对投身智能制造的业者而言,元宇宙其实只是虚实融合这个概念的进一步延伸、扩大。只要搭建好平台,串联起各种数位双生,就能实现工业元宇宙。也因为如此,平台布局成为相关业者的当务之急。

自从Facebook改名为Meta,在消费市场掀起一波元宇宙(Metaverse)概念热潮后,很多人都在问,到底元宇宙是什么?许多为製造业提供数位转型解决方案的业者,很快就发现自己正在做的产品,其实就是元宇宙概念中的某个元素。

事实上,在工业4.0或智慧製造的发展过程中,早已经发展出大量带有元宇宙色彩的关键技术,例如数位双生(Digital Twins)、虚实融合。工业元宇宙所提出的愿景,则是把虚实融合的理念贯彻到底,让每一个已经虚拟化、数位化的实体或应用,在同一个虚拟平台中串联起来,不再只是独立存在的虚拟物件。这本就是虚实融合所追求的终极境界。因此,智慧製造、工业4.0这些概念,进一步转化成工业元宇宙,是理所当然的发展。

虽然工业元宇宙看似是智慧製造的延伸,要搭建起能够容纳各种数位双生的平台,却非一蹴可几之事。也因为如此,搭建平台成为有志耕耘工业元宇宙的大厂竞相投入的目标。

串联数位双生将是一门大生意

台湾西门子数位工业总经理Tino Hildebrand(图1)认为,工业元宇宙虽然是一个刚出现不久的新名词,但其中有很多元素都已经不只是概念,而是可以实践的应用。举例来说,在工具机这类工业设备维护、装机的过程中,西门子的工程团队就常常透过微软(Microsoft)的Hololens,为分散在世界各地的客户提供服务。「因为疫情的缘故,我们的工程团队不能像过去那样四处出差,到客户现场提供支援。在这个情况下,利用头戴装置与客户远端协作,已经成为西门子团队的日常。」Hildebrand说。
 

图1 台湾西门子数位工业总经理Tino Hildebrand

但远端协作只是工业元宇宙的初阶应用之一。西门子跟许多客户对工业元宇宙的运用,不只局限于此。在一个高度数位化的企业中,为自己的产品建立数位双生,已经是一个很普遍的作法。藉由数位双生,企业不仅可以快速完成产品开发,亦可落实全产品生命週期的管理。若再结合人工智慧(AI),对现有产品在使用过程中的所产生的资料进行分析,更可协助企业锁定问题,作为开发下一代产品时的重要参考。

也因为在工业领域,数位双生的概念已经相当成熟跟普遍,若能进一步各种数位双生串联起来,工业元宇宙自然是水到渠成。但Hildebrand认为,这最后一哩路,走起来是相当有挑战性的。就跟智慧製造在推动早期,常常会遇到跨厂牌的机台介面不互通,甚至有些老机台根本没有资料介面的情况一样,新开发的设备大多有数位双生,但既有的机台则未必;要串接不同厂牌设备的数位分身,也会是一个颇具挑战性的任务。

挑战与机会是一体两面的,越大的挑战,背后蕴含的商机也越大。Hildebrand认为,串联数位双生将会是一门很庞大的生意,系统整合商(SI)跟软体厂商,会是最直接的受益者。但除了SI跟软体公司之外,整个价值链中的每一个成员,也都要贡献自己的力量。

NVIDIA以加速元宇宙搭建为核心目标

除了引发元宇宙热潮的Meta之外,绘图处理器大厂NVIDIA也已经展开其元宇宙布局,推出Omniverse平台。且有趣的是,相较于Meta将元宇宙定义为面向所有人的3D化网际网路,NVIDIA的元宇宙布局,显然更聚焦在产业垂直应用跟专业领域。

NVIDIA亚太区技术行销总监严永信(图2)指出,元宇宙这个概念其实已经存在很久了,只是受限于技术条件,至今还没有完全实现。也因为如此,目前元宇宙这个概念还没有定型,导致每家厂商在谈元宇宙议题时,出发点跟切入角度都不太一样。就市场需求的层面,工业跟商业导入元宇宙,能创造的经济效益比较显著,因此在元宇宙领域起步比较早的NVIDIA,其客户族群自然会更集中在产业垂直应用跟专业市场上。

图2 NVIDIA亚太区技术行销总监严永信

但整体来说,对NVIDIA而言,元宇宙布局的最优先工作,就是要设法搭建出一个元宇宙。毕竟,内容贫乏的元宇宙是没有意义的。Omniverse就是以「加快元宇宙的搭建流程」为出发点的平台。要搭建出一个元宇宙,必然涉及到各种3D物件的创建。而这个创建流程中,不仅会使用到各种不同的工具,还有很複杂的作业流程。不只是专业设计师,就连NVIDIA内部团队在创建3D物件时,也经常在跨软体工具的衔接跟作业流程上遇到难题。
Omniverse平台就是一个为了衔接不同软体工具跟作业流程所打造的平台。在这个平台上,创作者、设计师、研究人员和工程师可连接主要设计工具、素材和专案,在共享虚拟空间中进行协作和迭代。开发人员和软体供应商还可以在Omniverse的模组化平台上打造并销售延伸模组、应用程式、Connector和各种微服务,以扩充其功能。

值得一提的是,由于现阶段Omniverse平台的用户都是企业用户,而且有不少客户是将Omniverse搭建在自己的私有云上,因此严永信预估,未来元宇宙很可能会跟云端服务一样,分成公有元宇宙(Public Meta)跟私有元宇宙(Private Meta)。公有元宇宙就跟今天的公有云一样,是对所有人开放的,上面也会有各式各样的消费性应用、服务;私有元宇宙则比较像是企业内部的虚拟工作场域,上面提供的应用也会跟工作或专业有关(图3)。

图3 企业内部的私有元宇宙,或将成为未来的虚拟办公场域

而提到专业领域的元宇宙,严永信还分享,虽然现在一般提到元宇宙,都会联想到AR、VR这类头戴式装置,但根据NVIDIA的观察,对某些专业领域的应用而言,不一定非得「进入」元宇宙不可。

举例来说,NVIDIA就跟爱立信(Ericsson)有过一个合作案例,先透过Omniverse搭建出整个城市的3D模型,也就是一个城市的数位双生,然后结合射频分析工具,研究城市地形对5G讯号的影响,并锁定可能出现通讯干扰的区域(图4)。对这种元宇宙应用而言,头戴式装置就不一定是必要的元素。
 

图4 NVIDIA与爱立信合作,利用Omniverse建立起整个城市的数位双生,再进一步研究城市中可能存在的5G通讯干扰

但也有头戴装置能创造出独特附加价值的应用案例,例如跟产品展示有关的应用,头戴装置所能提供的沉浸式体验,就是传统显示装置无法提供的。总之,工业元宇宙与头戴式装置之间,并没有必然的对应关系,一切还是要以具体应用需求为淮。

从设计、分析到展示 达梭打造一条龙平台

而提到工业元宇宙,在工业、工程模拟跟数据分析领域耕耘数十年的达梭系统(Dassault Systemes),也是一家不能不提的代表性厂商。早在1981年,该公司就推出3D设计工具,跨出了把产品设计搬到虚拟空间中进行的第一步。随后,该公司陆续以产品建模为核心,将工具的涵盖范围扩展到设计验证、数据分析,并推出3DExperience 平台,成为汽车、航太乃至医疗产业最重要的设计与模拟工具提供者。

作为工业元宇宙的开创者之一,达梭如何看待工业元宇宙,乃至整个元宇宙的发展趋势?台湾达梭系统资深技术经理许欲生(图5)认为,一般社会大众所认知的消费性元宇宙,跟工业领域的工业元宇宙,在发展上有不同的难处。消费性元宇宙的起步比较晚,而且是面向一般大众,如果要做到应用普及,甚至是像Meta所提出的愿景,把社交活动或可以天马行空的电玩游戏搬到3D化的网路空间,可能还需要十年的时间才能做到。
 

图5 台湾达梭系统资深技术经理许欲生

工业元宇宙的样态则比较单纯,通常是以在虚拟空间中建立起100%对应真实世界的模型,作为一切应用的起点。这其实也是有相当的门槛存在,因为真实世界受到物理法则支配,如果要在虚拟空间中还原真实世界物件的行为模式,不仅要对各种自然科学有深入的掌握,还要具备将其转化成精淮演算法的能力。

这也是达梭之所以能在工程模拟领域居于领导地位的原因─除了虚拟建模工具之外,达梭还提供横跨各种物理范畴的数值模拟跟分析工具,让工程师可以在虚拟世界裡完成需要高度拟真的设计工作。

不过,由于在虚拟世界裡进行设计,可以带来很多经济跟效率上的利益,因此在工业或产品设计领域,採用虚拟工具的情况早就已经非常普遍。而随著工具的功能越来越强大,现在有很多产品设计的验证,也已经逐渐把重心转向虚拟工具。

举例来说,在汽车设计完成后,传统上车厂必须做出原型车,然后把原型车送去做撞击测试,才能取得相关的安全验证。但是在真实世界中进行撞击测试,不仅成本高昂,还会有很多无法观测到的死角。例如在进行车辆正面撞击牆壁的测试时,摄影机只能从侧面去观察撞击事件,但最重要的撞击面正面到底发生什么事情,是看不到的。在虚拟空间裡做撞击测试,不仅节省成本,而且还可以从任意角度观察撞击事件发生当下,车体各处出现的变化(图6)。
 

图6 在虚拟环境中进行车辆撞击测试,不仅可以节省成本,还可以看到更多细节

而针对工业元宇宙,达梭的布局动作,最早可以回推到10年前,发表3DExperience平台之际。3DExperience是一个集数位连接、资料驱动、3D建模与模型展示等特性的平台,跟现在流行的元宇宙概念相比,基本上只欠缺对AR、VR设备的支援。但最新版的3DExperience平台已经补上了这个缺口,将产品设计、分析验证到最终设计成果展示所需的功能,都纳入平台(图7)。
 

图7 藉由增加对AR、VR的支援,现在3DExperience 平台也可以提供沉浸式的产品展示体验

如今,工业元宇宙已经不只能用在产品的设计跟验证,同时也可以扩大运用在製造产品的生产线上。在智慧製造裡,如何用模拟找出生产线的产能瓶颈,并测试各种解决方案的效果,一直是一个主要课题。在产线规画跟产线最佳化方面,一个典型的应用方式是把生产线的机器手臂、可编程逻辑控制器(PLC),甚至是现场的作业员,都创建出对应的数位双生,然后将这些数位双生整合在一起,对整条生产线真实搭建起来,或是导入某些改变后可能出现的状况进行模拟。

而随著感测技术的进步,对整条生产线进行数位建模所需的成本,已经大幅下降。许欲生透露,要对整条生产线进行数位建模,原本是工作量很大的作业,但现在达梭已经有配合的SI厂商开发出推车式的光达感测设备,只要把推车推到产线,设备就会自动完成现场扫描,建立出基础的数位模型。这项技术的突破,将可为工业元宇宙的普及添加助力。

平台将成工业元宇宙的战略高地

相较于目前商机还停留在想像阶段的消费性元宇宙,工业元宇宙已经相当成熟,甚至可以说有点既有的应用换包装上市的味道。工业元宇宙的进展之所以遥遥领先消费性元宇宙,最根本的原因还是在于其所能创造出来的经济效益。藉由虚拟技术,企业可以用更短时间完成产品开发、提高产能,甚至发展出新的商业模式,创造额外的收入来源。

但也因为早在工业元宇宙这个概念被发明出来之前,就已经有很多厂商在做类似的生意,所以接下来工业元宇宙的平台整合,恐怕会是一个更複杂的工作。就像都更往往比盖新大楼要困难千百倍,在工业元宇宙裡,早就有既存的厂商跟对应的势力范围。在这个情况下,要发展出一个一个可以兼容各方的平台,将会是一个巨大的挑战。

然而,也因为工业元宇宙的平台建立不易,一旦有某家厂商成功突破,就能享有极大的利益。这也是许多大厂都趋之若鹜,纷纷推出平台的原因。而公有元宇宙跟私有元宇宙的概念,是否暗示著公有云业者很可能也会在元宇宙平台大战中扮演一定的角色,亦充满了想像空间。