2023工业元宇宙白皮书

2023工业元宇宙白皮书 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 2023年12月 主要参编单位与组织 工业和信息化部工业文化发展中心工业元宇宙协同发展组织广东工业大学南昌大学工业互联网实验室杭州灵伴科技有限公司联想新视界（北京）科技有限公司中兴通讯股份有限公司广东省电信规划设计院有限公司工业云制造（四川）创新中心有限公司苏州海赛人工智能有限公司北京蓝亚盒子科技有限公司亮风台（上海）信息科技有限公司青葵智造（北京）科技发展有限公司北京高校邦数字科技有限公司北京映科数智科技有限公司广州博日信息科技有限公司广州壹宸宇宙文化传播有限公司广州玄五文化科技有限公司 （排名不分先后） 主要起草人 柯斌王斌简奋李潭向文杰张信扬刘波涛张星智白欲立田日辉周琴芬戚晨江洪峰赵俊辉王鹏张黎黎刘刚谢成鸿曾哲君殷涛吴仑张春艳孙晓田陈琳张宏刘永亮周宇琪郭谨阳少林张兵陆景学夏宏飞李真真郭增杰杨佳能刘郁恒 李嵘魏杉杉沈翀张克进刘洪强赵勇 陈南江宋伟宁林燕文韦宁陈秋宇李祺陈雨婷贾敏林澜钟家发郝雪梅 （排名不分先后） 版权声明 本白皮书版权由工业和信息化部工业文化发展中心、工业元宇宙协同发展组织共有。 使用说明：未经工业和信息化部工业文化发展中心或工业元宇宙协同发展组织同意，不得以任何方式复制、抄袭、影印、翻译本文档的任何部分。凡转载或引用本文的观点、数据，请注明“来源：工业和信息化部工业文化发展中心或工业元宇宙协同发展组织”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 前言 工业元宇宙是利用虚拟现实、人工智能、区块链等先进技术构建的复杂先进的新数字化工业经济系统，它具有高度沉浸式的交互体验，将有效市场和高效生产结合，能够实现工业资源的优化配置，推动工业的数字化、智能化转型。 当前，全球工业元宇宙处于起步阶段，各国都在抢占先机。为了更好地把握工业元宇宙的发展机遇，推动中国工业的转型升级，在工业和信息化部工业文化发展中心的指导下，工业元宇宙协同发展组织撰写了《2023工业元宇宙白皮书》。本白皮书充分参考了国内外相关研究成果和案例，结合编写组对工业元宇宙的理解，从工业元宇宙的概念内涵、核心技术、产业应用场景、机遇挑战、人才及法律法规等方面的趋势进行分析，以期为政府、企业、研究机构等提供有益的参考和借鉴。 由于产业发展尚处初期、编写时间有限等因素，内容或有疏漏，敬请谅解。期待与读者共同探讨、共同成长，共同迎接工业元宇宙的美好未来。 目录 第一章概念内涵篇1 第一节从风洞到工业元宇宙1 一、发展背景1 二、工业元宇宙的内涵定义7 三、工业元宇宙的关键特征8 四、虚拟仿真、数字孪生与工业元宇宙的关系9 第二节工业元宇宙的体系结构与技术体系工业元宇宙的体系结构14 一、工业元宇宙的体系架构14 二、工业元宇宙的五维技术体系17 第三节工业元宇宙助推我国工业高质量发展23 一、工业元宇宙与新型工业化23 二、工业元宇宙与工业互联网26 第二章核心技术篇31 第一节新一代人工智能技术31 一、新一代人工智能技术发展现状与展望31 二、新一代人工智能技术核心技术与技术特征34 三、新一代人工智能技术在工业元宇宙领域应用和案例40 第二节数字孪生技术43 一、数字孪生技术发展现状与展望43 二、数字孪生技术核心技术与技术特征46 三、数字孪生技术在工业元宇宙领域的应用与实现路径50 四、数字孪生技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例53 第三节交互技术55 一、交互技术发展现状与展望55 二、交互技术的核心技术和技术特征58 三、交互技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径61 四、交互技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例63 第四节3D引擎技术67 一、3D引擎技术发展现状和展望67 二、3D引擎技术核心技术和技术特性69 三、3D引擎技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径72 四、3D引擎技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例75 第五节区块链技术77 一、区块链技术发展现状和展望77 二、区块链技术的核心技术和技术特性79 三、区块链技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径82 四、区块链技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例92 第六节物联网技术95 一、物联网技术发展现状和展望95 二、物联网技术的核心技术和技术特征97 三、物联网技术在工业元宇宙领域的应用和实现路径100 四、物联网技术在工业元宇宙领域应用的优秀案例102 第七节新型工业技术105 一、云化PLC技术与工业元宇宙105 二、先进工控网络技术与工业元宇宙108 三、具身智能技术与工业元宇宙111 四、机器人化制造技术与工业元宇宙113 第三章产业应用篇117 第一节工业元宇宙在工业流程各环节的应用117 一、工业元宇宙在研发设计环节的应用117 二、工业元宇宙在工业生产环节的应用123 三、工业元宇宙在供应链环节的应用131 四、工业元宇宙在销售&服务环节的应用138 第二节工业元宇宙在工业系统各层级的应用143 一、工业元宇宙在工业系统-设备层级中的应用143 二、工业元宇宙在工业系统-产线层级中的应用150 三、工业元宇宙在工业系统-工厂层级中的应用156 四、工业元宇宙在工业系统-产业链层级中的应用162 第四章机遇挑战篇167 第一节工业元宇宙的发展机遇167 一、工业元宇宙推动智能制造的全面升级167 二、工业元宇宙助力新兴工业经济社会模式构建170 第二节工业元宇宙面对的挑战与应对办法175 一、聚焦核心技术创新与融合175 二、配套并完善数字基础设施182 三、创建工业元宇宙运行机制185 四、培养工业元宇宙创新人才188 五、推进完善元宇宙法律法规197 参考资料204 附录206 第一章概念内涵篇 2010年以来，连普通大众应该都能感觉到，著名科幻作家刘慈欣在《三体》中所描述的“技术爆炸”似乎正在发生：大量的新概念新技术铺天盖地地涌现— —云计算、大数据、物联网这些出现仅仅10余年的技术目前已经在我们生活中司空见惯，互联网+、区块链、虚拟现实、数字孪生也在快速渗入各行各业，而近两年进入我们视野的元宇宙、AIGC、具身智能则以风卷般的速度一日一更新地创造让大家瞠目结舌的全新体验。 面对日新月异的技术发展，无论个人还是组织，都会手忙脚乱的思考该如何跟上技术浪潮。任何新技术的诞生都不是空中楼阁、凭空创造。面对新技术，我们不一定都需要从零开始系统掌握。洞悉技术的发展脉络与原理本质，便能在浪潮之巅看清产业前沿和应用落地的未来。对待本书聚焦的工业元宇宙也是如此。 本章我们将剖析工业元宇宙如何从早期的风洞、实物仿真一步步经过数字化、网络化和智能化的历程发展到如今人机物有机融合的虚拟世界，以帮助从业者更好去理解工业元宇宙的内涵与特征，以及更好去结合工业的需求开展创新应用。 第一节从风洞到工业元宇宙 一、发展背景 无论是风洞还是工业元宇宙，都离不开仿真的本质。“仿真”是人类对物理世界进行“模拟”的活动。“仿真”和“模拟”在英文中都对应“Simulation”，但在汉语中“模拟”偏动词，是指人类用一个系统模仿另一个真实系统的过程，早在三国时期的古籍中便已出现。远到我们古已有之的盆景盆栽和园林假山，近到现代小朋友喜欢的玩具赛车和娃娃布偶，都是人类通过建立模型对真实世界进行模拟的典型例子。而“仿真”偏名词，代表了这一系列的模拟活动，在我国航天部门最早出现并在70年代逐步推广至航空、军队部门并广泛在学术科研与产业应用中使用。 仿真在工业界出现的最早形态是实物仿真，通过建立逼真的实物与环境模型对工业对象进行研究和使用，从而实现对难以复现的工业现场进行实验并减少返工迭代的时间与成本。风洞便是实物仿真的著名实例，以人工的方式产生并且控 制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并量度气流对实体的作用效果。相对运动的气流环境会让飞行器实物模型（实物样机）的各模块“误以为”正在大气中飞行，进而产生真实的空气动力学响应与控制动作，从而使得研究者可以在实际静止的风洞环境中开展低成本的重复性试验验证，提升最终实际航行的成功概率。随着三维转台等姿态控制系统的逐步成熟，驾驶模拟器也开始在航空航天、汽车船舶等工业部门出现，结合风洞/水洞的流体仿真系统，让飞行员/船员可以在仿真环境中逼真的训练对设备的驾驶操作，见图1。 图1驾驶模拟器 从风洞开始，仿真科学飞速发展成以相似理论为基础构建对象模型并开展运行时分析与评估的系统性方法，并在航空航天、汽车船舶、钢铁冶金等这类环境高危高热、场景难以复现、试验成本过高的工业领域中得到广泛深入的应用。随着20世纪90年代工业软件、计算机仿真等技术的逐步成熟，仿真从基于实物系统模型的实物仿真快速演进至局部、全局数字模型的半实物仿真/虚拟仿真，并逐步作为虚拟样机取代实物样机参与到工业产品的研发、试验、生产、销售和训练全生命周期中去，见图2。 对比项 数字孪生 虚拟样机 基础技术 计算机建模与仿真、CAx/DFx、传感器（网络）、工业网络/互联网 系统建模方法、分布交互仿真、CAx/DFx、复杂系统工程、人工智能 核心目标 在计算机的虚拟空间中构建出与物理孪生类似的数字化映像，通过对物体实体传感信号的接入，实现模拟的环境感知和模拟决策 将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，解决全系统、全生命周期中人/组织、经营管理和技术，信息流、知识流、控制流、服务流集成优化 典型应用 故障预测与消除、设备资产管理、工艺流程改进 数字化研发设计、虚拟仿真试验、虚拟装配和模拟操作训练 智能虚拟样机 基于智能模型的虚拟仿真干预物理世界 数字孪生 基于传感器更新的实体数据驱动数字世界 图2数字孪生与虚拟样机对比 数字孪生是虚拟仿真向虚实交互发展的重要里程碑阶段。在具备物联网/工业互联网的实时工业现场数据采集能力之前，工业界的虚拟仿真多数还是事前的预先模拟和计算，如在飞机试飞之前反复虚拟试验来验证其飞行控制的准确性、在汽车实开之前预测其动力性能和续航里程，并不能够根据工业现场的实际情况来动态调整和实时计算，见图3。 机翼模型 （结构、气动、控制） 机身模型 （结构、气动、热环境） 尾翼模型 （结构、气动、控制） 指挥控制模型 （定性、离散事件） 起落架模型 （控制、气动、结构） 引擎模型 （发动机、气动、热环境） 图3虚拟试验飞机 数字孪生正是伴随着实时数采能力成熟而诞生的新型虚拟仿真形态，基于传感器更新的实体数据来驱动数字世界从而达到仿真结论的动态修正和演进优化。 数字孪生是目前工业界应用虚拟仿真的主要形态。在可以预见的将来，多数工业产品都会同步交付一个产品数字孪生给到用户，不仅用于产品原理和功能性能的展示，更能在产品运行使用阶段提供产品监控与故障维护等多种基于预测性虚拟仿真的服务。 关注元宇宙的人们通常会认为小说《雪崩》是元宇宙概念的起点，1992年美国科幻作家尼尔·史蒂芬森(NealStephenson)便描述了一个“戴上耳机和目镜，找到连接终端，就能够以虚拟分身的方式进入由计算机模拟、与现实世界平行的虚拟空间。”然而我国“航天之父”钱学森老先生早在1990年讨论“VirtualReality”中文译名的时候，便提出了“灵境”这一富有中国味的概念，通过数字化的仿真手段让人们如身临其境地去感知虚拟的世界，见图4。通过前面对于仿真的讨论可知，无论是史蒂芬森的雪崩还是钱老的灵境，本质上都是希望让人能够在仿真的宇宙世界中逼真地去感知、交互和创造，最理想的境界甚至是让元宇宙中的人们像风洞中的飞行器一般“误以为”在真实的世界里面活动。 图4钱学森老先生关于“VirtualReality”中文译名讨论 如同工业互联网的虚实交互能力催生数字孪生一样，元宇宙的兴起和落地也得益于VR/AR/MR、新一代人工智能、区块链/NFT、自然语言处理/NLP等先进信息技术的成熟，让冰冷的工业仿真系统与人类用户之间的交互变得越来越自然流畅，让“人在回路”的人机物融合系统有了真正实现的曙光。 2021年初，游戏公司Roblox将“Met