中國信通院孟楠等：從數字孿生城市到“元宇宙”

一、引言

2021年，在線創作沙盒游戲平臺Roblox在美上市，稱為“元宇宙”第一股^[1]，Facebook更名為“Meta”^[2]，引發全球性的“元宇宙”狂熱。蘋果、微軟、谷歌、英偉達、騰訊、字節跳動等科技巨頭根據各自優勢加大對元宇宙的布局，爭取新一代互聯網風口。同時，國內外政府也加快制定“元宇宙”發展計劃。韓國首爾宣布從2022年起分三個階段在經濟、文化、旅游、教育、信訪等市政府所有業務領域打造“元宇宙”行政服務生態^[3]。上海、浙江明確提出前瞻部署“元宇宙”等領域，深圳成立“元宇宙”創新實驗室，無錫發布《太湖灣科創帶引領區“元宇宙”生態產業發展規劃》，武漢、合肥、成都等地也在政府工作報告中提及“元宇宙”。

當前，業界對于“元宇宙”的基本概念等還沒有達成共識，存在不同理解和分歧。清華大學新聞學院教授沈陽認為，元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，以及數字孿生技術生成現實世界的鏡像，通過區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和編輯^[4]。北京大學新聞與傳播學院院長陳剛教授、董浩宇博士認為，元宇宙是利用科技手段進行鏈接與創造的，與現實世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間^[5]。中國信通院專家研究認為，“元宇宙”是架構于數字孿生、區塊鏈等數字技術體系之上的虛擬化經濟社會應用形態和服務生態，是理念、內涵、模式持續演化的互聯網發展新階段^[6]。

總體來看，業界普遍認為數字孿生是實現“元宇宙”的關鍵技術，從概念上，數字孿生城市和“元宇宙”均是建立“虛實共生”的世界。但數字孿生城市是基于數字孿生技術體系，對城市規劃、建設、治理服務的再造，內涵和方向目標相對清晰。“十四五”國家數字經濟規劃和信息化規劃等均提出，各地要因地制宜探索建設數字孿生城市。因此，本文從確定性的數字孿生城市發展起點延伸，擴展到不確定性的“元宇宙”數字空間，從數字孿生城市發展實踐和經驗角度，為“元宇宙”發展提供策略建議。

二、數字孿生城市實現從概念到落地，具備五大技術體系

數字孿生城市開辟新興智慧城市的建設和治理新模式。2010年，美國國家航空航天局（NASA）的技術報告中正式使用了“數字孿生”一詞。數字孿生技術最早運用于工業制造領域，隨著新一代信息技術的飛速發展和廣泛應用，數字孿生城市應運而生。數字孿生城市是在數字空間再造一個與物理城市匹配對應的數字城市，全息模擬、動態監控、實時診斷、精準預測城市物理實體在現實環境中的狀態，實現物理城市與數字城市協同交互、平行運轉^[7]。《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出“探索建設數字孿生城市”，上海、浙江、天津、廣州、深圳等地開展示范性試點項目，以點帶面打造數字孿生城市，助力智慧城市建設。

數字孿生城市包括五大技術體系。數字孿生城市是基于城市業務而構建的一個復雜巨系統，從當前發展來看，大致由五類技術緊密結合而成。“空間地理信息”技術為城市提供集成底板、參照基準和位置服務。“建模與渲染”技術為城市提供基礎骨架，實現物理城市的精準刻畫與可視化呈現。“感知和標識”技術采集城市實時運行數據，并通過標識與模型集成，為城市提供數據血液傳輸。“算法與仿真”技術不斷將城市運行規則、業務模型、深度學習預測結果等，模擬仿真呈現給所有城市用戶。“交互與控制”技術為城市用戶參與城市治理、獲取城市服務提供互動互操作支撐^[8]。

三、“元宇宙”概念重啟，為數字孿生產業提供新機遇

數字孿生技術是構建“元宇宙”基石。“元宇宙”作為連通現實世界與虛擬世界的通道和人類數字化生存的載體，通過數字孿生技術將現實世界鏡像到虛擬世界里面去，以此構建細節極致豐富的擬真的環境，營造出沉浸式在場體驗，因此數字孿生是構成“元宇宙”社會活動體系的基礎支撐系統。元宇宙除數字孿生技術外，還需要腦機交互、區塊鏈、虛擬人等更多的技術支持，如應用區塊鏈技術為數字資產交易與流通監管提供安全認證，使得“元宇宙”中任何“權利”都具備了金融屬性和交易流通可行性，以此構建“元宇宙”去中心化、開放式虛擬經濟運行體系。

數字孿生企業紛紛進軍“元宇宙”。除Facebook、Roblox、英偉達、高通、網易、騰訊、阿里等科技巨頭啟動“元宇宙”外，優锘科技、飛渡科技、51WORLD、孿數科技等數字孿生城市企業也紛紛在“元宇宙”領域發聲。數字孿生技術加持下，中國國際服務貿易交易會數字平臺、百度“希壤”等“元宇宙”初步應用已經啟動。隨著“元宇宙”深入發展，越來越多掌握物聯感知技術、模型渲染、城市算法仿真、虛實交互等關鍵技術的數字孿生城市相關企業即將加入，市場板塊也在快速提升和持續擴展，有望催生新一批創新企業。

四、“元宇宙”與數字孿生城市形式類似，但本質不同

“元宇宙”與數字孿生城市形式相近，都需要創建數字世界中的虛擬對象，但是“元宇宙”發源于科幻，成型于游戲，引爆于社交；數字孿生城市起源于工業，傾向于對現實社會的治理、對行業業務效率的改進，二者面向對象不同，因此本質上存在差異。

“元宇宙”強調“人的孿生”。數字孿生城市必須是永續的、實時的，和現實世界一致且保持同步，能夠與現實世界互動操作。而“元宇宙”則在城市的基礎之上，引入了“人的行為”這一主觀要素，現實世界中的各種人類活動（如買賣交易、人際交往等）均要求能在“元宇宙”中完成，從人類個體，到人類社會關系，都需要相互連接、相互影響、協同進化。

“元宇宙”是“完美數字孿生世界”。數字孿生城市強調的是對唯一現實世界物理元素進行嚴格地、精確地1:1的還原，強調物理真實性，更加傾向于對現實社會的治理、對行業業務效率的改進和技術創新。而“元宇宙”概念起于科幻小說，更傾向于構建公共娛樂社交的理想數字社會，它直接面向人，強調視覺沉浸性、展示豐富的想象力和沉浸感，呈現的是腦洞大開的“多元宇宙”，允許在數字世界中對現實世界進行修改，也可以完全塑造全新的理念數字世界，通過內容運營，產生相應價值。

五、以數字孿生城市發展經驗，促進“元宇宙”發展

隨著數字孿生城市的落地實施，暴露出一系列現實問題，例如數據融合難、數據安全問題、城市運行機理問題、技術典型應用場景深度不足和關鍵技術卡脖子制約等。加強數據體系建設與治理、強化“元宇宙”技術體系創新攻關、加強城市運行機理問題研究、開發拓展多元化應用場景，有利于促進“元宇宙”持續健康發展。

重視數據體系建設與治理，加強規范引導。無論是數字孿生城市還是“元宇宙”，共同之處都需要以數據為基礎。雖然數字孿生城市匯聚海量數據，但數據準確性差、數據不一致、數據不更新、數據安全等問題突出。隨著“元宇宙”的不斷發展，還會產生大量個人行為數據，應加快開展針對城市空間數據、個人數據相關標準研究和立法工作，同時針對“元宇宙”應用發展可能帶來的潛在風險沖擊提前研究制定政策工具和管理手段，增強抗風險沖擊和主動治理能力。

強化“元宇宙”技術體系創新攻關。當前數字孿生城市涉及標識感知、模擬仿真、可視化渲染等多項關鍵技術自身發展和融合應用還有待加強，利用人工智能、邊緣計算對動態數據快速分析處理能力不足，傳感器技術不能滿足全域感知部署需求。數字孿生技術上的成熟度，直接決定“元宇宙”在虛實映射與虛實交互中所能支撐的完整性。亟需強化政策精準支持，鼓勵市場創新主體加快AR/VR/MR、云計算、物聯網、人工智能、智能硬件、圖形圖像渲染等技術突破攻關，為“元宇宙”應用提供更完備和成熟的技術支持。

加強城市運行機理問題研究。城市是一個開放的復雜巨系統，我們所看到的，通常只是城市的物理形態和一些高度簡化的系統運行狀態和模擬推演。即使掌握機器學習和深度學習技術，具備了一定的對高維系統的抽象和模式識別能力，甚至可以一定程度上實現數字系統的自學習和自適應，但城市的數字孿生是目前尚無法在技術上哪怕近似實現的。加入“人”與“社會”等復雜變量之后，“元宇宙”的內在機理問題遠比數字孿生城市復雜。未來，深入研究與探索城市外生驅動和內生機制，才是實現城市“真孿生”的關鍵。

開發拓展多元化應用場景。目前數字孿生城市以政府投資運營為主，66.7%的數字孿生城市項目由政府投資建設^[8]，數字城市建設成本與收益、研究與應用間的差距短期內尚未能彌合。長期發展應面向企業與個人運營方式，與企業運營及居民生活中的應用場景打通，創造新的業態和價值。從To G向To B和To C轉變的關鍵在于挖掘合適的應用場景，應用于社交領域的“元宇宙”恰好能夠提供入口。而“元宇宙”當前的發展只限于社交與游戲娛樂，長遠健康的發展有賴于服務實體經濟和現實社會，因此，“元宇宙”要加強與數字孿生城市互補。一方面可以在“元宇宙”中建造新的城市各種設施，邀請市民感受和試用，以便于在真實世界建造前進行優化改進。另一方面將數字孿生城市作為基礎平臺，開放給不同企業和個人，在此基礎上可以開發自己專屬應用，擴展投資渠道。

[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《元宇宙首爾五年計劃》；

[4] 清華大學新媒體研究中心《2020-2021年元宇宙發展研究報告》；

[5] 北京大學學者發布元宇宙特征與屬性START圖譜；

[6] 中國信通院劉小林等：理性認識“元宇宙”發展熱潮，加強引導促進市場健康有序發展；

[7] 中國信息通信研究院《數字孿生城市白皮書（2018年）》；

[8] 中國信息通信研究院《數字孿生城市白皮書（2021年）》。

作者簡介

孟楠，中國信息通信研究院產業與規劃研究所信息化應用研究部工程師。長期從事信息化、智慧城市、數字孿生城市領域等的政策理論、行業研究和咨詢工作。

聯系方式：mengnan1@caict.ac.cn

劉小林，中國信息通信研究院產業與規劃研究所信息化應用研究部副主任，高級工程師。長期從事信息化、智慧城市、數字經濟等多個領域的政策、理論、行業研究和咨詢工作。

聯系方式：liuxiaolin@caict.ac.cn