工業(yè)元宇宙和數(shù)字孿生技術(shù)和應(yīng)用

作者：Curt Schwaderer，Brandon Lewis，Doug Migliori

Gartner將元界定義為“由虛擬增強(qiáng)的物理和數(shù)字現(xiàn)實(shí)融合而成的集體虛擬開放空間。它在物理上是持久的，并提供增強(qiáng)的沉浸式體驗(yàn)。IDC將元宇宙定義為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的演變，它利用移動(dòng)設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)以及下一代網(wǎng)絡(luò)來(lái)創(chuàng)建具有強(qiáng)烈存在感的持續(xù)和持續(xù)的用戶體驗(yàn)。

兩者都不準(zhǔn)確。然而，兩者都沒(méi)有準(zhǔn)確地描繪出元宇宙的深度、規(guī)模和潛力，超越了它目前的、新生的形式，也沒(méi)有描繪出它的價(jià)值超越了基本的人類娛樂(lè)，作為解決世界上一些最緊迫、最復(fù)雜問(wèn)題的方法。

事實(shí)上，元宇宙代表了一個(gè)巨大的范式轉(zhuǎn)變，有望重新定義我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)技術(shù)解決問(wèn)題。應(yīng)用其概念的最早和最大的機(jī)會(huì)在于行業(yè)，領(lǐng)先的組織已經(jīng)在利用元宇宙的構(gòu)建塊 - 無(wú)論他們是否知道 - 在數(shù)字孿生體的部署中，有朝一日將形成構(gòu)成整個(gè)虛擬世界的系統(tǒng)系統(tǒng)。

這是涵蓋工業(yè)元宇宙和數(shù)字孿生技術(shù)、應(yīng)用、當(dāng)前行業(yè)活動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)潛力的系列文章中的第一篇。我們鼓勵(lì)您關(guān)注本系列，發(fā)表評(píng)論并提出問(wèn)題。參與和協(xié)作至關(guān)重要，因?yàn)槲覀兲ど狭丝赡苁羌夹g(shù)史上最重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

變革的當(dāng)務(wù)之急

人類已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。自互聯(lián)網(wǎng)發(fā)明以來(lái)，我們的全球社會(huì)取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步。我們可以通過(guò)單擊按鈕從字面上了解任何內(nèi)容。我們可以為每平方英畝更多的人提供食物，治愈更多的疾病，在一天內(nèi)環(huán)游世界，并與世界上任何地方的任何人從我們的家中進(jìn)行交流。

與這些令人印象深刻的進(jìn)步形成鮮明對(duì)比的是，人們意識(shí)到發(fā)生了多少浪費(fèi)。IBM全球商業(yè)服務(wù)公司2010年的一份執(zhí)行報(bào)告指出，全球超過(guò)50%的食品供應(yīng)從未提供給消費(fèi)者。每年使用的所有水的35%因農(nóng)業(yè)管理不善而浪費(fèi)。每年產(chǎn)生的電力中有25%從未被消耗掉。僅在美國(guó)，道路擁堵和糟糕的基礎(chǔ)設(shè)施布線問(wèn)題每年就浪費(fèi)了足夠的原油，足以滿足德國(guó)和荷蘭兩年的全部需求。

到目前為止，給定領(lǐng)域（例如基礎(chǔ)設(shè)施）的進(jìn)步是在自己的上下文中設(shè)計(jì)，部署和推進(jìn)每個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果 - 幾乎沒(méi)有考慮該系統(tǒng)作為我們?nèi)蛏鐣?huì)的一部分如何相互作用。今天的挑戰(zhàn)——充足的食物、清潔水供應(yīng)、能源短缺、氣候變化——無(wú)法通過(guò)同樣的孤立方法來(lái)解決。這些挑戰(zhàn)受到許多系統(tǒng)和行業(yè)的影響，需要在單個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行多項(xiàng)改進(jìn)。

新的思維方式對(duì)于解決這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

系統(tǒng)系統(tǒng)方法

IBM的報(bào)告將我們的世界視為一個(gè)復(fù)雜的“系統(tǒng)系統(tǒng)”，每個(gè)系統(tǒng)都以各種方式與其他系統(tǒng)進(jìn)行交互。總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成了我們國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的100%。

IBM的報(bào)告得出結(jié)論，這些系統(tǒng)不僅僅是相互關(guān)聯(lián)的，它們彼此高度依賴。效率低下不僅在于每個(gè)系統(tǒng)，還在于這些系統(tǒng)的相互關(guān)系。

多年來(lái)，我們一直在提高效率并清除系統(tǒng)中的廢物。然而，當(dāng)在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)確定目標(biāo)和目的時(shí)，它可能導(dǎo)致其他相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)的效率降低到浪費(fèi)總體凈增加的程度。

例如，如果兩家非競(jìng)爭(zhēng)制造商在美國(guó)彼此靠近，并且各自優(yōu)化了自己的物流系統(tǒng)以將產(chǎn)品運(yùn)往海外，則交付這些產(chǎn)品的運(yùn)輸系統(tǒng)可能會(huì)以未使用的容量運(yùn)行次優(yōu)。

如果這些跨域物流系統(tǒng)能夠連接和共享信息，它們就可以共享相同的運(yùn)輸服務(wù)，以提高整體產(chǎn)能利用率，從而減少燃料消耗、污染和交通擁堵，同時(shí)降低自己的運(yùn)輸成本——這對(duì)所有利益相關(guān)者來(lái)說(shuō)都是一個(gè)積極的結(jié)果。

挑戰(zhàn)不僅僅是技術(shù)或后勤方面的。這個(gè)例子表明，我們最大的挑戰(zhàn)是克服我們運(yùn)營(yíng)的當(dāng)前思維方式。我們的計(jì)劃是在我們的領(lǐng)域內(nèi)以最高效率實(shí)現(xiàn)短期目標(biāo)，而不考慮更大的后果。

我們今天面臨的挑戰(zhàn)不能通過(guò)繼續(xù)在企業(yè)或系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行優(yōu)化來(lái)解決 - 只有通過(guò)對(duì)所有系統(tǒng)進(jìn)行全面，協(xié)調(diào)和持續(xù)的努力才能解決。

利用元宇宙

元宇宙代表了通過(guò)采用系統(tǒng)中的系統(tǒng)方法來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題的機(jī)會(huì)。從全球角度來(lái)看，Metaverse中每個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)都可以與提高整體效率和可負(fù)擔(dān)性以及減少浪費(fèi)相關(guān)聯(lián)。單個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的積極或消極變化與對(duì)系統(tǒng)系統(tǒng)的整體影響相平衡。

這是我們解決受許多相關(guān)系統(tǒng)影響的復(fù)雜問(wèn)題的唯一方法。

本系列重點(diǎn)介紹元宇宙的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)方面，以及使用元宇宙和數(shù)字孿生技術(shù)如何幫助建模和完善系統(tǒng)，評(píng)估對(duì)其他系統(tǒng)的相關(guān)影響，并預(yù)測(cè)對(duì)全球系統(tǒng)系統(tǒng)的整體影響。

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是，這些系統(tǒng)能夠在域內(nèi)和跨域相互操作。

系統(tǒng)互操作性的七大原則

幸運(yùn)的是，組織已經(jīng)開始朝著這些目標(biāo)努力。例如，數(shù)字孿生體聯(lián)盟采用了系統(tǒng)級(jí)系統(tǒng)的方法，并通過(guò)基于以下關(guān)鍵概念定義“系統(tǒng)互操作性框架”奠定了重要的基礎(chǔ)：

以系統(tǒng)為中心的設(shè)計(jì)。將產(chǎn)品和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)為系統(tǒng)類型，簡(jiǎn)化了它們實(shí)時(shí)連接和交互以形成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)的能力。

普通元模型。當(dāng)所有系統(tǒng)共享一個(gè)通用的元模型來(lái)封裝功能、目的和接口時(shí)，它們就變得本質(zhì)上是可互操作的。

整體信息流。用于整體理解和最佳決策的信息可以跨多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生，并且必須共享和理解。

有狀態(tài)交互。每個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)表示信息，狀態(tài)的變化反映在系統(tǒng)之間交換的信息中。

聯(lián)合存儲(chǔ)庫(kù)。信息必須持久化，并在需要時(shí)復(fù)制，以便做出最佳決策，而不能局限于集中式存儲(chǔ)庫(kù)。

可操作信息。共享信息必須符合上下文、可信、有彈性且經(jīng)過(guò)讀取優(yōu)化，以便對(duì)系統(tǒng)之間的狀態(tài)變化做出及時(shí)和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

可擴(kuò)展的機(jī)制。嵌入在每個(gè)系統(tǒng)中的通用互操作性機(jī)制必須設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，才能從兩個(gè)系統(tǒng)之間的單個(gè)連接和交互擴(kuò)展到復(fù)雜的全球生態(tài)系統(tǒng)中分布式、自主和異構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟。

該框架的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是幫助統(tǒng)一高價(jià)值、多供應(yīng)商服務(wù)的新興生態(tài)系統(tǒng)，這些服務(wù)可以無(wú)縫插入到多維、可互操作的系統(tǒng)系統(tǒng)中。更具體地說(shuō)，它為構(gòu)建可互操作的數(shù)字孿生體的交互式生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

要使這些全球體系中的所有利益相關(guān)者達(dá)成共識(shí)，首先要使用通用術(shù)語(yǔ)并就基本原則達(dá)成一致。這不是一項(xiàng)小任務(wù)，但聯(lián)盟的系統(tǒng)互操作性框架代表了使系統(tǒng)之系統(tǒng)心態(tài)成為現(xiàn)實(shí)的分水嶺時(shí)刻。

所有貢獻(xiàn)者在元宇宙中理解和構(gòu)建可互操作的雙胞胎，將允許組成優(yōu)化的協(xié)作系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以以積極的方式改變世界，而無(wú)需盲目地實(shí)現(xiàn)基于未經(jīng)證實(shí)的假設(shè)的良好意圖系統(tǒng)。

前所未有的機(jī)遇

展望未來(lái)，我們對(duì)成功的定義不能在系統(tǒng)組件的縮影中。我們都必須改變我們的思維方式——短期思維和孤立的優(yōu)化不能決定我們的未來(lái)。對(duì)擬議的系統(tǒng)優(yōu)化及其對(duì)其他系統(tǒng)的積極或消極影響的分析必須在我們心中根深蒂固。我們必須利用工業(yè)元宇宙和可互操作的數(shù)字孿生體，為最棘手的世界問(wèn)題實(shí)現(xiàn)突破性的解決方案。

工業(yè)元宇宙代表了歷史上最大的范式轉(zhuǎn)變。采用者有機(jī)會(huì)推動(dòng)我們的世界向前發(fā)展，否則最終面臨滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：郭婷