撰 文|艾伯特·梅杰（Dr. Albert Meige）博士、理特咨詢Blue Shift研究院總監

瑞克·伊格（Rick Eagar）理特咨詢榮譽合伙人

【編者按】通過世界基礎模型，我們可以在數字世界部署工業元宇宙，重建工業企業的全部生產工藝，通過模擬仿真即時呈現企業的工藝、流程甚至戰略調整的結果。這對企業現在習以為常的決策體系，帶來全新的挑戰。企業如何擁抱世界模型？本刊邀請理特咨詢相關專家，就世界模型、工業元宇宙如何為企業創造價值，以及企業如何規劃工業元宇宙的部署，展開討論。

從工業4.0到工業元宇宙

工業元宇宙關注的是使用虛擬化技術更好地執行各種工業任務，旨在實現更高的運營效率和效果、更低的成本和更好的質量。工業元宇宙到底是一個全新的概念？抑或僅僅是現有數字技術在工業4.0概念下的新標簽？

工業4.0指的是“第四次工業革命”，于2015年被首次提出，以概括網絡信息技術所產生的變革性影響。那么為什么人們將關注的重點從工業4.0轉移到工業元宇宙呢？筆者認為有以下5點原因值得思考。

一是技術融合，工業元宇宙結合了5G、物聯網、人工智能等先進技術，實現更高效的生產和運營。二是虛擬協作，即通過虛擬現實和增強現實等技術，實現跨地域的團隊協作和遠程工作。三是數據驅動，工業元宇宙注重利用大數據分析和集成，優化決策過程，提升生產效率和產品質量。四是創新與定制化，即在工業元宇宙中探索新的商業模式，提供個性化和定制化的產品和服務。五是教育與培訓，即利用工業元宇宙中的虛擬現實等技術，提供沉浸式教育和培訓，提高員工技能和安全意識。

這五個維度概括了工業元宇宙轉型的核心要素，旨在推動產業的持續創新和升級。

如圖 1所示，作為工業4.0組成部分的許多技術與工業元宇宙也高度相關，包括人工智能、物聯網、信息物理系統、區塊鏈、虛擬工作場所和數字孿生。事實上，虛擬模型、仿真技術和數字孿生在工業生產中的運用已經存在了近十年之久，而數字設計工具的時間則更長。

圖 1 與工業元宇宙相關的工業4.0技術

那么，工業元宇宙有什么亮點呢？它的不同之處在于，關鍵技術的融合使得模擬仿真能力產生了質的變化（圖 2）。

圖 2 工業元宇宙技術的發展和融合

到目前為止，數字孿生主要用于離散的產品、零部件、生產線或工廠，主要針對操作和維護性能的改進。但隨著復雜系統仿真、數據可視化和人工智能的進一步發展，加上物聯網（IoT）和協作技術的持續改進，在算力不斷增強的支持下，數字孿生連接多個設施和系統的可能性正在成為逐步增強。

這將數字仿真從操作改進和設計輔助工具的層面進行了擴展和提升，成為跨系統乃至整個全球工業企業進行戰略決策的關鍵工具。

為什么企業應該持續追求工業元宇宙？

過去幾年，工業系統的復雜性急劇增加。在過去兩年，企業數據的體量就增長了40%以上，超過2Pb，合作伙伴網絡的復雜性也大幅增加。與此同時，變化的速度和不可預測性正在加快。人類認知的局限性意味著，在這些快速變化、不可預測的系統中做出正確的決定是困難的。更重要的是，可持續性的必要性意味著端到端的復雜工業系統控制正變得越來越重要。

傳統的戰略決策很難應對這些挑戰，因為它通常依賴于對復雜系統的過度簡單化。這意味著它經常錯過意想不到的系統影響，反應滯后，無法足夠快地預測和反應快速的變化。工業元宇宙提供了一種可能性，允許公司基于動態、前瞻性、全系統的方法做出明智的管理層決策。這將更快、更有效地確定業績改進計劃和變化的影響，并有助于管理總體效應和實現可持續增長。

即使是在短期內，工業元宇宙的商業利益也是顯而易見的。

正如我們所指出的，即使完全連接的全工業系統數字孿生技術還需要幾年時間，企業仍然可以從現有應用中獲得顯著的好處，其中許多應用與工業4.0重疊。相關應用方向可以分為四個類別。

一是優化。工業元宇宙可以用于改進運營和維護、產品質量、供應鏈和客戶服務等。二是培訓。包括使用虛擬現實等工具開展運營、安全、遠程和產品等相關領域的培訓。三是工業元宇宙可作為技術工具，如設計/施工一體化、資產檢查/維護和遠程故障排除等。四是將其作為管理工具，如開展虛擬會議，進行工作協作、交易和交互等。

隨著數字孿生從離散的工廠延伸到整個工業系統，其影響將遠超生產力和效率的范疇，它所帶來的更有效的戰略決策將對整體增長、利潤率和股東價值產生更大的潛在影響。米其林公司應用數字孿生技術，優化全球采購戰略的做法，可以提供一個有益的借鑒。

全球輪胎制造商米其林擁有70家生產工廠，業務遍及170多個國家，產品型號不斷增加。2021年，公司的物流成本為19億歐元。由于米其林的戰略是在銷售點附近制造產 品，全球采購是一個重大挑戰。米其林正在尋找一種方法來交互測試不同的采購策略和方案，以確定能夠優化成本、服務質量、碳足跡和庫存水平的最佳行動。

盡管米其林在產品開發中使用數字孿生已有約30年的歷史，但鑒于全球采購系統的復雜性，包括其多個元素、關系和嵌套子系統，米其林尚未將該技術應用于采購系統。

米其林與技術服務方Cosmo Tech合作，構建了一個復雜的全球采購系統數字模型，包括服務水平、二氧化碳排放、庫存、分銷和工廠產能等關鍵指標。這涵蓋了1700個產品型號，所有產品都在一個復雜的制造和分銷矩陣中。這一“模擬數字孿生”使米其林能夠運行8萬多次模擬，每個模擬有3000多個不同和動態的決策變量， 并內置優化算法來確定要采用的最佳策略。

由此，米其林能夠為未來五年確定一個可行的戰略采購計劃，該計劃將使其物流成本每年減少1000萬歐元。這也使全球利潤率優化了幾個百分點，并將運輸和海關成本降低了60%以上。

如何更好地實現信息技術的實用化

基于模擬能力逐步升級的情況，我們可以將工業元宇宙定義為：“一個互聯的、全系統數字孿生生態系統，具有與環境中的真實世界交互的功能，使決策者能夠更好地了解過去和預測未來。”

工業元宇宙的核心是“全系統數字孿生”，它最終可能代表一個完整的端到端產業系統，不僅包括有形資產，還包括流程、功能、資源和組織。它將超越公司的界線，包括整個公司合作伙伴生態系統的相關參與者，包括上游和下游，以及他們直接的互動。最終還可能包括公司運營所處的更廣泛的環境。它需要被構建為一個復雜的系統，以便能夠對現實和動態的系統行為進行建模。廣泛的“假設”模擬功能是它的關鍵部分。模擬不僅基于過去的數據，還基于現在和未來的數據。

圖 3顯示了支持此功能的五個關鍵技術模塊，并由計算能力也就是“算力”技術模塊提供支持。在很大程度上，這些技術已經存在。然而，它們都需要進一步發展，以應對日益增長的數據規模和復雜性。增加的計算能力本身是實現非常大的、相互連接的數字孿生模擬的關鍵因素。

圖 3 工業元宇宙的功能和模塊

總體而言，這幅圖景表明，在真正的全系統數字孿生技術可行之前，還需要五年甚至更長的時間，但是在此期間，涉及日益復雜的系統的數字孿生的中間步驟仍然是可行的。

早在2020年，全球知名的生命科學企業拜耳集團，通過采用前沿的數字孿生技術，對其商業戰略進行了重大調整。該技術涉及創建公司生產設施的精確虛擬副本，使得拜耳能夠在一個安全的數字環境中模擬和測試不同的業務場景。

據拜耳作物科學公司數據卓越中心的負責人納文·辛格拉（Naveen Singla）介紹，數字孿生技術的應用極大地推進了公司業務流程的重新思考，它允許通過機器學習和模擬技術來優化決策過程。

利用這項技術，拜耳已經成功構建了其在北美的九個玉米種子生產基地的虛擬模型。這些詳盡的模型涵蓋了設備、流程、產品流特性、物料清單和操作規則等關鍵要素。通過這些模型，公司能夠進行復雜的"假設"分析，快速評估新產品推出或定價策略變化可能帶來的影響。

辛格拉還提到，數字孿生技術在幫助公司做出資本購買決策、制定長期商業計劃、發現新的創新機會以及改進流程方面發揮了重要作用。他強調，這項技術使得公司能夠將長達10個月的運營流程分析壓縮至短短兩分鐘內，極大地提高了決策效率。

企業應該如何應對？

企業需要在更長遠的數字轉型規劃的背景下考慮其工業元宇宙戰略。除非數字化已經相當成熟，否則企業無法輕易地跨越到完全的工業元宇宙實施。

每家企業都有自身的發展訴求和不同的發展階段，因此不同企業所適用的發展戰略是不一樣的。基于多年服務企業的實踐，理特建議企業管理層可以先從以下三個步驟考慮自身的數字化戰略、工業元宇宙規劃等長期議題：

一是，重新審視企業目前的數字化戰略、歷程和定位。企業需要為其整個數字化規劃設置明確的愿景和路徑。了解現階段企業在數字化進程中的位置有助于確定：

• 在開始工業元宇宙開發之前，在數字化基礎方面還需要做些什么（例如數據可用性和基礎設備）？

• 接下來應保持怎樣的步調更符合實際？

• 與數字化進程的后續進展保持方向一致的可行目標是什么？

二是，發現增值機會并制定路線圖。在已有眾多應用程序和用例的情況下，公司在制定路線圖時應考慮：

• 哪些潛在的應用程序和應用案例會增加最大的價值？工業元宇宙的最初應用可能是可操作性的，目標是隨著時間的推移擴展到更具戰略意義的應用。

• 今天在技術上已經可行的是什么，而與之對應，未來幾年最具潛力的又是什么？正如我們所看到的，盡管目前有許多可行的機會，但大規模復雜工業系統模擬仍有一段路要走。

• 在五年以上的規劃中，企業工業元宇宙應用程序的愿景和目標是什么？未來的規模很大程度上取決于公司已經承諾的數字化轉型規模。

在制定路線圖時，公司應該避免在一開始就采取過于強勢的詳細建模，以免禁錮初期的進展。除了用例本身，路線圖還應該考慮需要哪些新流程來訪問、更新、分析、解釋和處理所需的數據。

三是，實施試點，采用測試和學習方法，主動管理變化。一種靈活且反應迅速的測試和學習方法將是最有效的。這意味著從小項目開始，選擇容易復制、回報時間相對較短、不需要外部利益相關者廣泛參與的初始試點項目。對人員的的管理是關鍵，例如，新的角色和技能需要在很長一段時間內得到企業的支持。

理特咨詢曾在服務一家國際領先的軌道交通運輸企業的過程中發現，企業可以按照常規思路制定自身的數字化戰略和工業元宇宙規劃，也可以在內部變革阻力較大的情況下，縮小變革范圍，以試點為切入口，驗證思路和方向。

由于工業元宇宙的價值不僅通過內部運營實現，還通過合作伙伴生態系統實現。這就需要與商業合作伙伴共享比之前多得多的數據，這需要企業接受一種新的思維方式和文化。在過往的項目實施過程中，理特咨詢發現相對于長期性的戰略規劃，企業主通常面臨一些短期的挑戰，這些挑戰可能是心理上的、預期上的風險，很可能會拖累企業的數字化轉型進程，讓企業主躊躇不前。

企業應該清楚地向合作伙伴展示互惠互利的好處：例如更快的客戶響應、更少的營運資金、更順暢的客戶或供應商接口以及更好地管理可持續影響。數據管理標準以及足夠的數據安全也是關鍵。

可是信任是貴的貨幣，如何能夠有效的促進合作伙伴之間的數據共享呢？理特咨詢結合相關的項目經驗，給出以下10大建議，它不能解決所有問題，但一定可以促進數據的共享：

• 建立統一的數據標準：合作伙伴之間需要建立統一的數據格式和標準，以確保數據的互操作性和一致性。這可以通過制定行業標準或采用通用的數據交換格式來實現。

• 使用區塊鏈技術：區塊鏈提供了一個去中心化的數據存儲和驗證機制，可以確保數據的安全性和不可篡改性。這有助于建立合作伙伴間的信任，并促進數據的共享。

• 構建安全的網絡架構：工業元宇宙需要一個強大的網絡安全架構來保護數據傳輸和存儲。這可能包括使用加密技術、虛擬專用網絡（VPN）和防火墻等。

• 開發協作平臺：利用工業元宇宙中的虛擬空間，合作伙伴可以共同開發和使用協作平臺，如虛擬現實（VR）和增強現實（AR）應用，這些平臺可以提供直觀的協作環境。

• 實施數據訪問控制：通過實施嚴格的數據訪問控制和權限管理，可以確保只有授權的合作伙伴能夠訪問特定的數據集，從而保護數據隱私和安全。

• 采用云技術：云技術提供了可擴展和靈活的數據存儲解決方案，合作伙伴可以通過云服務共享數據，同時保持數據的實時更新和同步。

• 使用APIs和集成工具：通過應用程序編程接口（APIs）和集成工具，實現不同系統和平臺之間的無縫數據交換。

• 增強數據可視化：通過高級的數據可視化工具，合作伙伴可以更直觀地理解數據，這有助于促進跨組織的數據共享和討論。

• 建立信任機制：在合作伙伴之間建立信任機制，如通過第三方審計和合規性檢查，可以增加合作伙伴共享數據的信心。

• 持續的溝通和教育：持續的溝通和教育可以幫助合作伙伴了解數據共享的好處、最佳實踐和潛在風險，從而促進更廣泛的數據共享。

通過這些方法，工業元宇宙可以為合作伙伴提供一個安全、可靠且高效的環境，以實現數據的共享和協作，從而推動整個生態系統的創新和增長。

【感謝理特咨詢全球合伙人于鑫磊對此文翻譯和編輯所做的貢獻】