工业元宇宙：下一次数字革命的全球清单

### 生产力 +20%，二氧化碳 -50%：工业元宇宙如今已经展现出这些令人难以置信的数字 ### 不仅仅是一个流行词：工业元宇宙的 7 个特性使其成为下一个大热门 ### 计算机中的工厂：工业元宇宙如何运作，NVIDIA 和微软最大的赌注 ### 工业 4.0 之后是：为什么工业元宇宙正在创造未来最抢手的工作 ###

一对一：现实世界如何获得完美的数字副本 – 以及这对我们所有人意味着什么

工业数字化正处于下一个变革阶段的风口浪尖。继第四次工业革命（即工业4.0）之后，一个全新的阶段正在兴起：工业元宇宙（IMV）。这一概念远远超越了以往的思路，旨在将物理世界和虚拟世界完全融合，形成一个单一、持久且互动的生态系统。这并非一项单一、孤立的技术，而是众多成熟技术和新兴技术的深度融合，这些技术的结合将创造出一种超越其各部分简单相加的新兴能力。

消费者元宇宙通常充满推测性和娱乐导向，旨在为社交互动、游戏和商业创造虚拟世界。相比之下，工业元宇宙则扎根于现实。其主要目标是解决具体的现实问题，并创造切实的经济和社会效益。它是一种正在开发的工具，旨在更好地理解、控制和优化复杂的工业系统 – 从单个机器到整个工厂，再到全球供应链 – 其发展的驱动力并非虚构，而是提高效率、加速创新和更可持续运营的商业需求。

本报告对工业元宇宙的全球发展现状进行了全面的评估。报告首先对这一概念进行了详尽的定义和描述，以便读者清晰地理解。随后，报告分析了实现这一新范式的技术基础。通过对全球市场、投资趋势以及领先科技公司战略的深入分析，本报告揭示了其经济动态。报告运用来自关键行业的具体用例和案例研究，重点介绍了已实现的潜力和可衡量的成果。报告量化了从生产力提升到可持续发展贡献等各种益处，同时也没有掩盖在广泛应用道路上必须克服的重大挑战。最后，报告展望了未来，其中，生成式人工智能将成为工业元宇宙下一阶段发展的催化剂。

工业元宇宙的基本原理：定义和划界

要充分把握工业元宇宙的变革潜力，必须对其下准确的定义，并清晰地区分相关概念。工业元宇宙不仅仅是一个技术术语；它代表着工业与数字世界互动方式的根本性转变。

全面的定义

工业元宇宙的核心是沉浸式虚拟空间，用于工业应用，旨在彻底改变研发、生产、物流和供应链管理。它是一个虚拟世界，是真实机器、工厂、建筑、城市和交通系统的镜像 – 一个与物理现实永久连接的“永远在线”的宇宙。

可以根据弗劳恩霍夫集团为元宇宙制定的七个特征来制定结构化定义，这些特征尤其适用于 IMV：

• 虚拟与增强现实世界的结合：IMV 不是由孤立的系统组成，而是一个相互连接并与物理现实相连的虚拟世界网络。
• 社交媒体：这是一个以化身为代表的人们可以互动、交流和合作以共同解决现实世界问题的空间。
• 持久性：IMV 持续存在，无论单个用户是否活跃。
• 集成系统：它捆绑并使用多种技术，包括增强现实 (XR)、人工智能 (AI)、物联网 (IoT) 和区块链，其中开放标准和互操作性至关重要。
• 捕捉真实环境：核心功能是持续捕捉真实世界的条件和数据，以保持虚拟模型的最新和准确。
• 多模式参与：用户可以采用不同的方式和不同的强度参与 IMV，无论是通过台式电脑、平板电脑，还是完全沉浸于 VR 眼镜。
• 与现实世界紧密结合：这是关键特征，信息、动作、交互在虚拟环境和现实环境之间双向交换，相互影响。

此外，IMV 可以被理解为“复杂系统的网络化、整体化数字孪生”。这一视角强调了它作为一种工具的功能，它使决策者不仅能够了解过去，还能通过模拟预测未来，从而做出更明智的战略决策。根本的范式转变在于从工业 4.0 特有的纯数据分析转向数据驱动的实时交互。价值不再仅仅由后续的数据评估来创造，而是通过在物理上精确的模拟中与系统直接交互并立即体验决策后果的能力来创造。

关键区别

明确区分工业元宇宙与其他形式的元宇宙对于理解其独特的价值创造至关重要。

消费者与电商元宇宙主要面向终端消费者。其重点在于社交互动、娱乐、游戏以及虚拟购物体验的创造。价值创造基于数字商品（例如虚拟形象服饰或虚拟房产）的销售以及沉浸式体验的提供。这些世界通常是纯虚拟且自给自足的。

企业元宇宙专注于企业内部协作。一个突出的例子是埃森哲的“Nth Floor”平台，用于新员工入职和虚拟会议。其目标是在虚拟环境中改善办公、沟通和企业文化。

工业元宇宙在其目的和数据基础方面与两者有着根本的不同。它并非主要以人为中心，而是以实物资产和产品为中心（“以资产/产品为中心”）。输入工业元宇宙的数据直接来自真实的机器、流程和系统。其首要目标是优化物理世界 – 提高实际生产和价值链的效率、生产力、质量和可持续性。其核心特征是与物理现实的持续双向连接。在数字孪生中模拟和验证的变化会在真实工厂中实施；来自真实工厂的数据实时回流并更新数字孪生。它并非一种逃避现实的手段，而是掌握物理现实的有力工具。

工业4.0的发展

工业元宇宙并非一场突如其来的革命，而是工业 4.0 原则的逻辑演进。工业 4.0 以信息物理系统（即通过物联网将机器和系统联网）的引入奠定了基础，并为 Catena-X 或 Manufacturing-X 等数据空间奠定了基础，从而实现了跨公司数据交换。

IMV 在此基础上构建，并在两个关键维度上进行了扩展。首先，它以一种全新、直观的方式将人融入数据空间。工业 4.0 通常将人视为仪表板的操作员或观察者，而 IMV 则通过 VR 和 AR 等沉浸式界面，实现了与机器数据和数字表示的直接空间交互。其次，IMV 将重点从单个组件的优化扩展到整个系统的优化。工业 4.0 中的数字孪生通常代表单台机器或一条生产线，而 IMV 的目标是“全系统数字孪生”。这涵盖了整个价值链，包括上下游流程、供应商、客户，甚至外部环境影响。这种视野的拓展将数字仿真从纯粹的运营层面提升到战略决策层面，并能够对整个工业生态系统的复杂交互进行建模和控制。

技术融合：工业元宇宙的基石

工业元宇宙并非源于某项突破性的发明，而是一系列强大技术的协同融合。许多技术已经存在多年，但正是这些技术的深度无缝集成，才创造了工业元宇宙特有的新兴能力：在虚拟环境中实时镜像、模拟和控制复杂的现实世界系统的能力。

数字孪生作为核心

工业元宇宙的核心和基础是数字孪生。它远不止是一个静态的3D模型。现代数字孪生是一个动态的、基于物理的仿真模型，其行为与现实世界中的对应物完全相同，并能实时响应数据和不断变化的条件。其发展正从简单的数字复制品发展到高度复杂、逼真且物理精确的模拟。西门子和NVIDIA等行业领导者之间的合作正在推动这一发展，目标是创造出不仅外观与现实世界中的对应物相似，而且在各个方面都具有完全相同物理行为的交互式孪生。这些高精度的孪生可以作为模拟、实时交互的持久虚拟环境，并作为现实世界和数字世界之间的接口。

人工智能和机器学习

如果说数字孪生是心脏，那么人工智能 (AI) 就是驱动工业元宇宙的引擎。人工智能和机器学习 (ML) 对于处理现实世界中物联网传感器生成的海量数据并将其转化为有价值的洞察至关重要。人工智能算法可以分析这些数据流、识别模式并发现异常，从而实现forward-looking维护等应用，在机器发生代价高昂的故障之前预测其维护需求。基于人工智能的仿真可以通过快速测试数千种设计方案来支持工程师设计和优化新产品。生成式人工智能发挥着尤为重要的变革作用。它实现了与数字孪生的全新交互形式，例如通过自然语言，正如西门子与微软合作的工业辅助驾驶系统 (Industrial CoPilot) 所展示的那样。此外，生成式人工智能可以根据重量、稳定性和材料消耗等预定义参数生成优化设计，从而加速设计流程本身。

沉浸式技术（XR）

扩展现实 (XR) – 虚拟现实 (VR)、增强现实 (AR) 和混合现实 (MR) 的统称 – 构成了人类与工业元宇宙之间的关键接口。这些技术使 IMV 的复杂数据和模拟对人类而言变得切实可行且直观。

虚拟现实（VR）

虚拟现实 (VR) 能够创造完全沉浸式的计算机生成环境。在工业领域，VR 用于逼真的培训场景，员工可以在安全的虚拟环境中练习复杂或危险的任务，而无需阻挡真实机器或将自身置于危险之中。

增强现实（AR）

将数字信息与现实世界叠加。例如，佩戴 AR 眼镜的技术人员可以将维护说明、电路图或实时传感器数据直接投射到他们当前正在操作的机器上，并进入他们的视野。这实现了解放双手的工作，并显著降低了错误率。

连通性的基础

为了使现实世界和虚拟世界之间的双向连接顺利进行，需要坚实的连接技术基础。

物联网 (IoT) 构成了数字孪生的感知层。机器、产品和物流链中无数的传感器持续收集温度、压力、振动或位置等物理数据。执行器则将数字指令转换为物理动作。这些物联网设备提供持续的数据流，确保数字孪生保持“活跃”并保持最新状态。

5G移动通信标准以及未来的6G等高性能网络是IMV的神经通路。它们确保物联网设备、边缘和云服务器以及用户的XR设备之间快速、可靠且低延迟的数据传输。只有极低的延迟才能实现沉浸式的实时交互。

云计算和边缘计算提供了复杂模拟、人工智能模型和渲染虚拟世界所需的强大计算能力。云计算可以存储海量数据并进行全局分析，而边缘计算则能够直接在机器上进行数据处理，这对于时间关键型应用和极低延迟至关重要。

通过软件定义自动化实现安全性和信任

只有当虚拟世界中获得的洞察和优化能够快速可靠地反馈到现实世界时，工业元宇宙的真正价值才能得以展现。软件定义自动化正是为此而生，它充当着数字仿真与物理执行之间的关键桥梁。其中的关键要素是虚拟可编程逻辑控制器 (PLC)。传统上，PLC 是工厂的“大脑” – 是控制单个机器或流程的物理盒子。PLC 的虚拟化使其能够通过软件更新进行集中管理和更新。因此，只需点击几下，在数字孪生中验证的流程优化即可推广到整个真实工厂。

在这个互联互通的系统中，网络安全和信任至关重要。保护关键工业数据和流程免受未经授权的访问是一项基本要求。区块链和分布式账本技术 (DLT) 等技术可以发挥重要作用，实现防篡改、透明且可追溯的交易，例如用于记录供应链或保护知识产权。

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全球市场概况和经济动态

工业元宇宙已从一个空想概念演变为一个充满活力且快速增长的全球市场。关键行业的投资不断增加和采用率高企，标志着制造业正朝着沉浸式、数据驱动的制造和商业模式发生深刻转变。清晰的战略驱动力和快速发展的技术格局推动着这一经济势头。

市场规模和增长预测

对全球工业元宇宙市场的评估显示出强劲的发展势头和巨大的增长潜力。不同的分析师给出了不同的评估，但普遍持乐观态度。预计2024年的市场规模将在237.9亿美元至545.3亿美元之间。

对未来的预测更是令人印象深刻，凸显了IMV预期的变革力量。对2030年代初期的预测各不相同，但都表明该领域将呈现指数级增长。一些分析预测到2030年市场规模将达到1000亿美元，而另一些分析则预测到2032年将达到1837亿美元，甚至到2029年将达到2286亿美元。预计的复合年增长率（CAGR）始终在30%左右至50%以上之间。这些数据清楚地表明，IMV并非一项利基技术，而是未来十年的关键增长市场之一。

市场规模和增长预测 – 图片来源：Xpert.Digital

区域发展和采用率

工业元宇宙技术的采用是一个全球现象，但在实施速度和深度上存在显著的地区差异。标普全球和西门子于2024年进行的一项全球综合调查显示，全球81%的受访公司已积极参与工业元宇宙的建设，无论是通过实施、测试还是规划。

北美，尤其是美国，占据着领先地位。超过38%的公司已积极使用IMV技术，另有40%的公司正处于测试阶段。这种先锋地位不仅归功于其高度的技术亲和力，更重要的是归功于开发并提供IMV基础“操作系统”的领先平台提供商的强大影响力。这使得北美在2024年以33.21%的市场份额占据全球市场的主导地位。

亚洲，尤其是中国，紧随北美之后，对IMV解决方案的采用和测试也同样投入了高水平。预计亚太地区将迎来最高的增长率，这主要得益于韩国、中国和印度等国政府的激励计划。

以德国为首的欧洲也正在将自己定位为关键参与者。德国约三分之二的工业企业已在使用或测试ICT解决方案。德国的优势在于其深厚的工业基础及其在工业4.0领域的先锋地位，这为ICT用例的实施奠定了坚实的基础。加拿大、澳大利亚、英国和印度等其他地区也在稳步推进。

投资趋势

工业元宇宙的战略重要性体现在不断增加的投资上。标普和西门子的调查显示，支出显著增长：到2024年，全球62%的公司将增加对IMC技术的投资。

一个显著的趋势是中小企业的驱动作用。68%的中小企业正在以高于平均水平的速度增加投资。这表明，底层技术，尤其是通过云计算和“即服务”模式，正变得越来越普及且价格实惠，不再仅限于大型企业。

与此同时，大型企业正在做出巨额的财务投入。每年在IMV上投资超过1000万美元的企业比例较上一年翻了一番，达到30%。这些强劲的投资表明，IMV已超越实验阶段，并被视为未来竞争力的核心战略要素。

采用的战略驱动因素

这些重大投资的动机很复杂，但可以追溯到三个关键的战略驱动因素：

• 增长潜力（55%）：最重要的驱动力是开辟新的收入来源、开发创新的商业模式和扩大市场范围的期望。
• 促进创新（47%）：近一半的公司正在投资加速其创新流程。数字孪生和人工智能等技术使他们能够大幅缩短产品开发周期，并比竞争对手更快地测试解决方案。
• 改善客户支持（43%）：公司使用 IMV 来优化服务流程并改善客户互动，例如通过远程支持或虚拟产品演示。

此外，可持续性正日益成为决定性因素。虚拟模拟生产流程和整个供应链的能力使企业能够优化资源消耗，减少浪费，特别是降低碳足迹，从而带来生态效益和经济效益。

技术领袖的战略：工业元宇宙的构建者

工业元宇宙的发展主要由少数几家全球科技公司推动。这些公司正在构建基础平台、工具和生态系统，使工业企业能够实施自身的集成营销传播 (IMC) 解决方案。他们的战略并非千篇一律，而是相互补充，侧重于整体技术结构的不同层面。“平台战争”正在兴起，而“平台融合”正在兴起，其特点是战略合作伙伴关系和对互操作性的追求。

西门子：采用西门子 Xcelerator 的生态系统方法

西门子将自身定位为中央集成商，将其在自动化和工业领域的深厚专业知识与数字世界相结合。西门子的战略基于西门子Xcelerator，这是一个开放的数字业务平台。该平台并非一个封闭的系统，而是一个精心策划的市场，将西门子的全面产品组合与认证合作伙伴的解决方案相结合。其战略重点明确地在于开放性、打造强大的生态系统以及实现互操作性。

该战略的核心组成部分是与 NVIDIA 建立的开创性合作伙伴关系。通过将西门子 Xcelerator 与 NVIDIA Omniverse 平台连接起来，我们的目标是创建逼真、基于物理、可实时交互的数字孪生，将西门子精准的工程数据与 NVIDIA 强大的可视化和仿真引擎的优势完美结合。西门子已明确四大战略要点，为 IMV 铺平道路：互操作性、标准化、数据集成和生态系统构建。

NVIDIA：Omniverse 平台作为模拟引擎

NVIDIA 最初以其图形处理器 (GPU) 而闻名，如今已成为 IMV 基础计算和模拟基础设施的提供商。该战略的核心是 NVIDIA Omniverse 平台，这是一个用于创建 3D 应用程序的开发和协作环境。Omniverse 基于皮克斯开发的通用场景描述 (USD) 开放标准，旨在促进不同 3D 工具和应用程序之间的互操作性。

该平台能够创建物理精确、实时渲染且具有最高视觉质量的数字孪生。NVIDIA 的核心竞争力在于将高性能计算、先进的 AI 专业知识以及创建逼真可视化的能力相结合。Omniverse 被描述为“用于构建和操作物理逼真的数字孪生的操作系统”，并且越来越多地通过云服务（Omniverse Cloud）提供，以方便访问。NVIDIA 秉持开放的理念，将其平台与西门子、达索系统和 Autodesk 等众多行业合作伙伴的软件集成。

微软：整合云、边缘和沉浸式体验

微软的工业元宇宙战略建立在其成熟的 Azure 云生态系统基础之上。该战略旨在满足客户数字化转型的现状，并帮助他们开启分阶段的转型之旅。其核心支柱是通过无缝集成信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 数据来创建通用数据基础。这通过一系列 Azure 服务实现，例如 Azure IoT、Azure Synapse Analytics 和 Azure Digital Twins。

借助 Azure Arc，管理和控制从云端延伸到边缘，直接延伸到机器。IMV 的人机界面通过沉浸式体验创建。微软在此依赖于其领先的混合现实头显之一 HoloLens 2，以及 Microsoft Mesh，这是一个可在 Microsoft Teams 内直接实现协作式沉浸式会议的平台。该战略明确侧重于融入现有企业流程，并充分利用全球云基础设施的可扩展性。

达索系统：3DEXPERIENCE平台和“虚拟双胞胎体验”

达索系统 (DS) 凭借其在产品生命周期管理 (PLM) 和 3D 设计 (CAD) 软件领域数十年的领先地位。3DEXPERIENCE 平台是其战略的核心，定位为一个全面的业务和创新平台，是所有产品相关数据和流程的“单一事实来源”。

DS 正致力于通过从“数字孪生”过渡到更强大的“虚拟孪生体验”，使其产品更具差异化。这种方法不仅强调数字化呈现，还融合了基于科学的建模和仿真，从而在虚拟世界和现实世界之间形成闭环反馈。DS 的长期愿景是“3D UNIV+RSES”，旨在打造整个生态系统的“虚拟加现实”呈现。这些系统不仅可以用作模拟，还可以作为人工智能系统高度复杂的训练环境，同时保护客户的知识产权。

从竞争到协同：科技公司的新战略

从竞争到协同：科技公司的新战略 – 图片来源：Xpert.Digital

这项比较分析表明，技术领导者正在推行互补战略，专注于ICT生态系统中不同但同样重要的层面。这种专业化分工促进了紧密合作，并推动了可互操作、高性能的整体生态系统的发展，而不是陷入孤立、竞争的孤岛之中。

达索系统凭借其创新的 3DEXPERIENCE 平台，在数字化转型和产品开发领域处于领先地位。与西门子、NVIDIA 和微软等其他科技公司不同，达索系统奉行基于“虚拟孪生体验”的整体方法。

该平台专注于产品生命周期管理 (PLM)、3D 建模和基于科学的仿真。与西门子的开放式数字业务平台或 NVIDIA 的渲染和仿真引擎不同，达索系统将自己定位为企业的单一真实来源。

与NVIDIA以及其他行业和软件合作伙伴的战略合作，使公司能够不断扩展其技术解决方案。达索系统专注于设计、产品开发和仿真等应用和领域层面，是数字化转型领域的关键参与者。

重点行业的用例和转型

工业元宇宙的真正意义并非体现在理论上，而是体现在实际应用中。在众多关键行业中，工业模型 (IMV) 技术已被用于解决实际问题、转变流程并创造可衡量的价值。具体案例研究表明，从物理到虚拟的迭代循环转变如何带来成本、速度和质量的根本性提升。

制造业：未来的智能工厂

在制造业，虚拟现实 (IMV) 或许展现了其最全面的潜力。它能够在奠基之前就对整个工厂进行虚拟规划、仿真和调试。这能够优化物料流，识别瓶颈，避免错误，从而显著节省时间和成本。在生产过程中，生产流程将通过实时数据的数字孪生持续监控和优化。诸如由虚拟连接到机器的专家进行远程维护，或在 VR 环境中为员工提供沉浸式培训等应用正在成为新的标准。

案例研究：西门子南京“数字化原生工厂”

西门子位于中国南京的“数字化原生工厂”是实现这一愿景的一个杰出案例。该工厂从零开始采用数字化规划，并作为一家整体式“数字化企业”进行实施。该项目的核心是一个全面的数字孪生，它不仅涵盖生产设施，还涵盖建筑结构和所有物流流程。整个工厂布局在这个虚拟环境中进行了模拟和优化。员工可以使用VR头戴设备体验未来的工作场所，并为最终设计提供宝贵的反馈意见。这种数字化方法的成果令人印象深刻：产能提升了200%，生产率提高了20%。同时，在保持相同产量的情况下，空间需求减少了40%，无需投资建设第二条完整的生产线。此外，数字化空间的优化显著节省了能源和水的消耗，显著提高了工厂的可持续性。

汽车行业：从虚拟规划到敏捷生产

汽车行业以其高度复杂和快速的创新周期为特点，是应用虚拟现实的另一个先锋。其用例涵盖整个价值链，从协作车辆开发和虚拟原型设计到碰撞测试模拟、详细的生产线规划以及全球供应链优化。宝马等公司已经在使用 NVIDIA 的 Omniverse 平台进行虚拟工厂规划。

案例研究：雷诺集团

雷诺集团宣布，已建成汽车行业首个全面的工业元宇宙，以加速其数字化转型。在该系统中，雷诺所有生产线均已互联，所有供应链数据均托管于元宇宙并进行实时处理。工厂和整个供应链的数字孪生实现了持续监控和控制。“控制塔”整合所有相关信息，并可实时响应中断事件。预计到2025年，该元宇宙将带来显著的经济效益：雷诺预计将通过流程优化节省3.2亿欧元，通过降低库存水平节省2.6亿欧元，车辆交付时间缩短60%，制造过程中的碳足迹减少50%。

航空航天和国防：管理复杂性和安全性

在航空航天工业中，产品由数百万个独立部件组成，并遵循最高的安全标准，IMV 提供了决定性的优势。它支持高度复杂系统的协同开发、所有组件之间交互的模拟、在逼真的 VR 环境中对飞行员和宇航员进行训练，并通过 AR 指导为维护人员提供支持。

案例研究：空中客车

空中客车公司在广泛的应用中运用混合现实技术，尤其是微软 HoloLens 2。在制造过程中，数字化工作指令和 3D 图表直接投影到真实组件上。这不仅缩短了某些工序的三分之一生产时间，同时还提高了质量。在赫塔菲工厂的 A330 飞机复杂改装项目中，70% 的工单已使用混合现实技术进行。在设计过程中，工程师可以在沉浸式环境中虚拟验证其设计，从而将此步骤所需的时间缩短 80%。这些案例展示了混合现实如何帮助管理行业的巨大复杂性，同时提高效率和安全性。

能源和公用事业公司：可持续性和弹性模拟

对于能源行业而言，集成能源模型 (IMV) 是管理能源转型和确保弹性供应的关键工具。它能够创建复杂基础设施（例如电网、发电厂或整个城市供电系统）的数字孪生。在这些虚拟环境中，运营商可以实时监控能源消耗，发现效率低下的问题，并模拟各种场景 – 例如极端天气事件的影响或大量可再生能源并网。这有助于优化规划，提高电网稳定性，并进行有针对性的优化，以实现更可持续、更具弹性的能源供应。

医疗保健：精准、个性化和创新

IMV 还开辟了医疗保健领域的新视野，尤其是在医疗技术、诊断和治疗的交叉领域。它能够在昂贵的实体设备制造之前，在虚拟环境中开发、原型设计和评估基于人工智能的医疗技术。外科医生可以使用通过 CT 或 MRI 扫描创建的患者专属数字孪生模型，详细规划和练习高度复杂的手术。

案例研究：3D打印和数字孪生在手术中的应用

一个体现IMV在医疗保健领域原则的具体案例是将数字化患者模型与3D打印技术相结合。患者的图像数据被用于创建相关解剖结构的精确数字孪生。该3D模型随后可作为3D打印患者专用植入物、手术导板或用于手术规划的详细解剖模型的模板。例如，巴塞罗那SJD儿童医院使用肿瘤及其周围结构的高精度3D打印模型制定了一种微创手术策略，如果没有该模型，这种策略是不可能实现的，并且最终显著改善了患儿的预后。从数字化患者 – 到虚拟孪生，再到对现实世界产生决定性影响的实体3D打印模型 – 这一过程体现了工业元宇宙的核心理念。

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可量化的效益和附加值

工业元宇宙的实施并非最终目的，而是由其带来显著且可衡量的经济效益所驱动。这些效益并非孤立存在，而是形成一个相互促进、贯穿整个价值链的体系，最终实现竞争力的根本提升。

提高生产力和效率

显著提升效率和生产力的潜力是采用集成制造系统 (IMV) 的主要驱动力之一。通过虚拟仿真和优化生产流程、提高资源利用率以及通过forward-looking维护最大限度地减少计划外停机时间，企业可以显著提高整体设备效率 (OEE)。生产力提升通常达到两位数百分比。例如，西门子位于南京的“数字化原生工厂”实现了 20% 的生产力提升。这些提升源于优化的流程、通过更优质的培训提升员工素质以及数据驱动的实时决策。

持续降低成本和优化资源

工业元宇宙为各个业务领域提供了可持续降低成本的重要机会。一个关键杠杆是产品开发中对昂贵物理原型的需求大幅减少，因为这些原型已被虚拟原型取代。通过远程协作、虚拟调试和远程维护，差旅成本也显著降低。在仿真阶段进行早期错误检测，可避免实际生产中代价高昂的报废和返工。雷诺集团的案例研究展示了这一潜力的巨大潜力，仅流程优化一项就计划节省3.2亿欧元。这些成本的降低通常与更好的资源优化直接相关，从而提高经济效率和环境责任。

加速创新和上市时间

在虚拟环境中快速且经济高效地测试新创意、新产品和生产概念的能力，是决定性的竞争优势。虚拟化技术能够实现产品和生产开发的并行化，显著缩短传统上连续冗长的流程。企业可以更快地响应市场变化，并更快地将创新产品推向市场。西门子数控的案例，其上市时间显著缩短了200%，展现了该领域的变革潜力。

改善全球合作

在全球化经济中，工业元宇宙超越了物理距离和时区。遍布全球的工程师、设计师、生产规划人员甚至供应商团队，可以在一个共享的、持久的虚拟空间中，处理同一个数字孪生，如同身处同一房间。这不仅提高了协作效率，还促进了知识转移，打破了部门孤岛，并促成更全面、更明智的决策。

可持续性是关键优势

除了直接的经济效益外，IMV 正成为实现可持续发展 (ESG) 目标的关键工具。通过对能源和物料流进行详细的模拟，企业可以精确分析和优化其资源消耗、浪费和排放。虚拟产品开发减少了原型制造的材料消耗，而通过远程协作减少的差旅则直接有助于减少碳足迹。雷诺集团设定了雄心勃勃的目标，即利用 IMV 将其汽车生产的碳足迹减少 50%。IMV 从而能够协调经济与生态考量，实现更可持续的工业价值创造。

实施过程中的挑战

尽管工业元宇宙拥有巨大的潜力，且已取得显著成效，但其广泛应用之路仍充满挑战。这些挑战不仅关乎技术层面，还涉及组织、财务、法律和人力等方面。工业元宇宙的成功很大程度上取决于企业和社会如何成功解决这些复杂的社会技术问题。

技术障碍

47% 的公司认为，最大的技术挑战是缺乏互操作性和标准化。IMV 源于不同供应商的技术、平台和数据格式的融合。如果没有通用的开放标准，这些组件的无缝集成几乎不可能实现。专有的、孤立的解决方案阻碍了互联生态系统的构建，并极大地限制了 IMV 的潜力。元宇宙标准论坛 (Metaverse Standards Forum) 和开放通用场景描述联盟 (OpenUSD) 等倡议正在致力于制定此类标准，但这一过程复杂且耗时。

与此密切相关的是数据集成和质量的挑战。整合来自异构来源的数据，尤其是来自运营技术 (OT) 和信息技术 (IT) 的数据，是一项复杂的任务。数字孪生的准确性和价值直接取决于底层数据的质量、完整性和时效性。因此，确保数据库的稳健可靠是基本前提。

组织和财务方面

工业元宇宙的实施需要在硬件（例如XR设备、强大的服务器）、软件许可证和人员培训方面进行大量的初始投资。这些高昂的成本可能会构成重大障碍，尤其对于中小企业而言。

此外，不应低估实施的技术复杂性。仅仅购买单项技术是不够的；必须将它们集成到现有流程和IT环境中，并与总体业务目标保持一致。这需要清晰的战略、深入的技术理解，并且通常需要对组织结构和工作流程进行根本性的变革。

数据安全、数据保护和法律框架

工业元宇宙处理着大量高度敏感的企业数据，包括设计方案、生产数据和商业机密。因此，确保数据安全和网络安全对于防范工业间谍、破坏和其他网络攻击至关重要。

与此同时，公司运营的法律环境十分复杂。目前，尚无专门的“元宇宙法”。取而代之的是，现有的民法、数据保护法（例如《通用数据保护条例》（GDPR）、版权法和劳动法）必须适用于新的虚拟环境，这导致了相当大的法律不确定性。尤其对于在共享虚拟空间中开展全球运营的团队而言，适用国家法律的复杂问题尤为突出，例如在工作时间或共同决策方面。

人的因素：技能短缺和技能发展

ICT快速应用的最大障碍之一是缺乏合格的专业人员。44%的企业认为技能短缺是一大挑战。缺乏对人工智能、数字孪生、物联网和扩展现实（XR）等关键技术有深入理解的专家。这对未来的竞争力构成了严重威胁，尤其是在德国这样的工业化国家，那里的人口数字技能水平低于欧盟平均水平。

迫切需要从根本上实现培训和继续教育系统的现代化，并使其适应新的需求。数据分析、计算机科学以及VR/AR技术应用方面的技能必须得到广泛传授。企业必须投资于现有员工的再培训和技能提升，并创造新的、有吸引力的职位，以吸引和留住未来行业的人才。如果没有能够设计、操作和进一步开发这些复杂的社会技术系统的人才，工业元宇宙的全部潜力将无法得到充分发挥。

工业元宇宙的未来

工业元宇宙的发展才刚刚起步，但其方向清晰：它将从根本上改变产品的设计、制造和运营方式。未来的技术突破，尤其是人工智能领域的突破，将进一步加速这一变革，并带来一个更加互联互通、自主可控、可持续发展的工业生态系统。因此，企业现在就必须制定战略方针。

生成式人工智能作为催化剂的作用

生成式人工智能（GenAI）正在成为工业元宇宙最具变革性的力量之一。它的影响远远超出了单纯的数据分析，尤其影响着虚拟世界的互动和创造。

GenAI 将通过自然语言交互彻底革新 IMV 的用户体验。工程师或管理人员无需操作复杂的软件，只需用简单的语言表达他们的请求，例如：“模拟机器 X 故障对周产量的影响”。GenAI 充当着人类意图与复杂技术模拟之间的智能“翻译器”，从而让 IMV 强大工具的使用变得大众化。

此外，GenAI 将大幅加速虚拟内容的创建过程。它可以根据文本描述或 2D 草图创建逼真的 3D 模型，生成复杂的虚拟环境，或为组件提供优化的设计方案。IMV 基于物理的精准性与 GenAI 数据驱动的创造力相结合，有望大幅加速创新周期。

长期愿景：互联、自主、可持续的工业生态系统

工业元宇宙的长远愿景远不止于单个工厂的优化。它的目标是构建一个可互操作的全球数字孪生网络，映射整个价值链和生态系统。在这样一个联网系统中，不同公司的生产能力可以动态灵活地利用，以应对需求波动或增强供应链的韧性。

在这一未来愿景中，自主系统和人工智能代理将接管规划、控制和维护等日常任务，而人类工作者则专注于解决复杂问题、发挥创造力和制定战略决策。这可能会催生一种“工业产能数字市场”，由人工智能驱动的生产订单将被分配给网络中最合适、最可用的资源。届时，集成制造联盟 (IMC) 将不再仅仅是一个优化工具，而是“制造即服务”经济的操作系统，以实现最高水平的效率、韧性和可持续性。

对企业的行动建议：战略要务

为了在快速发展的格局中取得成功，并充分利用工业元宇宙带来的机遇，企业必须采取积极主动的战略方针。基于对技术领导者及其实施挑战的分析，可以得出四项关键战略要点，供企业参考：

• 促进互操作性：企业在技术决策中应始终关注开放标准和接口，避免采用专有、孤立的解决方案。与合作伙伴、供应商和客户无缝交换数据和模型的能力将成为决定性的竞争因素。
• 推动标准化：企业不应只是等待，而应积极参与标准的制定，例如加入元宇宙标准论坛等跨行业组织。这是确保未来标准符合自身需求的唯一途径。
• 理解数据集成的基础：任何IT集成项目都必须具备强大的企业级数据策略。这包括克服IT和OT之间的数据孤岛，并创建统一、高质量的数据基础。
• 以生态系统思维：没有哪家公司能够独自应对IMV的复杂性。与技术提供商、研究机构、客户甚至竞争对手建立战略合作伙伴关系，对于汇集知识、共担风险并共同开发创新解决方案至关重要。

那些接受这些要求并将工业元宇宙视为长期战略转型而非短期技术趋势的公司将能够塑造下一波工业数字化浪潮，并在全球竞争中持续确保其地位。

数字孪生与人工智能：产业创新的转折点

工业元宇宙标志着工业数字化转型的一个决定性转折点。它不再是遥不可及的未来愿景，而是一场已在进行的务实演进，它建立在工业4.0的基础之上，并对其进行了显著扩展。对全球发展现状的分析清晰地描绘出一幅图景：在所有主要工业化国家强劲的投资和高且稳步增长的采用率的推动下，工业元宇宙正在发展成为21世纪工业价值创造的核心范式。

工业元宇宙的核心理念 – 通过一个整体的、数据驱动的数字 – 将物理世界与虚拟世界完全融合，从而实现根本性的变革。其重点从纯粹的数据收集和分析转向沉浸式、交互式的实时复杂系统仿真与控制。这将带来可量化且相互促进的效益：生产力和效率的显著提升、成本的持续降低、创新周期的大幅加速以及全球协作的改善。此外，工业元宇宙通过优化资源和能源消耗，已被证明是实现可持续发展目标的关键工具。

西门子、NVIDIA、微软和达索系统等全球平台领导者正在推动这项技术的实施，他们的互补战略旨在创建一个开放、可互操作且协作的生态系统。未来不再是围绕封闭系统的竞争，而是网络化专业化分工的时代正在兴起。

然而，全面实现工业元宇宙的道路充满挑战。诸如缺乏互操作性和标准化、数据集成的复杂性、网络安全问题以及法律框架不明确等技术障碍必须克服。然而，最大的挑战或许在于人为因素：相关数字领域技术人才的严重短缺对竞争力构成了严重威胁，需要在培训和继续教育方面投入大量精力。

展望未来，生成性人工智能将成为关键的催化剂，推动与信息通信技术的互动民主化，并成倍扩展其功能。构建全球互联、自主且可持续的工业生态系统的长期愿景雄心勃勃，但其技术和战略基础正在今天奠定。

对于企业而言，工业元宇宙不再是一种选择，而是一种战略必需。那些现在就积极行动、投资开放技术和生态系统并构建必要能力的企业，不仅能够改变自身的商业模式，还能在塑造全球产业的未来方面发挥关键作用。

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