2022年中国工业元宇宙发展洞见白皮书

1 研究报告|2022/10 报告标签：元宇宙、工业数字孪生、工业互联网 研究报告|2022/10 研究目的与摘要 2021年被称为“元宇宙元年”，元宇宙概念迅速点燃市场。本篇报告聚焦于元宇宙相关技术在泛工业领域的应用研究，从结合行业政策、机遇与挑战、技术架构、应用场景及落地案例、国内外代表性企业等分析维度，给 �对工业元宇宙的理解与解读 研究区域范围：中国研究周期：2022年 研究对象：中国工业元宇宙产业 此研究将会回答的关键问题： ①工业元宇宙的定义、价值、发展机遇与挑战 ②工业元宇宙涉及的技术群及其关键技术 ③工业元宇宙在各行业的场景落地情况 01 工业元宇宙使整个工业体系能够在虚拟化的背景下重构，突破传统边界与束缚，促使产业融合，实现可持续性的降本增效 工业元宇宙最重要的价值在于，对现代工业的复杂系统，做彻底的，全方位的、系统的数字孪生，使整个工业处于完全的数字化、智能化和信息化的直观状态，并且使整个工业体系能够在虚拟化的背景下重构，这种重构打破了传统工业、行业和企业的边界与束缚，真正实现在技术支撑下的产业融合，最大化地提高生产效率。通过设备数字孪生及流程全面数字化，提供生产系统的全数字孪生镜像，工业元宇宙能够实现生产托管，对物流、物资配送等，提供供应链的全链条管理；对能源、电力等，提供镜像分析与模拟试错场景；解决迭代试错成本高昂、升级困难的问题，实现可持续性的降本增效 02 工业元宇宙涉及多类技术群的融合和创新，其中数字孪生相关技术构成了工业元宇宙的关键技术体系 工业元宇宙丰富的特征和广泛的应用决定它的实现具有高复杂度，涉及多类技术群的融合和创新。工业元宇宙技术体系包括数字孪生技术群、智能网络技术群、泛AI技术群、新信息通信技术群以及工业制造相关技术群。其中，智能网络、大数据、人工智能、云计算、区块链等相关基础技术是工业元宇宙的技术底座；感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演、可视化、虚实交互七个数字孪生相关技术构成了工业元宇宙的关键技术体系 03 当前工业元宇宙整体仍处于发展初期，行业应用场景逐步落地，在制造、城市管理、交通、汽车、建筑、能源等行业已有不同程度的应用 在制造业领域，工业元宇宙聚焦于产品数字化设计、工艺流程管控和重大设备管理等场景；在城市管理领域，工业元宇宙赋能城市规划、建设、治理、优化等全生命周期环节；在交通与汽车领域，工业元宇宙应用于交通工具的功能设计与研发、仿真测试、自动驾驶、故障诊断与设备维护等细分场景；在建筑领域，工业元宇宙赋能建筑规划设计、实施、运营维护等环节；在能源领域，工业元宇宙的应用覆盖能源生产、储运、管理和消费等场景 www.leadleo.com400-072-5588 www.leadleo.com 2 ©2022LeadLeo ADAS：AdvancedDriverAssistanceSystem，先进驾驶辅助系统，是利用安装于车上的各式各样的传感器，在第一时间收集车内外的环境数据，进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处 理，从而能够让驾驶者察觉可能发生的危险，以引起注意和提高安全性的主动安全技术 AR：AugmentedReality，是一种将虚拟信息与真实世界融合的技术 BIM：BuildingInformationModeling，建筑信息模型，一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具 CAD：ComputerAidedDesign，指运用计算机软件在图形化开发界面上进行管理软件的设计，通过设计管理软件的流程结构、数据结构，最终通过计算机软件系统的自动数据加载、解析生成能够独立应用的管理软件的过程 CAE：ComputerAidedEngineering，指工程设计中的计算机辅助工程 HMI：HumanMachineInterface，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介 IIoT：IndustrialInternetofThings，工业物联网，是将具有感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器，以及移动通信，智能分析等技术不断融入到工业生产过程各个环节，从而大幅提高制造效率，降低产品成本和资源消耗，最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段 IoT：InternetofThings，指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的凡仔连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理 MBD：ModelBasedDefinition，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体 UI：UserInterface，用户界面，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换 VR：VirtualReality，虚拟现实，利用计算机模拟创建一个三维空间的虚拟世界，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真 管理壳AAS：资产管理壳(AssetAdministrationShell)是一个(组)资产的数字表示。AAS由许多子模型组成，可以描述特定资产的所有信息和功能，包括其特征、特性、属性、状态、参数、测量数据和能力。其中，资产不仅是指设备和物料，也包括CAD模型、电气图，甚至包括合同、订单 4 Chapter1 工业元宇宙产业发展综述 定义与价值：工业元宇宙即将元宇宙相关技术应用在工业领域，在虚拟世界中对现实工业环境进行全面模拟，通过融合虚拟世界和现实世界，实现工业的改进与优化，达到降本增效的效果，最大化地提高生产效率 政策分析：从国家层面看，以数字孪生、工业互联网、元宇宙为代表的数字产业成为“十四五”规划国家政策规划的重点，政策在驱动关键技术发展的同时，推动企业进行数字化 转型，深化元宇宙技术在工业领域的应用 发展机遇：在中国数字化转型浪潮下，工业元宇宙以实现物理世界与信息世界交互与共融的需求应运而生，以实现制造业、工业等行业全要素、全产业链、全价值链的互联互通，从而不断催生新业态、新模式和新产业，相关企业将在这次数字化浪潮中尽享时代发展红利 •工业元宇宙即将元宇宙相关技术应用在工业领域，在虚拟世界中对现实工业环境进行全面模拟，通过融合虚拟世界和现实世界，实现工业的改进与优化，达到降本增效的效果，最大化地提高生产效率 中国工业元宇宙产业分析——工业元宇宙的定义与价值 工业元宇宙的特征 数字员工 新文明 虚拟AI员工参与生产全过程，形成全新的企业组织形态 自主创造每一个参与者都可以发明创造并参与交易 社会生态构建虚拟社会，运营社区生态 工业元宇宙 探索数字文明新形态 虚拟生产 在元宇宙中完成生产制造，或通过3D打印输�产品 虚拟经济 在元宇宙中构建新经济体系，形成新经济生态 数字产业链 上中下游产业链在同一个元宇宙中组织生产 2021年，全球47个国家数字经济规模总量达到38.1万亿美元，同比名义增长15.6%，占GDP比重为45.0%。中国数字经济规模为7.1万亿美元，位居世界第二；同比增长16.2%，增速高于世界平均水平。从发展方向看，全面推行数字化转型和升级是中国当前发展的战略重点，工业元宇宙则是数字化发展的必然趋势 工业元宇宙即是将元宇宙相关技术应用于工业领域 工业元宇宙即将元宇宙相关技术，包括物联网技术、AI技术、交互技术、智能网络技术、超级算力技术、区块链技术、数字孪生技术和虚拟引擎技术等，应用在工业领域，在虚拟世界中实现对现实工业环境中的研发设计、生产制造、运维管理、销售服务等环节和场景的全面模拟，覆盖工业生产全链条环节，通过融合虚拟世界和现实世界，实现工业的改进和优化，形成全新的制造和服务体系 数字孪生使整个工业体系能够在虚拟化的背景下重构，突破传统边界与束缚，促使产业融合，实现可持续性的降本增效 工业元宇宙最重要的价值在于，对现代工业的复杂系统，做彻底的，全方位的、系统的数字孪生，使整个工业处于完全的数字化、智能化和信息化的直观状态，并且使整个工业体系能够在虚拟化的背景下重构，这种重构打破了传统工业、行业和企 业的边界与束缚，真正实现在技术支撑下的产业融合，最大化地提高生产效率 其次，工业元宇宙实现可持续性的降本增效。通过设备数字孪生及流程全面数字化，提供生产系统的全数字孪生镜像，工业元宇宙能够实现生产托管，对物流、物资配送等，提供供应链的全链条管理；对能源、电力等，提供镜像分析与模拟试错场景；解决迭代试错成本高昂、升级困难的问题，实现可持续性的降本增效 来源：《工业元宇宙》、沙利文，头豹研究院 •工业元宇宙是在工业4.0和工业互联网的基础之上进行再次改造和升级，对现代工业的复杂系统进行数字孪生，打破传统工业的边界，在虚拟现实世界构建工业模型，最大化地提高社会生产力 中国工业元宇宙产业分析——工业元宇宙发展历程 工业元宇宙的发展历程 工业1.0机械化时代 瓦特改良蒸汽机，使蒸汽机成为工业部门的动力机械，工业社会由此进入机械代替手工劳作的时代 工业2.0电气化时代 发电机和内燃机诞生且得到了广泛应用，飞机、汽车等机器获得足够动力，得到飞速发展，工业发展趋向多样化 持续降本增效，生产效率大幅提升 工业3.0信息化时代 互联网与电子信息技术得以广泛应用，工业生产制造过程不断实现自动化，机器人代替人力进行高危复杂的工序 工业4.0智能化时代 2010-至今 1763-1840 “蒸汽”驱动发展 1866-20世纪初电力渗透 1950-至今 人机协作 万物互联 大数据、云计算、物联网、数字孪生等新兴技术与工业相结合，将一切的人、事、物连接起来，并可在虚拟空间中完成映射，实现“万物互联”与“虚实共生” 新工业文明释放生产力，重塑世界格局，工业元宇宙是国家间国力竞赛的利器 蒸汽机的发明引发了第一次工业革命，突破了人类肉体生产力的极限，人类进入机械化时代；电力的广泛应用冲破了能源束缚的壁垒，驱动了第二次工业革命，人类进入电气化时代；计算机、互联网的发明和应用挣脱了距离的枷锁，催生了信息化技术，进而掀起第三次工业革命的浪潮。随着信息化技术不断地沉淀与进步，在社会和人工智能、超级算力、大数据等数字化技术指数级进步的推动下，人类已进入工业4.0——智能化时代的初期阶段，工业4.0是以物联信息为基础，在生产制造到市场销售的信息领域，实现数字化与智能化在工业活动的深入应用。工业元宇宙则是在此基础之上，对现代工业的复杂系统，做彻底的、全方位、系统性的数字孪生，使整个工业处于完全的数字化、智能化和信息化的直观状态，引导新的工业、行业和产品诞生，打破传统工业的物理边界、组织边界、协作边界，在虚拟现实世界构建工业模型，最大化地提高社会生产力，并实现可持续性的降本增效 每一次工业革命均伴随着生产力的大幅提升，同时重塑世界格局。率先抓住机会的国家往往将迅速崛起，并在新的世界秩序中占据主导地位。因此，工业元宇宙必然是未来国家间竞争的疆域 来源：《元宇宙与数字经济》，沙利文，头豹研究院 •工业元宇宙产业链可分为基础设施层、核心层和应用层，中国企业在基础设施层的布局相对领先，基本可实现自主可控；核心层的关键技术、软硬件等主要依赖进口；应用层多为本土企业与外企协同合作 应用层 建模 仿真 CAE 核心层 VR AR 交互体验 传感 器 GPU 边缘 计算 算力 算 基础设施层 中国工业元宇宙产业分析——工业元宇宙产业链图谱 工业元宇宙 产业 平台 IoT IIoT CAD 云计 AI 新技术 区块 链 5G 6G 网 络 工业元宇宙产业链图谱 智慧 建筑 应用场景 智能 制造 智慧 交通 智慧 城市 虚拟 引擎 数字 孪生 可视 化 智慧 能源 智能 汽车 工业元宇宙产业链可分为基础设施层、核心层和应用层，其中核心层的数字孪生是最为核心的组成部分 基础设施层包括通信网络基础设施、算力基础设施和新技术基础设施，主要负责数据的实时传输