元宇宙体系架构初探

1、元宇宙体系参考模型

基于现有互联 要构建起完整统一的三维虚拟世界，并能够模拟自然环境规律、人类 会基本规则，元宇宙形态才可以基本成形。

数字孪生构筑的虚拟世界，是对物理世界的孪生仿真，其中包括自然环境和人造环境的孪生仿真，也包括人类 会主体及其行为（政府主体、市场主体、 会主体）的孪生仿真。回看物理世界的传统媒介（包括互联 ），仅是离散碎片化的信息传递和简单交互，而孪生地球将可实现时空统一的拟真世界，充分体现“媒介与 会的一体同构”的传媒理念。数字孪生媒介的“底层逻辑”设定，是对自然规律及 会文化的拟真实现。自然规律的拟真，可完全拟真地球上的自然规律，也可提供突破自然限制的“道具”； 会文化的拟真，则以基本仿真模型为手段表达 会治理、法律规范、道德伦理等 会基本规则，而坚守主流价值观的底线，则是其最基本也是最重要的要求。

底层逻辑是上层应用的基础和约束。孪生媒介应用，均可共享孪生媒介基础平台的各类共享服务能力和资源，也可借助孪生媒介实现数据化描述、知识化洞察、算法化预测、智能化决策。孪生应用产生的决策执行作用于虚拟世界的对象，同时也平行执行作用于物理世界的实体对象。

2、 元宇宙系统互操作性

元宇宙不可能由一个平台统一支撑。不同的元宇宙系统及应用间要实现互联互通互操作，需要建立在大量的标准规范基础之上。要实现全球范围“孪生地球”的互操作，就必须达成全球范围共识的国际标准体系。

互操作可分为基础时、设计时、进行时三类。基础时互操作是指终端层、 络层的接口规范、 络协议、OS+SDK 规范、交互指令及访问协议等与硬件相关的标准规范。设计时互操作要求有关文件格式、数据结构、语言语法、表现形式等静态的标准规范。进行时互操作在基础时、设计时基础上还需要更多的服务过程（注册、发现、组合、调用）和应用过程（应用发现、应用使用、应用穿梭）等相关体系规范。

元宇宙是在现有互联 基础之上发展而来，现阶段在 络层（TCP/IP/5G 等）、数据层（OpenGIS/IFC/IFD 等）、平台层（ISO/IEC 17788 等）有良好的标准规范基础，但应用层(HTML/WebGL 等)、终端层（OpenXR 等）处于快速发展变化过程中。

3、元宇宙应用行为逻辑

从图文媒介、视听媒介发展到 络媒介，电子化、数字化、 络化技术一波波叠加提升了 会信息生产和传播能力，从而引发了信息大爆炸。这带给个人的是信息过载、面对海量信息的麻木和无措。为了解决用户有效获取信息的问题，信息组织方式必须不断演进。图书出版物丰富之后，产生了图书情 和档案管理的编目、文献检索方法；广播电视节目越来越多之后，线性频道演化出电子节目指南 EPG，进而演变出可访问海量点播节目库的分级菜单；互联 通过 HTML 协议将数十亿的 Web page、Video、Game、APP 关联起来。“元宇宙”构建的虚拟世界，本质是新一代的传播媒介—孪生媒介。元宇宙对信息的组织方式要求更加直观可视化，易于语义理解，利于逻辑推理，便于自然交互式沟通。过往离散碎片化的信息，将更大程度上趋向形成一致的知识图谱。

过往以平面展现和功能实现为主的应用，也将趋向更加人性化的 3D 孪生应用。过往许多割裂的、独立的业务系统，也将趋向于开放融合；孪生应用相互连接，形成平行世界的 会生态巨系统。

用户使用元宇宙中各类应用，需通过访问终端接入元宇宙虚拟世界，以自己的数字人为虚拟化身代理自己在元宇宙中进行各类操作行为。各类元宇宙应用均是 3D 交互形式的，应用间跳转通过瞬移、穿梭门等形式互相连通。元宇宙中各类对象的通常是现实物理世界中实在对象的孪生体。用户与虚拟对象交互，通过应用功能实现。复杂应用的部分功能可通过调用云平台的各类共性服务来实现。

ICT 基础设施及支撑平台，为元宇宙的正常运行提供保障。物理对象通过 IoT 平台可驱动虚拟对象的行为及状态变化，用户在虚拟环境中对虚拟对象的操作，也可通过支撑平台作用传递给物理对象，实现虚实平行的控制执行。

元宇宙中虚构的游戏应用，现实世界中并没有孪生体，也不存在平行执行条件。仿真推演的孪生应用，如暂不进行平行执行，则可通过副本方式运行，待要正式执行时再启动平行执行机制。

4、元宇宙技术参考架构

元宇宙平台、服务系统、应用系统的参考架构，帮助建设运营方找到自身在元宇宙整体中的位置，便于开展与相关部分的协同，并在遵循规范基础上实现互操作。可分为接入访问终端、现实世界、虚拟世界、基础支撑平台四大部分。

5、现实世界

现实世界，是孪生地球元宇宙生成的物理原型基础，也是其作用的对象。真实的现实世界，可分为自然物质环境、人造物质环境、人类 会环境三部分。（1）自然物质环境指人们所生活的，肉眼可见可感知的自然物理世界，包括如山川平原、江河湖海、土壤、绿化、植被、动物、气候、自然规律等。（2）人造物质环境指人类以自然物质为材料人为改造形成的环境，包括如道路桥梁、城镇楼宇、村庄、水利、工业、交通、安防、煤水电、供给循环系统、文化设施等。（3）人类 会环境指人类 会运行所遵循的基本规则，包括政治经济（国际交流、国家治理等）、法律法规、文化道德、市场、金融、行业自律、 交等。

6、接入访问终端

用户需通过接入访问终端，才能进入元宇宙的虚拟世界。接入访问终端，需要为用户提供视、听、触、味、嗅全方位的感官沉浸体验，同时要提供更加自然的运动感、力反馈的自然交互方式，必要时还需提供代理机器作为物理身体的替代或延伸。接入访问终端包括 XR 终端、自然交互、动感模拟、及代理机器等。

（1）XR 终端XR 终端主要指 VRARMR 终端设备，也涵盖传统的 PCTVPADPhoneLED 屏等终端产品。随着元宇宙生态应用的丰富，VRARMR 终端渗透率会日渐增高，成为主流的新一代消费级个人计算平台。（2）自然交互自然交互是指摆脱键盘鼠标，通过语音、动作等更加自然方式获得视听触味嗅感官信息的交互方式。具体可分为语音交互、动捕交互、表情捕捉、眼动跟踪、气味模拟、触觉模拟、脑机接口（BMI）等。（3）动感模拟动感模拟，是 VR 模拟仿真应用创新的重要支撑技术，为 VR 用户在虚拟环境中的快速运动提供位移感知，乃至全方位移动感知的模拟体验。运动感模拟，可通过电缸驱动搭建 2Dof3Dof6DoF 动感平台来模拟运动位移感觉。操作力反馈，可通过力传感器来测量或模拟三维力矩带给人的肌肉感知；（4）代理机器代理机器，可以是人形服务机器人，仿生机器人，也包括工业机器人。代理机器主要用途是作为人的物理替身去完成特定任务。人形机器人形象拟人亲切，用户接受度高，可用于陪伴、服务、教育、娱乐等场景；仿生机器人，主要是模仿各类生物，替代人去完成人无法完成的任务，如模拟飞鸟、四足动物、昆虫、鱼类等的代理机器；工业机器人主要用户生产线，替代工人更加高效、准确的流水线作业。如需基于数字孪生进行管理控制，代理机器的行为数据可以同步到元宇宙中的数字代理人，并驱动数字代理人的行为。

7、基础支撑平台

元宇宙 3D 时空互联 ，与当下的 2D 互联 类似，是新一代 ICT 技术的综合性应用，但要求将更加苛刻。IoT 传感 、边缘计算、5G 泛在 、云存储/DB、云计算/算力、区块链、信息安全、以及服务发现、应用发现等都是元宇宙技术体系所必需的基础支撑技术。随着 ICT 技术的创新和进步，元宇宙的基础支撑平台技术也将同步演进。元宇宙支撑平台，必然将成为数字经济发展的重要载体。作为定位面向全国、全球的公有云平台，从建设之初就应考虑公有云的架构及布局。元宇宙支撑平台的规划建设必须摆脱小而全、定制化项目的旧模式，走标准化、规模化的云平台之路。

元宇宙应用，涉及大量图形渲染、AI 计算、内容分发等需求，对端到端访问带宽、时延的要求较目前的 络直播、短视频等应用会更高，采用“云+ +边+端”协同的平台架构，才可有效保障用户体验。元宇宙应用可充分发挥 5G 泛在 的优势，必将成为 5G 及后续 6G 的关键应用。

8、孪生基座

9、数据智能

元宇宙的数据智能层，主要实现对采集数据的信息化治理形成语义化知识，进而实现基于孪生地球模型的各类仿真任务执行。（1）大数据+人工智能AI 技术核心是在大数据基础上的智能算法及数据处理应用。海量的数据、信息如不进行有效分析，并进一步形成语义理解基础上的知识 络，其价值无法得到有效利用。模式识别、神经 络、模糊系统、强化学习、知识图谱等一系列AI 技术，将对海量信息处理、特定问题求解提供有效工具。知识图谱，是对数据、信息的进一步语义化分析处理的结果，并且是一个持续优化的动态过程。利用知识图谱技术，可对过往离散碎片化的结构化、非结构化数据进行语义化处理形成统一的知识体系，这将对提供更加人性化的信息获取、自然人机交互提供坚实基础。知识图谱（Knowledge Graph），是应对信息量爆炸式增长的新一代语义 络、知识管理技术，是 AI 的重要基石及 AI 应用的重要驱动力。模式识别，是用算法根据样本的特征进行分类的技术，在图像处理、机器视觉、自然语言处理（NLP）、动作交互、语音交互、舆情分析、行为分析等等领域都可应用。概率推理，是根据不确定的信息作出决定时进行推理的方法。可结合专家先验知识，由已知变量信息来推导未知变量信息。神经 络，是模仿动物神经 络行为特征进行并行处理的算法模型，依靠 络复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接关系，从而达到信息处理目的。模糊系统，从宏观出发，模仿人的综合推断来处理常规数学方法难以解决的模糊信息处理问题，使计算机应用得以扩大到人文、 会科学及复杂系统等领域，已广泛应用于自动控制、模式识别、人机对话、医疗诊断、地震预测、天气预 等方面。自动规划，更注重于问题的求解步骤和过程，而不是求解结果。可用来监控问题求解过程，并能够在造成较大的危害之前发现差错。强化学习，受行为主义心理学启发，通过学习反馈激励-更新模型参数的策略，以达成信息处理模型优化和最大化的目的。在推荐系统、人机交互系统、人机博弈游戏等领域得到广泛应用。（）2）模拟仿真/平行智能仿真模拟，是对因果关系的推理活动，基于有效数据集和模拟算法，在 3D场景的仿真验证机制，类似人脑对某个问题的综合分析的形象化思考。由于数据、算法都不可能一步到位，因此这是个反复推演的机制。这类仿真模拟是基于孪生地球“元宇宙”提供功能型、智能型服务的基本机制和方式。专家系统，基于某领域专家知识与经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程来处理该领域问题。基于多领域专家系统、多知识库，有利于解决复杂巨系统问题。自动决策，又称知识自动化，将静态知识与活动流程相结合，形成更为复杂的知识，该知识已经调用即可自动执行决策任务。许多 PaaS 流程服务可看作知识自动化的应用。进化计算，受生物进化自然选择和遗传信息传递规律的启发，基于全局性概率搜索算法，把要解决的问题看作环境，可能的多个解组成种群，通过自然演化和迭代寻求最优解。最优控制，在给定约束条件下，寻求一个控制函数，使给定的系统性能指标通过自适应控制达到极大值(或极小值)。群体智能，从蚂蚁、蜜蜂等 会性昆虫的群体行为得到启发，以去中心的分布式控制，在若干优化原则下实现群体的自组织性，不会因一个或有限几个个体出现故障而影响群体求解行为。博弈计算，是指使博弈各方实现各自认为的最大效用，即实现各方对博弈结果的满意，使参与各方都不想改变自己的策略，从而达到相对均衡的状态。人机协同，是指从定性到定量综合集成法，把专家体系、数据和信息体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人机结合、人 结合的决策体系。

会计算，广义而言是指面向 会科学的计算理论和方法，狭义而言是面向 会活动、 会过程、 会结构、 会组织及其作用和效应的计算理论和方法。 会活动及 交媒体传播具有混沌特性。用整体论而不是还原论来研究 会计算问题，以有效解决方案而不是确定性求解作为 会计算的追求目标。基于人工世界的“元宇宙”，使实验、观察、演绎、证伪等成为可能，可使 会计算和复杂系统理论“科学”化。

10、共性服务

用户在使用数字人代理时，需要绑定自己的虚拟身份，在元宇宙中的行为数据将被记录，成为经验值积累的依据，也将与元宇宙信用体系相关联。用户在元宇宙中可以创造属于自己的虚拟财富，这些财富可由元宇宙信用体系加以确权，也可通过元宇宙价值体系，在现实世界中变现。（3）信用体系传统的信用体系，采用 AAA(身份认证、鉴权、计量)方式对用户（组织、法人、个人等）在系统中的权限进行确认，通过消费及行为数据的分析对其进行信用评级。目前每个平台或系统的信用系统，对某个特定主体的信用评价都是片面的。元宇宙的信用体系，将可基于全局数据做出更加全面的信用评估。元宇宙的信用体系，可基于区块链技术支撑，对用户的资产、劳动进行确权，无法被篡改，提供可信证链。（4）价值体系元宇宙价值体系，与信用体系有一定关联，同样可基于区块链技术支撑实现各类交易，交易物可包括各类资产、劳动、NFT 等。价值体系更为重要的是，要为元宇宙世界定义交易规则，发行 e 货币，建立起完整的经济、金融、市场、消费体系。元宇宙价值体系的建立，必然要考虑现实世界经济体系的关系。如何能够获得国家的认同，既能实现虚实经济体系的互通，又不至于扰乱现实世界经济秩序，被各国政府强行关闭。这个问题，到目前为止仍没有各方都满意的答案，因此仍存在不确定性。（5）故事引擎无论电影电视剧、游戏、剧本杀，还是只有 5 分钟的短视频，都需要有个剧本。元宇宙故事引擎，首先提供剧本创作辅助工具，并可与虚拟模型资产、数字人等服务能力打通，获得场景、人物资源，借助创作工具进行虚拟制作，并实现对创作作品的管理。（6）渲染引擎元宇宙渲染引擎，包括离线渲染引擎、实时渲染引擎、渲染流化引擎三类。离线渲染引擎，主要用户影视 CG、图片高品质渲染，随着渲染算力的提升以及实时渲染的快速发展，离线渲染引擎使用可能会减少。实时渲染引擎，主要用于游戏开发及运行，目前已越来越多被集成用于影视虚拟制作中，实现影视预演、CG制作前置，有机会彻底改变传统影视制作流程。渲染流化引擎，主要用于支持云游戏的运行和使用，游戏运行在云端服务器，实时渲染画面以视频流方式推送到用户终端，用户操控指令上传到服务器并实现对游戏的实时控制。云游戏模式给低配终端用户一种玩大型高品质游戏的途径，将来可能会持续存在。元宇宙渲染引擎，需要有材质引擎、物理引擎、动画引擎、粒子引擎、图形渲染（光线追踪、后处理）、声音渲染等核心功能。需要提供超低时延的实时渲染效率，以及更加易于使用的蓝图等功能。（7）创作工具不同的经济形态，由不同的生产力和生产关系所决定。人员组织及传播模式影响生产关系，生产工具则直接影响生产力。农业经济时期，以锄犁锹为工具，辅助人力和畜力的生产力；工业经济时期，以机械设备为工具，以热力电力为生产力；数字经济时期，以云与计算为生产工具，以 络和算力为生产力。具体到文化传媒领域，图文媒介时期，以排版和印刷机器为生产工具；视听媒介时期，

11、生态应用

元宇宙的生态应用层，必然要构建一个开放的应用生态，就像现实世界里一样，人是自主的主体，其行为有无限种可能，当然会受到底层逻辑的约束。孪生应用的呈现终端可以是 XR 眼镜，也可后向兼容 TV、PC、Mob 等终端。孪生应用相比于之前，具备更大的信息容量、更丰富的信息组织形式、更人性化的交互体验。孪生应用可以直观访问“孪生地球”的方式作为入口形态，如类比现有概念，这将是个超级 APP，是个 3D 形态的新型门户或应用商店。元宇宙平台应提供尽可能低的孪生应用开发门槛，支持视频游戏APPXR 应用创新，以形成平行世界丰富的孪生应用生态。鉴于孪生地球元宇宙的全球视野尺度，必然导致门槛高垒，且孪生地球云平台是构建平行世界智能 会的重要基础设施，国家有必要在肇始阶段就加强统筹及管控，这将大大降低出现过度商业化、过多版本并存的无序状态的可能性。通过国家特许经营方式，完全有条件形成统一时空的孪生地球元宇宙平台，打造统一、开放的孪生应用生态。构建起全球用户认同并自愿加入的“孪生地球”元宇宙平台，将是实践“人类命运共同体”理念的有效工具。“孪生地球”的游戏规则建立，应以“人类命运共同体”愿景为出发，需充分考虑如何消除国家、民族之间的政治文化隔阂。全球能够参与“孪生地球”平台竞争的玩家仅有个位数，这将成为全球秩序治理的“水晶球”，成为人类文明与智慧聚合的共同精神家园。具体的元宇宙生态应用包罗万象。不同类型的用户，可以是政府、 会组织、企业、军队，也可以是小组、个人，通过创作工具，充分利用共性服务和平台资源，都有机会创作出优秀的孪生应用，实现自我价值和 会价值。从应用服务领域分，主要包括媒体、舆情、 交、游戏、电商、会展、教育、体育、文化、旅游、医疗卫生、智能制造、政治、军事、金融、地产等等。所有应用的形态无法假设，需要广大用户去创作和塑造。（参考中国元宇宙白皮书）