產業元宇宙 一種新的計算場景

2021年以來，元宇宙頻頻成為熱門話題。那元宇宙到底是什么呢？雖然目前來看還是眾說紛紜，但我們認為一種比較合適的說法是，元宇宙是物理世界和虛擬世界的融合，是虛實兩個世界信息的整合和相互增強，從而實現了一加一大于二的效果。人和物在這個虛實融合的空間中，可以通過各種各樣的互聯和互動，以更高的效率、更低的成本、更身臨其境的沉浸感和互動體驗，解決日常生活、社會運行和產業發展中的諸多問題。

企業數字化轉型離不開元宇宙，更確切地說是少不了產業元宇宙。企業數字化轉型有許多基礎設施，包括WMS（倉儲管理系統）、MES（制造過程管理系統）、PLM（產品生命周期管理系統）、ERP（企業資源計劃系統）等信息系統，這些構建了之后才會提出元宇宙需求，在虛擬世界里進行仿真和推演，從而提升效能，降低成本。

目前看來，場景化計算將成為未來計算的一個重要發展趨勢，而產業元宇宙就是一種新的計算場景。如何構建產業元宇宙呢？聯想研究院認為，主要有3種方式，即虛實映射，虛實疊加、虛實聯動（如圖1所示）。其中，虛實映射能夠把物理世界“復刻”為對應的虛擬世界；虛實疊加能夠將虛擬世界疊加在物理世界之上；虛實聯動是指虛擬世界能帶動物理世界，物理世界也能帶動虛擬世界，兩個世界完全融合。

【資料圖】

圖1 元宇宙的三種構建方式

降低成本和安全隱患 打造電力場景的元宇宙新方案

電是現代生活中必不可少的基礎物資，而一旦輸電變電設備出現故障就會導致斷電，進而造成巨大的社會經濟損失。因此，電力設施的日常巡檢與運維變得非常重要。

此外，變電站設備復雜，巡視點位多且密集，以往電力設備的巡視主要依靠人工，不僅耗時耗力，效率低，巡檢質量也難以得到穩定保障，有時還會對巡檢工人帶來安全風險。而且，因為疲勞、疏忽等原因，人工巡檢還可能會犯錯，這些都會給電力設施維護帶來高昂的成本和埋下巨大的安全隱患。

基于虛實融合的元宇宙技術來構建電力智能巡視行業解決方案，為解決這些棘手的問題提供了全新的思路。而要打造這樣的技術和方案，關鍵是建立一個連接虛擬世界和物理世界的元宇宙。

前面提到了元宇宙主要有3種構建方式，第一種方式是虛實映射。如果要打造電力巡檢元宇宙的解決方案，就需要構建物理電站的虛擬世界，稱之為“元空間”。這個元空間需要包含4層“建筑材料”（如圖2所示），缺一不可。

圖 2元空間的4層結構

一是特征定位層，它使得在元宇宙中運行的設備，如XR（Extended Reality，XR）眼鏡和機器人，能夠識別它們6個自由度的位置和方向。

二是幾何結構層，它描述了環境和物體的三維幾何結構，這也有助于XR設備執行任務時進行路徑規劃。

三是紋理表征層，它能捕獲物體的細節以進行高保真渲染，從而提供身臨其境、與現實世界高度逼真的沉浸式體驗。

四是對象語義層，這一層能讓元宇宙中的設備識別和操作各類物體。

打造虛實融合的變電站，這4層都非常關鍵。

再看第二種方式——虛實疊加。在虛擬電站中，通過增強現實（Augmented Reality，AR）眼鏡，我們能夠將豐富的虛擬信息疊加在真實的設備之上，幫助巡檢工人更高效地檢查設備狀態、識別設備故障。比如物理變壓器，人們帶上AR眼鏡后，它的虛擬結構立刻與真實的變壓器疊加在了一起，哪里有問題，哪里有異常，一目了然（如圖3所示）。具有更大的可觀察區域（Field of Vision，FOV）AR眼鏡，能夠提供更好的身臨其境的體驗，同時高性能邊緣計算技術也讓復雜物體的實時渲染成為可能。對于打造元宇宙沉浸式體驗來說，這兩項技術至關重要。

圖3 虛實疊加——變電設備巡檢及聯想晨星AR頭戴式設備

現在我們來看連接虛擬與物理世界的第三種方式——虛實聯動。怎么聯動？其實就是虛帶動實，實帶動虛。巡檢人員可能無法到達電站的每一個角落，尤其是那些對健康和生命構成威脅的區域。在這種情況下，可以讓機器人代替人類完成工作。當巡檢人員在元宇宙虛擬電站中，為機器人規劃一條巡檢路徑，它將沿著這條路徑，在物理電站中移動，執行儀表讀數識別、異常發熱檢測、設備狀態監測等任務，這是虛帶動實。而從物理世界獲得的相關數據會被同步傳到虛擬世界，這是實帶動虛（如圖4所示）。

圖4 機器人虛實聯動變電站巡檢及聯想晨星四足機器人

以上就是融合了虛擬與物理世界的元宇宙的3種構建方式，即虛實映射使我們能夠把物理世界“復刻”為對應的虛擬世界；虛實疊加使我們能夠將虛擬世界疊加在物理世界之上；虛實聯動一方面使虛擬世界能帶動物理世界，另一方面物理世界也能帶動虛擬世界，兩個世界完全融合。

技術不斷演進 提升虛實融合性能產業

元宇宙是一個復雜龐大的系統，需要很多核心技術的支撐，主要包括設備、算力、軟件平臺以及應用解決方案等幾大部分，這些技術不斷演進和發展，共同提升元宇宙虛實映射、虛實疊加和虛實聯動的性能。

在設備層，AR/VR設備、新型機器人等是產業元宇宙的重要人機交互設備和虛實聯動工具，是虛擬世界的入口。AR/VR技術作為連接物理世界和虛擬世界的橋梁，通過虛實映射、虛實疊加、虛實聯動等方式，在物理世界中疊加虛擬世界的信息與感知能力，提升人/機器人的決策能力與協作效率，同時也能夠在虛擬世界中進行仿真、推 演，實現真實世界難以實現或成本很高的應用。

人工智能物聯網設備則為物理世界的實時感知和數據采集提供必要的基礎。在軟件平臺方面，內容創建和空間計算是非常重要的模塊。其中，空間計算層要解決空間的定位與重建、物體的檢測與識別以及圍繞這些的模型渲染、格式轉化等。隨著元宇宙應用越來越多面向工廠、園區，需要大規模的大空間快速高精度模型構建。

場景數字化重建工具就可解決這個問題。通過掃描設備采集不同傳感器數據，包括高清RGB數據（代表紅、綠、藍3個通道的顏色，是工業界的一種顏色標準）、深度感知數據等，然后通過一套復雜的算法來構建三維場景地圖。空間計算層之上是內容創建層，需要有虛實疊加編輯、數字重建、互動展示等工具以及行業仿真工具構建虛擬的世界。強大的內容創建工具確保元宇宙虛實疊加內容、虛實聯動任務等的編輯和生成，而無須用戶過多編程。

在算力平臺方面，基于硬件優化的高性能并行計算是產業元宇宙進行大數據處理與計算、大尺度高精度三維模型展示實時渲染、實時仿真計算推演等的重要基礎算力需求。聯想集團推出了性能強大的云計算和邊緣計算服務器，以超強的計算性能，為產業元宇宙提供強大的云端和邊緣算力支持以進行云邊協同計算。同時，聯想集團也即將推出預裝聯想產業元宇宙軟件平臺的軟硬一體設備，針對平臺、應用等進行專門計算性能優化，獲得更優化的元宇宙應用性能。

在解決方案層面，在產業數字化轉型加速的背景下，需要為制造、教育、園區等行業構建完整的產業元宇宙解決方案，即通過全要素開放平臺，模塊化可重復使用的功能組件等，大大降低構建成本；通過虛實聯動和智能化應用，進一步提高應用價值。通過多個維度發力，不斷豐富元宇宙的應用場景，為工業制造與產業智能化變革提供科技動能。

解決成本和價值問題 邁向更廣闊的發展空間

雖然全球諸多企業、政府、投資機構等都在投資元宇宙相關核心技術及產業，是當下最熱門的科技話題，但當前元宇宙核心技術、產品及相關產業應用仍舊處于起步探索階段，距離產業元宇宙完全發揮生產力，還有很多的核心技術需要得到突破性解決。如物理世界快速高精度幾何建模技術，要解決大量物理對象的數字化問題。幾何建模是用幾何模型描述物體的物理形狀，是建模、仿 真、虛實疊加、渲染等的基本操作對象。

此外，為了適應不同用戶、不同終端的呈現，還必須支持多種不同格式、不同精度等級的模型降階輸出，以降低渲染計算、仿真計算的復雜度。推理仿真要能產生真正的實用價值，依賴于準確的數據模型、機理模型、業務模型等。建模仿真能力直接決定了虛擬世界對物理對象在機理層面表征的準確性。因此，必須解決好如何構建準確的仿真推演模型。

以目前來看，產業元宇宙能夠感受到來自企業的迫切需求，尤其是信息化程度比較高的企業，但是產業元宇宙應用成本還非常高，實際應用場景也需要進一步探索。一方面，需要通過技術手段降低構建成本；另一方面，需要結合制造、園區、教育等實際應用場景需求，通過引入虛實聯動和智能化應用來進一步提高應用價值。在成本和價值兩個方面都達到良好狀態后，產業元宇宙將會邁向更廣闊的發展空間。

構建完整生態 擔當數字經濟發展的中堅力量

元宇宙正在成為我國政策布局的焦點，積極推動元宇宙相關產業的發展。國家部委和各級政府都出臺了促進產業元宇宙發展的政策文件。在政府政策的大力支持之下，各研究機構和企業等需要整合和協調全球元宇宙產業資源，共同發展元宇宙領域主流技術，通過共同組建產業與技術聯盟，進一步促進元宇宙產業健康、可持續發展。通過這些新模式與新探索，將逐漸構建起產業元宇宙的完整生態，賦能更多行業與企業的智能化轉型，讓產業元宇宙更好地服務于產業、服務于社會，擔當起數字經濟發展中的中堅力量。

我國產業元宇宙政策形成“技術+產業”的雙輪驅動體系，對我國數字經濟發展意義重大。元宇宙所描繪的“虛實融合”“虛實聯動”“虛實映射”的數字世界，為數字經濟的發展打開了新的想象空間。

產業元宇宙是對傳統產業進行全方位、全鏈條改造，提高全要素生產率，加強產業元宇宙與傳統行業深度融合發展，能對我國經濟發展起到放大、疊加、倍增效果。大力發展產業元宇宙，加快發展數字經濟，促進數字經濟和實體經濟深度融合，有助于打造具有國際競爭力的數字產業集群。用產業元宇宙賦能智能制造、智慧城市、智慧園區以及智慧能源等，輸出更多數字化轉型成果，不斷豐富產業元宇宙更多內涵，進一步提升我國在數字經濟賽道的全球競爭力。

（芮勇，聯想集團首席技術官、高級副總裁。）

標簽： 虛擬世界 解決方案 核心技術