元宇宙技术及其在水路交通领域的创新应用

万程鹏，邵龙

武汉理工大学 智能交通系统研究中心

“元宇宙”（Metaverse）一词诞生于科幻小说作家尼尔·斯蒂芬森1992年出版的著作《雪崩》，在一个庞大的虚拟现实世界，人们用数字化身来控制并相互竞争以提高自己的地位。元宇宙是科技哲学领域极为前沿的研究视点，也是数字时代呈现高精技术引领的研究热点，是技术创新、产业升级、经济诉求、疫情影响等因素共同推动的结果，顺应了数字经济时代新一轮产业革命的要求。上海在2021年发布的《上海市电子信息产业发展“十四五”规划》中明确提出，加强元宇宙底层核心技术基础能力的前瞻研发，北京在2022年发布的《关于加快北京城市副中心元宇宙创新引领发展的八条措施》中指出，要加快元宇宙相关技术与各行业深度融合，提升元宇宙产业空间承载能力，打造“N+1”的产业创新集聚区。当前，主流观点认为元宇宙是一个数字世界（或虚拟世界），具有“虚拟性”；是由XR（扩展现实）、区块链、数字孪生、5G、人工智能等新技术融合发展而来的互联网升级版，即Web 3.0；是现实世界与虚拟世界的深度融合，二者相互作用、共同进化。

图1 数字化转型的三个阶段

一.元宇宙技术简介

1. 元宇宙的基本内涵

元宇宙的基本内涵主要包含两方面内容，这也是其核心特征。第一是“仿真”，即通过发达的人工智能技术在虚拟空间实现对真实世界中事物之间互动的模拟；第二是“沉浸”，即类似当前已经具有的互联网技术，但元宇宙将这种 2D 体验延伸到 3D 层面，将虚拟空间高度真实化，彻底颠覆人在虚拟空间中的体验感。

虚拟与现实的关系，是在研究元宇宙时首先需要形成共识的一个方面。元宇宙创造的虚拟世界是与现实世界耦合的，不是完全平行的；元宇宙不会以虚拟社会关系取代现实中的社会关系，而会催生线上线下一体的新型社会关系；元宇宙不会以虚拟经济取代实体经济，而会从虚拟维度赋予实体经济新的活力。

从人类文明形态看，元宇宙或将成为继原始文明、农耕文明、工业文明之后，代表数字文明发展的一种全新的文明形态。回顾每一次科学技术的进步，人类对世界的认知水平都达到新的高度，改造世界的能力实现新的飞跃，经济、社会和人类文明上升到新的层次。若把当下所处的时代视为数字文明的初级阶段，那么元宇宙时代或将是数字文明的高级阶段。围绕元宇宙概念的技术变革有可能早于预期走入现实。由于第三次工业革命以来科学技术呈现指数型、爆炸式增长，很难准确预判和把握具有颠覆性的新技术诞生以及新场景普及的时间节点。例如，2023 年始，反映人工智能技术发展水平达到新高度的ChatGPT 火爆出圈，提醒着人们在迈向未来“宇宙社会”的路径上，相关技术变革的步伐会不断提速，很多功能场景可能比想象中更快、更早地来到身边。

基于上述判断，应高度重视元宇宙的发展，并对其可能引发的颠覆性变革影响展开前瞻性探索。

2.元宇宙的技术基础

元宇宙的框架可以概括为4层，包括交互层、网络层、应用层和支持技术层。交互层的主要任务是实现人类与虚拟世界之间的通信，并确保用户的沉浸式体验。网络层包括实现网络传输的技术和硬件基础，为元宇宙提供高带宽、低延迟、稳定和安全的网络环境。应用层主要与元宇宙的内容生产和维护相关，包括空间映射、内容生成和认证机制。此外，计算能力、标准、协议以及安全措施是实现元宇宙的基础技术。元宇宙的技术支持主要包含以下几个方面：

（1）网络。网络的主要任务是实现计算机之间的信息传输、接收和共享。通信技术和网络是元宇宙形成与现实世界互联的虚拟世界的基础，其发展和局限性影响元宇宙中的产品和服务。用于衡量网络性能的主要指标是带宽、延迟和可靠性。

（2）计算。作为数字世界的载体，元宇宙需要强大的计算能力来满足各种功能和服务，如物理计算、渲染、数据同步等，计算能力将决定元宇宙的上限。作为一个始终运行的镜像世界，元宇宙有着巨大的、持续的计算需求。这一需求不仅是一个高性能、低延迟、易于扩展的硬件平台，而且是一个端到端、生态丰富、易于使用的软件堆栈。硬件计算能力和边缘云计算能力的发展将进一步增强用户的低延迟和高保真体验。

（3）虚拟和真实交互界面。目前，连接现实和元宇宙的技术主要有XR、BCI和机器人等。XR包括虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）和混合现实（Mixed Reality，MR）。VR是一种向用户呈现与真实世界相似或不同的虚拟环境的技术。MR是指通过融合现实世界和虚拟世界而创建的新视觉环境，是VR和AR的融合。XR技术通过捕捉用户动作并使用用户的视觉、听觉和触觉，实现元宇宙中信息的输入和输出。然而，为实现稳定的长期虚拟世界，需要探索和利用BCI。BCI目标是完全取代屏幕和物理硬件，利用用户的思维驱动应用程序。机器人作为物理模拟，可以在现实世界中扩展人类的能力，并成为连接元宇宙的另一个渠道。

（4）内容制作。元宇宙所提供服务的一个重要部分是其内容，包括内容生成、演示和审查。首先是内容生成。构建一个与现实世界高度一致甚至超越现实世界的元宇宙，需要大量的数据模拟和强大的计算能力来创建一个虚拟世界，其关键核心是DT。DT是元宇宙的基石，是跨越其生命周期的对象或系统的虚拟表示，是在虚拟空间中创造真实事物的动态孪生，在传感器的帮助下，本体的操作状态和外部环境数据可以实时映射到孪生体。其次，DT为如何将元宇宙的内容合理地呈现给用户提供了一个平台，元宇宙使用DT构建的真实世界的数字副本作为切入点，为用户提供完全连接的3D体验。最后，AI技术用于审查无法在元宇宙中手动完成的大量内容，以确保元宇宙的安全性和合法性。

（5）身份验证机制。与人类社会不同，元宇宙是完全数字化的。因此，需要一种新的认证机制在元宇宙中构建一个独特的信用系统，并解决传统互联网遗留的集中化问题。集中式系统在虚拟世界的创建和运行中存在巨大风险，如黑客攻击、恶意软件和集中式决策。现实世界的认证机制在数字世界中是无效的，很难保护创作者和用户的权利。

元宇宙是新一代信息技术的集大成者，是众多最新数字科技的集成创新。各专家团队提出的技术体系，从最初的罗列元宇宙可能涉及的技术体系，如BAND技术体系、BIGANT技术体系和We aimed to begin技术体系，到分门别类的梳理，如BASIC技术体系和参考架构，再到分层的技术模型。这些体系都是以信息基础设施（互联网、5G／6G网络、物联网、WiFi 6等通信设施）为载体，以虚拟现实（VR／AR／MR／XR）为核心技术支撑，运用云计算、人工智能、区块链等为代表的数字化新技术，以数据为基础性战略资源构建而成的数字化时空域，最终在基础芯片、元器件、操作系统等软硬件技术基础上构成“元宇宙”终端入口。

二.元宇宙背景下数字孪生推动航运交通虚拟化

数字孪生技术的本质在于将现实世界的人、事、物按照对应的比例复刻到计算机的虚拟世界中，并通过操作高度相似的数字孪生模型实现对现实世界的观察、研究、分析、推演和决策。我国航运交通行业用短短几十年的时间走完了发达国家几百年的工业化、现代化历程。在快速发展、急速扩张的过程中面临一些挑战，想要解决此问题，可以依托数字孪生技术，在大数据和云计算的支持下，结合增强现实、虚拟现实、人工智能和物联网等先进技术，建立高度仿真、全面感知、动态模拟和精准控制的虚拟交通平台，通过虚拟交通平台与现实航运交通的完美对接，赋能开启全新智慧航运。

图1 数字技术在港航业应用的典型方式举例

三.元宇宙技术在航运领域的应用

1.船员实际操作考试评估

船员实际操作考试评估工作对设施、设备都有较为详细严格的要求，考试评估中心的建设内容主要包括多类驾驶、轮机和电子电气、智能船舶评估室等项目，建设费用动辄需要上亿资金，因项目用地和投资规模限制无法实现每个直属海事局都建设一个考试评估中心，目前只能是部分省市的“专属”。元宇宙概念引入船员实际操作考试评估工作后，“极致沉浸体验”将使船员身临其境地操作各类船舶设备；“丰富内容生态”将使考试评估内容更加多样；VR、AR设备使高度真实模拟复杂航行状况操纵船舶成为船员考试评估的日常。此类系统在船员培训机构、航海院校、职业学校可同步应用于学员培训，航海文化推广项目、少年海事学校以及商业用途的休闲项目也可将其同步应用于航海体验。相应的应用场景加入各地地理水文等数据（涉密除外），可形成各地转化后的本区域专用系统。类似应用场景还可用于远程引航和无人驾驶船舶等工作的实操训练。

图2 AR船舶智能导航系统示意图

2. 水上搜救应急决策

目前较大规模的水上搜救演习一般需要按照预案内容，动用一定数量的人、财、物，协调方方面面的社会资源。元宇宙概念引入水上搜救应急工作后，在相应的应用场景中可为参演各方分配角色，各级人员、车辆、船艇和飞机按照角色要求完成指令下达、沟通协调和现场搜救等任务，演习结束后系统还可对搜救情况进行评价，时间与空间的灵活度提高，资金投入减少，演习频度增加，从而使演习效果得到提升。相应的应用场景可以移植到不涉密的海上模拟军事演习和商业用途的海战游戏中。元宇宙概念还可引入水上搜救辅助决策系统，实现虚实联动，其作用相当于棋艺平平的棋手在象棋软件的帮助下实时对弈并击败特级大师。类似应用场景可以推广应用于水上危险化学品污染事故应急演习和应急处置辅助决策，以及重大水上活动的安全保障演练当中。

图3 海上搜救应急处理虚拟仿真实验

3. 港口管理和优化沉浸式远程控制作业

不论是操控港口吊机、驾驶船舶、维修轮机，还是仓库作业，一些过去需要人们亲临现场劳作的场景，都将有可能转变为人们在虚拟沉浸式环境里进行远 程控制作业，在数字孪生环境下的所有操作都将控制远在另一地点的真实事件的发生，让人们仿佛身临其境但又舒适愉快的完成工作。

图4 数字孪生对港口生产的场景还原效果

4.虚拟人物协助作业

元宇宙中创造出的虚拟人物，具有人工智能的学习能力，并能够记住海量的业务知识，可以让虚拟人物作为港航物流从业者的工作助手，帮助处理繁琐的沟通联络、账单核对、申请填报等工作，从而让人的精力更好的集中在更重要的事情上，当前流程自动化机器人（RPA）技术就是这种应用的萌芽。

图5 会议虚拟世界

5. 超仿真业务规划

利用实现港航物流场地、载具、路线和设备等在元宇宙中的数字孪生模拟，就有可能通过仿真运算模拟现实世界正在发生的事件，并以更快计算速度提前预知拥堵、故障、闲置、危险等情况的发生，对不准确的规划、不合理的计划、不可靠的操作、不可控的过程进行提前介入和干预，从而提供更优化、更顺畅、更可靠的设计和方案。

图6 虚拟现实与视景仿真

6. 虚拟化物流组织

利用元宇宙所带来的社会经济关系变化，更多自由职业的港航物流人，可以在更加自由组织的环境下相互配合来完成一个传统物流业务。例如一个长期从事美线货代业务的人，可以在做欧线业务时，在元宇宙中找到熟悉欧洲航线价格和欧盟清关程序的人提供帮助，共同完成一笔业务，而利润则会依靠智能合约自动分配。不仅仅是人，所有的物流资产也可以在元宇宙中组织分配，而使其可以在实物物流中发挥作用。例如，你可以在元宇宙中置换一个集装箱，从而把一个海外的集装箱更换成一个正在国内的集装箱，而不需要通过调运的方法。社会物流资源就能在元宇宙统一操作和分配规则下进行运营的自由组合，从而可以形成覆盖全国、甚至全球的物流服务网络。

图7 VR虚拟物流

7. 虚拟交付取代真实交付

有时，购买行为并不代表实物商品的拥有者想要立即得到它，元宇宙可能创造出一种虚拟物流交付，即在你真的需要得到实物之前先持有虚拟物品，成为一种真正意义上的“按需分配”。例如，一个人在元宇宙试穿了一件衣服并购买了它，这件衣服已经瞬间挂进了她的虚拟衣柜中，但实物可能保存在某个仓库，只有当她真的想穿这件衣服时才会真的给她送上门。若有人因为身材变化想转让一件未曾穿过的衣服，这种虚拟交付将避免没有实际意义的实物交付和物流作业。

8. 沉淀优质数据和智慧经营

元宇宙的发展会让更多物流业务的流转和交易在线上达成，这就会及时、全面、准确的将对应的数据沉淀下来，大数据分析技术将据此而大显身手，以更为精细、实时、多维的计算来为经营决策提供有效支持，通过全面洞悉的数据驾驶舱，港航物流的决策者将以“分秒级”效率完成经营决策和判断，从而在市场竞争中保持主动。

四.元宇宙技术在水路交通发展及应用面临的挑战及建议

1.  带来的挑战

元宇宙在水路交通发展所面临的挑战，并非只局限在技术和应用两大层面。在智慧航运延伸到元宇宙交通的过程中，“元宇宙＋水路运输”所面临的真实挑战不仅仅停留在技术与解决方案阶段，同时也会表现在发展思路、发展模式、配套设施、产业生态等一系列方面。

从经济风险上看，发展与推进“元宇宙航运”既要警惕行业经济失衡的风险，也要防止过度谨慎和悲观的倾向。目前，元宇宙交通尚停留在初级萌芽阶段，元宇宙的交通应用场景还无法与水运基础设施生命周期各个阶段实现无缝衔接。

从企业风险上看，“元宇宙水路交通”企业面临的市场不确定性太大。对于企业而言，由于前期元宇宙市场规模不确定、商业模式变现不确定，水路运输相关企业对于涉及元宇宙交通相关的产品尚处于探索阶段，且更多依赖资本市场融资，缺乏自我造血能力。

从技术风险上看，“元宇宙水路交通”存在新技术短板，应防止关键技术被“卡脖子”。如前所述，元宇宙水路运输的搭建还受技术、基础设施等的影响，目前只能做“轻型元宇宙”。

从政策法律风险上看，发展“元宇宙航运”亟待政策规范指引，安全问题不容忽视。各部门、各行业将数字化、智能化的触角延伸到元宇宙，但不能连接起来发挥综合效应，缺乏完整、科学的标准体系。元宇宙交通强调用户参与和体验交互，参与的过程必须需经过监管和审查，还存在一定的法律政策风险，除了数据的安全、基础设施的安全、技术应用的安全等，必须要上升到顶层设计高度。

2.  发展建议

（1）积极把握“元宇宙”发展红利期，加快新型水路交通基础设施建设

水路交通运输行业要把握元宇宙空间性、人机性、经济增值性的特点，鼓励地方政府找准交通数字空间的切入点进行交通领域试点，加大力度支持科研院校和龙头企业加强关键核心技术的研发突破、前沿技术的创新探索，超前布局，积极扶持中小科技企业加快“元宇宙”在水路交通相关场景的创新和应用实践，抢占先机。

（2）加强关键核心技术攻关，推动航运重点领域协同化创新

聚焦前沿领域，前瞻布局关键技术研发。加强底层核心技术基础能力的前瞻性研发，加快满足元宇宙要求的区块链技术、交互技术、网络及运算技术、物联网技术、人工智能技术在水路交通领域的应用攻关，与北斗系统、先进适用运输装备的深入应用融合。

加快航运领域的协同化创新。首先是强化与上下游协作，推进基础工艺与材料研发攻关。其次加快交通与相关领域感知交互的新型终端研制，丰富系统化的虚拟场景建设。

（3）加快“元宇宙＋交通运输”创新平台建设

加快未来航运元宇宙创新平台建设。首先是坚持试点先行，带动全面发展。推进地方交通实验室建设试点，前瞻打造一批未来技术学院、未来产业技术研究院，加快新型实验室体系和技术创新中心建设，构建基础研究、产品开发、商业应用、产业化、效益化全流程闭环的创新体系。其次是建立以企业为主体、“产学研用”深度融合的技术创新机制。注重用“产、学、研、创、孵、投”的方式打造元宇宙水路交通科研组织，引导行业骨干企业牵头联合高等院校、科研院所等搭建未来产业创新联合体，鼓励航运行业各类创新主体建立创新联盟，建立关键核心技术攻关机制。

（4）出台相关扶持政策，激励创新加快转化

深化科研管理和科技投资体制机制改革。建立对“元宇宙＋水路交通运输”产业的早期投资、长期投资、分阶段连续投资和产业链组合投资机制，建立操作性强、可落实的人工智能科研投资激励机制，激发研发人员的研发创新活力，为科研人员多出成果、快出成果营造良好的科研条件。

参考文献

[1]李卫波.前瞻性研判元宇宙对交通运输的颠覆性影响[J].新经济导刊,2023(02):47-60.

[2]曹菁菁,雷阿会,刘清等.虚实融合驱动智慧港口发展研究[J].中国工程科学,2023,25(03):239-250.

[3]徐凯.元宇宙对港航物流业影响几何[J].中国船检,2022,(08):

[4]蒋明,李琪,龚才春等.元宇宙技术及应用研究进展[J].广西科学,2023,30(01):14-26.DOI:10.13656/j.cnki.gxkx.20230308.002.

[5]赵光辉.元宇宙交通运输：内涵、挑战、趋势与应对[J].武汉理工大学学报(社会科学版),2022,35(04):84-90.

[6]赵光辉.元宇宙交通运输下的出行安全挑战与治理[J].当代经济管理,2022,44(11):31-38.DOI:10.13253/j.cnki.ddjjgl.2022.11.005.

智能新能源船舶技术产业联盟秘书处

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