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之江实验室元宇宙实施方案

类别：技术方案作者：admin 发布时间：2022-07-08 浏览人次：933

2021年下半年，元宇宙概念大火，腾讯、百度、网易、字节跳动等互联网企业纷纷布局相关领域，国内三大电信运营商加码元宇宙基建，国外脸书、微软、英伟达等科技公司也在积极布局。元宇宙已经成为一个从科技界、资本圈到街头巷尾的热门话题。

1.1. 学院简介

2015年7月，为响应国家创新驱动发展战略和《中国制造2025》，推进国家、区域经济社会发展和产业转型升级，浙江大学和浙江省委省政府共同谋划筹建了之江实验室，并于2016年9月正式揭牌成立。学院紧密依托浙江大学高水平的综合优势，汇聚全校理工、经管、医药等院系优质教育资源，探索高端工程创新人才培养体系。为服务国家重大需求，解决“卡脖子”工程技术难题，学院重点开展面向企业、复合交叉的专业学位研究生卓越培养项目和一流工程管理专业学位研究生培养，精心打造一支专兼结合的高水平工程教育创新师资队伍，着重加强研究生技术应用创新和工程专业实践训练，大力建设具有一流水平的工程创新与实训平台，积极推动产教融合、科教协同的培养模式创新，率先开展学历、学位、工程师职称“三证合一”改革试点。前两届毕业生就业率排名全校前列，深受企业欢迎。

1.2. 建设背景

2021年12月23日中央纪委国家监委网站发文《元宇宙如何改写人类社会生活》，文中指出：“多重因素促使元宇宙从概念走向流行，可为游戏和社交结合、零售及电商环节、工业互联网等带来发展机遇。”

2022年1月5日浙江省数字经济发展领导小组办公室印发《关于浙江省未来产业先导区建设的指导意见》，指出将构建以区块链、第三代半导体、量子信息、元宇宙等领域为重点的未来产业发展体系。

2021年2月，《教育部2021年重点工作》中指出“加大特定领域产学合作协同育人项目支持力度，推进人工智能、集成电路、储能等国家产教融合创新平台建设。布局建设未来技术学院，支持建设一批高水平公共卫生学院、示范性微电子学院和特色化示范性软件学院等，加快建设一批现代产业学院”

2021年2月18日，浙江省召开全省数字化改革大会，发布《浙江省数字化改革总体方案》，全面启动浙江数字化改革。方案指出，未来五年内，浙江将以数字化改革撬动各领域各方面改革，运用数字化技术、数字化思维、数字化认知对省域治理的体制机制、组织架构、方式流程、手段工具进行全方位系统性重塑，推动各地各部门流程再造、数字赋能、高效协同、整体智治，整体推动质量变革、效率变革、动力变革，高水平推进省域治理体系和治理能力现代化，争创社会主义现代化先行省。

综上，全国数字化改革的先行者浙江省已经全面推进数字化建设，数字化的治理、生产、教育、生活将全面进入我们的社会。而元宇宙必将成为数字化建设的重要产业发展方向。学院已建成智慧物联及安全防御、建工与土木工程、光学传感技术、汽车前沿技术、电气技术与装备、机器人与智能制造、信息与微电子工程、高效清洁低碳能源8大工程创新和训练中心平台。针对性开发实践训练类课程，8个平台已分别为专业学位研究生开发12门实践训练类课程。工程创新和训练中心围绕“中国制造2025”和“创新驱动战略”应用方向，培养及培训工程师，并通过产学合作，以有效服务浙江省乃至国家的新兴产业发展。通过和国内外的著名企业合作，利用企业资金、设备和技术优势在企业建立若干实训基地，对研究生进行专业化和个性化的工程实践培养，使毕业研究生达到国际一流的工程技术水平。

1.3. 建设目标

利用大华先进的结构化摄像机，通过局域网、广域网多点视频互联、集中存储，对元宇宙实验内各个场景进行高清摄录。摄录画面可在可视化驾驶舱内对实验室全景和场景细节进行展示，也可以作为现实画面与数字孪生及虚拟仿真场景结合。在今后可通过大华摄像机不断升级的AI算法，对元宇宙实验室各个应用进行数据补充和辅助。

获取各类设备的运行状态和参数，反馈到数据中台完成计算和决策，并实现相应的控制，搭建数字孪生的基础平台。实验老师可通过基础平台的开放接口，根据设备的特性自主建模、自己设计相应的控制过程。

前期先通过虚拟仿真技术VR对一套柯马机械臂进行交互操控及虚拟仿真实训教学，并将操控进程数据实时反馈至数据中台。后期可对实验室打造各个虚拟现实的场景，并实现相应的感知、通信、计算、呈现、决策和控制过程。

根据实验室实际空间场景布局进行三维建模，匹配已有的系统或设备模型。建立可视化的驾驶舱，对图像、设备状态及运行数据、实验数据、操控记录等进行呈现和分析。

1.4. 建设原则

（1）高并发原则

系统应具有较高并发处理支持能力，以满足在某一时段集中进行数据采集、数据传输、查询、统计分析的需要，具备大并发量处理能力

（2）开放性和可扩展性原则

系统具有与其他系统进行集成和数据交换的能力，能够提供标准接口，能满足实验室应用场景的扩充要求，包括：硬件设备的升级、软件功能扩展、系统容量的扩充等；可与已建成的相关系统进行功能对接或数据交换，可扩展挂接多种技术系统。

（3）安全性原则

包括访问安全和数据安全，除了网络安全防护和备份外，对视频流、数据库、VR/AR系统的访问提供不同级别的权限管理，保证了系统实时、安全、可靠的运行。数据安全控制包括，数据加密技术，保证数据安全，数据传输采用安全可靠的机密手段，保证传输安全。

（4）开放性原则

架构选型上必须是通用的大数据架构，若产品采用中间件，则必须是市面上主流的开源组件。

（5）规范性原则

在整体的平台数据构建过程中，必须保证严格的规范命名与操作，例如数据库表、字段、存储过程等都必须有明确的中文注释，ETL接口必须有明确、易懂的命名规则。

2. 系统设计

2.1. 系统架构

系统总体框架遵循集中控制的架构设计，以视频、数据为核心，以数字管理为驱动，以大数据、云计算、物联网、VR技术及AI应用等为手段，通过对业务系统的梳理和核心数据深入分析，形成契合业务应用需求的系统总体架构。

1）设施层：主要指保障上层系正常运行的私有云及硬件安全设备、运行于硬件上的基础系统和传输网络等。包括前端IOT设备（电表、水表、光伏）、自动化控制设备、实验室设备、网格集采设备、视频监控设备、传输网络。

2）支撑层：支撑层负责为应用系统的运行提供技术支撑服务，并将这些服务能力依据不同功能划分，以松散耦合的形式组织成各类基础服务。这些基础服务在SOA的总体架构内互相提供服务和数据，构成了上层应用系统所需要的底层应用支撑。

3）核心数据层：提供基础支撑系统的数据交互共享技术手段，实现数据的实时同步共享，对不同来源的数据进行归集管理，并在受控的前提下提供共享服务。包含建立基础的实验室信息库、设备数据库、师资数据库、视频信息库、实验数据库、仿真数据库等。接口设计松耦合、模块化、可配置，实现系统的功能模块“积木化”，为功能模块可插拔、可替换做准备。

4）应用层：包括用于支持不同权限管理者和用户的元宇宙设备管理、视频管理、BIM联动管理、数据文件导入、系统管理；实验室数据驾驶舱的不同内容管理和应用；各种运维管理及数据接口。

5）终端接入层：为平台各类用户提供具有良好用户体验的终端展现界面，可视化的数据界面，业务数据的自动化录入，各种应用的服务、功能及信息被集成在终端接入层。

2.2 技术路线要求

主要关键技术包括综合感知和呈现技术，就是能够可伸缩、灵活、精准地感知实际场景，并能从实际场景图（或实景地图）中获取特征信息、生成特定的三维结构图、匹配已有的系统或设备模型；并加入其它各种定制的数据或者画面。二是获取设备的运行状态和参数，反馈到控制台（或云端）完成计算和决策，并实现相应的控制，这个是设备和系统specific的技术，并有一个开放的接口以及可定制的界面，为后续开发奠定基础。主要技术路线图如下图所示。

2.2.1. 视频技术特征

AI在安防的成功落地将会给视频监控行业带来本质变化。从技术上来说，传统的智能算法一般是通过人工来设计特征，这往往具有很大的主观性，依赖于设计者本身的经验和技术水平。而深度学习算法是通过机器自动从数据中学习出特征，这样它能够尽量多地提取出对象的高阶语义，特征的表达能力越强，识别分类对象的准确率越高，因此基于深度学习算法的智能可以很好地解决众多传统智能算法无法解决的问题。2017年，大华开始推出的产品纷纷融入了人工智能的概念。产品特点：

（1）超大靶面+超大光圈的融合，图像效果提升到了极光级

（2）光学变倍从主流的40倍提升到了40倍+

（3）硬件技术的提升，仰角从-20°提升到了-30°

（4）接入各式传感器，可以收集气象数据，例如：温湿度、风向、风速、PM2.5、硫化物、氰化物等，可以应用于生态局、环保局检测当地的环境。

（5）智能化程度高，一般配备了GPU；可以进行人脸识别、人车智能检索、车位管理等。

H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准，新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280*720）普通高清音视频传送。