智能制造關鍵技術(元宇宙關鍵技術與應用場景)

元宇宙與前沿技術

元宇宙是按照物理世界運行規律，打造成的數字虛擬空間。元宇宙基于互聯網而生，是由無數個虛擬世界/數字內容組成的不斷碰撞并且膨脹的數字宇宙，區塊鏈等新一代信息技術形成元宇宙技術體系的重要組成部分。

1、區塊鏈+元宇宙

區塊鏈是一種分布式共享賬本技術，是通過分布式節點記錄每一條信息并在全網大部分節點達成共識，實現信息的可信、共識和防篡改。一方面，區塊鏈基于點對點（P2P）的網絡技術架構，使得每個參與節點之間的信息共享不依賴中心化服務器，并通過分布式存儲技術的運用使得每個節點都可以獲得最新的賬本。另一方面，區塊鏈采用非對稱密碼學原理對記錄的信息進行加密，運用數字簽名機制進行身份驗證，實現了鏈上信息的安全可信。

同現實宇宙一樣，身份系統必然是元宇宙有序運轉的核心基礎，只有保證了元宇宙身份的唯一，才能實現現實宇宙到元宇宙的可信映射。當前信息系統的數字身份主要為中心化系統，依賴于可信第三方的背書與服務，存在身份隱私泄露、身份盜用冒用等問題，且明顯不足以支撐元宇宙大規模虛擬實體的廣泛交互。基于區塊鏈的數字身份系統，通過分布式對象標識體系，可以標識任何實體，包括個人，機構，組織，關系以及事物等實體，實現分布式數字身份體系，同時可以加強數字身份的隱私保護。經濟價值是支撐元宇宙大規模持久運行的關鍵。區塊鏈技術具備交易支付能力，能夠實現點對點的價值傳遞，可以為元宇宙提供價值系統，實現交易支付、實時清算、分配激勵等能力，支撐元宇宙廣泛而頻繁的價值交易活動。基于區塊鏈的交易支付在滿足虛擬空間需求的同時，也要符合國家的金融和監管規則。基于區塊鏈的實時清算，利用區塊鏈的不易篡改性，建立了多主體之間的可信賬本，通過區塊鏈上的智能合約進行自動清結算，實現價值的即時傳遞和固化，顯著提高跨域清算的效率。基于區塊鏈的分配激勵機制，以智能合約技術為核心，通過預定規則確定分配模式，可以實現條件滿足情況的自動價值分配，支撐元宇宙包括數據、技術、虛擬土地、虛擬勞動等要素的有效協同。

2、物聯網+元宇宙

物聯網技術涉及感知、控制、網絡通信、嵌入式系統等領域，具體包括感知技術、網絡通信技術、應用技術、共性技術、支撐技術等五類。感知層技術通過傳感器將物理世界中的物理量、化學量、生物量轉化成可供處理的數字信號，通過識別技術實現對物聯網中物體標識和位置信息的獲取；網絡通信技術用以實現物聯網數據信息和控制信息的雙向傳遞、路由和控制；應用技術運用高性能計算、人工智能、數據庫和模糊計算等技術，對收集的感知數據進行通用處理，及將應用程序的不同功能單元通過定義良好的接口和調用方式聯系起來，實現快速可重用的組件開發和部署；支撐技術包括嵌入式系統、微機電微機電系統（MEMS）、軟件和算法、電源和儲能、新材料技術等；共性技術包括物聯網架構技術、標識和解析技術、安全和隱私技術、網絡管理技術等。

物聯網技術是元宇宙連接現實世界的入口和通道，是元宇宙核心支持技術之一。物聯網利用現實世界的信息傳感設備對現實世界進行感知和識別，通過控制設備對現實世界進行反饋和影響，通過網絡傳輸互聯將設備物品與元宇宙連接，進行信息的交換、處理與計算。物聯網為物與物、物與人的泛在連接提供支撐，實現元宇宙與現實世界的交互和無縫鏈接。

物聯網的感知技術，可以真實、準確的向元宇宙中提供現實世界的狀態。多種感知技術可以結合視頻分析、人工智能技術，在元宇宙中準確還原現實世界，使得元宇宙實現真正的沉浸式體驗，并在元宇宙中獲得現實世界的完整信息，有助于實現真正的“虛實結合”，在數字世界中跨越現實世界的限制。同時，物聯網也是元宇宙中動作和操作向現實世界反饋的手段。元宇宙中在映射現實世界的基礎上，可以進行操作，進而影響現實世界。例如，以元宇宙實現數字工廠，工人在元宇宙中對虛擬儀器設備進行操控，而這些操控通過物聯網技術反饋給真實的設備。

3、人機交互+元宇宙

人機交互技術是指VR/AR/MR等多維沉浸式交互技術，主要用于元宇宙的沉浸式的交互體驗。VR技術提供沉浸式體驗，通過接管人類的視覺、聽覺、觸覺、體感等感官以及動作捕捉來實現信息輸入輸出，使使用者產生身臨其境的臨場感；AR技術可以在現實世界的基礎上疊加一層虛擬信息，從而實現對物理世界的增強；MR/XR可以實現虛擬與真實之間的部分保留與自由切換，實現現實環境與虛擬環境的相互融合；腦機接口技術通過捕捉和解析大腦發出的信號為實體聯通元宇宙提供了渠道。

人機交互技術的成熟是進入元宇宙的前提條件，沉浸式交互設備是進入元宇宙的入口，負責提供完全真實、持久與順暢的交互體驗，是元宇宙與真實世界的橋梁。沉浸式交互設備主要包括AR/VR設備，以及配套的體感設備、全景視頻設備、三維聲音頻設備、操控設備等。高質量的AR/VR設備除了實現圖像識別、空間定位、手勢交互、眼球追蹤、動捕捕捉、語音交互、腦機交互等交互技術外，還需要全景視頻、沉浸式音頻等基礎技術支撐。隨著VR/AR技術持續進步，Oculus Quest、Valve Index等消費級VR設備發售，尤其是Facebook推出的Oculus Quest帶來體驗的大幅提升；VR/AR產業鏈各環節成熟度提升：消費級VR設備需求增長強勁，爆款VR游戲如Half-Life：Alyx等涌現。整個互聯網生態圈進入VR/AR+元宇宙的新硬件時代，沉浸式交互設備將進一步延伸硬件作為人在元宇宙中的“器官”的功能性。

目前的人機交互技術和設備發展主要有兩個方向。VR技術強調虛擬，目的是提供一個完全的虛擬化三維空間，令用戶深度沉浸其中，其關鍵在于如何通過定位與虛擬場景渲染以實現用戶“以假亂真”的沉浸體驗，當下主流VR頭顯技術已經可以通過用戶位置定位，利用雙目視差分別為用戶左右眼提供不同的顯示畫面，已達到欺騙視覺中樞、制造幻象的目的。VR設備生態趨于階段性成熟，VR產品已逐步進入消費級層次，憑借消費級硬件產品、爆款VR游戲逐步向C端市場滲透。VR內容及應用也開始發力，其中游戲內容生態已形成爆款游戲驅動用戶增長以及用戶反哺游戲內容豐富的良性循環；AR技術尚存在一定難點，AR更強調與現實交互，目的是為用戶提供在真實環境中的輔助性虛擬物體，本質是用戶視野內現實世界的延伸。AR關鍵是如何在虛擬環境里重構現實世界的物體，AR設備通過測量用戶與真實場景中物體的距離并重構，實現虛擬物體與現實場景的交互。AR技術目前滯后于VR技術2-3年，AR設備仍然處于發展初期，其產品形態、價格尚未達消費級水平。

隨著人機交互技術的發展，未來人們在網絡空間或虛擬現實結合的空間內工作、娛樂、消費等體驗或許會有根本性改變，特別是溝通互動形式由屏幕互動向空間互動轉變,AR/VR內容也會進一步豐富。未來元宇宙時代真正到來之時，接入方式會變得更加多元化，頭戴式顯示設備、智能可穿戴設備、智能手機等沉浸式交互設備接入速度和穩定性也會有本質提升，有望全面普及；用戶也可以通過虛擬化身、仿真機器人實現元宇宙的沉浸式交互。

4、人工智能+元宇宙

人工智能是指使機器能夠從經驗中學習并執行各種任務的理論和技術。人工智能應用的實現方式主要依靠機器學習、深度學習、增強學習等，通過不同算法使機器能夠利用從數據（經驗）中提取的知識進行學習并不斷提高性能，其長處在于挖掘數據中的規律，實現通過智能化代替人們完成高重復度和高精細度的工作。人工智能可用于元宇宙的環境渲染和內容創建，可以在數字世界模擬出沉浸式的體驗，同時減輕元宇宙開發者的工作量。

目前，人工智能研究主要集中在計算機視覺、自然語言處理、智能語音等領域，這些領域與元宇宙也息息相關。具體來說，在元宇宙場景下，計算機視覺技術加速生成細致的數字孿生，呈現更真實的場景，也能夠幫助人機交互捕捉人體細節，實現更精準的映射；自然語言處理技術使元宇宙系統能夠真正理解用戶指令，給予智能化反饋，使用戶與元宇宙客體的互動更符合自然邏輯；智能語音技術提供更直接的交互體驗，使元宇宙交互方式脫離實體設備。除此之外，元宇宙通過人工智能技術來建立高擬真度的數字替身和虛擬人物，以及自動生成各種虛擬內容來豐富元宇宙。

虛擬內容是元宇宙的基本組成部分，包括虛擬環境、虛擬物體和數字人等。通過內容生成框架創建的事物和游戲引擎，經實時渲染后的畫面提供沉浸式體驗。創建虛擬內容有兩種方法，基于內容生成框架的方法依賴于內容生成框架提供的工具，將預設的子內容組合成復雜場景，充分反映創建者的思想；自動生成內容的方法主要依靠生成式人工智能技術，優點是不需要人力介入且生成速度快，但是自由度和靈活度不足。由于元宇宙體量龐大，僅依靠人工內容并不現實，需要人工智能算法支持的自動內容填充技術。目前，已有開發者使用人工智能算法CNN和GAN在虛擬三維場景中處理全景圖像和視頻，以生成和探索三維虛擬現實內容。

此外，人工智能也是實現元宇宙中數字人的關鍵技術之一。數字人技術是數字技術在虛擬空間對人類的形態和能力進行仿真。現階段人工智能驅動的數字人，可以不依靠人的控制，模仿人類的行為和思維模式，自主地完成任務。目前，數字人已經廣泛應用于游戲角色、智能客服、虛擬主播等應用。

5、網絡安全+元宇宙

網絡安全是指通過采取必要措施，防范對網絡的攻擊、侵入、干擾、破壞和非法使用以及意外事故，使網絡處于穩定可靠運行的狀態，以及保障網絡數據的完整性、保密性、可用性的能力。我國高度重視網絡安全工作，制定并不斷完善網絡安全戰略，形成了涵蓋法規、政策、標準、技術等的網絡安全綜合治理體系。目前，學術界、產業界在5G安全、物聯網安全、人工智能安全、區塊鏈安全等領域已有諸多成果。

雖然元宇宙仍是一個不斷演變、不斷發展的概念，但其對現實世界虛擬化、數字化的特點，使得網絡安全成為元宇宙穩定運行、可信賴、可靠的關鍵。5G安全是確保元宇宙可靠通信的基礎，物聯網安全是確保元宇宙體驗的基礎，人工智能安全是確保元宇宙環境中虛擬場景運行效果、安全的基礎，區塊鏈安全是元宇宙價值體系正常運行的基礎。

目前，已有網絡安全技術均能為元宇宙建設、運行提供支持，保障元宇宙安全穩定運行。但元宇宙的技術生態和內容生態都尚未成熟，技術成熟度極大影響元宇宙生態的穩定性、可靠性。一方面，元宇宙構建離不開5G、物聯網、人工智能、區塊鏈等前沿技術的支撐，單一技術成熟度有待提升；另一方面，相較于5G、物聯網、人工智能、區塊鏈等單一技術，元宇宙所采取的技術集成模式，可能出現更多的設計缺陷或漏洞，被網絡攻擊者利用，影響系統自身的運行穩定，其升級、修復的成本將遠大于當前的互聯網生態系統。

此外，數據安全、個人信息保護能力，是元宇宙能否獲得用戶信任的關鍵。當前已有的數據安全、個人信息保護相關技術手段、管理措施可為元宇宙建設提供一定支撐，但元宇宙構建的數字化世界能記錄用戶行為、生物特征、金融財產等全部數據，可能涉及個人信息、敏感個人信息，甚至大量重要數據,數據安全保護戰線長、范圍廣、要求高，難以實現全面防護，數據安全風險將遠高于當前網絡，需要研究元宇宙環境下的安全策略和工具，以保障用戶的數據和個人隱私。

元宇宙應用場景

1、元宇宙制造場景

當前，主要工業區日益受到能源、勞動力、產業結構等因素限制，發展遇到瓶頸。隨著前沿技術的加速創新、快速迭代、群體突破，第四次工業革命席卷而來。傳統制造業正在加速推動數字化轉型升級，世界主要國家積極推出系列國家戰略，聚焦制造業的數字化轉型。我國政府高度重視數字經濟與實體經濟的深度融合，“十四五”規劃綱要中，數字化獨占一篇，“加快數字化發展 建設數字中國”已然成為未來五年乃至十五年數字化轉型發展的行動綱領。

元宇宙的異軍突起，為工業數字化轉型帶來了新的發展機遇。在工業元宇宙中，制造業企業可以通過5G將虛擬世界人對數字機器的操作、決策結果，通過AI輔助糾正、驗證，通過區塊鏈記錄數據后傳送到物理世界的機器上自動執行，通過模擬生產環節中涉及的設備工藝和流程，實現降本增效。同時，元宇宙中的數字孿生平臺，通過動態數據的實時驅動，可以實現人、機、物、法、環的數字全鏈路模擬，對未來原生數字工廠建設起到極其重要的作用。可以說，工業元宇宙是新一代信息通信技術與實體工業深度融合產生的全新業態，它的應用將重塑包括供應鏈和產業鏈在內的整個工業形態。

2、元宇宙娛樂場景

游戲是數字化娛樂的典型場景，且游戲玩家被視為元宇宙的種子用戶。游戲是人們基于現實的模擬、延伸和想象而構建的虛擬世界，其產品形態與元宇宙相似。例如，游戲賦予玩家虛擬身份，并可憑借該虛擬身份形成社交關系。再如，經濟系統方面，每個游戲都有自己的游戲代幣，玩家可以在其中購物、售賣和轉賬。

游戲作為元宇宙的“初級形態”，體現出沉浸感、可進入性、可觸達性、可延展性四個方面特性。相應地，AR/VR、云計算、區塊鏈等底層技術的進化是從游戲到元宇宙的必經之路。通過AR/VR等交互技術為用戶提供更好體驗，提升游戲的沉浸感。通過5G、云計算技術突破傳統終端服務器承載能力限制，支撐大規模用戶同時在線，提升游戲的可進入性。通過區塊鏈、AI技術降低內容創作門檻，提升游戲的可延展性。通過算法、算力提升驅動渲染模式升級，提升游戲的可觸達性。可見，元宇宙的基本需求融入在游戲中，使游戲成為最有可能構建元宇宙雛形的賽道。

3、元宇宙社交場景

元宇宙社交將基于圖文、音視頻的社交形式轉化為基于真人化身、可實現集體交互的社交生態。用戶以虛擬化身在虛擬世界生存，所有體驗都圍繞虛擬化身展開。開放的虛擬化身設計讓用戶擺脫現實中天生的外形，而追求更強的自我認同。不同的化身一方面增添了社交的趣味性，也增強了用戶在自我呈現上的自信。通過元宇宙使得全球用戶可以共享時空、即時互動，創新在線社交新模式。

在人工智能、VR/AR等技術的持續支持下，“社交元宇宙”有望在未來接入更多游戲化、虛擬化的沉浸式場景，讓用戶擁有更豐富、更多元、更自然的社交互動體驗。一方面元宇宙打通虛擬與現實，將現實社交關系搬入虛擬世界，為熟人社交提供更豐富的交流空間。例如，疫情期間，中國傳媒大學動畫與數字藝術學院2016級學生在沙盤游戲《我的世界》里復刻了校園，學生以虛擬化身齊聚一堂完成了畢業典禮。另一方面，元宇宙能夠提供多樣的場景，構建場景化社交體驗，例如會議室、演唱會、比賽、派對、旅游景點等。

4、元宇宙金融場景

元宇宙要可持續的運行，必然需要經濟活動，有了經濟活動的元宇宙才能稱為真正的世界。類似于現實生活，在虛擬世界中，可以像在現實世界中一樣買賣房屋、產品、服裝、土地和頭像，這意味著一個龐大的經濟生態系統即將出現。

在金融場景下，基于VR/AR、人工智能等技術，可以在虛擬的元宇宙世界建立銀行，相較于手機銀行，元宇宙銀行的視覺呈現更加逼真具體。例如，智能客服、智能理財師將以數字人的形式呈現，交互更加順暢。同時，結合數字人、人工智能、大數據等技術可以從產品設計、營銷、風控等領域構建數字化員工體系，并可以開發基于元宇宙的遠程辦公、會議等系統應用。此外，基于區塊鏈技術可為合規的數字資產提供清結算金融服務、托管、保險等服務。同時，可以為數字版權、知識產權、金融票據、數字藝術藏品等進行全生存周期服務，創造能容納更多樣化資產、更復雜交易的透明自主的金融體系。

5、元宇宙能源場景

隨著“碳達峰、碳中和”進程加快推進，能源的生產、消費和利用呈現新的發展趨勢。能源主體調整帶來電源主體的顛覆性變化，能源深度脫碳帶來社會生產生活用能方式轉變，能源能效提升帶來以電為樞紐的能源資源配置方式的改變，這必將給電力系統的電源結構、負荷特性、電網形態、技術基礎以及運行特性帶來深刻變化。現階段，電力系統正處在轉型升級初期，電網運行信息、電力企業運營信息都在從實體到數字化升級，電力系統的物理載體和運營主體正進行數字化的變革，也為融入元宇宙奠定了基礎。

基于數字孿生、物聯網等技術實現智慧能源系統在虛擬空間的映射、電力實體與元宇宙空間的雙向映射，及實現虛擬電力系統狀態自我感知、電力設備協調運行、客戶服務全新體驗的全價值鏈協同模式。基于人工智能、VR/AR等技術，形成以人為中心的智能化電力系統形態，在穩定運行、智能優化、故障診斷等方面提供更準確的智慧化建設。未來，元宇宙電力系統將有效提升虛實交融化、智能化能力，為推動電網向能源互聯網過渡、助力構建元宇宙電力系統、實現雙碳目標等提供關鍵技術支撐。

【來源：中國電子工業標準化技術協會元宇宙工作委員會】