面向制造業(yè)，業(yè)界寄希望于元宇宙可以滿足市場日益崛起的智慧園區(qū)、智能工廠、數(shù)字化產(chǎn)線等業(yè)務(wù)需求，從而催生了“工業(yè)元宇宙”這一細分概念。智能制造也有望乘此東風，加速ICT技術(shù)的研發(fā)來貫通制造業(yè)OT域。
工業(yè)元宇宙更關(guān)注虛實數(shù)據(jù)之間的互動，涵蓋物理實體、虛擬實體、數(shù)字孿生業(yè)務(wù)、孿生體間的數(shù)據(jù)、各組件的連接五個維度，因此以數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的虛實映射和實時同步特性，和以實時3D技術(shù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)可視化、實時交互、跨平臺特性，共同構(gòu)成了打造工業(yè)元宇宙雛形的關(guān)鍵技術(shù)。
挑戰(zhàn)：應(yīng)用現(xiàn)狀與痛點
縱觀數(shù)字孿生開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，在產(chǎn)業(yè)井噴的背后，發(fā)展過程中的痛點也不容忽視。
制造業(yè)數(shù)字孿生解決方案的開發(fā)難點在于，它是一個融合多學科、多技術(shù)、多維度的復(fù)雜系統(tǒng)。這既需要生產(chǎn)工藝、工廠運營和管理等切身經(jīng)驗和行業(yè)前瞻眼光來厘定方案功能和用戶體驗，還要能基于信息化技術(shù)知識提出技術(shù)路線，選擇合作伙伴、工具鏈等。在具體實踐當中主要痛點包括：
第一，開發(fā)成本高，腰部企業(yè)落地難。事實上，除了頭部企業(yè)能有足夠的資金和團隊構(gòu)建完整的技術(shù)棧和服務(wù)內(nèi)容，絕大多數(shù)腰部企業(yè)很難打通涵蓋芯片、傳感器、邊緣網(wǎng)關(guān)、云平臺、數(shù)據(jù)平臺、算法模型優(yōu)化、應(yīng)用開發(fā)的整個技術(shù)鏈，這是客觀現(xiàn)狀。
第二，需要長期迭代優(yōu)化才能形成方案。行業(yè)的需求不僅是做好一個項目的開發(fā)，更重要的是不斷將新的需求引入項目來做功能的調(diào)試和驗證，最終形成成熟方案。這個開發(fā)周期往往需要數(shù)年之久。
第三，個性化定制不可避免。我們熟知的國內(nèi)外大廠都在構(gòu)建自己的數(shù)字孿生平臺，但在實踐中仍需基于現(xiàn)實環(huán)境進行大量定制，當前誰都無法提供一個開箱即用的平臺來滿足各行業(yè)的不同需求和應(yīng)用場景，這就對開發(fā)理念、具體技術(shù)選型、開發(fā)工具使用和拓展等能力提出了高要求。
針對這些問題的答案，我們或許可以通過國資上海儀電旗下企業(yè)上海南洋萬邦軟件技術(shù)有限公司與合作伙伴境騰科技在2021年第四屆進博會上展示的“云.數(shù).智.聯(lián)-AIoT”制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案管中窺豹。
探索：智能工廠數(shù)字孿生實踐
南洋萬邦的“智能工廠數(shù)字孿生展區(qū)”以制造業(yè)轉(zhuǎn)型為主題，展示了設(shè)備、流水線、工廠三個級別的制造業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)演示。
南洋萬邦資深業(yè)務(wù)副總經(jīng)理王玨表示，不同層級上的數(shù)字孿生價值各不相同。比如在生產(chǎn)單元層面，通過數(shù)字孿生拆解一個設(shè)備可以讓操作和運維人員實時真切地看到實驗場景和設(shè)備狀態(tài)。
以遠程維修輔助和預(yù)測性維護應(yīng)用場景為例。當SMT產(chǎn)線的多功能貼片機運行發(fā)生故障時，產(chǎn)線運維人員可以通過產(chǎn)線數(shù)字孿生的運維系統(tǒng)直接通過三維模型定位故障設(shè)備，并根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)看到，故障原因是因為系統(tǒng)管路里的壓力超過了壓力預(yù)警設(shè)置值，直接導(dǎo)致了空壓機的停止運行，并且影響到了多功能貼片機的正常運行。同時運維人員可以通過系統(tǒng)看到基于AI的預(yù)測性設(shè)備故障信息和建議預(yù)案，并且可以選擇呼叫該設(shè)備廠商的專家遠程聯(lián)線；遠程專家在實時收到現(xiàn)場故障警報和故障原因，并給到維修指導(dǎo)，實現(xiàn)生產(chǎn)制造的快速恢復(fù)。
該技術(shù)演示是其數(shù)字孿生解決方案的簡化版，完整方案的亮點包括：
◆數(shù)化：基于Unity及其數(shù)字孿生工具鏈對生產(chǎn)線和倉儲設(shè)備的工況信息與運行狀態(tài)在數(shù)字世界中進行實時三維渲染、交互和可視化分析，實現(xiàn)模擬和重現(xiàn)并可快速部署到各類主機和移動設(shè)備；
◆互動：建立泛物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)物理實體與孿生體之間有效數(shù)據(jù)的實時采集、處理和綁定；
◆先知：基于算法提取原始工控信號有效內(nèi)容，從而識別故障，產(chǎn)生預(yù)警信息和發(fā)展趨勢；
◆優(yōu)化：基于生產(chǎn)和訂單數(shù)據(jù)，預(yù)測分析產(chǎn)線運行態(tài)勢，通過機器學習優(yōu)化分析訂單和資源分配狀態(tài)為業(yè)務(wù)決策提供支撐。
南洋萬邦智能制造數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)圖片來源：南洋萬邦
成立于1993年的南洋萬邦，通過整合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能應(yīng)用和信息安全技術(shù)提供基于云托管的技術(shù)和服務(wù)；自2013年成為上海儀電集團全資的信息化服務(wù)提供商之后，先后參與過上海市政務(wù)云和大數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)，目前自研的云平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺都是項目實踐的積累沉淀。
在王玨看來，數(shù)字孿生的價值不僅體現(xiàn)在事后的服務(wù)環(huán)節(jié)，還包括事前的預(yù)測。正是因為有了數(shù)字孿生體的構(gòu)建，使得可以在工業(yè)元宇宙中模擬還未發(fā)生的事情，實現(xiàn)快速、低成本的預(yù)測。譬如將人員、機器、材料、場景、生產(chǎn)工藝等在數(shù)字世界中進行復(fù)現(xiàn)和模擬；模擬生產(chǎn)工藝的變更對產(chǎn)量，或某一個廠區(qū)布局的影響。更廣泛來說，數(shù)字孿生在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、營銷和售后維護的全生命周期都能產(chǎn)生巨大的價值。
破局：小步快跑與螺旋上升
王玨總結(jié)說，制造企業(yè)，尤其是腰部企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中要學會小步快跑，先快速建立小的場景并實現(xiàn)迭代的模式。此外，企業(yè)也需要緊密結(jié)合市場需求和趨勢來理解數(shù)字孿生解決方案的開發(fā)，它包含規(guī)劃設(shè)計（Plan）、項目構(gòu)建（Build）和運營維護（Run）等完整的開發(fā)生命周期，是一個螺旋上升不斷迭代的過程。
不管是前期的SKU上線、軟硬件技術(shù)選型，還是構(gòu)建IT平臺來采集設(shè)備接入數(shù)據(jù)，抑或是設(shè)備和數(shù)據(jù)的運營維護、分析反饋等等，都需要找到理解制造業(yè)OT技術(shù)并能有效整合前沿IT技術(shù)，并且能夠提供全生命周期支撐和服務(wù)托管服務(wù)的合作伙伴來幫助企業(yè)管控成本和迭代產(chǎn)品。
王玨還強調(diào)了標準化交付與個性化定制之間的平衡。制造數(shù)字孿生方案必須打造通用組件，設(shè)備、數(shù)據(jù)、算法模型管理和管道的框架。他透露，南洋萬邦有一個長期計劃，在現(xiàn)有的IoT管理平臺上建立一個和物理世界相迭代、能夠通過語義模型存儲在IoT平臺的解決方案，將通用的組件提煉出來形成可標準化交付的功能，同時使后續(xù)的定制盡可能簡化，以加速解決方案交付的速度。
如今，越來越多離散制造業(yè)的生產(chǎn)制造模式朝著大規(guī)模、小批量、個性化方向發(fā)展，以數(shù)字孿生實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計和產(chǎn)線虛擬調(diào)試，后疫情時代的數(shù)字化售后服務(wù)以及通過虛擬仿真實現(xiàn)故障和缺陷檢測、預(yù)測性運維已經(jīng)是需求明確、前景廣闊的應(yīng)用場景。
以數(shù)字孿生實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計和產(chǎn)線虛擬調(diào)試
面向具體行業(yè)，王玨以三個行業(yè)列舉數(shù)字孿生用例。在空壓機行業(yè)，目前有近5000臺設(shè)備在國內(nèi)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，未來整個亞太區(qū)有近4萬臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，大型設(shè)備的售后服務(wù)與狀況監(jiān)控數(shù)字孿生應(yīng)用已經(jīng)落地，海量的數(shù)據(jù)采集和推理訓練也將為產(chǎn)品、業(yè)務(wù)、市場等其他部門提供數(shù)據(jù)洞察驅(qū)動的敏捷業(yè)務(wù)拓展；滬寧杭地區(qū)的芯片制造園區(qū)有三十多個高標準實驗室，為規(guī)避用電故障導(dǎo)致的火災(zāi)等險情，催生了智能實驗室的場景，就是根據(jù)實驗室用電環(huán)境要求采集園區(qū)用電、能耗和各維度環(huán)境的狀態(tài)屬性信息做實時三維渲染和可視化分析，給實驗室負責人提供監(jiān)測預(yù)警信息；在雙碳政策背景下，中頭部低壓配電企業(yè)正積極探索數(shù)字孿生技術(shù)來升級配電系統(tǒng)從而實現(xiàn)為客戶交付更具安全性、能耗優(yōu)化的、同時又是智能化的解決方案，使得他們在市場上擁有更強的競爭力。
要訣：快速、高效構(gòu)建之道
從技術(shù)和系統(tǒng)實現(xiàn)來看，南洋萬邦的技術(shù)合作伙伴境騰科技CEO張力認為制造業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用與某些游戲場景的開發(fā)語言和開發(fā)結(jié)構(gòu)是大致相同的，最大的區(qū)別在于客戶對象不同。
手游在游戲場景設(shè)計上要考慮玩家的游戲體驗，而行業(yè)客戶更加強調(diào)準確無誤地獲取全局及局部信息來做管理決策，關(guān)注把IoT數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生映射模型、MR混合現(xiàn)實互動形成聯(lián)動，包括積累有效數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生方案創(chuàng)造預(yù)測性維護、運營仿真等價值。
成立于2017年的境騰科技，是一家專注于混合現(xiàn)實MR技術(shù)的高科技企業(yè)。在創(chuàng)立之初，境騰科技就設(shè)定了“連接虛擬與現(xiàn)實，構(gòu)建數(shù)字新未來”的方向，基于XR技術(shù)服務(wù)智能制造，推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型?；赨nity和微軟HoloLens 2，境騰科技已經(jīng)開發(fā)出全息協(xié)作會議BeamLink彼臨、全息3D說明書、全息流程指導(dǎo)JTWorkflow循序和遠程專家支持JTRA明達等“工業(yè)元宇宙”產(chǎn)品，其中BeamLink彼臨混合現(xiàn)實會議產(chǎn)品已經(jīng)支持HoloLens和其他Windows MR/VR設(shè)備，iOS移動設(shè)備。
境騰科技“工業(yè)元宇宙”產(chǎn)品圖片來源：境騰科技
張力認為，“工業(yè)元宇宙”概念的提出實質(zhì)上說明行業(yè)客戶除了實現(xiàn)業(yè)務(wù)目標，已經(jīng)開始追求比擬部分游戲的極致用戶體驗了。因此，境騰科技很自然地選擇了發(fā)源于游戲行業(yè)的實時3D引擎Unity作為其“工業(yè)元宇宙”開發(fā)工具。
張力坦言，主機、移動設(shè)備和AR/VR設(shè)備的交互模式不同，有賴于Unity的跨平臺支持技術(shù)，境騰科技可以復(fù)用HoloLens 2的應(yīng)用代碼快速部署到電腦主機上做交互適配，在進博會極其緊張的工期下實現(xiàn)了應(yīng)用的快速跨端部署；在未來也同樣可以部署到平板和手機等移動端，為不同受眾展示了制造數(shù)字孿生的價值。
Unity在手游行業(yè)有諸如《原神》、《王者榮耀》、《英雄聯(lián)盟手游》等叫好又叫座的頂級案例，從技術(shù)開發(fā)角度而言，實現(xiàn)“工業(yè)元宇宙”對畫質(zhì)、交互、沉浸感等極致的用戶體驗是不在話下的。
Unity近幾年也同樣展示了進軍制造業(yè)、工程建設(shè)行業(yè)的能力和決心。Unity本身就提供了非常好的物理仿真性能和大量可復(fù)用的工業(yè)資產(chǎn)素材庫，結(jié)合Unity Reflect，PiXYZ，Luban等數(shù)字孿生工具鏈，行業(yè)用戶可以輕松將工業(yè)模型和元數(shù)據(jù)導(dǎo)入Unity進行定制開發(fā)，從而快速構(gòu)建設(shè)備、產(chǎn)線、廠房、園區(qū)乃至城市級的虛擬仿真，通過將實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Unity開發(fā)的運行程序，就可以實現(xiàn)端到端的工業(yè)數(shù)字孿生。
Unity實時3D技術(shù)可解決產(chǎn)品全生命周期中的挑戰(zhàn)圖片來源：Unity
除此外，利用Unity云服務(wù)可獲得低時延高可靠的高質(zhì)量圖形渲染性能；通過Unity機器學習解決方案可提高機器人分析認知能力，實現(xiàn)自主操控；通過Unity Simulation進行虛擬調(diào)試與仿真驗證；通過Unity Mars制作智能混合現(xiàn)實體驗和增強現(xiàn)實體驗；采用更多靈活的定制化插件，完成全生命周期智能化數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建，充分利用其強大的檢測、模擬、預(yù)測能力，真正實現(xiàn)工廠的信息化、數(shù)字化、智能化。
在選擇Unity作為底層開發(fā)工具之初，張力看重的是Unity輕量級開發(fā)功能。隨著時間的推移，其從產(chǎn)品到技術(shù)再到服務(wù)的全方位支持讓境騰科技受益頗多。張力表示，客戶對于數(shù)字孿生項目的期望是越來越高的，給每一個項目團隊的壓力也越來越大。面對這些挑戰(zhàn)，Unity中國團隊也適時推出了相應(yīng)的技術(shù)支持和聯(lián)合定制開發(fā)服務(wù)，解決了從行業(yè)Know-how到實際開發(fā)等方面的技術(shù)難題，大大提升了最終客戶的滿意度，增強了合作伙伴在市場中的競爭力。
落地：降低應(yīng)用門檻
張力非常認同微軟CEO Satya Nadella提出的企業(yè)元宇宙（Enterprise Metaverses）概念，其中包含了IoT物聯(lián)網(wǎng)、Digital Twin數(shù)字孿生、MR混合現(xiàn)實三個重要組成部分。
這一解讀使得元宇宙在現(xiàn)階段有了邊界，且有了可以嘗試實現(xiàn)的路徑：IoT將現(xiàn)實世界中運行的隱性信息抓出來，并通過數(shù)字化的方式將隱性信息顯性化表達出來；數(shù)字孿生將現(xiàn)實世界中的顯性對象、網(wǎng)絡(luò)和流程通過數(shù)字化方式構(gòu)建出一個數(shù)字實體，并將數(shù)字化實體與現(xiàn)實世界映射起來；MR則可以通過與數(shù)字信息的本能式交互，即與IoT獲取的轉(zhuǎn)顯信息+數(shù)字孿生對應(yīng)的數(shù)字實體進行交互，實現(xiàn)了通過數(shù)字化交互反作用于現(xiàn)實世界的目的，從而產(chǎn)生新的運營和服務(wù)模式，進一步賦能企業(yè)產(chǎn)生全新的商業(yè)模式可能。
化身在Mesh for Teams沉浸式空間中會面和協(xié)作圖片來源：微軟官方網(wǎng)站
從技術(shù)角度來看，實現(xiàn)數(shù)字孿生的許多關(guān)鍵技術(shù)都比較成熟，如多維度建模、多物理場仿真、預(yù)測分析模型等。但要實現(xiàn)對產(chǎn)品或系統(tǒng)的全面預(yù)測分析，數(shù)字孿生還需要大量的數(shù)據(jù)支撐，既包括設(shè)計環(huán)節(jié)的BOM數(shù)據(jù)，生產(chǎn)制造端數(shù)據(jù)和供應(yīng)商數(shù)據(jù)，來自服務(wù)系統(tǒng)的備品備件、維修記錄等數(shù)據(jù)，還包括產(chǎn)品的性能、工況和環(huán)境參數(shù)等等數(shù)據(jù)。
這些數(shù)據(jù)貫穿產(chǎn)品研發(fā)、訂單管理、計劃管理、物料采購、生產(chǎn)管理、能耗管理等各個關(guān)鍵流程，需要PLM、ERP、WCS、WMS、MES、AIoT等多個智能系統(tǒng)相互配合，并且通過相關(guān)的數(shù)據(jù)技術(shù)方法來處理各類數(shù)據(jù)，才可以產(chǎn)出可量化的、可持續(xù)的數(shù)據(jù)價值。
那么，如何將這些數(shù)據(jù)更好的呈現(xiàn)給用戶呢？XR提供了解決之道。在實現(xiàn)過程中，基于實時3D技術(shù)的內(nèi)容創(chuàng)建就顯得更加不可或缺。
縱觀產(chǎn)品和系統(tǒng)的生命周期，在設(shè)計階段，可以用數(shù)字孿生進行產(chǎn)品設(shè)計和規(guī)劃；在工程階段，可以用數(shù)字孿生進行仿真測試；在實施階段，借助數(shù)字孿生可以進行智能制造；在營銷階段，借助數(shù)字孿生可更好地介紹或推銷產(chǎn)品；在使用階段，數(shù)字孿生還可用于虛擬培訓或維護。
從這個意義上來說，不管是產(chǎn)品設(shè)備的數(shù)字孿生，還是車間、生產(chǎn)線的數(shù)字孿生，或是工廠的數(shù)字孿生，Unity的實時3D技術(shù)都是構(gòu)建數(shù)字孿生體的使能技術(shù)。這意味著，Unity扮演的是降低數(shù)字孿生應(yīng)用門檻的角色。
深耕：釋放合作潛能
如王玨所說，數(shù)字孿生可以看作是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深化應(yīng)用。
在南洋萬邦對企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的理解中，“缺省的數(shù)字化”至關(guān)重要，即在組織和管理中，總是優(yōu)先考慮通過數(shù)字化技術(shù)來解決，促使數(shù)字化技術(shù)與業(yè)務(wù)的緊密結(jié)合。王玨指出，從業(yè)務(wù)模式來看，南洋萬邦經(jīng)歷了最早的軟硬件代理商、到后來的信息化系統(tǒng)集成和售后服務(wù)商，再到如今的公有云服務(wù)商，在這個過程中，南洋萬邦積極踐行包括云管理平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)集成平臺等數(shù)字化技術(shù)的研發(fā)，助力企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
除此之外，南洋萬邦認為數(shù)字化轉(zhuǎn)型是整體性的轉(zhuǎn)變：數(shù)字化轉(zhuǎn)型并非意味著完成一個項目、升級一項技術(shù)、創(chuàng)建一個電子商務(wù)網(wǎng)站或開發(fā)一個新的移動應(yīng)用程序，而更多要考慮利用數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)組織架構(gòu)、產(chǎn)品、服務(wù)、流程的數(shù)字化以及業(yè)務(wù)模式的重塑。其中最關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心，將云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)與數(shù)據(jù)洞察能力結(jié)合，提升客戶體驗、優(yōu)化業(yè)務(wù)運營和轉(zhuǎn)變、升級業(yè)務(wù)模式。
王玨強調(diào)，南洋萬邦只是數(shù)字孿生價值鏈中的一份子，只有積極地與各方合作伙伴共同探索、聯(lián)合研發(fā)，包括芯片、模組、網(wǎng)關(guān)等硬件層面以及實時3D內(nèi)容開發(fā)、建模仿真、供應(yīng)鏈、數(shù)據(jù)管理等軟件層面，才能構(gòu)建更完善的解決方案。除此之外，南洋萬邦也在持續(xù)深耕垂直行業(yè)，在行業(yè)中尋找更多的應(yīng)用場景。
張力同樣認為合作在數(shù)字孿生價值鏈中至關(guān)重要。在他的展望中，境騰科技將繼續(xù)拓展相關(guān)能力，與數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同和交互，深化與Unity和南洋萬邦等伙伴的合作，一起更好地服務(wù)客戶，共建工業(yè)元宇宙，實現(xiàn)數(shù)字科技的新未來。
在這個進程中，境騰科技是南洋萬邦重要的合作伙伴，而Unity憑借其強大的實時3D技術(shù)以及面向行業(yè)的數(shù)字孿生工具鏈，將成為實現(xiàn)制造數(shù)字孿生、XR應(yīng)用的首選工業(yè)仿真和內(nèi)容開發(fā)管理平臺之一。
