元宇宙物联网技术探秘_张金钟.pdf

栏目主持：周丹雅 E-mail：332022.11 文/张金钟阿炜许亚萍张超天融信科技集团股份有限公司元宇宙物联网技术探秘2022 年疫情卷土重来，新冠疫情的肆虐减少了人们在现实世界的联系，使得人们对线上生活的需求和参与频率到达了一个顶峰，元宇宙正是在这样的背景下迅速掀起了热潮。事实上元宇宙并不是一种完全全新的观念，1992 年，在 Neal Stephenson 的科学作品Snow Crash中第一次明确提出了 Metaverse（元宇宙世界），描绘了一种以人类的虚幻形象在三维空间内和周围各种环境实现了互动的世界。所以元宇宙就是一个经过虚拟增强的物理现实，即基于未来网络、具备连接感知与信息共享特性的 3D 虚拟空间。在元宇宙的发展过程中，相关的政策也伴随出台。近些年政府相继发布的金融科技发展规划（2022-2025 年）元星球产业发展社会自律协定太湖湾科创带引导区元星球生态产业发展规划等政府文件，从多角度为元宇宙的成长提供了思路，以促进元宇宙在各行各业的协调发展。除北京之外，韩国首尔也提出了更详细的五年计划，期望将自己建设成元宇宙中心，同时日本经济产业省还发表了有关虚拟空间产业发展未来发展可能性与课题研究的调查。这些政策上的支持与扶持，恰好反应了元宇宙在国家的推动下进入了“快车道”，也预示着元宇宙正在向合规化、商业化的路径开始前行。一、物联网技术在元宇宙中的价值随着物联网技术的迅猛发展，加速实现了虚拟空间和真实空间的连接，为人类跨越现实空间，进入元宇宙奠定了基础，想要布局元宇宙就要先布局物联网。元宇宙将是汇集游戏引擎、AR 可穿戴设备、VR、现实世界数据集和不断发展的物联网，最终把所有的感应装置和互联网整合起来从而构成的一个庞大互联网，实现任何时候、任何地方人、机、物的互联互通，而物联网相关技术作为元宇宙实现跨越虚拟与现实边界的关键技术是不可或缺的。物联网技术为元宇宙中万物交互和虚实共存创造了可靠的科技保证，为元宇宙感知外部资源创造技术保障，为元宇宙的发展提供了必然性。rontier technology 前沿技术34F2022.11传感器是物联网中重要的连接系统，为元宇宙提供了各种各样的基础设施，比如感知设备、连接设备、传输设备等。目前，物联网技术在世界呈现出了高速发展，欧、美、日、韩等国家都把物联网作为重大的新兴战略产业发展。元宇宙最大的特点就是能够提供快捷的信息访问途径，人类进行信息通讯的手段也不再局限于移动手机或个人电脑，而各种穿戴设备、车辆、家庭等也都将连接到互联网上。另外，物联网的各类传感器也是人类五官的重要延伸，可以通过多类传感器捕获各类数据。物联网的整个价值链环节可粗略包括感知层、互联网层、产品层以及使用层。物联网技术的不断发展，为元宇宙的虚拟世界提供了实时、精准、持续的数据供给，同时满足了随时随地以各种方式多元化接入元宇宙的需要。元宇宙物联网的体系结构主要分为四层:感知层、网络层、平台层及应用层，整个构架贯穿物联网业务全生命周期，涵盖了物联网的主要组件，如传感器、控制器、数据采集、转换、处理、分析、边缘智能处理、传输通讯链接、管理服务、平台建设、业务对接等。元宇宙物联网的体系结构框架可以根据实现方式而变化，例如在更看重边缘处理的场景中，为了提升边缘计算能力，可以在感知层和网络层中增强在网络边缘的信息处理能力及某些智能 AI 运算能力。1.感知层感知层的最大作用在于收集物理世界的信息，它也是人类社会与物理环境之间交流沟通的重要渠道。例如在智能饮水方面会引入一个流量感应器，每当客户饮水，流量感应器就能立即收集到本次自来水的流量。又如小区的门禁卡系统，要先把客户数据录入中央资料处理系统，之后客户在进门的时候直接刷卡就可以。通过物联网传感器确保元宇宙世界能够捕获更多的外界信息，在感知层中，存在多样的物联连接方式，以达到对传感器、执行器和边缘控制系统的泛在接入。2.网络层网络层连接了感知层与平台层，物联网中的网实际上包括了两个部分：接入网络、互联。过去的网络仅仅打通了人和人之间的信息互动，但并不能打通人与物或物与物之间的信息互动，因此物体本身并不具备信息连接能力。但后来发展出将物体连接进网络的技术手段，人们可以将它为设备连接网络，而利用这一网络就可以把物体和网络接通，从而完成了人与物和物与物之间的信息互动，增加了信息互联的边界，更可以借助大数据、云计算、AI 智能等前沿科技的运用来提高物理与人类世界信息的丰富程度。3.平台层平台层是为物联网企业创造应用领域和增值业务的重要基石，而下游智慧驾驶、智慧家庭等使用层的情景也越来越多样化，可以促进网络平台层、栏目主持：周丹雅 E-mail：352022.11互联网层的共同成长。平台底层能够为传感设备带来安全可靠的链接与通讯能力，南向链接海量设备，将支撑的数据从北向传输至云端，上供给云端API，服务端通过调用云端 API 将命令下达至设备终端，并进行远程管理。物联网平台功能主要包括设备连接、设备管理、安全管理、消息通讯、监控运维和大数据应用等。在平台层中，通过数字孪生技术，将感知层工作场景进行数字化抽象转变，通过接收来自感知层的数据，这些数据用于可视化或安全防御、处置决策的分析。4.应用层应用层是物联网的终极目的，它首先是为了把设备终端所获取到的大数据加以管理，以便为不同的业务领域提供智能服务。目前物联网所涉及的产业很多，涵盖了能源、运输、环境、农产品、工业、管理、家居生活等，而实质上应用的物联网服务类型则大多涉及物流监测、污染监控、智慧城市交通、智能家居、手机钱包、道路上不停车收费、远程抄表、智慧检索等。应用层作为物联网研究和应用的主要界面，与元宇宙万物连接进行有序管理，是元宇宙虚实共存的重要基础。物联网技术作为元宇宙的核心底层科技，通过感知层(传感器)、网络层(网络通信)、应用层(操作系统)的协同合作，为元宇宙中万物链接和虚实共存提供了安全科技保证。三、元宇宙与物联网核心技术剖析1.供能技术不论是融入服饰的 3D 打印可穿戴设备，又或是贴于皮肤之上的微型生物传感器等，使用场景决定了它们的设计一定是趋于微型化的，这就对传感器的供能模式提出了考验。若采用有线供能的模式，因供电线路的限制设备将处于一个固定的环境中，灵活性大大降低。此外，电池也是一种可能的供电方式，但电池本身的体积极大限制了微型传感器的设计条件，电池续航受限也让感知系统充满了极大的不确定性。因此，对于元宇宙所用到的部分低速物联传感设备而言，无源无线的供能模式或许更为合适。随着物联网技术的发展，未来“温差能”“微光能”“振动能”“射频能”的芯片和模组都将投入使用，这种具备自供能特性的芯片和模组在满足产品设计需求的同时，还拥有免布线、低成本、免维护的特点。可以畅想，贴于身体皮肤表面的无源传感器，可通过采集皮肤表面的温差能、用户使用VR 运动中产生的动能、设备所处环境中的微光能、射频能来进行发电，维系传感器恒久在线工作，为元宇宙感知层面的搭建奠定了重要基础。2.感知技术让机器能够识别检测到物理环境中的各类信息，使机器能够有效地与周围世界进行交互。基于多传感器的多模传感功能是元宇宙最主要的科学元素，通过多种感应器的结合使用能够克服其各自的缺陷，是一个融合了多种感应器信息的综合性前沿学科。主要应用图像视觉感应器、语音信号、红外感应器、压力传感器等，实时收集其声、光、温、电、动力、化学、生物、位置等各种环境的状态数据，例如通过 Camera、激光雷达、IMU、毫米波雷达等感应器的结合，收集其操作的物理状态数据，目前在自动驾驶、移动机器人等的传感与定位应用领域中处于十分关键的地位位置。3.联网技术网络是物联网中最主要的信息传递网络之一，rontier technology 前沿技术36F2022.11要实现物联网就必须要求互联网能适应更大的信息量，并提供更多的终端服务。但要达到一些要求，就需要在技术上进行突破。目前，IPv6 技术已是突破了这些难点的新技术，这主要是因为 IPv6 技术具有近乎无尽的地址存储空间，因此能够保存并传送海量的数据。而使用互联网的 IPv6 技术，不但能够为人提供服务，而且还可以为各种硬件设施提供服务。4.移动通信技术移动物体之间、运动物体和静止物体之间的联系，必须借助移动通信网路才能正常进行。移动通信分为两类方式，分别为有线电话与无线通信，在这两类方法的影响下，我们能够享用到语音电话、视频传输等业务。内核网、内核骨干网和无线接入网一起构成了移动通信网。当中，无线接入网的主要功能就是连接移动通信网的所有移动端口，并依靠内核网和内核骨干网才能够进行信息的交互与传输。据此看来，移动通信网的基本技术应该分为两种：第一类是通信交互工艺技术；另一类则是信号传输工艺技术。移动通信网能够进行所有方式的通讯，所以它也具备了开放性，而移动通信网能够在各种不同条件下开展作业，因此它也具备复杂性。此外，移动通信网也具备了移动性。5.无线传感网无线传感器网络研究涉及到许多方面的内容，主要涉及现代网络信息技术、无线通信技术、嵌入式计算、分布式数据处理网络和传感器网络等。网关节点(汇聚节点)、数据传输网络、传感器节点以及远程控制设备共同组成的无线传感器系统，并满足了无线通讯、数据控制、事务处理等的职能。6.中间件技术介于传感设备与软件之间，对物联网的传感、互联互通、智慧计算等能力的支持，能够对传感设备收集的信息进行校对、过滤、聚合和处理，能够显著降低传输数据的冗余性、增强信息和接收的可信度。7.智能分析技术由于物联网中传感装置类型多样，需要对来自于各种网络系统、各个子体系中的海量异构数据信息实行统一的管理和储存，因此需要物联网的海量信息处理机制能够充分融入多网、多源、异构的海量数据信息，对这些数据分析信息实行有效快捷的管理，以此获得最有价值的信息，从而提供智慧决策。同时，海量信息数据处理任务还需要利用各种信息资源，包含运算信息资源、数据库资源、信息网络资源等，通过对这种信息资源的统一计划与调配，才能够更有效地提高海量信息数据处理的速度。8.分布式计算技术分布式运算就是在二个或多台软件上互相共用数据，因为这种应用软件既可以同时在一台电脑上执行，又可以在彼此连接起来的多台计算机上同时执行，所以分布式运算也就是透过共用运算来源，在多台计算机上均衡运算负荷，可以在单点故障的情况下保证系统的完整性，大大提升了系统的抗干扰能力，保证系统运行的稳定性。四、结语目前物联网所涉及的元宇宙应用场景很多，包括了智能电网、智慧物流管理、人工智能环境、智能化农产品、智能工程、城市管理、家居生活等。随着物联网技术的发展，网络空间和物理空间愈发紧密的融合，而元宇宙也会给我们提供更逼真的感官体验以及更加具体的服务，人们终将步入到元宇宙所描述的虚实融合的时代。