產業應用為元宇宙帶來新視角

雖然最近元宇宙（Metaverse）被熱炒，但一個同詞根的術語也值得被關注，即Metamodel（元模型）。這個詞匯在產業人中相對熟知。Metamodel已經存在數十年，并不是新東西，從字面上理解，它是指模型的模型，由Metamodel可以構建一個整合管理的系統。

什么意思呢？在產業中，我們經常會強調數據的重要性，但現實情況往往是給了你數據，你依然不知道如何去操作和改進。比如一個人炒股，天天盯著股價看，仍舊不會投資。專業的投資人不只是看股價波動，還要了解企業的基本情況，比如發生了什么新聞，有沒有并購事件，推出了什么新產品。這些還不夠，投資人還會看行業趨勢，整體的發展方向，這個公司的上下游產業鏈等很多信息。還有些投資人會參與企業管理，為企業發展提供幫助，讓企業變得更好。所以炒股不能只盯著數據看，還要了解股票背后的企業，并為企業的發展助力。這就是從數據（Data）到模型（Model），再到元模型（Metamodel）的思維邏輯。

說回與Metamodel同詞根的Metaverse元宇宙，如果元宇宙在各行各業落地應用，需要滿足多種條件才能成為產業元宇宙（見圖1.3）。

第一是產業元宇宙的縱深更大，不僅要做到了解、控制，更要實現管理。

怎么區分控制和管理？比如一臺風機，我們調整它的狀態，使它實現最大風能捕獲，這是控制。如果我們做到它的健康衰退評估，將這些知識與風機的結構設計、控制邏輯相關聯，使它能夠在不同健康模式下都能保持最佳的狀態，這是管理。

第二是消費元宇宙不一定有目的，但是產業元宇宙需要很強的目的性。

互聯網、大數據、人工智能……應用這些技術不是目的，工業領域往往有很強的目的性。目的并不是解決可見的技術問題，目的是在不可見空間內發現問題、解決問題和獲取價值。

明確目的可以更好地做決策。工業領域的目的性很強，每個目的背后都有痛點問題。數據不能標準化是痛點，質量需要提升是痛點，數據量太大是痛點，資源浪費是痛點……從每個痛點向前溯源，人、機、料、法、環，直到分析出痛點的來源，再分析哪些是可以數字化的，哪些是不可以數字化的，從而形成數字化轉型的目的。這是一個系統性的工程，從痛點（Pain）到目的（Purpose）。

第三是產業元宇宙的價值在于，不僅要解決顯性的問題，更要解決隱性的問題。

為了解決“可見”的問題，很多企業開展了工業互聯網項目，引進傳感器、邊緣計算設備，強調要探索數字孿生，這些都是慣常的做法，但是卻往往忽略了一些根本性的問題。

因此工程師們提出CPS（Cyber-Physical System）和數字孿生，來解決這些問題。從字面翻譯，CPS是網絡實體系統或虛實整合系統，也稱賽博系統。那么，有哪些問題和挑戰是以往解決不了的？是那些工業系統中還沒有被充分認知的“不可見”問題，比如，制造過程中的設備異常信息，包括抖動、干擾、失真、老化及人為操作不規范導致的誤差累積等情況。如果CPS、數字孿生僅僅被用來解決可見的問題，很容易被誤解和誤用，就無法體現出國家提出的“降本增效”這一理念。

怎么被誤用的？就像照鏡子。鏡子可以反映出來這個人美不美，衣服有沒有穿對。企業也用數字孿生來照鏡子，反映設備的運行情況，僅僅能滿足可見范圍內的信息。但實際上數字孿生并不僅僅是鏡子，它的能力在于建造了數字孿生體，能夠像中醫醫生一樣發現不可見的問題，與他們的“望、聞、問、切”很相似，CPS需要依賴于大數據經過專家系統所訓練出的一種“診斷”機制，這和人工智能領域中的機器學習、深度學習有著千絲萬縷的聯系。合理利用CPS可以有助于工業領域的相關企業實現真正的數字化轉型，諸如，工廠的任務排產、貨物的堆放、AGV小車的路徑規劃、對資產生命周期管理等方面進行的優化決策。

CPS中最主要的兩個部件，分別為“物理建模”+“數據匯聚”，這也符合如今元宇宙的基本要素。工業領域的工藝設計人員通過CAD（計算機輔助設計）軟件、CAM（計算機輔助制造）系統生成3D模型，同時還有很多軟件支持虛擬裝配，可以在軟件中實現零部件結構上的動畫仿真，如Solidworks或Autodesk Inventor。機器人可以直接獲取由CAM生成的NC文件，進行動作執行，也可以將NC文件發送給數控機床進行生產制造。當有了這些模型和工藝執行程序之后，我們可以將其導入一些虛擬投產（虛擬調試）的軟件中，如用西門子的NX系統進行設備間的仿真。與設備間的通信，如今也非常便利，隨著德國工業互聯網和工業4.0的大力推廣，諸如OPCUA這類標準化工業接口，可以在很多虛擬調試軟件中集成，從高效普及的FactoryIO軟件到西門子全系列軟件都做到了完美兼容。實際的操作人員只需要鏈接OPCUA的訂閱地址，勾選所需的數據節點就可以輕松獲取數據，并可以與數據進行讀寫交互，這樣一來就實現了模型與設備數據的完美對接。這里，一個基本型的賽博系統雛形已經實現。

第四是產業元宇宙需要基于CPSS（社會物理信息系統）構建操作系統。

其實操作系統并不是科技領域的獨創，人類自古以來就建立了自己的操作系統，并且隨著技術的進步，操作系統的含義也在不斷演進。什么是人類的操作系統？法律、規則、宗教，這些操作系統中的指令通過人與人之間組成的社會關系，層層分發，層層下達。什么是PC和移動互聯網時代的操作系統？Windows、Linux、安卓、iOS，這些操作系統調度的是PC或者手機中的計算和存儲資源。

那么，產業元宇宙的操作系統如何構建？這個操作系統需要調度空間、物體、多種數字身份，并且融入經濟規則、市場和交易。比如在工業場景中，產業元宇宙的操作系統需要調度的是人、機、料、法、環，連接虛擬世界和物理世界，并構成經濟閉環，因此它很可能將融合人類操作系統與PC時代操作系統的兩種形態。

構建產業元宇宙的操作系統，前提是理解CPS。只有看懂CPS才能真正撬動產業元宇宙的萬億級市場。CPS通過構筑信息空間與物理空間數據交互的閉環通道，能夠實現數字世界與物理實體之間的交互聯動。數字孿生為實現CPS提供了清晰的思路、方法及實施途徑。

數字孿生的重點在于機理模型，CPS的重點在于數學模型，兩個模型綜合應用產生新的產品、新的模式和新的業態。CPS將整個物理世界的規則進行建模、預測、優化和管理，CPS不僅是“橋梁”“總線”，或者“系統”，它的精髓在于對數字世界的營造。CPS更為本質的意義在于，它是智聯網互聯與改造整個物理世界的底層思維基礎。如同互聯網改變了人與人、人與數字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的智聯網將改變人與物、物與物，乃至物理世界與數字世界的互動方式。

理解了CPS，我們就容易過渡到CPSS（Cyber-Physical-Social System），即社會物理信息系統。CPSS是在信息物理系統的基礎上，進一步納入社會信息、虛擬空間的人工系統信息，將研究范圍擴展到社會網絡的系統，它包含了將來無處不在的嵌入式環境感知、人員組織行為動力學分析、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能，注重人腦資源、計算資源與物理資源的緊密結合與協調。它通過智能化的人機交互方式實現人員組織和物理實體系統的有機結合，使得人員組織通過網絡化空間以可靠的、實時的、安全的、協作的方式操控物理實體。