元宇宙相關(guān)支撐技術(shù)和發(fā)展瓶頸

元宇宙催生了現(xiàn)實世界與虛擬世界并存融合，對世界發(fā)展將產(chǎn)生重大影響，本文將著重探討元宇宙概念及意義、相關(guān)支撐技術(shù)、發(fā)展面臨的問題和未來挑戰(zhàn)等。

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元宇宙的概念及意義

元宇宙的歷史起源可以追溯到《西游記》的誕生?！段饔斡洝肥侵袊拿鲗κ澜缥拿鞯囊粋€非常大的貢獻，這本書中提到了四個著名的能力：千里眼、順風(fēng)耳、筋斗云和七十二變。這四個能力不只是天馬行空的想象，其實也是人類對期待的未來的描述。當代，除了七十二變，千里眼、順風(fēng)耳和飛毛腿都已經(jīng)通過電視、電話和飛機等發(fā)明實現(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，在未來七十二變也是有可能實現(xiàn)的。1992年的科幻小說《雪崩》中描述了一個利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造出來的、比地球還要大的元宇宙世界。到2021年，原Facebook公司更名為Meta（元宇宙），致力于實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的融合。

早期互聯(lián)網(wǎng)時代主要提供了基于人際關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)化社區(qū)，如交互和娛樂，這是元宇宙最早的雛形。移動互聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)絡(luò)通信與其他信息技術(shù)的快速迭代為元宇宙的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。到今天的數(shù)字化時代，5G相比4G新增了廣泛的接入和可靠的低時延連接，再加上物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等數(shù)字技術(shù)在經(jīng)濟社會各方面廣泛拓展，使得元宇宙的誕生成為水到渠成的事（見圖1）。

元宇宙的定義是虛實相生和人機合一，包含真體、孿體和虛體三種角色之間的互相切換、扮演和替換。真體是現(xiàn)實世界中的客觀物體，孿體是現(xiàn)實世界數(shù)字化的孿生體，而虛體是不以現(xiàn)實世界為摹本創(chuàng)造的物體。用《西游記》中的例子來比喻，孫大圣本身是真體，拔出毫毛吹出的無數(shù)個跟自己一模一樣的是他的孿體，他還可以變化成其他真實存在的或想象出來的任意的人和物，這就是虛體。元宇宙包括現(xiàn)實世界和虛擬世界。虛擬世界又分為代表孿體的鏡像世界和代表虛體的擬像世界。真體、孿體和虛體之間有三種轉(zhuǎn)換，包括真體和孿體之間的切換、孿體和虛體之間的替換，以及真體和虛體之間的扮演。這三種狀態(tài)和互相轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的商業(yè)價值構(gòu)成了一個虛擬的社會經(jīng)濟系統(tǒng)。

發(fā)展元宇宙的重要性?

元宇宙催生了現(xiàn)實世界與虛擬世界并存且融合的新人類文明，是人類進化階段的一個重要分水嶺。元宇宙前所未有的連接將改變?nèi)祟惖纳娣绞?，史無前例的融合將改變世界的發(fā)展規(guī)律，聲勢浩大的變化將改變普世價值的體系。從這些角度看，元宇宙將重塑世界發(fā)展趨勢，關(guān)乎國家安全、經(jīng)濟繁榮和社會進步。

在國家安全方面，元宇宙可能會改變國際合作和競爭的范式，并催生出新型的國際政治意識形態(tài)。因此我們需要確保元宇宙意識形態(tài)和國家安全，掌握元宇宙話語權(quán)和標準制定權(quán)。從發(fā)展的角度來看，元宇宙一方面會給人類帶來進步，另一方面也會帶來一些潛在的危險。例如，元宇宙作為網(wǎng)絡(luò)虛擬化進程的最終形態(tài)，成為人類文明演化進程中重要的歷史性節(jié)點，同時元宇宙也可能會滑向虛擬化陷阱，成為人類依賴的數(shù)字空間。從經(jīng)濟繁榮的角度來看，元宇宙是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，各類虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用為承載，融合新型的交互、數(shù)字孿生、人工智能、數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作、區(qū)塊鏈等多種技術(shù)構(gòu)建的新型社會經(jīng)濟系統(tǒng)。如圖2所示，不同于過去的規(guī)模經(jīng)濟中實體制造與知識產(chǎn)權(quán)分離，以及范圍經(jīng)濟中線上支付與線下支付的分離，在未來的分布式經(jīng)濟階段，將會出現(xiàn)數(shù)字資本與虛擬共創(chuàng)的融合。因此，元宇宙將推動實體經(jīng)濟與數(shù)字經(jīng)濟的深度融合，推動數(shù)字經(jīng)濟走向新階段。

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國外元宇宙技術(shù)簡析

目前美國已經(jīng)產(chǎn)生了元宇宙的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，包括數(shù)字化的基礎(chǔ)設(shè)施、針對各種元宇宙應(yīng)用所生成的技術(shù)基座、金融支持的與美元錨定的可信虛擬支付，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的各種元宇宙應(yīng)用。元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施在信息形態(tài)方面發(fā)生了巨大的變化，從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的一維信息和移動互聯(lián)網(wǎng)支持的二維圖像和音視頻，到未來的Web 3.0、腦機接口和自主智能體、算力網(wǎng)絡(luò)、隱私計算、跨鏈計算等技術(shù)支撐的三維全景全方位感官空間，元宇宙將為用戶提供更高的沉浸感和交互感。元宇宙的理想運行狀態(tài)是大規(guī)模的用戶持續(xù)在線，高沉浸感和高仿真，高效的內(nèi)容生產(chǎn)，以及去中心化的信息存儲和認證。這些技術(shù)聯(lián)合起來構(gòu)成了元宇宙的技術(shù)基座（見圖3）。

在宏觀意義上，Web 3.0是當前熱議的元宇宙的底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。2014年，Web3基金會主席加文伍德（Gavin Wood）首次系統(tǒng)地提出Web 3.0概念，將其定義為在區(qū)塊鏈等一系列技術(shù)的推動下，變得更加去中心化、更加可信、更加安全的互聯(lián)網(wǎng)。Web 3.0的愿景是用戶掌握自己身份數(shù)據(jù)資源、要素稟賦，從而實現(xiàn)自身經(jīng)濟價值的互聯(lián)網(wǎng)。其價值在于打破平臺壟斷，推動廣泛的、自下而上的創(chuàng)新，創(chuàng)造新業(yè)務(wù)模式和新市場，啟動新全球數(shù)字經(jīng)濟系統(tǒng)。

從歷史的發(fā)展來看，Web 1.0是中心化的閱讀式的互聯(lián)網(wǎng)，Web 2.0是中心化的雙向可寫可讀的互聯(lián)網(wǎng)，二者都是借助平臺化的系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)濟價值。Web 3.0的商務(wù)模式雖然還沒有明確出現(xiàn)，但其特征一定是去中心化的，Web 3.0的出現(xiàn)可能會導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)寡頭的終結(jié)。而元宇宙則是在Web 3.0之上的一個終極的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，可信地承載個人的社交身份和資產(chǎn)，以及個人在該社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的資源稟賦、價值創(chuàng)造和價值實現(xiàn)，支撐起新的虛擬社會的經(jīng)濟體。

從生態(tài)體系看，元宇宙與Web 3.0處于重合狀態(tài)，即Web 3.0的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)非常匹配元宇宙的生態(tài)構(gòu)建需求。從技術(shù)體系看，Web 3.0的技術(shù)特征需求補充了元宇宙生態(tài)的底層技術(shù)支撐基座的拼圖。從演進歷程看，隨著Web 3.0技術(shù)雙向滲透打破虛擬和現(xiàn)實的界限，以及用戶身份跨越Web 2.0時代大平臺中心生態(tài)的鴻溝，這將催生極富想象力和創(chuàng)造力的元宇宙系統(tǒng)。

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我國發(fā)展元宇宙面臨的問題

元宇宙代表著一種主流的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟體驗?zāi)Ｊ剑A(yù)計很快能形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)，是一個增量市場。但元宇宙涉及到國家的政治、經(jīng)濟、社會、文化、法律、意識形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)主權(quán)等核心利益，而目前國際社區(qū)基于純軟件協(xié)議構(gòu)建的Web 3.0在可信、可管、可控方面存在隱患，其去中心化的核心思想給我國網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管帶來難題，基于美元的支付體系也會形成新的經(jīng)濟壟斷。

國內(nèi)元宇宙目前還處于初級發(fā)展階段，亟須從頂層設(shè)計上進行整體性規(guī)劃，是繼續(xù)“借船出海”還是自主構(gòu)建核心技術(shù)體系，是我們必須做出回答的戰(zhàn)略問題。從基礎(chǔ)設(shè)施上看，網(wǎng)絡(luò)的可控性是國家的戰(zhàn)略目標。劉鶴副總理在中國工程院第十六次院士大會上提出了“加強網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)研究，確保網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系可控性，加強人工智能技術(shù)研發(fā)，重視區(qū)塊鏈、數(shù)字貨幣等技術(shù)創(chuàng)新”的要求。我國必須主動開展元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，避免出現(xiàn)我國成為全球最大的元宇宙數(shù)據(jù)生產(chǎn)國，而美國主導(dǎo)全球元宇宙技術(shù)標準和規(guī)則的局面。對此，我國需要進行以下幾個方面的研究：

? 構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字經(jīng)濟底層技術(shù)屏障

數(shù)據(jù)的所有權(quán)和主權(quán)等概念正在受到挑戰(zhàn)，與其擁有數(shù)據(jù)，不如有權(quán)訪問、控制和使用數(shù)據(jù)。

? 構(gòu)建分布式扁平化元宇宙經(jīng)濟形態(tài)

分布式經(jīng)濟是由多個具有對等地位的行為主體共建的一個社會網(wǎng)，通過預(yù)設(shè)的激勵機制和治理規(guī)則，自發(fā)地進行社會分工，形成良性的數(shù)據(jù)分享協(xié)同機制。問題是如何構(gòu)成多樣化的自組織，促進經(jīng)濟形態(tài)扁平化，打破網(wǎng)絡(luò)資源天然壟斷，同時確保可管可控，構(gòu)建實體與虛擬深度融合的元宇宙經(jīng)濟體。Web 3.0打通了元宇宙虛擬世界和現(xiàn)實的橋梁，讓虛擬世界變成了平行宇宙。區(qū)塊鏈技術(shù)由于其天然的去中心化價值流轉(zhuǎn)特征，將為元宇宙提供與網(wǎng)絡(luò)虛擬空間無縫契合的支付和結(jié)算系統(tǒng)。

? 構(gòu)建元宇宙經(jīng)濟數(shù)字支付體系

目前的數(shù)字人民幣無法在區(qū)塊鏈流通，無法被智能合約自動激活使用。數(shù)字人民幣上鏈是解決以上問題的可能方案，但也帶來了對區(qū)塊鏈的定制化需求，給未來研究和系統(tǒng)實現(xiàn)帶來挑戰(zhàn)。

? 構(gòu)建我國數(shù)字經(jīng)濟雙循環(huán)格局

做強數(shù)據(jù)、算力等生產(chǎn)要素，暢通我國數(shù)字經(jīng)濟雙循環(huán)，既不能全盤照搬國外公司內(nèi)容主導(dǎo)的元宇宙，又要高度警惕隱形外國版元宇宙。只有構(gòu)建中國自主可控的元宇宙技術(shù)標準體系，才有可能以安全的數(shù)據(jù)要素為核心，分享數(shù)據(jù)價值。

構(gòu)建安全可控的Web 3.0元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施需要有四個層面的考慮。政治層面上，要嚴防滲透，維護國家意識形態(tài)和價值主張。經(jīng)濟層面上，要突破堵點，發(fā)展元宇宙數(shù)字新經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，推動現(xiàn)有制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。科技層面上，要超前布局，打破歐美等國在元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施方面的技術(shù)壟斷，掌握核心技術(shù)與話語權(quán)。網(wǎng)絡(luò)安全層面上，要自主可控，保障網(wǎng)絡(luò)空間安全與國家安全。因此，我國必須引領(lǐng)世界元宇宙科技發(fā)展前沿，打造完全自主可控的中國元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)環(huán)境。

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我國發(fā)展元宇宙的方向

相比于美國的元宇宙生態(tài)，我國元宇宙發(fā)展生態(tài)鏈的關(guān)鍵在于如何構(gòu)建許可技術(shù)底座以及安全可控的許可支付體系。我國需要加快建設(shè)自主可控的Web 3.0技術(shù)體系，相比于可信Web 3.0技術(shù)，我們需要搭建許可Web 3.0技術(shù)。我國的元宇宙采用同國外一樣的體系架構(gòu)，也包括基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)基座、許可支付以及典型應(yīng)用等（見圖4）。

在通信網(wǎng)絡(luò)方面，我國在5G時代確立了全球主導(dǎo)地位，且已經(jīng)前瞻布局6G網(wǎng)絡(luò)，形成了產(chǎn)學(xué)研用共同參與的完整的6G研發(fā)體系。在算力算法方面，我國科研機構(gòu)構(gòu)建的算力網(wǎng)絡(luò)可以支撐“靈境泛在互聯(lián)”的實時計算需求，實現(xiàn)通信、網(wǎng)絡(luò)與計算的高度協(xié)同，實現(xiàn)去中心化和系統(tǒng)可控之間的平衡與轉(zhuǎn)化，支撐國家內(nèi)外雙循環(huán)的大戰(zhàn)略。在交互媒介與終端方面，我國在傳統(tǒng)AR/VR接入設(shè)備方面已有長足的進步，在腦機接口等相關(guān)技術(shù)方面也具有國際領(lǐng)先水平，可以研究實現(xiàn)面向未來元宇宙需求的腦機接入解決方案。

我國戰(zhàn)略科學(xué)家錢學(xué)森先生在20世紀90年代就對虛擬現(xiàn)實有過展望，起了個中國味特濃的名字——靈境，他認為靈境技術(shù)能擴展人腦直覺，預(yù)見到人機深度結(jié)合將對人類社會帶來深層變革?！办`境”一詞給我們構(gòu)建中國式元宇宙帶來了啟示，“靈（genie）”就是智能體，包括人類分身和人機融生智能，它能夠適應(yīng)、改造甚至創(chuàng)造環(huán)境，屬于能夠理解人類意圖的高級智能體?！熬场眲t是代表數(shù)字孿生或認知孿生的物理世界，數(shù)據(jù)的探測、傳輸和存儲在其中進行，在未來將成為人類生活、工作和成長的空間（見圖5）?；诖耍袊娴脑钪婕夹g(shù)基座是感、通、算、控一體化構(gòu)建的（見圖6）。我們將這個技術(shù)基座稱為“Intelligent-concise”。

在可信感知方面，進行泛在環(huán)境和人、機、物、靈全面感知，最終做到人類五感、腦機、機器視覺、自然語言處理等可信、實時的智能感知技術(shù)。在可信傳輸方面，關(guān)鍵技術(shù)是對可信身份的認證和可信傳輸方案的認證。在算/控方面，我們將在隱私保護元宇宙的“靈”學(xué)習(xí)和“靈”管理方面進行研究，例如，分布式的元宇宙入口設(shè)備、聯(lián)邦學(xué)習(xí)的空中計算、智能的邊緣計算、區(qū)塊鏈傳輸，以及云服務(wù)集群和去中心化的網(wǎng)絡(luò)。在這個方向上，我在2019年第1期《通信學(xué)報》發(fā)表的文章中闡述了對6G技術(shù)的展望：6G不僅包含5G涉及的人類社會、信息空間、物理世界（人機物）這三個核心元素，還包含第四維元素——靈。人機物靈的互通，可為用戶提供實時虛擬業(yè)務(wù)場景，并代理用戶實現(xiàn)相應(yīng)的需求。

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建議及總結(jié)

以“靈境泛在互聯(lián)”為抓手，構(gòu)建演進版元宇宙的核心問題在于基礎(chǔ)理論研究、核心技術(shù)和重大應(yīng)用三個方面：基礎(chǔ)理論研究中迫切需要新理論的突破，解決“靈”如何表征預(yù)處理、意識如何分解等引領(lǐng)國際的基礎(chǔ)前沿重大問題。核心技術(shù)攻關(guān)中，需要打通虛擬與現(xiàn)實域界，支撐虛擬世界的智能體（靈）和人機物（境）的交互與溝通，打造演進版元宇宙的技術(shù)基座。重大示范應(yīng)用方面，需要主導(dǎo)形成元宇宙系列國際/行業(yè)標準，建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，同時以城市社會治理、智能制造、健康、大數(shù)據(jù)、智慧應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)為先導(dǎo)，結(jié)合數(shù)字孿生、人工智能等其他相關(guān)技術(shù)，推動元宇宙的產(chǎn)業(yè)落地，助力國家經(jīng)濟發(fā)展雙循環(huán)戰(zhàn)略。

元宇宙是中國式現(xiàn)代化、新發(fā)展理念的核心內(nèi)容，關(guān)乎國家安全、經(jīng)濟繁榮、社會進步，自主可控的中國式元宇宙是非建不可的，且時機已經(jīng)成熟。研發(fā)中國式元宇宙，掌握系列核心技術(shù)，助力中華民族偉大復(fù)興，未來可期！

（本文根據(jù)CNCC2022特邀報告整理而成）

作者：

張平

中國工程院院士，北京郵電大學(xué)教授。IEEE Fellow。網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室主任，鵬城實驗室寬帶通信部主任。長期致力于移動通信理論研究和技術(shù)創(chuàng)新，目前主要研究方向為語義通信和語用達意網(wǎng)絡(luò)。

編輯：黃飛

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