於人工智慧演算法預測設備故障原因，確定維修預案，維護人員的數字替身直接在元宇宙中進行設備維護。

同時，維護人員可以邀請設備供應商的專家進入工廠元宇宙進行設備維護，遠程專家通過工廠元宇宙查看工廠的故障報警情況並了解故障基本信息，然後對故障和缺陷進行虛擬化檢測，並在元宇宙世界中給予維修指導意見，現場維修人員或維修機器人收到維修指令后立即進行維修操作，快速恢復生產製造。

5 面臨的挑戰

工廠元宇宙是智能工廠數字化轉型的終極目標，它通過VR/AR技術實現工業流程的全貫穿，突破空間限制，實現沉浸式生產體驗。用戶利用穿戴設備進入虛擬化生產場景，查看現實工業企業映射和生產過程，設計定製化產品，提前感受產品形態和功能，還能進行遠程虛擬化辦公和設備運維，但由於工廠元宇宙面向的對象複雜多樣、信息量巨大、實時性要求極為苛刻、技術集成度非常高且存在較大的安全風險，因此在實現工廠元宇宙可能面臨巨大挑戰，主要如下：

（1）技術壁壘突破難

在構建工廠元宇宙過程中，技術壁壘將是工廠元宇宙發展道路上的最大阻礙，主要存在以下幾個方面：

1. 底層技術難以滿足應用需求。目前，市面上比較成熟的AR/VR、區塊鏈、人工智慧、大數據等底層技術無法滿足工廠元宇宙落地應用需求；
2. 系統/平台算力要求極高。由於現實工廠中的設備數量眾多，每秒將產生海量的數據，同時，現實工廠需要與元宇宙中的數字孿生工廠進行實時聯動，且需要實現可編輯世界、多人在線、UGC、虛擬社交、經濟系統等多要素的融合，對網路、邊緣設備、伺服器等設備/系統的併發量、吞吐量和計算能力要求極高，

雖然雲計算、5G網路技術不斷發展，但還是難以支撐海量數據的實時計算。因此，技術壁壘是元宇宙難以落地實施的關鍵性因素之一。

（2）安全隱私保護難

構建工廠元宇宙的出發點是為促進工廠生產效率，給員工帶來沉浸式交互體驗，但是在實現元宇宙的過程中，不僅需要對進入元宇宙的用戶進行身份屬性、社會屬性、人際關係、實時位置、生物特徵、腦電波模式等個人信息採集，還將對工廠內設備基礎信息、控制指令、監測介面等工廠內部信息進行採集，同時還會對周圍的環境數據進行全面採集。

通過對以上信息的深度挖掘、分析、處理、存儲和實時同步，以滿足工廠元宇宙對數據資源的基本要求，如果這些個人數據或環境數據出現泄露或者被不法分子濫用，將會嚴重影響現實世界中用戶的正常生活，也會對現實工廠的生產造成影響，導致直接經濟損失。因此，安全隱私保護將成為元宇宙難落地實施的關鍵因素之一。

（3）標準法規推動難

目前，元宇宙這一新興概念在各界尚未進行標準化定義，國家/行業制定標準、法規缺乏可信的依據。同時，由於構建工廠元宇宙的前提是需要打通與其他不同元宇宙生態系統關係，從而實現元宇宙生態系統的廣泛連接，為滿足上述要求，國家及各行業需要制定相關的標準、規則和協議，引導企業之間進行規範化、標準化的合作，建立一套屬於元宇宙的標準體系。

但是由於構建元宇宙體系將涉及多個領域、多種行業、多個企業且不同行業、領域、企業均存在不同層面的監管機構，這些監管機構可能會造成信息割據、資源壟斷、經濟風險和信息安全風險等多種問題。因此，在推動建設統一化的標準法規方面可能存在阻礙，這個問題也就成為了元宇宙難落地實施的關鍵因素之一。

6 結語

目前，工廠元宇宙處於發展初期，在技術、安全隱私保護和標準法規推動層面的思考尚未成熟。本文以提高工廠生產力、改進工廠生產模式、促成企業數字化轉型和以人為本的轉型為出發點，基於工業互聯網標識解析體系與星火·鏈網體系，提出了工廠元宇宙的技術架構，並對該架構進行了詳細闡述。同時，通過構建不同的應用場景，驗證了工廠元宇宙實現的可能性。

隨著科學技術的進一步發展和人類思維方式的變化，元宇宙將以數字網路形式融入我們的生活的方方面面。通過打造工廠元宇宙能夠實現工廠生產模式的轉變，促進生產力提升，而要實現這一目標還需要對工廠元宇宙的技術、服務、安全性防護和標準法規等方面進行研究和探索

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