原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第20 期 《 “物?人?場”交互視域下的數字孿生技術研究進展 》

隨著新一代信息技術的融合創(chuàng)新，數字孿生（DT）技術作為推動數字化轉型與智能系統(tǒng)演進的關鍵支撐，已廣泛應用于工業(yè)制造、智慧城市、智能交通等領域。然而，現(xiàn)有研究主要聚焦于“物”的建模和分析，較少系統(tǒng)整合“人”和“環(huán)境”因素，難以滿足復雜智能系統(tǒng)對多層次、全方位交互的發(fā)展需求。鑒于此，《科技導報》邀請電子科技大學計算機科學與工程技術學院游佳莉、助理研究員鄧佳文、教授任福繼等撰文，文章引入“物?人?場”交互視域，從智能物理實體（物）、智能個體（人）以及虛實融合環(huán)境（場）3 大核心維度，全面且系統(tǒng)地剖析數字孿生技術的研究前沿與進展，揭示三者如何相互作用、相互促進，為元宇宙的構建提供支撐，并圍繞面臨的關鍵挑戰(zhàn)提出研究建議。研究成果為構建具備多主體協(xié)同感知、多模態(tài)智能交互與虛實融合閉環(huán)反饋的新型數字孿生系統(tǒng)提供了理論基礎與實踐啟示。

新一代信息技術的集群式突破與融合創(chuàng)新，促使數字孿生（DT）技術邁入變革的新階段。該技術作為數字化轉型進程中的關鍵驅動力，其發(fā)展歷程呈現(xiàn)出顯著的階段性演化的特點。然而，傳統(tǒng)以“物”為核心的建模范式已難以契合復雜系統(tǒng)智能化演進的需求。針對這些挑戰(zhàn)，研究人員正逐步將研究視角拓展到“物?人?場”的多層次交互框架。為了進一步介紹“物”“人”和“場”的差異和共性，表1在定義、核心技術等7個維度上進行了詳細對比。

表1 “物?人?場”交互視域下數字孿生技術的異同分析

基于“物?人?場”交互視域，數字孿生技術正演化為一個動態(tài)開放、智能協(xié)同的虛實融合體系，能夠支持多主體交互、環(huán)境自適應優(yōu)化及智能服務升級。這一框架的提出，不僅有助于突破傳統(tǒng)數字孿生在復雜場景中的局限性，還能推動數字人、AI與數字孿生的深度協(xié)同，進一步賦能工業(yè)智能化、智慧城市及元宇宙等新興領域，為未來智能社會的構建提供技術支撐。

1 “物”：傳統(tǒng)數字孿生的起點

1.1 數字孿生的理論起源和顯著特征

數字孿生的概念可追溯到航天軍工領域，其演化脈絡可以劃分為“技術探索、概念提出、應用萌芽、行業(yè)滲透”4個主要階段，如圖1所示。

圖1 數字孿生發(fā)展歷程

早在1969年，NASA就在阿波羅計劃中首次應用了數字孿生技術；1991年，Gelernter提出了“鏡像世界”這一類似概念；2002年，Grieves等正式提出了“數字孿生”概念，并構建了一個包含實空間、虛擬空間以及兩者之間數據/數據流動的鏈接機制的“鏡像空間模型”，用以闡述物理實體與虛擬副本之間的交互關系，如圖2所示。

圖2 數字孿生示例

隨著物聯(lián)網、云計算及人工智能技術的快速發(fā)展，數字孿生在2010年代中期受到廣泛關注，并逐漸從靜態(tài)仿真模型演進為動態(tài)、實時、可自適應的智能系統(tǒng)。工業(yè)4.0的推進使得數字孿生項目，如Verl得以普及。

數字孿生目前沒有統(tǒng)一的理論體系，自其誕生以來，各研究與應用領域提出了很多定義?；谖墨I分析結果，研究發(fā)現(xiàn)數字孿生技術相較于傳統(tǒng)數字化技術，展現(xiàn)出以下4個顯著特征。

1）雙向動態(tài)映射：數字孿生技術強調虛擬空間中構建物理實體的數字化表征，實現(xiàn)物理實體與其數字模型之間的雙向映射、數據互聯(lián)與狀態(tài)交互。

2）實時同步檢測：通過多源傳感數據的實時采集，數字模型能夠精確、動態(tài)地反映物理實體的狀態(tài)變化。

3）共生共智：在“共生”層面，這一特性表現(xiàn)為數字孿生與物理實體在系統(tǒng)整個生命周期內的同步創(chuàng)建和協(xié)同發(fā)展。而“智能”方面：在微觀尺度上，指的是數字孿生系統(tǒng)內部各模塊間的智能資源共享；在宏觀尺度上，則是在多個數字孿生系統(tǒng)組合形成的復雜系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)間智慧因素的深度整合與協(xié)同優(yōu)化。

4）閉環(huán)優(yōu)化控制策略：數字孿生技術的關鍵效用體現(xiàn)在通過仿真手段制定優(yōu)化策略，實現(xiàn)對物理實體的閉環(huán)式控制與持續(xù)優(yōu)化。

1.2 國家重大需求

中國對數字孿生技術的戰(zhàn)略意義予以高度重視，自“十三五”規(guī)劃便開始部署相關政策，推動了該技術的試點與示范應用。步入“十四五”規(guī)劃階段，數字孿生技術被明確定位為支撐數字經濟高質量發(fā)展的關鍵技術之一，標志著技術發(fā)展進入了加速階段。如表2所示，政策支持力度不斷強化，產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)逐漸成熟，應用領域持續(xù)拓展，促進了數字孿生在多行業(yè)的融合。

表2 2020—2025年部分數字孿生相關政策概覽

自2023年起，中央和地方政府相繼出臺了一系列政策文件，旨在支持數字孿生技術的研發(fā)、標準化建設及產業(yè)化應用。政策的持續(xù)推進不僅加快了數字孿生技術的應用實踐，還顯著提升了行業(yè)規(guī)范化水平。在國家政策的強力推動下，中國數字孿生技術正處于前所未有的發(fā)展高峰，產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)日益完善，未來將在智能制造、智慧城市、虛擬仿真、數字經濟等多個領域發(fā)揮更加關鍵的作用，為中國數字化轉型和高質量發(fā)展提供堅實支撐。

1.3 數字孿生系統(tǒng)架構

圖3展示一個完整的數字孿生系統(tǒng)框架，從底層的物理實體到頂層的應用場景，形成了一個從數字采集到智能應用的完整閉環(huán)。

1）數據層：可分為數據采集和數據融合2個子層，是數字孿生的基礎。

2）功能層：為數字孿生提供通用技術支撐，通常包含4大模塊，包含仿真引擎、可視化渲染、實時控制和分析優(yōu)化。

3）建模層：是區(qū)分數字孿生與簡單仿真的關鍵，需解決多尺度與多物理場耦合問題。

4）應用層：是數字孿生技術具體面向行業(yè)需求的關鍵環(huán)節(jié)。

5）隱私與倫理層：是貫穿全流程的防護網。

圖3 數字孿生系統(tǒng)框架

1.4 數字孿生關鍵技術

在數字孿生系統(tǒng)的整體架構中，建模、渲染、仿真和物聯(lián)網（IoT）4大核心技術相互協(xié)同，共同構建一個完整的數字孿生生態(tài)系統(tǒng)，如圖4所示。進一步，表3介紹了這4大技術的主要手段、發(fā)展趨勢以及主要局限性。

圖4 數字孿生關鍵技術

表3 數字孿生4大核心技術解析

1）建模技術作為數字孿生的基礎層，主要負責物理對象的數字化表征。這一過程不僅需要精確捕捉物理對象的空間特征，還要充分考慮其內在的物理特性和行為規(guī)律。

在幾何建模中，主要用于構建高精度的3D形態(tài)，包括計算機輔助設計（CAD）、建筑信息建模（BIM）、點云重建等技術。在物理建模中，要用于模擬真實物理世界的力學、熱學、電磁場等屬性，典型方法包括有限元分析（FEA）和多體動力學（MBD）。AI技術加速了數據驅動建模的發(fā)展，核心方向包括：其一，深度學習與圖神經網自動化建模；其二，強化學習+物理引擎，提高交互性；其三，生成式 AI（GAN、Diffusion Models），用于自動化生成逼真的數字孿生模型。

2）在可視化過程中，渲染技術扮演著重要的角色，它能夠將數字模型精確轉換為易于理解的可視形式。隨著圖形處理技術的不斷提升，當前渲染技術的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在混合渲染策略、神經渲染方法的輕量化，多模態(tài)數據的實時融合及真實感渲染。

3）仿真技術則是數字孿生的“大腦”，通過物理仿真、離散事件仿真等方法，對系統(tǒng)行為進行預測和優(yōu)化。它能夠模擬各種工況條件下的系統(tǒng)響應，為決策提供科學依據。特別是在結合人工智能技術后，仿真精度和效率都得到了顯著提升。仿真技術在數字孿生中的應用正朝著多尺度融合、高效實時計算和智能增強模擬方向發(fā)展。

4）物聯(lián)網技術作為連接物理世界和數字世界的紐帶，依托傳感器網絡、邊緣計算等關鍵技術，實現(xiàn)了數據的實時采集與傳遞。

1.5 數字孿生技術的典型應用案例

數字孿生技術作為數字化轉型的核心引擎，正從傳統(tǒng)的物理場景建模向更復雜的環(huán)境與系統(tǒng)仿真拓展，逐步形成“場景孿生”這一重要應用方向。

1）文化保護領域。數字孿生技術為文化遺產的數字化保存與活化利用提供了創(chuàng)新解決方案。任福繼研究團隊以“科技賦能文化傳承”為核心理念，系統(tǒng)性地開展了文化遺產數字化保護研究，如圖5所示。這一案例的成功實施為后續(xù)中國傳統(tǒng)文化的保護提供了指導。

圖5 元宇宙?文化保護解決方案框架

2）天文領域。隨著數字孿生技術的興起，為天文學研究提供了全新的工具和方法，如圖6所示。數字孿生正在為天文學的各個層面提供新的思路，不僅能夠幫助天文學家更高效地進行研究，還能將宇宙的奧秘以更加直觀和生動的方式呈現(xiàn)給每一個人。

圖6 數字孿生和天文領域結合的案例

2 “人”：數字AI驅動的數字人技術發(fā)展

2.1 數字人定義與發(fā)展脈絡

數字人是指通過計算機圖形學、人工智能、動作捕捉等先進技術，實現(xiàn)形象逼真、行為擬人、可實時交互的虛擬人物。

1）第1階段（20 世紀80—90年代）是基礎計算機圖形學（CG）虛擬人物階段，這一時期的虛擬人技術主要依托于計算機動畫和三維圖形技術。這一階段的虛擬人物雖然在視覺效果上取得突破，但仍存在動作表現(xiàn)機械化、交互功能缺失等技術局限，主要依賴離線渲染實現(xiàn)，單幀渲染時長可達數小時，應用場景主要集中在影視特效領域。

2）第2階段（21世紀初—2015年）是動作捕捉與實時渲染階段，這一階段以動作捕捉（MoCap）技術與實時渲染技術的突破性發(fā)展為標志，實現(xiàn)了虛擬角色從靜態(tài)呈現(xiàn)到動態(tài)交互的重大跨越。

3）第3階段（2016年至今）是AI驅動的智能數字人階段。隨著深度學習、自然語言處理和計算機視覺技術的突破性發(fā)展，數字人實現(xiàn)了從單向展示到智能交互的質的飛躍。

由于虛擬數字人的核心價值是提供類“人”服務于體驗，可以將現(xiàn)有的數字人按照交互能力和視覺風格等維度進行類型劃分，如圖7所示。

1）按照是否具備和用戶交互的能力，可以將虛擬數字人劃分為交互型和非交互型。進一步地，根據驅動方式的不同，交互型數字人可以細分為AI驅動型和真人驅動型。

2）根據視覺風格的不同，虛擬數字人可以劃分為2D數字人和3D數字人。這種數字人模型特別適用于對真實感和交互性要求較高的應用場景，例如虛擬偶像、虛擬客戶服務、虛擬導覽服務等。

圖7 按照交互能力和視覺風格進行數字人劃分的框架

2.2 國家重大需求

為了促進數字人技術的健康發(fā)展，各國政府和國際組織紛紛出臺相關政策支持。從政策發(fā)展歷程來看，國內數字人相關政策的出臺可追溯至“十三五”時期。國家提出信息化發(fā)展戰(zhàn)略，并相繼發(fā)布人工智能技術發(fā)展規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展規(guī)劃等重要政策。進入“十四五”時期，國家進一步深化“數字經濟”發(fā)展規(guī)劃，全面推動社會數字化轉型，夯實數字人相關的核心技術體系，為該領域的創(chuàng)新發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境和廣闊的未來空間。

總體來看，數字人產業(yè)的政策支持體系已從早期的信息化戰(zhàn)略逐步發(fā)展為覆蓋技術研發(fā)、產業(yè)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和場景應用的全鏈條支持體系。在國家和地方政府的持續(xù)推動下，數字人產業(yè)正迎來前所未有的發(fā)展機遇。

2.3 AI賦能下數字人的核心技術

數字人的核心能力主要體現(xiàn)在形象建模、語言表達和多維度交互3個關鍵維度。如圖8所示，這3個維度協(xié)同作用，使數字人不僅外觀逼真，還能與用戶建立情感連接，提供個性化服務。目前這3個維度的研究進展如下。

圖8 數字人構建的關鍵要素

1）形象建模旨在通過高精度的3D建模、動作捕捉和渲染技術，打造出逼真且富有表現(xiàn)力的虛擬形象，使數字人在外觀、表情和動作上與真人高度接近，甚至突破物理限制，創(chuàng)造出更具藝術性或功能性的視覺體驗。同時，在個性化情感交互方面，數字人應綜合考慮用戶的長期偏好與實時情感狀態(tài)，動態(tài)調整交互策略，從而提供更加自然、貼心和沉浸式的互動體驗。

2）語言表達旨在通過自然語言處理（NLP）和預訓練模型，實現(xiàn)流暢、自然且富有情感的人機對話。通過深度學習和上下文理解，數字人能夠準確捕捉語境、表達情感，并在多語言、多場景下提供精準的交互服務。語音合成技術（TTS）與語音識別系統(tǒng)（ASR）的結合，使數字人能夠準確理解人類語言并做出智能化響應。在語音合成技術的基礎上，為提升數字人聲音的個性和情感表達能力，研究者采納了情緒檢測與語音變換技術。同時，為了適應國際用戶群體，當前的語音合成技術實現(xiàn)了對多語言及方言的兼容性。

傳統(tǒng)數字人已實現(xiàn)流暢的語言表達，且大語言模型的突破性發(fā)展為數字人語言交互帶來了質的飛躍。隨著數字孿生技術的深度應用，數字人的語言表達正在經歷從機械發(fā)聲到情感化交互的范式轉變。這一演進主要體現(xiàn)在以下2個維度：首先，在語音生成層面，數字孿生技術通過整合多維用戶數據，實現(xiàn)了高度個性化的語音合成。其次，在多模態(tài)協(xié)同層面，數字孿生建模技術構建了語音、唇形與表情數據的動態(tài)關聯(lián)網絡。這種跨模態(tài)的精準映射確保了數字人在語言表達時，口型動作、面部表情與語義內容的高度一致性。

3）多維度表達。目標是通過情感計算、個性化算法等技術，賦予數字人獨特的行為模式、性格特質和情感反饋能力，使其能夠在交互中展現(xiàn)出更豐富的層次感和真實感，實現(xiàn)多模態(tài)優(yōu)化轉向跨模態(tài)時序與語義一致性建模，從而為用戶提供沉浸式、個性化的體驗。

隨著大模型的出現(xiàn)，大模型推動了多模態(tài)技術的深度融合，使數字人在視覺、聽覺、觸覺等多維度上實現(xiàn)協(xié)同表示，進一步增強了其在虛擬環(huán)境中的真實感和沉浸感。隨著數字孿生的演進，數字人的多維度交互能力已實現(xiàn)從單向指令到情境感知的質變突破。這一進步主要體現(xiàn)在以下2個關鍵維度：

• 首先，在環(huán)境感知層面，數字孿生技術通過構建虛實融合的空間映射系統(tǒng)，使數字人能夠實時感知并理解物理環(huán)境狀態(tài)。

• 其次，在情感交互維度，數字孿生系統(tǒng)整合了用戶生理數據（如心率、表情變化）與行為特征，構建了閉環(huán)反饋機制。

2.4 數字人技術的典型應用案例

1）傳媒領域中的應用。

2024年，山東一千河數字科技開發(fā)的“海藍手語數字人”系統(tǒng)入選中國正能量傳播網絡AI精品案例，已在山東和寧夏廣播電視臺應用；中國政府網推出2位AI集合多模態(tài)模型的數字人作為政策講解員，實現(xiàn)文字到視頻的自動生成；青島互聯(lián)文化傳媒通過數字人名片，提升了社交分享率和信息承載量；搜狐科技表示廣州虛擬動力推出的AIGC 3D數字人視頻創(chuàng)作方案，適用于新聞、綜藝等節(jié)目，如圖9所示；微軟小冰作為社交網絡虛擬伴侶，展示了AI數字人在社交互動中的潛力；粵傳媒制作的《五羊傳說》和《南粵水韻，前年龍行》短片，展示了AI技術在文化傳播中的創(chuàng)新應用。

圖9 3D數字人進行新聞播報

基于真實人物的數字人部分應用包含：2025年，兩會期間，全國人大代表張敏的專屬數字人通過對接大模型（如 DeepSeek），提供智慧對話服務，如圖10所示，助力履職能力提升，該數字人依托數字孿生和深度神經網絡技術，實現(xiàn)高度逼真的形象、音色和智能交互。

圖10 基于真實人物的數字化復制品提供對話服務

2）教育領域的應用。

中阿衛(wèi)視使用數字人主播“畢諾?D”進行阿拉伯語新聞播報，如圖11所示，顯著提升了遠程教育的效率；部分高校利用數字人技術制作校園文化宣傳視頻，吸引了更多學生和家長的關注；風平智能的數字人可以為教育培訓提供更加個性化的學習和培訓體驗。世優(yōu)科技的AI數字人系統(tǒng)幫助教師創(chuàng)建數字人分身，大幅提升了效率。任福繼研究團隊構建了一個較為主流的可實時交流的AI數字人，如圖12所示。數字人在教育領域的應用涵蓋了從個性化學習到遠程教育、從虛擬實驗到情感陪伴的多個場景。這些應用不僅提升了教學效率和學習體驗，還推動了教育資源的公平分配和教育模式的創(chuàng)新。

圖11 春節(jié)期間數字人播報新聞

圖12 任福繼形象的高精度AI數字人形象

數字人技術的發(fā)展已形成2大主要方向，完全虛擬構建的數字人和實體映射數字人。無論是純虛擬的數字人還是實體映射的數字人，其技術演進和應用深化都離不開數字孿生場景的關鍵支撐。這種虛實融合的技術生態(tài)，正在推動數字人向更智能、更協(xié)同的方向發(fā)展。

3 “場”：物與人融合構建的元宇宙生態(tài)

3.1 元宇宙的理論起源

元宇宙（metaverse）這一概念最早由美國作家尼爾·斯蒂芬森于1992年提出，描述了一種與現(xiàn)實世界平行存在的虛擬世界，人們可在其中擁有獨立身份并進行社會交往、經濟交易、文化活動等。元宇宙被認為是一種虛擬與現(xiàn)實無縫鏈接、深度融合的數字世界。盡管目前尚無統(tǒng)一的權威定義，但在現(xiàn)有研究中普遍認為元宇宙是通過科技手段創(chuàng)造的、與現(xiàn)實世界進行映射交互的虛擬空間，并在此基礎上形成具有新型社會經濟體系的數字生活環(huán)境。

從學術角度看，元宇宙研究體系通常被概括為6個主要方面，這6大技術的英文首字母組成“BIGANT”，被稱作元宇宙的“大螞蟻”。Ren等在此基礎上進一步完善，加入了人工情感技術，并提出了“A BIGANT”的元宇宙研究體系，如圖13所示。

圖13 元宇宙核心技術體系“A BIGANT”

元宇宙作為一種新興的概念和技術領域，其關鍵特征主要包括以下4個方面。

1）沉浸式體驗：在元宇宙的構建中，高保真的虛擬現(xiàn)實技術帶來了沉浸式體驗，實現(xiàn)了超越現(xiàn)實的感官融合。

2）虛實交互融合：元宇宙不僅是一個虛擬世界，更是與現(xiàn)實世界的無縫對接。

3）社會性：元宇宙中的虛擬空間不僅是個人存在的場所，還是一個活躍的社交網絡。

4）經濟系統(tǒng)：元宇宙的經濟體系以虛擬資產的創(chuàng)造、流通和交易為基礎，構建了一個完整的虛擬經濟生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 國家重大需求

全球各國均對元宇宙發(fā)展予以高度重視，并相繼出臺相關政策進行引導。從政策維度而言，中國已針對元宇宙建設頒布了一系列具有指導意義的政策，旨在推動其實現(xiàn)健康且有序的發(fā)展。當前，中國已有上海、武漢、合肥、無錫、杭州、南昌、廈門等近40個省市政府先后發(fā)布元宇宙建設規(guī)劃，提出重點發(fā)展元宇宙相關產業(yè)，元宇宙成為各界矚目的焦點，新模式新業(yè)態(tài)層出不窮。國外政府已開始紛紛布局元宇宙。各國政策的頒布為教育的數字化轉型的實現(xiàn)提供了政策支持。

盡管各國政策走向各有側重，卻無不致力于元宇宙的有序化布局，旨在促進其規(guī)范化的進步。可以預見，大力發(fā)展元宇宙將成為未來數字經濟的重要趨勢。

3.3 數字孿生技術在元宇宙場景構建中的關鍵作用

數字孿生與元宇宙是近年來備受矚目的2個概念，二者既存在諸多相似之處，亦有不少差異。數字孿生是一項融合實際物理對象或系統(tǒng)數字模型與實時數據的技術，旨在達成對實際對象或系統(tǒng)的實時監(jiān)測、預測及優(yōu)化。

從技術演進維度審視，元宇宙的構建可劃分為具有遞進關系的3個技術層級，其中，數字孿生層作為基礎階段，在元宇宙架構中占據著極為關鍵的底層支撐地位，其發(fā)揮的關鍵作用如表4所示。然而，要實現(xiàn)可交互的數字孿生和全面的元宇宙體驗，動態(tài)場景的數字孿生成為技術實現(xiàn)的核心突破。在此過程中，虛擬世界中的場景和環(huán)境能夠實時響應并調整以契合現(xiàn)實世界的動態(tài)變化，使得虛擬空間具備“自適應”能力。動態(tài)場景的數字孿生技術為元宇宙中的交互性、真實性和沉浸感提供了強有力的技術保障。

表4 數字孿生技術在元宇宙場景構建中的關鍵作用

3.4 數字人與元宇宙交互融合技術分析

隨著元宇宙技術架構的迭代更新，數字人作為連接現(xiàn)實世界和虛擬空間的關鍵媒介，在提升虛擬角色交互性與沉浸感的同時，也為元宇宙社交場景中的情感計算與反饋機制提供了新的技術實現(xiàn)路徑。數字人在元宇宙中的應用大大提升了用戶的參與感和沉浸感，成為構建更加真實和互動的虛擬世界的關鍵要素（表5）。

表5 數字人在元宇宙場景構建中的關鍵作用

3.5 “物?人?場”三元交互的數據流框架

在綜合分析“物”“人”“場”3個要素的基礎上，提出了“物?人?場”三元交互模型。該模型由3個核心模塊構成：物理實體、人（自然人和數字人），以及虛實融合環(huán)境，構建起一個多模態(tài)協(xié)同、動態(tài)響應的交互系統(tǒng)框架，如圖14所示。

圖14 “物?人?場”三元交互的數據流框架

該模型中的交互網絡主要涉及3類關鍵數據流路徑。

1）“物”到“場”的數據流路徑主要體現(xiàn)在物理實體對虛擬環(huán)境的實時映射能力。

2）從“人”到“場”的數據流路徑聚焦于自然人、數字人與虛擬環(huán)境之間的智能交互過程。

3）從“場”反饋至“物”與“人”的數據流體現(xiàn)了虛擬環(huán)境的響應能力與閉環(huán)控制特征。

3.6 國內外典型元宇宙應用案例

隨著“物?人?場”三元交互系統(tǒng)理論的逐步完善，虛實融合的元宇宙形態(tài)也正在由概念走向應用。游戲領域是當前元宇宙應用最為成熟的領域之一，憑借其天然的交互性與沉浸性，為元宇宙的場景搭建、身份建構與經濟體系探索提供了理想試驗場。國外典型代表如Roblox和Fortnite，為用戶提供了高度自由的數字體驗空間。國內方面，以《原神》《幻塔》等開放世界游戲為代表，推動游戲從傳統(tǒng)線性敘事向持續(xù)演化的沉浸式虛擬世界轉型。這些探索不僅展現(xiàn)了“物?人?場”融合下元宇宙實踐的活力，也為其他行業(yè)提供了跨界參考路徑。

教育場景成為元宇宙融合發(fā)展的重要延展方向之一，教育類元宇宙更強調教學功能性與學習效果的提升。其核心在于打破傳統(tǒng)教育中時間、空間和資源的限制，通過虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術提供更具互動性和參與感的學習體驗。國外如Engage VR和Meta的Horizon Classrooms等平臺，借助VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）技術構建可多人實時互動的虛擬課堂，支持跨地域協(xié)作教學和學科資源共享；同時，沉浸式語言學習、虛擬科學實驗等應用場景已被廣泛驗證其教學有效性。國內高校和科技企業(yè)也積極響應元宇宙發(fā)展潮流，推動其在教育領域的深度應用，涌現(xiàn)出一批兼具本土特色與技術創(chuàng)新的示范項目。例如，清華大學打造了“元宇宙校園”，南開大學則開設了國內首個本科層面的元宇宙選修課程，山東大學開發(fā)了虛擬校園導覽系統(tǒng)，西北大學建設了陜西省首個元宇宙校園平臺。

隨著元宇宙的不斷成熟，商業(yè)領域的應用日益豐富多樣，涵蓋了零售、房地產、制造、金融等多個行業(yè)。國外方面，耐克以“數字替身+虛擬產品+Nikeland”重構品牌營銷要素；Matterport利用數字孿生技術，為房地產經紀公司和門戶網站打造虛擬3D看房體驗；西門子的虛擬協(xié)同仿真元宇宙實現(xiàn)產業(yè)鏈上下游各環(huán)節(jié)在統(tǒng)一虛擬環(huán)境中的實時動態(tài)模型調整；摩根大通成為華爾街首家進軍元宇宙的銀行。國內則涌現(xiàn)出阿里巴巴虛擬購物空間和數字藏品經濟、碧桂園智慧社區(qū)數字孿生管理、華為智能工廠數字化升級，以及建設銀行在數字貨幣與虛擬資產交易上的創(chuàng)新實踐。

3.7 教育元宇宙生態(tài)的應用案例

在教育元宇宙的構建中，“物?人?場”三重交叉關系不僅使每個要素獨立發(fā)揮作用，更通過相互協(xié)同使得教育元宇宙能夠真正實現(xiàn)沉浸式、個性化、智能化的教育模式，從而突破傳統(tǒng)教育的時空限制，帶來前所未有的教育體驗，如圖15所示。

圖15 教育元宇宙的組成示例

1）物與人：物理環(huán)境和數字人的交互。在教育元宇宙架構下，物品的數字映射與虛擬人物的交互構成了教育活動的核心要素。一方面，虛擬教師與現(xiàn)實環(huán)境之間的互動表現(xiàn)為虛擬教師能在數字教室復制品中“實施”教學活動，并通過智能感知技術的應用對教學素材進行動態(tài)調整。另一方面，學生的虛擬化身（數字孿生）能夠直接與數字孿生實驗設備進行交互。此外，為了實現(xiàn)更加真實與沉浸的教學體驗，教育元宇宙中的交互不應僅局限于虛擬空間，還需進一步拓展至現(xiàn)實用戶與物理場景的融合交互。

2）人與場：虛擬人與虛擬場景的融合與互動。在教育元宇宙的構建中，“場”不再局限于靜態(tài)的教育場所，而演變?yōu)橐粋€集動態(tài)交互與智能技術于一體的動態(tài)環(huán)境。一方面，在虛擬教育環(huán)境中，學生得以通過其數字化身便捷地參與跨國界的虛擬課堂，并與來自世界各地的同齡人進行實時交流。另一方面，“場”為學生營造出沉浸式的互動體驗。進一步地，虛擬場景的智能響應能力使其不僅作為教學的背景環(huán)境存在，更逐步演化為具備感知與反饋能力的主動教學參與體。

3）物與場：物理環(huán)境與虛擬教育場景的融合。在教育元宇宙的構建中，物理環(huán)境的數字化映射與虛擬環(huán)境的融合構筑了一種新型的虛實結合的教育互動空間。一方面，虛擬實驗室與實際設備的交互為學生提供了一個全新的實驗平臺。另一方面，實體教室與虛擬課堂的協(xié)同作用擴展了教育活動的邊界。

4 “物?人?場”交互視域下數字孿生技術的挑戰(zhàn)與趨勢

4.1 “物?人?場”交互面臨的研究挑戰(zhàn)

數字孿生技術經歷了從傳統(tǒng)的“物”的單一對象仿真，到AI驅動的“人”的智能交互，再到虛擬融合的“場”生態(tài)建設的發(fā)展階段。但如圖16所示，在“物?人?場”融合的新范式下，仍面臨諸多共性技術挑戰(zhàn)。

圖16 “物?人?場”交互面臨的研究挑戰(zhàn)

1）多源異構數據融合與實時交互挑戰(zhàn)：在“物?人?場”深度融合的教育元宇宙與數字孿生系統(tǒng)中，實現(xiàn)高效、低延遲的多源異構數據融合是系統(tǒng)智能化的基礎。為此，亟需構建具備魯棒性的多模態(tài)數據處理架構，引入數據清洗與標準化機制，提升數據質量的一致性與可靠性；同時，加強數據生命周期管理，借助加密存儲、訪問控制與聯(lián)邦學習等技術，保障數據在使用過程中的隱私與安全。

2）虛實映射的精準度與復雜度問題：高精度虛擬建模與實時仿真是數字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)“真實世界映射—虛擬世界預測—現(xiàn)實控制反饋”閉環(huán)的核心能力。未來數字孿生系統(tǒng)的建設亟需探索輕量級建模方法、分布式渲染技術、多層次算力協(xié)同機制以及高效的數據壓縮與同步算法，才能在保持虛實映射精準度的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的高效性、穩(wěn)定性與可擴展性。

3）AI交互技術的智能化與魯棒性挑戰(zhàn)：在“物?人?場”交互融合體系中，人工智能交互技術作為數字人驅動、人機融合，以及環(huán)境適配的核心引擎，正日益發(fā)揮關鍵作用。未來，唯有在保持高精度交互的同時兼顧可解釋性與穩(wěn)定性，AI系統(tǒng)才能真正支撐“物?人?場”融合環(huán)境中的智能化、可持續(xù)的人機協(xié)作。

4）虛擬經濟與治理標準缺失的問題：隨著元宇宙生態(tài)體系的不斷擴展，虛擬經濟正逐步成為其核心支柱之一。未來需要從技術與制度2個維度同步推進：在技術層面，應構建可信身份認證機制、可驗證數字資產標準以及跨平臺的資產互通協(xié)議；在制度層面，應加快構建虛擬經濟相關法律體系與治理機制，推動建立面向元宇宙環(huán)境的國際通用標準與多邊監(jiān)管合作框架，從而實現(xiàn)虛擬經濟的合規(guī)發(fā)展與風險可控。

4.2 “物?人?場”交互視域下未來研究方向

1）構建智能化且具備多層次架構的數據融合框架。為實現(xiàn)多源數據的更優(yōu)融合，可從局部傳感器至全局數字孿生模型設計多層次的數據融合架構。

2）研究 AIGC（生成式人工智能）賦能的智能虛實映射與虛擬原生進化。面對虛實映射的精度與復雜性挑戰(zhàn)，AIGC能夠自主生成新的數字孿生；針對現(xiàn)有數字孿生在泛化能力上的不足，AIGC創(chuàng)造了全新的虛擬場景；AIGC能夠構建出有助于深度理解的生動場景，從而增強用戶的沉浸體驗與互動熱情。

3）構建新的虛擬經濟與智能化治理體系。一方面，區(qū)塊鏈與智能合約的應用有望解決虛擬資產的所有權界定及交易過程的透明度問題；另一方面，AIGC技術對虛擬資產交易數據的分析有助于自動揭示交互環(huán)節(jié)中的欺詐隱患。

未來，隨著大模型、聯(lián)邦學習、邊緣計算等技術的持續(xù)突破，AIGC+數字孿生將具備更強的自主學習、決策優(yōu)化和創(chuàng)造新環(huán)境的能力，在工業(yè)、醫(yī)療、教育、智慧城市等領域釋放更大的價值。

5 結論

數字孿生技術作為工業(yè)制造、人工智能和虛擬現(xiàn)實等多個領域高度關注的前沿技術，正不斷推動虛擬與現(xiàn)實世界之間的深入融合，“物?人?場”的交互視域清晰地體現(xiàn)了數字孿生技術發(fā)展的完整路徑與演變趨勢。圍繞這一內在的發(fā)展邏輯，我們的研究系統(tǒng)地綜述了數字孿生技術在不同發(fā)展階段的研究進展與技術細節(jié)，并總結了“物?人?場”交互視域下數字孿生技術所面臨的共性技術挑戰(zhàn)，從技術發(fā)展趨勢視角進行預測。

本文作者：游佳莉、鄧佳文、焦子韻、羅阿理、宋軼晗、邱波、任福繼

作者簡介：游佳莉，電子科技大學計算機科學與工程技術學院，博士研究生，研究方向為情感分析、大模型技術等；鄧佳文（通信作者），電子科技大學計算機科學與工程技術學院，助理研究員，研究方向為人工智能、大模型技術、情感計算等；任福繼（共同通信作者），電子科技大學計算機科學與工程技術學院，教授，日本工程院院士、歐盟科學院院士、俄羅斯工程院外籍院士，研究方向為先進智能、情感計算、智能機器人等。

文章來 源 ： 游佳莉, 鄧佳文, 焦子韻, 等. “物?人?場”交互視域下的數字孿生技術研究進展[J]. 科技導報, 2025, 43(20): 62?84 .

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