产业元宇宙：一种新的计算场景

　　(ChinaIT.com讯)2021 年以来，元宇宙频频成为热门话题。那元宇宙到底是什么呢?虽然目前来看还是众说纷纭，但我们认为一种比较合适的说法是，元宇宙是物理世界和虚拟世界的融合，是虚实两个世界信息的整合和相互增强，从而实现了一加一大于二的效果。人和物在这个虚实融合的空间中，可以通过各种各样的互联和互动，以更高的效率、更低的成本、更身临其境的沉浸感和互动体验，解决日常生活、社会运行和产业发展中的诸多问题。

　　企业数字化转型离不开元宇宙，更确切地说是少不了产业元宇宙。企业数字化转型有许多基础设施，包括WMS(仓储管理系统)、MES(制造过程管理系统)、PLM(产品生命周期管理系统)、ERP(企业资源计划系统)等信息系统，这些构建了之后才会提出元宇宙需求，在虚拟世界里进行仿真和推演，从而提升效能，降低成本。

　　目前看来，场景化计算将成为未来计算的一个重要发展趋势，而产业元宇宙就是一种新的计算场景。如何构建产业元宇宙呢?联想研究院认为，主要有3 种方式，即虚实映射，虚实叠加、虚实联动(如图1所示)。其中，虚实映射能够把物理世界“复刻”为对应的虚拟世界;虚实叠加能够将虚拟世界叠加在物理世界之上; 虚实联动是指虚拟世界能带动物理世界，物理世界也能带动虚拟世界，两个世界完全融合。

图1 元宇宙的三种构建方式

　　降低成本和安全隐患 打造电力场景的元宇宙新方案

　　电是现代生活中必不可少的基础物资，而一旦输电变电设备出现故障就会导致断电，进而造成巨大的社会经济损失。因此，电力设施的日常巡检与运维变得非常重要。

　　此外，变电站设备复杂，巡视点位多且密集，以往电力设备的巡视主要依靠人工，不仅耗时耗力，效率低，巡检质量也难以得到稳定保障，有时还会对巡检工人带来安全风险。而且，因为疲劳、疏忽等原因，人工巡检还可能会犯错，这些都会给电力设施维护带来高昂的成本和埋下巨大的安全隐患。

　　基于虚实融合的元宇宙技术来构建电力智能巡视行业解决方案，为解决这些棘手的问题提供了全新的思路。而要打造这样的技术和方案，关键是建立一个连接虚拟世界和物理世界的元宇宙。

　　前面提到了元宇宙主要有 3 种构建方式，第一种方式是虚实映射。如果要打造电力巡检元宇宙的解决方案，就需要构建物理电站的虚拟世界， 称之为“ 元空间”。这个元空间需要包含 4 层“ 建筑材料”(如图 2 所示)，缺一不可。

图2 元空间的4层结构

　　一是特征定位层，它使得在元宇宙中运行的设备，如 XR(Extended Reality，XR) 眼镜和机器人，能够识别它们 6 个自由度的位置和方向。

　　二是几何结构层，它描述了环境和物体的三维几何结构，这也有助于 XR 设备执行任务时进行路径规划。

　　三是纹理表征层，它能捕获物体的细节以进行高保真渲染，从而提供身临其境、与现实世界高度逼真的沉浸式体验。

　　四是对象语义层，这一层能让元宇宙中的设备识别和操作各类物体。

　　打造虚实融合的变电站，这 4 层都非常关键。再看第二种方式——虚实叠加。在虚拟电站中，通过增强现实(Augmented Reality，AR)眼镜，我们能够将丰富的虚拟信息叠加在真实的设备之上，帮助巡检工人更高效地检查设备状态、识别设备故障。比如物理变压器，人们戴上 AR 眼镜后， 它的虚拟结构立刻与真实的变压器叠加在了一起，哪里有问题，哪里有异常，一目了然(如图 3 所示)。具有更大的可观察区域(Field of Vision，FOV)AR 眼镜，能够提供更好的身临其境的体验，

　　同时高性能边缘计算技术也让复杂物体的实时渲染成为可能。对于打造元宇宙沉浸式体验来说， 这两项技术至关重要。

图3 虚实叠加：变电设备巡检及联想晨星AR头戴式设备

　　现在我们来看连接虚拟与物理世界的第三种方式——虚实联动。怎么联动?其实就是虚带动实，实带动虚。巡检人员可能无法到达电站的每一个角落，尤其是那些对健康和生命构成威胁的区域。在这种情况下，可以让机器人代替人类完成工作。当巡检人员在元宇宙虚拟电站中，为机器人规划一条巡检路径，它将沿着这条路径，在物理电站中移动，执行仪表读数识别、异常发热检测、设备状态监测等任务，这是虚带动实。而从物理世界获得的相关数据会被同步传到虚拟世界，这是实带动虚(如图 4 所示)。

图 4 机器人虚实联动变电站巡检及联想晨星四足机器人

　　以上就是融合了虚拟与物理世界的元宇宙的 3 种构建方式，即虚实映射使我们能够把物理世界“ 复刻”为对应的虚拟世界;虚实叠加使我们能够将虚拟世界叠加在物理世界之上;虚实联动一方面使虚拟世界能带动物理世界，另一方面物理世界也能带动虚拟世界，两个世界完全融合。

　　技术不断演进 提升虚实融合性能

　　产业元宇宙是一个复杂庞大的系统，需要很多核心技术的支撑，主要包括设备、算力、软件平台以及应用解决方案等几大部分，这些技术不断演进和发展，共同提升元宇宙虚实映射、虚实叠加和虚实联动的性能。

　　在设备层，AR/VR 设备、新型机器人等是产业元宇宙的重要人机交互设备和虚实联动工具， 是虚拟世界的入口。AR/VR 技术作为连接物理世界和虚拟世界的桥梁，通过虚实映射、虚实叠加、虚实联动等方式，在物理世界中叠加虚拟世界的信息与感知能力，提升人/机器人的决策能力与协作效率，同时也能够在虚拟世界中进行仿真、推演，实现真实世界难以实现或成本很高的应用。人工智能物联网设备则为物理世界的实时感知和数据采集提供必要的基础。

　　在软件平台方面，内容创建和空间计算是非常重要的模块。其中，空间计算层要解决空间的定位与重建、物体的检测与识别以及围绕这些的模型渲染、格式转化等。随着元宇宙应用越来越多面向工厂、园区，需要大规模的大空间快速高精度模型构建。

　　场景数字化重建工具就可解决这个问题。通过扫描设备采集不同传感器数据，包括高清 RGB 数据(代表红、绿、蓝 3 个通道的颜色，是工业界的一种颜色标准)、深度感知数据等，然后通过一套复杂的算法来构建三维场景地图。空间计算层之上是内容创建层，需要有虚实叠加编辑、数字重建、互动展示等工具以及行业仿真工具构建虚拟的世界。强大的内容创建工具确保元宇宙虚实叠加内容、虚实联动任务等的编辑和生成，而无须用户过多编程。

　　在算力平台方面，基于硬件优化的高性能并行计算是产业元宇宙进行大数据处理与计算、大尺度高精度三维模型展示实时渲染、实时仿真计算推演等的重要基础算力需求。联想集团推出了性能强大的云计算和边缘计算服务器，以超强的计算性能，为产业元宇宙提供强大的云端和边缘算力支持以进行云边协同计算。同时，联想集团也即将推出预装联想产业元宇宙软件平台的软硬一体设备，针对平台、应用等进行专门计算性能优化，获得更优化的元宇宙应用性能。

　　在解决方案层面，在产业数字化转型加速的背景下，需要为制造、教育、园区等行业构建完整的产业元宇宙解决方案，即通过全要素开放平台， 模块化可重复使用的功能组件等，大大降低构建成本;通过虚实联动和智能化应用，进一步提高应用价值。通过多个维度发力，不断丰富元宇宙的应用场景，为工业制造与产业智能化变革提供科技动能。

　　解决成本和价值问题 迈向更广阔的发展空间

　　虽然全球诸多企业、政府、投资机构等都在投资元宇宙相关核心技术及产业，是当下最热门的科技话题，但当前元宇宙核心技术、产品及相关产业应用仍旧处于起步探索阶段，距离产业元宇宙完全发挥生产力，还有很多的核心技术需要得到突破性解决。如物理世界快速高精度几何建模技术，要解决大量物理对象的数字化问题。几何建模是用几何模型描述物体的物理形状，是建模、仿真、虚实叠加、渲染等的基本操作对象。

　　此外，为了适应不同用户、不同终端的呈现， 还必须支持多种不同格式、不同精度等级的模型降阶输出，以降低渲染计算、仿真计算的复杂度。推理仿真要能产生真正的实用价值，依赖于准确的数据模型、机理模型、业务模型等。建模仿真能力直接决定了虚拟世界对物理对象在机理层面表征的准确性。因此，必须解决好如何构建准确的仿真推演模型。

　　以目前来看，产业元宇宙能够感受到来自企业的迫切需求，尤其是信息化程度比较高的企业， 但是产业元宇宙应用成本还非常高，实际应用场景也需要进一步探索。一方面，需要通过技术手段降低构建成本;另一方面，需要结合制造、园区、 教育等实际应用场景需求，通过引入虚实联动和智能化应用来进一步提高应用价值。在成本和价值两个方面都达到良好状态后，产业元宇宙将会迈向更广阔的发展空间。

　　构建完整生态，担当数字经济发展的中坚力量

　　元宇宙正在成为我国政策布局的焦点，积极推动元宇宙相关产业的发展。国家部委和各级政 府都出台了促进产业元宇宙发展的政策文件。在政府政策的大力支持之下，各研究机构和企业等需要整合和协调全球元宇宙产业资源，共同发展元宇宙领域主流技术，通过共同组建产业与技术联盟，进一步促进元宇宙产业健康、可持续发展。通过这些新模式与新探索，将逐渐构建起产业元宇宙的完整生态，赋能更多行业与企业的智能化转型，让产业元宇宙更好地服务于产业、服务于社会，担当起数字经济发展中的中坚力量。

　　我国产业元宇宙政策形成“技术+产业”的双轮驱动体系，对我国数字经济发展意义重大。元宇宙所描绘的“虚实融合”“虚实联动”“虚实映射”的数字世界，为数字经济的发展打开了新的想象空间。

　　产业元宇宙是对传统产业进行全方位、全链条改造，提高全要素生产率，加强产业元宇宙与传统行业深度融合发展，能对我国经济发展起到放大、叠加、倍增效果。大力发展产业元宇宙，加快发展数字经济，促进数字经济和实体经济深度融合，有助于打造具有国际竞争力的数字产业集群。

　　用产业元宇宙赋能智能制造、智慧城市、智慧园区以及智慧能源等，输出更多数字化转型成果，不断丰富产业元宇宙更多内涵，进一步提升我国在数字经济赛道的全球竞争力。

　　本文首次发表于《前沿科学》杂志，作者：

　　联想集团首席技术官、高级副总裁 芮勇博士

　　联想集团副总裁、联想研究院智能设备与方案实验室负责人毛世杰

　　联想研究院智能设备与方案实验室总监 刘云辉

　　来源：一起联想