产业应用为元宇宙带来新视角

虽然最近元宇宙（Metaverse）被热炒，但一个同词根的术语也值得被关注，即Metamodel（元模型）。这个词汇在产业人中相对熟知。Metamodel已经存在数十年，并不是新东西，从字面上理解，它是指模型的模型，由Metamodel可以构建一个整合管理的系统。

什么意思呢？在产业中，我们经常会强调数据的重要性，但现实情况往往是给了你数据，你依然不知道如何去操作和改进。比如一个人炒股，天天盯着股价看，仍旧不会投资。专业的投资人不只是看股价波动，还要了解企业的基本情况，比如发生了什么新闻，有没有并购事件，推出了什么新产品。这些还不够，投资人还会看行业趋势，整体的发展方向，这个公司的上下游产业链等很多信息。还有些投资人会参与企业管理，为企业发展提供帮助，让企业变得更好。所以炒股不能只盯着数据看，还要了解股票背后的企业，并为企业的发展助力。这就是从数据（Data）到模型（Model），再到元模型（Metamodel）的思维逻辑。

说回与Metamodel同词根的Metaverse元宇宙，如果元宇宙在各行各业落地应用，需要满足多种条件才能成为产业元宇宙（见图1.3）。

图1.3 从元宇宙到产业元宇宙

第一是产业元宇宙的纵深更大，不仅要做到了解、控制，更要实现管理。

怎么区分控制和管理？比如一台风机，我们调整它的状态，使它实现最大风能捕获，这是控制。如果我们做到它的健康衰退评估，将这些知识与风机的结构设计、控制逻辑相关联，使它能够在不同健康模式下都能保持最佳的状态，这是管理。

第二是消费元宇宙不一定有目的，但是产业元宇宙需要很强的目的性。

互联网、大数据、人工智能……应用这些技术不是目的，工业领域往往有很强的目的性。目的并不是解决可见的技术问题，目的是在不可见空间内发现问题、解决问题和获取价值。

明确目的可以更好地做决策。工业领域的目的性很强，每个目的背后都有痛点问题。数据不能标准化是痛点，质量需要提升是痛点，数据量太大是痛点，资源浪费是痛点……从每个痛点向前溯源，人、机、料、法、环，直到分析出痛点的来源，再分析哪些是可以数字化的，哪些是不可以数字化的，从而形成数字化转型的目的。这是一个系统性的工程，从痛点（Pain）到目的（Purpose）。

第三是产业元宇宙的价值在于，不仅要解决显性的问题，更要解决隐性的问题。

为了解决“可见”的问题，很多企业开展了工业互联网项目，引进传感器、边缘计算设备，强调要探索数字孪生，这些都是惯常的做法，但是却往往忽略了一些根本性的问题。

因此工程师们提出CPS（Cyber-Physical System）和数字孪生，来解决这些问题。从字面翻译，CPS是网络实体系统或虚实整合系统，也称赛博系统。那么，有哪些问题和挑战是以往解决不了的？是那些工业系统中还没有被充分认知的“不可见”问题，比如，制造过程中的设备异常信息，包括抖动、干扰、失真、老化及人为操作不规范导致的误差累积等情况。如果CPS、数字孪生仅仅被用来解决可见的问题，很容易被误解和误用，就无法体现出国家提出的“降本增效”这一理念。

怎么被误用的？就像照镜子。镜子可以反映出来这个人美不美，衣服有没有穿对。企业也用数字孪生来照镜子，反映设备的运行情况，仅仅能满足可见范围内的信息。但实际上数字孪生并不仅仅是镜子，它的能力在于建造了数字孪生体，能够像中医医生一样发现不可见的问题，与他们的“望、闻、问、切”很相似，CPS需要依赖于大数据经过专家系统所训练出的一种“诊断”机制，这和人工智能领域中的机器学习、深度学习有着千丝万缕的联系。合理利用CPS可以有助于工业领域的相关企业实现真正的数字化转型，诸如，工厂的任务排产、货物的堆放、AGV小车的路径规划、对资产生命周期管理等方面进行的优化决策。

CPS中最主要的两个部件，分别为“物理建模”+“数据汇聚”，这也符合如今元宇宙的基本要素。工业领域的工艺设计人员通过CAD（计算机辅助设计）软件、CAM（计算机辅助制造）系统生成3D模型，同时还有很多软件支持虚拟装配，可以在软件中实现零部件结构上的动画仿真，如Solidworks或Autodesk Inventor。机器人可以直接获取由CAM生成的NC文件，进行动作执行，也可以将NC文件发送给数控机床进行生产制造。当有了这些模型和工艺执行程序之后，我们可以将其导入一些虚拟投产（虚拟调试）的软件中，如用西门子的NX系统进行设备间的仿真。与设备间的通信，如今也非常便利，随着德国工业互联网和工业4.0的大力推广，诸如OPCUA这类标准化工业接口，可以在很多虚拟调试软件中集成，从高效普及的FactoryIO软件到西门子全系列软件都做到了完美兼容。实际的操作人员只需要链接OPCUA的订阅地址，勾选所需的数据节点就可以轻松获取数据，并可以与数据进行读写交互，这样一来就实现了模型与设备数据的完美对接。这里，一个基本型的赛博系统雏形已经实现。

第四是产业元宇宙需要基于CPSS（社会物理信息系统）构建操作系统。

其实操作系统并不是科技领域的独创，人类自古以来就建立了自己的操作系统，并且随着技术的进步，操作系统的含义也在不断演进。什么是人类的操作系统？法律、规则、宗教，这些操作系统中的指令通过人与人之间组成的社会关系，层层分发，层层下达。什么是PC和移动互联网时代的操作系统？Windows、Linux、安卓、iOS，这些操作系统调度的是PC或者手机中的计算和存储资源。

那么，产业元宇宙的操作系统如何构建？这个操作系统需要调度空间、物体、多种数字身份，并且融入经济规则、市场和交易。比如在工业场景中，产业元宇宙的操作系统需要调度的是人、机、料、法、环，连接虚拟世界和物理世界，并构成经济闭环，因此它很可能将融合人类操作系统与PC时代操作系统的两种形态。

构建产业元宇宙的操作系统，前提是理解CPS。只有看懂CPS才能真正撬动产业元宇宙的万亿级市场。CPS通过构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现数字世界与物理实体之间的交互联动。数字孪生为实现CPS提供了清晰的思路、方法及实施途径。

数字孪生的重点在于机理模型，CPS的重点在于数学模型，两个模型综合应用产生新的产品、新的模式和新的业态。CPS将整个物理世界的规则进行建模、预测、优化和管理，CPS不仅是“桥梁”“总线”，或者“系统”，它的精髓在于对数字世界的营造。CPS更为本质的意义在于，它是智联网互联与改造整个物理世界的底层思维基础。如同互联网改变了人与人、人与数字世界之间的互动一样，以CPS为核心思维的智联网将改变人与物、物与物，乃至物理世界与数字世界的互动方式。

理解了CPS，我们就容易过渡到CPSS（Cyber-Physical-Social System），即社会物理信息系统。CPSS是在信息物理系统的基础上，进一步纳入社会信息、虚拟空间的人工系统信息，将研究范围扩展到社会网络的系统，它包含了将来无处不在的嵌入式环境感知、人员组织行为动力学分析、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能，注重人脑资源、计算资源与物理资源的紧密结合与协调。它通过智能化的人机交互方式实现人员组织和物理实体系统的有机结合，使得人员组织通过网络化空间以可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控物理实体。