袁煜明 王蕊 張海東

〔 DOI〕 10.19653/j.cnki.dbcjdxxb.2020.06.009

〔引用格式〕 ?袁煜明，王蕊，張海東.“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景[J].東北財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，（6）：76-85.

〔摘要〕隨著物聯(lián)網(wǎng)與5G的快速發(fā)展，物理世界與信息世界的聯(lián)系逐漸增強(qiáng)，而數(shù)字孿生則是實(shí)現(xiàn)物理域和虛擬域互聯(lián)互通的有效手段。數(shù)字孿生技術(shù)的高級(jí)階段是構(gòu)建鏡像世界，區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生的結(jié)合將為鏡像世界的構(gòu)建奠定底層技術(shù)基礎(chǔ)：保證數(shù)據(jù)的不可篡改性、建立數(shù)字孿生體與物理實(shí)體一對(duì)一的映射關(guān)系、實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體之間的交互。鏡像世界從構(gòu)建對(duì)象的角度可以分為包含物、人、人與物交互的三類形式，這三類形式的主要應(yīng)用場(chǎng)景為：智能物聯(lián)、市民碼、智慧城市。在后疫情時(shí)代，落實(shí)疫情防控常態(tài)化工作的要求加大了對(duì)這三種場(chǎng)景的應(yīng)用需求，是未來(lái)新技術(shù)的發(fā)展方向。雖然理論上區(qū)塊鏈能為數(shù)字孿生的廣泛應(yīng)用提供架構(gòu)支持，但實(shí)際中也面臨諸多困難，監(jiān)管法規(guī)不完善、技術(shù)有待突破等，都是亟待解決的問(wèn)題。

〔關(guān)鍵詞〕數(shù)字孿生;區(qū)塊鏈;智能物聯(lián);市民碼;智慧城市;鏡像世界

中圖分類號(hào)：F49;F294 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：1008-4096（2020）06-0076-10

一、引 ?言

2020年4月，國(guó)家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng) ?培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》，其中多次提到了“數(shù)字孿生”這一概念。在第二節(jié)“主要方向”中提到：“支持在具備條件的行業(yè)領(lǐng)域和企業(yè)范圍探索大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、數(shù)字孿生、5G、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等新一代數(shù)字技術(shù)應(yīng)用和集成創(chuàng)新?！痹诘谌?jié)“近期工作舉措”中提到：“鼓勵(lì)研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟舉辦形式多樣的創(chuàng)新活動(dòng)，圍繞解決企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型所面臨數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、通用軟件和應(yīng)用場(chǎng)景等難題，聚焦數(shù)字孿生體專業(yè)化分工中的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，引導(dǎo)各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案?！?/p>

數(shù)字孿生是指在信息化平臺(tái)內(nèi)模擬物理實(shí)體、流程或系統(tǒng)，類似實(shí)體系統(tǒng)在信息化平臺(tái)中的雙胞胎。簡(jiǎn)單地說(shuō)，數(shù)字孿生就是創(chuàng)造一個(gè)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體在數(shù)字世界的拷貝。數(shù)字孿生最初的應(yīng)用多集中在軍事、工業(yè)制造領(lǐng)域。時(shí)至今日，其應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)擴(kuò)展到醫(yī)療、消費(fèi)、公用事業(yè)等多個(gè)不同的領(lǐng)域當(dāng)中。數(shù)字孿生的內(nèi)涵也有了進(jìn)一步的發(fā)展。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，數(shù)字孿生體的通用框架包含以下五個(gè)方面：用戶域、數(shù)字孿生體、測(cè)量與控制實(shí)體、現(xiàn)實(shí)物理域，以及跨域功能實(shí)體?？蚣苤械年P(guān)系均是雙向的。從數(shù)字化的對(duì)象來(lái)看，數(shù)字孿生體可以分為：組件、資產(chǎn)、過(guò)程、系統(tǒng)和系統(tǒng)網(wǎng)路。從發(fā)展階段來(lái)看，數(shù)字孿生體可以按照成熟度劃分為數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)和共智等五個(gè)階段。最高階段的數(shù)字孿生體，不僅是現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)象的數(shù)字化拷貝，還具備與現(xiàn)實(shí)世界互相通信、根據(jù)完全或不完全信息做出推斷，甚至具備與其他數(shù)字孿生體進(jìn)行互動(dòng)、共同進(jìn)化的能力。

數(shù)字孿生體的發(fā)展要求：一方面要能建立更大規(guī)模的數(shù)字孿生體，如航天器相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的數(shù)字孿生體規(guī)模相對(duì)比較大;另一方面，在虛擬世界中提高數(shù)字孿生體之間的可交互性具有更高的價(jià)值。在無(wú)人駕駛技術(shù)方面，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)不只需要汽車的獨(dú)立孿生體，也需要相關(guān)的路況、天氣、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等多方面信息，甚至需要獲取其他汽車的駕駛動(dòng)態(tài)。而這些顯然是目前數(shù)字孿生的技術(shù)盲區(qū)。

本文旨在探討如何建立數(shù)字孿生體之間的聯(lián)系，在虛擬系統(tǒng)內(nèi)建立一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)行基本一致的鏡像世界，并從智能物聯(lián)、市民碼、智慧城市這三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景分析“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”的應(yīng)用價(jià)值。

二、數(shù)字孿生的發(fā)展歷程與技術(shù)解析

（一）數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)生與演化

“數(shù)字孿生”這一概念的提出最早可以追溯到二十世紀(jì)六七十年代的美國(guó)航天“阿波羅”項(xiàng)目^[1]，NASA制造了完全相同的兩個(gè)空間飛行器，一個(gè)用于執(zhí)行飛行任務(wù)，另一個(gè)留在地球上，被稱為“孿生體”，用于反映另一個(gè)飛行器的狀態(tài)。此時(shí)的孿生體還停留在仿真階段。孿生體具備兩個(gè)顯著特征：孿生體與其所反映的實(shí)體在外表、內(nèi)容、性質(zhì)、性能等各方面完全相同;孿生體能夠真實(shí)完全地反映另一實(shí)體的運(yùn)行狀況。此時(shí)的孿生體側(cè)重“仿真”性能，其表現(xiàn)形式仍為物理實(shí)體。

美國(guó)密歇根大學(xué)Grieves^[2]教授在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念，當(dāng)時(shí)被定義為：一個(gè)或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實(shí)裝置，并能以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。這一概念明晰地顯示出當(dāng)時(shí)對(duì)于進(jìn)行高層次數(shù)據(jù)集成分析的期望，是數(shù)字孿生概念的雛形，但在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有被稱為“數(shù)字孿生”。2003—2005年期間被稱為“鏡像的空間模型”^[3]，2006—2010年逐漸演變?yōu)椤靶畔㈢R像模型”^[4]。直到2011年，Grieves教授引用了其合作者Vickers用于描述此概念的新名詞“數(shù)字孿生體”^[5]，此后一直沿用至今。

盡管后來(lái)的這些概念描述不斷變化，但其包含的組成要素與概念模型卻基本保持一致，都突破了原來(lái)孿生體的物理空間限制，組成要素有三部分：物理空間、數(shù)字虛擬空間，以及兩者之間的連接。概念模型即實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品，以及兩個(gè)空間之間的數(shù)據(jù)信息交互接口。其基本邏輯關(guān)系如圖1所示。

而由于技術(shù)局限性，這一概念提出后，并未有實(shí)質(zhì)影響。數(shù)字孿生最早被應(yīng)用在航天及軍工領(lǐng)域。2011年，出于對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行仿真的需求，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室與NASA合作，首次提出飛行器的數(shù)字孿生體概念，“利用當(dāng)前可用物理模型、更新的傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等來(lái)反映與該模型對(duì)應(yīng)的飛行實(shí)體的狀態(tài)”^[6]。此后，數(shù)字孿生在航空領(lǐng)域逐漸得到了更多應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著工業(yè)4.0、智能制造等技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷涌現(xiàn)，數(shù)字孿生已成為一個(gè)重要的基本科技要素，其概念也逐漸完善。工業(yè)界及學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生的概括定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程^[2]。

在“數(shù)字孿生”概念提出后，學(xué)者們分別提出了解決數(shù)字孿生問(wèn)題的多種結(jié)構(gòu)方式。Boschert和Rosen^[7]認(rèn)為，不同于以往仿真或建模的方法，數(shù)字孿生是一種仿真決策支持工具，通過(guò)獨(dú)特的集成化架構(gòu)，對(duì)實(shí)體對(duì)象的工程、業(yè)務(wù)和行為描述等各個(gè)層面的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真運(yùn)行，并能夠針對(duì)問(wèn)題類型，選擇最適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ?。Schluse和Rossmann^[8]對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，通過(guò)引入一個(gè)模擬數(shù)據(jù)庫(kù)，集成各類數(shù)據(jù)源、模擬系統(tǒng)及可視化模塊，可以進(jìn)行任何類型的數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)。而Schroeder等^[9]則認(rèn)為，數(shù)字孿生是一種模型，用于研究在不同程序間進(jìn)行物理對(duì)象的描述，以及解決與數(shù)字對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題。Negri等^[10]認(rèn)為，數(shù)字孿生是物理對(duì)象的數(shù)字表示，是一種數(shù)據(jù)模型，能夠模擬物理對(duì)象，并對(duì)其未來(lái)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在數(shù)字孿生及應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者也在不斷進(jìn)行深入研究。Zhang等^[11]提出基于數(shù)字孿生的個(gè)性化產(chǎn)品快速定制設(shè)計(jì)方法，提出生產(chǎn)過(guò)程中耦合優(yōu)化問(wèn)題的解耦算法，以此作為引擎驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生。陶飛等^[12]基于數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型，提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用準(zhǔn)則，探索數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用前景和有待突破的關(guān)鍵問(wèn)題或技術(shù)。

（二）技術(shù)架構(gòu)及發(fā)展方向

根據(jù)數(shù)字孿生體的三要素：物理空間、數(shù)字虛擬空間，以及兩者之間的連接。數(shù)字孿生所需的底層技術(shù)支持可以概括為三方面：在虛擬空間中，需要具備對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備、產(chǎn)品系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)境等進(jìn)行多層次、全維度的仿真和建模能力;在物理空間中，需要具備完整的生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理能力、全集成自動(dòng)化系統(tǒng)工程能力，以及基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字孿生分析和服務(wù)的能力;在連接和協(xié)同過(guò)程中，需要同時(shí)具備虛擬空間和物理空間的信息集成和閉環(huán)反饋能力^[13]。數(shù)字孿生體的技術(shù)框架如圖2所示。

數(shù)字孿生可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，削減原型測(cè)試中的許多工作，從而解決原型測(cè)試面臨的成本高昂、測(cè)試環(huán)境復(fù)雜、測(cè)試難度巨大等問(wèn)題。通過(guò)使用3D仿真和人機(jī)界面，測(cè)試工程師可以對(duì)各種產(chǎn)品規(guī)格、加工方式及原材料等進(jìn)行運(yùn)行性能評(píng)估，并可以根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)范等進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，將最終評(píng)估結(jié)果用于指導(dǎo)決策。因此，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)能夠加快設(shè)計(jì)速度，使評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確有效。同時(shí)，在降低成本方面也有顯著效果。

數(shù)字孿生的發(fā)展可以概括為五個(gè)階段，分別為數(shù)化階段、互動(dòng)階段、先知階段、先覺(jué)階段和共智階段。數(shù)化階段是初級(jí)階段，僅僅是建立真實(shí)對(duì)象的數(shù)字化模型;互動(dòng)階段的數(shù)字孿生體可以與實(shí)體進(jìn)行通訊，如孿生飛行器可以接收實(shí)體飛行器的飛行數(shù)據(jù)，也可以將虛擬環(huán)境中的模擬結(jié)果發(fā)送給實(shí)體飛行器;先知階段的數(shù)字孿生體能夠基于過(guò)去與現(xiàn)在的完整信息和實(shí)體的明確運(yùn)行機(jī)理預(yù)測(cè)未來(lái)狀況，如數(shù)字孿生飛機(jī)能夠預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間氣象變化對(duì)飛機(jī)飛行的不利影響，從而做出相關(guān)預(yù)警;先覺(jué)階段的數(shù)字孿生體能夠基于不完整參數(shù)與模糊機(jī)理預(yù)測(cè)未來(lái)，相比先知階段，其對(duì)技術(shù)要求更高，不僅要求具有能夠預(yù)測(cè)的精確模型，也需要機(jī)器學(xué)習(xí)能力，具有較高的智能性;共智階段是數(shù)字孿生體的理想目標(biāo)，即數(shù)字孿生體之間能夠進(jìn)行互通、共享，甚至共同進(jìn)化，顯然，目前單純的數(shù)字孿生技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到共智的要求。

過(guò)去十年來(lái)，由于相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展推動(dòng)，數(shù)字孿生技術(shù)的進(jìn)步一直在加速。

仿真：目前的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜情景的仿真模擬，從實(shí)體接受到的真實(shí)數(shù)據(jù)信息能夠在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行百萬(wàn)次的仿真實(shí)驗(yàn)。此外，仿真的供應(yīng)商也在逐漸增多，可選范圍儲(chǔ)蓄擴(kuò)大。除原始的簡(jiǎn)單仿真實(shí)驗(yàn)外，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也在快速發(fā)展，將為仿真帶來(lái)全新的升級(jí)突破，仿真的可操作性、可信性與實(shí)用性都將大幅提高。

數(shù)據(jù)源：得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷完善，數(shù)據(jù)來(lái)源渠道更廣泛，數(shù)據(jù)維度也更全面，如LIDAR（激光雷達(dá)）與FLIR（前視紅外）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)采集數(shù)據(jù)，能夠即時(shí)傳輸?shù)綌?shù)字孿生體內(nèi)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，數(shù)字孿生體能夠快速糾正仿真過(guò)程中出現(xiàn)的微小偏差，使實(shí)驗(yàn)評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確。

互操作性：過(guò)去十幾年，由于工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一，操作技術(shù)之間互通性更強(qiáng)。同時(shí)，不同供應(yīng)商為集成多類平臺(tái)，也致力于推動(dòng)建設(shè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些都顯著提高了數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)合能力，弱化物理空間與虛擬空間的連接障礙。

可視化：創(chuàng)建數(shù)字孿生體需要龐大的數(shù)據(jù)量，這會(huì)使分析問(wèn)題變得復(fù)雜，也加大了從中提取有效分析結(jié)果的難度。最新的交互式3D、VR、AR和AI等技術(shù)，支持了可視化功能，通過(guò)實(shí)時(shí)信息過(guò)濾與提取，使結(jié)果分析更精準(zhǔn)。

儀器：無(wú)論是嵌入式還是外置式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，經(jīng)過(guò)多年改良，其體積越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，能夠獲得關(guān)于真實(shí)世界的信息也更細(xì)?；⒏皶r(shí)、更準(zhǔn)確，方便與虛擬模型集成。

平臺(tái)：功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉的計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的可用性都是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵促成要素。大量互聯(lián)網(wǎng)公司在云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)和分析技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了巨額投資，推動(dòng)數(shù)字孿生大趨勢(shì)的形成。

（三）應(yīng)用：從數(shù)字孿生體到鏡像世界

簡(jiǎn)單地說(shuō)，數(shù)字孿生就是創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體在數(shù)字世界的拷貝，其重要意義主要體現(xiàn)在能夠針對(duì)數(shù)字世界的數(shù)字孿生體進(jìn)行進(jìn)一步的操作或分析。例如，一個(gè)文件的掃描副本，就可以看作是這個(gè)原始文件在數(shù)字世界里的數(shù)字孿生體，通過(guò)文本解析程序可以對(duì)掃描件進(jìn)行編譯或修改，也能夠進(jìn)一步進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)分析等工作。這樣的操作和統(tǒng)計(jì)分析，顯然在數(shù)字世界中更加容易進(jìn)行。

稍微復(fù)雜一些的例子如早期的飛機(jī)數(shù)字孿生體。一旦有了一架飛機(jī)的數(shù)字孿生體，就可以使用它來(lái)完成一些現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中難以完成或成本高昂的事情。例如，在數(shù)字世界“試飛”飛機(jī)：創(chuàng)建一個(gè)虛擬的飛行環(huán)境，模擬極端惡劣天氣，讓數(shù)字孿生飛機(jī)在這樣的環(huán)境當(dāng)中飛行，觀測(cè)飛行參數(shù)的情況，從而對(duì)飛機(jī)在極端環(huán)境下的性能做出評(píng)估。如果使用數(shù)字孿生體進(jìn)行飛行試驗(yàn)，就能夠大大降低現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)所需的巨大成本和失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

時(shí)至今日，數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)從最初的軍事及工業(yè)制造擴(kuò)展到醫(yī)療、消費(fèi)、公用事業(yè)等多個(gè)不同領(lǐng)域當(dāng)中。數(shù)字孿生的內(nèi)涵也有了進(jìn)一步的發(fā)展。如圖3所示，未來(lái)五年，全球數(shù)字市場(chǎng)的規(guī)模將以38%的年復(fù)合增速增長(zhǎng)，到2025年，市場(chǎng)規(guī)模將超264億美元^[14]。

國(guó)際著名信息技術(shù)研究和顧問(wèn)公司Gartner將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一，其調(diào)研顯示：75%的物聯(lián)網(wǎng)公司正在、或?qū)⒃谝荒曛畠?nèi)使用數(shù)字孿生技術(shù)，數(shù)字孿生已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)之一^[15]。長(zhǎng)期來(lái)看，數(shù)字孿生有非常大的想象空間。2020年，中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)（簡(jiǎn)稱“數(shù)博會(huì)”）上，《失控》作者凱利發(fā)表了以“數(shù)字孿生 ?鏡像世界”為主題的演講。凱利認(rèn)為：“鏡像世界是未來(lái)20年將出現(xiàn)的一次重大變革，這種變革將當(dāng)今存在的數(shù)字世界（如物聯(lián)網(wǎng)、3D模型、SLAM等）層層疊加到現(xiàn)實(shí)物理世界中。就像人與人之間的連接（社交媒體），以及世界上所有信息的連接（互聯(lián)網(wǎng)）一樣，鏡像世界將物理世界與虛擬的數(shù)字信息連接起來(lái)，在人與計(jì)算機(jī)之間創(chuàng)造出一種無(wú)縫的交互體驗(yàn)。”

鏡像世界不只是所有現(xiàn)實(shí)實(shí)體數(shù)字孿生體的集成，更重要的是各個(gè)數(shù)字孿生體之間的交互關(guān)系。對(duì)于有n個(gè)實(shí)體世界，需要構(gòu)建n個(gè)數(shù)字孿生體，而相互之間的聯(lián)系將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，涉及龐大的數(shù)據(jù)量，對(duì)于以往采用中心化方式運(yùn)作的數(shù)字孿生技術(shù)，將形成巨大挑戰(zhàn)。

三、區(qū)塊鏈為數(shù)字孿生提供可信數(shù)據(jù)平臺(tái)

數(shù)字孿生體在實(shí)際構(gòu)建中需要依賴大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。因此，其對(duì)數(shù)據(jù)可信性和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施可信性具有很高的要求。截至目前，數(shù)字孿生體系都采用中心化的方式構(gòu)建，即數(shù)字孿生體通過(guò)中心服務(wù)器輸入數(shù)據(jù)，并運(yùn)行仿真模擬過(guò)程，其結(jié)果能被更多人認(rèn)可的前提是參與各方對(duì)中心化系統(tǒng)的高度信任。數(shù)字孿生的核心是數(shù)據(jù)的集成，要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的信任，就必然要解決數(shù)據(jù)的可信性問(wèn)題。

事實(shí)上，在中心化系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)的信任總是存在天然邊界。例如，對(duì)于小型無(wú)人機(jī)，其數(shù)字孿生體所涉及的數(shù)據(jù)體量較小，對(duì)于結(jié)果誤差的容忍度也較高，且結(jié)果具有可預(yù)測(cè)性，只要結(jié)果處于預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，數(shù)字孿生體很容易得到眾多參與方的信任。而對(duì)于大型航天器的數(shù)字孿生體而言，由于結(jié)果偏差影響很大，其數(shù)據(jù)可信性需要高度加強(qiáng)。而對(duì)于鏡像世界，所需要的數(shù)據(jù)可信性是任何中心化系統(tǒng)都無(wú)法滿足的。實(shí)體數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生體后，需耗費(fèi)龐大的計(jì)算量以運(yùn)行模擬過(guò)程。因此，除數(shù)據(jù)可信外，數(shù)字孿生體也需要可信的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，即需要正確、健康地模擬運(yùn)行，確保計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)被任何人攻擊，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)就在于能夠解決數(shù)據(jù)的可信性問(wèn)題，為數(shù)字孿生構(gòu)造一個(gè)可信的計(jì)算平臺(tái)。區(qū)塊鏈采用分布式賬本，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)保存賬本副本，只有超過(guò)一半節(jié)點(diǎn)修改其副本才能認(rèn)定為可信修改。單個(gè)或少數(shù)參與方無(wú)法通過(guò)惡意修改和干擾基礎(chǔ)設(shè)施的方式損害計(jì)算的可信性，也就是說(shuō)，區(qū)塊鏈提供了一個(gè)可靠的計(jì)算機(jī)“硬件”。此外，區(qū)塊鏈并不僅僅是一個(gè)技術(shù)，其技術(shù)結(jié)構(gòu)本身便包含了一套行動(dòng)協(xié)議與思維模式，通過(guò)一套鏈上參與方公認(rèn)的規(guī)則、協(xié)議、流程和方法，能夠使區(qū)塊鏈系統(tǒng)的計(jì)算順利進(jìn)行，這是系統(tǒng)的“軟件”部分。兩者同時(shí)作用，構(gòu)成了區(qū)塊鏈系統(tǒng)下的可信計(jì)算平臺(tái)。

總而言之，區(qū)塊鏈為應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)可信提供了一整套解決方案，而鏡像世界最需要的也正是數(shù)據(jù)可信。區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，能夠發(fā)揮各自作用，擴(kuò)大數(shù)字孿生體的應(yīng)用范圍，為構(gòu)建鏡像世界提供技術(shù)土壤。以發(fā)展的眼光看，這套方案未必是唯一的，也不一定是最優(yōu)的，卻是目前最可行的方案之一，在當(dāng)前這個(gè)特定的歷史階段，具有極其重要的戰(zhàn)略價(jià)值。其結(jié)合優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：保證數(shù)據(jù)不被篡改、建立數(shù)字孿生體與物理實(shí)體一對(duì)一映射關(guān)系、實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體之間的交互這三方面。

（一）在跨域功能實(shí)體中保證數(shù)據(jù)的不被篡改

數(shù)字孿生的關(guān)鍵是在虛擬世界中構(gòu)建實(shí)體對(duì)象，形成其數(shù)字等價(jià)物。在用數(shù)字“復(fù)制”實(shí)體的過(guò)程中，無(wú)論是組件、資產(chǎn)，還是過(guò)程、系統(tǒng)，或是系統(tǒng)網(wǎng)路，最重要的因素便是數(shù)據(jù)?？萍及l(fā)展的黑暗面是存在一些人或組織企圖利用科技達(dá)成自己的非法目的。目前互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展逐漸降低了數(shù)據(jù)搜集的門檻，數(shù)據(jù)采集的規(guī)范性較差，數(shù)據(jù)容易被“別有用心之人”利用。數(shù)字孿生技術(shù)能夠根據(jù)采集整合的數(shù)據(jù)模擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象，并對(duì)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的未來(lái)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，這就成倍放大了數(shù)據(jù)泄露的威脅性。

數(shù)字孿生的核心是模擬，通過(guò)數(shù)字模擬取代現(xiàn)實(shí)高成本的實(shí)驗(yàn)，其最終目的是要基于模擬結(jié)果形成決策，如果數(shù)據(jù)的安全性得不到有效保障，對(duì)任何采用模擬結(jié)果進(jìn)行決策的參與方都有極大的威脅。于企業(yè)而言，虛假數(shù)據(jù)得出的模擬結(jié)果可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)偏差，進(jìn)而致使決策失誤，對(duì)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)具有不利威脅;于個(gè)人而言，泄露個(gè)人數(shù)據(jù)將會(huì)帶來(lái)諸多不必要的煩惱。而對(duì)于更為精密的航天及工程類項(xiàng)目，模擬結(jié)果的有效性更為重要。

數(shù)字體有別于實(shí)體的一個(gè)重要不同之處是可修改性。可修改性是數(shù)字孿生體能夠進(jìn)行多種復(fù)雜變化情況下仿真模擬的前提，通過(guò)調(diào)整環(huán)境參數(shù)和物理實(shí)體本身的參數(shù)，可以隨著環(huán)境變化或模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象狀況的變化，判斷其運(yùn)行效果，以獲知最優(yōu)設(shè)計(jì)組合。然而，可修改性在一定程度上也限制了數(shù)字孿生體的應(yīng)用。任何惡意修改或?qū)嶒?yàn)者的失誤修改都會(huì)造成數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的偏差，造成結(jié)果發(fā)生巨大變化。因此，在使用數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真模擬時(shí)，往往存在數(shù)字世界的預(yù)期模擬偏差代價(jià)與物理世界的實(shí)驗(yàn)成本之間的權(quán)衡，這將限制數(shù)字孿生體的推廣，對(duì)鏡像世界的構(gòu)建形成極大的阻礙。

此外，數(shù)字孿生體應(yīng)用的更高階段，不僅僅是一對(duì)一映射實(shí)體，還應(yīng)當(dāng)能夠切實(shí)地反映物理實(shí)體的當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)，也要完整地記錄物理實(shí)體的過(guò)往信息，其過(guò)往信息荷載量有助于對(duì)實(shí)體的壽命預(yù)期、目前承壓狀況做出更合理的判斷。然而，目前數(shù)字孿生體的信息處理采用中心化方式進(jìn)行，這對(duì)仿真設(shè)備的信息存儲(chǔ)容量提出了更高的要求。

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂霉Ｖ敌纬涉溄?。在區(qū)塊鏈中，每個(gè)區(qū)塊中不但包含有自身的哈希值，還包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值。假設(shè)B區(qū)塊在A區(qū)塊之后，B區(qū)塊中保存有A區(qū)塊的哈希值。如果A區(qū)塊被篡改，那么A區(qū)塊本身的哈希值就會(huì)改變，改變后的哈希值與B區(qū)塊中保存的A區(qū)塊篡改前的哈希值對(duì)應(yīng)不上。這樣，篡改就會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而不會(huì)被認(rèn)可。區(qū)塊鏈的鏈接方式保證了鏈上的數(shù)據(jù)難以被篡改。將數(shù)字孿生體的所有數(shù)據(jù)使用區(qū)塊鏈進(jìn)行保存，能夠保證孿生體數(shù)據(jù)的真實(shí)性，確保結(jié)果有效可靠。同時(shí)，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅植际较到y(tǒng)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于不同節(jié)點(diǎn)的各個(gè)副本中，能夠緩解中心化系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的壓力，也能有效保留物理實(shí)體過(guò)去運(yùn)行的信息。

（二）建立數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的一對(duì)一映射關(guān)系

數(shù)字體有別于實(shí)體的另一個(gè)不同之處在于其可復(fù)制性。實(shí)體文件或物理實(shí)體經(jīng)過(guò)數(shù)字化后就可以被無(wú)限復(fù)制。可復(fù)制性是數(shù)字體的便利之處，但這也導(dǎo)致了物理實(shí)體與數(shù)字孿生體之間無(wú)法維持一對(duì)一的映射關(guān)系，往往是一對(duì)多的關(guān)系。對(duì)于掃描文件、飛行器等大大小小的仿真實(shí)驗(yàn)，無(wú)限復(fù)制能夠以相對(duì)低廉的成本進(jìn)行多次試驗(yàn)，而對(duì)于個(gè)人財(cái)產(chǎn)、金錢類的實(shí)體，就不能簡(jiǎn)單地將其進(jìn)行數(shù)字化后就加以使用。否則，所有人都可以無(wú)限復(fù)制自己的錢，那么所謂的錢也將失去其作用。在數(shù)字世界中，建立一對(duì)多的關(guān)系非常容易，而建立一對(duì)一的關(guān)系就比較困難了。

對(duì)于這類具有價(jià)值的實(shí)體，區(qū)塊鏈系統(tǒng)通常采用通證（Token）進(jìn)行價(jià)值治理，通過(guò)Token實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)上鏈。這里的資產(chǎn)既可指代實(shí)物資產(chǎn)，也可指代數(shù)字資產(chǎn)，“鏈”即區(qū)塊鏈。資產(chǎn)上鏈?zhǔn)菍①Y產(chǎn)的所有權(quán)映射在區(qū)塊鏈上，與區(qū)塊鏈數(shù)字憑證（如Token）形成一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。理論上，任何資產(chǎn)都能夠上鏈，包括房產(chǎn)、汽車、金融產(chǎn)品、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、對(duì)某些資源的訂閱訪問(wèn)權(quán)等，上鏈后形成鏈上憑證。數(shù)字憑證的持有者身份即對(duì)應(yīng)資產(chǎn)的所有權(quán)，目前在中國(guó)，基于區(qū)塊鏈的版權(quán)存證已獲得法律認(rèn)可。區(qū)塊鏈有去中心化、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、分布式賬本、時(shí)間戳、信息透明且不可篡改等特點(diǎn)。利用區(qū)塊鏈的這些特性，資產(chǎn)上鏈可以降低信任成本，簡(jiǎn)化交易流程，提升資產(chǎn)的流動(dòng)性。

區(qū)塊鏈的通證可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字體之間一對(duì)一的關(guān)系，防止有價(jià)值的數(shù)字體被無(wú)限復(fù)制。例如，以太坊的ERC-721標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一個(gè)Token都有唯一的Token ID，即每一個(gè)Token都是獨(dú)一無(wú)二的。使用ERC-721標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造的數(shù)字孿生體就可以具有與物理實(shí)體一對(duì)一的唯一性。

區(qū)塊鏈的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，在實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與孿生體一一對(duì)應(yīng)時(shí)，并沒(méi)有完全限制數(shù)字孿生體可復(fù)制性的優(yōu)勢(shì)，利用通證進(jìn)行實(shí)體識(shí)別與所有權(quán)對(duì)應(yīng)，而這個(gè)帶有所屬權(quán)的孿生體又可以在數(shù)字世界中進(jìn)行多次模擬試驗(yàn)，使資產(chǎn)、金錢這類實(shí)體也可以形成鏈上對(duì)應(yīng)孿生體，構(gòu)建更完備的鏈上數(shù)字世界。

（三）在數(shù)字孿生發(fā)展的高級(jí)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體之間的交互

簡(jiǎn)而言之，數(shù)字孿生的“終極目標(biāo)”是建立一個(gè)和現(xiàn)實(shí)世界對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界，即鏡像世界，不僅限于記錄過(guò)去的信息，更能模擬未來(lái)的環(huán)境變化及物理實(shí)體本身的變化，形成虛擬世界的“生態(tài)”。在這種生態(tài)下，數(shù)字體之間需要進(jìn)行多重交互，其中必然涉及大量信息的傳遞和存儲(chǔ)。此時(shí)，設(shè)定眾多數(shù)字孿生體的個(gè)體運(yùn)行機(jī)理、傳遞數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)參數(shù)、設(shè)計(jì)數(shù)字體之間多種交互方式的內(nèi)容，已難以通過(guò)中心化的方式完成。

區(qū)塊鏈支持分布式系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存有整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的信息副本，可以對(duì)自己保有的副本進(jìn)行編輯修改，加入自己部分的孿生體相關(guān)參數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的共識(shí)機(jī)制，進(jìn)而更新整個(gè)系統(tǒng)對(duì)該孿生體的參數(shù)。分布式系統(tǒng)分散了數(shù)字孿生體進(jìn)行交互的巨大工作量，通過(guò)眾多節(jié)點(diǎn)的配合，能夠作為數(shù)字孿生體之間信息通訊的媒介，創(chuàng)建完備的虛擬世界。

四、數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景分析

數(shù)字孿生技術(shù)的高級(jí)階段是構(gòu)建鏡像世界，這不僅在技術(shù)上有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性，其應(yīng)用思路也需要不斷調(diào)整。鏡像世界從構(gòu)建對(duì)象的角度可以分為人、物、人與物交互的三類形式。

（一）落地“智能物聯(lián)”

“智能物聯(lián)”是以物為主體，對(duì)現(xiàn)實(shí)中存在的大量實(shí)體建立數(shù)字孿生體，通過(guò)區(qū)塊鏈保存這些數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)。當(dāng)前大多數(shù)數(shù)字孿生體都是以實(shí)體作為物理世界的主體，通過(guò)虛擬世界實(shí)現(xiàn)保存數(shù)據(jù)或仿真模擬試驗(yàn)的目的，如飛行器孿生體等，其物理對(duì)象均為物。由于物體自身無(wú)法自主上傳相關(guān)信息，需要使用傳感器設(shè)備精確測(cè)量所需數(shù)據(jù)，再聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息上鏈，構(gòu)建鏡像世界。例如，可以構(gòu)建汽車的數(shù)字孿生體，記錄汽車的所有相關(guān)信息，解決二手車買賣市場(chǎng)中存在的信息不對(duì)稱問(wèn)題。從汽車生產(chǎn)環(huán)節(jié)開始，以汽車的主要零部件為對(duì)象，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為所有汽車構(gòu)建組件級(jí)數(shù)字孿生體。隨后，在汽車的出廠使用過(guò)程中，汽車的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能實(shí)時(shí)將汽車的相關(guān)信息寫入數(shù)字孿生體中。同時(shí)，數(shù)字孿生體的所有記錄都保存在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度配合，從而建立一個(gè)以汽車為主體的“鏡像世界”。從數(shù)字孿生的技術(shù)角度上看，汽車的主要零部件即為此應(yīng)用框架的現(xiàn)實(shí)物理域;測(cè)量與控制實(shí)體用來(lái)檢測(cè)并跟蹤主要零部件的狀態(tài)變化;在進(jìn)行二手車市場(chǎng)交易時(shí)，消費(fèi)者可以通過(guò)用戶域中的應(yīng)用程序在區(qū)塊鏈上查詢一輛車中所有相關(guān)零部件的歷史狀態(tài)信息，從而可以知道哪些零部件經(jīng)歷過(guò)維修、更換，還可以知道所有零部件的真實(shí)使用情況，如行駛里程等。

在另一個(gè)冷鏈物流場(chǎng)景中，“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”技術(shù)可以更好地進(jìn)行監(jiān)控。具體而言，為每個(gè)運(yùn)輸物品配備傳感器設(shè)備，此設(shè)備可以感知物品所處的環(huán)境信息，如溫度、濕度、位置等，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接傳感器與區(qū)塊鏈系統(tǒng)，在虛擬世界中建立運(yùn)輸物品的數(shù)字孿生體。在物品運(yùn)送到目的地前（甚至在物品被使用前），定時(shí)通過(guò)傳感器更新環(huán)境信息。所有環(huán)境信息的變動(dòng)均被保存在區(qū)塊鏈上，可供人們隨時(shí)查看。這樣，在物品抵達(dá)用戶手中時(shí)，用戶可以通過(guò)數(shù)字孿生體查看該物品的所有冷鏈物流信息，確保該物品的冷鏈過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題。

以物理實(shí)體為主體建立數(shù)字孿生體，進(jìn)而形成鏡像世界的應(yīng)用場(chǎng)景還有很多，如商品的防偽溯源、智能供應(yīng)鏈追蹤、農(nóng)產(chǎn)品安全保證等。2015年，區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)服務(wù)平臺(tái)Everledger在倫敦創(chuàng)立，為每顆鉆石建立獨(dú)特?cái)?shù)字孿生體，記錄用于識(shí)別鉆石的40個(gè)元數(shù)據(jù)（鉆石序列號(hào)、形狀、切割風(fēng)格、大小、克拉數(shù)等）及其交易歷史。2019年6月25日，在全國(guó)食品安全宣傳周追溯體系建設(shè)研討會(huì)上，沃爾瑪（中國(guó)）正式宣布將啟動(dòng)區(qū)塊鏈可追溯平臺(tái)的建設(shè)，該平臺(tái)能夠?qū)ξ譅柆數(shù)牟糠稚唐纷匪萆a(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程。區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及傳感器設(shè)備的逐步精進(jìn)，都會(huì)為“智能物聯(lián)”的實(shí)現(xiàn)提供動(dòng)力。

（二）創(chuàng)建“市民碼”

不但物品可以有相應(yīng)的數(shù)字孿生體，人也可以?！笆忻翊a”的創(chuàng)建，就是為每個(gè)人構(gòu)建數(shù)字孿生體，而“市民碼”則比實(shí)體數(shù)字孿生體的難度更大。一方面，每個(gè)人所涉及的信息比實(shí)體的信息要復(fù)雜得多，如教育、醫(yī)療、身份、行程、消費(fèi)等各個(gè)維度;另一方面，實(shí)體通過(guò)傳感器能夠采集構(gòu)建數(shù)字孿生體的全部信息，而人的信息卻無(wú)法簡(jiǎn)單地采集。

人的數(shù)字孿生體依賴于自己對(duì)信息的更新、多方對(duì)信息的審核認(rèn)證及大數(shù)據(jù)分析結(jié)果。例如，身份信息由用戶自己創(chuàng)建，并進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，由身份認(rèn)證方進(jìn)行審核確保身份的真實(shí)性;關(guān)于健康狀況的信息由醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供，并根據(jù)體檢結(jié)果與病史記錄進(jìn)行更新，健康手環(huán)等設(shè)備也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)補(bǔ)充;消費(fèi)行為則體現(xiàn)財(cái)富水平、消費(fèi)地點(diǎn)、消費(fèi)類型等信息;教育認(rèn)證機(jī)構(gòu)則能夠提供學(xué)歷證明。

“市民碼”通過(guò)數(shù)字化的形式進(jìn)行記錄，并在需要時(shí)進(jìn)行查看驗(yàn)證。在人才招聘過(guò)程中，可以快速展示學(xué)歷、健康等信息;在就醫(yī)過(guò)程中，能夠調(diào)取過(guò)往病史。信息的高效暢通，能有效提高社會(huì)運(yùn)行的效率，也能加強(qiáng)社會(huì)信任。除保存信息外，數(shù)字孿生體的另一個(gè)重要作用在于虛擬世界的模擬運(yùn)行，能對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的事件進(jìn)行預(yù)測(cè)。就健康而言，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠結(jié)合體驗(yàn)結(jié)果及每天的手環(huán)檢測(cè)結(jié)果監(jiān)控人的身體狀態(tài)，對(duì)有慢性病的人群而言，能夠及時(shí)提醒身體指標(biāo)的異常?！笆忻翊a”則會(huì)根據(jù)孿生體的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，對(duì)于超預(yù)期的事件進(jìn)行警報(bào)提醒。

在創(chuàng)建和維護(hù)個(gè)人數(shù)字孿生體的過(guò)程中，區(qū)塊鏈技術(shù)有著不可替代的作用。首先，區(qū)塊鏈的唯一性可以保證個(gè)人數(shù)字孿生體是唯一的，從而不至于出現(xiàn)一個(gè)人對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)字孿生體的混亂局面。其次，區(qū)塊鏈的防篡改性可以保證數(shù)字孿生體中的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。從理論上說(shuō)，一個(gè)人從出生（甚至從胎兒時(shí)期）起所產(chǎn)生的信息就可以數(shù)字化、上鏈，隨著一個(gè)人的成長(zhǎng)，鏈上信息也隨之不斷擴(kuò)展。在人生命結(jié)束之時(shí)，數(shù)字孿生體的信息停止更新，但歷史記錄也并不會(huì)由此消失。最后，區(qū)塊鏈的非對(duì)稱加密技術(shù)可以為個(gè)人提供較好的隱私安全保護(hù)。區(qū)塊鏈一方面可以保障用戶隱私不會(huì)被其他任何人隨意使用，使用權(quán)都在用戶自己手上，而非平臺(tái)手中;另一方面，在交易過(guò)程中，雙方的隱私都可以得到很好的加密處理，外人對(duì)其交易行為的了解只局限于過(guò)程層面，雙方的信息并不公開^[16]。

雖然個(gè)人數(shù)字孿生體的技術(shù)難度較大，但卻已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中部分存在了。2020年，新冠肺炎疫情期間，許多公共場(chǎng)所均要求進(jìn)入時(shí)出示“健康碼”?！敖】荡a”通過(guò)獲取使用者的定位，通過(guò)大數(shù)據(jù)判斷使用者的健康程度，以紅、黃、綠三種顏色來(lái)對(duì)人們進(jìn)行分類管理?？梢哉f(shuō)，“健康碼”就是將一個(gè)人的位置信息、出行信息及健康狀況進(jìn)行了數(shù)字化。推而廣之，如果提取更多的有關(guān)一個(gè)人的其他信息，就可以創(chuàng)建個(gè)人數(shù)字孿生體。例如，杭州正在不斷升級(jí)“健康碼”功能，將“健康碼”拓展至更廣泛的公共事業(yè)領(lǐng)域，使“健康碼”升級(jí)為“市民碼”。

（三）構(gòu)建“智慧城市”

智慧城市是指以城市的生命體屬性為基本視角，運(yùn)用區(qū)塊鏈、人工智能、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代技術(shù)手段，既提高市民生活水平，又提升城市公共管理的運(yùn)行效率和服務(wù)，從而建設(shè)科學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的信息化城市形態(tài)。智慧城市涉及到城市生產(chǎn)和生活的方方面面，覆蓋智慧政務(wù)、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧環(huán)保、智慧住房、智慧能源和智慧物流等多維度、多層次、多領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。智慧城市的建設(shè)要實(shí)現(xiàn)城市多方面要素的數(shù)字化，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”可以發(fā)揮重要作用。城市中的多種元素都通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備建立對(duì)應(yīng)的虛擬數(shù)字孿生體，眾多數(shù)字孿生體之間以現(xiàn)實(shí)實(shí)體間的交互方式建立聯(lián)系，構(gòu)建具有完備要素的虛擬城市?；谔摂M城市，可以開發(fā)多類應(yīng)用。

“無(wú)人駕駛”就可以認(rèn)為是基于智慧城市開發(fā)的應(yīng)用之一。城市中的所有車輛、道路、環(huán)境、天氣通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同步將數(shù)據(jù)運(yùn)行至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，建立各自的數(shù)字孿生體，通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，構(gòu)成鏡像城市，使無(wú)人駕駛汽車能夠獲取現(xiàn)實(shí)世界中的全部信息，實(shí)現(xiàn)安全道路行駛。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)也能完善司法政務(wù)、城市微電網(wǎng)、能源管控等多方面的智能應(yīng)用。

全國(guó)各地區(qū)均加快智慧城市的建設(shè)步伐。2017年6月，廣東佛山禪城區(qū)政府發(fā)布全國(guó)首個(gè)政務(wù)應(yīng)用智慧城市，構(gòu)建真實(shí)信用體系。智慧城市的底層技術(shù)采用區(qū)塊鏈技術(shù)，打通不同部門間的“數(shù)據(jù)孤島”，形成跨平臺(tái)、跨部門、跨地區(qū)的城市數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市數(shù)據(jù)的協(xié)同互聯(lián)。智慧城市的構(gòu)建依賴于現(xiàn)實(shí)城市中的數(shù)據(jù)。目前，禪城區(qū)的區(qū)塊鏈政務(wù)應(yīng)用項(xiàng)目包括IMI身份認(rèn)證、公證、食品安全和社區(qū)矯正等。

2019年底，雄安新區(qū)首席信息官?gòu)垙?qiáng)表示，雄安智能城市與物理城市同步進(jìn)入大規(guī)模開工建設(shè)階段，標(biāo)志著雄安數(shù)字孿生城的建設(shè)將進(jìn)入快車道。2020年3月，雄安新區(qū)兩項(xiàng)智慧城市標(biāo)準(zhǔn)《智慧城市數(shù)字孿生系統(tǒng)安全機(jī)制》和《智慧社區(qū)安全機(jī)制》獲國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)。除雄安新區(qū)外，包括北京通州副中心、南京江北新區(qū)、重慶兩江、貴州貴陽(yáng)等眾多城市和地區(qū)在內(nèi)的“數(shù)字孿生城市”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和落地應(yīng)用已經(jīng)如火如荼地推進(jìn)。

五、“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”面臨的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)為數(shù)字孿生賦能，能夠?yàn)樵S多中心化系統(tǒng)所遇到的難題提供有效的解決方案。然而，就目前狀況而言，在區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展之路上，依然在監(jiān)管政策、技術(shù)成熟等方面存在一定的阻礙。

（一）監(jiān)管法規(guī)有待進(jìn)一步完善

區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁?xiàng)新興技術(shù)，各國(guó)對(duì)區(qū)塊鏈的監(jiān)管也尚在探索之中。為規(guī)范區(qū)塊鏈信息服務(wù)活動(dòng)、促進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)及相關(guān)服務(wù)的健康發(fā)展，中國(guó)于2019年1月出臺(tái)了首部規(guī)范區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的法規(guī)——《區(qū)塊鏈信息服務(wù)管理規(guī)定》（下文簡(jiǎn)稱《規(guī)定》）。《規(guī)定》給行業(yè)的發(fā)展劃定了框架，但在一些具體的執(zhí)行層面還需要進(jìn)一步細(xì)化。例如，《規(guī)定》第六條要求區(qū)塊鏈信息服務(wù)提供者具備與其服務(wù)相適應(yīng)的技術(shù)條件，且技術(shù)方案符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但對(duì)“相適應(yīng)的技術(shù)條件”“國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”沒(méi)有明確指向。又如，《規(guī)定》第九條要求區(qū)塊鏈信息服務(wù)提供者對(duì)上線新產(chǎn)品、新應(yīng)用、新功能進(jìn)行安全評(píng)估，但評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)和流程沒(méi)有提及。再如，《規(guī)定》在備案管理方面要求甚多，但沒(méi)有給出備案審核的標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，對(duì)區(qū)塊鏈單個(gè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)管的體系尚未建立完善。

數(shù)字孿生技術(shù)雖萌芽較早，但在中國(guó)發(fā)展時(shí)間較短，當(dāng)前的國(guó)家政策多處在宏觀鼓勵(lì)技術(shù)發(fā)展的階段，《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng) ?培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》中提到：“支持在具備條件的行業(yè)領(lǐng)域和企業(yè)范圍探索大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等新一代數(shù)字技術(shù)應(yīng)用和集成創(chuàng)新?！倍鴮?duì)于數(shù)字孿生技術(shù)的監(jiān)管，鮮有在政策文件中提到。

“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”不僅涉及兩種技術(shù)本身，也會(huì)涉及大量的企業(yè)、個(gè)人、社會(huì)的數(shù)據(jù)，甚至航天航空、軍事裝備等信息數(shù)據(jù)，若使用不慎則會(huì)產(chǎn)生較大安全隱患。合法合規(guī)使用區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生技術(shù)，使之真正產(chǎn)生社會(huì)效益，這有待監(jiān)管法規(guī)的進(jìn)一步完善。

（二）技術(shù)有待進(jìn)一步突破

理論上，利用區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建鏡像世界的想法具有很廣闊的發(fā)展前景。既能夠完整保存過(guò)去的信息，也能預(yù)測(cè)未來(lái)。然而，區(qū)塊鏈技術(shù)本身的發(fā)展尚不夠成熟。

第一，區(qū)塊鏈的分布式架構(gòu)需要共識(shí)機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)的最終一致性，相對(duì)中心化架構(gòu)來(lái)說(shuō)，共識(shí)機(jī)制對(duì)資源的消耗是不容忽視的。此外，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N只能附加、不能刪除的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。隨著時(shí)間推移，數(shù)字孿生體承載的數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)，區(qū)塊鏈所需要的存儲(chǔ)空間逐步膨脹。共識(shí)所需的大量資源消耗與龐大數(shù)據(jù)量占用的存儲(chǔ)空間將會(huì)造成區(qū)塊鏈處理的滯后效應(yīng)，這種時(shí)延反應(yīng)引起的反饋時(shí)延、報(bào)警時(shí)延，在時(shí)延敏感的數(shù)字孿生虛擬世界運(yùn)行上需要快速改進(jìn)。

第二，在隱私保護(hù)方面，由于虛擬世界涉及的數(shù)據(jù)量龐大，其中不少信息應(yīng)當(dāng)進(jìn)行查看權(quán)限限制。認(rèn)證用戶身份的常用技術(shù)為零知識(shí)證明，用于保證用戶在授權(quán)其他應(yīng)用身份時(shí)是匿名的，無(wú)需透露身份信息。零知識(shí)證明本身是一種還未成熟的技術(shù)，并且，需要依靠雙方的多次交互來(lái)進(jìn)行，必然會(huì)導(dǎo)致效率的低下。而未來(lái)如果要使用安全多方計(jì)算，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的依靠會(huì)更加嚴(yán)重^[17]。因此，如何在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中快速達(dá)成共識(shí)、如何在壓縮儲(chǔ)存空間占用與維持?jǐn)?shù)據(jù)不可篡改性兩者之間進(jìn)行合理權(quán)衡、如何保護(hù)虛擬世界的隱私安全，都有待考慮。5G上線之后，將進(jìn)一步擴(kuò)寬網(wǎng)絡(luò)的帶寬，一定程度上能改善這些問(wèn)題，但從根本上解決上述問(wèn)題，需要進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展推進(jìn)。

六、前景與展望

區(qū)塊鏈技術(shù)與數(shù)字孿生相結(jié)合，可以有效提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)可信性，建立高效率的工作和交互體系，目前，“區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生”所構(gòu)建的微型鏡像世界可在經(jīng)濟(jì)生活中的多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。未來(lái)世界，區(qū)塊鏈將使數(shù)字孿生發(fā)揮更大的作用，使數(shù)字孿生體全面覆蓋物理世界。物理世界中的每個(gè)實(shí)體都會(huì)有一個(gè)芯片，芯片采集實(shí)體的所有信息，并在虛擬數(shù)字世界中進(jìn)行數(shù)字化復(fù)制，每個(gè)實(shí)體都存在虛擬復(fù)制品，即數(shù)字孿生體。大量數(shù)字孿生體進(jìn)行集成，如同將現(xiàn)實(shí)世界的一面鏡子嵌入到電腦中，通過(guò)它便能看到這個(gè)世界的全貌。

第一，生活便利。構(gòu)建鏡像世界可以為現(xiàn)實(shí)生活提供極大便利。結(jié)合AR技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中疊加虛擬信息，反過(guò)來(lái)也能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界。這種增強(qiáng)可以來(lái)自視覺(jué)、聽覺(jué)，甚至觸覺(jué)，其目的主要是在感官上讓現(xiàn)實(shí)的世界和虛擬的世界融合在一起。鏡像世界里，像Siri和Alexa這樣的助理將有一個(gè)具象化形象，可以與人類產(chǎn)生互動(dòng)。它們將來(lái)不僅能夠聽見人類的聲音，還能看到人類的虛擬化身，捕捉到臉部、手臂之類的動(dòng)作變化、細(xì)微表情和情緒波動(dòng)。此外，鏡像世界也更適合機(jī)器人和無(wú)人車的大規(guī)模普及，人類看到的世界，也是機(jī)器看到的世界。

第二，提升人類感知。區(qū)塊鏈+數(shù)字孿生的另一大優(yōu)勢(shì)在于各參與方可以隨時(shí)隨地組織數(shù)據(jù)，可以將有關(guān)建筑物的數(shù)據(jù)放在建筑物本身所處的地方，一切都是三維的。任何人都可以透過(guò)計(jì)算機(jī)窗口搜索鏡像世界里的任何東西，就像是電腦里的文件夾一樣，擴(kuò)大可見視野，提升對(duì)三維世界的感知。

數(shù)字孿生所應(yīng)用的技術(shù)距離完全成熟還有很長(zhǎng)的路要走，區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生均處在發(fā)展階段，而兩者的結(jié)合還需要攻克一些技術(shù)難關(guān)才能得以實(shí)現(xiàn)。雖然在這個(gè)過(guò)程中，需要面臨諸多挑戰(zhàn)，但可以確信，數(shù)字孿生在區(qū)塊鏈的構(gòu)建系統(tǒng)下，能夠獲得深入應(yīng)用，并在未來(lái)某一天實(shí)現(xiàn)“共智”，建立鏡像世界。

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（責(zé)任編輯：鄧菁）