中国信通院孟楠等 | 从数字孪生城市到“元宇宙”

2021年，在线创作沙盒游戏平台Roblox在美上市，称为“元宇宙”第一股^[1]，Facebook更名为“Meta”^[2]，引发全球性的“元宇宙”狂热。苹果、微软、谷歌、英伟达、腾讯、字节跳动等科技巨头根据各自优势加大对元宇宙的布局，争取新一代互联网风口。

同时，国内外政府也加快制定“元宇宙”发展计划。韩国首尔宣布从2022年起分三个阶段在经济、文化、旅游、教育、信 访等市政府所有业务领域打造“元宇宙”行政服务生态^[3]。上海、浙江明确提出前瞻部署“元宇宙”等领域，深圳成立“元宇宙”创新实验室，无锡发布《太湖湾科创带引领区“元宇宙”生态产业发展规划》，武汉、合肥、成都等地也在政府工作报告中提及“元宇宙”。

当前，业界对于“元宇宙”的基本概念等还没有达成共识，存在不同理解和分歧。清华大学新闻学院教授沈阳认为，元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，它基于扩展现实技术提供沉浸式体验，以及数字孪生技术生成现实世界的镜像，通过区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和编辑^[4]。

北京大学新闻与传播学院院长陈刚教授、董浩宇博士认为，元宇宙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，具备新型社会体系的数字生活空间^[5]。中国信通院专家研究认为，“元宇宙”是架构于数字孪生、区块链等数字技术体系之上的虚拟化经济社会应用形态和服务生态，是理念、内涵、模式持续演化的互联网发展新阶段^[6]。

总体来看，业界普遍认为数字孪生是实现“元宇宙”的关键技术，从概念上，数字孪生城市和“元宇宙”均是建立“虚实共生”的世界。但数字孪生城市是基于数字孪生技术体系，对城市规划、建设、治理服务的再造，内涵和方向目标相对清晰。“十四五”国家数字经济规划和信息化规划等均提出，各地要因地制宜探索建设数字孪生城市。因此，本文从确定性的数字孪生城市发展起点延伸，扩展到不确定性的“元宇宙”数字空间，从数字孪生城市发展实践和经验角度，为“元宇宙”发展提供策略建议。

数字孪生城市开辟新兴智慧城市的建设和治理新模式。2010年，美国国家航空航天局（NASA）的技术报告中正式使用了“数字孪生”一词。数字孪生技术最早运用于工业制造领域，随着新一代信息技术的飞速发展和广泛应用，数字孪生城市应运而生。数字孪生城市是在数字空间再造一个与物理城市匹配对应的数字城市，全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境中的状态，实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转^[7]。《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“探索建设数字孪生城市”，上海、浙江、天津、广州、深圳等地开展示范性试点项目，以点带面打造数字孪生城市，助力智慧城市建设。

数字孪生城市包括五大技术体系。数字孪生城市是基于城市业务而构建的一个复杂巨系统，从当前发展来看，大致由五类技术紧密结合而成。“空间地理信息”技术为城市提供集成底板、参照基准和位置服务。“建模与渲染”技术为城市提供基础骨架，实现物理城市的精准刻画与可视化呈现。“感知和标识”技术采集城市实时运行数据，并通过标识与模型集成，为城市提供数据血液传输。“算法与仿真”技术不断将城市运行规则、业务模型、深度学习预测结果等，模拟仿真呈现给所有城市用户。“交互与控制”技术为城市用户参与城市治理、获取城市服务提供互动互操作支撑^[8]。

数字孪生技术是构建“元宇宙”基石。“元宇宙”作为连通现实世界与虚拟世界的通道和人类数字化生存的载体，通过数字孪生技术将现实世界镜像到虚拟世界里面去，以此构建细节极致丰富的拟真的环境，营造出沉浸式在场体验，因此数字孪生是构成“元宇宙”社会活动体系的基础支撑系统。元宇宙除数字孪生技术外，还需要脑机交互、区块链、虚拟人等更多的技术支持，如应用区块链技术为数字资产交易与流通监管提供安全认证，使得“元宇宙”中任何“权利”都具备了金融属性和交易流通可行性，以此构建“元宇宙”去中心化、开放式虚拟经济运行体系。

数字孪生企业纷纷进军“元宇宙”。除Facebook、Roblox、英伟达、高通、网易、腾讯、阿里等科技巨头启动“元宇宙”外，优锘科技、飞渡科技、51WORLD、孪数科技等数字孪生城市企业也纷纷在“元宇宙”领域发声。数字孪生技术加持下，中国国际服务贸易交易会数字平台、百度“希壤”等“元宇宙”初步应用已经启动。随着“元宇宙”深入发展，越来越多掌握物联感知技术、模型渲染、城市算法仿真、虚实交互等关键技术的数字孪生城市相关企业即将加入，市场板块也在快速提升和持续扩展，有望催生新一批创新企业。

“元宇宙”与数字孪生城市形式相近，都需要创建数字世界中的虚拟对象，但是“元宇宙”发源于科幻，成型于游戏，引爆于社交；数字孪生城市起源于工业，倾向于对现实社会的治理、对行业业务效率的改进，二者面向对象不同，因此本质上存在差异。

“元宇宙”强调“人的孪生”。数字孪生城市必须是永续的、实时的，和现实世界一致且保持同步，能够与现实世界互动操作。而“元宇宙”则在城市的基础之上，引入了“人的行为”这一主观要素，现实世界中的各种人类活动（如买卖交易、人际交往等）均要求能在“元宇宙”中完成，从人类个体，到人类社会关系，都需要相互连接、相互影响、协同进化。

“元宇宙”是“完美数字孪生世界”。数字孪生城市强调的是对唯一现实世界物理元素进行严格地、精确地1:1的还原，强调物理真实性，更加倾向于对现实社会的治理、对行业业务效率的改进和技术创新。而“元宇宙”概念起于科幻小说，更倾向于构建公共娱乐社交的理想数字社会，它直接面向人，强调视觉沉浸性、展示丰富的想象力和沉浸感，呈现的是脑洞大开的“多元宇宙”，允许在数字世界中对现实世界进行修改，也可以完全塑造全新的理念数字世界，通过内容运营，产生相应价值。

随着数字孪生城市的落地实施，暴露出一系列现实问题，例如数据融合难、数据安全问题、城市运行机理问题、技术典型应用场景深度不足和关键技术卡脖子制约等。加强数据体系建设与治理、强化“元宇宙”技术体系创新攻关、加强城市运行机理问题研究、开发拓展多元化应用场景，有利于促进“元宇宙”持续健康发展。

重视数据体系建设与治理，加强规范引导。无论是数字孪生城市还是“元宇宙”，共同之处都需要以数据为基础。虽然数字孪生城市汇聚海量数据，但数据准确性差、数据不一致、数据不更新、数据安全等问题突出。随着“元宇宙”的不断发展，还会产生大量个人行为数据，应加快开展针对城市空间数据、个人数据相关标准研究和立法工作，同时针对“元宇宙”应用发展可能带来的潜在风险冲击提前研究制定政策工具和管理手段，增强抗风险冲击和主动治理能力。

强化“元宇宙”技术体系创新攻关。当前数字孪生城市涉及标识感知、模拟仿真、可视化渲染等多项关键技术自身发展和融合应用还有待加强，利用人工智能、边缘计算对动态数据快速分析处理能力不足，传感器技术不能满足全域感知部署需求。数字孪生技术上的成熟度，直接决定“元宇宙”在虚实映射与虚实交互中所能支撑的完整性。亟需强化政策精准支持，鼓励市场创新主体加快AR/VR/MR、云计算、物联网、人工智能、智能硬件、图形图像渲染等技术突破攻关，为“元宇宙”应用提供更完备和成熟的技术支持。

加强城市运行机理问题研究。城市是一个开放的复杂巨系统，我们所看到的，通常只是城市的物理形态和一些高度简化的系统运行状态和模拟推演。即使掌握机器学习和深度学习技术，具备了一定的对高维系统的抽象和模式识别能力，甚至可以一定程度上实现数字系统的自学习和自适应，但城市的数字孪生是目前尚无法在技术上哪怕近似实现的。加入“人”与“社会”等复杂变量之后，“元宇宙”的内在机理问题远比数字孪生城市复杂。未来，深入研究与探索城市外生驱动和内生机制，才是实现城市“真孪生”的关键。

开发拓展多元化应用场景。目前数字孪生城市以政府投资运营为主，66.7%的数字孪生城市项目由政府投资建设^[8]，数字城市建设成本与收益、研究与应用间的差距短期内尚未能弥合。长期发展应面向企业与个人运营方式，与企业运营及居民生活中的应用场景打通，创造新的业态和价值。

从To G向To B和To C转变的关键在于挖掘合适的应用场景，应用于社交领域的“元宇宙”恰好能够提供入口。而“元宇宙”当前的发展只限于社交与游戏娱乐，长远健康的发展有赖于服务实体经济和现实社会，因此，“元宇宙”要加强与数字孪生城市互补。一方面可以在“元宇宙”中建造新的城市各种设施，邀请市民感受和试用，以便于在真实世界建造前进行优化改进。另一方面将数字孪生城市作为基础平台，开放给不同企业和个人，在此基础上可以开发自己专属应用，扩展投资渠道。

—作者简介—

孟楠，中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部工程师。长期从事信息化、智慧城市、数字孪生城市领域等的政策理论、行业研究和咨询工作；

刘小林，中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部副主任，高级工程师。长期从事信息化、智慧城市、数字经济等多个领域的政策、理论、行业研究和咨询工作。