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(fèi)大國地位。其中，新能源汽車產(chǎn)銷量呈高速增長(zhǎng)勢(shì)頭，全年銷量為136.7萬輛，同比增長(zhǎng)10.9%，連續(xù)六年位居全球第一，動(dòng)力電池、電驅(qū)動(dòng)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(dòng)化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動(dòng)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(jì)劃到2025年，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛汽車在限定區(qū)域和特定場(chǎng)景商業(yè)化應(yīng)用，充換電服務(wù)便利性顯著提高。力爭(zhēng)到2035年純電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流，公共領(lǐng)域用車全面實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，高度自動(dòng)駕駛汽車實(shí)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(jìn)，有效促進(jìn)節(jié)能減排水平和社會(huì)運(yùn)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(qiáng)國的必經(jīng)之路，也是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和、建設(shè)綠色清潔世界、推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體發(fā)展的國家級(jí)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(shí)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(zhēng)先布局元宇宙，理想、蔚來、小鵬、吉利汽車先后對(duì)元宇宙商標(biāo)進(jìn)行了申請(qǐng)注冊(cè)；上汽集團(tuán)則一口氣申請(qǐng)了100個(gè)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(gè)主題，BMW集團(tuán)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(jì)、電動(dòng)交通、城市交通和可持續(xù)性。現(xiàn)代汽車也在Roblox平臺(tái)上發(fā)布了一款展示現(xiàn)代汽車創(chuàng)新車型和未來移動(dòng)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(jìn)行車輛展示以及溝通互動(dòng)。 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(fèi)空間，為用戶賦予虛實(shí)共生世界，則是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。本文計(jì)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(yàn)視角》兩篇文章介紹汽車產(chǎn)業(yè) 元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景和意義。 汽車研發(fā)制造是一個(gè)涵蓋材料科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、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(jì)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(jī)、數(shù)字樣機(jī)、全功能虛擬樣機(jī)等在汽車產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，大量虛擬樣機(jī)被應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)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(jí)，加快實(shí)體產(chǎn)業(yè)與虛擬經(jīng)濟(jì)融合，實(shí)現(xiàn)汽車元宇宙虛實(shí)共生目標(biāo)的關(guān)鍵。 一、元宇宙 汽車研發(fā)汽車研發(fā)簡(jiǎn)單說可以分為：概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備等三個(gè)階段。概念設(shè)計(jì)階段包括：市場(chǎng)情報(bào)信息分析與規(guī)劃，造型設(shè)計(jì)，汽車總體設(shè)計(jì)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)，汽車概念模型設(shè)計(jì)，目標(biāo)車型分析等步驟。工程設(shè)計(jì)包括：車身設(shè)計(jì)、儀表板與內(nèi)外飾設(shè)計(jì)、底盤平臺(tái)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、性能分析、整車及零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化、CAE分析、數(shù)字化電子樣車設(shè)計(jì)（DMU）。生產(chǎn)準(zhǔn)備包括：整車與零部件性能與工程評(píng)價(jià)、生產(chǎn)工藝分析、樣車試制和試驗(yàn)、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(shì)，將為汽車設(shè)計(jì)、研發(fā)提供全新數(shù)字化體驗(yàn)。 1. 提高汽車工程設(shè)計(jì)的數(shù)字化和構(gòu)件化目前，由于數(shù)字孿生在物理對(duì)象和虛擬對(duì)象的映射過程中，需要大量對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化建模，受限于與物理對(duì)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(hù)成本高昂，大都全面用于航天、航空、船舶等價(jià)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(jī)生產(chǎn)過程中，用于改進(jìn)工藝流程，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量；中國航天科工集團(tuán)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(fèi)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(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)型等關(guān)系。層次型關(guān)系是單個(gè)零部件孿生體與多個(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)型關(guān)系是對(duì)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(chǎng)景，數(shù)字孿生構(gòu)件數(shù)量有限，映射、生成、維護(hù)數(shù)字孿生構(gòu)件的機(jī)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(chǎng)景中應(yīng)用，限制了進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)數(shù)字化。 元宇宙具備社會(huì)化、全員海量創(chuàng)作屬性，可以在汽車產(chǎn)業(yè)的個(gè)人（工作室）、設(shè)計(jì)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(huì)化的數(shù)字孿生構(gòu)件設(shè)計(jì)、生成、交易、維護(hù)、測(cè)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(shí)現(xiàn)從小到大的積木式數(shù)字對(duì)象堆砌；利用元宇宙社會(huì)化對(duì)等交易網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生構(gòu)件的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)師們的終極設(shè)計(jì)利器，相較于傳統(tǒng)紙筆、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）、膠泥模型等設(shè)計(jì)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是下一代設(shè)計(jì)工具。 汽車作為一個(gè)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(jì)外，其功能性部件早已實(shí)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(diǎn)。在操作型全息投影設(shè)計(jì)工具的加持下，能更高效地對(duì)不同功能性部件進(jìn)行組裝設(shè)計(jì)和測(cè)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(shí)現(xiàn)“所見即所得”的設(shè)計(jì)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(yuǎn)未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段。英國格拉斯哥大學(xué)的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shì)識(shí)別模塊和觸覺反饋設(shè)備等三個(gè)組件構(gòu)成，其核心是利用名為: Aerohaptics的氣動(dòng)反饋系統(tǒng)，當(dāng)用戶操縱虛擬物體時(shí)，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(shí)它還提供位置和強(qiáng)度控制，以適應(yīng)各種交互場(chǎng)景。
氣動(dòng)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(jì)體驗(yàn)將使設(shè)計(jì)師愛不釋手，使設(shè)計(jì)工作變得更加有趣和高效。人類的設(shè)計(jì)工作從實(shí)物設(shè)計(jì)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、再到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，最終將突破物理瓶頸實(shí)現(xiàn)全息3D的虛擬化設(shè)計(jì)階段。 3. 數(shù)模模型設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證在工業(yè)設(shè)計(jì)中，利用數(shù)字孿生技術(shù)提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并通過虛擬仿真試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)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(jì)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)景。目前，在汽車產(chǎn)品的數(shù)字模型設(shè)計(jì)方面，首先，常使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具（CAD）設(shè)計(jì)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(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行一系列可重復(fù)、可變物理參數(shù)、可加速的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)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(yàn)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(jì)。這種在設(shè)計(jì)階段就驗(yàn)證產(chǎn)品的適應(yīng)性，并通過仿真找尋缺陷，對(duì)產(chǎn)品的性能和表現(xiàn)進(jìn)行不斷優(yōu)化的設(shè)計(jì)概念已經(jīng)被廣泛地在汽車設(shè)計(jì)行業(yè)中應(yīng)用[8]。 特別是在車輛抗毀傷性能評(píng)估中，虛擬化評(píng)估手段將極大降低評(píng)估成本、擴(kuò)大評(píng)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(huì)對(duì)車輛造成不同程度的傷害，因此需要對(duì)車輛進(jìn)行抗毀傷性能評(píng)估。現(xiàn)階段對(duì)其毀傷評(píng)估一般采用物理模擬毀傷的方式，但是這種方式費(fèi)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(jiǎn)稱“中汽研”)的 C-NCAP，中保研汽車技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱中保研）的C-IASI等都是采用實(shí)車物理抗毀測(cè)試。 北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(píng)估方法，從材料、結(jié)構(gòu)、部件及功能等多維度對(duì)車輛的抗毀傷性能進(jìn)行虛擬數(shù)字化綜合評(píng)價(jià)。其通過對(duì)實(shí)體車輛與虛擬車輛的實(shí)時(shí)信息交互與雙向真實(shí)映射，實(shí)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(píng)估的服務(wù)。將虛擬驗(yàn)證與實(shí)體實(shí)驗(yàn)有機(jī)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(yàn)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(dòng)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(dòng)態(tài)的車輛性能以及安全性虛擬測(cè)試。 通過對(duì)元宇宙數(shù)字環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)變化和突發(fā)事故模擬檢驗(yàn)車輛在材料、總體結(jié)構(gòu)、部件、功能方面是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。基于元宇宙的虛擬驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛的材料性能、結(jié)構(gòu)變化、部件完整性以及功能運(yùn)行進(jìn)行精確的仿真，從而對(duì)車輛的設(shè)計(jì)性能進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與可靠評(píng)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(shí)技術(shù)，將整個(gè)驗(yàn)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(yàn)證。 4. 助力汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)服務(wù)商品化目前，汽車整車設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)主要以汽車制造商的設(shè)計(jì)部門和研究院為主，但是近年來，也活躍著一些獨(dú)立設(shè)計(jì)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(jì)同捷、阿爾特、長(zhǎng)城華冠等。但由于汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)公司受限于工程設(shè)計(jì)上的劣勢(shì)，主要是以概念設(shè)計(jì)為主，且主要為汽車制造商提供外觀設(shè)計(jì)，例如：ItalDesign Giugiaro為奧迪提供設(shè)計(jì)；Ghia為福特提供設(shè)計(jì)等。由于汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)企業(yè)與車企的設(shè)計(jì)部門存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)企業(yè)一直以來處于夾縫中生存，市場(chǎng)前景并不樂觀。 元宇宙為汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)、底盤平臺(tái)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等構(gòu)件化，通過構(gòu)件的組合利用，可彌補(bǔ)汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)公司在工程設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)缺少。其次，元宇宙中VR、AR、MR等視覺系統(tǒng)將汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)公司原有的2D靜態(tài)設(shè)計(jì)稿，提升至3D動(dòng)態(tài)汽車模型，外觀、內(nèi)飾、底盤平臺(tái)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的穿透性。最后，汽車獨(dú)立設(shè)計(jì)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(píng)測(cè)等直接模型和素材，通過元宇宙的數(shù)字化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)的商品化和服務(wù)化。 5. 樣車評(píng)估從設(shè)計(jì)者評(píng)價(jià)到用戶評(píng)價(jià)2016年，達(dá)索系統(tǒng)公司針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3DExperience平臺(tái)，利用用戶交互反饋的信息不斷改進(jìn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，并反饋到物理實(shí)體產(chǎn)品中。2018年5月，達(dá)索航空公司將3DExperience平臺(tái)用于新型戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)，以及“陣風(fēng)”系列戰(zhàn)斗機(jī)和“隼”式商務(wù)客機(jī)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(jī)研制中采用該平臺(tái)。[6] 類似通過用戶對(duì)樣車的動(dòng)態(tài)反饋，實(shí)現(xiàn)類似軟件項(xiàng)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(tái)中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹蛙浖邪l(fā)行業(yè)相比，車輛是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的物理實(shí)體，其無法通過互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)直接實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反饋。常見的車企客服回訪、問卷調(diào)查無法細(xì)致的記錄用戶真實(shí)反饋細(xì)節(jié)。 元宇宙建立的虛實(shí)共生體，是將車輛物理實(shí)例對(duì)象和虛擬實(shí)例對(duì)象之間建立了一對(duì)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(dòng)態(tài)反饋到車企平臺(tái)的虛擬對(duì)象中，車企對(duì)于樣車的虛擬對(duì)象可以進(jìn)行一對(duì)一的詳細(xì)觀測(cè)，車輛在用戶實(shí)際使用過程中材料、總體結(jié)構(gòu)、部件、功能方面的細(xì)微擾動(dòng)都將被穿透式的記錄和分析。對(duì)于用戶的主觀評(píng)價(jià)，車企將建立車輛物理實(shí)例對(duì)象和虛擬規(guī)格對(duì)象之間建立多對(duì)一的直接映射，用戶對(duì)樣車的外觀、性能、安全性等主觀期望和評(píng)價(jià)，將動(dòng)態(tài)綜合的反饋到樣車的虛擬規(guī)格對(duì)象中，從而實(shí)現(xiàn)樣車評(píng)估從設(shè)計(jì)者自評(píng)價(jià)到用戶評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)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(tái)”，將實(shí)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(jì)，應(yīng)用數(shù)字孿生等新技術(shù)后，每架 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)周期將從目前的22個(gè)月縮短到17個(gè)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(cè)和維護(hù)，船舶全生命周期管理、復(fù)雜機(jī)電裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理，汽車抗毀傷測(cè)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。“數(shù)字孿生車間”主要通過對(duì)傳統(tǒng)車間管理的生產(chǎn)要素、生產(chǎn)計(jì)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(dòng)的虛擬仿真車間，實(shí)現(xiàn)物理車間與虛擬車間的雙向映射、實(shí)時(shí)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。“數(shù)字孿生車間”的特點(diǎn)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)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(duì)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(shí)，更具備操作性和實(shí)時(shí)反饋能力。基于“元宇宙數(shù)字車間”可以更真實(shí)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(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的進(jìn)行沙盤預(yù)演、預(yù)測(cè)與矯正；可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)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(fèi)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(fèi)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(jì)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(shí)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(shí)體對(duì)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(jì)劃和調(diào)度降維為時(shí)間和任務(wù)的信息模型。而“任務(wù)”本質(zhì)上是一組符號(hào)狀態(tài)，是幫助生產(chǎn)相關(guān)人員聚焦的抽象對(duì)象。基于元宇宙的數(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(dòng)機(jī)、整車等半成品或成品的物理生產(chǎn)對(duì)象，生產(chǎn)計(jì)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(tái)，直接將時(shí)間維度賦予多維的物理生產(chǎn)對(duì)象，生產(chǎn)計(jì)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(dòng)態(tài)調(diào)整將直接針對(duì)物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)，從而為傳統(tǒng)MES系統(tǒng)提供全息排產(chǎn)和動(dòng)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(chǎng)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(shí)時(shí)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(duì)象屬性，無法自然暴露潛在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；現(xiàn)場(chǎng)巡視雖能直接看到物理對(duì)象的生產(chǎn)關(guān)系，但管理成本高，且缺乏對(duì)物理對(duì)象的穿透感知。利用元宇宙的數(shù)字化生產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)將實(shí)際物理生產(chǎn)要素映射為多維數(shù)字孿生對(duì)象模型，然后再將實(shí)際生產(chǎn)實(shí)例信息實(shí)時(shí)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(duì)數(shù)字生產(chǎn)孿生的生產(chǎn)整體運(yùn)行狀態(tài)和局部加工過程進(jìn)行穿透式監(jiān)控。特別是針對(duì)汽車底盤調(diào)校、發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiǎn)和生產(chǎn)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。 原有數(shù)字孿生主要是針對(duì)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(fèi)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(dú)立于數(shù)字孿生車間而存在的汽車實(shí)例產(chǎn)品孿生，可將數(shù)字化管理模型繼續(xù)向消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品擴(kuò)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(chǔ)特點(diǎn)，不僅在車輛規(guī)格級(jí)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(shí)例級(jí)數(shù)字孿生。 全息實(shí)例級(jí)數(shù)字孿生將跟隨車輛出廠-使用-保養(yǎng)-維修-報(bào)廢等活動(dòng)，在汽車制造廠商、4S店、消費(fèi)者、車管所之間實(shí)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(jí)。在售后服務(wù)過程中，消費(fèi)者、維修人員和車輛管理人員都可利用AR工具，對(duì)車輛的規(guī)格數(shù)據(jù)和使用實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行透視檢查和維護(hù)。 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(dòng)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(shí)現(xiàn)84%自動(dòng)化生產(chǎn)，有946臺(tái)機(jī)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(shí)現(xiàn)每一輛車每一個(gè)生產(chǎn)工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控。大量計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)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(dòng)化車間。數(shù)字化車間設(shè)備的故障預(yù)測(cè)和健康則需要7*24小時(shí)不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。 數(shù)字孿生為機(jī)器人建立動(dòng)作行為模型，通過攝像設(shè)備捕捉裝配機(jī)器人動(dòng)作，并利用圖像動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與行為模型對(duì)照，檢查其動(dòng)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(jī)、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(dòng)等數(shù)據(jù)與物理模型的對(duì)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(shí)時(shí)采集油漆倉化學(xué)數(shù)據(jù)，并與化學(xué)模型對(duì)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(duì)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(shí)車間的設(shè)備降維為二維數(shù)字化空間，利用計(jì)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(duì)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(shí)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(jī)器人動(dòng)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(dòng)態(tài)3D模型。 利用全息投影將數(shù)字車間的動(dòng)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(chǎng)運(yùn)營實(shí)況，也可回放過去動(dòng)態(tài)圖。基于全息投影技術(shù)的元宇宙數(shù)字車間將實(shí)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(xì)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(shí)，當(dāng)巡檢員帶上AR設(shè)備在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢查和維護(hù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等全生命周期的信息的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，AR設(shè)備也能對(duì)潛在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。 基于元宇宙汽車制造數(shù)字車間，對(duì)于全自動(dòng)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(jī)理模型即可擴(kuò)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(jī)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(yàn)檢驗(yàn)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(yàn)是對(duì)總裝完成的每輛車輛進(jìn)行符合性、功能性等多項(xiàng)客觀測(cè)評(píng)，是對(duì)零部件組裝后的一個(gè)新系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，也是車輛出廠前的最后一道工序。對(duì)檢驗(yàn)合格車輛直接出具合格證明，最后進(jìn)行交付入庫。對(duì)有故障的車輛需要進(jìn)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(yàn)是汽車制造廠商對(duì)車輛質(zhì)量保障的最后一道把關(guān)，直接關(guān)系著消費(fèi)者生命財(cái)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(dòng)化的汽車總裝流水線的生產(chǎn)下線可以用分鐘級(jí)來衡量，以特斯拉上海超級(jí)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(tái)車，而Model 3生產(chǎn)線大約可以在55秒下線一臺(tái)車。但是，在最后出廠檢驗(yàn)時(shí)，車輛光做淋雨試驗(yàn)一項(xiàng)就要花費(fèi)5分鐘，可以說整車出廠檢驗(yàn)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(qiáng)制的出廠檢驗(yàn)規(guī)定，檢驗(yàn)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(yàn)，輪轂檢測(cè)、車速表校準(zhǔn)，底盤檢查、尾氣分析，淋雨試驗(yàn)，路試檢查等。雖然各級(jí)別和各廠家在檢驗(yàn)項(xiàng)目上略有差異，但主要的靜態(tài)檢驗(yàn)和動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)基本都必須涵蓋。 目前，各廠家為提高整車出廠檢驗(yàn)效率，也通過建立綜合檢驗(yàn)臺(tái)、流水線自動(dòng)檢驗(yàn)等方式提高檢驗(yàn)速度，例如：將四輪定位檢測(cè)臺(tái)、軸重測(cè)量臺(tái)、制動(dòng)性能檢查臺(tái)、側(cè)滑檢測(cè)臺(tái)、尾氣檢測(cè)臺(tái)、燈光檢測(cè)臺(tái)、淋雨房等設(shè)備布置為流水檢驗(yàn)線，通過淋雨測(cè)試后開出檢驗(yàn)線并展開路試。通過自動(dòng)化流水檢驗(yàn)線提高了檢驗(yàn)速度，但并未解決汽車物理實(shí)體檢驗(yàn)所必需的時(shí)間。例如：淋雨測(cè)試和路試等。 采用基于元宇宙的數(shù)字化整車檢驗(yàn)，將構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化、虛擬化的車輛檢驗(yàn)室，檢驗(yàn)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(shí)例數(shù)據(jù)和模擬檢驗(yàn)場(chǎng)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(duì)照模型；車輛全息數(shù)字孿生實(shí)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(shí)際數(shù)據(jù)生成的車輛孿生模型實(shí)例；在數(shù)字化整車檢驗(yàn)過程中，通過對(duì)車輛全息數(shù)字孿生實(shí)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(dòng)化對(duì)照完成車輛出廠的靜態(tài)檢驗(yàn)；通過對(duì)路況、天氣、駕駛等場(chǎng)景的數(shù)字化模擬，實(shí)現(xiàn)車輛出廠的動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)。 基于元宇宙的數(shù)字化整車檢驗(yàn)，不僅可以節(jié)省檢驗(yàn)成本，提高檢驗(yàn)效率，更重要的是可以通過海量的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬，全方位的檢驗(yàn)車輛的安全性和性能。未來車輛全息數(shù)字孿生實(shí)例數(shù)據(jù)還可同車輛車載電腦的實(shí)際使用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)照，為消費(fèi)者提供全生命周期的車輛狀態(tài)和安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。 （未完待續(xù)） 參考文獻(xiàn)： 工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心.《中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展年報(bào)2021》. 國務(wù)院辦公廳. 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