可監(jiān)管的元宇宙存算平臺(tái)

遠(yuǎn)望智庫(kù)特約研究員?作者??翟擁華?

一、引言

元宇宙（如圖1）是人類運(yùn)用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的，由現(xiàn)實(shí)世界映射或超越現(xiàn)實(shí)世界，可與現(xiàn)實(shí)世界交互的虛擬世界，具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間，是整合多種新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會(huì)形態(tài)，它基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，以及數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系和基礎(chǔ)，將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個(gè)用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和確權(quán)。元宇宙將打破我們所習(xí)慣的現(xiàn)實(shí)世界物理規(guī)則，以全新方式激發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新；此外，元宇宙將與不同產(chǎn)業(yè)深度融合，以新模式、新業(yè)態(tài)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)躍遷升級(jí)。

圖1 元宇宙基礎(chǔ)架構(gòu)

二、背景技術(shù)

（一）區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈技術(shù)是元宇宙構(gòu)建最為底層的邏輯技術(shù)，是一種使用密碼技術(shù)將共識(shí)確認(rèn)的區(qū)塊，按照順序追加形成的分布式賬本，通過(guò)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)達(dá)到了防篡改、可追溯的目的。區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)去中心化節(jié)點(diǎn)大規(guī)模協(xié)作，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析計(jì)算、智能執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)安全等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。所以在此之上構(gòu)建元宇宙最為重要的運(yùn)行邏輯和經(jīng)濟(jì)體態(tài)。

（二）分布式計(jì)算

分布式計(jì)算是指把一個(gè)需要很大的計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分解成許多小的算式，分配給許多計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果匯總起來(lái)得到最終的結(jié)果。通過(guò)分布式計(jì)算，在多臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上平衡計(jì)算負(fù)載，形成由多方節(jié)點(diǎn)共同計(jì)算組成元宇宙整體，節(jié)約整體計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算性能和效率。

（三）三維建模

三維建模及多人協(xié)同是最為直觀的元宇宙的展示模式，顯示的物體可以是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型抽象表示。所以元宇宙世界的展示，依托于三維模型的建立。

（四）擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality, XR)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)將真實(shí)與虛擬相結(jié)合，打造一個(gè)可人機(jī)交互的虛擬環(huán)境，是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)和混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality, MR)等各種新沉浸式技術(shù)的統(tǒng)稱。其中，VR是利用頭戴設(shè)備模擬真實(shí)世界的三維虛擬互動(dòng)場(chǎng)景；AR是通過(guò)手機(jī)、平板、眼鏡等電子設(shè)備將各種信息和影像疊加到現(xiàn)實(shí)世界中；MR則是在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互的復(fù)雜環(huán)境。XR的存在即可展示元宇宙的沉浸式。

（五）裸眼3D

裸眼3D顯示技術(shù)運(yùn)用眼球的視覺(jué)差異原理：給左、右眼傳送不同的畫(huà)面，當(dāng)左、右眼的畫(huà)面在大腦合并時(shí)，就能產(chǎn)生立體的視覺(jué)效果。目前，裸眼3D技術(shù)主要分為光屏障式技術(shù)、柱狀透鏡技術(shù)、指向光源技術(shù)和多層顯示技術(shù)。光屏障式技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法是在背光模組與LCD面板間安置“視差障壁”形成條紋狀光柵，對(duì)觀看者的左右眼進(jìn)行選擇性阻擋，進(jìn)而形成立體圖像；柱狀透鏡技術(shù)則是在液晶顯示屏前加了一層柱狀透鏡，使像素被分解后投射到不同的方向，形成立體圖像；指向光源技術(shù)在3D顯示設(shè)備的基礎(chǔ)上搭配了兩組LED并配合高速的CPU，將分別對(duì)應(yīng)左、右眼的影像依次快速顯示，形成立體影像；多層顯示技術(shù)用一前一后兩個(gè)不同的屏幕模擬深度，系統(tǒng)顯示前景與背景圖像，形成三維圖像。

（六）全息影像

全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。其第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，即拍攝過(guò)程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產(chǎn)生干涉，把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來(lái)。其第二步是利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，即成像過(guò)程：全息圖猶如一個(gè)復(fù)雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個(gè)像，即原始像和共軛像。再現(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺(jué)效應(yīng)。

三、元宇宙的意義

與現(xiàn)實(shí)世界平行、反作用于現(xiàn)實(shí)世界、多種高新技術(shù)綜合，是未來(lái)元宇宙的三大特征，而這些特征也正是元宇宙技術(shù)發(fā)展對(duì)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的意義。

（一）與現(xiàn)實(shí)世界平行

元宇宙本質(zhì)上是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的虛擬化、數(shù)字化過(guò)程，需要對(duì)內(nèi)容生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、用戶體驗(yàn)以及實(shí)體世界內(nèi)容等進(jìn)行大量改造。

（二）反作用于現(xiàn)實(shí)世界

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，現(xiàn)實(shí)世界的各種要素都可以搬到虛擬世界中，同時(shí)虛擬世界創(chuàng)設(shè)的內(nèi)容，又可以通過(guò)不同的載體投射到現(xiàn)實(shí)世界里，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生影響。

（三）多種高新技術(shù)綜合

元宇宙的發(fā)展是在共享的基礎(chǔ)設(shè)施、標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議的支撐下，由眾多工具、平臺(tái)不斷融合、進(jìn)化而最終成形。它基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個(gè)用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和世界編輯。

四、元宇宙平臺(tái)實(shí)施方案

基于元宇宙技術(shù)的發(fā)展，在區(qū)塊鏈平臺(tái)日益成熟的今天，開(kāi)始嘗試將其發(fā)展創(chuàng)新，為元宇宙的建立構(gòu)建最基礎(chǔ)的平臺(tái)，我們將自主研發(fā)的區(qū)塊鏈平臺(tái)（如圖2所示）進(jìn)行監(jiān)管處理，并佐以雙鏈、分布式計(jì)算的技術(shù)，形成一種多人協(xié)同的存算一體元宇宙平臺(tái)。

圖2 存算一體可監(jiān)管元宇宙平臺(tái)

（一）基本流程

用戶將需要展示或計(jì)算的文件及其相關(guān)信息上傳至用戶平臺(tái)，經(jīng)監(jiān)管服務(wù)器檢查后，區(qū)塊鏈同步將各節(jié)點(diǎn)用戶上傳的三維模型信息加入數(shù)據(jù)庫(kù)，與鏈上其他模型融合為一個(gè)整體，即形成一個(gè)元宇宙。其他用戶從區(qū)塊鏈獲取模型信息?？蛻舳私馕瞿Ｐ臀募?，渲染出三維模型進(jìn)行展示。用戶通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備浸入場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互協(xié)同。如圖3所示。

圖3 一種多人協(xié)同的存算一體元宇宙平臺(tái)流程圖

（二）模型存儲(chǔ)

該平臺(tái)采用區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)分片存儲(chǔ)結(jié)合的方法進(jìn)行模型的存儲(chǔ)，用區(qū)塊鏈管理文件元數(shù)據(jù)信息，保存文件的存儲(chǔ)和驗(yàn)證信息。通過(guò)區(qū)塊鏈的去中心化、可追溯特性，防止文件信息被篡改。同時(shí)，將文件分片存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)的本地硬盤(pán)上，區(qū)塊鏈上只記錄文件元數(shù)據(jù)信息，避免了數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的問(wèn)題。通過(guò)這種方式在保證存儲(chǔ)文件安全性的基礎(chǔ)上，最大程度上消除了數(shù)據(jù)量過(guò)大的弊端。既利用了區(qū)塊鏈的防篡改、可追溯特性，又避免了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存完整文件造成數(shù)據(jù)大量冗余的問(wèn)題。此外，還設(shè)有監(jiān)管服務(wù)器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用戶上傳的文件不滿足監(jiān)管要求，如包含涉黃涉暴內(nèi)容或其它非法內(nèi)容時(shí)，可鎖定對(duì)應(yīng)的文件分片，取消用戶的下載權(quán)限。

（三）分布式計(jì)算

三維模型渲染的計(jì)算量較大，因此可分解為多個(gè)計(jì)算任務(wù)，通過(guò)區(qū)塊鏈分配給各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。節(jié)點(diǎn)計(jì)算完成后，將計(jì)算結(jié)果發(fā)布到區(qū)塊鏈上，并賺取代幣獎(jiǎng)勵(lì)。計(jì)算完成后的模型將通過(guò)區(qū)塊鏈的同步機(jī)制傳遞到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（四）多人實(shí)時(shí)交互

由于區(qū)塊鏈的同步機(jī)制延遲較高，實(shí)現(xiàn)多人實(shí)時(shí)交互時(shí)，用戶端自動(dòng)匹配鏈上某一節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。通過(guò)幀同步和狀態(tài)同步的方式，保障各客戶端的位置和狀態(tài)等數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)多人實(shí)時(shí)交互。如圖4所示。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）場(chǎng)景共生融合技術(shù)

該平臺(tái)將用戶采集上傳的三維模型經(jīng)過(guò)分布式計(jì)算轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，通過(guò)區(qū)塊鏈進(jìn)行分布式存儲(chǔ)。之后利用區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制和智能合約，將各用戶上傳的模型保存于區(qū)塊鏈上，由用戶互相搭建，最終形成存算一體化元宇宙。再通過(guò)區(qū)塊鏈進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，將模型分發(fā)到各用戶節(jié)點(diǎn)，供用戶進(jìn)入場(chǎng)景進(jìn)行體驗(yàn)。

（二）存算一體區(qū)塊鏈

元宇宙對(duì)模型的存儲(chǔ)和計(jì)算都具有較高要求，因此該平臺(tái)采用了存算一體區(qū)塊鏈進(jìn)行解決。對(duì)于模型的存儲(chǔ)，采用區(qū)塊鏈存儲(chǔ)模型的名稱、哈希值等信息，達(dá)到防止篡改的作用，而將容量很大的模型文件通過(guò)分布式存儲(chǔ)的方式保存，避免占用鏈上空間導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余。對(duì)于模型的計(jì)算，采用區(qū)塊鏈發(fā)布接收任務(wù)的形式進(jìn)行分布式計(jì)算，通過(guò)區(qū)塊鏈的代幣獎(jiǎng)勵(lì)提高用戶參與計(jì)算的積極性。

六、元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景

（一）軍事領(lǐng)域

通過(guò)元宇宙打造高度逼真的陸?？仗斓榷嘤蚯铱砂葱枨袚Q的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，讓士兵在酷似實(shí)戰(zhàn)的多維空間中感受和體驗(yàn)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的激烈和殘酷性，不斷鍛煉體力、精神、意志，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)能力與戰(zhàn)術(shù)的提高。

利用元宇宙+作戰(zhàn)推演原型系統(tǒng)檢驗(yàn)新型武器裝備的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)性能等的合理性，加快研制周期，以形象化的效果呈現(xiàn)驗(yàn)證武器裝備的戰(zhàn)術(shù)性能及有效性，促進(jìn)武器裝備系統(tǒng)迭代加速化。

作戰(zhàn)推演元宇宙更為逼真高效的對(duì)作戰(zhàn)先進(jìn)概念進(jìn)行演示驗(yàn)證，對(duì)于未來(lái)軍事行動(dòng)中從全維度的沉浸式方式對(duì)條令、訓(xùn)練、指揮人員素養(yǎng)、組織、裝備和士兵體驗(yàn)來(lái)評(píng)估技術(shù)綜合集成的影響；指揮員和士兵可以超越現(xiàn)有條件，基于元宇宙的開(kāi)放創(chuàng)造性將想象中的概念、戰(zhàn)斗操作、隊(duì)形等進(jìn)行真實(shí)呈現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)虛擬空間中進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

（二）能源領(lǐng)域

在能源行業(yè)，通過(guò)元宇宙的數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)，可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，從大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中獲取有效的、潛在有價(jià)值的信息；通過(guò)三維建模和數(shù)字孿生發(fā)現(xiàn)潛在的能源資源，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，為專家工作提供遠(yuǎn)程支持；通過(guò)三維可視技術(shù)，配合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)終端，使操作員基于友善的交互界面對(duì)完整的能源制造流程進(jìn)行三維可視控制，同時(shí)確保遠(yuǎn)程專家可以和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行交流和互動(dòng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行指導(dǎo)、優(yōu)化和輔助決策。數(shù)字孿生和虛擬空間技術(shù)特別適用于解決能源行業(yè)在上游能源獲取階段野外開(kāi)采、海上勘探等面臨的生產(chǎn)安全問(wèn)題。

通過(guò)在數(shù)字空間建設(shè)電網(wǎng)、環(huán)境、人員和業(yè)務(wù)四要素，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力元宇宙，從而達(dá)到不斷改善的應(yīng)用目的。可以實(shí)時(shí)反映開(kāi)關(guān)通斷、設(shè)備負(fù)載、用戶負(fù)荷、新能源出力等電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)反映電網(wǎng)的異常信息、故障信息，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓異常、電能質(zhì)量異常、電費(fèi)異常等各類異常的溯因分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新能源出力、電力用戶用電負(fù)荷、電氣設(shè)備負(fù)載情況，優(yōu)化設(shè)備檢修頻率、電力設(shè)施配置、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)投切、相間負(fù)荷調(diào)整等運(yùn)營(yíng)策略，進(jìn)而為工作人員提供科學(xué)的決策支撐。

（三）工業(yè)生產(chǎn)

在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的工業(yè)制造過(guò)程中，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)往往有著鮮明的流程界限，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，供應(yīng)鏈協(xié)同生產(chǎn)、區(qū)域協(xié)同生產(chǎn)、遠(yuǎn)程制造乃至跨國(guó)制造、云制造等逐漸起步并形成趨勢(shì)。

而進(jìn)入元宇宙時(shí)代，工業(yè)產(chǎn)品的信息又將發(fā)生巨大的變化：從信息化到數(shù)字化，信息將更加精確，信息的完整性、時(shí)效性、實(shí)時(shí)性也都將大幅度提升?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐體系形成的工業(yè)元宇宙，是工業(yè)元宇宙技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)。工業(yè)元宇宙通過(guò)打造與現(xiàn)實(shí)工業(yè)經(jīng)濟(jì)映射和交互的虛擬世界，構(gòu)建起工業(yè)產(chǎn)品全生命周期的虛實(shí)共生、企業(yè)和消費(fèi)者智能高效閉環(huán)下的全息智能制造、智能經(jīng)濟(jì)體系，從而推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)走向更有效落地、更虛實(shí)融合的階段。從二維圖紙到三維模型，從靜態(tài)模型到運(yùn)動(dòng)模型，從抽象數(shù)據(jù)到仿真模型，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)孿生，到信息物理系統(tǒng)，進(jìn)而到實(shí)時(shí)性的遠(yuǎn)程仿真、操控、維護(hù)，協(xié)同生產(chǎn)將成為主流的生產(chǎn)模式，并將極大地提升生產(chǎn)水平乃至創(chuàng)新水平。

（四）建筑工程

建筑元宇宙將現(xiàn)實(shí)中的設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、數(shù)字施工、建筑運(yùn)維及建筑垃圾回收的等環(huán)節(jié)和場(chǎng)景在虛擬空間實(shí)現(xiàn)全面部署，通過(guò)打通虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的改進(jìn)和優(yōu)化，形成全新的數(shù)字建造體系，達(dá)到降低成本、提高生產(chǎn)效率、高效協(xié)同的效果，促進(jìn)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。元宇宙所反映的虛擬世界不止有現(xiàn)實(shí)世界的映射，還具有現(xiàn)實(shí)世界中尚未實(shí)現(xiàn)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)與交互。另外，元宇宙更加重視虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬操作指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)工程施工。在元宇宙中，人們只需要修改電腦中的代碼就可以推翻一座建筑物并重建，而無(wú)需考慮現(xiàn)實(shí)世界的巨大成本和周期。當(dāng)元宇宙概念與工程聯(lián)系到一起，分為實(shí)體建筑空間和虛擬建筑空間。而落到實(shí)處，目前更像是一種建筑設(shè)計(jì)參數(shù)的應(yīng)用。它可以通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化工具和計(jì)算，讓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工程非常地有序，在未來(lái)很有潛力。

七、總結(jié)

元宇宙不只是獨(dú)立且平行的虛擬世界，它的意義和價(jià)值更在于與真實(shí)世界的交互，并在交互中賦能實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改善人們的生活體驗(yàn)，通過(guò)把物理世界的可虛擬部分映射到數(shù)字世界，在數(shù)字世界進(jìn)行關(guān)聯(lián)，分析，模擬，優(yōu)化，并為產(chǎn)業(yè)的快速聚合和創(chuàng)新帶來(lái)巨大的可能性。在軍事指揮、能源領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)、工程建筑等各大領(lǐng)域都能起到模擬仿真，降本增效的作用。盡管元宇宙已經(jīng)初步顯示出其巨大的潛力，但是目前為止，元宇宙的發(fā)展依舊十分早期。該平臺(tái)為元宇宙提供了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并為其進(jìn)一步發(fā)展提供支持。未來(lái)，伴隨元宇宙技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度的持續(xù)提高，其應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大，不斷深入，在社會(huì)治理、公共服務(wù)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

編輯：黃飛

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