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有多次元宇宙吗(数字孪生和元宇宙的异同是什么?)

10月28日,Facebook宣布把公司名称改为“Meta”,同时,这个标志已经取代了该公司在门洛帕克的全球总部门牌上的标志性大拇指的Like图标;股票交易平台的名称,也随之改为:“Meta Platform”。

业界普遍认为这是扎克伯格 all in “元宇宙”的重大举措,并在原本已经火热的“元宇宙”概念上又加了一把火。一时间,人人都在讨论“元宇宙”,在地理信息产业,人们又试图将其与另外一个颇为类似的概念进行区分:“数字孪生”,知乎上也有人提出了问题:——

“数字孪生与元宇宙的异同是什么?”

本文在综合了目前一些主流诠释和定义后,试图通过辨明数字孪生和元宇宙的同时,探讨其在toBtoG、toC领域的应用趋势和影响,以及未来发展方向。

01 客观冷静的“数字孪生”

数字孪生的概念相对较为成熟,在科研和学术方面有明确的定义,并且也有较多企业的应用案例。

数字孪生(Digital Twin)概念最早由Michael Grieves教授在2002年的一次演讲中提出,他认为通过物理设备的数据,可以在虚拟(信息)空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。此后,数字孪生的概念逐步扩展到了模拟仿真、虚拟装配和3D打印等领域。

Gartner认为数字孪生概念包括以下四个特点:

1. 模型足够健壮,能为具体的业务目标与结果所服务;

2. 与现实环境相关联,甚至能实现实时监控与控制;

3. 与高级数据分析及AI技术相结合,创造新的业务机会;

4. 具备高交互性,能够评估可能会发生的情况。



Gartner数字孪生示意图

很多企业已将这个概念应用于实践。数字孪生的闭环应用让制造企业能够收集实时产品性能数据并将其应用到虚拟模型中,这一过程可以帮助尽早验证产品和流程设计、测试配置并理解多元因素的影响。例如,美国通用电器公司与ANSYS公司借助数字孪生这一概念,提出物理机械和分析技术融合的实现途径,让每个引擎等机械零部件都拥有一个数字“双胞胎”,并通过数字化模型在虚拟环境下实现机器人调试、试验、优化运行状态等模拟,以便将最优方案应用在物理世界的机器上,从而节省大量维修、调试成本。

概括一下,数字孪生就是通过数字软件对某个物理进程进行模拟,并对其进行观察和数据分析,以优化、改造,或发现问题,进而模拟预测,以选择最佳方案。

这个概念最早产生和应用在工控领域,但后来在智慧城市、行业数字化领域也有广泛扩展,作为物理世界数字映射的延伸,基本原理是不变的:用数字世界孪生投射物理世界,并对数据进行智能分析,以自动化、智能化、智慧化地管理运行业务,同时对城市和行业治理、规划运行进行优化和改进。


基于数字孪生的城市治理 | 易图通

这其中有两点需要注意。第一,数字孪生技术概念面向的并非是静止对象和单向过程,而是动态的演进过程和具有周期性生命的事件,所以应用在数字城市和行业管理时,不仅是静止的地物实景三维模型,而是包括了城市规划和建设过程呈现和管理,各行业运行过程中基于各类物联网数据的动态时空演绎,以及自然地物的变迁生态进程,准确地说,是数字孪生的时空


《数字孪生:为城市和你创造一个虚拟副本》归纳的数字孪生城市发展层次 | 集智俱乐部

第二,数字孪生不仅追求数字重现,更重视仿真模拟背后的数据分析。根据工信部去年底发布的《数字孪生应用白皮书》,数字孪生产业链可分解为“基础支撑”“数据互动”“模型构建”“仿真分析”“共性应用”“行业应用”6大模块,其中“数据互动”、“仿真分析”和“共性应用”,也显示出数字孪生注重数据接入的实时性,以及数据与人工智能结合后对数据背后逻辑和规律的探寻。

02 让乌托邦数字交互化的“元宇宙”

相对既定的“数字孪生”概念,关于“元宇宙”概念的大讨论如火如荼,但并没有一个公认的定论。

如同哈姆雷特一样,人人都有一个“元宇宙”,有共同点但有略有不同,大家似乎都知道元宇宙大概是“这样的”。我们可以通过元宇宙的发展阶段、理念描绘,大致了解元宇宙是什么,涵盖范围和进化形态。

要深入理解元宇宙,在这里要推荐一篇文章——《元宇宙与“后人类社会”》,这是经济学家朱嘉明为《元宇宙》一书所作的序言,文章将“元宇宙”的内涵广度扩展到了远大于数字世界的范畴,这是一个宏大而广义的“宇宙”概念:人类基于对现实世界的认知和理解,创造和构建一个基于现实、高于现实的虚拟宇宙——

“当人类将自己的价值观念、人文思想、技术工具、经济模式和“宇宙”认知结合在一起的时候,被赋予特定理念的“宇宙”就成了“元宇宙”。”

在“元宇宙”的广义定义下,经历了三个发展阶段,也可以说,涵盖了这三个领域及其延伸:

第一阶段,以文学、艺术、宗教为载体的古典形态的“元宇宙”

代表作有西方世界的《圣经》、但丁的《神曲》,达·芬奇的《蒙娜丽莎》、巴赫的宗教音乐;中国的《易经》《河洛图》《西游记》。

第二阶段,以科幻和电子游戏形态为载体的新古典“元宇宙”

其中代表作品和事件有200年前雪莱夫人的科幻小说《弗兰肯斯坦》(Frankenstein);《银翼杀手》原著,1968年菲利普·迪克《仿生人会梦见电子羊吗?》;1992年,“元宇宙”词源小说《雪崩》;1996年,通过虚拟现实建模语言(VRML)构建的Cybertown,是新古典“元宇宙”重要的里程碑;1999年全球上映的影片《黑客帝国》(The Matrix),一个看似正常的现实世界可能被名为“矩阵”的计算机人工智能系统所控制。

第三阶段,以“非中心化”游戏为载体的高度智能化形态的“元宇宙”

这个阶段,立体三维游戏开始展现基于数字技术“元宇宙”雏形,其中代表事件有,2003 年,美国互联网公司Linden Lab推出基于Open3D的“第二人生”(Second Life);2006年Roblox公司发布同时兼容了虚拟世界、休闲游戏和用户自建内容的游戏Roblox;2009年瑞典Mojang Studios开发《我的世界》(Minecraft);2019年Facebook公司宣布Facebook Horizon成为社交VR世界,2020年支持用户拥有和运营虚拟资产的Decentraland;2021年10月29日,又一标志性事件发生:Facebook公司正式改名为Meta,并表示:“无论是在会议室与同事交谈,还是在遥远的世界各地与朋友闲逛,人们都将通过进入虚拟环境来进行聚集和沟通。”

可以看到,在广义元宇宙的定义涵盖下,只要是人类用文字、绘画艺术、图像影像和技术等手段,创造和表现出的理念中的虚拟世界和宇宙,都可以称之为“元宇宙”,这更接近其“幻想混合现实”的核心本质——小说如《魔戒》、《哈利波特》、《三体》、《权力的游戏》,影视作品如《星球大战》等,古典名著如《西游记》、《封神演义》,这些主题作品都在现实世界基础上,创造和构建了平行且具有差异化的虚拟世界和宇宙。

理解作者构想的世界需要数字虚拟技术吗?可以有但非必要,人们通过文字、画面等媒介,也能领略和理解这些多元世界。广义概念突出了“元宇宙”幻想、理念、平行独立的“异世界”特征。


JK罗琳的《哈利波特》创造的理想中的魔法“元宇宙”有着持久的生命力:从印刷书籍,到影视作品再到在线游戏

接下来就是当下广受追捧的“元宇宙”概念,这个层面的概念强烈依托数字技术,强调数字三维空间和虚拟现实,相对狭义,但更具有现实应用意义。“维基百科”是这样描述的:

“通过虚拟增强的物理现实,呈现收敛性和物理持久性特征的,基于未来互联网的,具有连接感知和共享特征的3D虚拟空间。”

这也是“元宇宙”着重“术”的阶段——通过数字技术构建表现、支撑运行平行“异世界”立体虚拟现实空间,数字个体的在线共享、交互感知和内容创建体验。

这在元宇宙的第三阶段发展中,趋势和形态已经非常鲜明,说得通俗一些,就是利用数字技术构建一个三维特征的空间,基于这个空间,形成有别于目前二维数字互联网的,可视化、可共享、可感知、可交互的在线虚拟数字世界。

它可以映射物理世界、可以基于物理世界混合改造、也可以重新塑造一个幻想世界;可以是数字孪生现实世界(Digital Twin),可以是虚拟混合的增强现实(AR),也可以是完全虚拟的次元空间(VR)。在这个意义上,当前有很多三维交互游戏、三维空间可视化、混合虚拟现实,都可以丢进“元宇宙”的筐里。

但一些大型的在线空间交互游戏已能够进一步表达“元宇宙”幻想世界的社会形态,如在暴雪的“魔兽世界”、米哈游的“原神”等大型在线游戏中,玩家们可以基于数字身份(角色)进入立体数字空间,通过在线交互活动形成社交和社区,并且具有一定的经济、文化特征;而“我的世界”(Minecraft)、 “Roblox”等游戏又重点关注了用户在数字世界中的内容创建,内容生态等需求。


用户在“我的世界”(Minecraft)中,用像素矩阵块立体还原了《清明上河图》| B站 国家建筑师Cthuwork

我们也可以看到,“元宇宙”的形态和特征也注定了其适合在游戏、社交世界中先行一步——三维空间特征、虚拟数字身份、社交与UGC、始终在线

至此,我们可以辨别“元宇宙”与“数字孪生”两者之间的异同——

它们的共同点是都以数字技术为基础,再造高仿真的数字对象和事件,以进行可视化感知交互和运行,底层支撑技术可通用。

不同的是,元宇宙可以现实物理世界为数字框架,也可以完全塑造全新的理念数字世界,终极形态是基于数字世界实现的原生社会,其中每个居民拥有唯一、独立的数字身份和数字感知体,可共同在线社交并继续社会建设,具有理念和想象特征;

而数字孪生则是以信息世界严格、精确映射物理世界和事件过程为框架和基础,无论是工业制造,还是城市管理,基于实时客观数据的动态进程,与人工智能结合的挖掘分析和深度学习;并进一步模拟情境和决策,以改进现实或更好适应现实,最终实现自动控制或自主决策控制,终极形态是自主孪生。

03 数字孪生与元宇宙的融合、共生与歧路

从以上的异同中我们可以看到,数字孪生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,而元宇宙更倾向于构建公共娱乐社交的理想数字社会。

但这并不妨碍这两者结合。

基于Web地理空间3D可视化、高精度地图、雷达激光点云、BIM、测绘地图、卫星与无人机遥感影像等空间地形数据,融合遥感时空、传感器、物联网、定位轨迹、业务专题、社交内容、文字文档等时空动态数据,通过游戏级引擎的渲染和现实增强,构建起数字孪生的城市和行业业务高保真、高聚合的“数字孪生”时空环境:可以实时映射现实世界进程,可以基于现实空间透视全息内容,也可以模拟与耦合事件与场景,融合“元宇宙”在线共享数字空间、现实虚拟感知交互的核心特征,人们得以进入全真数字世界管理城市与业务,将催生全新的数字化转型


雷达激光扫描是对空间数字孪生建模的重要手段之一 | 图:网络


基于地形与时空数据的空间仿真分析 | 图:网络

以前我们认知中的数字化,多是基于ERP、数字工作流、移动应用,或是基于数据服务的数字平台,都没有脱离目前二维互联网的语境,但在“元宇宙”和数字孪生的联合下,将发生变革。

工业物联网、自动驾驶、数字地球,进而到车联网、高精度立体的数字城市、自然资源、行业和企业业务管理,可以说,如果每个行业都能够基于数字孪生诞生“元宇宙”,去在线共享、自动智慧地管理、分析、改进业务,立体全息地模拟各种场景,基于现实空间LBS服务与AR技术呈现深度全息数据,除了促进业务增长和生产效率提升,也有可能在其过程中产生颠覆型创新。


基于高精度地图的自动驾驶仿真测试就是一种典型数字孪生技术概念应用,但如果加入元宇宙的概念——“共享在线”,会发生怎样优化?| 图:易图通

人类能够深入和共同感知更加微观和宏观的工作场景,例如亚秒级精细零件制造过程的主视角观察、仿真分析和过程控制;城市管理者、业务专家能够跨越现实时空,共享一个高精度数字空间以解决难题;在城市建设中基于雷达激光点云数据,观察数字空间施工过程并共同改进建筑施工质量;在模拟事件环境的高精度数字空间中,多人共同在线、或人机混合驾驶智能车辆安全仿真测试,改进自动驾驶体验;全息模拟浓缩演绎长时间下的世界演化进程,多尺度观察发现自然生态客观规律...这都是元宇宙概念在toBtoG业务“数字孪生”中的积极影响。



谷歌地球用长时间积累下的卫星遥感时空,去呈现哥伦比亚冰川消融过程 | google earth

再来说说toC领域的。

可以预见在未来的发展中,toC领域元宇宙与数字孪生会差异化逐步扩大。人类在数字孪生世界中,更像客观的第三者在观察、修正、改进自身行为、决策和方案,但其基于现实过程的数字复制呈现交互能力,用以教育、数字虚拟旅游等产业中,具有一定的发展潜力;而在“元宇宙”中,人人都是数字社会的参与者、体验者、建设者,拥有独立的数字实体身份,在此基础上想象空间巨大。

在元宇宙形态的深入发展进程中,有一个里程碑式的事件无法忽略或绕过,它或将带领元宇宙进入终极形态——人类数字感知体:人能够以数字实体进入这些虚拟空间,通过模拟全感知进行交互,从而在虚拟空间生活、工作、游戏,也就是“Avatar”(就是电影《阿凡达》英文名,含义也与其类似:主人公在现实世界有残疾,但通过阿凡达在潘多拉星球却健全健康)。

在目前的二维互联网环境下,无论是网页还是移动APP,用户通过平面图形界面(UI, User Interface)进行人机交互操作;而在“元宇宙”的高度发展形态下,数字模拟需要支持人类有“以假乱真”增强现实体验,将“感知”转化为交互界面,形成“感知即交互”。此时,“数字孪生”在“元宇宙”构建过程中担当现实仿真的技术范式和混合虚拟的现实框架基础。


美国瓦萨学院艺术历史学家安德鲁·塔隆 (Andrew Tallon) 通过使用激光扫描仪创建了一个“数字孪生“的巴黎圣母院数字模型,巴黎圣母院在虚拟世界中得到永生。


育碧设计师Caroline Miousse在《刺客信条:大革命》中 1:1 重现了巴黎圣母院,玩家能在游戏中立体观赏完整的巴黎圣母院,跟随主视角沉浸式游览内部,可看到花窗等标志性元素,与”数字孪生“不同的是,基于现实场景,游戏构建了历史背景、主线故事与玩家交互任务,复刻的巴黎圣母院成为其中一处场景。

现在大家提到“元宇宙”,多会类比《头号玩家》。对于这个感知交互、数字社会形态的描述,其实在“元宇宙”的词源小说《雪崩》中更加完整形象:

“镜头可以看到整个宇宙的一半,也就是位于电脑上方的那一半,其中包括阿弘的大部分身体。这样,它基本上能知道阿弘身处何地,知道他正望向何方。”

“只要在人的两只眼睛前方各自绘出一幅稍有不同的图像,就能营造出三维效果。再将这幅立体图像以每秒七十二次的速率进行切换,它便活动起来。当这幅三维动态图像以两千乘两千的像素分辨率呈现出来时,它已经如同肉眼所能识别的任何画面一样清晰。而一旦小小的耳机中传出立体声数字音响,一连串活动的三维画面就拥有了完美的逼真配音。”

“所以说,阿弘并非真正身处此地。实际上,他在一个由电脑生成的世界里:电脑将这片天地描绘在他的目镜上,将声音送入他的耳机中。用行话讲,这个虚构的空间叫作「超元域」。阿弘在超元域里消磨了许多时光,让他可以把「随你存」中所有的烦心事统统忘掉。”

——摘录来自: [美]尼尔·斯蒂芬森. “雪崩”


通过一套联通电脑的装置,主角弘能够以增强感知沉浸进入“元域”,作为顶级黑客和元域的早期入住者,在元域中心商业街拥有豪华地产,而在现实生活中,却住在贫民区狭小的房子中;他在元域中是精英阶层的披萨速递员(拥有很强的能力和性能),但现实社会中只是个无业游民。

所以,《雪崩》、《头号玩家》,甚至《黑客帝国》,相对于最近火爆的电影《失控玩家》,其中关键性的差别在于,《失控玩家》只是有具有空间感和社会形态的线上游戏,而《雪崩》、《头号玩家》则已经将人类感知整个置于数字世界之中。

这是另一个新纪元的开始,在此基础上,数字世界的居民能够基于数字空间购置虚拟地产、创建社区和公司,形成一个拥有全真感知的,完全建立在二进制之上的“社会”。在此基础上,越多数字公民的入驻,元宇宙会更像一个真实“社会”,产生经济、文化,包括数字权力。这就像一个循环,就像当初使用微信的时候,你的选择。

而这两个注定融合、交错和分歧的领域将走向何方,也让我们拭目以待。

参考资料

《数字孪生:为城市和你创造一个虚拟副本》 https://www.huxiu.com/article/303182.html

《一文读懂“元宇宙”》 https://www.huxiu.com/article/449944.html

尼尔·斯蒂芬森(Neal Stephenson)《雪崩》(Snow Crash)

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