2025年工业元宇宙的关键技术、应用场景与前景展望.pdfVIP

丹青不知老将至，贫贱于我如浮云。——杜甫

工业元宇宙的关键技术、应用场景与前景展望

2025年以来，“元宇宙”概念迅速升温，相关炒作与前瞻

性探索不断涌现。在数字经济向虚实结合形态发展之际，结

合工业企业数字化转型需求，工业元宇宙正成为行业探索与

实践的热点。其中，数字孪生、物联网、数字设计与仿真、

增强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/MR）等前沿技术正不

断发展，创造新的应用场景与用例，丰富工业元宇宙的内涵，

有望为实体行业的生产与运作创造价值。

一、工业元宇宙的关键技术

工业元宇宙的实现路径可视为数字孪生技术与交互技

术的结合。数字孪生技术概念起源于美国密歇根大学教授迈

克尔格·里弗斯在2002年提出的“产品生命周期管理”概念。

格里弗斯认为，通过物理设备的数据，可以在虚拟信息空间

构建一个表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联

系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系

在一起。在数字孪生技术的基础上，加以AR/VR/MR等技术，

有望实现真实世界与虚拟信息空间的结合。

在工业元宇宙业态迅猛发展的背后，若干关键技术正起

到积极支撑作用。

（一）高速网络与算力基础设施

高速传输网络和算力基础设施是工业元宇宙的基础设

不飞则已，一飞冲天；不鸣则已，一鸣惊人。——《韩非子》

施。工业元宇宙中将有大量数据的产生与流动，同时人工智

能系统、图像处理系统都对计算机硬件有着较一定要求。在

通信方面，低时延、广接入、高带宽的5G/6G技术和光纤网

络等技术可保障数据的互联互通；在计算方面，高性能计算

机、边缘计算设备和数据中心，将满足数据的处理和存储需

求。

（二）工业控制系统

工业控制系统可实现工业生产、数据采集与过程控制自

动化，其组成部分一般包括传感器、信息处理系统与执行装

置，可以通过采集工业现场的数据，将测量数据与目标值进

行比较，实现状态监测、过程控制、异动报警等功能。较大

型的工业控制系统一般会用数据采集与监控系统（SCADA）

来实现，或是由分散式控制系统（DCS）及可编程逻辑控制

器（PLC）来实现。在监控端，工作人员一般使用组态软件

实现信息读取和控制功能。工业控制系统目前广泛用于化工

产业、制造业、发电厂、石油天然气提炼，以及电信业。

（三）计算机辅助设计与仿真

计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助工程分析（CAE）

技术已广泛用于工程设计领域。CAD负责设计产品，CAE负

责验证产品性能。现有的CAD技术已经从二维平面图纸、三

维图形设计发展到能够对产品的材料与结构进行设计。设计

人员可以创建包括外形、结构、功能和材质的完整虚拟模型。

以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。——《管子》

CAE以三维建模为基础，通过模拟产品结构、物理特性、运

动学、动力学等方面的工作状态和表现，为产品功能、性能

的可用性和可靠性提供依据，进而实现产品设计的优化。

结合人工智能与数字样机技术，计算机仿真技术已能模

拟分析机器人、汽车以及生产线等较为复杂的产品、系统与

环境。例如，英伟达公司在2023年美国拉斯维加斯消费电

子展（CES）上推出了IsaacSim机器人模拟训练平台的2022.2

版本。该平台基于英伟达的Omniverse工业元宇宙平台，是

一款机器人模拟和合成数据生成（SDG）工具