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摘要: 元宇宙作為一個新興的概念受到了產業界、學術界、媒體界及公眾的廣泛關注，國內外眾多公司也紛紛在“元宇宙”領域布局，但布局的背后離不開強大的技術支持。本文從技術維度深入剖析元宇宙。首先，從科學與技術的角度論述元宇宙的概念及內涵，并總結了目前從業者、專家以及學者對元宇宙的不同見解。其次，概述了元宇宙相關關鍵技術，包括網絡及運算技術（5G、6G、物聯網、云計算、霧計算及邊緣計算）、管理技術（能耗管理、資源管理、會話管理及時空一致性管理）、虛實對象連接、建模與管理技術（X聯網、身份建模、社會計算、去中心化管理技術）、虛實空間交互與融合技術（拓展現實、電子游戲技術、腦機接口技術）等。元宇宙不宜稱為新技術，而是IT新技術的綜合運用。技術的進步與發展，將為元宇宙的實現和應用奠定堅實的基礎，同時元宇宙的發展也會促進現有技術的升級換代。最后，展望了元宇宙發展面臨的諸多挑戰，以清晰認識、理智決策、穩步探索元宇宙。

引言

1992 年，美國著名作家Neal Stephenson在《Snow Crash》中提到元宇宙（Metaverse）一詞，他這樣描述：“戴上耳機和目鏡，找到連接終端，就能夠以虛擬分身的方式進入由計算機模擬、與真實世界平行的虛擬空間。”[1] 其實Metaverse這個概念的思想源頭是由美國數學家和計算機專家Vernor Vinge教授在 1981 年出版的《True Names》中描述的通過腦機接口技術進入并獲得真實感官體驗的虛擬世界[2]。 在元宇宙時代，人類的生活方式會受到較大的影響。其一，傳統的哲學與科學會受到巨大的沖擊，需要不斷挖掘和研究新的理論與方法；其二，元宇宙的興起將推動人類社會邁進一個新階段，相應地，時代的演變又進一步為技術的發展添磚加瓦。元宇宙技術在融合已有技術的同時，也將不斷衍生出更多的新技術。本文先從科學與技術的角度論述元宇宙的概念及內涵，并總結了目前從業者、專家以及學者對元宇宙的見解；其次，從技術維度深入剖析元宇宙，即從網絡及運算技術、管理技術、元宇宙虛實對象連接、建模與管理技術以及虛實空間交互與融合技術四個方面闡述元宇宙中涉及的關鍵技術。最后，對未來元宇宙技術發展所面臨的挑戰進行歸納與總結。

1. 元宇宙概念與內涵

元宇宙作為一個新興的概念，受到了產業界、學術界、媒體界及公眾的廣泛關注，但對于元宇宙的定義及概念還不夠統一和明確，不同從業者、專家以及機構給出了對元宇宙的見解，如表1所示

為進一步理解元宇宙的概念及內涵，本文從科學和技術的角度對其進行剖析，具體如下： 從科學角度上說，元宇宙的誕生是多學科融合的結果。元宇宙將促進信息科學、量子科學、數學和生命科學等學科的融合與互動，創新科學范式，推動傳統的哲學、社會學甚至人文科學體系的突破。元宇宙，實質上就是廣義網絡空間[7]，在涵蓋物理空間、社會空間、賽博空間以及思維空間的基礎上，融合多種數字技術，將網絡、軟硬件設備和用戶聚合在一個虛擬現實系統之中，形成一個既映射于、又獨立于現實世界的虛擬世界。

從技術角度上說，元宇宙不宜稱為新技術，而是現有IT技術的綜合集成運用，它是信息化發展的一個新階段。因此，隨著元宇宙的發展不僅會促進現有技術的升級換代，而且也會促進新技術的出現。本文將從技術維度對元宇宙中涉及的關鍵技術進行概述，如圖1 所示

2. 元宇宙中的網絡及運算技術

網絡及運算技術是元宇宙的基礎設施，可為元宇宙提供高速通信、泛在連接以及共享資源等功能，本節主要介紹5G、6G、物聯網、云計算、邊緣計算、互聯網等在元宇宙中的作用。

2.1 高速無線傳輸——5G、6G

無論是遠程執行計算繁重的任務、訪問大型數據庫、還是在用戶之間提供共享體驗，都離不開網絡與通信[8]，元宇宙時代所需要的沉浸式體驗，要求網絡具有低延遲、大帶寬、高可靠性等特點。5G作為新一代信息化基礎設施的出現，為元宇宙的沉浸式體驗提供可能。為了滿足不同行業和市場的需求，國際電信聯盟（The International Telecommunication Union, ITU）將5G劃分為超可靠低延遲通信（Ultra-reliable low-latency communication, URRLC）、增強移動帶寬（Enhanced mobile broadband, eMBB）和海量機器類通信（Massive machine-type communications, mMTC）[9], URRLC 和 eMBB 恰好可滿足元宇宙對沉浸感體驗的需求[10]，眾多學者近年來不斷為 URRLC 和 eMBB 做研究，以提高 5G 的通信效率，減少能源消耗。例如，Kumar和Ahmad[11] 提出基于 ANFIS 的 5G 新空口技術（5G New radio, 5G NR）中 URRLC 和 eMBB多路復用反應策略，為 URLLC 流量提供高優先級，同時保證了 5G 蜂窩網絡場景中其他 eMBB 流量的可靠性。Malik等[12]提出一種干擾感知無線資源分配方法，并與傳統的循環調度算法作比較，結果表明，提出的算法比傳統的循環調度算法在鏈路可靠性和延遲降低方面有明顯的改善。Buccheri等[13]提出混合重傳策略，以滿足URRLC需求并最小化消耗資源。

6G 作為 5G 的必然演進方向，6G 將打破時間、虛實的限制，為元宇宙的實現提供網絡基礎。6G 的出現，更多地實現現實世界與虛擬世界的交互和未來的共存共生。中國移動通信研究副院長黃宇紅表示，未來不僅會有物理世界，也將有數字世界，一方面是物理世界的孿生世界，另一方面會演變成元宇宙和平行世界 。未來，元宇宙將不僅是對現實世界的模擬與仿真，更重要的是物理世界與虛擬世界的融合與交互發展，6G 將對其發展提供強大的驅動力。東南大學尤肖虎教授團隊[14]在“6G 的最新進展及發展趨勢”一文中，提出 6G 無線通信網絡有望提供更高的頻譜、能量、更高地傳輸速率、更低傳輸時延、超大連接密度、更高覆蓋率和亞毫秒級的時間同步，6G 所具有的特征將在元宇宙中大顯身手。

在 5G、6G 網絡環境下，利用量子通信保障通信安全方面，Chowdhury等[15]提出基于量子不可克隆性定理和測不準原理，量子通信通過應用量子密鑰提供了強大的安全性。

2.2 虛擬世界與現實世界的聯接——物聯網

物聯網（Internet of Things, IoT）在元宇宙的網絡基礎設施的實現和發展中將發揮重要作用。虛擬世界與現實世界的泛在連接，離不開大量傳感器、智能終端等物聯網設備實時采集和處理數據，故物聯網可為用戶提供真實、持久且順暢的交互體驗，是虛擬世界與現實世界的聯接和橋梁。物聯網經典的三層架構，即感知層、網絡層和應用層，與元宇宙的建立緊密聯系。表2 列舉了近年來部分學者對物聯網三層架構的研究成果，將來為物聯網技術在元宇宙中的應用做好鋪墊，支撐元宇宙的發展。

從物聯網的三層架構來看，要想支撐元宇宙的發展，仍存在一些瓶頸，例如，存在于感知層的數據爆炸與有限感知資源之間的不平衡問題，Shi等[27]提出了將人工智能與選擇性感知相結合的解決方案；傳感器/制動器性能不佳問題，Ning和Liu[28]提出使用納米技術用于改善傳感器/制動器的性能（例如，更高的靈敏度和選擇性、更短的響應時間和更長的使用壽命）。因此，納米材料（如石墨烯、納米線等）的應用將為元宇宙的感知與通信領域提供可選性。存在于網絡層的連接爆炸與高效通信之間的問題[29]；存在于應用層的應用爆炸與精準服務之間的矛盾[30]，都是現在正面臨的問題。未來隨著科技的進步，解決上述“卡脖子”問題，將為構建元宇宙提供進一步的支撐。

另外，觸覺互聯網也是支撐元宇宙發展的一種新的物聯網形式。觸覺互聯網是由Fettweis[31]提出，它允許人和機器能夠在移動中和特定空間通信范圍內，通過觸覺實時地與周圍環境進行互動。觸覺互聯網有潛力使元宇宙更具有沉浸感。5G 關于低時延、高可靠性的研究客觀上是為觸覺互聯網作了鋪墊，Saches等[32]描述了 5G 在觸覺互聯網（Tactile internet）中發揮的基礎作用，并展示了 5G 新空口技術（5G NR）和 5G 長期演進技術（5G LTE）如何實現有保證的低遲延無線傳輸，提出了基于分布式云平臺的 5G 系統架構，以滿足觸覺互聯網對可靠性和低延遲方面的苛刻通信需求。Antonakoglou等[33]關注 5G 如何結合觸覺數據通信協議、雙邊遠程操作控制方案和觸覺數據處理，讓觸覺應用發揮作用。

2.3 云計算、霧計算與邊緣計算賦能元宇宙

有十余年發展史的云計算，成為元宇宙中可以大量賦能的領域。元宇宙所需要的身份建模、現實世界與虛擬世界的交互以及多元宇宙之間的互動，都會產生難以想象的海量數據，這離不開云計算的支持。本節將從數據處理和數據存儲兩個維度論述云計算的重要作用。

(1) 數據處理。 具有算力動態分配的云計算是元宇宙最重要的網絡基礎設施。元宇宙的構建需要一個強大的算力系統處理數據，當前的算力架構依然無法滿足元宇宙對于低用戶門檻、高體驗感的需求，云計算一定程度上能夠推動算力發展。日前，元宇宙借助游戲技術來展現，大型游戲采用的客戶端與服務器結合的模式，其對客戶端設備的性能和服務器的承載能力有較高要求[34]，并且在全球范圍內集中部署的云數據中心[35]，旨在處理來自物聯網設備的傳感數據或基于嵌入式設備的實時視頻、圖像等非結構化數據。例如，Zhang等[36]提出了用于嵌入式設備實時視頻處理的流式云平臺，并對該平臺的處理速度、功耗和網絡吞吐量等進行評估。

(2) 數據存儲。 在云上存儲數據，即云存儲（Cloud storage）,一般不用考慮存儲容量、存儲設備類型、數據存儲位置以及數據的可用性、可靠性和安全性等繁瑣的底層技術細節，按需付費就可以從云服務提供商那里獲得近乎無限大的存儲空間和企業級的服務質量[37]。近幾年來學者們一直在云存儲方面的研究，如Sharma等[38]綜述了區塊鏈技術在云存儲安全方面的應用；Qiu等[39]提出了基于可逆小波變換的以用戶為中心的云存儲數據保護方法；Doan等[40]提出云存儲系統中數據一致性維護的虛擬服務器解決方案。 元宇宙在構建過程中產生的大量數據需要云計算按需調配資源，以進行海量數據處理及存儲，但若把所有的資源都集中在云端，那對于元宇宙的沉浸感體驗、負載均衡以及能量消耗將帶來巨大的挑戰。對此，需要在本地部署帶有計算和存儲功能的設備，以縮短終端用戶到計算和存儲資源的距離，這就需要霧計算來支撐[41]。霧計算由終端用戶層、霧層及云層構成，霧層的存在極大地降低傳統云計算的時延，可以自己向用戶直接提供服務，還可以利用云層強大的算力和存儲能力協同進行服務。

另外，霧計算中更加靠近邊緣終端的部分，稱之為邊緣計算（Edge computing）。邊緣計算可將元宇宙計算所需的大型服務分解為小巧且易于管理的子任務，并將這些任務分散到邊緣節點去處理。邊緣計算在物理上更接近終端用戶，進一步將遲延時間最小化，為用戶流暢、優質的體驗提供保障[42]。另外，當元宇宙的內容涉及多個用戶時，會大大增加網絡流量負載，Kim[43]提出了一種在邊緣網絡中基于云 VR 的服務配置和部署方法，這只是對其的初步探索。由于云計算、邊緣計算以及霧計算各有優缺點及特性，如表3 所示，故利用云邊協同策略降低網絡時延及流量負載[44–45]受到關注，為元宇宙關鍵技術的研究提供一種選擇。

2.4 元宇宙≠下一代互聯網

元宇宙將用戶與互聯網交互的界面（體驗感）從“二維”上升到“三維”，將對互聯網的技術和發展起到推動作用。值得注意的是，元宇宙是互聯網之上的應用，二者不宜等同起來，更不能將元宇宙簡單地看成下一代互聯網。對行業、企業來說，互聯網的“升維”將催生新的生產力，但是找到“入口”僅是第一步。還要在技術層面上，提供更多的連接與通信方式，以及基礎設施。硬件設施也要不斷適配升級，這也將是一個相對艱難的探索過程[46]。

3. 元宇宙管理技術

元宇宙管理技術保障虛擬空間（即賽博空間）與真實空間（含物理空間、社會空間及思維空間）的泛在連接與空間融合所需要的軟硬件環境，主要包括能耗管理、資源管理、會話管理、時空一致性管理等。

3.1 能耗管理

節能環保一直是信息系統所追求的，未來的元宇宙一大挑戰便是能耗。元宇宙中能耗管理的目標和理念是實現最低能耗和綠色能源占比最大化，提高能源利用效率。在元宇宙中，傳感器設備、網絡及通信基礎設施（如，5G、6G、云計算系統等）、虛擬世界與現實世界的交互（如，VR/AR/MR、腦機接口等）等需要大量的能源消耗。許多學者提出了能源監測的方法。例如，Somula 和Sasikala[47]提出基于物聯網的方法監控負載消耗并以高效的方式節約能源。Bi等[48]創建了 Elman 遞歸神經網絡模型和指數電力預測模型，幫助減少電力損耗、節約成本。能源可持續發展既是元宇宙的核心約束也是投資機遇。 元宇宙中節能環保的目標是建立綠色元宇宙。這需要我們做到兩點：一是不斷創新與發展先進的能源基礎設施，實現對能源的自動測量、收集、存儲、分析等智能化處理，以提高能源的高效循環利用率為目的，研發能源循環設備，加速能源網絡的變革；二是優化能源管理的算法與模型，通過對物理空間、社會空間及思維空間的資源創建虛擬資源以便實現能源重組織與優化，提高能源利用率。未來，隨著納米及量子等技術的成熟，將研發出新型材料并應用于高性能設備、裝備或平臺，以獲取納米級別或量子級別的網絡，從而增強高性能能源使用率、降低能耗[49]。

3.2 資源管理

元宇宙，本質上就是廣義網絡空間[7,49]，在涵蓋物理空間、社會空間、賽博空間及思維空間的基礎上，共享資源。資源管理主要包括資源描述、資源尋址、資源發現和資源分配等，以滿足元宇宙的低延遲、高度沉浸等需求。目前，在資源管理的四個典型階段上已經有了一些較為成熟的技術，如表4 所示。

3.3 會話管理

元宇宙的會話管理，是管理異構網絡中無處不在的資源和資源用戶之間的交互[28]。在元宇宙中，會話管理主要針對具有動態特性的長時間、持久性交互，特別是針對具有多個資源用戶參與的會話。會話管理需要解決切換延遲、瞬時數據包丟失、端到端通信延遲以及跨異構網絡的無縫會話切換等問題，以提高用戶的沉浸感體驗。例如，針對5G網絡基礎設施，學者們研究在5G網絡上的會話管理方法，以盡可能地滿足未來元宇宙對實時性、低能耗等需求，如，Kim等[51]提出了一種有效的5G系統低延遲通信會話管理方案，并且避免了移動設備的網絡資源浪費和電池消耗。Park等[52]探討了如何在5G無線網絡環境中實現用戶的高性能會話管理。另外，元宇宙中的會話管理還應預防會話過程被攻擊的情況發生。Nadar等[53]研究了一種針對破壞性身份驗證和會話管理攻擊的防御方法。Marlinspike等[54]研究了Sesame算法，對異步消息進行加密，提高會話過程中的安全系數。

3.4 時空一致性管理

在物理空間、社會空間及思維空間中的實體與賽博空間實體映射過程中離不開時空一致性管理。元宇宙實質上是廣義網絡空間，它是一個虛實結合的世界，人在現實世界中，時間、空間的連續和唯一是嚴格按照物理規律，若要在虛擬世界中享受到沉浸式體驗，故也需要考慮時空一致性管理。現在已有學者提出一些管理時空一致性的方法，例如，時間同步法、目標定位法、時間配準法及空間配準法等時空一致性管理方案[28]。一致的時空數據對現實世界和虛擬世界之間的映射非常重要，Atluri等[55]綜述了時空數據的挖掘方法。

4. 元宇宙虛實對象連接、建模與管理技術

現實世界中的人和物以另一種虛擬身份的形式存在于元宇宙，這將構建成一種新型的虛擬社會，并在新的虛擬社會中重塑數字經濟體系、社會關系等。然而，虛實對象的映射與連接、虛擬社會的構建與管理離不開X聯網(Internet of X, IoX)、身份建模、社會計算、去中心化管理技術的支持。

4.1 IoX

X聯網包括物聯網、人聯網和思維聯網。物聯網（IoT）在物理空間和元宇宙之間建立虛實對象的泛在連接，將物理對象映射到虛擬世界中。人聯網（Internet of People, IoP）描述的是由各種人類節點組成的互連網絡[56]。節點的互連離不開人與人之間的社會關系、以物為媒介的社會關系、與時空屬性相關的社會關系等。在元宇宙時代，IoP在人類社會和元宇宙之間建立了虛實對象的泛在連接，從“社會關系的數字化”過渡到“人與世界的關系數字化”。在元宇宙內容不斷豐富的過程中，不僅僅要賦予虛擬原生人與數字人身份，還要考慮其認知與思維。思維聯網（Internet of Thinking, IoTk）強調思維創造的過程，進一步深化思維空間與元宇宙之間的互動，使得元宇宙中的對象擁有自動獲取、處理、學習和思考知識的自適應感知能力，克服時間和空間的限制，可在不同的地點和時間交換思想，實現準確、高效及便利的合作與交流[57]。

4.2 身份建模

隨著多種技術的融合以及新興技術的出現，進入元宇宙的對象數量和種類將急劇增長，如何對物理對象的身份標識進行建模及解析，以實現物理對象在與元宇宙的感知和映射，這將是未來發展元宇宙的核心問題之一。物理對象身份標識主要包括唯一標識法和非唯一標識法。其中，唯一標識法采用外界賦予對象的標識號，標識身份并應用于對象的網絡身份/資源的發現、尋址和訪問等，除了使用Bar Code技術、QR code技術、RFID技術等外界賦予的對象身份，還有利用對象的生物屬性、時空屬性等自身屬性信息進行身份標識[58]，典型的有利用虹膜、人臉、指紋等生物特征標識與解析技術等。

除元宇宙中映射的物理對象外，存在于元宇宙的人類也需要身份標識，其被稱為“虛擬數字人”。“虛擬數字人”是元宇宙的重要參與者，也是大眾最能接受的元宇宙表現形式之一。在未來，元宇宙用戶分為兩類：虛擬原生人和數字人。虛擬原生人（如，虛擬偶像、虛擬主持人、虛擬記者等），與現實世界不存在映射關系，脫離現實世界而存在；數字人則是指現實世界中的人類在虛擬世界的數字分身。無論是虛擬原生人還是數字人，都需要身份標識以便對其管理及研究。目前，身份建模與解析在物聯網領域比較常見，如Verma等[59]提出了基于區塊鏈的身份管理系統建模；Ning等[60]綜述了身份建模與解析現狀，以及其未來的發展趨勢與挑戰; Bouras等[61]提出了一種基于輕量級區塊鏈的物聯網身份管理方法。未來，隨著身份建模與解析技術應用領域的擴大，也將是元宇宙時代重要的研究領域。

4.3 社會計算

首先，通過身份建模技術，對數據、信息以及屬性進行描述，構建出進入元宇宙的實體對象。進一步，通過IoP、社會計算等技術進行實體的關系建模與行為形式化，從而實現實體的關聯及行為挖掘、理解與分析[62]。社會計算具體包括社交網絡分析(Social network analysis)、群體智能(Swarm intelligence)、人工社會(Artificial society)等。社交網絡分析指的是利用圖論、代理模型等方法對個體之間通過社會關系結成的網絡體系進行研究。群體智能指的是在集體層面表現得分散的、去中心化的自組織行為。人工社會指的是通過對復雜社會問題建立計算機模型，進行實驗分析并提供決策支持。 社會計算以處理社會關系為導向。元宇宙的出現，虛擬社會關系不會取代現實中的社會關系，但會催生線上線下一體的新型社會關系。通過社會計算研究人類的行為、新型社會關系能夠預測元宇宙的運行規律及未來發展趨勢，同時在元宇宙中更容易收集用戶的位置、年齡、偏好等數據信息，進行深度挖掘以更好地構建元宇宙中的社會運行機制。

4.4 去中心化管理技術

元宇宙中的對象在身份建模、IoP、IoTk、社會計算等技術的支持下，擁有獨立的身份、思維、行為及社會關系。根據需求，可在元宇宙中組建社區、城市，共同構建區別于或類似于現實世界的法律法規，衍生出新的虛擬社會文明。但實現這一切的前提是，元宇宙需要擁有獨立的經濟系統和經濟屬性。元宇宙的每一塊組成部分信奉的是去中心化概念，需要借助去中心化底層技術來重塑元宇宙的數字經濟系統。去中心化技術的典型代表區塊鏈[63]，借助區塊鏈加密算法、共識機制、智能合約等技術，可能會為元宇宙發展提供新的金融體系，為用戶提供保險、交易、證券化等虛擬資產的金融服務，也可實現虛擬世界與現實世界經濟體系的聯動。但是元宇宙經濟系統不等價于互聯網經濟系統，它不是互聯網經濟系統的復制品。需要說明的是，獨立的去中心化金融體系，與現實社會中的國家治理、主權貨幣等機制往往是矛盾的，這也許是元宇宙未來發展的制約。

區塊鏈技術主要包括點對點傳輸、數字加密技術、分布式存儲、共識機制和智能合約等[64]，這也決定了基于區塊鏈的經濟系統將為元宇宙經濟系統的實現奠定基礎。因為，數字加密技術在區塊鏈中具有核心地位，可以保證元宇宙用戶身份信息和交易數據的安全，文獻[64]中簡要介紹了哈希函數、對稱加密算法、非對稱加密算法、數字簽名等加密技術原理；分布式存儲系統（例如，Storj, IPFS），將數據分布式存儲于各個節點，可以保證數據的安全與隱私；雖然共識機制在公鏈和私鏈/聯盟鏈上有很大的差別，公鏈上使用的POW/POS共識機制[65]，私鏈上使用PBFT及其變種算法的共識機制，但元宇宙將會基于區塊鏈形成自己的共識機制，去約束去中心化網絡中的每一個分散節點，并驗證每個節點的身份產生信任，保障元宇宙的去中心化價值網絡；基于以太坊的智能合約，一旦寫入無法篡改的特點及其可追蹤性，為元宇宙用戶提供可信交易。

除此之外，還有一些去中心化交易載體、組織機構也為元宇宙經濟系統建設增磚添瓦。目前，去中心化交易載體——數字貨幣，幣種已達21種 [66]，包括MANA, AXS, SAND, CHR, TLM, SLP, ILV, ALICE, STARL, GHST, DPET等。另外，非同質化代幣（Non-fungible token, NFT）的出現引爆了元宇宙，可充當元宇宙激勵環節的媒介。它表示獨特物品所有權的代幣，包含特定商品或資產的獨特信息，實現虛擬物品的資產化，由于自身的數字稀缺性被率先應用于收藏、藝術品以及游戲場景。去中心化自治組織（Decentralized Autonomous Organization, DAO）將組織的管理和運營規則以智能合約的形式編碼在區塊鏈上，從而在沒有集中控制或第三方干預的情況下自主運行[67]。去中心化交易所（Decentralized Exchange, DEX）將資金保管在用戶的錢包中，交易平臺只負責提供數字貨幣流動性，撮合交易由智能合約來完成。現在DEX比較著名的有基于以太坊網絡的Uniswap、Sushiswap、IDEX、Bancor、Kyber，基于幣安智能鏈的Pancakeswap，基于Heco鏈上的MDEX [68]。

去中心化管理技術不僅在構建元宇宙經濟系統上起到了關鍵性作用，而且去中心化數據傳輸、存儲與管理等方面至關重要。如，數據傳輸和存儲過于集中，會出現單點故障和數據安全問題，文獻[69]提出了基于區塊鏈技術、門限代理重加密技術以及IPFS技術的去中心化數據共享方案；文獻[70]提出了基于分布式賬本的去中心化存儲系統框架，以提供可靠的數據存儲服務。因此未來去中心化管理技術將作為核心技術之一，保障元宇宙數據及經濟體系的安全，同時也能保障元宇宙中用戶的信息安全。

5. 元宇宙虛實空間交互與融合技術

虛實世界的交互、虛實世界視覺、聽覺、觸覺、嗅覺的統一，是元宇宙虛實空間融合的基石，這離不開擴展現實、電子游戲及腦機接口等技術。

5.1 擴展現實技術——從“二維界面”到“三維場景”

在較長的一段時間，人們與機器的交互拘泥于鍵盤、鼠標及顯示屏等外部設備。隨著科技的進步，擴展現實技術誕生，將人機交互從二維界面過渡到了三維交互，大大增加了人們的沉浸感體驗，這逐步變成了構建元宇宙技術支柱之一。實現其中的交互效果，XR及全息影像將承擔重要角色。 虛擬現實 (Virtual reality, VR)是一個先進的、理想化的虛擬現實系統，為用戶提供了完全沉浸式的體驗，讓他們感覺自己置身于現實世界。增強現實 (Augment reality, AR) 通過設備識別和判斷（二維、三維、GPS、體感、人臉和其他識別對象）將虛擬信息疊加在基于識別對象的位置上，并顯示在設備屏幕上，從而實現虛擬信息的實時交互。混合現實 (Mix reality, MR) 是一種結合現實世界和虛擬世界的新型可視化環境。在新的可視化環境中，物理對象和數字對象實時共存和交互。VR/AR/MR的邊界將在未來變得模糊，成為一種融合產品。目前，元宇宙采用的主要交互方式是為用戶創建高度交互的虛擬世界。 全息影像是通過光學的手段呈現物體真實的三維圖像的記錄和再現技術，是計算機技術和電子成像技術結合的產物。利用相干光干涉，記錄光波的振幅信息和相位信息，得到物體包含形狀、大小等的全部信息。全息影像技術是真正的三維立體影像，用戶在不借助可穿戴設備的情況下，就可以在不同的角度裸眼觀看全息影像。隨著技術的發展，全息影像技術可以模糊現實世界和虛擬世界的邊界，這將為真正實現元宇宙打下堅實的基礎。

5.2 電子游戲技術——游戲“泛化”打造元宇宙應用場景

電子游戲技術，是元宇宙的最直觀的表現方式，不僅可以為元宇宙提供內容創作平臺，還可以實現娛樂、社交場景的聚合。元宇宙產品實質是游戲的泛化（娛樂游戲、嚴肅游戲等），比如，美國著名歌手Travis Scott在《堡壘之夜》舉辦元宇宙演唱會；GUCCI與Roblox推出的“元宇宙GUCCI品牌展覽會”；歐萊雅發布的全球首個品牌虛擬代言人“M姐”等等。游戲開發中，最重要的是游戲引擎，類似于制造機床的母機床，這也將是大規模元宇宙平臺的“卡脖子”技術之一。游戲引擎的出現降低了游戲設計者及開發者建立虛擬場景的難度，使他們無需從基礎的代碼做起。其發展決定了元宇宙中NPC建模、場景實時渲染、用戶操作與交互等方面的質量及性能，讓用戶有更加接近于真實世界的體驗。目前，比較知名的游戲引擎如表5 所示。

5.3 腦機接口技術 — 助力元宇宙“虛實相生”

腦機接口(Brain-computer interface, BCI)是通過識別大腦信號，對大腦活動過程中腦信號進行編碼和解碼。用戶通過腦機接口進行操作，如玩游戲、打字等。腦機接口技術通過將個人的大腦信號解碼成計算機設備可識別的命令，將人類的神經世界和外部物理世界連接起來[71]，其過程主要包括：腦電信號采集、腦信號處理、設備控制及信息反饋四個方面[72]。腦機接口技術讓人類突破身體、可穿戴設備的限制，特別是可以幫助殘障人士以一種新的姿態重新融入到社會中。這種姿態是意識與思維的融入，將真正達到虛實空間融合，助力元宇宙虛實相生。 BCI目前已經有了許多可行的方法，Abiri等[73]綜述了基于腦電圖的腦機接口方法，其他學者基于人工智能算法的腦機接口進行了研究[71,74–75]。根據傳感器和計算設備的部署方式，可以分為侵入式接口和非侵入式接口，由于侵入式接口會對生物體造成一定的損傷，而且考慮到元宇宙的沉浸式體驗，未來元宇宙研究將重點關注非侵入式接口的研究，為元宇宙虛實空間融合奠定基礎。

6. 元宇宙發展的四大挑戰

2021年被成為元宇宙元年，自此，“元宇宙”概念和應用不斷地出現在我們視野中，國內外許多科技公司（例如，Facebook、英偉達、字節跳動等）開始布局元宇宙。隨著各種信息技術的逐漸成熟，元宇宙時代已經悄然來臨，并被應用于房地產、服裝、娛樂、會議、教育等應用場景。當前元宇宙正處于一個起步發力階段，潛力巨大，但它也會面臨諸多挑戰，具體如下所示。

6.1 倫理與道德

元宇宙是否能夠被社會所接受，以及接受之后隨之而來產生的倫理與道德問題，比如，人機相處、虛擬婚姻家庭、虛假身份和信息、知識產權等[76]。也許在未來，會有公司/研究機構開發道德與倫理的數字協議，作為底層的技術來支撐元宇宙的運行。元宇宙概念構建的是一種高自由度、高包容度的“烏托邦”世界，如何在去中心化的框架中構架元宇宙的倫理與道德共識并被真實社會所接受，這需要從多視角進行探索。

另外，元宇宙的法律法規建設問題也需要同步研究。現實世界里用法律法規來約束正常的社會秩序，而元宇宙還處于初步探索期，是繼續沿用現實世界的法律還是依靠群體共識來約束元宇宙中人的行為及社會治理，都需要進一步研究。

6.2 安全與隱私

元宇宙的發展，會帶來眾多的安全與隱私問題。其一，國家信息平臺整體安全問題。元宇宙作為新興的數字生態，其將遭受網絡攻擊。網絡攻擊既可針對元宇宙的最終用戶和設備終端，也可針對元宇宙的運營商或關鍵服務提供商，這將會影響國家的關鍵基礎設施。而且，元宇宙促進虛擬世界與現實世界的融合，將擴大網絡攻擊的危害性，嚴重影響國家信息平臺的整體安全。另外，由于元宇宙的技術發展模式，造成元宇宙產品蘊藏較多的設計缺陷和漏洞，這將威脅用戶在元宇宙中的“化身”資產，加大數字內容治理難度。其二，用戶數據的安全與隱私保護問題。元宇宙的出現，收集個人數據的數量以及豐富程度是前所未有的。在未來極有可能是多個公司/機構一起打造一個或多個元宇宙，那么公司/機構之間如何進行數據協調消除“數據孤島”問題以及不同元宇宙之間如何進行數據交互，保障元宇宙中用戶的隱私及安全成為亟待解決的問題。例如，Zhang等[77]從人工智能的角度概述了用戶訪問認證、網絡態勢感知、危險行為監控和異常流量識別等方面的研究，為優化元宇宙安全與隱私保護手段提供參考；Falchuk等[78]也提出了在元宇宙中面臨的隱私問題。

6.3 技術的挑戰

當前的技術遠不能實現概念中所描述的理想元宇宙，現在進入元宇宙空間主要依靠高沉浸感的XR(VR/AR/MR)設備，但當前的虛擬實現技術很難將設備小型化、便攜化以及低成本化，供用戶隨時隨地的進入元宇宙，而且長時間佩戴XR設備會讓人感覺不舒服。 元宇宙將會大量使用人工智能（Artificial intelligence, AI）算法（如機器學習、深度學習、強化學習等）。AI三要素，即數據、算法及算力，對元宇宙的建立及發展具有關鍵性的作用，助力實現超越現實世界限制的社會和經濟活動[79]，但人工智能還存在諸多缺陷[80]。利用計算機視覺、智能語音、自然語言處理等技術可以產生逼真的視覺、聽覺等感覺。不管是硬件發展水平，還是數據、算法、算力的發展水平使得元宇宙目前遠不能達到高沉浸感體驗，而且體驗過程中，對于可靠性、穩定性及舒適度等方面具有較高要求，這些都還需要繼續和深度研究。

6.4 對現實國家主權的挑戰

元宇宙強調了去中心化管理、用戶定制內容和高沉浸感等特點，尤其是去中心化的社會和經濟模式，一方面，包括貨幣、交易、資產、司法等都嚴重依賴現實世界的相應機構進行約束；二方面，去中心化模式發展的天花板是現實世界的各種限制，尤其是超大規模的元宇宙平臺實際上挑戰的是國家主權。因此，需要辯證地看待元宇宙的發展：小規模的元宇宙應用（平臺）可能會發展很快很廣泛；中等規模的元宇宙平臺（如社交網絡、購物平臺）受投資規模及運營風險等限制，進入的門檻還是很高的；至于超大規模的元宇宙社區，挑戰的是現實世界的國家主權，發展一定會受到限制。

7. 結論

元宇宙的誕生將促進現實世界與虛擬世界的聯接與融合，可能會成為人類社會發展的新形態，改變人們的生活方式。在元宇宙的發展初期，技術是根，技術的發展與創新是重中之重，本文概述了元宇宙涉及的網絡及運算技術、管理技術、虛實對象連接、建模與管理技術和虛實空間融合技術，為研究人員提供參考，推動技術創新來帶動產品、場景和應用創新。但是，“元宇宙”概念的爆火，其發展速度、終極形態，甚至對哲學、文化、社會及經濟治理，以及對人類的影響都還未知。隨著元宇宙應用雛形的落地，賦能實體經濟也將成為熱點方向，在政府堅持以技術賦能實體經濟的政策導向下，其在“元宇宙”時代仍將適用。當下“元宇宙”概念逐漸回歸理性，行業開始逐漸顯現出脫虛向實的趨勢。此外，隨著元宇宙的發展和應用的逐漸落地，其安全與監管問題，也將逐步提上日程。總之，無論處于何種趨勢，我們要清晰認識、理智決策、穩步探索元宇宙！

參考文獻

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數字孿生是一種“實踐先行、概念后成”的新興技術理念，與物聯網、模型構建、仿真分析等成熟技術有非常強的關聯性和延續性。

來源 | 中國移動通信有限公司研究院（轉載請注明來源）

編輯 | 蒲蒲 數字孿生是一種數字化理念和技術手段，它以數據與模型的集成融合為基礎與核心，通過在數字空間實時構建物理對象的精準數字化映射，基于數據整合與分析預測來模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，最終形成智能決策的優化閉環。其中，面向的物理對象包括實物、行為、過程，構建孿生體涉及到的數據包括實時傳感數據和運行歷史數據，集成的模型涵蓋物理模型、機理模型和流程模型等。

隨著經濟社會數字化轉型的持續推進，數字孿生逐漸成為產業各界關注的熱點技術。數字孿生起源航天軍工領域，近年來持續向智能制造、智慧城市等垂直行業拓展，實現機理描述、異常診斷、風險預測、決策輔助等應用價值，已成為助力企業數字化轉型、促進數字經濟發展的重要抓手。

《數字孿生技術應用白皮書（2021）》聚焦數字孿生關鍵技術和行業應用發展，梳理數字孿生整體發展情況，深入分析技術體系和典型垂直行業應用場景，旨在為產業界在規劃實施數字孿生相關應用時提供參考借鑒，助力數字孿生技術演進和產業發展。

白皮書指出，從政策層面來看，數字孿生成為各國推進經濟社會數字化進程的重要抓手；從行業應用層面來看，數字孿生成為垂直行業數字化轉型的重要使能技術；從企業主體層面來看，數字孿生被納入眾多科技企業戰略大方向，成為數字領域技術和市場競爭主航道；從標準化層面來看，數字孿生標準體系初步建立，關鍵領域標準制修訂進入快車道。

數字孿生具有四個典型的技術特征：

（一）虛實映射。數字孿生技術要求在數字空間構建物理對象的數字化表示，現實世界中的物理對象和數字空間中的孿生體能夠實現雙向映射、數據連接和狀態交互。

（二）實時同步。基于實時傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態反映物理對象的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等。

（三）共生演進。在理想狀態下，數字孿生所實現的映射和同步狀態應覆蓋孿生對象從設計、生產、運營到報廢的全生命周期，孿生體應隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新。

（四）閉環優化。建立孿生體的最終目的，是通過描述物理實體內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優化指令或策略，實現對物理實體決策優化功能的閉環。

作為發展數字經濟的重要使能技術，數字孿生近年來備受業界關注，技術體系不斷發展，核心技術快速演進，產業生態持續完備，行業應用走深向實，成為促進工業、城市、交通、網絡等垂直行業實現數智化轉型的重要抓手。

但同時也需要注意，數字孿生作為一項新興技術理念，尚處于發展初期，仍存在許多短板問題亟待破解。

一是實施成本高企。數字孿生技術的實現涉及到企業研發、生產、供應鏈、管理等系統的改造，投資大、沉沒成本高。受限于此，目前數字孿生往往僅能成為大企業“錦上添花”的高端技術應用，而難以成為廣大小企業“雪中送炭”的普適技術應用。

二是產業基礎薄弱。數字孿生產業鏈長、分工細致、碎片化程度高，跨領域之間的技術融合性較差、資源整合難，存在IT企業不懂行業機理、OT企業難以報團的突出痛點，亟需產業整合者的出現。

三是商業模式不成熟。不同垂直行業對數字孿生的需求差異大，垂直行業內需求“長尾效應”顯著，解決方案的可復制性不強，導致數字孿生應用多以項目交付型為主，平臺化、模塊化程度較低，不利于高效推廣。

四是技術短板凸顯。在機理建模、仿真分析、數據集成等方面的技術短板制約了數字孿生技術整體的應用深度，同時部分核心技術被國外龍頭企業壟斷，“安可”有潛在風險。

整體上來看，為進一步促進數字孿生技術融合發展，形成產業合力，推廣技術應用，打造賦能千行百業的通用技術底座，業界需要從頂層設計、技術攻關、生態構建和標準化四個層面重點突破。

一是頂層設計層面，在相關部委指導下聯合產業多方智庫力量盡快研究明確數字孿生中長期發展規劃，為技術產業發展指明方向和路徑。同時建立完備的數字孿生評價體系，從建模精度、數據互通性、同步演進性、智能化程度、系統間數據的共享程度等多種維度構建評價指標，牽引數字孿生向高階演進。

二是技術攻關層面，聚焦數字孿生基礎理論及關鍵核心技術，鼓勵產學研聯合研發，在信息建模、機理建模、模型同步、模型融合、智能決策、智能感知和信息安全等方面突破一批技術瓶頸，形成基礎扎實、穩定成熟的技術體系。

三是生態構建層面，數字孿生產業鏈長，技術體系復雜，垂直行業壁壘高筑，需要產業各方協同創新、優勢互補、形成合力，特別是在基礎設施共建、跨領域技術融合、數據共享互認、能力開放互用等方面形成長效協同機制，依托產業聯盟、創新中心等方式加深產業鏈的交流合作與需求對接，構建優勢互補、協同共贏的產業生態。

四是標準化層面，在技術發展初期，盡快完善術語、通用架構等基礎共性標準，形成統一的話語體系和規范性指導框架。在此基礎上，進一步對信息模型、數據集成、平臺等數字孿生核心要素和垂直行業應用模式進行規范統一，力求快速形成覆蓋數字孿生基礎共性、關鍵技術和行業應用的標準體系。

自2002年美國Dr.Michael Grieves第一次提出數字孿生概念以來，數字孿生技術已經在城市建設、航空航天、生產車間等多個行業成功應用，并在2017年到2019年，連續三年入選Gartner十大戰略技術，并預計未來五年將跨越新型技術成熟度曲線的低谷達到成熟應用的平臺期。

隨著“智慧泛在、數字孿生”的6G愿景成為業界共識，數字孿生技術也將在未來網絡演進中發揮重要作用。結合數字孿生技術的數字孿生網絡（Digital Twin Network）是實現未來自治網絡的重要支撐，有望改變現有網絡規、建、維、優的既定規則，成為6G“重塑世界”的關鍵技術。

本白皮書在業界首次系統闡述了數字孿生網絡（DTN）總體架構、關鍵技術和分級體系，明確數字孿生網絡在解決當前網絡困境以及滿足未來網絡演進需求中的重要作用，并從技術需求角度，描述了數字孿生網絡在幾個典型場景中的應用。