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工厂元宇宙的应用与挑战

发布时间:2023-01-06

编辑人:灵图互动

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在2021年3月,中国政府发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,在加快推进数字产业化和推进产业数字化转型方面,明确提出要培育壮大人工智能、大数据、区块链、云计算、网络安全等新兴数字产业,提升通信设备、核心电子元器件、关键软件等产业水平,构建基于5G的应用场景和产业生态,推动数据赋能全产业链协同转型。

目前,随着数字孪生技术的突破,促进了工业数字化及智能化的发展,解决了工业企业之间的“数据孤岛”问题,保障了工业数据的安全性和可信性。但是由于工业互联网的快速发展,大型工厂规模不断扩大,存在着智能监控装置部署分散、日常巡检与管控压力大、人员成本高、生产协同困难、产品定制化困难、系统维护自动化程度低和上岗工人培训耗时费力且成效不够显著等一系列问题,根据相关研究报告,元宇宙技术能够达到远程操控作业、虚拟运维、模拟运行、实境培训等需求,为解决当前存在的问题提供了方向。

为带动生产力提升、改进工厂生产模式、人员协同模式,促成企业数字化转型和以人为本的转型,优化产业生态,进而促进价值分配与经济模式转变,保障人员生产安全和设备运行安全,打造工厂元宇宙成为了数字化工厂进一步升级转型的关键。元宇宙作为集成了扩展现实(XR)、人工智能、区块链和5G等多种技术的融合成果,大型工厂作为具有相对固定场景且数字化程度较高的物理环境,使得工厂完全具备构建元宇宙条件与优势。因此,对元宇宙赋能未来工厂展开研究,提出基于元宇宙概念的打造工厂元宇宙的技术架构、应用与挑战,对减少人力成本、时间成本和避免资源浪费有着正向促进作用,对实现产品个性化定制、产品全生命周期管理、资产价值链传递和高效运维等具有重要意义,同时,对实现“十四五”规划将起到推动性作用。

工厂元宇宙的应用

1. 元宇宙相关政策

随着元宇宙相关概念的提出及相关技术的发展,各个国家和组织对元宇宙表现出不同的态度。美国是首先对元宇宙进行探索的国家,其主要关注元宇宙在开放性条件下如何保障相关数据的安全性和隐私性。韩国为打造本土的虚拟现实平台,成立了“元宇宙”联盟,联盟内成员主要包括SK公司、LG公司、现代汽车等公司。欧盟注重元宇宙的规则、监管和安全问题,为充分保障用户权益和网络安全,先后出台了《人工智能法案》、《数字服务法案》等法律法规。我国一直致力于推进产业数字化转型升级和工业数字经济的快速发展,出台了多项推动元宇宙发展的政策。2018年12月,国家工信部在《关于加快推进虚拟现实产业发展指导意见》一文明确指出:到2025年,需要将我国虚拟现实产业整体提实力进入全球前列,2021年3月,国家工信部提出“双千兆”网络协同发展行动计划(2021-2023年),形成增强现实/虚拟现实等典型行业千兆应用示范,2022年“两会”提案成立国家级“元宇宙”研发机构,届时工信部明确提出了在我国培育进军元宇宙的创新型企业的建议。

2. 总体架构设计

当前元宇宙处于探索阶段,针对不同场景下元宇宙应用技术架构在学术界和工业界并未形成统一的定义。基于出口市场价值链的产业分工定义了7层元宇宙架构,以满足产业需求,该架构从底层到顶层分别为:基础设施、人机交互、去中心化、空间计算、创造者经济、发现系统、用户体验。基于教育领域的特点,可以定义教育元宇宙的4层元宇宙架构,包含物理层、软件层、应用层、分析层,以满足师生在物理世界和虚拟世界的教与学需求。基于智慧图书馆服务模式提出了图书馆元宇宙体系6层架构,包含物理层、软件层、数据层、规则层、应用层和交互层,为元宇宙在智慧图书馆的应用研究提供了参考。

元宇宙通过实现全真互联网,赋能现实工厂的工艺设计、排产计划、生产流程、员工交流、个性化定制、设备和系统维护等环节,从而实现改变工厂生产模式和员工工作、生活、交流方式的目的。但由于打造工厂元宇宙需要对现实世界进行映射,映射过程中需要对现实世界物理身份进行绑定,同时元宇宙需要依靠区块链技术实现信用价值安全传递。因此,结合元宇宙的相关技术、基本特点、核心要素,与工业互联网的特性,打造工厂数字化平台,构建工厂元宇宙模型,设计工厂元宇宙架构体系,该架构共6层,分别为物理层、软件层、数据层、策略层、应用层、交互层。

工厂元宇宙架构体系

3. 应用场景

虚拟生产:工厂员工利用可穿戴虚拟现实设备进入工厂元宇宙,在工厂元宇宙中会自动生成一个镜像数字替身,进入基于现实工厂的元宇宙数字孪生工厂。生产开始前,用户可以在元宇宙中查看订单状态、设备状态、产品状态,通过系统的智能算法找到最优的生产方案后,下达生产计划。生产过程中,用户可以通过工厂元宇宙,远程监控并实时调整车间的生产状态,现实工厂和工厂元宇宙同步运行,依照用户下达的指令自主完成物料配送、生产节拍、质量管理、数据采集等协同生产过程。生产完成后,用户通过操控智能物流系统和智能仓储系统,自动根据订单状态并完成产品无人分拣、智能搬运和智能仓储等流程。

工作交接:员工的本班次结束后,元宇宙智能云计算系统立即统计出生产工人的工作量和当前生产进度,并将数据自动上传至工厂管理云平台,云平台自动分析该员工的产量、效率、能耗、工时等数据,公司生产管理调度系统依据这些生产信息进行生产计划安排和调整。同时,换班员工通过虚拟现实设备进入元宇宙,交接班员工的数字替身通过查看生产计划表、语音交流,确定已完成和待完成工作内容,在元宇宙内完成生产权限、生产进度和设备状态的交接。交接工作完成后,上一班次员工下线,换班员工的数字替身向管理人员确认生产计划后按计划在元宇宙中进行生产,同时,现实工厂同步推进生产工作。

故障维护:当工厂设备运行发生故障时,维护人员穿戴虚拟现实设备进入工厂元宇宙,通过元宇宙中的数字孪生工厂结合原生设备的三维模型,定位设备故障点,并根据现场传感器返回的数据确定故障原因。依托工厂元宇宙的庞大数据库,基于系统智能算法预测设备故障的时间与原因,准备设备的检修预案,维护人员通过工厂元宇宙直接在虚拟环境中进行设备维护。同时,维护人员可以邀请设备供应商的专家进入工厂元宇宙进行设备维护,远程专家通过工厂元宇宙查看工厂的故障报警情况并了解故障基本信息,然后对故障和缺陷进行虚拟化检测,并在元宇宙世界中给予维修指导意见,现场维修人员或维修机器人收到维修指令后立即进行维修操作,快速恢复生产制造。

工厂元宇宙应用场景

4. 面临的挑战

工厂元宇宙是智能工厂数字化转型的终极目标,它通过VR/AR技术实现工业流程的全贯穿,突破空间限制,实现沉浸式生产体验。用户利用穿戴设备进入虚拟化生产场景,查看现实工业企业映射和生产过程,设计定制化产品,提前感受产品形态和功能,还能进行远程虚拟化办公和设备运维,但由于工厂元宇宙面向的对象复杂多样、信息量巨大、实时性要求极为苛刻、技术集成度非常高且存在较大的安全风险,因此在实现工厂元宇宙可能面临巨大挑战,主要如下:

挑战1:技术壁垒突破难。在构建工厂元宇宙过程中,技术壁垒将是工厂元宇宙发展道路上的最大阻碍,主要存在以下几个方面:①底层技术难以满足应用需求。目前,市面上比较成熟的AR/VR、区块链、人工智能、大数据等底层技术无法满足工厂元宇宙落地应用需求;②系统/平台算力要求极高。由于现实工厂中的设备数量众多,每秒将产生海量的数据,同时,现实工厂需要与元宇宙中的数字孪生工厂进行实时联动,且需要实现可编辑世界、多人在线、UGC、虚拟社交、经济系统等多要素的融合,对网络、边缘设备、服务器等设备/系统的并发量、吞吐量和计算能力要求极高,虽然云计算、5G网络技术不断发展,但还是难以支撑海量数据的实时计算。因此,技术壁垒是元宇宙难以落地实施的关键性因素之一。

挑战2:安全隐私保护难。构建工厂元宇宙的出发点是为促进工厂生产效率,给员工带来沉浸式交互体验,但是在实现元宇宙的过程中,不仅需要对进入元宇宙的用户进行身份属性、社会属性、人际关系、实时位置、生物特征、脑电波模式等个人信息采集,还将对工厂内设备基础信息、控制指令、监测接口等工厂内部信息进行采集,同时还会对周围的环境数据进行全面采集。通过对以上信息的深度挖掘、分析、处理、存储和实时同步,以满足工厂元宇宙对数据资源的基本要求,如果这些个人数据或环境数据出现泄露或者被不法分子滥用,将会严重影响现实世界中用户的正常生活,也会对现实工厂的生产造成影响,导致直接经济损失。因此,安全隐私保护将成为元宇宙难落地实施的关键因素之一。

挑战3:标准法规推动难。目前,元宇宙这一新兴概念在各界尚未进行标准化定义,国家/行业制定标准、法规缺乏可信的依据。同时,由于构建工厂元宇宙的前提是需要打通与其他不同元宇宙生态系统关系,从而实现元宇宙生态系统的广泛连接,为满足上述要求,国家及各行业需要制定相关的标准、规则和协议,引导企业之间进行规范化、标准化的合作,建立一套属于元宇宙的标准体系,但是由于构建元宇宙体系将涉及多个领域、多种行业、多个企业且不同行业、领域、企业均存在不同层面的监管机构,这些监管机构可能会造成信息割据、资源垄断、经济风险和信息安全风险等多种问题。因此,在推动建设统一化的标准法规方面可能存在阻碍,这个问题也就成为了元宇宙难落地实施的关键因素之一。

目前,工厂元宇宙处于发展初期,在技术、安全隐私保护和标准法规推动层面的思考尚未成熟。以提高工厂生产力、改进工厂生产模式、促成企业数字化转型为出发点,提出了工厂元宇宙的技术架构,并对该架构进行了详细阐述。同时,通过构建不同的应用场景,验证了工厂元宇宙实现的可能性。随着科学技术的进一步发展和人类思维方式的变化,元宇宙将以数字网络形式融入我们的生活的方方面面。通过打造工厂元宇宙能够实现工厂生产模式的转变,促进生产力提升,而要实现这一目标还需要对工厂元宇宙的技术、服务、安全性防护和标准法规等方面进行研究和探索。


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