什麼是工業元宇宙？其為提高生產效率提供了哪些新的發展思路？

前言
伴隨着元宇宙概念大熱，國內外多個巨頭企業搶先布局，國內多個地方政府也在積極布局、發展元宇宙技術及相關產業，試圖搶佔先機。針對各業務場景與元宇宙的融合，萬向區塊鏈首席經濟學家辦公室團隊出具了系列元宇宙相關研究報告，本篇將主要聚焦工業元宇宙，探索其發展路徑。
作者：萬向區塊鏈首席經濟學家辦公室  王普玉
審核：萬向區塊鏈首席經濟學家  鄒傳偉
原標題：《對工業元宇宙的認知丨萬向區塊鏈元宇宙系列報告》

本文從技術維度定義了工業元宇宙，提出“由實到虛”和“由虛到實”兩條并行的工業元宇宙發展路徑，並詳細討論工業元宇宙對以提升生產效率為目標的物質文明影響。

Roblox上市，Facebook全面開啟Meta布局，蘋果、微軟、騰訊、阿里等科技巨頭紛紛對外宣布關於元宇宙的布局計劃，一時間，元宇宙成為市場上人們所熱議的話題。就在人們沉浸於討論以社交、遊戲、創作為主的消費元宇宙時，一批工業企業也提出了他們對元宇宙的布局，也就是本文將要討論的內容——工業元宇宙。

工業元宇宙概述

人類社會的發展始終圍繞着物質文明和精神文明兩個主軸前行，且相輔相成。從主流觀點看，宇宙也將如此，未來元宇宙將形成以推動物質世界生產效率為核心的產業元宇宙，和以升華個人精神世界為核心的消費元宇宙，形成雙中心并行的生態系統。本文先以工業為例，討論工業元宇宙將如何推動以生產效率為目標的物質文明發展。

技術視角的元宇宙

什麼是元宇宙？有人認為元宇宙是現實世界和虛擬世界的並集，也有人認為元宇宙屬於現實世界與虛擬世界的交集，還有人認為元宇宙是多個虛擬世界的映射等等，不同的組織和學者對元宇宙的形態有着不同的猜想，目前沒有人能夠給出確切的答案。但從技術維度基本形成了共識，元宇宙是用戶通過AR、VR等技術，基於5G、物聯網、數字孿生、人工智能、區塊鏈等技術，可以隨時隨地、低時延的與元宇宙鏈接，在元宇宙中應用各種低代碼引擎進行創作，也可以沉浸式的在元宇宙里辦公、遊戲、社交、購物等等。

圖1：元宇宙生態圖（資料來源：Jon Radoff）

工業元宇宙作為元宇宙的一個子集，通過更高效的協作方法、更透明的數字化管理手段，為生產效率提高帶來新的發展思路。下面我們將圍繞兩個維度對工業元宇宙展開詳細討論：分別是“由實到虛”和“由虛到實”。

“由實到虛”和“由虛到實”的區別

1. 定義

“由實到虛”是根據技術和經濟的客觀發展規律，將工業帶入到元宇宙階段。例如，工業設計中人們使用平面二維、三維CAD軟件，到現在應用VR、AR等技術實現空間立體設計，這些技術的創新初始目的並非為了構建元宇宙，而是為了滿足物理世界更高級別的設計要求。

而“由虛到實”的技術創新源於虛擬經濟的需要，作業流程、協作方式及作業目標與物理世界沒有直接的映射關係。例如，區塊鏈將創作者經濟的發展帶到空前的高度，市場上一些NFT作品，製作過程和成品儲存都是在數字世界中，沒有映射到物理世界的具體實物。但是這些數字作品可以通過3D打印，變成物理世界真實的產品。

2. 兩者關係

在發展過程中，“由虛到實”會影響“由實到虛”的方向，但隨着科技發展以及人類認知的進步，會對“由虛到實”的內容和方向逐漸修正。20年前人們閱讀小說《雪崩》，大多數人只會當作茶餘飯後的消遣，同時滿足精神世界的憧憬和嚮往。但隨着通訊技術、硬件技術、圖形處理、算法的發展，當人們再次提到《雪崩》時，發現20年前的那個虛擬世界正在走向現實。當我們把時間軸拉長看，會發現“由虛到實”和“由實到虛”的確存在着某種微妙的關係。

“由實到虛”的工業元宇宙

在這部分，我們分為兩個部分來討論，第一是圍繞生產效率的提升，回顧“由實到虛”的技術發展；第二是“由實到虛”的技術發展，將會把工業帶入怎樣的元宇宙？

“由實到虛”的技術發展

1. 工業軟件發展簡述

“由實到虛”的技術發展代表了整個工業軟件的發展歷史，而工業軟件的核心就是數字化建模與仿真。美國從1995年開始加速數字化建模和仿真戰略，到2005年小布什總統的報告中提到計算科學，再到2010年發展高性能計算進行數字建模和仿真，和2018年的先進製造業夥伴計劃，都是圍繞着工具的模塊化和開放式平台；尤其在2014年美國總統科技委員會確定的11個領域，基於多項影響國家發展的因素打分，其中可視化、信息化和數字製造是三大領域，這些都是圍繞着數字化建模和仿真。仿真軟件也從市場上最早的面向中低端製造，如Solidworks, Autodesk，AutoCAD等2D的仿真計算機輔助設計CAD和計算機輔助功能CAE軟件，出現了面向高端市場,如達索的CATIA，西門子的Solid Edge等平面3D仿真CAD和CAE軟件。

2. 工業軟件分類

根據中國工業技術產業軟件化聯盟的分類，工業軟件主要分為四類，分別是：

（1）研發設計類軟件，細分為3小類：設計類繪圖CAD和芯片設計EDA，仿真測試類CAE和CAM，產品管理類PDM和PLM；

（2）生產製造類，細分為3小類：現場控制類DCS、SCADA和PLC，流程管理類MES，能效管理類EMS；

（3）經營管理類，細分為4小類：企業資源管理類ERP，供應鏈管理SCM，人力資源管理HRM/HCM，營銷管理類CRM；

（4）運維服務類，細分為2小類：工廠運維類MRO，設備管理類PHM。

3. 工業軟件發展特點

工業軟件是工業品的結晶，是長期積累的工業知識（工業製造方法及流程等）和訣竅的結晶。通過多年的數據積累及技術發展，工業軟件在功能實現層面運算的準確性、正確性、兼容性和安全性都在提升，模型和數據管理的可恢復性、容錯性和成熟性也在快速進步。產品的複雜度和環境的複雜度增加，市場對工業軟件計算能力的要求在提升，人們對產品的圖形界面要求也在提升，從二維到三維、從靜態到動態、從歷史數據到實時數據處理，伴隨着工業軟件的發展，在數字世界中正在還原着一個完整的物理世界。

“由實到虛”的工業元宇宙發展

提到元宇宙技術，首先想到的則是AR、VR等擴展現實相關的硬技術，其次則是數字孿生、CPS等軟技術，本章節暫不對技術展開討論，只針對前面提到的物質文明繼續討論：工業元宇宙相比現有技術，將如何提升生產效率？我們從工業四個階段詳細分析。

1. 研發階段

二維和三維的CAD基本解決了靜態設計中的問題，CAE和CAM實現了產品和產線在仿真動態環境中的表現。但隨着科技與經濟的發展，市場對製造業提出了更高的要求，需要進一步提高工業生產效率及降低生產成本，這些需求主要體現在以下幾個方面：

（1）提高多方協作效率

車輛設計往往需要經過上百個環節，通常要上一環節完成設計併發送給下游，才能開始新一環節的設計，整個過程會非常漫長，而且可能遇到不同設計軟件之間的數據互操作性問題。英偉達的Omniverse為元宇宙工業軟件互操作性提供了基礎保障，通過標準化的USD格式檔案，實現不同平台和軟件數據的無縫交換及傳輸，設計者和創作者們可以在不同辦公地點之間在線同步協作，將車輛設計時長降低了30%。

（2）設計中虛擬與現實的無縫鏈接

當前各種仿真設計軟件，均是在“仿真虛擬環境”中設計“仿真產品”，然後用於真實產品的量產；這個過程中，仿真虛擬環境對產品的影響因素無法完全量化，產品驗證性能也無法達到接近物質世界的狀態。而在工業元宇宙中，通過數字孿生構建仿真虛擬環境，物聯網實現虛擬環境與物質世界之間對數據的實時通訊，不僅讓仿真結果的可靠性提升，同時做到仿真系統的實時迭代和優化。設計者可以通過VR或AR眼鏡，沉浸式的感受設計效果，通過“真實”的管理實驗，完成各種人機工程的設計及優化。以上改變能夠對工業設計效率和能力提升帶來質的飛躍。

（3）基於產品全生命周期數據的設計迭代及優化

打通供應鏈數據，實現商業模式閉環是每個行業數字化改革的終極目標。然而，從這個目標提出至今已過去20多年，絕大多數行業仍然無法實現這個目標；排除各相關方的數據隱私和利益問題，僅從技術角度分析，供應鏈鏈條長、數據保存不規範、數字化程度不一致，導致各參與方僅持有供應鏈上片段數據，很難實現全鏈條數據打通，並完成基於數據的產品設計及迭代。在元宇宙中，每個工業產品都將在數字世界生成一個數字孿生體，伴隨着產品的全生命周期，物理世界的實體產品數據通過IoT實時上傳到數字世界孿生體，通過這些數據能夠實時掌握產品狀態，對產品的各種故障做出提前預警，用戶也可以實時上傳產品體驗和建議，為產品設計和迭代提供參考。當前電動車行業已經開始這方面嘗試，如未來基於數字孿生的汽車全生命周期管理得到普及后，將會加快工業元宇宙的發展。

2. 生產製造階段

工業元宇宙在生產製造階段的價值主要分為以下兩方面：

（1）遠程監控、巡檢

工業元宇宙支持多用戶在線協同及各類工業互聯網雲接入，兼容各類終端設備及AR眼鏡，可快速應用於遠程監控、操作指導、培訓教育等場景。如圖2所示，員工通過AR設備識別設備的運行狀態及問題。

圖2：作業巡檢（資料來源：DataMesh官網）

（2）製造流程可視化

通過數字孿生DT與信息物理系統CPS，對產線實時監督管理，做到事前合理規劃，事中科學決策，事後決策模型迭代與優化。

3. 工業消費端階段

工業元宇宙的到來，市場上會逐漸告別紙質、平面化的說明書時代，未來會有更多虛實共生、高沉浸感、強IoT連接的數字孿生所取代。在銷售中，客戶遠程通過VR、AR在虛擬世界中參與產品設計和產品選擇，提升銷售訂單轉化率和無效溝通。在客戶使用中，通過VR、AR設備，員工能夠實時看到操作流程和要求，按照步驟完成相關任務，降低員工培訓難度和減少生產過程的操作失誤率。在售後維修保養中，供應商通過AR、VR進入虛擬工廠發現問題，並遠程進行故障維修，或指導現場工人按照步驟完成維修工作，提高維修效率，降低維修成本。例如BMW負責人在介紹數字孿生工廠中提到，員工頭戴智能眼鏡，操作的內容和方法會逐步演示與提醒，員工只需根據操作指導畫面完成相關作業即可，節約了培訓成本與減少操作失誤率。

4. 工業企業內部經營管理階段

新冠疫情讓人們逐漸習慣了遠程辦公、居家辦公等方式，員工招聘也跨越了地理局限，中國企業完全可以招聘歐洲員工並通過線上辦公協作。Facebook所推出的Horizon Workrooms就是準備用元宇宙替代傳統Zoom等會議軟件，讓人們在元宇宙中遠程辦公室效率超越傳統虛擬方式。

“由虛到實”的工業元宇宙

“由虛到實”的工業元宇宙很難預判，無法根據現有技術再結合慣性邏輯思維去判斷它到底是什麼，大多只能通過比特世界的一些蛛絲馬跡進行推測和想象，所以本部分內容只是探討，而不做出任何具體方向的預判。比特幣、以太幣的出現讓我們對比特世界的認知煥然一新，接着基於以太坊的智能合約實現了價值的可編程性，出現了如DeFi，NFT等創新，從加密資產到各種金融衍生品，再到數字藝術品的市場化、區塊鏈遊戲的火爆讓創作者經濟發展空前熱鬧，這一系列的發展讓我們感受到了與以往不一樣的力量，這股力量正在讓我們突破由物理邊界構成的想象限制，讓我們圍繞比特世界看到更多可能性。其中有三方面是當下討論最多的，分別是：技術能力、協作關係和商業模式。

技術能力

如圖3所示的元宇宙產業鏈，其中技術能力大多來自於“由實到虛”過程的發展，如5G、WIFI6、雲計算、AR/VR、AI等等、CPS、數字孿生等等技術。但有一部分技術則是來自於“由虛到實”的過程，最典型的就是區塊鏈，雖然區塊鏈綜合了“由實到虛”的分佈式計算、密碼學、隱私計算等等，但區塊鏈概念源於比特幣應用，用技術重構信任，顛覆了物理世界的一套金融管理方法。

協作關係

如果說產業元宇宙是通過生產效率的提高而實現更高階的物質文明，那麼提升供應鏈協同效率則是生產效率提升的基本保障。供應鏈協同是一個非常複雜的問題，在20世紀80年代，美國日用品製造商寶潔公司將信息系統與一家超級市場的系統相連，實現數據共享並完成自動下單補貨，大大提升協作效率，這也是歷史上首次實現了供應鏈信息共享和協同管理。此後，不同行業不同領域都在試圖打破企業的邊界，將供應鏈上的各個信息孤島連接在一起，打通數據鏈條並實現多方利益最大化。但市場競爭環境複雜多變，資源分配不均且各方目標不同，因此信息孤島問題長時間陷入僵局，多方協作信任問題嚴重影響供應鏈效率，基於不完整數據的博弈問題導致供應鏈出現嚴重的牛鞭效應，高昂的庫存成本讓供應鏈上游企業在發展道路上“負重”前行。就在行業一籌莫展的時候，“由虛向實”的比特世界提出的分佈式自組織DAO，為供應鏈協同提供了一個新思路。“未來的競爭不是企業與企業之間的競爭，而是供應鏈與供應鏈之間的競爭”，這個觀點在十年前已經被企業家們認可，但在這十年時間裡，又有多少企業真正是站在供應鏈總成本最大化的角度去考慮與上下游的協作？更多是利用供應鏈核心企業的主導地位去擠壓上下游中小合作商的利益，例如供應商管理庫存VMI模式，這種模式下讓核心企業實現了零庫存，達到自身成本降低的目標，但因為供應鏈數據不透明，供應商仍持有大量庫存用來縮短前置期而滿足下游的訂貨需求，所以VMI模式只是將成本從下游轉移到上游，而沒有真正實現供應鏈總成本降低。DAO將目標相同的企業聚集到一起，共同維護生態的發展和治理，通過資產質押、積分和token持有等方式讓組織的目標與企業目標實現強綁定，生態發展向上則全員受益，個別企業作惡自身資產價值也會受到影響。DAO模式將重新界定了企業間協作方式，雖然DAO目前還沒有成熟的業態，但在未來工業元宇宙發展中不會缺席。

商業創新

比特世界中的商業創新，其內在爆發力則是來於“信任”，“In Blockchain, We Trust”，區塊鏈用技術重新定義信任。談到“信任”，工業企業在“信任”維護和管理上耗費大量的“隱性成本”，這個隱性成本的金額到底有多少？沒有人統計過，我們通過一個簡單的“採購”管理流程就可以基本判斷。採購環節，很多企業有着嚴格且複雜的流程，供應商需要提供各種資質證明材料、銷售情況、產品質量證明、生產能力證明、研發能力證明等等，企業會對這些材料的真實性花較長時間審核，這個過程花費大量的人力成本和時間成本，而這項工作僅僅是將供應商數據納入到企業供應商認證資源庫，而且採購部門需要每半年或一年對資源庫各家企業信息更新一次；當有採購需求時，採購部門會從資源庫找出潛在供應商還需要進行新一輪能力的考察。如果供應鏈各方企業能夠將所有業務數據上鏈存證，未來商業撮合成本是否會大幅降低？撮合效率是否也會大幅提高？

在工業元宇宙發展中，來自比特世界的分佈式數字身份DID、非同質化代幣NFT，分佈式存儲IPFS也將不會缺席。Web2.0階段，數字知識產權保護問題難以解決，工業創新也會受到嚴重阻礙，例如一些設計企業，將設計文件發送到OEM企業，雖然可以利用法律合同作為“信任假設”限制OEM企業將設計文件外泄；但文件從設計方發出后，後續流程成為黑匣子，設計方無從得知關於文件的去向和使用範圍。以區塊鏈為基礎的Web 3.0為創作者經濟發展提供新的解決思路，設計者將設計作品mint成NFT，藉助智能合約限定作品的所有權、使用權、使用方式、使用期限及使用用途，全程數據上鏈，透明且不可篡改，從根本解決數字化產品流通過程中的信任問題。元宇宙的到來，通過個性化、定製化來體現稀缺性的內容會越來越多，人人可參與到設計和創作，數字世界設計的產品在物理世界生產，這導致工業企業原有的大批量、少品種的流水線生產方式將不再適用，需要更多小批量、多品種的柔性化生產方式，這將是來自於“由虛到實”的一場倒逼改革。工業元宇宙將顛覆產業競爭的傳統定義，技術範式的變化不僅速度更快、頻率更高，而且掌握先進技術的潛在競爭者可以快速地進入和替代原先佔據壟斷性主導地位的廠商。

工業元宇宙技術

我們距離工業元宇宙還有多遠？這個由兩方面因素決定，第一方面是元宇宙底層偏“硬”的基礎設施和硬件建設，這方面無論是工業互聯網還是消費互聯網，都有一定的互通性；第二方面是工業元宇宙里偏“軟”的技術能力和內容建設。

基礎設施和硬件

如圖3元宇宙產業鏈七層所示，這部分我們主要討論人機交互的硬件設施，當前VR眼鏡的引領者是Facebook的OculusQuest 2，而AR眼鏡的引領者是微軟的Hololens。就AR/VR眼鏡整體市場存在的問題如下：第一、價格高昂，例如Hololens的銷售價格上萬元，普通用戶進入元宇宙的門檻較高；第二、畫面延遲，AR/VR顯示畫面無法與用戶視線的觀察角度做到一致，存在延時，畫面與實際運動不匹配出現眩暈感；第三、AR/VR市場內容匱乏；第四、當前AR/VR主要以單機版為主，數據存儲量少且處理器能力較弱，無法滿足元宇宙中通訊需求及內容交互要求。

圖3：元宇宙產業鏈的七層

除Facebook和微軟外，蘋果公司的AR/VR設備在市場中備受期待，從2010年收購瑞典面部識別公司Polar Rose,啟動VR布局后，後面近十年從未停止在虛擬現實方面的硬件研發投入，包括收購3D感應和動作捕捉PrimeSense、 Faceshift公司, 收購現實增強公司Metaio等等；據最新消息，蘋果公司的智能眼鏡已經與台積電試產，預計2022年發布，2023年上市，市場期待蘋果公司能夠推出iPhone手機將市場帶進移動互聯網階段一樣，通過智能眼鏡將用戶帶進元宇宙，值得期待。國內如華為、小米等都在布局智能眼鏡，但技術方面與國際巨頭們相比仍有較大進步空間。行業預測，AR/VR等智能設備技術將在2025年才能進入成熟階段，才能夠讓終端市場真正打開進入元宇宙的大門。

工業元宇宙技術能力和內容建設

技術能力方面我們主要討論數字孿生DT和信息物理系統CPS，這兩項技術都是實現工業元宇宙內容的最基礎組成要素，其中數字孿生DT應用傳感器、物理模型、運行數據，將物理世界的場景鏡像到虛擬世界中，我們通過AR/VR等XR技術可以看到一個與物理世界1：1的虛擬世界，能夠反映物理對象的全生命周期過程。CPS主要解決3C問題（計算、通信和控制功能），為數字孿生的決策的方法和內容提供科學基礎依據，並用感知數據來計算控制及輸出並將其發送到執行器進行物理實現；這個過程需要依賴於工業軟件能力的輔助，如前面內容提到過，工業軟件是工業品的結晶，聚集着大量的工業知識和智慧，而面向高端製造業的工業軟件技術牢牢把握在歐美國家，這方面對於我國無論布局工業互聯網，還是工業元宇宙會，都是卡脖子的問題，近兩年國家也大力鼓勵國產軟件替代計劃，但技術障礙並非能在短期突破的，未來道路仍然漫長。不過中國是唯一一個覆蓋所有工業製造業品類的國家，工業知識和數據積累豐富，未來由工業企業主導（而非IT企業），通過與科技公司深度合作，相信能夠有所突破。

總結

通過對“由實到虛”和“由虛到實”的工業元宇宙發展路徑討論，工業元宇宙對於無論是設計、生產、銷售還是內部運營，能夠為工業生產效率提升帶來無限想象空間。但當下仍然有很多障礙需要一一解決，首先是鏈接數字世界的基礎設施VR/AR眼鏡技術的提升；其次是從我國發展工業元宇宙，需要解決技術方面卡脖子的問題，即國產工業軟件的發展，如果缺少工業知識和智慧的支撐，再逼真的虛擬世界對於工業發展終究是一次“海市蜃樓”。