数字孪生奠定元宇宙基石
来源：《数字孪生系统设计与实践》
丁盈 朱军 王晓征
元宇宙（Metaverse)是利用科技手段进行链接与创造的，与现实世界映射与交互的虚拟世界，是一个具备新型社会体系的数字生活空间。
元宇宙本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程，需要对内容生产、经济系统、用户体验以及实体世界内容等进行大量改造。但元宇宙的发展是循序渐进的，是在共享的基础设施、标准及协议的支撑下，由众多工具、平台不断融合、进化而最终成形。
从时空性来看，元宇宙是一个空间维度上虚拟而时间维度上真实的数字世界；从真实性来看，元宇宙中既有现实世界的数字化复 制物，也有虚拟世界的创造物；从独立性来看，元宇宙是一个与外部真实世界既紧密相连，又高度独立的平行空间；从连接性来看，元宇宙是一个把网络、硬件终端和用户囊括进来的永续的、广覆盖的虚拟现实系统。
核心技术
准确地说，元宇宙不是一个新的概念，它更像是一个经典概念的重生，是在扩展现实（XR）、区块链、云计算、数字孪生等新技术下的概念具化。业界普遍观点，“元宇宙本身不是一种技术，而是一个理念和概念，它需要整合不同的新技术，如 5G、6G、人工智能、大数据等，强调虚实相融”元宇宙主要有以下几项核心技术：
一是扩展现实技术，包括VR和AR。扩展现实技术可以提供沉浸式的体验，可以解决手机解决不了的问题。
二是数字孪生，能够把现实世界镜像到虚拟世界中。这也意味着在元宇宙里面，我们可以看到很多自己的虚拟分身。
三是用区块链来搭建经济体系。随着元宇宙进一步发展，对整个现实社会的模拟程度加强，我们在元宇宙中可能不仅仅会花钱，而且有可能赚钱，这样在虚拟世界里同样形成了一套经济体系。
作为一种多项数字技术的综合集成应用，元宇宙场景从概念到真正落地需要实现两个技术突破：
第一个是 XR、数字孪生、区块链、人工智能等单项技术的突破，从不同维度实现立体视觉、深度沉浸、虚拟分身等元宇宙应用的基础功能；
第二个是多项数字技术的综合应用突破，通过多技术的叠加兼容、交互融合，凝聚形成技术合力推动元宇宙稳定有序发展。
元宇宙发展不同阶段
数字孪生、数字原生和虚实融生被认为是进入元宇宙的不同路径，也是元宇宙发展的不同阶段。其中，数字孪生是物理世界的数字映射，数字原生是平行于物理世界的数字宇宙，虚实融生是物理世界与数学世界相互作用。我们可以从法国哲学家、现代社会思想家、后现代理论家让·布希亚（Jean Baudrillard）对人类通过模拟（Simulations）和拟像（Simuacra）、媒介和信息、科学和新技术、内爆和超现实构成了一个新的后现代世界的认识理解的三个阶段：
第一个阶段是仿造（Counterfeit）：认为现实世界中才有价值，虚构活动要模拟、复 制和反映自然。真实与它的仿造物泾渭分明。
第二个阶段是生产（Production）：价值受市场规律支配，目的是盈利。大规模生产出来的仿造物与真实的摹本成为平等关系。
第三个阶段是模拟（Simulation）：在此阶段，拟像创造出了“超现实”且把真实同化于它的自身之中，二者的界限消失。作为模仿对象的真实已经不存在，仿造物成为了没有原本的东西的摹本，幻觉与现实混淆。
现实与虚拟世界的纽带
如今流行的元宇宙畅想中，人们想象着平行于真实世界的数字化生活。在元宇宙中并存的现实世界和虚拟世界如何建立关联？数字孪生无疑是最佳纽带数字孪生与来自各种物联网设备的实时数据相连，能够镜像、分析和预测物理对象的行为。既然数字孪生是连接虚拟与现实的纽带，也是构建元宇宙的基础，那么简单易用、低成本的数字孪生应用，自然会在产业元宇宙时代拔得头筹。
想要构建一个与现实世界高度贴合甚至是超越现实世界的“元宇宙”，前提是需要大量的数据模拟和强大的算力来1:1创造一个虚拟世界，此时的关键核心点则是数字孪生，如图1所示。
而数字孪生也成为构建元宇宙的核心技术之一，甚至可以说是元宇宙的基石。数字孪生技术的成熟度，决定了元宇宙在虚实映射与虚实交互中所能支撑的完整性。但如果走向数字融生的元宇宙，数字孪生还需要继续进化，以确保设计服务提供者和最终用户将发挥重要作用。这是因为最终用户未必知道自己想要什么，需要具备设计能力的专业人士提供设计服务，提高设计质量的一致性，降低设计的风险。这时，用户体验和设计创新将会成为一个新的维度融入数字孪生，令元宇宙实现人们知识的传承，让个性化、高端服务的规模化成为可能。
图1元宇宙发展层次与技术体系
双向演进的技术路径
作为一种社会形态，元宇宙一方面需要具备沉浸感、低延时、多元化的场景空间，另一方面需要具备生产系统、经济系统、社交系统等底层框架。元宇宙作为一种整合性技术应用形态，为数字资源管理各流程的优化提供了想象空间，如图2所示。一方面，包括数字孪生、3D建模、拓展现实（VR/ARMR）等在内的可视技术为数字资源的立体呈现和沉浸交互提供了可能：另一方面，包括人工智能（AI内容生成）、大数据等在内的技术为数字资源的聚类标引和重组计算提供了支撑。另外要实现数字资源在元宇宙场景中的“再构”首先需要对数字资源进行“解构”，即为整合自建资源、外采资源和网络资源，搭建多模态数字资源平台。
综上所述，不难看出，数字孪生作为现阶段最核心的手段之一，贯穿了元宇宙的完整体系。但元宇宙是一个比数字孪生更庞大、更复杂的体系。如果数字孪生还算是一个复杂技术体系的话，元宇宙从一开始就是一个复杂的技术——社会体系。两者有不同的技术发展和演化路径。数字孪生起源于复杂产品研制的工业化，正在向城市化和全球化领域迈进；而元宇宙起源于构建人与人关系的游戏娱乐产业，正在从全球化向城市化和工业化迈进，如图3所示。数字孪生技术为元宇宙中的各种虚拟对象提供了丰富的数字孪生体模型，并通过从传感器和其他连接设备收集的实时数据与现实世界中的数字孪生化（物理）对象相关联，使得元宇宙环境中的虚拟对象能够镜像、分析和预测其数字孪生化对象的行为，将极大丰富数字孪生技术的应用场景（从物联网平台到元宇宙环境）和数字孪生系统的复杂程度（从系统级向体系级扩展）。
图2 元宇宙数字资源
图3 元宇宙和数字李生不同的技术演化路径
城市治理的人本回归与智能协同
虽然元宇宙和数字孪生都关注现实物理世界和虚拟数字世界的连接和交互，但两者的本质区别在于它们的出发点完全不同。元宇宙是直接面向人的，而数字孪生是首先面向物的。只有两者融合才会更好地构建未来的虚拟数字世界。
以城市为例，数字孪生已经是一种广为人知的时空数据平台的业务形态但是与城市信息模型 CIM 一样，一般只强调对实体空间的精确真实复现，虽然通过 IoT 等多元数据的集成，针对相对简单的基础设施系统来说，也能发挥一些模拟、预测等作用，但在实践中常被质疑其价值。
城市是一个开放的复杂巨系统，多个系统在彼此交织并相互作用之后，尤其是加入“人”与“社会”等复杂变量之后，就成为了一个巨大的社会物理信息系统（CPSS）。对于这类系统，其运行状态的描述需要比三维实体空间更为复杂的“流、场和网”等系统，成倍放大的随机性、涌现性也会给试图发现规律和预测未来的数学模型带来尚无法承受的挑战。
这些数字孪生应用在一定阶段有其价值，但演进方向是否只是光影渲染越来越精致、数据汇聚越来越全面、行业模型越来越丰富精确呢？由于算法与算力的限制，我们还无法在数字系统中模仿人脑对于复杂系统的认知和判断能力，这就需要在处理复杂系统问题时，运用数字技术的连接能力，让人能与数字系统协同解决问题，同时发挥二者的优势。
社会物理信息系统CPSS 也可以说是一种默顿（Morton）系统，其与传统机器的本质区别是人必须参与到循环中去，包括感知、认知与分析。在默顿系统中，机器智能和人类智能将协同工作，相互支持，平行执行，这将是下一代人工智能和智能系统运作的重要范式。
而元宇宙是 5G 和传感等技术发展背景下，对数字空间的一次拓展，让人们在数字空间中有更加全息、原生的体验，而不仅仅是物理空间部分体验的复 制。从这个意义上来讲，元宇宙又是“平行系统”思想的通俗表述和一种技术响应。平行系统属于能动、整体和辩证式的认识论，其人工系统并不要求与相应的物理系统完全一致，因而具有一定的平行性或独立性。平行系统将物理系统视为与环境交互的系统，且其运行目标和效用是受社会资源约束的系统：平行系统强调人在系统中的作用，强调融合了人的意图的虚拟系统对物理系统的引导，目的是使物理系统在构成和运行方面达到某种进化。
元宇宙在精准模拟物理空间运行的同时，也在创造数字空间中的原生体验，探索一种在数字空间中 特有的生活方式和社交形态，进而，数字空间也可以反向影响物理空间。未来城市的生活、工作和娱乐将越来越融合，彼此间边界逐渐模糊。人们也将更多在数字空间里生存，与这种未来数字化生活方式最接近的形态就是电脑游戏，因此游戏科技甚至可以说是人类为数字原生和虚实共生世界的技术储备与探索工具。这种科技和工具并不局限于互联网、物联网、VR、AR 等技术，也包括对数字空间中社会心理和行为特征的理解、治理和引导能力。
因此，对于城市系统的数字化转型，会在思维方式上从数字孪生走向元宇宙。对社会系统而言，无论是智能体模型还是神经网络，都难以全面地模拟和计算。而通过对人的连接，从而让市民和利益相关方以多种方式参与到城市运行的决策过程中，用人的智慧弥补机器的智能，可能是让城市实现真正智慧的捷径。
总而言之，元宇宙思维在数字孪生的基础上，引入了多元主体的参与互动使数字平台不仅提供可视化能力，更实现了社会空间和物理空间的全面连接真正实现了机器的智能与人的智慧的高度协同。
