基于元宇宙技術(shù)的存算平臺方案

可監(jiān)管的元宇宙存算平臺

遠(yuǎn)望智庫特約研究員?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)用和社會形態(tài)，它基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗，以及數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，通過區(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)帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)躍遷升級。

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)將共識確認(rèn)的區(qū)塊，按照順序追加形成的分布式賬本，通過強(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、分析計算、智能執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)安全等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢。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）分布式計算

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

（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)是指通過計算機(jī)將真實(shí)與虛擬相結(jié)合，打造一個可人機(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場景；AR是通過手機(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)用眼球的視覺差異原理：給左、右眼傳送不同的畫面，當(dāng)左、右眼的畫面在大腦合并時，就能產(chǎn)生立體的視覺效果。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。其第二步是利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，即成像過程：全息圖猶如一個復(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)上是對現(xiàn)實(shí)世界的虛擬化、數(shù)字化過程，需要對內(nèi)容生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、用戶體驗以及實(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，同時虛擬世界創(chuàng)設(shè)的內(nèi)容，又可以通過不同的載體投射到現(xiàn)實(shí)世界里，進(jìn)而對現(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，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，并且允許每個用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和世界編輯。

四、元宇宙平臺實(shí)施方案

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

圖2 存算一體可監(jiān)管元宇宙平臺

（一）基本流程

用戶將需要展示或計算的文件及其相關(guān)信息上傳至用戶平臺，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，與鏈上其他模型融合為一個整體，即形成一個元宇宙。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。用戶通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備浸入場景，實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的實(shí)時交互協(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流程圖

（二）模型存儲

該平臺采用區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)分片存儲結(jié)合的方法進(jìn)行模型的存儲，用區(qū)塊鏈管理文件元數(shù)據(jù)信息，保存文件的存儲和驗證信息。通過區(qū)塊鏈的去中心化、可追溯特性，防止文件信息被篡改。同時，將文件分片存儲在節(jié)點(diǎn)的本地硬盤上，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)級增長的問題。通過這種方式在保證存儲文件安全性的基礎(chǔ)上，最大程度上消除了數(shù)據(jù)量過大的弊端。既利用了區(qū)塊鏈的防篡改、可追溯特性，又避免了每個節(jié)點(diǎn)都保存完整文件造成數(shù)據(jù)大量冗余的問題。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，可鎖定對應(yīng)的文件分片，取消用戶的下載權(quán)限。

（三）分布式計算

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

（四）多人實(shí)時交互

由于區(qū)塊鏈的同步機(jī)制延遲較高，實(shí)現(xiàn)多人實(shí)時交互時，用戶端自動匹配鏈上某一節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。通過幀同步和狀態(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)時交互。如圖4所示。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）場景共生融合技術(shù)

該平臺將用戶采集上傳的三維模型經(jīng)過分布式計算轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，通過區(qū)塊鏈進(jìn)行分布式存儲。之后利用區(qū)塊鏈的共識機(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。再通過區(qū)塊鏈進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，將模型分發(fā)到各用戶節(jié)點(diǎn)，供用戶進(jìn)入場景進(jìn)行體驗。

（二）存算一體區(qū)塊鏈

元宇宙對模型的存儲和計算都具有較高要求，因此該平臺采用了存算一體區(qū)塊鏈進(jìn)行解決。對于模型的存儲，采用區(qū)塊鏈存儲模型的名稱、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分布式存儲的方式保存，避免占用鏈上空間導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余。對于模型的計算，采用區(qū)塊鏈發(fā)布接收任務(wù)的形式進(jìn)行分布式計算，通過區(qū)塊鏈的代幣獎勵提高用戶參與計算的積極性。

六、元宇宙的應(yīng)用場景

（一）軍事領(lǐng)域

通過元宇宙打造高度逼真的陸海空天等多域且可按需切換的戰(zhàn)場環(huán)境，讓士兵在酷似實(shí)戰(zhàn)的多維空間中感受和體驗未來戰(zhàn)爭的激烈和殘酷性，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)檢驗新型武器裝備的設(shè)計方案和技術(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作戰(zhàn)先進(jìn)概念進(jìn)行演示驗證，對于未來軍事行動中從全維度的沉浸式方式對條令、訓(xùn)練、指揮人員素養(yǎng)、組織、裝備和士兵體驗來評估技術(shù)綜合集成的影響；指揮員和士兵可以超越現(xiàn)有條件，基于元宇宙的開放創(chuàng)造性將想象中的概念、戰(zhàn)斗操作、隊形等進(jìn)行真實(shí)呈現(xiàn)，在動態(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)，通過元宇宙的數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)，可對歷史數(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、潛在有價值的信息；通過三維建模和數(shù)字孿生發(fā)現(xiàn)潛在的能源資源，結(jié)合專家經(jīng)驗進(jìn)行決策，為專家工作提供遠(yuǎn)程支持；通過三維可視技術(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完整的能源制造流程進(jìn)行三維可視控制，同時確保遠(yuǎn)程專家可以和現(xiàn)場進(jìn)行交流和互動，對現(xiàn)場情況進(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采、海上勘探等面臨的生產(chǎn)安全問題。

通過在數(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)動的電力元宇宙，從而達(dá)到不斷改善的應(yīng)用目的?？梢詫?shí)時反映開關(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)開關(guān)投切、相間負(fù)荷調(diào)整等運(yùn)營策略，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)制造過程中，設(shè)計、生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)往往有著鮮明的流程界限，在互聯(lián)網(wǎng)時代，供應(yīng)鏈協(xié)同生產(chǎn)、區(qū)域協(xié)同生產(chǎn)、遠(yuǎn)程制造乃至跨國制造、云制造等逐漸起步并形成趨勢。

而進(jìn)入元宇宙時代，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、時效性、實(shí)時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、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)和場景在虛擬空間實(shí)現(xiàn)全面部署，通過打通虛擬空間和現(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)甚至無法實(shí)現(xiàn)的體驗與交互。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，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)計參數(shù)的應(yīng)用。它可以通過拓?fù)鋬?yōu)化工具和計算，讓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工程非常地有序，在未來很有潛力。

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，通過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，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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