2021年，元宇宙是當之無愧的業界焦點。作為一個融合擴展現實（XR）、數字孿生、物聯網、云計算、5G/6G網絡、區塊鏈等ICT技術的概念，正吸引著各大行業巨頭紛紛跑步入場，如微軟就提出面向未來辦公生活場景的“企業元宇宙”概念，Facebook改名為 Meta 聚焦建立“元宇宙”， Unity 則提供創建“元宇宙”的底層開發工具集。

    面向制造業，業界寄希望于元宇宙可以滿足市場日益崛起的智慧園區、智能工廠、數字化產線等業務需求，從而催生了“工業元宇宙”這一細分概念。智能制造也有望乘此東風，加速 ICT 技術的研發來貫通制造業 OT 域。

    工業元宇宙更關注虛實數據之間的互動，涵蓋物理實體、虛擬實體、數字孿生業務、孿生體間的數據、各組件的連接五個維度，因此以數字孿生技術驅動的虛實映射和實時同步特性，和以實時3D技術驅動的數據可視化、實時交互、跨平臺特性，共同構成了打造工業元宇宙雛形的關鍵技術。

    01

    挑 戰

    應用現狀與痛點

    縱觀數字孿生開發與應用現狀，在產業井噴的背后，發展過程中的痛點也不容忽視。

    制造業數字孿生解決方案的開發難點在于，它是一個融合多學科、多技術、多維度的復雜系統。這既需要生產工藝、工廠運營和管理等切身經驗和行業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知識提出技術路線，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，開發成本高，腰部企業落地難。事實上，除了頭部企業能有足夠的資金和團隊構建完整的技術棧和服務內容，絕大多數腰部企業很難打通涵蓋芯片、傳感器、邊緣網關、云平臺、數據平臺、算法模型優化、應用開發的整個技術鏈，這是客觀現狀。

    第二，需要長期迭代優化才能形成方案。行業的需求不僅是做好一個項目的開發，更重要的是不斷將新的需求引入項目來做功能的調試和驗證，最終形成成熟方案。這個開發周期往往需要數年之久。

    第三，個性化定制不可避免。我們熟知的國內外大廠都在構建自己的數字孿生平臺，但在實踐中仍需基于現實環境進行大量定制，當前誰都無法提供一個開箱即用的平臺來滿足各行業的不同需求和應用場景，這就對開發理念、具體技術選型、開發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上海南洋萬邦軟件技術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.智.聯-AIoT”制造業數字化轉型解決方案管中窺豹。

數字孿生在智能工廠的應用

圖片來源：南洋萬邦

    02

    探 索

    智能工廠數字孿生實踐

    南洋萬邦的“智能工廠數字孿生展區”以制造業轉型為主題，展示了設備、流水線、工廠三個級別的制造業數字孿生技術演示。

    南洋萬邦資深業務副總經理王玨表示，不同層級上的數字孿生價值各不相同。比如在生產單元層面，通過數字孿生拆解一個設備可以讓操作和運維人員實時真切地看到實驗場景和設備狀態。

    以遠程維修輔助和預測性維護應用場景為例。當SMT產線的多功能貼片機運行發生故障時，產線運維人員可以通過產線數字孿生的運維系統直接通過三維模型定位故障設備，并根據壓力傳感器數據看到，故障原因是因為系統管路里的壓力超過了壓力預警設置值，直接導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看到基于 AI 的預測性設備故障信息和建議預案，并且可以選擇呼叫該設備廠商的專家遠程聯線；遠程專家在實時收到現場故障警報和故障原因，并給到維修指導，實現生產制造的快速恢復。

    該技術演示是其數字孿生解決方案的簡化版，完整方案的亮點包括：

    數化：基于Unity及其數字孿生工具鏈對生產線和倉儲設備的工況信息與運行狀態在數字世界中進行實時三維渲染、交互和可視化分析，實現模擬和重現并可快速部署到各類主機和移動設備；

    互動：建立泛物聯網設備管理系統，實現物理實體與孿生體之間有效數據的實時采集、處理和綁定；

    先知：基于算法提取原始工控信號有效內容，從而識別故障，產生預警信息和發展趨勢；

    優化：基于生產和訂單數據，預測分析產線運行態勢，通過機器學習優化分析訂單和資源分配狀態為業務決策提供支撐。

南洋萬邦智能制造數字孿生解決方案架構

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、大數據、物聯網、人工智能應用和信息安全技術提供基于云托管的技術和服務；自2013年成為上海儀電集團全資的信息化服務提供商之后，先后參與過上海市政務云和大數據中心的業務，目前自研的云平臺、物聯網平臺都是項目實踐的積累沉淀。

    在王玨看來，數字孿生的價值不僅體現在事后的服務環節，還包括事前的預測。正是因為有了數字孿生體的構建，使得可以在工業元宇宙中模擬還未發生的事情，實現快速、低成本的預測。譬如將人員、機器、材料、場景、生產工藝等在數字世界中進行復現和模擬；模擬生產工藝的變更對產量，或某一個廠區布局的影響。更廣泛來說，數字孿生在產品研發設計、生產制造、營銷和售后維護的全生命周期都能產生巨大的價值。

    03

    破 局

    小步快跑與螺旋上升

    王玨總結說，制造企業，尤其是腰部企業在數字化轉型過程中要學會小步快跑，先快速建立小的場景并實現迭代的模式。此外，企業也需要緊密結合市場需求和趨勢來理解數字孿生解決方案的開發，它包含規劃設計（Plan）、項目構建（Build）和運營維護（Run）等完整的開發生命周期，是一個螺旋上升不斷迭代的過程。

    不管是前期的SKU上線、軟硬件技術選型，還是構建IT平臺來采集設備接入數據，抑或是設備和數據的運營維護、分析反饋等等，都需要找到理解制造業 OT 技術并能有效整合前沿 IT 技術，并且能夠提供全生命周期支撐和服務托管服務的合作伙伴來幫助企業管控成本和迭代產品。

    王玨還強調了標準化交付與個性化定制之間的平衡。制造數字孿生方案必須打造通用組件，設備、數據、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的生產制造模式朝著大規模、小批量、個性化方向發展，以數字孿生實現產品參數化設計和產線虛擬調試，后疫情時代的數字化售后服務以及通過虛擬仿真實現故障和缺陷檢測、預測性運維已經是需求明確、前景廣闊的應用場景。

以數字孿生實現產品參數化設計和產線虛擬調試

    面向具體行業，王玨以三個行業列舉數字孿生用例。在空壓機行業，目前有近5000臺設備在國內已經聯網，未來整個亞太區有近4萬臺設備聯網，大型設備的售后服務與狀況監控數字孿生應用已經落地，海量的數據采集和推理訓練也將為產品、業務、市場等其他部門提供數據洞察驅動的敏捷業務拓展；滬寧杭地區的芯片制造園區有三十多個高標準實驗室，為規避用電故障導致的火災等險情，催生了智能實驗室的場景，就是根據實驗室用電環境要求采集園區用電、能耗和各維度環境的狀態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測預警信息；在雙碳政策背景下，中頭部低壓配電企業正積極探索數字孿生技術來升級配電系統從而實現為客戶交付更具安全性、能耗優化的、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。

空壓機數字孿生應用場景

圖片來源：南洋萬邦

    04

    要 訣

    快速、高效構建之道

    從技術和系統實現來看，南洋萬邦的技術合作伙伴境騰科技 CEO 張力認為制造業數字孿生應用與某些游戲場景的開發語言和開發結構是大致相同的，最大的區別在于客戶對象不同。

    手游在游戲場景設計上要考慮玩家的游戲體驗，而行業客戶更加強調準確無誤地獲取全局及局部信息來做管理決策，關注把 IoT數據、數字孿生映射模型、MR混合現實互動形成聯動，包括積累有效數據為數字孿生方案創造預測性維護、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實MR技術的高科技企業。在創立之初，境騰科技就設定了“連接虛擬與現實，構建數字新未來”的方向，基于XR技術服務智能制造，推進數字化轉型。基于 Unity和微軟 HoloLens 2，境騰科技已經開發出全息協作會議BeamLink彼臨、全息3D說明書、全息流程指導JTWorkflow循序和遠程專家支持JTRA明達等“工業元宇宙”產品，其中 BeamLink 彼臨混合現實會議產品已經支持HoloLens和其他 Windows MR/VR設備，iOS 移動設備。

境騰科技“工業元宇宙”產品

圖片來源：境騰科技

    張力認為，“工業元宇宙”概念的提出實質上說明行業客戶除了實現業務目標，已經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源于游戲行業的實時 3D 引擎 Unity 作為其“工業元宇宙”開發工具。

    張力坦言，主機、移動設備和AR/VR設備的交互模式不同，有賴于Unity 的跨平臺支持技術，境騰科技可以復用 HoloLens 2的應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了應用的快速跨端部署；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字孿生的價值。

    Unity 在手游行業有諸如《原神》、《王者榮耀》、《英雄聯盟手游》等叫好又叫座的頂級案例，從技術開發角度而言，實現“工業元宇宙”對畫質、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、工程建設行業的能力和決心。Unity 本身就提供了非常好的物理仿真性能和大量可復用的工業資產素材庫，結合 Unity Reflect, PiXYZ, Luban 等數字孿生工具鏈，行業用戶可以輕松將工業模型和元數據導入 Unity 進行定制開發，從而快速構建設備、產線、廠房、園區乃至城市級的虛擬仿真，通過將實時物聯網數據導入Unity 開發的運行程序，就可以實現端到端的工業數字孿生。

Unity 實時 3D 技術可解決產品全生命周期中的挑戰

圖片來源：Unity

    除此外，利用Unity云服務可獲得低時延高可靠的高質量圖形渲染性能；通過Unity 機器學習解決方案可提高機器人分析認知能力，實現自主操控；通過UnitySimulation進行虛擬調試與仿真驗證；通過Unity Mars制作智能混合現實體驗和增強現實體驗；采用更多靈活的定制化插件，完成全生命周期智能化數字孿生系統構建，充分利用其強大的檢測、模擬、預測能力，真正實現工廠的信息化、數字化、智能化。

    在選擇 Unity 作為底層開發工具之初，張力看重的是Unity輕量級開發功能。隨著時間的推移，其從產品到技術再到服務的全方位支持讓境騰科技受益頗多。張力表示，客戶對于數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，Unity 中國團隊也適時推出了相應的技術支持和聯合定制開發服務，解決了從行業Know-how到實際開發等方面的技術難題，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。

    05

    落 地

    降低應用門檻

    張力非常認同微軟CEO Satya Nadella提出的企業元宇宙（Enterprise Metaverses）概念，其中包含了IoT物聯網、Digital Twin數字孿生、MR混合現實三個重要組成部分。

    這一解讀使得元宇宙在現階段有了邊界，且有了可以嘗試實現的路徑：IoT將現實世界中運行的隱性信息抓出來，并通過數字化的方式將隱性信息顯性化表達出來；數字孿生將現實世界中的顯性對象、網絡和流程通過數字化方式構建出一個數字實體，并將數字化實體與現實世界映射起來；MR則可以通過與數字信息的本能式交互，即與IoT獲取的轉顯信息+數字孿生對應的數字實體進行交互，實現了通過數字化交互反作用于現實世界的目的，從而產生新的運營和服務模式，進一步賦能企業產生全新的商業模式可能。

化身在 Mesh for Teams 沉浸式空間中會面和協作

圖片來源：微軟官方網站

    從技術角度來看，實現數字孿生的許多關鍵技術都比較成熟，如多維度建模、多物理場仿真、預測分析模型等。但要實現對產品或系統的全面預測分析，數字孿生還需要大量的數據支撐，既包括設計環節的BOM數據，生產制造端數據和供應商數據，來自服務系統的備品備件、維修記錄等數據，還包括產品的性能、工況和環境參數等等數據。

    這些數據貫穿產品研發、訂單管理、計劃管理、物料采購、生產管理、能耗管理等各個關鍵流程，需要PLM、ERP、WCS、WMS、MES、AIoT等多個智能系統相互配合，并且通過相關的數據技術方法來處理各類數據，才可以產出可量化的、可持續的數據價值。

    那么，如何將這些數據更好的呈現給用戶呢？XR提供了解決之道。在實現過程中，基于實時3D技術的內容創建就顯得更加不可或缺。

    縱觀產品和系統的生命周期，在設計階段，可以用數字孿生進行產品設計和規劃；在工程階段，可以用數字孿生進行仿真測試；在實施階段，借助數字孿生可以進行智能制造；在營銷階段，借助數字孿生可更好地介紹或推銷產品；在使用階段，數字孿生還可用于虛擬培訓或維護。

    從這個意義上來說，不管是產品設備的數字孿生，還是車間、生產線的數字孿生，或是工廠的數字孿生，Unity的實時3D技術都是構建數字孿生體的使能技術。這意味著，Unity扮演的是降低數字孿生應用門檻的角色。

    06

    深 耕

    釋放合作潛能

    如王玨所說，數字孿生可以看作是企業數字化轉型的深化應用。

    在南洋萬邦對企業數字化轉型的理解中，“缺省的數字化”至關重要，即在組織和管理中，總是優先考慮通過數字化技術來解決，促使數字化技術與業務的緊密結合。王玨指出，從業務模式來看，南洋萬邦經歷了最早的軟硬件代理商、到后來的信息化系統集成和售后服務商，再到如今的公有云服務商，在這個過程中，南洋萬邦積極踐行包括云管理平臺、大數據、物聯網集成平臺等數字化技術的研發，助力企業實現數字化轉型。

    除此之外，南洋萬邦認為數字化轉型是整體性的轉變：數字化轉型并非意味著完成一個項目、升級一項技術、創建一個電子商務網站或開發一個新的移動應用程序，而更多要考慮利用數據技術，實現企業組織架構、產品、服務、流程的數字化以及業務模式的重塑。其中最關鍵的是，數據是數字化轉型的核心，將云計算、物聯網、人工智能、數字孿生等技術與數據洞察能力結合，提升客戶體驗、優化業務運營和轉變、升級業務模式。

    王玨強調，南洋萬邦只是數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、聯合研發，包括芯片、模組、網關等硬件層面以及實時3D內容開發、建模仿真、供應鏈、數據管理等軟件層面，才能構建更完善的解決方案。除此之外，南洋萬邦也在持續深耕垂直行業，在行業中尋找更多的應用場景。

    張力同樣認為合作在數字孿生價值鏈中至關重要。在他的展望中，境騰科技將繼續拓展相關能力，與數字孿生和物聯網的協同和交互，深化與Unity和南洋萬邦等伙伴的合作，一起更好地服務客戶，共建工業元宇宙，實現數字科技的新未來。

    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技術以及面向行業的數字孿生工具鏈，將成為實現制造數字孿生、XR 應用的首選工業仿真和內容開發管理平臺之一。