工业元宇宙体系架构介绍

工业元宇宙是复杂先进的新数字化工业经济系统，其体系架构自下而上主要 包括六个层次，即基础层、感知层、通信层、边缘层、云端层和应用层。

首先，基础层以物理工业空间中的人、设备、组织/管理、数据/知识、材料、 资金等工业六要素作为主要对象进行构建，为工业元宇宙中虚拟资源的封装与池 化提供最底层的实体支撑。基础层不仅仅是对这六要素的静态描述，更是一个动 态的生态系统，负责捕获和处理实体层面的信息，为工业元宇宙中虚拟资源的封 装与池化提供坚实而可靠的基础。通过深度集成和互操作性，基础层的建设旨在 打破信息孤岛，将实体层的复杂性转化为数字化的清晰结构，为上层层次的虚拟化和智能化奠定坚实的基础。

其次，感知层通过人机交互技术、设备连通技术、虚拟组织技术、数据感知 技术、原料接入技术和价值实现技术等各类技术与基础层的六要素一一对应，对 基础层的工业六要素进行感知与接入。其中，随着技术应用的不断演进，感知层 的人机交互技术不仅仅限于操作，还可结合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及 混合现实（MR）等技术，使得工业元宇宙的用户能够更直观、全面地与虚拟环境 和虚拟设备进行互动；设备联通技术的深入应用则可将各类工业设备联结成一个 有机整体，实现高效协同生产；虚拟组织技术可使得工业元宇宙中的组织与管理 抽象化和虚拟化，帮助企业更加灵活有效地完成组织合作；数据感知技术可及时 捕捉到工业环境中各个方面的数据，并通过先进的数据分析算法为生产决策提供 支持，帮助企业实时监测和记录生产过程中的数据流动；原料接入技术可实现原 材料的流动和库存状态的实时掌握，实现供应链系统的无缝对接，帮助企业实现 智能化的供应链管理；价值实现技术可将工业元宇宙中的各项资源转化为具体的 价值，实现虚拟化资源与实际市场需求的紧密衔接。

再次，通信层完成工业六要素的接入，依托物联网、天地一体网、未来互联 网等传输网络，将六要素的各类信息进行高效化传输，融合处理成为工业元宇宙 中的虚拟化对象，例如，将基础层的人员抽象为虚拟人、将基础层的组织/管理 抽象为虚拟企业等。通信层作为连接现实物理世界与工业元宇宙的关键纽带，为 工业六要素之间的信息交流提供更为便捷、灵活和高效的方式。其中，物联网技 术通过在人、设备、组织等工业六要素上部署传感器和智能设备，实现实时数据 的采集和传输，为工业元宇宙的信息汇总提供基础；天地一体网通过实时的数据 共享，实现全球范围内生产活动的协同推进，使得工业元宇宙中的不同实体可以 跨地域限制进行合作；未来互联网高速、低延迟的特性进一步加强了通信层的能 力，提高生产过程的实时性和灵活性，使得工业元宇宙中各要素之间的通信更加 可靠高效。此外，通信层还可以通过优化传输协议、网络拓扑结构和数据压缩算 法等技术手段，确保海量数据的快速传输，以为工业元宇宙中的各类应用提供充 足的信息支持。

之后，边缘层对虚拟后的六要素信息进行处理，该层能够为工业元宇宙中工 业数据的智能化处理与实时传输提供各类边缘侧服务。然而边缘层的功能不仅仅局限于简单的数据传输，更是通过对智能化的处理和服务，使得工业元宇宙能够 在本地实现更为灵活和智能的运作。例如，边缘层强大的实时数据处理能力，可 以在数据生成的源头进行本地处理和分析，实时检测异常状况并采取及时的纠正 措施，避免事故发生或提前预警，提高生产线的可靠性和稳定性；此外，边缘层 利用边缘计算技术，将计算任务从中心云转移到距离数据源更近的地方进行处理， 这样的架构能够减少数据传输的延迟，降低对云端资源的依赖。

进一步，云端层作为工业元宇宙的智慧大脑，发挥着集中管理、智能分析和 资源优化的核心作用。云端层对虚拟化的工业六要素进行封装和池化，形成人力、 设备、产业、数据、原料、价值资源池，云端层将所有工业元宇宙资源抽象为各 类服务提供给用户，满足用户根据实际情况按需获取的需求，以达到人-机-环境 三者虚实融合的有机统一。它不仅是工业元宇宙集中管理的平台，更是一个智能 化的数据聚合和处理中心，支持全系统生命周期的创新型应用，如产品设计、生 产规划、供应链管理等，促进工业数字化转型的全面发展。

最终，应用层面向整个工业元宇宙中的用户实现全系统生命周期的创新型应 用，促进工业数字化转型。应用层主要面向于工业元宇宙的工业系统粒度和制造 生命周期两个部分。其中，在工业系统粒度方面，产业链层的创新型应用关注产 业链上下游之间的数字化协同。通过实时的供需链数据共享和分析，促进产业链 中的企业协同制造，从而提高整体效率。企业层的创新型应用致力于企业内部的 数字化转型，通过整合生产、销售和管理数据，实现企业内各功能部门的高效协 同。车间层的创新型应用关注生产流程的智能化和柔性化。通过实时监测设备状 态和生产数据，实现车间内各工站之间的协同工作。设备层的创新型应用通过设 备的联网和自主决策，实现设备之间的智能协同。产品层的创新型应用致力于产 品设计和制造的个性化，通过数字化的产品设计工具，支持客户参与产品设计， 实现按需定制的生产。在制造全生命周期方面，在协同化制造模式下，应用层通 过提供协同工具，促进整个制造生命周期中的合作和协同。服务化制造模式强调 制造过程中的服务化和可配置性，可提供云服务平台，支持企业按需选择和配置 生产服务。定制化制造模式注重产品的个性化生产，通过提供虚拟设计和模拟工 具，使客户能够参与产品设计过程，实现按需定制。柔性化制造模式关注生产过 程的灵活性和适应性，通过实时监测和分析生产数据，调整生产流程，适应需求的变化。社会化制造模式注重对外部环境的开放性，通过连接供应商、合作伙伴 和客户，实现更广泛的信息共享和资源协作。智能化制造模式是整个制造生命周 期的未来趋势，可通过嵌入先进的数据分析、人工智能和机器学习技术，实现智 能决策、自动优化和预测性维护，推动整个制造生命周期的智能化转型。

以上六层级之间环环相扣，关系十分密切，即下一层是实现上一层的基础， 上一层则是对下一层功能的扩展，共同形成工业元宇宙的体系架构。该体系架构 具有如下新特色： （1）在新一代人工智能技术引领下，以 AI 驱动的工业元宇宙中全要素链、 全产业链、全价值链（三链）的智慧融合。 （2）是边缘端与云端协同形成的新架构。 （3）是以云计算、人工智能、大数据、新互联网、区块链、建模仿真等为 代表的新通信技术与新工业技术的融合。 （4）实现了全系统虚拟化和服务化，尤其是感知层、接入层、通讯层的虚 拟化和服务化。 （5）实现了以用户为中心的虚实融合六要素的智慧共享服务。 （6）体系架构中的各层均具有新时代下的新内涵和新内容。 实现了虚实融合、以虚强实，系统跨域的再创新。