從智能體驗視角分析丨車企扎堆入局“元宇宙”（二）

2021年是元宇宙元年，雖然相關技術還處於前沿性探索階段，但一些從事數字孿生的企業目前正在加緊布局元宇宙環境下的工業互聯網和智能製造。

數字孿生的概念最初於2003年由Grieves教授基於產品生命周期管理視角提出的，英文為：Digital Twin，早期主要被應用在航空航天與軍工領域等關鍵裝備製造方面。如美國空軍研究實驗室、美國國家航空航天局(NASA)等，都基於數字孿生開展了飛行器質量管控應用，美國洛克希德·馬丁公司也將數字孿生引入到F-35戰鬥機生產過程中，用於改進工藝流程，提高生產效率與質量。由於數字孿生具備虛實融合與實時交互、迭代運行與優化、以及全要素、全流程、全業務、數據驅動等特點，目前已被廣泛應用到產品生命周期各個階段，包括產品設計、製造、服務與運維等。

Grieves教授定義的物理對象、虛擬對象和連接對象的三維模型，是指導數字孿生的發展與應用主要模型，物理對象是一切可以被數字化觀測和模型化描述的現實實體；虛擬對象則是將物理對象用幾何、物理、行為和規則等模型描述和映射的虛擬實體；連接對象是完成物理對象到虛擬對象映射、虛擬對象操作物理對象的操作型對象。

元宇宙在基礎模型定義上與數字孿生很像，特別是元宇宙也強調通過物理對象、虛擬對象以及兩者之間的映射關係，實現虛實共生、共融的生態環境。這也使得在很多場景下無法區分兩者關係。其實，元宇宙從誕生之日起就繼承了娛樂基因，所以如果說數字孿生是以產品生產為中心，那元宇宙就是以用戶消費體驗為中心。元宇宙可將數字孿生模型從研發、生產階段擴展到使用、消費階段；從局部數字化車間擴展全面數字化生活空間。

元宇宙能夠為汽車產業帶來超越想象的潛力，驅動汽車製造創新和商業模式創新。元宇宙的三維沉浸式體驗、人和社會關係數字化、物理和數字世界交匯、海量用戶創作、數字資產價值顯現等特徵，將被逐漸應用到汽車的設計和智能製造中。

在上一篇《車企扎堆入局“元宇宙”（一）——從設計研發視角觀察》中我重點介紹了元宇宙在汽車研發製造場景的應用，今天我將繼續介紹元宇宙在車載智能系統和娛樂系統的應用前景。

一、元宇宙+智能系統

2020年11月2日，國務院辦公廳正式印發 《新能源汽車產業發展規劃 (2021-2035 年)》並明確指出汽車與能源、交通、信息通信等領域有關技術加速融合，電動化、互聯網化、智能化已經成為汽車產業的發展潮流和趨勢。在《智能網聯汽車技術路線圖 2.0》中也明確指出，到2025年，PA1、CA2級別的智能網聯汽車銷量需佔總銷量的50%以上，C-V2X3終端新車裝配率達到50%，高度自動駕駛汽車實現限定區域和特定場景商業化應用。[7]

根據美國汽車工程師協會的劃分標準，將智能汽車的發展分為手動駕駛、駕駛輔助、部分自動化、有條件自動化、高度自動化和完全自動化6個等級。例如：車身電子穩定系統 (Electronic stability program)ESP、制動防抱死系統（Antilock Brake System）ABS等，屬於駕駛輔助級；定速巡航系統(Cruise Control System) CCS通過油門和剎車系統的組合控制構成部分自動化；自適應巡航控制(Adaptive Cruise Control)ACC、自動泊車系統（Automatic parking system）APK等，則由於仍然需要人工參與所以屬於有條件自動化，特斯拉的完全自動駕駛（Full Self-Drive）FSD從實際使用效果看也只能算L3；目前上市的汽車中還沒有達到L4級別的自動駕駛，L4級別的自動駕駛目前還在實驗室，例如：百度和滴滴的項目；而L5級別的自動駕駛，即：完全沒有駕駛員、全工況的的完全智能駕駛，還只在概念設計階段，離上路還有不少差距。

汽車智能化發展階段示意圖

來源：智能汽車人機協同控制的研究現狀與展望[9]

基於元宇宙的智能駕駛主要以L3-L4和L5為切入點，在L3-L4中主要以人機協同駕駛為中心，而在L5中則以汽車自主意識為中心。

1、智能環境感知

智能環境感知是實現全面自動化的前提，在目前的L4-L5的車輛設計中，通過安裝在車身上的大量視覺、雷達、定位系統等外部傳感器，感知現實世界中的物理對象，形成實時車輛決策環境數據。例如：特斯拉Autopilot系統，是由8個攝像頭，12個超聲波雷達和1個毫米波雷達構成，外部環境傳感器為特斯拉駕駛員提供360度視覺寬度、250米的距離視野。

特斯拉Autopilot效果圖

特斯拉Autopilot系統構成了智能駕駛的環境感知層，由於對傳感器的可靠性和低延時要求非常高，只依靠車輛自身的傳感器，感知外部環境數據，作出實時智能決策並不可靠。雖然特斯拉Autopilot系統自稱是完全自動駕駛（FSD），但實際使用還需人工介入，其核心問題是對傳感器的依賴程度非常高。例如：在位於中國西南部的雅安-西昌高速，即：北京-昆明高速公路（國家高速G5）四川段，地處大涼山複雜高山峽谷環境，雖然風景壯觀，但受常年暴雨、大霧、泥石流、塌方、冰雪等複雜氣候影響，事故風險高。在複雜氣候條件下的疊加效應影響下，單靠車輛自身的環境感知系統是遠遠不能達到完全自動化駕駛水平的。

進入元宇宙時代，大量的路況、天氣信息將被數字化構建為三維的路況空間，在虛擬環境中各種地理、天氣、路況等外生變量將產生三維多元疊加效應，通過對這些疊加效應建模，實現在全天候，全路況下的數字道路環境分析和響應，元宇宙的數字路況空間將通過地域屬性被同步到邊緣雲中。車輛可通過5G、6G通信網絡將傳感器感知的外部環境以低於毫秒級響應速度與邊緣雲交互，通過車輛自身環境與邊緣雲端的數字化環境進行路況修正、互為補充。邊緣雲和車輛自身傳感器構成了完全自動化駕駛的雙重數據保障，一旦車身傳感器出現故障，邊緣雲將接管環境數據供給，為智能決策提供連續性數據支撐。

元宇宙的數字路況空間是由全民共同維護，公共交通機構、商業數據機構和每輛智能汽車將構成有下到上的路況物理對象掃描入網的數字路況運營框架。目前智能汽車出於成本考慮，安裝的超聲波雷達遠多於毫米波雷達，在未來元宇宙數字路況中，智能汽車將大量安裝具備3D掃描功能的攝像頭、毫米波雷達和氣候傳感器，通過對路況三維實體數據的遠距離感知，構建更加安全的數字路況數據。

2、虛擬數字空間構建

完全自動駕駛L5級別的定義是在不需要駕駛人員介入操控的情況下，通過車載電腦的感知和決策實現全天候、全地域的自動駕駛。L5級別要求車輛可應對環境氣候及地理位置的動態變化，這個定義近乎趨近於需要無限克服目前地球上各種路況和氣候條件，以及其綜合疊加因素所產生的影響。車輛作為單一計算單元，僅依靠自身傳感器和計算能力是無法構建這樣一個多路況實時智能響應機制的。智能車輛和駕駛員一樣需要通過大量實況數據積累、學習才能具備處理複雜路況的能力。

根據百度的Apollo智能交通白皮書對“車路智行”的技術發展路徑來看，智能交通需要分別經歷1.0數字化階段，2.0網聯化階段，3.0完全自動化階段。在百度ACE交通引擎架構中智能引擎部分是由Apollo自動駕駛系統和車路協同系統構成。而車路協同的是通過整合道路側多元感知數據，依託雲端邊緣計算、深度學習，融合場景、動態高精地圖、邊雲協同等滿足未來交通自動駕駛車輛規模化應用的智能駕駛輔助系統。

智能交通發展階段圖

來源：Apollo智能交通白皮書[5]

元宇宙階段的智能駕駛是全面實現L5階段的完全自動化駕駛，其將在雲端三維虛擬數字路況空間與車載智能決策系統的雙重保障下完成全路況、全天候的自動駕駛。虛擬數字路況空間將由公共交通管理機構、商業智能交通運營機構以及每輛智能汽車共同參與對路況物理對象的掃描、構建、入網和運營。公共交通管理機構通過衛星遙感、衛星成像、3D測繪建立基礎3D地圖和氣候等靜態模型；商業智能交通運營機構通過實地勘察、動態3D掃描，毫米波雷達掃描建立第三視角路況動態模型；智能汽車通過自身攜帶的3D攝像頭、毫米波雷達、微波雷達建立第一視角路況動態模型。

公共交通管理機構、商業智能交通運營機構以及每輛智能汽車將探測數據，通過車載5G/6G通信芯片實時上傳至智能交通邊緣雲節點，邊緣雲節點實現虛擬數字路況空間的構建、維護和更新，並通過區塊鏈網絡實現邊雲數據協同，保障路況的交通、天氣、事故、災害等動態信息的實時、準確同步到每個節點，協助智能汽車的智能決策。

3、智能決策

2019年4月份，特斯拉在Autopilot HW3.0平台上發布了自研的FSD主控芯片，採用雙芯片冗餘設計，單芯片算力達到72TOPS，板卡總算力144TOPS。並實現了自動駕駛芯片+神經網絡算法的垂直整合。基於神經網絡算法的實時AI智能決策軟硬件融合性設計成為未來智能汽車主流設計思路。但，目前在智能汽車的決策系統仍然存在兩種不同的設計思路，一種以國內智能車企為代表的車身傳感器+精確地圖，邊雲協同的綜合智能決策；一種是以特斯拉為代表的單依靠車身高清攝像頭、毫米波雷達等高精度傳感器實現仿人視覺決策系統。目前還不能斷定哪種設計思路更具優勢，但可以肯定的是如果在智能交通在數字路況空間上具備優勢的條件下，第一種策略更具備安全性和可用性。

元宇宙環境下的智能汽車決策系統，是基於數字路況空間實現邊雲協同的綜合智能決策系統。這是一種以車載智能決策系統為主、雲端智能決策系統為輔，多人稱視角的3D多維決策模型。元宇宙的數字路況空間建立的是一種第三人稱視角的虛擬數字路況環境觀測，即：“上帝視角”，可以更客觀、全面、動態的顯示交通、天氣、事故、災害的變化，可以更加穿透式的觀察潛在路況風險。車載智能決策系統則是一種第一人稱視角，對車輛行駛當前狀態的現實觀察，其利用車載視覺和雷達傳感器，形成主觀決策條件，以神經網絡算法為決策算法模擬人類的視覺觀察和判斷，可以更快速的發現當前面對的路況風險。

路況風險分析本質上是一種非線性結構分析，車輛行駛風險往往難以預測，汽車行駛安全除了必須保障車輛自身的系統安全外，很大一部分還需實時監控路況的突發風險，並為此作出最佳決策。所以，智能決策除了車載智能決策系統的第一人稱視角的主觀分析外，還需要第三人稱視角客觀輔助分析。第一人稱和第三人稱3D視角，車載決策系統和雲端決策系統構成元宇宙環境下汽車智能安全駕駛的決策雙系統。

二、元宇宙+車載沉浸體驗空間

全世界第一台安裝車載收音機的汽車具體已經無法考證，不過按照雪佛蘭和凱迪拉克自己的說法，在20世紀20年代，他們就已經在各自的車型上開始嘗試安裝車載收音機。第一台車載唱片機誕生於1956年一位克萊斯勒車主Peter Goldmark之手，他將一台7英寸的黑膠mini唱片機塞進了汽車的手套箱，從而點燃了車載播放器的革命。1960年第一台卡帶立體聲車載播放器被稱為“瘋子”的工程師及商人Earl Muntz打造完成，取名為：“Muntz Stereo-Pak”從此車主們終於可以聽上了四聲道立體聲音樂。1987年，福特第一個將CD機完美的嵌入了林肯Town Car車型中，人們開始在車輛中感受數字音樂的魅力。進入2000年，隨着MP3、MP4等多媒體播放器的興起，人們正式進入車載娛樂系統時代。如今，超大顯示屏幕、互聯網接入、數字音樂、視頻、電影、KTV等多元娛樂體驗已經是新車上市的基本配置。

在2021年的蔚來日（NIO Day 2021），蔚來汽車展示了其與NREAL聯合開發了專屬的AR眼鏡，眼鏡全重76g，但可以投射出視距6米，等效201英寸的超大屏幕。同時還展示了與NOLO聯合開發了NIO VR Glasses，可實現雙目4K顯示和毫秒級延時。利用AR/VR等元宇宙新技術，蔚來將打造了全景數字座艙“PanoCinema”。2022年Elon Musk 馬斯克表示希望能將Steam 遊戲平台直接搬到Tesla特斯拉車型上。

雖然，汽車作為交通工具，其安全運載功能一直佔據設計的主導地位，但從未阻礙消費者不斷追求汽車內部空間的舒適、愜意的駕乘體驗。汽車擁有密閉的私人空間，這無疑是人們追求娛樂化的先決條件。無論是在車載收音機、卡帶機、CD機、數字多媒體系統等時代，人們都盡量往這個私密空間塞入代表當時最新科技的娛樂體驗設備。汽車智能化發展從L0的手動駕駛階段到L5的完全自動化階段，就是一個逐漸釋放駕駛員，使乘員完全沉浸在自定義的空間體驗區內，從而弱化汽車的運載功能，強化其辦公、娛樂、運動等消費級功能的過程。

1、輔助駕駛體驗空間提升智能汽車安全性

汽車的智能化發展在L0-L4階段都是以輔助駕駛員，實現安全、高效的自動化駕駛為核心，從汽車駕駛室的設計發展看，為駕駛員提供視角直觀、操作簡單、信息全面的駕駛輔助系統，從而解決駕駛員在駕駛與休息切換過程中的安全性問題。從多功能方向盤到抬頭顯示系統(HeadUp Display HUD)，都是盡量幫助駕駛員在不低頭或轉頭的條件下操作車輛或查看路況信息，使駕駛員始終保持最佳行駛觀察狀態。

HUD 是將汽車行駛過程中儀錶顯示的重要信息投射到前風擋玻璃上，可使駕駛員不必低頭就能看到儀錶中的信息。其設計理念主要來自戰鬥機駕駛員的頭盔顯示系統。20世紀70年代南非空軍的“幻影”F1AZ飛行員率先在實戰中使用頭盔瞄準具，實戰中導彈引導頭可根據飛行員的頭部運動快速對準目標，實現大離軸角發射，不再需要飛行員努力機動把機鼻對準目標，實現空戰意義上的“所見即所得”。

汽車的智能化發展進入L1階段后，大量的輔助駕駛設備逐漸釋放了駕駛員的腳與雙手，使駕駛員不用再100%的全程操控汽車。但同時，也產生出兼顧司機休息與保持駕駛注意力難的新問題。2021年5月在美國加利福利亞，發生一起車禍，一輛特斯拉Model 3在一條高速公路上撞上了一輛卡車，導致卡車側翻，特斯拉司機當場死亡。經過美國交通安全委員會調查發現，特斯拉的自動駕駛系統無法正確檢測到卡車，駕駛員的注意力不足和特斯拉監控系統不成熟都是導致事故發生的原因。

從車輛安全行駛角度看，至少在完全自動化駕駛的L5階段以前，保持駕駛員的駕駛注意力依然十分重要。基於元宇宙的駕駛體驗，依然將車輛安全性放在第一位。利用抬頭顯示設備或智能眼鏡顯示系統，可以在司機視覺和聽覺器官與道路之間，建立深度虛實融合的元宇宙安全輔助行駛體驗空間。輔助駕駛體驗空間在車輛輔助駕駛系統運行時，在司機的注意力聚焦區，呈現AR或MR的路況遊戲，利用元宇宙的海量路況體驗遊戲的參與者，將司機的注意力牢牢聚焦在元宇宙安全輔助行駛體驗空間內，對路況安全風險可以在毫秒級做出告警並刺激司機視覺和聽覺神經，讓司機在第一時間接管車輛控制權。元宇宙安全輔助行駛體驗空間實現了安全駕駛意義上的“所見即所得”。

2、元宇宙實現車載軟辦公的沉浸式體驗

在汽車上辦公的想法主要來自“商務車”的問世，即：多功能汽車（Multi-Purpose Vehicles MPV）。1983年克萊斯勒公司推出的“Voyager”與“Caravan”車型是世界上最早的MPV，MPV的最大的特點是乘員多、乘坐空間大、舒適度高，可在家庭出行、商務接待等場景發揮作用。

根據統計，2020年北京平均單程通勤時間為47分鐘，而上海則是42分鐘，上班族一天平均有1個半小時在路途中度過。如何利用路途時間完成工作，就是車載辦公系統需要考慮的功能。在2016年德國柏林消費電子展上，微軟與梅賽德斯-奔馳聯手推出“In Car Office”的項目，為客戶的汽車變成一個移動工作站，幫助客戶在車輛上輕鬆地完成與工作有關的任務，提高辦公效率。在“In Car Office”中將除了將集成微軟的Office辦公軟件以外，還包括會議工具、微信、Facebook（Mate）等工具。但無論像微軟這樣的第三方車載辦公系統，還是車企原生的辦公系統，近年來都呈現雷聲大雨點小現狀。主要原因是受限於目前汽車智能化水平暫時仍然停留在L2-L3階段，駕駛人員無法完全解放；而另一個原因則是原有的辦公設備的依然擺脫不了傳統移動硬辦公體驗，即：手機、筆記本、Pad等，這些設備在汽車內部相對狹小且，穩定性不足的空間，無法產生直接效能激發車載辦公的需求。

元宇宙將工作距離、辦公空間、辦公方式虛擬化為數字3D模式，配合全息成像、VR、AR、MR等新型成像技術，實現軟辦公的沉浸式體驗。相較於傳統手機、筆記本、Pad等移動硬辦公體驗，可在狹小的車內空間形成光學或數字化的可調視場，讓乘員在1平方米的車載空間實現在100平方米的會議室體驗；依靠數字化防抖技術，還能大大降低車身抖動帶來的體驗波動，使乘員始終保持全程工作沉浸體驗。

3、車載沉浸式娛樂空間

從第一台車載mini黑膠唱機被塞進克萊斯勒后的70年裡，人們沒有終止過繼續往汽車內加入各種娛樂設備，唱片機、卡帶機、CD機、數字影音、KTV、遊戲機等，只要屬於那個時代最新的mini娛樂設備都會有人想到往車裡安裝。汽車作為一種工業產品，從誕生那天起，就被賦予了人類的價值觀、生活形態、情感需求，同時也反映出不同時代、不同人群的審美取向，形成了汽車文化涵義。不過要說車載娛樂設備中最成功的，還當數能播放音樂的各類播放器。在汽車文化中音樂就是汽車的靈魂，沒有音樂的汽車就是一台冰冷、毫無情感的工業產品。

但從工程技術角度分析，以音樂為核心的車載娛樂系統，歷經70年來，經久不衰、日久彌新的原因，主要是音樂可以為汽車駕乘人員提供360度的沉浸式聽覺體驗，這是目前以顯示器為主的視覺設備無法比擬的。車載娛樂中的沉浸式體驗要求為駕乘人員提供身臨其境、感官逼真的娛樂氛圍，這應該包括：聽覺、視覺乃至社交接觸互動的體驗。元宇宙是基於現實世界映射與交互的虛實共生世界，是具備多元感官系統的沉浸式數字生活空間。從科幻世界、遊戲世界逐漸演化而來的元宇宙，天然具備娛樂化屬性。虛實共生的數字娛樂將弱化狹小、噪音、震動和密閉等車內物理缺點，而通過數字空間放大乘員的觀察範圍和景深度，通過數字降噪優化聽覺體驗，通過全息360度視覺系統提升視覺體驗，通過3D反饋觸覺系統提升觸覺體驗。在基於元宇宙的車載娛樂空間內，無論遊戲、社交、電影等娛樂活動都將享受零延遲、3D和包裹式的沉浸體驗。

結語：

雖然，目前元宇宙與汽車行業的主營業務還未發生直接化學反應，各大車商扎堆入局也僅限於品牌推廣、展廳構建、銷售等輔助業務，但出於對下一代數字世界的期望，未來必將有更多的車企加入元宇宙行列。而如何為元宇宙賦予生產力，為汽車賦予多維消費空間，為用戶賦予虛實共生汽車生活，則需要業界很長一段時間的暢想、思考、設計、研發試錯和實踐，本文只是一個開始。

參考文獻

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