2021年是元宇宙元年，各大汽車制造商也爭先布局元宇宙。如何為元宇宙賦予生產(chǎn)力，為汽車賦予多維消費空間，為用戶賦予虛實共生世界呢？一起來看一下吧。

2020年，中國全年汽車總產(chǎn)量約為2393萬輛，總銷量為2531萬輛，占全球汽車銷量的32.5%，已連續(xù)十二年位居全球第一，中國繼續(xù)保持汽車生產(chǎn)和消費大國地位。其中，新能源汽車產(chǎn)銷量呈高速增長勢頭，全年銷量為136.7萬輛，同比增長10.9%，連續(xù)六年位居全球第一，動力電池、電驅(qū)動等關(guān)鍵零部件技術(shù)指標(biāo)持續(xù)提升，成為全球汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力[1]。

2020年國務(wù)院辦公廳發(fā)布新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年），計劃到2025年，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右，實現(xiàn)高度自動駕駛汽車在限定區(qū)域和特定場景商業(yè)化應(yīng)用，充換電服務(wù)便利性顯著提高。力爭到2035年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領(lǐng)域用車全面實現(xiàn)電動化，燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，高度自動駕駛汽車實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)便捷高效，氫燃料供給體系建設(shè)穩(wěn)步推進，有效促進節(jié)能減排水平和社會運行效率的提升。[2]

可以說發(fā)展新能源、智能網(wǎng)聯(lián)汽車是中國從汽車大國邁向汽車強國的必經(jīng)之路，也是應(yīng)對全球氣候變化、實現(xiàn)碳達峰碳中和、建設(shè)綠色清潔世界、推動構(gòu)建人類命運共同體發(fā)展的國家級戰(zhàn)略舉措。通過汽車產(chǎn)業(yè)與AI、5G、區(qū)塊鏈、元宇宙等新興數(shù)字技術(shù)融合發(fā)展，則是實現(xiàn)該目標(biāo)的重要技術(shù)路徑。

2021年是元宇宙元年，汽車制造商爭先布局元宇宙，理想、蔚來、小鵬、吉利汽車先后對元宇宙商標(biāo)進行了申請注冊；上汽集團則一口氣申請了100個元宇宙相關(guān)的商標(biāo)，使用范圍包括汽車研發(fā)、生產(chǎn)、制造和銷售等；2021年9月，寶馬（BMW）推出了虛擬世界JOYTOPIA，其中包括：“Re:THINK”、“Re:IMAGINE”和“Re:BIRTH”三個主題，BMW集團通過虛擬世界向用戶展現(xiàn)企業(yè)未來的發(fā)展戰(zhàn)略，包括：循環(huán)經(jīng)濟、電動交通、城市交通和可持續(xù)性?，F(xiàn)代汽車也在Roblox平臺上發(fā)布了一款展示現(xiàn)代汽車創(chuàng)新車型和未來移動出行解決方案的游戲Hyundai Mobility Adventure。通過該游戲用戶可以參加節(jié)日慶典、進行車輛展示以及溝通互動。

雖然元宇宙與車企的主營業(yè)務(wù)還未發(fā)生直接化學(xué)反應(yīng)，各大車商扎堆入局也僅限于品牌推廣、展廳構(gòu)建、銷售等輔助業(yè)務(wù)，但基于下一代互聯(lián)網(wǎng)的暢想，未來必將有更多的車企加入元宇宙行列。如何為元宇宙賦予生產(chǎn)力，為汽車賦予多維消費空間，為用戶賦予虛實共生世界，則是本文重點討論的內(nèi)容。本文計劃用《車企扎堆入局“元宇宙”（一）——研發(fā)制造視角》，《車企扎堆入局“元宇宙”（二）——智能體驗視角》兩篇文章介紹汽車產(chǎn)業(yè)+元宇宙的應(yīng)用場景和意義。

汽車研發(fā)制造是一個涵蓋材料科學(xué)、機械設(shè)計、控制科學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)過程。目前，國內(nèi)外主要汽車企業(yè)已經(jīng)建立起完整的研發(fā)、制造的數(shù)字化管理體系。大量數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和集成，使得數(shù)字原型、虛擬樣機、數(shù)字樣機、全功能虛擬樣機等在汽車產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，大量虛擬樣機被應(yīng)用到運動仿真、裝配仿真和性能仿真當(dāng)中。而為元宇宙賦予生產(chǎn)屬性則是加速汽車產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級，加快實體產(chǎn)業(yè)與虛擬經(jīng)濟融合，實現(xiàn)汽車元宇宙虛實共生目標(biāo)的關(guān)鍵。

一、元宇宙+汽車研發(fā)

汽車研發(fā)簡單說可以分為：概念設(shè)計、工程設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備等三個階段。概念設(shè)計階段包括：市場情報信息分析與規(guī)劃，造型設(shè)計，汽車總體設(shè)計與人機工程設(shè)計，汽車概念模型設(shè)計，目標(biāo)車型分析等步驟。工程設(shè)計包括：車身設(shè)計、儀表板與內(nèi)外飾設(shè)計、底盤平臺設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計、動力系統(tǒng)設(shè)計、空氣動力學(xué)分析、運動學(xué)分析、性能分析、整車及零部件設(shè)計優(yōu)化、CAE分析、數(shù)字化電子樣車設(shè)計（DMU）。生產(chǎn)準(zhǔn)備包括：整車與零部件性能與工程評價、生產(chǎn)工藝分析、樣車試制和試驗、模具-夾具-檢具制作。

元宇宙系列技術(shù)利用在3D視覺上“所見即所得”優(yōu)勢，將為汽車設(shè)計、研發(fā)提供全新數(shù)字化體驗。

1. 提高汽車工程設(shè)計的數(shù)字化和構(gòu)件化

目前，由于數(shù)字孿生在物理對象和虛擬對象的映射過程中，需要大量對物理對象進行數(shù)字化建模，受限于與物理對象在幾何、物理、行為和規(guī)則等特征上的千差萬別，數(shù)字孿生的建模、使用和維護成本高昂，大都全面用于航天、航空、船舶等價值高昂的產(chǎn)品，且定制化的特征明顯，很難全面很難普及。例如：美國國家航空航天局(NASA)基于數(shù)字孿生開展了飛行器健康管控應(yīng)用；美國洛克希德·馬丁公司將數(shù)字孿生引入到F-35戰(zhàn)斗機生產(chǎn)過程中，用于改進工藝流程，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量；中國航天科工集團在武漢國家航天產(chǎn)業(yè)基地衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)園正在開展基于數(shù)字孿生、柔性智能、云制造的新型研制生產(chǎn)模式。

而在汽車產(chǎn)業(yè)這樣的消費品中大范圍使用數(shù)字孿生技術(shù)最重要的是需要考慮如何降低數(shù)字孿生體的構(gòu)造成本。

目前，數(shù)字孿生在實際應(yīng)用中主要分為關(guān)鍵零部件孿生體，設(shè)備孿生體和系統(tǒng)孿生體等關(guān)鍵構(gòu)件。各種數(shù)字孿生構(gòu)件之間又形成層次型、關(guān)聯(lián)型和點對點型等關(guān)系。層次型關(guān)系是單個零部件孿生體與多個零部件孿生體構(gòu)成的組合關(guān)系，關(guān)聯(lián)型關(guān)系是孿生體依托物理功能的關(guān)聯(lián)性構(gòu)成的依賴關(guān)系。點對點型關(guān)系是對等孿生體之間的建立的非依賴型關(guān)系。

雖然，在數(shù)字孿生的構(gòu)造過程中，呈現(xiàn)構(gòu)件化特性，但受限于單一企業(yè)和單一應(yīng)用場景，數(shù)字孿生構(gòu)件數(shù)量有限，映射、生成、維護數(shù)字孿生構(gòu)件的機構(gòu)單一（主要集中在總裝工廠），數(shù)字孿生構(gòu)件很難在大范圍場景中應(yīng)用，限制了進一步的工程設(shè)計數(shù)字化。

元宇宙具備社會化、全員海量創(chuàng)作屬性，可以在汽車產(chǎn)業(yè)的個人（工作室）、設(shè)計企業(yè)、零部件企業(yè)、設(shè)備（裝備）企業(yè)和總裝企業(yè)之間建立社會化的數(shù)字孿生構(gòu)件設(shè)計、生成、交易、維護、測試等全生命周期管理的數(shù)字化生態(tài)。利用元宇宙多維數(shù)字空間，可在更小粒度的汽車零部件上建立數(shù)字孿生體，通過數(shù)字孿生構(gòu)件組裝特性，實現(xiàn)從小到大的積木式數(shù)字對象堆砌；利用元宇宙社會化對等交易網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)字孿生構(gòu)件的點對點可信交易，從而將數(shù)字孿生構(gòu)件的構(gòu)造與使用分離，極大提高數(shù)字孿生體的應(yīng)用范圍，降低構(gòu)造成本。

元宇宙是將數(shù)字孿生普惠化、工具化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

2. 基于操作型全息投影技術(shù)的汽車設(shè)計工具

在漫威系列電影中，大量采用操作型全息投影技術(shù)作為新型武器的設(shè)計工具，例如：鋼鐵俠的馬克系列裝甲。可以說操作性全息投影是設(shè)計師們的終極設(shè)計利器，相較于傳統(tǒng)紙筆、計算機輔助設(shè)計軟件（CAD）、膠泥模型等設(shè)計工具。操作型全息投影技術(shù)具備成本低、仿真度高、視覺3D、透視度高、操作性強等優(yōu)勢，是下一代設(shè)計工具。

汽車作為一個擁有一百二十多年歷史，標(biāo)準(zhǔn)化、商品化的成熟產(chǎn)品，除外觀設(shè)計外，其功能性部件早已實現(xiàn)組件化生產(chǎn)和裝配，具有零配件復(fù)用程度高的特點。在操作型全息投影設(shè)計工具的加持下，能更高效地對不同功能性部件進行組裝設(shè)計和測試，在與數(shù)字孿生技術(shù)配合下可通過性能參數(shù)的3D調(diào)優(yōu)，實現(xiàn)“所見即所得”的設(shè)計效果。

目前，操作型全息投影技術(shù)還是前沿型技術(shù)，有很多技術(shù)難題亟待解決，遠未進入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段。英國格拉斯哥大學(xué)的一個工程師團隊提出基于全息投影的物理交互的觸覺系統(tǒng)^[4]，可完全不需要穿戴或手持外圍設(shè)備下實現(xiàn)具備物理反饋的全息操作，比傳統(tǒng)的VR/AR系統(tǒng)更加輕便。該系統(tǒng)主要由偽全息顯示、手勢識別模塊和觸覺反饋設(shè)備等三個組件構(gòu)成，其核心是利用名為: Aerohaptics的氣動反饋系統(tǒng)，當(dāng)用戶操縱虛擬物體時，該設(shè)備使用指向用戶手上的加壓空氣噴射，來復(fù)制觸摸感覺，同時它還提供位置和強度控制，以適應(yīng)各種交互場景。

氣動反饋系統(tǒng)示意圖

來源：Aerohaptic Feedback for Interactive Volumetric Displays^[4]

隨著未來全息投影物理反饋技術(shù)更加精確化，操作型全息投影帶來的全新設(shè)計體驗將使設(shè)計師愛不釋手，使設(shè)計工作變得更加有趣和高效。人類的設(shè)計工作從實物設(shè)計到圖紙設(shè)計、再到計算機輔助設(shè)計，最終將突破物理瓶頸實現(xiàn)全息3D的虛擬化設(shè)計階段。

3. 數(shù)模模型設(shè)計與虛擬驗證

在工業(yè)設(shè)計中，利用數(shù)字孿生技術(shù)提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，并通過虛擬仿真試驗驗證產(chǎn)品在真實環(huán)節(jié)中的性能，成為數(shù)字孿生技術(shù)賦能產(chǎn)品設(shè)計最為重要的應(yīng)用場景。目前，在汽車產(chǎn)品的數(shù)字模型設(shè)計方面，首先，常使用計算機輔助設(shè)計工具（CAD）設(shè)計出滿足技術(shù)規(guī)格和功能需求的產(chǎn)品原型，并記錄汽車的各種物理參數(shù)。其次，通過在數(shù)字化驗證平臺上進行一系列可重復(fù)、可變物理參數(shù)、可加速的虛擬仿真實驗，來驗證汽車在多種外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)。最終，通過反復(fù)驗證和參數(shù)調(diào)整獲得最優(yōu)化的汽車產(chǎn)品原型設(shè)計。這種在設(shè)計階段就驗證產(chǎn)品的適應(yīng)性，并通過仿真找尋缺陷，對產(chǎn)品的性能和表現(xiàn)進行不斷優(yōu)化的設(shè)計概念已經(jīng)被廣泛地在汽車設(shè)計行業(yè)中應(yīng)用^[8]。

特別是在車輛抗毀傷性能評估中，虛擬化評估手段將極大降低評估成本、擴大評估范圍。汽車作為連續(xù)工作在多樣化氣候和路況條件下的產(chǎn)品，其殼體材料、內(nèi)部構(gòu)造、零部件以及功能等在工作過程中均有可能出現(xiàn)異常狀態(tài)。而不同的毀傷源(例如碰撞、粉塵、外部攻擊等)也都會對車輛造成不同程度的傷害，因此需要對車輛進行抗毀傷性能評估?，F(xiàn)階段對其毀傷評估一般采用物理模擬毀傷的方式，但是這種方式費用高、精度低、置信度差。例如：美國的NCAP（New Car Assessment Programme），歐洲的“Euro-NCAP”，日本的“J-NCAP”，中國汽車技術(shù)研究中心 (簡稱“中汽研”)的 C-NCAP，中保研汽車技術(shù)研究院（簡稱中保研）的C-IASI等都是采用實車物理抗毀測試。

北京航空航天大學(xué)團隊基于數(shù)字孿生提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的車輛抗毀傷評估方法，從材料、結(jié)構(gòu)、部件及功能等多維度對車輛的抗毀傷性能進行虛擬數(shù)字化綜合評價。其通過對實體車輛與虛擬車輛的實時信息交互與雙向真實映射，實現(xiàn)物理車輛、虛擬車輛以及服務(wù)的全生命周期、全要素、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合，從而提供可靠的抗毀傷評估的服務(wù)。將虛擬驗證與實體實驗有機結(jié)合，不但為科研人員提供了前所未有的豐富數(shù)據(jù)資源，也為客戶服務(wù)提供了更為全面的數(shù)據(jù)支持。

而基于元宇宙的虛擬驗證則是將通過建立車輛虛擬數(shù)字3D模型，包括：幾何模型、物理模型、行為模型以及規(guī)則模型等多維度融合的高保真模型，逼真地刻畫和映射物理車輛的狀態(tài)。并通過在元宇宙中保存的路況數(shù)字模型、氣候數(shù)字模型、空氣動力模型、以及事故碰撞模型等多維虛擬數(shù)字環(huán)境條件，開展海量、動態(tài)的車輛性能以及安全性虛擬測試。

通過對元宇宙數(shù)字環(huán)境條件的動態(tài)變化和突發(fā)事故模擬檢驗車輛在材料、總體結(jié)構(gòu)、部件、功能方面是否達到設(shè)計預(yù)期?；谠钪娴奶摂M驗證能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛的材料性能、結(jié)構(gòu)變化、部件完整性以及功能運行進行精確的仿真，從而對車輛的設(shè)計性能進行精準(zhǔn)預(yù)測與可靠評估，使車輛的毀傷情況和抗毀傷性能得到更加全面和深入的了解。并且可通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將整個驗證過程3D可視化的展示出來，構(gòu)成模型和形式化的多維精確驗證。

4. 助力汽車獨立設(shè)計服務(wù)商品化

目前，汽車整車設(shè)計機構(gòu)主要以汽車制造商的設(shè)計部門和研究院為主，但是近年來，也活躍著一些獨立設(shè)計公司，例如：國際上比較知名的ItalDesign Giugiaro、Pininfarina、Bertone Design等，國內(nèi)也有上海龍創(chuàng)、同濟同捷、阿爾特、長城華冠等。但由于汽車獨立設(shè)計公司受限于工程設(shè)計上的劣勢，主要是以概念設(shè)計為主，且主要為汽車制造商提供外觀設(shè)計，例如：ItalDesign Giugiaro為奧迪提供設(shè)計；Ghia為福特提供設(shè)計等。由于汽車獨立設(shè)計企業(yè)與車企的設(shè)計部門存在競爭關(guān)系，汽車獨立設(shè)計企業(yè)一直以來處于夾縫中生存，市場前景并不樂觀。

元宇宙為汽車獨立設(shè)計公司帶來了更加廣闊的發(fā)展空間。首先，在元宇宙環(huán)境下的大量工程設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施被數(shù)字化和虛擬化，通過數(shù)字孿生將車身、儀表板與內(nèi)外飾設(shè)計、底盤平臺設(shè)計、電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等構(gòu)件化，通過構(gòu)件的組合利用，可彌補汽車獨立設(shè)計公司在工程設(shè)計方面的經(jīng)驗缺少。其次，元宇宙中VR、AR、MR等視覺系統(tǒng)將汽車獨立設(shè)計公司原有的2D靜態(tài)設(shè)計稿，提升至3D動態(tài)汽車模型，外觀、內(nèi)飾、底盤平臺設(shè)計、電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)設(shè)計等都將和汽車生產(chǎn)制造的數(shù)字孿生無縫銜接，極大提高汽車設(shè)計的穿透性。最后，汽車獨立設(shè)計公司的成果，在元宇宙世界里，不光只為單一汽車制造商服務(wù)，而是可形成游戲、電影、評測等直接模型和素材，通過元宇宙的數(shù)字化點對點的交易網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)汽車設(shè)計的商品化和服務(wù)化。

5. 樣車評估從設(shè)計者評價到用戶評價

2016年，達索系統(tǒng)公司針對復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3DExperience平臺，利用用戶交互反饋的信息不斷改進產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計模型，并反饋到物理實體產(chǎn)品中。2018年5月，達索航空公司將3DExperience平臺用于新型戰(zhàn)斗機研發(fā)，以及“陣風(fēng)”系列戰(zhàn)斗機和“隼”式商務(wù)客機的生產(chǎn)能力提升方面；同年6月，土耳其航空工業(yè)公司宣稱將在TF-X第五代戰(zhàn)斗機研制中采用該平臺。^[6]

類似通過用戶對樣車的動態(tài)反饋，實現(xiàn)類似軟件項目管理中的最小可行化產(chǎn)品（Minimum Viable Product MVP）理念，是互聯(lián)網(wǎng)車企追求低成本、高效、快速迭代的造車目標(biāo)。但此目標(biāo)難以在現(xiàn)有的汽車研發(fā)平臺中實現(xiàn)，因為和軟件研發(fā)行業(yè)相比，車輛是一個現(xiàn)實的物理實體，其無法通過互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)直接實現(xiàn)動態(tài)反饋。常見的車企客服回訪、問卷調(diào)查無法細致的記錄用戶真實反饋細節(jié)。

元宇宙建立的虛實共生體，是將車輛物理實例對象和虛擬實例對象之間建立了一對一的直接映射，通過樣車自身的傳感器將用戶使用客觀情況動態(tài)反饋到車企平臺的虛擬對象中，車企對于樣車的虛擬對象可以進行一對一的詳細觀測，車輛在用戶實際使用過程中材料、總體結(jié)構(gòu)、部件、功能方面的細微擾動都將被穿透式的記錄和分析。對于用戶的主觀評價，車企將建立車輛物理實例對象和虛擬規(guī)格對象之間建立多對一的直接映射，用戶對樣車的外觀、性能、安全性等主觀期望和評價，將動態(tài)綜合的反饋到樣車的虛擬規(guī)格對象中，從而實現(xiàn)樣車評估從設(shè)計者自評價到用戶評價的設(shè)計模式轉(zhuǎn)變。

二、元宇宙+汽車制造

2017年，洛克希德·馬丁公司在F-35 沃斯堡工廠使用了數(shù)字孿生技術(shù)的“智能空間平臺”，將實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射到數(shù)字孿生模型中，并與制造執(zhí)行和規(guī)劃系統(tǒng)相連，提前規(guī)劃和調(diào)配制造資源，從而全面優(yōu)化生產(chǎn)過程。據(jù)估計，應(yīng)用數(shù)字孿生等新技術(shù)后，每架 F-35 戰(zhàn)斗機生產(chǎn)周期將從目前的22個月縮短到17個月，制造成本降低10%^[6]。美國國家航空航天局(NASA)也基于數(shù)字孿生開展了飛行器健康管控應(yīng)用。

在國內(nèi)，將數(shù)字孿生用于生產(chǎn)制造的主要有航天、航空故障預(yù)測和維護，船舶全生命周期管理、復(fù)雜機電裝備故障預(yù)測與健康管理，汽車抗毀傷測試等領(lǐng)域。在中國制造2025、互聯(lián)網(wǎng)+制造 、制造業(yè)服務(wù)化、云制造等概念推陳出新，“數(shù)字孿生車間”也孕育而生?！皵?shù)字孿生車間”主要通過對傳統(tǒng)車間管理的生產(chǎn)要素、生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)過程管理的數(shù)字化復(fù)制，形成以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的虛擬仿真車間，實現(xiàn)物理車間與虛擬車間的雙向映射、實時交互，將生產(chǎn)要素、生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)流程，全業(yè)務(wù)融合，為智能制造提供全面的數(shù)據(jù)支撐和質(zhì)量保障?！皵?shù)字孿生車間”的特點是以數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實融合和業(yè)務(wù)融合為主，是將傳統(tǒng)車間中的幾何、物理、行為和規(guī)則等多元屬性，降維到二維屬性，以提高模塊之間的數(shù)據(jù)利用效率。

“元宇宙數(shù)字車間”是在“數(shù)字孿生車間”基礎(chǔ)上對虛擬空間的操作和呈現(xiàn)恢復(fù)其三維屬性，使虛擬空間的仿真更真實，更具備操作性和實時反饋能力?；凇霸钪鏀?shù)字車間”可以更真實的展現(xiàn)生產(chǎn)要素在生產(chǎn)過程的發(fā)展變化，特別是依托全息成像、VR、AR等3D顯示設(shè)備提供的設(shè)備健康、能耗管理、原材料、半成品、成品質(zhì)量監(jiān)控等；可以更準(zhǔn)確的對生產(chǎn)計劃的進行沙盤預(yù)演、預(yù)測與矯正；可以實現(xiàn)更細粒度的生產(chǎn)任務(wù)跟蹤和調(diào)度。隨著元宇宙概念的普及，元宇宙正在從娛樂、游戲等消費領(lǐng)域逐漸影響到生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是汽車這種高端消費品。

1. 立體多維生產(chǎn)過程管理

制造型企業(yè)經(jīng)過多年的信息化洗禮，現(xiàn)已形成了以CRM、BPM、PLM、ERP、SCM、MES等為核心的一系列企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，其中生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）作為生產(chǎn)執(zhí)行層，起到了上承企業(yè)管理系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)，下啟設(shè)備管理系統(tǒng)的中間橋梁作用。MES主要由生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、作業(yè)執(zhí)行管理、物料管理、設(shè)備管理、品控管理、工具管理、人員管理和數(shù)據(jù)看板主要功能構(gòu)成。但以MES系統(tǒng)中心的生產(chǎn)過程管理，依然是時間維和數(shù)據(jù)維組成的二維信息模型，是將物料清單（BOM），設(shè)備狀態(tài)，產(chǎn)品狀態(tài)等物理多維實體對象降維為二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以車間操作端的顯示器為2D呈現(xiàn)形態(tài)，以業(yè)務(wù)流程為數(shù)據(jù)串接工具的信息化模型。

傳統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行管理的信息化模型中，是將生產(chǎn)計劃和調(diào)度降維為時間和任務(wù)的信息模型。而“任務(wù)”本質(zhì)上是一組符號狀態(tài)，是幫助生產(chǎn)相關(guān)人員聚焦的抽象對象?；谠钪娴臄?shù)字化生產(chǎn)管理，則是將任務(wù)具象化，不同的生產(chǎn)任務(wù)具象化形式不盡相同，在汽車生產(chǎn)過程中，任務(wù)的具象化主要是包括：底盤、車架、發(fā)動機、整車等半成品或成品的物理生產(chǎn)對象，生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調(diào)度是通過元宇宙數(shù)字化車間的全息3D控制臺，直接將時間維度賦予多維的物理生產(chǎn)對象，生產(chǎn)計劃的中涉及的成本、物料、人員、電能、設(shè)備等生產(chǎn)要素與工期的動態(tài)調(diào)整將直接針對物理對象實現(xiàn)，從而為傳統(tǒng)MES系統(tǒng)提供全息排產(chǎn)和動態(tài)生產(chǎn)調(diào)度能力。

傳統(tǒng)制造生產(chǎn)過程監(jiān)控是通過信息系統(tǒng)看板和現(xiàn)場巡視兩種方式構(gòu)成，信息系統(tǒng)看板雖然可以通過數(shù)據(jù)呈現(xiàn)覆蓋大量生產(chǎn)實時信息，但降維后的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的抽象關(guān)系，已經(jīng)不具備物理對象屬性，無法自然暴露潛在生產(chǎn)風(fēng)險；現(xiàn)場巡視雖能直接看到物理對象的生產(chǎn)關(guān)系，但管理成本高，且缺乏對物理對象的穿透感知。利用元宇宙的數(shù)字化生產(chǎn)管理實現(xiàn)將實際物理生產(chǎn)要素映射為多維數(shù)字孿生對象模型，然后再將實際生產(chǎn)實例信息實時同步到數(shù)字孿生模型中，形成數(shù)字生產(chǎn)孿生。

生產(chǎn)過程監(jiān)控則可直接利用全息投影、VR、AR等3D透視監(jiān)控工具，對數(shù)字生產(chǎn)孿生的生產(chǎn)整體運行狀態(tài)和局部加工過程進行穿透式監(jiān)控。特別是針對汽車底盤調(diào)校、發(fā)動機安裝、車架焊接等關(guān)鍵工序，可通過元宇宙的多維視角，全方位的觀察汽車生產(chǎn)過程的質(zhì)量風(fēng)險和生產(chǎn)進度風(fēng)險。

原有數(shù)字孿生主要是針對數(shù)字化車間、設(shè)備以及產(chǎn)品數(shù)字孿生規(guī)格模型。而汽車作為一種高端消費品，在銷售后具備差異化的使用狀態(tài)特征，其生命周期也常常在15年以上。建立獨立于數(shù)字孿生車間而存在的汽車實例產(chǎn)品孿生，可將數(shù)字化管理模型繼續(xù)向消費級產(chǎn)品擴展。利用元宇宙多方參與、海量創(chuàng)作和分布式數(shù)據(jù)存儲特點，不僅在車輛規(guī)格級別建立全息數(shù)字孿生規(guī)格模型，還為每輛出廠的車輛建立1：1的全息實例級數(shù)字孿生。

全息實例級數(shù)字孿生將跟隨車輛出廠-使用-保養(yǎng)-維修-報廢等活動，在汽車制造廠商、4S店、消費者、車管所之間實現(xiàn)流轉(zhuǎn)和交易，并為車輛提供全生命周期的數(shù)據(jù)采集、更新和升級。在售后服務(wù)過程中，消費者、維修人員和車輛管理人員都可利用AR工具，對車輛的規(guī)格數(shù)據(jù)和使用實例數(shù)據(jù)進行透視檢查和維護。

2. 利用3D顯示技術(shù)提供汽車制造數(shù)字化車間設(shè)備健康管理

目前，汽車數(shù)字化、自動化生產(chǎn)線已經(jīng)在車企中普及，例如：上汽大眾MEB工廠始建于2018年，該工廠已實現(xiàn)84%自動化生產(chǎn)，有946臺機器人，加工深度67%。擁有立體在制品庫存系統(tǒng)，極大程度上縮減了空間成本、減少了人力，依靠RFID技術(shù)可以實現(xiàn)每一輛車每一個生產(chǎn)工藝的實時監(jiān)控。大量計算機、自動化設(shè)備、機器人涌入汽車生產(chǎn)流水線，代替人工裝配、噴涂等，從而構(gòu)成數(shù)字化、自動化車間。數(shù)字化車間設(shè)備的故障預(yù)測和健康則需要7*24小時不間斷的實時監(jiān)控和預(yù)警。

數(shù)字孿生為機器人建立動作行為模型，通過攝像設(shè)備捕捉裝配機器人動作，并利用圖像動態(tài)數(shù)據(jù)與行為模型對照，檢查其動作穩(wěn)定性；為關(guān)鍵核心設(shè)備建立物理模型，通過在齒輪箱、電機、軸承等關(guān)鍵設(shè)備上安裝傳感器，利用溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、震動等數(shù)據(jù)與物理模型的對照，監(jiān)控設(shè)備的健康程度；為噴涂設(shè)備建立化學(xué)模型，通過化學(xué)傳感器實時采集油漆倉化學(xué)數(shù)據(jù)，并與化學(xué)模型對照，檢查化學(xué)穩(wěn)定性。數(shù)字孿生將制造車間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)字化到虛擬數(shù)據(jù)中，通過的數(shù)據(jù)行為和規(guī)則的比對分析，快速捕捉潛在故障。

數(shù)字孿生建立的數(shù)字化車間是通過將真實車間的設(shè)備降維為二維數(shù)字化空間，利用計算設(shè)備復(fù)制重建設(shè)備的幾何、物理、化學(xué)、行為等屬性。而數(shù)字孿生下的數(shù)字化車間依然還是二維和局部顯示的。通過元宇宙對數(shù)字孿生賦予三維圖像的采集、處理和顯示能力，則可將數(shù)字化車間中的二維數(shù)據(jù)升維到三維數(shù)據(jù)，更加逼真和全面的構(gòu)建全息3D數(shù)字化車間。

首先，利用3D激光掃描儀器將現(xiàn)實車間的布局、構(gòu)造、設(shè)備等的幾何數(shù)據(jù)采集并建立元宇宙車間的靜態(tài)3D模型；其次，將數(shù)字孿生機器人動作行為模型、核心設(shè)備物流模型、噴涂設(shè)備的化學(xué)模型，導(dǎo)入并重建其三維行為、規(guī)則屬性，建立元宇宙車間的動態(tài)3D模型。

利用全息投影將數(shù)字車間的動態(tài)3D模型投放到監(jiān)控沙盤上，車間管理者可360度觀察車間現(xiàn)場運營實況，也可回放過去動態(tài)圖?；谌⑼队凹夹g(shù)的元宇宙數(shù)字車間將實體車間的總體和局部全方位的呈現(xiàn)在管理者面前，管理者可通過3D透視影像，觀察由幾何、物理、化學(xué)、行為等數(shù)字模型構(gòu)造的汽車部件制造和總裝流水線上的微觀細節(jié)。元宇宙數(shù)字車間將大幅降低設(shè)備巡檢和健康管理的人員和成本。同時，當(dāng)巡檢員帶上AR設(shè)備在設(shè)備現(xiàn)場檢查和維護時，可實現(xiàn)對該設(shè)備生產(chǎn)、安裝、運行、維護等全生命周期的信息的現(xiàn)場實時呈現(xiàn)，AR設(shè)備也能對潛在生產(chǎn)風(fēng)險進行預(yù)警。

基于元宇宙汽車制造數(shù)字車間，對于全自動化、全數(shù)字化的車輛總裝流水線具備良好的兼容性，利用現(xiàn)有的數(shù)字孿生車間的機理模型即可擴展至元宇宙數(shù)字車間。元宇宙數(shù)字車間具備更逼真的人機交互和更全面的數(shù)字化呈現(xiàn)，更具備生產(chǎn)微觀監(jiān)控的穿透性，必然是未來智能制造的不可獲取的基礎(chǔ)設(shè)施。

3. 基于元宇宙的整車出廠數(shù)字化檢驗

檢驗是指利用工具、儀器或其他分析方法檢查原材料、半成品、成品是否符合特定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格的過程。整車出廠檢驗是對總裝完成的每輛車輛進行符合性、功能性等多項客觀測評，是對零部件組裝后的一個新系統(tǒng)的評價，也是車輛出廠前的最后一道工序。對檢驗合格車輛直接出具合格證明，最后進行交付入庫。對有故障的車輛需要進行故障排查，重新復(fù)檢合格后才能出具合格證明。

整車出廠檢驗是汽車制造廠商對車輛質(zhì)量保障的最后一道把關(guān)，直接關(guān)系著消費者生命財產(chǎn)安全和道路交通安全，一直以來都處于非常重要的地位。

雖然，大量采用全自動化的汽車總裝流水線的生產(chǎn)下線可以用分鐘級來衡量，以特斯拉上海超級工廠為例，在2022年，Model Y生產(chǎn)線大約可以每34秒能下線一臺車，而Model 3生產(chǎn)線大約可以在55秒下線一臺車。但是，在最后出廠檢驗時，車輛光做淋雨試驗一項就要花費5分鐘，可以說整車出廠檢驗的效率決定了汽車真正的生產(chǎn)效率。

中國的整車出廠執(zhí)行強制的出廠檢驗規(guī)定，檢驗內(nèi)容主要包括：外觀、內(nèi)裝和車門檢查，電器檢查，四輪定位、大燈調(diào)整，側(cè)滑試驗，輪轂檢測、車速表校準(zhǔn)，底盤檢查、尾氣分析，淋雨試驗，路試檢查等。雖然各級別和各廠家在檢驗項目上略有差異，但主要的靜態(tài)檢驗和動態(tài)檢驗基本都必須涵蓋。

目前，各廠家為提高整車出廠檢驗效率，也通過建立綜合檢驗臺、流水線自動檢驗等方式提高檢驗速度，例如：將四輪定位檢測臺、軸重測量臺、制動性能檢查臺、側(cè)滑檢測臺、尾氣檢測臺、燈光檢測臺、淋雨房等設(shè)備布置為流水檢驗線，通過淋雨測試后開出檢驗線并展開路試。通過自動化流水檢驗線提高了檢驗速度，但并未解決汽車物理實體檢驗所必需的時間。例如：淋雨測試和路試等。

采用基于元宇宙的數(shù)字化整車檢驗，將構(gòu)建一個數(shù)字化、虛擬化的車輛檢驗室，檢驗室由車輛全息數(shù)字孿生規(guī)格數(shù)據(jù)、車輛全息數(shù)字孿生實例數(shù)據(jù)和模擬檢驗場景數(shù)據(jù)構(gòu)成。車輛全息數(shù)字孿生規(guī)格數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)物理車輛的3D數(shù)字化孿生，是車輛產(chǎn)品規(guī)格和國家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化對照模型；車輛全息數(shù)字孿生實例數(shù)據(jù)，則是數(shù)字車間生產(chǎn)線下線后根據(jù)車輛物理實際數(shù)據(jù)生成的車輛孿生模型實例；在數(shù)字化整車檢驗過程中，通過對車輛全息數(shù)字孿生實例數(shù)據(jù)與車輛全息數(shù)字孿生規(guī)格數(shù)據(jù)的自動化對照完成車輛出廠的靜態(tài)檢驗；通過對路況、天氣、駕駛等場景的數(shù)字化模擬，實現(xiàn)車輛出廠的動態(tài)檢驗。

基于元宇宙的數(shù)字化整車檢驗，不僅可以節(jié)省檢驗成本，提高檢驗效率，更重要的是可以通過海量的動態(tài)場景模擬，全方位的檢驗車輛的安全性和性能。未來車輛全息數(shù)字孿生實例數(shù)據(jù)還可同車輛車載電腦的實際使用數(shù)據(jù)進行實時對照，為消費者提供全生命周期的車輛狀態(tài)和安全風(fēng)險預(yù)警。

（未完待續(xù)）

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