中國信通院孟楠等：從數(shù)字孿生城市到“元宇宙”

一、引言

2021年，在線創(chuàng)作沙盒游戲平臺(tái)Roblox在美上市，稱為“元宇宙”第一股[1]，F(xiàn)acebook更名為“Meta”[2]，引發(fā)全球性的“元宇宙”狂熱。蘋果、微軟、谷歌、英偉達(dá)、騰訊、字節(jié)跳動(dòng)等科技巨頭根據(jù)各自優(yōu)勢加大對(duì)元宇宙的布局，爭取新一代互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)口。同時(shí)，國內(nèi)外政府也加快制定“元宇宙”發(fā)展計(jì)劃。韓國首爾宣布從2022年起分三個(gè)階段在經(jīng)濟(jì)、文化、旅游、教育、信訪等市政府所有業(yè)務(wù)領(lǐng)域打造“元宇宙”行政服務(wù)生態(tài)[3]。上海、浙江明確提出前瞻部署“元宇宙”等領(lǐng)域，深圳成立“元宇宙”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，無錫發(fā)布《太湖灣科創(chuàng)帶引領(lǐng)區(qū)“元宇宙”生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，武漢、合肥、成都等地也在政府工作報(bào)告中提及“元宇宙”。

當(dāng)前，業(yè)界對(duì)于“元宇宙”的基本概念等還沒有達(dá)成共識(shí)，存在不同理解和分歧。清華大學(xué)新聞學(xué)院教授沈陽認(rèn)為，元宇宙是整合多種新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會(huì)形態(tài)，它基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，以及數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，通過區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個(gè)用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和編輯[4]。北京大學(xué)新聞與傳播學(xué)院院長陳剛教授、董浩宇博士認(rèn)為，元宇宙是利用科技手段進(jìn)行鏈接與創(chuàng)造的，與現(xiàn)實(shí)世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間[5]。中國信通院專家研究認(rèn)為，“元宇宙”是架構(gòu)于數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù)體系之上的虛擬化經(jīng)濟(jì)社會(huì)應(yīng)用形態(tài)和服務(wù)生態(tài)，是理念、內(nèi)涵、模式持續(xù)演化的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展新階段[6]。

(資料圖片僅供參考)

總體來看，業(yè)界普遍認(rèn)為數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)“元宇宙”的關(guān)鍵技術(shù)，從概念上，數(shù)字孿生城市和“元宇宙”均是建立“虛實(shí)共生”的世界。但數(shù)字孿生城市是基于數(shù)字孿生技術(shù)體系，對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)、治理服務(wù)的再造，內(nèi)涵和方向目標(biāo)相對(duì)清晰?！笆奈濉眹覕?shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和信息化規(guī)劃等均提出，各地要因地制宜探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。因此，本文從確定性的數(shù)字孿生城市發(fā)展起點(diǎn)延伸，擴(kuò)展到不確定性的“元宇宙”數(shù)字空間，從數(shù)字孿生城市發(fā)展實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)角度，為“元宇宙”發(fā)展提供策略建議。

二、數(shù)字孿生城市實(shí)現(xiàn)從概念到落地，具備五大技術(shù)體系

數(shù)字孿生城市開辟新興智慧城市的建設(shè)和治理新模式。2010年，美國國家航空航天局（NASA）的技術(shù)報(bào)告中正式使用了“數(shù)字孿生”一詞。數(shù)字孿生技術(shù)最早運(yùn)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，隨著新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生城市應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字孿生城市是在數(shù)字空間再造一個(gè)與物理城市匹配對(duì)應(yīng)的數(shù)字城市，全息模擬、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)診斷、精準(zhǔn)預(yù)測城市物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市協(xié)同交互、平行運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，上海、浙江、天津、廣州、深圳等地開展示范性試點(diǎn)項(xiàng)目，以點(diǎn)帶面打造數(shù)字孿生城市，助力智慧城市建設(shè)。

數(shù)字孿生城市包括五大技術(shù)體系。數(shù)字孿生城市是基于城市業(yè)務(wù)而構(gòu)建的一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，從當(dāng)前發(fā)展來看，大致由五類技術(shù)緊密結(jié)合而成。“空間地理信息”技術(shù)為城市提供集成底板、參照基準(zhǔn)和位置服務(wù)。“建模與渲染”技術(shù)為城市提供基礎(chǔ)骨架，實(shí)現(xiàn)物理城市的精準(zhǔn)刻畫與可視化呈現(xiàn)?！案兄蜆?biāo)識(shí)”技術(shù)采集城市實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過標(biāo)識(shí)與模型集成，為城市提供數(shù)據(jù)血液傳輸?！八惴ㄅc仿真”技術(shù)不斷將城市運(yùn)行規(guī)則、業(yè)務(wù)模型、深度學(xué)習(xí)預(yù)測結(jié)果等，模擬仿真呈現(xiàn)給所有城市用戶?！敖换ヅc控制”技術(shù)為城市用戶參與城市治理、獲取城市服務(wù)提供互動(dòng)互操作支撐[8]。

三、“元宇宙”概念重啟，為數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)提供新機(jī)遇

數(shù)字孿生技術(shù)是構(gòu)建“元宇宙”基石。“元宇宙”作為連通現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的通道和人類數(shù)字化生存的載體，通過數(shù)字孿生技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界鏡像到虛擬世界里面去，以此構(gòu)建細(xì)節(jié)極致豐富的擬真的環(huán)境，營造出沉浸式在場體驗(yàn)，因此數(shù)字孿生是構(gòu)成“元宇宙”社會(huì)活動(dòng)體系的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)。元宇宙除數(shù)字孿生技術(shù)外，還需要腦機(jī)交互、區(qū)塊鏈、虛擬人等更多的技術(shù)支持，如應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)為數(shù)字資產(chǎn)交易與流通監(jiān)管提供安全認(rèn)證，使得“元宇宙”中任何“權(quán)利”都具備了金融屬性和交易流通可行性，以此構(gòu)建“元宇宙”去中心化、開放式虛擬經(jīng)濟(jì)運(yùn)行體系。

數(shù)字孿生企業(yè)紛紛進(jìn)軍“元宇宙”。除Facebook、Roblox、英偉達(dá)、高通、網(wǎng)易、騰訊、阿里等科技巨頭啟動(dòng)“元宇宙”外，優(yōu)锘科技、飛渡科技、51WORLD、孿數(shù)科技等數(shù)字孿生城市企業(yè)也紛紛在“元宇宙”領(lǐng)域發(fā)聲。數(shù)字孿生技術(shù)加持下，中國國際服務(wù)貿(mào)易交易會(huì)數(shù)字平臺(tái)、百度“希壤”等“元宇宙”初步應(yīng)用已經(jīng)啟動(dòng)。隨著“元宇宙”深入發(fā)展，越來越多掌握物聯(lián)感知技術(shù)、模型渲染、城市算法仿真、虛實(shí)交互等關(guān)鍵技術(shù)的數(shù)字孿生城市相關(guān)企業(yè)即將加入，市場板塊也在快速提升和持續(xù)擴(kuò)展，有望催生新一批創(chuàng)新企業(yè)。

四、“元宇宙”與數(shù)字孿生城市形式類似，但本質(zhì)不同

“元宇宙”與數(shù)字孿生城市形式相近，都需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)字世界中的虛擬對(duì)象，但是“元宇宙”發(fā)源于科幻，成型于游戲，引爆于社交；數(shù)字孿生城市起源于工業(yè)，傾向于對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì)的治理、對(duì)行業(yè)業(yè)務(wù)效率的改進(jìn)，二者面向?qū)ο蟛煌?，因此本質(zhì)上存在差異。

“元宇宙”強(qiáng)調(diào)“人的孿生”。數(shù)字孿生城市必須是永續(xù)的、實(shí)時(shí)的，和現(xiàn)實(shí)世界一致且保持同步，能夠與現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)操作。而“元宇宙”則在城市的基礎(chǔ)之上，引入了“人的行為”這一主觀要素，現(xiàn)實(shí)世界中的各種人類活動(dòng)（如買賣交易、人際交往等）均要求能在“元宇宙”中完成，從人類個(gè)體，到人類社會(huì)關(guān)系，都需要相互連接、相互影響、協(xié)同進(jìn)化。

“元宇宙”是“完美數(shù)字孿生世界”。數(shù)字孿生城市強(qiáng)調(diào)的是對(duì)唯一現(xiàn)實(shí)世界物理元素進(jìn)行嚴(yán)格地、精確地1:1的還原，強(qiáng)調(diào)物理真實(shí)性，更加傾向于對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì)的治理、對(duì)行業(yè)業(yè)務(wù)效率的改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新。而“元宇宙”概念起于科幻小說，更傾向于構(gòu)建公共娛樂社交的理想數(shù)字社會(huì)，它直接面向人，強(qiáng)調(diào)視覺沉浸性、展示豐富的想象力和沉浸感，呈現(xiàn)的是腦洞大開的“多元宇宙”，允許在數(shù)字世界中對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行修改，也可以完全塑造全新的理念數(shù)字世界，通過內(nèi)容運(yùn)營，產(chǎn)生相應(yīng)價(jià)值。

五、以數(shù)字孿生城市發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)“元宇宙”發(fā)展

隨著數(shù)字孿生城市的落地實(shí)施，暴露出一系列現(xiàn)實(shí)問題，例如數(shù)據(jù)融合難、數(shù)據(jù)安全問題、城市運(yùn)行機(jī)理問題、技術(shù)典型應(yīng)用場景深度不足和關(guān)鍵技術(shù)卡脖子制約等。加強(qiáng)數(shù)據(jù)體系建設(shè)與治理、強(qiáng)化“元宇宙”技術(shù)體系創(chuàng)新攻關(guān)、加強(qiáng)城市運(yùn)行機(jī)理問題研究、開發(fā)拓展多元化應(yīng)用場景，有利于促進(jìn)“元宇宙”持續(xù)健康發(fā)展。

重視數(shù)據(jù)體系建設(shè)與治理，加強(qiáng)規(guī)范引導(dǎo)。無論是數(shù)字孿生城市還是“元宇宙”，共同之處都需要以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。雖然數(shù)字孿生城市匯聚海量數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、數(shù)據(jù)不一致、數(shù)據(jù)不更新、數(shù)據(jù)安全等問題突出。隨著“元宇宙”的不斷發(fā)展，還會(huì)產(chǎn)生大量個(gè)人行為數(shù)據(jù)，應(yīng)加快開展針對(duì)城市空間數(shù)據(jù)、個(gè)人數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究和立法工作，同時(shí)針對(duì)“元宇宙”應(yīng)用發(fā)展可能帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)沖擊提前研究制定政策工具和管理手段，增強(qiáng)抗風(fēng)險(xiǎn)沖擊和主動(dòng)治理能力。

強(qiáng)化“元宇宙”技術(shù)體系創(chuàng)新攻關(guān)。當(dāng)前數(shù)字孿生城市涉及標(biāo)識(shí)感知、模擬仿真、可視化渲染等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)自身發(fā)展和融合應(yīng)用還有待加強(qiáng)，利用人工智能、邊緣計(jì)算對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)快速分析處理能力不足，傳感器技術(shù)不能滿足全域感知部署需求。數(shù)字孿生技術(shù)上的成熟度，直接決定“元宇宙”在虛實(shí)映射與虛實(shí)交互中所能支撐的完整性。亟需強(qiáng)化政策精準(zhǔn)支持，鼓勵(lì)市場創(chuàng)新主體加快AR/VR/MR、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能硬件、圖形圖像渲染等技術(shù)突破攻關(guān)，為“元宇宙”應(yīng)用提供更完備和成熟的技術(shù)支持。

加強(qiáng)城市運(yùn)行機(jī)理問題研究。城市是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，我們所看到的，通常只是城市的物理形態(tài)和一些高度簡化的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和模擬推演。即使掌握機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，具備了一定的對(duì)高維系統(tǒng)的抽象和模式識(shí)別能力，甚至可以一定程度上實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)，但只實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體對(duì)象的精準(zhǔn)對(duì)映，多元實(shí)體動(dòng)態(tài)關(guān)系、隱藏關(guān)系的挖掘與建模能力不足，跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的應(yīng)用場景尚不成熟。加入“人”與“社會(huì)”等復(fù)雜變量之后，“元宇宙”的內(nèi)在機(jī)理問題遠(yuǎn)比數(shù)字孿生城市復(fù)雜。未來，深入研究與探索城市外生驅(qū)動(dòng)和內(nèi)生機(jī)制，才是實(shí)現(xiàn)城市“真孿生”的關(guān)鍵。

開發(fā)拓展多元化應(yīng)用場景。目前數(shù)字孿生城市以政府投資運(yùn)營為主，66.7%的數(shù)字孿生城市項(xiàng)目由政府投資建設(shè)[8]，數(shù)字城市建設(shè)成本與收益、研究與應(yīng)用間的差距短期內(nèi)尚未能彌合。長期發(fā)展應(yīng)面向企業(yè)與個(gè)人運(yùn)營方式，與企業(yè)運(yùn)營及居民生活中的應(yīng)用場景打通，創(chuàng)造新的業(yè)態(tài)和價(jià)值。從To G向To B和To C轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵在于挖掘合適的應(yīng)用場景，應(yīng)用于社交領(lǐng)域的“元宇宙”恰好能夠提供入口。而“元宇宙”當(dāng)前的發(fā)展只限于社交與游戲娛樂，長遠(yuǎn)健康的發(fā)展有賴于服務(wù)實(shí)體經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)社會(huì)，因此，“元宇宙”要加強(qiáng)與數(shù)字孿生城市互補(bǔ)。一方面可以在“元宇宙”中建造新的城市各種設(shè)施，邀請市民感受和試用，以便于在真實(shí)世界建造前進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。另一方面將數(shù)字孿生城市作為基礎(chǔ)平臺(tái)，開放給不同企業(yè)和個(gè)人，在此基礎(chǔ)上可以開發(fā)自己專屬應(yīng)用，擴(kuò)展投資渠道。

[1] Roblox上市前估值約40億美元，目前估值飆升十倍以上，超480億美元；

[2] Meta：“元宇宙”Metaverse的前綴，通俗翻譯為“超越”；

[3] 韓國首爾市政府《元宇宙首爾五年計(jì)劃》；

[4] 清華大學(xué)新媒體研究中心《2020-2021年元宇宙發(fā)展研究報(bào)告》；

[5] 北京大學(xué)學(xué)者發(fā)布元宇宙特征與屬性START圖譜；

[6] 中國信通院劉小林等：理性認(rèn)識(shí)“元宇宙”發(fā)展熱潮，加強(qiáng)引導(dǎo)促進(jìn)市場健康有序發(fā)展；

[7] 中國信息通信研究院《數(shù)字孿生城市白皮書（2018年）》；

[8] 中國信息通信研究院《數(shù)字孿生城市白皮書（2021年）》。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字孿生城市 數(shù)字孿生 城市規(guī)劃