“ 元宇宙” 这一概念可追溯到20世纪的网络游戏和科幻小说中.在2021年— — “ 元宇宙元年” 之前, 元宇宙概念的发展也主要集中于游戏、小说等领域.本节主要梳理元宇宙起源, 清楚理解元宇宙的发展历史.元宇宙及其所需技术发展的时间轴如图1所示.

图1

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	图1 元宇宙及其技术发展时间轴Fig.1 Timeline of Metaverse and its technological development

元宇宙这一概念可追溯到1979年的文字网络游戏MUDs(Multi-user Dungeons).该游戏作为第一个文字交互界面的网络游戏, 将网络用户相互联系在一个实时开放式的社交合作世界中, 往往被认为是元宇宙概念的早期起源^[13].1986年, Habitat作为首次使用Avatar(化身)概念的2D图形大型多人在线角色扮演游戏(Massive Multiplayer Online Role-Playing Game)投入市场^[6].除游戏以外, 科幻小说同样是元宇宙理念的起源.1984年出版的科幻小说Neuromancer描绘的脑后植入装置能够将人类意识上传到网络之中^[9], 该装置的描述正是构建元宇宙的关键技术之一的“ 脑机接口” .1992年, Stephen-son^[1]撰写科幻小说Snow Crash, 首次提出“ 元宇宙” (Metaverse)一词.元宇宙概念在小说中第一次出现于一张名片上:“ 名片背面是一堆杂乱的联络方式:电话号码、全球语音电话定位码、邮政信箱号码、六个电子通信网络上的网址, 还有一个‘ 元宇宙’ 中的地址.” ^[1]Snow Crash小说中叙述的元宇宙是对未来科技革命的展望, 并对之后许多网络游戏与文学作品起到启发意义.例如, 1995年创建的Active Worlds就是以Snow Crash小说为基础建立的虚拟社交世界, 1999年的电影《黑客帝国》描述的矩阵世界也借鉴小说中的相关概念.可以看出, 在元宇宙概念提出的初期, 往往以文学与艺术创作为表现形式.

20世纪末至21世纪初期, 随着网络发展、家用个人电脑的普及以及智能手机的出现, 人们开始探索在游戏中建设虚拟世界以及虚拟化身, 实现社交、制造和交易的元宇宙.2003年发布的开放式游戏Second Life通过将网络游戏、社交网络与Web2.0相结合, 成为第一个现象级的虚拟世界游戏.在这款游戏中, 人们除了能够进行和现实中相同的吃饭购物旅游等活动, 还可以通过3D建模自由地创造房屋、衣服、工具等各种物品, 并对制造的物品进行出售以换取虚拟货币, 其游戏中存在的虚拟货币Linden Dollar能够兑换为现实的法定货币.由于Second Life丰富的社交功能、强大的制造编辑能力以及虚拟货币系统, 这款游戏不仅在当时得到广泛的关注与讨论, 也成为目前学者们研究元宇宙下的用户行为、虚拟货币以及产业体系的重要渠道^[14].之后, 在2011年发布的游戏Minecraft展现了一种去中心化、开放且身临其境的虚拟世界, 吸引许多创作者在这款游戏中建立虚拟世界, 并吸引人们进行游玩.此时的元宇宙已从文字游戏和文学作品逐步迈向多人在线游戏中的虚拟世界构建.受限于科技水平、网络通信技术、计算能力等, 以及在2006年~2007年间云计算、区块链和信息物理系统(Cyber-Physical Systems, CPS)等构建元宇宙关键技术刚开始兴起, 当时的元宇宙发展仍处在起步阶段, 人们对元宇宙的研究兴趣也由此进入一段时间的低潮.

在2010年至2020年的十年间, 构建元宇宙的重要技术之一— — 虚拟现实(Virtual Reality, VR)与增强现实技术(Augmented Reality, AR)得到重大发展, 并应用于宝可梦GO、VR Chat、AR版超级玛丽等开放性的游戏中, 诸如VR眼镜、VR头盔、Google Glass等装备逐渐进入人们的视野.到此阶段, 构建元宇宙所需的相关技术支撑, 如云计算、区块链、数字孪生、物联网、5G等都已逐步发展并走向成熟, 此时的元宇宙变成可能实现的事实.因此, 在2021年, 有关元宇宙的概念在经过多年的沉寂后重回大众视野, 多家企业纷纷投入元宇宙系统的建设中^[15].2021年3月, 沙盒游戏平台Rolox将“ 元宇宙” 首次纳入招股书并在美国纳斯达克上市, 成为“ 元宇宙第一股” .同年5月, 谷歌在I/O大会上展示名为Starline的裸眼3D视频通话技术.同年10月, Facebook将公司名变更为元宇宙英文Metaverse的前缀“ Meta” , 表明公司着力进行元宇宙的开拓.同年11月, NVIDIA在GTC大会上展示交互式的虚拟形象Omniverse Avatar, 微软表明将推出Mesh for Microsoft Teams软件.元宇宙在经过文学作品提出的萌芽阶段、多人在线游戏构建虚拟世界的起步阶段后, 通过几十年间所需技术的逐渐积累与发展, 在2021年得到关注并重回大众视野, 开启元宇宙的新阶段.

1.2.1 元宇宙概念

“ 元宇宙” 一词的英文Metaverse由Meta(意为“ 超越” 、“ 元” )和Verse(表示“ Universe, 宇宙” )两部分组成.尽管目前元宇宙得到众多学者、机构和企业的关注, 但对当前元宇宙概念应如何定义, 仍没有一个科学、权威和统一的答案.产业界与学术界从自身业务领域出发对元宇宙进行解读, 因此定义的元宇宙有所差异, 具体如表1所示.虽然学者们对元宇宙概念的解读不尽相同, 但其中基本都涉及到互联网、扩展现实技术、虚实交互、虚拟环境等关键词.综合表1中各个观点, 本文认为, 元宇宙是随着扩展现实等虚拟现实交互技术、人工智能、云计算、数字孪生以及区块链等技术的发展与成熟, 最终构造真实、沉浸的虚拟世界与现实世界逐渐交融促进, 消融虚拟与现实之间的边界, 而形成的对人类经济、文化、工业等领域全面促进与发展的社会和互联网形态.在技术角度上, 元宇宙本身并不是一项新的技术, 而是多种学科、技术的叠加融合、共同建立的成果, 其中不仅包含数学、物理和生物科学等自然科学为元宇宙下虚拟空间建立及其各种用户行为提供技术支撑, 还需要经济、政治、社会科学等人文科学为未来元宇宙的治理与规划指明方向.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同学者对元宇宙的定义 Table 1 Different definitions of scholars on Metaverse 文献序号 定义 [3] 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. [4] Metaverse is a "virtual environment" you can go inside of-instead of just looking at on a screen. Essentially, it's a world of endless, interconnected virtual communities where people can meet, work and play, using virtual reality headsets, augmented reality glasses, smartphone apps or other devices. [5] The metaverse is a virtual world that connects everyone. Everyone has a virtual identity and can do anything desired. The metaverse has eight characteristics: identity, friends, immersion, low latency, diversity, anywhere, economy, and civilization. [6] 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, 基于数字孪生技术生成现实世界的镜像, 基于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世界编辑. [9] The metaverse is a virtual environment blending physical and digital, facilitated by the convergence between the Internet and Web technologies, and Extended Reality(XR). [16] Metaverse is a new type of Internet application and social form that integrates a variety of new technologies. It provides an immersive experience based on augmented reality technology, creates a mirror image of the real world based on digital twin technology, builds an economic system based on blockchain technology, and tightly integrates the virtual world and the real world into the economic system, the social system, and the identity system. [17] The metaverse is regarded as a fully immersive, hyper spatiotemporal, and self-sustaining virtual shared space blending the ternary physical, human, and digital worlds. Metaverse is recognized as an evolving paradigm of the next-generation Internet after the web and the mobile Internet revolutions, where users can live as digital natives and experience an alternative life in virtuality. [18] The Metaverse is the post-reality universe, a perpetual and persistent multiuser environment merging physical reality with digital virtuality. It is based on the convergence of technologies that enable multisensory interactions with virtual environments, digital objects and people such as virtual reality(VR) and augmented reality(AR). [19] The Metaverse is an embodied version of the Internet that comprises a seamless integration of interoperable, immersive, and shardless virtual ecosystems navigable by user-controlled avatars.

表1 不同学者对元宇宙的定义 Table 1 Different definitions of scholars on Metaverse

1.2.2 元宇宙内涵

尽管元宇宙的发展与虚拟世界息息相关, 但元宇宙并非是简单的虚拟世界^[6].元宇宙的概念是现实世界与虚拟世界的融合, 其最终的目标是通过扩展现实、数字孪生等虚实交互技术打破现实世界与虚拟空间的壁垒, 建立虚拟世界与现实世界相互交融、相互促进的互联网新格局和社会新形态.虚拟世界的建立是目前对未来元宇宙展望最重要的一环, 也是目前学者集中解决的关键一环, 但虚拟世界并不能够代表和等同于元宇宙.此外, 数字孪生和信息物理系统技术由于涉及到虚拟与现实、仿真模拟等概念, 也常被用于与元宇宙进行对比.实际上, 元宇宙概念作为一种复杂的技术-社会体系, 比数字孪生和信息物理系统的复杂技术体系包含的内容更多、更广, 且偏向于为人类以及人类社会提供应用、管理以及服务.数字孪生与信息物理系统的概念来自于工业化生产的需求, 而元宇宙的概念源自于科幻小说以及大型网络游戏中对于未来人类社会生活的向往与想象, 其出发点和面向对象并不相同:数字孪生与信息物理系统面向物理系统实体, 而元宇宙面向人类用户和人类社会.元宇宙与数字孪生、信息物理系统的技术演化路径^[20]如图2所示.

图2

Fig.2

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	图2 元宇宙与数字孪生、信息物理系统的技术演化路径[20]Fig.2 Technological evolution paths of Metaverse, digital twins and cyber-physical systems[20]

不同学者对元宇宙的特征也有不同的见解^{[3, 13, 14, 16]}, 元宇宙的特征同其概念一样, 也在不断发展、变化和完善.龚才春^[13]总结的元宇宙特征重点关注元宇宙下的虚拟世界, 如提出的沉浸式体验、虚拟经济等特征都是基于虚拟空间下总结得到的.但本文认为, 关于元宇宙概念最终所要建立的应当是虚拟与现实相互交融发展的社会新形态, 如果仅关注于元宇宙虚拟空间下的特征相对片面.在众多学者归纳的元宇宙特征中, Roblox公司首席执行官Baszucki所归纳的八大特征^[14]流传最广、引用最多.但作为游戏公司, Roblox提出的特征主要集中于探索元宇宙的商业性、社交性和一些服务于游戏的特征, 如交友(Friends)、多样内容(Variety of Con-tent)等, 具有一定的局限性.相比文献[14]总结的特征, 龚才春^[13]从元宇宙的多技术融合、多元文化形成的社会形态以及虚拟与现实交互的三个特点进行总结归纳, 总结元宇宙特征为多技术(Multi-technology)、社会性(Sociality)和超时空(Hyper Spatiotemporality)三点, 具有其合理性, 但对于特征的分类不够全面和精确.陈刚等^[3]从社会、经济、科学等的角度总结元宇宙五大特征, 分别为社会与空间属性(Social and Space)、科技赋能的超越延伸(Tech-nology Tension)、人、机与人工智能共创(Artificial, Machine and Artificial Intelligence)、真实感与现实映射性(Reality and Reflection)以及交易与流通(Trade and Transaction), 这五大特征更合理且全面覆盖未来元宇宙可能包含的各类特征.

元宇宙构建需要多种科学技术与理论, 本节将元宇宙构建划分为五个层面, 并列出所需的技术支撑, 具体如图3所示.

图3

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	图3 元宇宙的构建层次和技术支撑Fig.3 Construction level and technological support of Metaverse

第一阶段为实体设施层.建立元宇宙首先需要物理设备及其相关技术的硬件支撑.5G信息设施所提供的低延迟通信、增强移动带宽等特性为元宇宙的实现提供基础与保障.传感器技术提供的触觉力度感知与反馈、运动状态识别与反馈等功能也对用户在虚拟环境下的沉浸体验有很大的帮助.此外, 高性能的算力系统以及芯片制造技术是未来元宇宙构建的硬件基础^{[9, 13]}.

第二阶段为逻辑网络层.元宇宙构建需要处理与传输元宇宙下大量数据的支撑技术.在此层面下, 大数据技术的管理、分析和处理数据集合能力, 模式识别、机器学习等人工智能技术所具有的样本特征分类和自然语言处理能力, 云计算技术具有的动态分配算力能力, 边缘计算将任务分为若干个较小且易于管理的子任务至边缘节点进行处理的技术, 信息物理系统技术和物联网技术实现设备间通信、交互、计算与控制的能力等, 都为元宇宙构建提供技术支撑.

第三阶段为虚实交互层.元宇宙用户访问虚拟世界必须通过相应的设备进行, 其中涉及虚实交互的接入设备及其相关技术, XR(Extended Reality)相关技术的应用^[21], 包括VR、AR和混合现实(Mixed Reality, MR)等技术.用户在通过设备接入元宇宙下的虚拟世界后, 还需要如动作捕捉等技术将其在现实空间的动作投影至虚拟空间.脑机接口 (Brain Computer Interface, BCI)也是一种能够提供沉浸式虚实交互的技术, 但目前部分BCI有可能对人类造成损伤, 如何在保障用户安全下提供沉浸式体验是未来BCI应用于元宇宙的重要问题.

第四阶段为场景构建层.虚拟世界的构建是元宇宙构建的关键层次之一.数字孪生是此阶段下构建元宇宙的关键, 元宇宙下虚实交互与映射的程度取决于数字孪生技术的发展程度.卫星影像采集技术和物联网系统信息采集技术等能够为虚拟空间的构建提供丰富的数据^[22], 3D建模、机器视觉以及图像渲染等技术为元宇宙下的虚拟物体与场景搭建提供技术保障.

第五阶段为管理服务层.此层为元宇宙下用户提供相应服务, 并对用户行为进行监督、规范和管理, 同时对能源、金融、教育等领域进行规范与管理.在服务方面, 元宇宙需要算法推荐、知识图谱、自然语言处理等人工智能与大数据的相关技术^[13]为用户提供内容.在管理体系方面:区块链技术将为元宇宙的发展提供可靠的支付与经济管理系统, 保证元宇宙下经济体系的稳定和高效; 结合非同质化货币 (Non-Fungible Token, NFT)对区块链原生数字资产所有权标记的技术和数据安全技术对用户数据的保护, 能够保护用户在元宇宙下的资产、知识产权以及用户个人隐私等利益.针对元宇宙下虚实交互产生的社会形势新变化, 社会计算理论以及平行控制理论能够利用人工系统对复杂社会过程进行建模实验, 针对复杂社会问题进行指导与管理.

自动化是一门涉及多类学科的综合性科学技术, 是通过机器设备代替人类劳动以及辅助人类对于特定问题或工业等系统进行协调、管理、控制、决策与优化.控制与决策理论是自动化科学技术的核心内容.控制理论的发展可以分为经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论三个阶段^[23].自动化学科理论的发展历史可看作控制与决策理论的发展历史, 如图4所示.

图4

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	图4 控制与决策发展历史Fig.4 History of control and decision

经典控制理论的起源可以追溯到1788年制造的蒸汽机调速器, 其能够在负载变化情况下实现蒸汽机的恒速, 之后控制理论开始引起重视并逐渐发展.19世纪后期, 麦克斯韦通过线性常微分方程对蒸汽发动机系统进行描述并分析其稳定性, 劳斯和霍尔维茨提出针对高阶线性系统的稳定性判据, 李雅普诺夫提出非线性系统的稳定性判据.到20世纪, 奈奎斯特给出频率域的稳定性判据, 伯德进一步研究并在频率域中引入对数坐标系, 伊文斯提出根轨迹设计法.由于这些科学家们的杰出贡献, 经典控制理论在20世纪50年代趋于成熟.此阶段下的控制与决策理论主要针对单输入单输出的线性定常系统, 采用传递函数、频率法和根轨迹法等方法进行分析.

现代控制理论于20世纪60年代开始逐步发展, 用于解决经典控制理论存在的只应用于单变量线性定常系统而无法解决非线性、时变和多变量系统的问题^[24].在此阶段下, 将经典控制理论中的高阶微分方程转换为一阶联立微分方程组的形式, 称为状态方程.通过状态方程能够解决经典控制的弊端.对此阶段具有重大贡献的学者有贝尔曼、庞特里亚金、卡尔曼等, 所提出的动态规划、极大值原理、多变量最优控制等理论极大促进控制与决策理论的发展.

智能控制概念起源于1965年, Fu等提出将人工智能领域中的启发式推理规则应用于学习系统^[25], 1967年莱昂德斯等学者正式确定使用“ 智能控制” 一词.此阶段将人工智能和自动控制交叉融合, 研究具有高度非线性、不确定性的数学模型和复杂任务下的控制模型.扎德提出的模糊理论、麦卡洛克和皮茨提出的神经网络、萨顿提出的强化学习、杰弗里希尔顿等提出的深度学习等理论对智能控制与决策理论的发展起到极大的推动作用.

对于当前的自动化领域, 控制与决策理论通过结合人工智能、云计算、区块链等技术, 在包括工业、医疗、经济中广泛应用, 尤其在工业领域中各国出台的政策, 如“ 中国制造2025” 、德国“ 工业4.0” 、美国“ 先进制造伙伴” 等, 其具体实施所衍生的虚拟工厂等都需要控制与决策理论及其应用.元宇宙下的各个环节建设与管理同样需要控制与决策理论的帮助, 本节从控制与决策的视角出发, 探索与讨论当前对于元宇宙系统研究和建设有帮助的控制与决策理论.

2.2.1 工业元宇宙

物联网与云计算这两种技术都是未来元宇宙发展所依赖的基础支撑技术, 对处理和未来实现元宇宙环境下的工业制造自动化、智能化具有重要作用, 即实现未来的工业元宇宙(Industrial Metaverse).工业元宇宙, 即通过物联网、云计算、人工智能等技术实现人机物之间的链接, 用数字技术帮助实体工业发展, 实现产业数字化、智能化的生产.对于如何发展和建设未来工业元宇宙, 本文认为, 一种同样结合人工智能、物联网和云计算技术的云控制系统理论能够为此提供一个可靠且有前景的发展方向, 是实现未来工业元宇宙的一种思路.

云控制系统(Cloud Control System, CCS)是工业元宇宙的关键技术之一, 应用于处理复杂大系统的分析与控制中.作为网络控制系统(Networked Control Systems, NCS)的延伸, 云控制系统将物联网传感器收集的巨量数据发送至云计算中心, 利用云计算、人工智能算法等对采集信号进行数据处理分析, 最终产生控制信号, 实现复杂系统的智能控制.云控制系统可以用人体系统进行类比^[26], 如图5所示.大脑、小脑相当于云控制系统中的云端, 对任务进行控制决策; 感知器官相当于云控制系统的传感器, 进行信息的收集, 并传送至云端和边缘控制系统; 云控制系统中的边缘控制系统能够自主完成简单任务, 具备自治能力, 相当于人体控制系统中的脊髓系统.云控制系统在不同的应用环境下构建要素不同^{[27, 28]}, 但总体上可以总结为传感器、执行器、云控制基础设施、云控制器、通信网络以及受控对象等要素.

图5

Fig.5

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	图5 云控制系统与人体控制系统[26]Fig.5 Cloud control system and body control system[26]

当前, 工业元宇宙的发展重点在于如何推进元宇宙虚拟空间与现实空间的连接, 在虚拟空间中实现对于实体工业的模拟操作, 进而将其应用于实体空间, 实现各个工业生产环节的高效与智能化运行并降低生产成本、减少生产事故.工业元宇宙的这一发展目标本质上与云控制系统的研究目标是一致的, 以一个智能电厂云控制系统^[29]为例, 在终端设备方面, 将边缘控制器设置于发电系统、巡检安防系统等终端设备系统的上层, 通过边缘计算实现对终端设备的及时和精准的管控并避免数据全部上传至云端导致较大的计算负担.在集控系统方面, 云控制系统建立包含云存储、孪生电厂、算法库等模块, 通过在孪生电厂中对电厂运行情况进行模拟操作并将最优方案发送至终端设备, 实现对整个电厂的智能化和统一化管理.通过上述示例可以看出, 无论从发展的目标, 还是所需技术支持, 工业元宇宙与云控制系统都极为相似.

2.2.2 工业元宇宙关键技术

本节从工业元宇宙建立所需的关键技术出发, 如网络化系统^[30]、云计算、边缘计算、信息物理系统等, 叙述其中的各项关键技术在元宇宙系统中的作用, 如表2所示.

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 工业元宇宙的关键技术 Table 2 Key technologies of cloud control system 技术 文献序号 特点 应用 网络化控制系统 [31] 空间分布式系统, 减少系统布线, 提高系统灵活性, 容易诊断维护. 作为工业元宇宙构建的初始阶段, 结合云计算、大数据等技术解决器无法处理大规模计算任务的缺陷, 共同构建元宇宙系统. 云计算 [32] 数据资源集中统一, 具备高灵活性、可扩展性, 承担大量数据的存储与计算. 利用云计算技术构建的元宇宙系统实现对动态信息的部署、资源监控以及管理, 建立控制即服务的元宇宙系统工业化架构. 边缘计算 [33] 节点位于网络边缘, 具备通信与计算能力, 不承担数据存储功能, 执行简单的数据处理任务. 接近数据终端, 处理相对简单的数据任务, 弥补云计算技术的缺陷, 增强系统实时响应能力, 缓解云数据中心的计算与网络带宽压力. 信息物理系统 [34] 计算、通信与控制一体化, 具备可控可信可扩展的网络化物理设备系统. 建立上下两层空间, 下层收集数据信息, 上层结合云计算等技术建立虚拟信息空间, 进行数据分析计算管理.

表2 工业元宇宙的关键技术 Table 2 Key technologies of cloud control system

网络化系统所具备的特点^[30]使其在未来工业元宇宙发展中也具备很大的竞争优势:工业元宇宙下的智能工厂需要嵌入大量不同的物联网设备, 保障设备间的灵活高效运行且及时发现故障设备进行隔离操作, 这都需要网络化系统的帮助.

云计算技术作为工业元宇宙的核心技术, 是将传统的网络化控制系统转变为元宇宙系统的关键^[26], 其具备高灵活性、可扩展性以及高性价比等特点.通过云计算所提供的云服务形式引入工业领域中建立元宇宙系统, 将实现一种控制即服务(Control as a Service)^[31]的工业自动化架构.以智能电厂的云控制系统为例, 云端保存有电厂的关键数据, 当需要执行计算任务时向云端申请, 通过云端计算执行后下发全局命令至终端设备进行执行, 实现“ 按需申请、随取即用” 的服务^[28].在工业元宇宙建设中, 云计算技术引入的目的在于实现计算资源的集中并达到快速部署的效果.当前技术的发展不足以支撑建设工业元宇宙中庞大且种类不一设备的稳定运行和海量异构数据的处理, 采用云计算技术实现数据信息的合理部署和资源集中管控是当前主流的发展方向.

边缘计算技术(Edge Computing)^[32]的作用主要在于弥补云计算技术的缺陷.在工业元宇宙系统中, 采集的数据需传输至云数据中心进行分析与处理, 而云计算技术在网络距离上是离数据终端最远的, 仅依靠云计算技术构建的工业元宇宙系统将会存在实时性、安全性与可靠性等方面的弊端.边缘计算技术为解决该问题而引入, 通过边缘节点的帮助, 使设备具有部分处理数据与决策的能力, 能够在数据不上传云端时仍能保证简单的数据分析与设备控制的实现.

仅依赖于云计算必然导致工业生产设备实时性和可靠性无法得到保障, 一旦发生事故设备无法及时做出反应, 进而导致工业元宇宙下工程发生不可逆转的安全事故.因此, 工业元宇宙不仅需要云计算技术进行资源的合理部署分配, 也需要边缘计算技术保障工业元宇宙工厂下终端设备具备一定的决策能力, 保障未来元宇宙工厂的安全.

信息物理系统与物理世界及其物理设备的运行紧密连接, 同时提供和使用互联网上可用的数据访问和数据处理服务, 通常可以被描述为物理和工程系统, 其操作由一个计算和通信核心来监控、控制、协调和集成.在元宇宙系统的构建中, 信息物理系统包括两个层面的建设:下层通过传感器设备从物理世界收集数据信息并向物理世界反馈信息空间的信息, 上层结合云计算与边缘计算技术建立虚拟信息空间, 进行数据的分析计算与管理^[33].信息物理系统建立是元宇宙系统的最后一环, 也是实现未来工业元宇宙工厂的关键.未来工业元宇宙所追求的目标在于通过虚拟空间的模拟运行, 求解得到使工厂各设备高效运转、降低成本的最优方案, 进而助力工业的高速与高质量发展.信息物理系统层面的建立就是其中的关键— — 基于上述的网络化系统、云计算和边缘计算技术, 建立上下两层空间, 实现对于现实工厂的数据采集、分析、计算和资源的调控运行, 最终使用最优方案实现工业元宇宙下智能工厂的高效运行.

云控制系统理论目前已应用于智能电厂、智慧交通等领域^{[28, 34]}.可以预见, 云控制系统及其所需的关键技术同样能够为未来元宇宙下的智能工厂采集的庞大数据进行存储、处理、分析以及整体系统控制的困难提供帮助并加以解决.

2.3.1 区块链技术

近年来, 自动化领域中常将区块链与控制系统结合以实现对系统数据完整性和安全性的保护, 结合区块链的控制系统及技术已成功应用于电力、医疗、航空等多个领域^{[35, 36]}.

区块链具有的去中心化、不可变性与透明性等特点同样能够为元宇宙下的数据安全与保护提供有效的解决方案, 其被认为是未来元宇宙构建的关键技术之一, 甚至是决定未来元宇宙能否成功的关键.元宇宙发展所需要的其它技术, 如人工智能、5G、云计算、VR/AR、物联网等, 实际是为元宇宙发展搭建基础的框架, 为用户在元宇宙环境中活动提供平台.然而, 区块链技术则是真正实现元宇宙最重要的一环, 是元宇宙实现的“ 钥匙” — — 元宇宙能够称为“ 宇宙” , 必须依赖于其实现用户间的经济活动交流, 这就亟需一个可靠的技术确保用户在元宇宙环境下自身资产的安全, 区块链则是目前最为理想和可靠的技术.在虚拟世界中的经济交流依赖区块链技术保驾护航, 以实现元宇宙用户间的经济贸易交流.

区块链作为一种分布式账本技术(Distributed Ledger Technology, DLT), 能够通过加密链式结构实现数据的验证与存储, 以分布式节点共识算法对数据进行生成与更新, 以智能合约实现数据的编程, 通过一种分布式、透明和防篡改的方式存储和共享数据, 其具有去中心化、集体维护、时序数据和安全可信等特点^[37].基于这些特点, 区块链已成功应用于对当前数字货币安全的保护, 而未来元宇宙环境下, 不仅是数字货币, 包括元宇宙用户的个人身份、数字资产、数字交易以及虚拟和现实间的资产交易都需要区块链技术的帮助.

目前, 对于区块链技术仍没有统一的开发形式^[38], 但通过对于当前各类区块链平台的分析, 区块链技术能够划分为数据层、网络层、共识层、合约层和应用层这五层架构, 如图6所示.

图6

Fig.6

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	图6 区块链架构图Fig.6 Blockchain structure

数据层作为整体架构的底层, 主要通过各类加密技术保障区块链中数据的安全性和完整性以及管理与组织数据.在网络层中, 区块链通过点对点形式进行组网, 不存在中心化设备且各个节点功能相同.区块链的共识层是指通过一种共识机制, 令不同节点在一定时间中对提案或数据达成一致.前三层主要用于数据的表示、传播以及验证, 而合约层主要用于区块链中各类算法、代码和智能合约的封装, 是实现整体系统和操作数据的基础.区块链的应用层主要探究区块链技术的各类应用领域, 也是未来将区块链应用于元宇宙环境下的重点研究方向.

元宇宙环境下的区块链技术具有大量的应用场景, 包括元宇宙用户个人数字身份的管理与应用、元宇宙下用户数字资产的生成和交易等方面.如何保障元宇宙下用户身份信息的安全性是未来建设一个完整元宇宙环境的首要问题, 当前一个可行的思路是通过区块链, 结合密码学等技术, 将元宇宙下个人的身份信息、指纹和密码等生成唯一的合法身份证书并储存于区块链, 并在需要对各项隐私数据进行控制和维护的场景下验证元宇宙用户身份, 匹配相应的公钥和私钥, 在保证用户数据安全的前提下完成数据的添加、删除等操作.数字资产则是链接现实世界和元宇宙的重要一环, 未来用户在现实世界和元宇宙环境下所产生的资产及其交易行为需要通过安全、可靠的方式实现从元宇宙到现实世界和从现实世界到元宇宙的转换, 这需要区块链技术为这些资产提供一个可靠、安全的转移途径, 将各项交易记录上传至不可篡改的区块链中, 能够有效保证元宇宙用户资产的安全.

2.3.2 区块链在元宇宙下的应用

元宇宙下的区块链技术应用重点在于保证数据的采集、存储、传输与共享等方面, 其保护数据的对象则是元宇宙环境中的人类用户, 期望保障未来元宇宙用户具有对自身元宇宙下数据的存储、修改和资产转移等一系列权益的实现.当前区块链技术已应用于人们在信息世界与物理世界的数字资产交流中, 包括数字货币、数字身份、数字藏品等, 但元宇宙环境下区块链技术的应用和保证范围则更大、任务也更艰巨— — 其不仅要保证元宇宙用户实现资产从物理世界到元宇宙和从元宇宙到物理世界之间的转换, 还需要保障用户资产在元宇宙间的转换.

数据的采集是区块链应用于元宇宙的第一个挑战.未来元宇宙具有数据量大、非结构化和实时性等特点.元宇宙需要通过采集的海量数据信息建立服务用户生活和工业生产的相应系统及其服务应用程序, 当采集到未知来源的信息作用于这些系统时, 系统的可靠性与稳定性将会受到影响^[39], 进而威胁到元宇宙环境下用户资产的安全, 造成用户在元宇宙下数字资产的数据丢失.区块链作为一种分布式账本技术, 其中的信息是不可篡改且公开透明的, 这一特点能够有效解决元宇宙运行中采集数据的安全性问题.针对数据源头, 分布式账本技术的透明性保证系统能够有效跟踪并验证元宇宙中数据的来源^[40], 这种有效的溯源手段保障元宇宙系统与应用获取数据的安全性, 同时当得到未知数据时能够对其源头进行查询.此外, 基于区块链技术采集到的数据是难以篡改的:在区块链中的每个区块都包含前一个区块的加密哈希, 以及时间戳和数据, 因此任意一个区块中的数据都难以改变, 具有抗篡改能力.此特点既有效保证元宇宙中基于区块链技术采集到的数据是安全可靠的, 还能够在数据遭到篡改时及时地进行追踪溯源.

数据的存储进行是区块链在元宇宙应用下的第二个挑战.针对庞大的数据, 若元宇宙采用集中式存储系统进行处理, 将大幅增加数据泄露、丢失的风险.去中心化是区块链技术的重要特征, 即区块链中数据的验证、存储、传输与维护通过分布式节点进行而形成去中心化的分布式系统结构^[41].根据区块链去中心化的特点, 不同时间采集到的数据将通过哈希算法等技术封装至具有时间戳的区块中, 保障元宇宙中数据存储的安全性、可靠性与透明性.

数据的传输与共享的安全性问题是区块链技术应用于元宇宙的第三个挑战.元宇宙下数据交换与共享必将面临数据传输时可能产生的数据泄露问题^[42], 针对数据共享中保障用户的数据安全问题, 区块链技术能够对数据进行访问控制, 保证未被授权的应用程序无法访问数据.为了降低元宇宙下大规模数据共享造成的检索数据的困难, 可引入区块链的智能合约技术, 为传输的数据建立索引, 方便数据的检索, 同时需要结合相应的算法并设计相对复杂的索引以弥补智能合约技术中数据公开的缺陷.

2.4.1 平行系统与平行控制

信息物理社会系统(Cyber-Physical-Social Sys-tems, CPSS)^[43]是将人类社会系统信息以及虚拟空间的人工系统信息引入CPS中进行研究的社会网络系统, 通过集合人类、网络、物理等资源共同实现社会系统的智慧化管理与控制, 概述图如图7所示.

图7

Fig.7

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	图7 信息物理社会系统[43]Fig.7 Cyber-physical-social systems[43]

信息物理社会系统的目标是借助虚拟空间, 结合人工智能、平行系统等理论, 实现对实际复杂物理社会系统的智能化、数字化与统一化管理.本文认为, 信息物理社会系统的发展目标实际上也是未来元宇宙社会的一个发展应用方向, 即通过元宇宙的帮助, 对当前人类社会复杂系统(如医院系统、交通系统、物流系统、城市系统等)进行智能化和数字化变革, 而平行系统和平行控制理论则是实现这一变革所需的关键技术, 在其中起着桥梁与纽带的作用.

平行控制(Parallel Control)以实际社会问题进行感知和建模, 以社会需求为导向, 采用平行系统方法(ACP方法)结合知识自动化作为核心技术, 借助网络、大数据等对社会态势进行感知, 通过构建的平行系统进行实验、计算, 从而对实际社会系统提供经验, 用科学的方法进行社会控制与管理.ACP方法由人工社会(Artificial Societies)、计算实验(Compu-tational Experiments)和平行执行(Parallel Execution)三部分组成, 主要分为三步:首先对研究的复杂系统进行建模, 得到人工系统; 再针对得到的人工系统进行计算实验, 通过结果对研究的实际复杂系统进行分析评估; 最后, 以平行执行的方式对物理系统与虚拟人工系统进行控制与管理^[44].其中的“ 平行” 主要指物理系统与人工系统之间的交互平行, 即通过建立与实际系统相等价的人工系统以解决实际复杂系统无法得到精确模型的问题, 同时针对人工系统进行计算实验与分析, 通过两系统间的连接交互, 得到对未来状态的预估与分析, 从而调节控制策略和管理方法, 有效地对实际系统的控制进行优化.

平行控制理论往往结合ACP方法、社会计算^[45]、知识自动化^[46]等, 针对涉及人与社会的复杂系统进行分析、控制与管理, 如图8所示^[47].

图8

Fig.8

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	图8 平行控制与平行管理[47]Fig.8 Parallel control and parallel management[47]

由于现实中的复杂系统具有不确定性、难以逼近等特征, 很难建立与其等效的系统, 因此在建立人工系统时需改变策略:不再通过直接控制系统行为的牛顿定律建模, 而是通过间接影响系统的默顿定律建模^[48].默顿定律下的系统状态无法通过求解准确获得, 通常无法直接对其进行控制, 社会系统就是一类常见的默顿系统.

在未来元宇宙发展中, 平行系统与平行控制理论能够作为将元宇宙与现实世界相连接的桥梁, 使现实空间与元宇宙不再孤立存在, 而是通过元宇宙的虚拟空间环境模拟现实的复杂场景, 求解最优策略并将其应用于现实空间的各个社会复杂系统进行指导, 实现社会系统的智能化与数字化.需要指出的是, 数字孪生、平行系统和元宇宙尽管都存在虚拟空间的建立, 但在面向对象、虚实系统关系以及系统作用上存在差别, 如表3所示.

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 数字孪生、平行系统和元宇宙构建虚拟系统之间的区别 Table 3 Difference of virtual systems constructed by digital twins, parallel system and Metaverse 系统面向对象 虚拟与现实系统关系 系统作用 数字孪生 面向现实空间的物理实体, 一般不涉及人与社会因素, 如工厂、城市等. 构建虚拟系统是对现实物理系统直接、镜像式的映射, 实时呈现物理系统的情况信息. 通过虚拟系统实时呈现现实空间物理系统的数据和信息, 并且能够通过交互接口对物理系统进行控制, 其数据传输和控制通常是实时的. 平行系统 面向现实空间中存在的社会复杂系统, 人类行为将嵌入系统与信息中, 如交通系统、工业系统、医疗系统等. 构建人工系统不需要与现实系统完全一致, 不过分要求数据的完备性与准确性, 具有一定的独立性和平行性. 对于实际社会系统的还原建模得到的平行系统进行计算实验, 评估各类参数和技术方案的效果, 为实际系统提供控制与管理方案, 系统不具有实时性. 元宇宙 面向人.与数字孪生和平行系统构建的虚拟系统不同, 目前关于元宇宙虚拟系统的主要作用在于向系统对象提供内容与服务, 而不是针对系统对象进行研究与分析. 构建的虚拟空间既可以是对现实空间的镜像映射, 也能够产生现实空间中不存在的人、物与环境. 目前元宇宙虚拟空间的作用主要在于形成服务于用户娱乐、社交、经济等方面的数字化世界, 未来的元宇宙作用包括为工业与社会环境下的复杂任务进行分析与指导, 实现各个系统的智能化与数字化等.

表3 数字孪生、平行系统和元宇宙构建虚拟系统之间的区别 Table 3 Difference of virtual systems constructed by digital twins, parallel system and Metaverse

当前数字孪生的作用主要针对一些复杂的工业环境或城市等物理实体, 通过虚拟系统对现实空间的信息进行实时呈现和控制.平行系统是针对现实的复杂社会系统建立虚拟人工系统, 进而通过计算实验得到现实社会系统的最优指导方案.当前, 人们对于元宇宙的作用主要集中于为元宇宙下用户提供社交娱乐与经济方面的数字化世界, 但在未来, 元宇宙如何帮助实现社会系统的智能化和数字化也是元宇宙的发展方向之一.数字孪生和平行系统都能够为未来元宇宙发展提供帮助, 但二者在未来元宇宙下的发展方向并不相同:数字孪生主要针对在未来的工业元宇宙中, 实现元宇宙对当前工业系统的智能化和数字化转变, 而平行系统则为未来元宇宙下的社会系统提供帮助, 实现现实社会系统的智能化与数字化变革.

当前, 学者们已针对平行系统与平行控制理论应用于社会系统这一问题展开探索, 并取得相应的研究成果, 这些成果也有助于启发与指导未来元宇宙下通过平行系统理论对社会系统进行进一步的智能化与数字化变革.李亚玲等^[49]将平行系统与博弈理论结合, 提出建立社会认知平行博弈系统的方法以引导现实社会运行, 实现社会治理的优化.王拥军等^[50]将平行系统理论引入医院信息管理系统中, 建立虚实交互的智能化医院系统, 对医院资源进行统一化管理, 实现医院系统的智能化与数字化.张晓东等^[51]针对城市治理问题, 提出基于平行系统理论的平行城市架构体系, 通过平行的人工系统模型实现对现实城市的科学与智能化决策.王飞跃等^[52]在人眼的治疗中引入平行理论, 通过人工系统中的重复计算实验选取最优医疗方案, 避免医疗事故发生率.

上述文献研究与讨论的问题仅局限于平行系统在现实社会系统的某些方面的应用, 可以作为未来元宇宙与平行系统结合的一个初步构想.未来元宇宙所期望的在社会治理领域中的应用是结合平行系统理论, 实现对现实环境下的整个社会复杂大系统的感知、决策与优化, 实现现实社会系统的智能化与数字化转变.

2.4.2 群体智能决策

2.4.1节提出将平行系统理论应用于元宇宙环境下以实现社会系统的智能化与数字化变革, 然而, 该方法存在建模难、时间长等方面的问题.由于元宇宙具有的虚实交互、高度开放等特性, 未来的社会问题将更具不确定性与复杂性, 元宇宙对社会复杂系统的影响将进一步增大平行系统建模的难度, 这将造成平行系统理论的应用困难.针对此问题, 本节提出将群体智能(Collective Intelligence)决策理论引入元宇宙中, 通过基于知识和数据驱动、人机交互的群体智能决策理论与平行系统等理论的帮助, 共同为经济、医疗、民生等社会问题提供解决思路与方法, 实现元宇宙下社会的智能化与数字化转变.

目前关于群体智能这一理论尚未形成统一的概念^[53].本文有关群体智能的概念参考文献[54]:群体智能是通过大量自主个体的集体智能的作用, 在基于网络的组织结构下完成具有挑战性的复杂任务.这一概念实际上是群体智能的2.0阶段, 相比群体智能1.0中研究自然界动物集群的简单智能行为得到的群体智能算法, 群体智能2.0的发展重心在于通过互联网、大数据、云计算等技术的共同驱动研究智能体的协同行为.

群体智能决策理论主要有知识驱动和数据驱动两种方法, 如表4所示.基于知识驱动的群智决策^[55]主要依赖于学者对各领域的知识, 可解释性更好, 具有的完备的知识理论体系使其在稳定性和收敛性分析中存在优势, 使决策算法的效率更高, 但在面对复杂问题时可能存在知识机理不清晰、获取难度高等问题.近年来, 强化学习与深度学习的发展为群体智能决策提供了另一种思路, 即基于数据驱动的群智决策^[56], 算法的通用性更强, 无需精确的建模, 且具备开源模型等工具支撑.但其可解释性差于知识驱动方法, 同时存在理论分析较难、对数据要求较高等缺陷.

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 群体智能决策的两种方法 Table 4 Two methods of collective intelligence decision making 概念 优点 缺点 知识驱动 基于各个学科领域中人的经验和先验知识, 如模型算法知识、规则经验知识等. 完备的理论支撑体系, 较强的可解释性, 算法效率较高. 仅适用于低维简单系统, 面对高维复杂系统缺乏经验知识, 知识获取困难, 建模困难. 数据驱动 基于强化学习、深度学习等机器学习算法, 以及一些启发式进化计算方法(蚁群算法、粒子群算法等). 算法具有通用性, 无需精确建模, 算法能够学习与进化. 可解释性较差, 理论分析困难, 数据要求高, 算力依赖.

表4 群体智能决策的两种方法 Table 4 Two methods of collective intelligence decision making

由于群体智能决策的两种方法各有优劣, 哪种更适用于元宇宙环境下的社会问题当前并没有定论.相比而言, 数据驱动方法所具备的通用性、无需精确建模的特点可能更适用于未来元宇宙下的开放环境.结合当前数据驱动群体智能决策在互联网领域中的应用^{[57, 58]}, 未来元宇宙能够通过结合数据驱动方法实现对元宇宙环境下用户行为数据的分析、挖掘并感知其行为模式, 通过算法的不断学习进化, 最终提出最优的决策方案.知识驱动群体智能决策方法依赖先验知识, 尽管将其直接引入元宇宙环境下实现对社会问题的智能化决策存在困难, 但元宇宙环境下用户行为的数据也催生另一个有价值的发展方向, 即元宇宙下知识资源的获取、知识框架与体系的建立.可以预想的是, 元宇宙下用户在虚拟空间的行为、决策会产生海量的数据信息, 其中存在大量有价值的数据, 即知识资源, 将其有效的整合与利用不仅能够更好地服务元宇宙用户, 还能够促进知识聚合、实现知识体系的建立与发展, 最终实现元宇宙下社会的智能化与数字化变革.关于元宇宙下知识数据的获取, 以及如何促进实现元宇宙环境下社会向智能化与数字化转型的研究, 同样可以参考当前互联网领域的一些研究, 应用知识图谱^[59]、机器分类策略^[60]等手段实现元宇宙用户行为数据的可视化表达与分类, 最终实现在元宇宙环境下通过智能化、数字化手段解决分析现实空间的社会问题.

知识与数据驱动相结合决策方法是当前学者们提出的一种群体智能决策的新解法, 其目的在于克服两种方法的缺点, 做到扬长避短.面对元宇宙下社会问题所呈现的复杂度高、动态环境开放和难以建立模型的问题, 数据驱动方法可能难以独立解决, 此时, 将人类知识引入形成知识数据双驱动的群体智能决策系统可能是一个更好的选择.

当前, 已有学者针对知识数据相结合的方法展开探索, 如Lee等^[61]针对复杂事件处理中领域专家决策可能出现错误这一问题, 提出基于序列聚类的自动规则生成方法, 并成功应用于股票交易系统中.Bobek等^[62]构建一个能获取、处理和推理移动平台用户数据的系统, 该系统所处的移动环境具有高动态性的特点, 要求知识模型不断更新.系统采用一种在线知识发现方法处理数据的不确定性和动态性, 并引入不确定性管理技术处理缺失和不明确数据.但当前这些基于知识数据双驱动的群体智能决策系统往往都仅针对单个问题, 而不是一个通用的决策系统, 并且在元宇宙的复杂、动态环境下决策系统对于数据处理的能力也仍有待完善.

当前, 无论是知识驱动还是数据驱动的群体智能决策理论都与元宇宙一样, 仍处于初级阶段.如何构建人机协同、交互驱动的群体智能决策理论及方法, 形成群体智能数据-知识-决策自动化的技术链条, 实现在元宇宙开放环境下的群体智能决策系统以优化决策处理社会问题、完成社会智能化与数字化转变仍有待探索.该研究具有重要理论与实践意义.

元宇宙下大量的程序和技术的应用都需要算力的支撑.例如:元宇宙下的虚拟空间的事物需要大量算力对其进行渲染, 使元宇宙下用户拥有沉浸式的体验; 元宇宙下用户的交互设备需要依赖云计算与边缘计算等技术对采集的海量信息进行处理.当前先进的控制与决策技术, 如云控制系统、平行控制和群体智能决策理论等, 应用于元宇宙中也需要算力支持.当前算力水平远未达到元宇宙对算力的要求, 用户无法在元宇宙下获得沉浸式体验, 大量程序运行的可靠性与稳定性无法得到保障.算力压力问题仍是建立未来元宇宙社会的一项具有挑战性的问题, 如何提高数据的计算、存储和传输能力, 满足未来建设元宇宙的需要, 仍需学者们的努力与探索.

元宇宙也面临着系统性的安全挑战.例如, 对于采用区块链技术路线的元宇宙安全模块, 其节点的网络拓扑结构可能被攻击者利用, 采取如日蚀攻击^[63]等手段限制节点的数据交互, 从而破坏区块链网络拓扑结构的局部一致性以及降低网络有效算力.广泛应用于区块链匿名通信系统的洋葱网络^[64]尽管能够通过加密、洋葱代理等技术防止他人追踪用户身份, 但其仍存在缺陷, 有意的攻击者仍能够通过监测网络的通信延迟等信息追踪到用户的IP地址.在共识机制上, 目前技术不仅缺少一般性, 而且缺少对于多变量下的共识机制的安全性分析.除了当前区块链已存在的安全问题以外, 其应用于元宇宙的移植问题也是一个难题, 目前学者们尚未明确现阶段在现实世界中已有的区块链安全保护应用能否直接移植到未来元宇宙中.

当前的算法与技术在元宇宙的开放动态环境下将存在可用性、鲁棒性、泛化性以及可解释性等多方面的挑战.近年来人工智能技术极大地推动医疗、工业、农业和智慧城市建设等领域的发展, 其也作为未来元宇宙建设的关键技术得到学者们的重视^[65].但目前人工智能技术并不完全适用于未来元宇宙下的问题:目前人工智能方法大多是学者使用各种强化学习、深度学习等技术和算法在封闭静态环境下处理特定任务, 算法往往仅能处理单个任务, 且在环境发生变化后, 算法可能不再适用.未来元宇宙下虚拟空间和现实空间是开放动态的环境, 环境信息的不断动态变化使得当前阶段的人工智能算法应用困难, 采用类似ChatGPT等大模型人工智能是解决此类问题的一种思路, 元宇宙下的人工智能研究需要学术界和产业界继续探索.