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元宇宙技术在工业领域的探索

发布时间:2023-01-09

编辑人:灵图互动

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1992年,美国著名作家NealStephenson在《SnowCrash》中提到元宇宙(Metaverse)一词,他这样描述:“戴上耳机和目镜,找到连接终端,就能够以虚拟分身的方式进入由计算机模拟、与真实世界平行的虚拟空间。”其实Metaverse这个概念的思想源头是由美国数学家和计算机专家VernorVinge教授在1981年出版的《TrueNames》中描述的通过脑机接口技术进入并获得真实感官体验的虚拟世界。

元宇宙概念

在元宇宙时代,人类的生活方式会受到较大的影响。其一,传统的哲学与科学会受到巨大的冲击,需要不断挖掘和研究新的理论与方法;其二,元宇宙的兴起将推动人类社会迈进一个新阶段,相应地,时代的演变又进一步为技术的发展添砖加瓦。元宇宙技术在融合已有技术的同时,也将不断衍生出更多的新技术。本文先从科学与技术的角度论述元宇宙的概念及内涵,并总结了目前从业者、专家以及学者对元宇宙的见解;其次,从技术维度深入剖析元宇宙,即从网络及运算技术、管理技术、元宇宙虚实对象连接、建模与管理技术以及虚实空间交互与融合技术四个方面阐述元宇宙中涉及的关键技术。最后,对未来元宇宙技术发展所面临的挑战进行归纳与总结。

从科学角度上说,元宇宙的诞生是多学科融合的结果。元宇宙将促进信息科学、量子科学、数学和生命科学等学科的融合与互动,创新科学范式,推动传统的哲学、社会学甚至人文科学体系的突破。元宇宙,实质上就是广义网络空间,在涵盖物理空间、社会空间、赛博空间以及思维空间的基础上,融合多种数字技术,将网络、软硬件设备和用户聚合在一个虚拟现实系统之中,形成一个既映射于、又独立于现实世界的虚拟世界。

从技术角度上说,元宇宙不宜称为新技术,而是现有IT技术的综合集成运用,它是信息化发展的一个新阶段。因此,随着元宇宙的发展不仅会促进现有技术的升级换代,而且也会促进新技术的出现。所以,这些由于“元宇宙”而发展的新技术,还是被称为“元宇宙技术”。这些元宇宙技术包括5G、6G、物联网、云计算、管理技术等等。

无论是远程执行计算繁重的任务、访问大型数据库、还是在用户之间提供共享体验,都离不开网络与通信,元宇宙时代所需要的沉浸式体验,要求网络具有低延迟、大带宽、高可靠性等特点。5G作为新一代信息化基础设施、元宇宙技术,为元宇宙的沉浸式体验提供可能。

6G作为5G的必然演进方向,6G将打破时间、虚实的限制,为元宇宙的实现提供网络基础。6G元宇宙技术的出现,更多地实现现实世界与虚拟世界的交互和未来的共存共生。未来不仅会有物理世界,也将有数字世界,一方面是物理世界的孪生世界,另一方面会演变成元宇宙和平行世界。未来,元宇宙将不仅是对现实世界的模拟与仿真,更重要的是物理世界与虚拟世界的融合与交互发展,6G元宇宙技术将对其发展提供强大的驱动力。6G无线通信网络有望提供更高的频谱、能量、更高地传输速率、更低传输时延、超大连接密度、更高覆盖率和亚毫秒级的时间同步,6G元宇宙技术所具有的特征将在元宇宙中大显身手。

物联网元宇宙技术在元宇宙的网络基础设施的实现和发展中将发挥重要作用。虚拟世界与现实世界的泛在连接,离不开大量传感器、智能终端等物联网设备实时采集和处理数据,故物联网元宇宙技术可为用户提供真实、持久且顺畅的交互体验,是虚拟世界与现实世界的联接和桥梁。物联网经典的三层架构,即感知层、网络层和应用层,与元宇宙的建立紧密联系。

触觉互联网元宇宙技术也是支撑元宇宙发展的一种新的物联网形式。触觉互联网元宇宙技术允许人和机器能够在移动中和特定空间通信范围内,通过触觉实时地与周围环境进行互动。触觉互联网元宇宙技术有潜力使元宇宙更具有沉浸感。5G关于低时延、高可靠性的研究客观上是为触觉互联网作了铺垫。

有十余年发展史的云计算,成为元宇宙中可以大量赋能的领域。元宇宙所需要的身份建模、现实世界与虚拟世界的交互以及多元宇宙之间的互动,都会产生难以想象的海量数据,这离不开云计算元宇宙技术的支持。

具有算力动态分配的云计算元宇宙技术是元宇宙最重要的网络基础设施。元宇宙的构建需要一个强大的算力系统处理数据,当前的算力架构依然无法满足元宇宙对于低用户门槛、高体验感的需求,云计算元宇宙技术一定程度上能够推动算力发展。

在云上存储数据,即云存储,也属于元宇宙技术,一般不用考虑存储容量、存储设备类型、数据存储位置以及数据的可用性、可靠性和安全性等繁琐的底层技术细节,按需付费就可以从云服务提供商那里获得近乎无限大的存储空间和企业级的服务质量。

元宇宙在构建过程中产生的大量数据需要云计算按需调配资源,以进行海量数据处理及存储,但若把所有的资源都集中在云端,那对于元宇宙的沉浸感体验、负载均衡以及能量消耗将带来巨大的挑战。对此,需要在本地部署带有计算和存储功能的设备,以缩短终端用户到计算和存储资源的距离,这就需要雾计算来支撑。雾计算由终端用户层、雾层及云层构成,雾层的存在极大地降低传统云计算的时延,可以自己向用户直接提供服务,还可以利用云层强大的算力和存储能力协同进行服务。

元宇宙技术的应用

元宇宙技术中的管理技术保障虚拟空间与真实空间的泛在连接与空间融合所需要的软硬件环境,主要包括能耗管理、资源管理、时空一致性管理等,同时也能运用到工业领域中。

元宇宙中节能环保的目标是建立绿色元宇宙。这需要我们做到两点:一是不断创新与发展先进的能源基础设施,实现对能源的自动测量、收集、存储、分析等智能化处理,以提高能源的高效循环利用率为目的,研发能源循环设备,加速能源网络的变革;二是优化能源管理的算法与模型,通过对物理空间、社会空间及思维空间的资源创建虚拟资源以便实现能源重组织与优化,提高能源利用率。未来,随着纳米及量子等技术的成熟,将研发出新型材料并应用于高性能设备、装备或平台,以获取纳米级别或量子级别的网络,从而增强高性能能源使用率、降低能耗。而在工业领域,运用元宇宙技术的能耗管理,对工厂、车间、产线找中设备的能耗进行管理。

元宇宙,本质上就是广义网络空间,在涵盖物理空间、社会空间、赛博空间及思维空间的基础上共享资源。资源管理主要包括资源描述、资源寻址、资源发现和资源分配等,以满足元宇宙的低延迟、高度沉浸等需求。而在工业领域,运用元宇宙技术的资源管理功能,对工厂、车间、产线的生产资源进行管理。

在物理空间、社会空间及思维空间中的实体与赛博空间实体映射过程中离不开时空一致性管理。元宇宙实质上是广义网络空间,它是一个虚实结合的世界,人在现实世界中,时间、空间的连续和唯一是严格按照物理规律,若要在虚拟世界中享受到沉浸式体验,故也需要考虑时空一致性管理。在工业领域,元宇宙技术的时空一致性管理,可以实现工厂、车间、产线在虚拟空间的完美映射,达到产线设计、生产推演、节拍验证等功能,优化生产,降本增效。

元宇宙在工业领域的应用

元宇宙的诞生将促进现实世界与虚拟世界的联接与融合,可能会成为人类社会发展的新形态,改变人们的生活方式。在元宇宙的发展初期,技术是根,技术的发展与创新是重中之重,但是,“元宇宙”概念的爆火,其发展速度、终极形态,甚至对哲学、文化、社会及经济治理,以及对人类的影响都还未知。随着元宇宙应用雏形的落地,赋能实体经济也将成为热点方向,在政府坚持以技术赋能实体经济的政策导向下,其在“元宇宙”时代仍将适用。当下“元宇宙”概念逐渐回归理性,行业开始逐渐显现出脱虚向实的趋势。此外,随着元宇宙的发展和应用的逐渐落地,其安全与监管问题,也将逐步提上日程。总之,无论处于何种趋势,我们要清晰认识、理智决策、稳步探索元宇宙。


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