虚实共生 数智赋能——2023元宇宙创新应用发展报告

虚实共生数智赋能 2023 元宇宙创新应用发展报告 国家工业信息安全发展研究中心 2023 元宇宙创新应用发展报告 主编：何小龙 副主编：陶炜 成员：杜洪涛肖琳琳 编写组 栾燕 主编单位及成员 国家工业信息安全发展研究中心 胡铂 孟祥曦 李云志吴冬寒 张娟娟刘众博 编写委员会 参编单位及成员 北京物联网智能技术应用协会 李佳李平 章学明 北京白马星球科技有限公司冯熙尧 北京德塔精要信息技术有限公司北京虚拟动点科技有限公司 北京云舶在线科技有限公司 冯晋阳颜硕 梅嵩 宋蕾杨皓天 陈敏 北京中科深智科技有限公司罗志文 成都国星宇航科技股份有限公司达而观信息科技（上海）有限公司 广东元能星泰孪生科技创新有限公司 广州交信投科技股份有限公司 龙旭纪达麒凌晖 李莹 张云莎邵万骏伍亮 黄钦炎 汉威广园（广州）机械设备有限公司陈磊 编写成员 杭州优链时代科技有限公司蒋亚洪尹潇 红色地标（北京）文化科技有限公司李茜顾辉 红石阳光（北京）科技股份有限公司韩黎光 来酷智能科技（南京）有限公司王永生 联通（浙江）产业互联网有限公司联通沃音乐文化有限公司 周哲吴功令 童俊杰刘艾军 南京睿悦信息科技有限公司章峰黄登宵 南京业恒达智能系统有限公司山东东晨软件科技有限公司山东乐润信息技术有限公司 上海秉匠信息科技有限公司 张庆 高平宋木松 夏海兵 周志杨解传杰唐玉娇 沈沁宇 上海市普陀科技金融展示馆高新唐蔚 上海数绎智能科技有限公司佟星宇李明迅 上海云拿智能科技有限公司任晓薇平梦菲 深圳华龙讯达信息技术股份有限公司深圳市安博斯技术有限公司 龙小昂施清德 曾超劲林聪阳 深圳市中恒国科信息技术有限公司蔡忠 深圳市中视典数字科技有限公司西门子（中国）有限公司 万维数码显示(深圳)有限公司 像航（上海）科技有限公司 陈焱磊鲍雁锟马志雄 党征刚 覃旭 郑洁 朱铠雯 中漫（山东）数字科技有限公司苏京国 中煤航测遥感集团有限公司阴静慧李欢 2023 元宇宙创新应用发展报告 前言 当前，新一轮科技革命和产业变革席卷全球，以云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链等为代表的新一代信息技术加速碰撞融合，不断催生全新的技术、业务形态和业务模式。元宇宙作为汇聚近年来新一代信息技术重要突破成果、实现多技术融合创新应用的代表，在这一时代背景下应运而生，并与工业、商业、文旅、教育等行业不断深度融合创新、快速发展，逐步成为新一轮科技革命和产业变革中各行各业数字化转型的重要驱动力量。推动元宇宙创新应用，也成为我国抢抓第四次工业革命带来的发展机遇，促进新一代信息技术与实体经济深度融合创新，推动传统产业转型升级，培育壮大新动能，助力制造强国、网络强国和数字中国建设，推动经济社会高质量发展的重要举措之一。 为了贯彻落实党的二十大关于促进数字经济与实体经济深度融合的战略部署，推动新一代信息技术与实体经济深度融合创新，加快构建元宇宙产业生态，国家工业信息安全发展研究中心与北京物联网智能技术应用协会共同发起了数字科技（元宇宙）创新应用优秀成果评选活动，并遴选出37家企业的优秀成果。我们在元宇宙产业政策、技术应用等领域的研究基础上，编写了《虚实共生数智赋能⸺2023元宇宙创新应用发展报告》。本报告共五章，从元宇宙诞生背景、发展动态、元宇宙参考技术架构、元宇宙产业政策动向、元宇宙发展面临的问题与挑战、元宇宙发展相关建议等方面进行了详细阐释，并基于数字科技（元宇宙）创新应用优秀成果总结提炼了元宇宙在工业、商业、教育等领域的典型应用案例。本报告有助于政策制定者、科研人员、相关企业深入了解元宇宙技术应用、政策、发展现状以及典型案例等，有助于更加有效地发挥元宇宙在为各行业、各企业赋能方面的积极作用。 前言 元宇宙方兴未艾，但囿于对元宇宙的认识和实践，本报告可能还存在很多不足，希望读者能够不吝赐教，提供宝贵的意见和建议，在此表达诚挚谢意。 编写委员会 2023年5月 2023 元宇宙创新应用发展报告 目录一．元宇宙技术背景及发展动态 01 二.元宇宙参考技术架构 04 三.元宇宙产业政策动向 07 四.元宇宙产业创新发展现状及优秀案例 15 五．元宇宙发展面临的问题与挑战 81 六.元宇宙发展相关建议 83 发展动态 元技术宇背宙景及 01 元宇宙 技术背景及发展动态 近年来，随着新一轮科技和产业革命蓬勃兴起，全球经济格局正在大变革大调整，我国所处的发展环境和发展动力也在发生深刻变化，云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链等新一代信息技术与实体经济加速深度融合创新，新产品、新业态、新模式、新产业不断涌现，正深刻地影响着生产方式、服务方式、生活方式和发展模式，这已成为未来发展的大趋势。党中央、国务院审时度势、高瞻远瞩，党的二十大作出了加快制造强国、网络强国、数字中国建设和促进数字经济与实体经济深度融合的战略部署，为我国抢占产业和技术竞争制高点、夺取发展主动权指明了方向。 元宇宙作为汇聚近年来新一代信息技术重要突破成果的代表，通过与经济社会发展各个领域融合创新，特别是与实体经济深度融合，将为制造业、商业、文创产业、旅游业等行业领域催生出革命性创新成果，培育出全新增长点。 元宇宙（MetaUniverse）一词最早于1992年出现在尼尔·史蒂芬森 技术的创新应用为世人所知并引起广泛关注则要迟至2021年10月，彼时 Facebook的CEO马克·扎克伯格（MarkZuckerburg）认为元宇宙是社交 媒体的未来，并宣布将Facebook改名为Meta，全力进军元宇宙产业。 01 （NealStephenson）所著的科幻小说《雪崩》中，但作为一种新一代信息 2023 元宇宙创新应用发展报告 图1《雪崩》书影 图2Meta发布的元宇宙示例 事实上，元宇宙作为新一代信息技术的创新应用出现至今仅有不到3年时间，但作为元宇宙重要基础的虚拟现实技术已经经历了几十年的发展历程，并在工业、军事、航空航天、影视、旅游等产业领域得到深入应用。虚拟现实技术的软件和硬件也随着ICT技术的快速发展和不断涌现的广泛需求不断发展完善。特别是在20世纪90年代中期以后，数字人建模技术不断发展成熟，通过“人在回路中”（Human-in-the-Loop）的方式，实现了将人融入到虚拟现实世界中并实现互动。随着虚拟现实、混合现实技术的不断成熟，以及全身动作捕捉、数字头盔、数字手套、多通道反馈、力反馈、3D显示等技术在数字人建模中的深入应用，不仅给予使用者在与虚拟世界交互过程中更加接近现实世界的沉浸感，实现更加接近元宇宙虚实共生的发展目标，也为元宇宙在诸多行业领域中深入应用提供了可能。 图3新华社虚拟数字人记者小诤来源：新华社 图4清华大学虚拟数字人华智冰来源：清华大学 02 图5阿里巴巴推出的数字人AYAYI 来源：AYAYI新浪微博 03 发展动态 元技术宇背宙景及 2022年以来，随着国内业界对于元宇宙关注度不断上升，更多的企业投入到元宇宙相关技术和应用研究之中，探索基于物联网、人工智能、区块链等新一代信息技术的元宇宙应用创新，针对动作捕捉、裸眼3D显示、虚拟人、NFT交易、文创旅游等元宇宙热点领域开展研究和应用推广，涌现出一大批元宇宙优秀厂商和研究成果。 02 元宇宙 参考技术架构 2023 元宇宙创新应用发展报告 人际交互层 行业应用层 算法开发层 模型建构层 基础设施层 AR/VR全息影像 脑机接口人机交互设备 图6元宇宙参考技术架构 元宇宙作为新一代信息技术发展的集大成者，带动了工业、商业、服务、娱乐等面向消费领域的创新和应用热潮，使得元宇宙技术在不同行业典型场景中深入应用并持续创新和快速发展。 元宇宙依托基础设施、模型构建、算法开发、行业应用、人机交互等领域的前沿技术成果，将现实的物理系统与虚拟的数据世界相融合，在虚拟空间中对现实世界中各个业务环节和应用场景进行全面模拟，从而实现业务环节中物理设备、人与流程的优化，使元宇宙成为推动实体经济数字化升级的新型生产力工具。 工业元宇宙商业元宇宙农业元宇宙 人工智能开发框架人工智能伦理虚拟人AIGC 三维引擎仿真建模集成开发环境机理模型模型求解 云计算边缘计算协同渲染AIoT5G 04 元参考宇技宙术架构 其中，基础设施层为元宇宙提供虚实融合所需的数据采集和处理能力、虚实融合所需的计算能力、虚实融合的通讯能力等必备基础部分，其中包括云计算、边缘计算和GPU协同渲染等处理海量数据的算力基础。 模型构建层是元宇宙中将数据更好呈现的基础部分，其中集成了建模仿真、模型求解等构建和展现虚拟世界必需的模型开发与数据处理能力。 算法开发层是元宇宙中把数据变成模型、知识的部分，其中集成了人工智能、数字人等技术，为元宇宙提高智能水平、更好地实现虚实融合提供必备资源。 行业应用层是元宇宙中实现核心能力优化、生产保障能力提升和社会化资源协作的应用基础，集成了面向业务运营管理、优化改进、赋能提升等综合场景解决方案。 人机交互层是元宇宙中支撑人员通过人机交互获得更贴近生产实际的交互体验、实现人机物三元融合的部分，是元宇宙与使用者直接接触、实现互动的部分，通过集成虚拟现实、增强现实、全息显示等技术，为使用者提供更加接近物理世界、更加逼真的多通道展示和反馈渠道，完成物理世界和虚拟世界间的交互与融合。 现阶段，元宇宙的部分应用案例趋近于数字孪生技术的应用。数字孪生是现实世界在虚拟空间中的真实映射，无论是数字孪生工厂、数字孪生城市甚至数字孪生地球，都是通过在虚拟世界模拟、仿真来还原并影响现实世界。数字孪生强调的是数字孪生体与现实世界的事物在虚拟世界中映射、模拟、迭代。与数字孪生不同的是，元宇宙深度集成了数字人建模、 05 三维数据采集 影像采集标CA准D模BI型M和转换激数光据雷采达集 工厂关键数据 三维建模服务 实景三维建模精细建模 设备/设施模型 数字孪生平台 数据标准化数据映射数字孪生体数据资产管理数据可视化 数字化工厂业务 工厂整场模拟设备和产线运维 车间现场仿真培训 数模据型 车辆信息人员信息设备数据业务流程数据 工业物联网ERP/MES 数据 仿真模拟数据分析数据可视化业务管理 模拟数据分析 真机耦合 诊断与预警 力学模拟 非结构化 能耗分析与预测AI分析与优化AR/VR指导实时控制 多通道数据分析实时流媒体智能搜索 交互式3D状态监控 可靠性评估 系统运行优化 工艺规划预测 图7工业元宇宙参考技术架构 故障分析与预测 动态调整预测性维护 员工管理 06 技同时，元宇宙与数字孪生两者之间存在紧密联系。首先，两者的支撑 数术基本上是一致的，因此数字孪生是元宇宙中与现实世界对称存在的 宇字基础设施，能够极大程度地提升元宇宙的构建效率与真实体感。而元 含宙的兴起，也进一步促进和带动数字孪生发展壮大，两者之间存在着包 与被包含、共生与共存的关系。 数据整合 2023 元宇宙创新应用发展报告 虚拟现实、增强现实、混合现实、“人在回路中”等提升使用者沉浸体验感的相关技术，更加有效地增强现实世界与虚拟世界的融合度，进一步提升元宇宙系统的赋能能力。特别是在工业元宇宙应用中，工业数字孪生是工业元宇宙虚实融合的基础，实现虚实世界与现实世界的1∶1映射，而工业互联网作为工业元宇宙的网络基础和数据来源，实现了人、机、料、法、环、测等领域的全面连接和数据全面集成与融合。 工业元宇宙业务场景 元产业宇政宙策动向 03 元宇宙 产业政策动向 随着元宇宙的社会关注度不断升高，以及元宇宙技术与实体经济融合程度不断加深，其对人们生产生活方式甚至经济社会发展方式的变革和影响不容忽视。因此，出台元宇宙相关产业政策，引导元宇宙产业前瞻布局和健康发展成为政策制定者的关注焦点。 01从国际看，各国政府对促进元宇宙产业发展总体持积极态度 欧盟虽然未出台促进元宇宙产业发展的政策，主要领导人也未表明 支持，但近几年陆续发布《数字服务法案》《数字市场法案》，预示欧盟监管机构将继续推动