工业元宇宙和数字孪生技术和应用

作者：Curt Schwaderer，Brandon Lewis，Doug Migliori

Gartner将元界定义为“由虚拟增强的物理和数字现实融合而成的集体虚拟开放空间。它在物理上是持久的，并提供增强的沉浸式体验。IDC将元宇宙定义为当今互联网的演变，它利用移动设备、增强现实和虚拟现实耳机以及下一代网络来创建具有强烈存在感的持续和持续的用户体验。

两者都不准确。然而，两者都没有准确地描绘出元宇宙的深度、规模和潜力，超越了它目前的、新生的形式，也没有描绘出它的价值超越了基本的人类娱乐，作为解决世界上一些最紧迫、最复杂问题的方法。

事实上，元宇宙代表了一个巨大的范式转变，有望重新定义我们如何通过技术解决问题。应用其概念的最早和最大的机会在于行业，领先的组织已经在利用元宇宙的构建块 - 无论他们是否知道 - 在数字孪生体的部署中，有朝一日将形成构成整个虚拟世界的系统系统。

这是涵盖工业元宇宙和数字孪生技术、应用、当前行业活动和标准潜力的系列文章中的第一篇。我们鼓励您关注本系列，发表评论并提出问题。参与和协作至关重要，因为我们踏上了可能是技术史上最重要的转折点。

变革的当务之急

人类已经走过了漫长的道路。自互联网发明以来，我们的全球社会取得了巨大的经济和社会进步。我们可以通过单击按钮从字面上了解任何内容。我们可以为每平方英亩更多的人提供食物，治愈更多的疾病，在一天内环游世界，并与世界上任何地方的任何人从我们的家中进行交流。

与这些令人印象深刻的进步形成鲜明对比的是，人们意识到发生了多少浪费。IBM全球商业服务公司2010年的一份执行报告指出，全球超过50%的食品供应从未提供给消费者。每年使用的所有水的35%因农业管理不善而浪费。每年产生的电力中有25%从未被消耗掉。仅在美国，道路拥堵和糟糕的基础设施布线问题每年就浪费了足够的原油，足以满足德国和荷兰两年的全部需求。

到目前为止，给定领域（例如基础设施）的进步是在自己的上下文中设计，部署和推进每个系统的结果 - 几乎没有考虑该系统作为我们全球社会的一部分如何相互作用。今天的挑战——充足的食物、清洁水供应、能源短缺、气候变化——无法通过同样的孤立方法来解决。这些挑战受到许多系统和行业的影响，需要在单个系统内进行多项改进。

新的思维方式对于解决这些挑战至关重要。

系统系统方法

IBM的报告将我们的世界视为一个复杂的“系统系统”，每个系统都以各种方式与其他系统进行交互。总的来说，这个系统系统构成了我们国内生产总值（GDP）的100%。

IBM的报告得出结论，这些系统不仅仅是相互关联的，它们彼此高度依赖。效率低下不仅在于每个系统，还在于这些系统的相互关系。

多年来，我们一直在提高效率并清除系统中的废物。然而，当在一个系统内确定目标和目的时，它可能导致其他相关系统内的效率降低到浪费总体净增加的程度。

例如，如果两家非竞争制造商在美国彼此靠近，并且各自优化了自己的物流系统以将产品运往海外，则交付这些产品的运输系统可能会以未使用的容量运行次优。

如果这些跨域物流系统能够连接和共享信息，它们就可以共享相同的运输服务，以提高整体产能利用率，从而减少燃料消耗、污染和交通拥堵，同时降低自己的运输成本——这对所有利益相关者来说都是一个积极的结果。

挑战不仅仅是技术或后勤方面的。这个例子表明，我们最大的挑战是克服我们运营的当前思维方式。我们的计划是在我们的领域内以最高效率实现短期目标，而不考虑更大的后果。

我们今天面临的挑战不能通过继续在企业或系统级别进行优化来解决 - 只有通过对所有系统进行全面，协调和持续的努力才能解决。

利用元宇宙

元宇宙代表了通过采用系统中的系统方法来解决复杂问题的机会。从全球角度来看，Metaverse中每个系统的目标都可以与提高整体效率和可负担性以及减少浪费相关联。单个系统内的积极或消极变化与对系统系统的整体影响相平衡。

这是我们解决受许多相关系统影响的复杂问题的唯一方法。

本系列重点介绍元宇宙的工业和经济方面，以及使用元宇宙和数字孪生技术如何帮助建模和完善系统，评估对其他系统的相关影响，并预测对全球系统系统的整体影响。

当然，实现这一目标的唯一方法是，这些系统能够在域内和跨域相互操作。

系统互操作性的七大原则

幸运的是，组织已经开始朝着这些目标努力。例如，数字孪生体联盟采用了系统级系统的方法，并通过基于以下关键概念定义“系统互操作性框架”奠定了重要的基础：

以系统为中心的设计。将产品和应用程序设计为系统类型，简化了它们实时连接和交互以形成动态系统系统的能力。

普通元模型。当所有系统共享一个通用的元模型来封装功能、目的和接口时，它们就变得本质上是可互操作的。

整体信息流。用于整体理解和最佳决策的信息可以跨多个领域产生，并且必须共享和理解。

有状态交互。每个系统的状态表示信息，状态的变化反映在系统之间交换的信息中。

联合存储库。信息必须持久化，并在需要时复制，以便做出最佳决策，而不能局限于集中式存储库。

可操作信息。共享信息必须符合上下文、可信、有弹性且经过读取优化，以便对系统之间的状态变化做出及时和适当的反应。

可扩展的机制。嵌入在每个系统中的通用互操作性机制必须设计简单，才能从两个系统之间的单个连接和交互扩展到复杂的全球生态系统中分布式、自主和异构系统的动态联盟。

该框架的一个关键目标是帮助统一高价值、多供应商服务的新兴生态系统，这些服务可以无缝插入到多维、可互操作的系统系统中。更具体地说，它为构建可互操作的数字孪生体的交互式生态系统奠定了基础。

要使这些全球体系中的所有利益相关者达成共识，首先要使用通用术语并就基本原则达成一致。这不是一项小任务，但联盟的系统互操作性框架代表了使系统之系统心态成为现实的分水岭时刻。

所有贡献者在元宇宙中理解和构建可互操作的双胞胎，将允许组成优化的协作系统，这些系统可以以积极的方式改变世界，而无需盲目地实现基于未经证实的假设的良好意图系统。

前所未有的机遇

展望未来，我们对成功的定义不能在系统组件的缩影中。我们都必须改变我们的思维方式——短期思维和孤立的优化不能决定我们的未来。对拟议的系统优化及其对其他系统的积极或消极影响的分析必须在我们心中根深蒂固。我们必须利用工业元宇宙和可互操作的数字孪生体，为最棘手的世界问题实现突破性的解决方案。

工业元宇宙代表了历史上最大的范式转变。采用者有机会推动我们的世界向前发展，否则最终面临灭绝的风险。

审核编辑：郭婷