產業區塊鏈應用系列丨“區塊鏈+數字孿生”的技術優勢與應用前景

摘要：

隨着物聯網與5G的快速發展，物理世界與信息世界的聯繫逐漸增強，而數字孿生則是實現物理域和虛擬域互聯互通的有效手段。數字孿生技術的高級階段是構建鏡像世界，區塊鏈與數字孿生的結合將為鏡像世界的構建奠定底層技術基礎：保證數據的不可篡改性、建立數字孿生體與物理實體一對一的映射關係、實現數字孿生體之間的交互。鏡像世界從構建對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用場景為：智能物聯、市民碼、智慧城市。在後疫情時代，落實疫情防控常態化工作的要求加大了對這三種場景的應用需求，是未來新技術的發展方向。

雖然理論上區塊鏈能為數字孿生的廣泛應用提供架構支持，但實際中也面臨諸多困難，監管法規不完善、技術有待突破等，都是亟待解決的問題。

關鍵詞：數字孿生；區塊鏈；智能物聯；市民碼；智慧城市;鏡像世界

一、引言

2020年4月，國家發改委、中央網信辦印發《關於推進“上雲用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》，其中多次提到了“數字孿生”這一概念。在第二節“主要方向”中提到：“支持在具備條件的行業領域和企業範圍探索大數據、人工智能、雲計算、數字孿生、5G、物聯網和區塊鏈等新一代數字技術應用和集成創新。”在第三節“近期工作舉措”中提到：“鼓勵研究機構、產業聯盟舉辦形式多樣的創新活動，圍繞解決企業數字化轉型所面臨數字基礎設施、通用軟件和應用場景等難題，聚焦數字孿生體專業化分工中的難點和痛點，引導各方參與提出數字孿生的解決方案。”

數字孿生是指在信息化平台內模擬物理實體、流程或系統，類似實體系統在信息化平台中的雙胞胎。簡單地說，數字孿生就是創造一個現實物理實體在數字世界的拷貝。數字孿生最初的應用多集中在軍事、工業製造領域。時至今日，其應用場景已經擴展到醫療、消費、公用事業等多個不同的領域當中。數字孿生的內涵也有了進一步的發展。

從技術實現上來看，數字孿生體的通用框架包含以下五個方面：用戶域、數字孿生體、測量與控制實體、現實物理域，以及跨域功能實體。框架中的關係均是雙向的。從數字化的對象來看，數字孿生體可以分為：組件、資產、過程、系統和系統網路。從發展階段來看，數字孿生體可以按照成熟度劃分為數化、互動、先知、先覺和共智等五個階段。最高階段的數字孿生體，不僅是現實世界中對象的數字化拷貝，還具備與現實世界互相通信、根據完全或不完全信息做出推斷，甚至具備與其他數字孿生體進行互動、共同進化的能力。

數字孿生體的發展要求：一方面要能建立更大規模的數字孿生體，如航天器相對於發動機所需要的數字孿生體規模相對比較大；另一方面，在虛擬世界中提高數字孿生體之間的可交互性具有更高的價值。在無人駕駛技術方面，計算機系統內不只需要汽車的獨立孿生體，也需要相關的路況、天氣、實時動態等多方面信息，甚至需要獲取其他汽車的駕駛動態。而這些顯然是目前數字孿生的技術盲區。

本文旨在探討如何建立數字孿生體之間的聯繫，在虛擬系統內建立一個與現實世界運行基本一致的鏡像世界，並從智能物聯、市民碼、智慧城市這三個應用場景分析“區塊鏈+數字孿生”的應用價值。

二、數字孿生的發展歷程與技術解析

（一）數字孿生技術的產生與演化

“數字孿生”概念的萌芽最早可以追溯到二十世紀六七十年代的美國航天“阿波羅”項目[1]，NASA製造完全相同的兩個空間飛行器，一個用於執行飛行任務，另一個留在地球上，被稱為“孿生體”，用於反映另一個飛行器的狀態。此時的孿生體還停留在仿真階段。“孿生體”具備兩個顯著特徵：孿生體與其所反映的實體在外表、內容、性質、性能等各方面完全相同；孿生體能夠真實完全地反映另一實體的運行狀況。此時的孿生體側重“仿真”性能，其表現形式仍為物理實體。

美國密歇根大學Grieves[2]教授在產品全生命周期管理課程上提出“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念，當時被定義為：一個或一組特定裝置的數字複製品，能夠抽象表達真實裝置，並能以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。這一概念明晰地顯示出當時對於進行高層次數據集成分析的期望，是數字孿生概念的雛形，但在當時並沒有被稱為“數字孿生”。2003—2005年期間被稱為“鏡像的空間模型”[3]，2006—2010年逐漸演變為“信息鏡像模型”[4]。直到2011年，Grieves教授引用了其合作者Vickers用於描述此概念的新名詞“數字孿生體”[5]，此後一直沿用至今。

儘管後來的這些描述概念不斷變化，但其包含的組成要素與概念模型卻基本保持一致，都突破了原來孿生體的物理空間限制，組成要素有物理空間、數字虛擬空間與兩者之間的聯接三部分，概念模型即實體產品、虛擬產品以及兩個空間之間的數據信息交互接口。其基本邏輯關係如圖1所示：

而由於技術局限性，這一概念提出后，並未有實質影響。數字孿生最早被應用在航天及軍工領域。2011年，出於對戰鬥機進行仿真的需求，美國空軍實驗室與NASA合作，首次提出飛行器的數字孿生體概念，“利用當前可用物理模型、更新的傳感器數據和歷史數據等來反映與該模型對應的飛行實體的狀態”[6]。此後，數字孿生在航空領域逐漸得到了更多應用場景。

隨着工業 4.0、智能製造等技術和發展戰略的不斷出台，數字孿生已成為一個重要的基本科技要素，其概念也逐漸完善。工業界及學術界對數字孿生的概括定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[2]。

在數字孿生概念提出后，不同學者分別提出了對於數字孿生解決問題的多種結構方式。Boschert和Rosen[7]認為，不同於以往仿真或建模的方法，數字孿生是一種仿真決策支持工具，通過獨特的集成化架構，對實體對象的工程、業務和行為描述等各個層面的數據進行仿真運行，並能夠針對問題類型，選擇最適當的仿真模型。Schluse和Rossmann[8]對數字孿生技術進行實驗模擬，引入一個模擬數據庫，可以集成各類數據源、模擬系統以及可視化模塊，進行任何類型的數字模擬實驗。而Schroeder等[9]則認為，數字孿生是一種模型，用於研究在不同程序間進行物理對象描述和數字對象的數據交換問題。 Negri等[10]認為，數字孿生是物理對象的數字錶示，是一種數據模型，能夠模擬物理對象，並對其未來行為進行預測。

在數字孿生及應用領域，國內學者也在不斷進行深入研究。Zhang等[11]提出基於數字孿生的個性化產品快速定製設計方法，提出生產過程中耦合優化問題的解耦算法，作為引擎驅動數字孿生。陶飛等[12]基於數字孿生五維結構模型，提出數字孿生驅動的應用準則，探索數字孿生在產品全生命周期中的應用前景和有待突破的關鍵問題或技術。

（二）技術架構及發展方向

根據數字孿生體的三要素：物理空間、數字虛擬空間與兩者之間的聯接，數字孿生所需的底層技術支持可以概括為三方面：虛擬空間中，需要具備對基礎設備、產品系統、生產環境等進行多層次全維度的仿真和建模能力；物理空間中，需要具備完整的生產系統運營管理能力、全集成自動化系統工程能力以及基於雲計算、物聯網和大數據進行數字孿生分析和服務的能力；連接和協同過程中，需要同時具備虛擬空間和物理空間的信息集成和閉環反饋能力[13]。數字孿生體的技術框架如圖2所示。

數字孿生可以簡化設計流程，削除原型測試中的許多方面，從而解決原型測試面臨的成本高昂、測試環境複雜、測試難度巨大等問題。通過使用3D仿真和人機界面，測試工程師可以對各種產品規格、加工方式及原材料等進行運行性能評估，進一步根據相關法律法規、行業標準、產品質量規範等進行設計評估，並將最終評估結果用於指導決策。因此，傳統的原型產品設計評估通過數字孿生技術能夠加快設計速度，使評估結果更準確有效，同時在降低成本方面也有顯著效果。

數字孿生的發展可以概括為五個階段，分別為數化階段、互動階段、先知階段、先覺階段和共智階段。數化階段是初級階段，僅僅是建立真實對象的數字化模型；互動階段的數字孿生體可以與實體進行通訊，如孿生飛行器可以接收實體飛行器的飛行數據，也可以將虛擬環境中的模擬結果發送給實體飛行器；先知階段的數字孿生體能夠基於過去與現在的完整信息和實體的明確運行機理預測未來狀況，如數字孿生飛機能夠預測未來一段時間氣象變化對飛機飛行的不利影響，從而做出相關預警；先覺階段的數字孿生體能夠基於不完整參數與模糊機理預測未來，相比於先知階段，其對技術要求更高，不僅要求精確的模型進行預測，也需要機器學習能力，具有較高的智能性；共智階段數字孿生體的理想目標，即數字孿生體之間能夠進行互通、共享，甚至共同進化，顯然目前單純的數字孿生技術還遠遠達不到共智的要求。

過去十年來，由於相關技術不斷發展的推動因素，數字孿生技術的部署一直在加速。

仿真：目前的技術能夠實現複雜情景的仿真模擬，從實體接受到的真實數據信息，能夠在系統內進行百萬次的仿真實驗。另一方面，仿真的供應商也在逐漸增多，可選範圍儲蓄擴大。除原始的簡單仿真實驗外，機器學習技術也在快速發展，將為仿真帶來全新的升級突破，仿真的可操作性、可信度與實用性都將大幅提高。

數據源：得益於物聯網技術與大數據的不斷完善，數據來源渠道更廣泛，數據維度也更全面，如LIDAR（激光雷達）與FLIR（前視紅外）產生的數據，通過實時監控技術採集數據，能夠即時傳輸到數字孿生體內，通過實時數據反饋，數字孿生體能夠快速糾正仿真過程出現的微小偏差，使實驗評估結果更準確。

互操作性：過去十幾年，由於工業通信標準的加強，操作技術之間互通性更強。同時，不同供應商為集成多類平台，也致力於推動建設統一的技術標準。這些都顯著提高了數字世界與現實世界的結合能力，弱化物理空間與虛擬空間的聯接障礙。

可視化：創建數字孿生體需要龐大的數據量，這會使分析問題變得複雜，也加大了從中提取有效分析結果的難度。最新的交互式3D、VR、AR和AI等技術，支持了可視化功能，通過實時信息過濾與提取，使結果分析更精準。

儀器：無論是嵌入式還是外置式的物聯網設備，經過多年改良，其體積越來越小，精度越來越高，能夠獲得關於真實世界的信息也更細粒化、更及時、更準確，方便與虛擬模型集成。

平台：功能強大且價格低廉的計算能力、網絡和存儲的可用性都是數字孿生技術的關鍵促成要素。大量互聯網公司在基於雲平台、物聯網和分析技術領域進行了巨額投資，推動數字孿生大趨勢的形成。

（三）應用：從數字孿生體到鏡像世界

簡單地說，數字孿生就是創造現實物理實體在數字世界的拷貝，其重要意義體現在能夠針對數字世界的數字孿生體進行進一步操作或分析。例如，一個文件的掃描副本，就可以看作這個原始文件在數字世界里的數字孿生體，通過文本解析程序可以對掃描件進行編譯或修改，也能夠進一步分析詞頻統計等。這樣的操作和統計分析，顯然在數字世界中更加容易進行。

稍微複雜一些的例子如早期的飛機數字孿生體。一旦有了一架飛機的數字孿生體，就可以使用它來完成一些現實世界當中難以完成或成本高昂的事情。例如，在數字世界“試飛”飛機：創建一個虛擬飛行環境，模擬極端惡劣天氣，讓數字孿生飛機在這樣的環境當中飛行，觀測飛行參數的情況，從而對飛機在極端環境下的性能做出評估。使用數字孿生體進行這樣的飛行試驗，能夠大大降低現實實驗所需的巨大成本。

時至今日，數字孿生的應用場景已經從最初的軍事以及工業製造擴展到醫療、消費、公用事業等多個不同領域當中。數字孿生的內涵也有了進一步的發展。如圖3所示：未來五年，數字市場規模將以38%的年複合增速增長，到2025年，市場規模將超264億美元[14]。

國際著名信息技術研究和顧問公司Gartner將數字孿生列為十大戰略科技發展趨勢之一，其調研顯示：75%的物聯網公司正在、或將在一年之內使用數字孿生技術，數字孿生已經成為物聯網的主流技術之一[15]。長期來看，數字孿生則有非常大的想象空間。2020年，中國國際大數據產業博覽會（簡稱“數博會”）上，《失控》作者凱利發表了以“數字孿生 鏡像世界"(所謂鏡像世界即是上文所提到的“共智”發展階段。)為主題的演講。凱利認為：“鏡像世界是未來20年將出現的一次重大變革，這種變革將當今存在的數字世界（如物聯網、3D模型、SLAM等）層層疊加到現實物理世界中。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（互聯網）一樣，鏡像世界將物理世界與虛擬的數字信息連接起來，在人與計算機之間創造出一種無縫的交互體驗。”

鏡像世界不只是所有現實實體數字孿生體的集成，更重要的是各個數字孿生體之間的交互關係。對於有n個實體世界，需要構建n個數字孿生體，而相互之間的聯繫將呈現指數級增長，涉及龐大的數據量，對於以往採用中心化方式運作的數字孿生技術，將形成巨大挑戰。

三、區塊鏈為數字孿生提供可信數據平台

數字孿生體在實際構建中需要依賴大量的數據計算，因此，其對數據可信度和計算基礎設施可信性具有很高的要求。截至目前，數字孿生體系都採用“中心化”的方式構建，即數字孿生體通過中心服務器輸入數據並運行仿真模擬過程，其結果能被更多人認可的前提是參與各方對“中心化”系統的高度信任。數字孿生的核心是數據的集成，要實現對系統的信任，就必然要解決數據的可信性問題。

事實上，在“中心化”系統中，對數據的信任總是存在天然邊界。例如，對於小型無人機，其數字孿生體所涉及的數據體量較小，對於結果誤差的容忍度也較高，且結果具有可預測性，只要結果處於預測範圍內，其數字孿生體很容易得到眾多參與方的信任。而對於大型航天器的數字孿生體，由於結果偏差影響很大，其數據可信度需要高度加強。而對於鏡像世界，所需要的數據可信度是任何“中心化”系統都無法滿足的。實體數據經過可信輸入數字孿生體后，需進行龐大的計算量以運行模擬過程。因此，除數據可信外，數字孿生體也需要可信的計算基礎設施，即需要正確、健康進行模擬運行，確保計算基礎設施不會被任何人攻擊，保證計算結果準確。

區塊鏈的優勢就在於能夠解決數據的可信度問題，為數字孿生構造一個可信的計算平台。區塊鏈採用分佈式賬本，由各個節點保存賬本副本，只有超過一半節點修改其副本才能認定為可信修改。單個或少數參與方無法通過惡意修改和干擾基礎設施的方式損害計算的可信性，也就是說，區塊鏈提供了一個可靠的計算機“硬件”。其次，區塊鏈並不僅僅是一個技術，其技術結構本身便包含了一套行動協議與思維模式，通過一套鏈上參與方公認的規則、協議、流程和方法，能夠使區塊鏈系統的計算運行順利進行，這是系統的“軟件”部分。兩者同時作用，構成了區塊鏈系統下的可信計算平台。

總而言之，區塊鏈為應對數據可信提供了一整套解決方案，而鏡像世界最需要的也便是數據可信。區塊鏈與數字孿生技術相結合，能夠互相發揮各自作用，擴大數字孿生體的應用範圍，為構建鏡像世界提供技術土壤。以發展的眼光看，這套方案未必是唯一的，也不一定是最優的，卻是最可行的方案之一，在當前這個特定的歷史階段，具有極其重要的戰略價值。其結合優勢主要體現在保證數據不被篡改、建立數字孿生體與物理實體一對一映射關係、實現數字孿生體之間的交互這三方面，以下將逐一介紹。

（一）在跨域功能實體中保證數據的不被篡改

數字孿生的關鍵在於在虛擬世界中構建實體對象，形成其數字等價物。在用數字“複製”實體的過程中，無論是組件、資產，還是過程、系統，或是系統網路，最重要的因素便是數據。正如陰陽學說，科技發展的黑暗面是存在一些人或組織企圖利用科技達成自己的非法目的。目前互聯網的高速發展，逐漸降低了數據搜集的門檻，同時數據採集的規範性較差，數據容易流入“別有用心之人”。數字孿生技術能夠根據採集整合的數據模擬現實對象，並對現實對象的未來行為進行預測，成倍放大了數據泄露的威脅性。

數字孿生的核心是模擬，通過數字模擬取代現實高成本的實驗，其最終目的是要基於模擬結果形成決策，如果數據安全性得不到有效保障，對任何採用模擬結果進行決策的參與方都有極大的威脅。於企業而言，虛假數據得出的模擬結果可能導致預測偏差，進而致使決策失誤，對企業的市場競爭具有不利威脅；於個人而言，泄露個人數據將會帶來諸多不必要的煩惱。而對於更為精密的航天及工程類項目，模擬結果的有效性更為重要。

數字體有別於實體的一個重要不同之處是可修改性。可修改性是數字孿生體能夠進行多種複雜變化情況下仿真模擬的前提，通過調整環境參數以及物理實體本身的參數，可以獲取隨着環境變化或模擬實驗對象狀況的變化，其運行效果如何變化以獲知最優設計組合。然而可修改性在一定程度上也限制了數字孿生體的應用。任何惡意修改或實驗者無意數據修改都會造成數字孿生體與物理實體的偏差，造成結果發生巨大變化。因此，在使用數字孿生體進行仿真模擬時，往往存在數字世界的預期模擬偏差代價與物理世界的實驗成本之間的權衡，這將限制數字孿生體的推廣，對鏡像世界的構建形成極大的阻礙。

此外，數字孿生體應用的更高階段，不僅僅是一對一映射實體，還應當能夠切實地反映物理實體的當前狀態，同時也要完整地記錄物理實體的過往信息，其過往荷載量有助於對實體的壽命預期、目前承壓狀況做出更合理的判斷。而目前數字孿生體的信息採用中心化方式進行，這對仿真設備的信息存儲容量提出了更高的要求。

區塊鏈使用哈希指針形成鏈接。在區塊鏈中，每個區塊中不但包含有自身的哈希值，還包含有上一個區塊的哈希值。假設B區塊在A區塊之後，B區塊中保存有A區塊的哈希值。如果A區塊被篡改，那麼A區塊本身哈希值就會改變，改變后的哈希值與B區塊中保存的A區塊篡改前的哈希值對應不上。這樣，篡改就會被發現，從而不會被認可。區塊鏈的鏈接方式保證了鏈上的數據難以被篡改。將數字孿生體的所有數據使用區塊鏈進行保存，能夠保證孿生體數據的真實性，確保結果有效可靠。同時，區塊鏈使用分佈式系統，數據儲存於不同節點的各個副本中，能夠緩解中心化系統對於數據儲存的壓力，也能有效保留物理實體過去運行的信息。

（二）建立數字孿生體與物理實體的一對一映射關係

數字體有別於實體的另一個不同之處在於其可複製性。一個實體的文件，一個物理實體經過數字化后就可以被無限複製。可複製性是數字體的便利之處，然而這也導致了物理實體與數字世界孿生體之間無法維持一對一的映射關係，往往是一對多。對於掃描文件、飛行器等大大小小的仿真實驗，無限複製能夠以相對低廉的成本進行多次試驗，而對於個人財產、金錢類的實體，就不能簡單地將其數字化后就加以使用。否則，所有人都可以無限複製自己的錢，那麼所謂的錢也將失去其作用。在數字世界中，建立一對多的關係非常容易，而建立一對一的關係就比較困難了。

對於這類具有價值的實體，區塊鏈系統通常採用通證（Token）進行價值治理，通過Token實現資產上鏈。這裡的資產既可指代實物資產，也可指代數字資產，“鏈”即區塊鏈。資產上鏈是將資產的所有權映射在區塊鏈上，與區塊鏈數字憑證（如Token）形成一對一的對應關係。理論上，任何資產都能夠上鏈，包括房產、汽車、金融產品、知識產權、對某些資源的訂閱訪問權等，上鏈后形成鏈上憑證。數字憑證的持有者身份即對應資產的所有權，目前在我國，基於區塊鏈的版權存證已在司法實踐中獲得法律認可。區塊鏈有去中心化、點對點網絡、分佈式賬本、時間戳、信息透明且不可篡改等特點。利用區塊鏈的這些特性，資產上鏈可以降低信任成本，簡化交易流程，提升資產的流動性。

區塊鏈的通證可以實現物理實體與數字體之間的一對一關係，防止有價值的數字體被無限複製。例如，以太坊的ERC-721標準規定了每一個Token都有唯一的Token ID，即每一個Token都是獨一無二的。使用ERC-721標準創造的數字孿生體就可以具有與物理實體一對一的唯一性。

區塊鏈的另一個優勢在於，在實現物理實體與孿生體意義對應時，並沒有完全限制數字孿生體可複製性的優勢，利用通證進行實體識別與所有權對應，而這個帶有所屬權的孿生體又可以在數字世界中進行多次模擬試驗，使資產、金錢這類實體也可以形成鏈上對應孿生體，構建更完備的鏈上數字世界。

（三）在數字孿生髮展的高級階段實現數字孿生體之間的交互

簡而言之，數字孿生“終極目標”是建立一個和現實世界對應的數字世界，即鏡像世界，不僅限於記錄過去的信息，更能模擬未來的環境變化及物理實體本身的變化，形成虛擬世界的“生態”。在這種生態下，數字體之間需要進行多重交互，其中必然涉及大量信息的傳遞和存儲。此時，設定眾多數字孿生體的個體運行機理、傳遞數字孿生體與物理實體之間的數據參數、設計數字體之間多種交互方式的內容，已難以通過中心化方式完成。

區塊鏈支持分佈式系統，每個節點保存有整個系統運行的信息副本，可以對自己保有的副本進行編輯修改，加入自己部分的孿生體相關參數，通過系統的共識機制，進而更新整個系統對於該孿生體的參數。分佈式系統分散了數字孿生體進行交互的巨大工作量，通過眾多節點的配合，能夠作為數字孿生體之間信息通訊的媒介，創建完備的虛擬世界。

四、數字孿生技術的應用場景分析

數字孿生技術的高級階段是構建鏡像世界，這不僅僅在技術上有很強的挑戰性，其應用思路也需要不斷調整。鏡像世界從構建對象的角度可以分為包含人、物、以及人與物交互的三類形式。

（一）落地“智能物聯”

“智能物聯”是以物為主體，對現實中存在的大量實物建立數字孿生體，通過區塊鏈連接保存這些孿生體的數據。當前大多數數字孿生體都是以實物作為物理世界主體，通過虛擬世界實現保存數據或仿真模擬試驗的目的，如飛行器孿生體等，其物理對象均為物。由於物體自身無法自主上傳相關信息，需要使用傳感器設備精確測量所需數據，再聯合物聯網實現信息上鏈，構建鏡像世界。例如，可以構建汽車的數字孿生體，記錄汽車的所有相關信息，解決二手車買賣市場中存在的“信息不對稱”問題。從汽車生產環節開始，以汽車的主要零部件為對象，結合物聯網技術，為所有汽車構建組件級數字孿生體。隨後，在汽車的出廠使用過程中，汽車的物聯網設備能實時將汽車的相關信息寫入數字孿生體中。與此同時，數字孿生體的所有記錄都保存在區塊鏈系統中。數字孿生、區塊鏈、物聯網技術高度配合，建立汽車為主體的“鏡像世界”。從數字孿生的技術角度上看，汽車的主要零部件即為此應用框架的現實物理域；測量與控制實體用來檢測並跟蹤主要零部件的狀態變化；在進行二手車市場交易前，消費者可以通過用戶域中的應用程序在區塊鏈上查詢一輛車中所有相關零部件的歷史狀態信息，從而可以知道哪些零部件經歷過維修、更換，還可以知道所有零部件的真實的使用情況（比如行駛里程等）。

在另一個冷鏈物流場景中，“區塊鏈+數字孿生”技術可以更好地進行監控。具體而言，為每個運輸物品配備傳感器設備，此設備可以感知物品所處的環境信息，如溫度、濕度、位置等，利用物聯網技術連接傳感器與區塊鏈系統，在虛擬世界中建立運輸物品的數字孿生體。在物品運送到目的前（甚至在物品被使用前），定時通過傳感器更新環境信息。所有環境信息的變動均被保存在區塊鏈上，可供人們隨時查看。這樣，在物品抵達用戶手中時，用戶可以通過數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程沒有問題。

以物理實體為主體建立數字孿生體，進而形成鏡像世界的應用場景還有很多，如商品的防偽溯源、智能供應鏈追蹤、農產品安全保證等。2015年，區塊鏈技術開發服務平台Everledger在倫敦創立，為每顆鑽石建立獨特數字孿生體，記錄用於識別鑽石的40個元數據（鑽石序列號、形狀、切割風格、大小、克拉數等）及其交易歷史。2019年6月25日，在全國食品安全宣傳周追溯體系建設研討會上，沃爾瑪（中國）正式宣布將啟動區塊鏈可追溯平台的建設，該平台能夠對沃爾瑪的部分商品追溯生產運輸過程。區塊鏈與物聯網技術的不斷發展，以及傳感器設備的逐步精進，都會為“智能物聯”的實現提供動力。

（二）創建“市民碼”

不但物品可以有相應的數字孿生體，人也可以。“市民碼”的創建，就是為每個人構建數字孿生體，而“市民碼”則比物體數字孿生體的難度更大。一方面，每個人所涉及的信息比物品的信息要複雜得多，如教育、醫療、身份、行程、消費等各個維度。另一方面，物體通過傳感器能夠採集構建數字孿生體的全部信息，而人的信息卻無法簡單採集。

人的數字孿生體則依賴於自己對信息的更新、多方對信息的審核認證以及大數據分析結果。例如，身份信息由用戶自己創建並進行實名認證，由身份認證方進行審核確保身份真實；關於健康狀況的信息由醫療機構提供，並根據體檢結果與病史記錄進行更新，此外健康手環等設備也可以進行適當的數據補充；消費行為會體現財富水平、消費地點、消費類型等信息；教育認證機構則能提供學歷證明。

“市民碼”通過數字化的形式進行記錄，並在需要時進行查看驗證。在人才招聘過程中，可以快速展示學歷、健康等；在就醫過程中，能夠調取過往病史。信息的高效暢通，能有效提高社會運行的效率，也能加強社會信任。除保存信息外，數字孿生體的另一個重要作用在於虛擬世界的模擬運行，能對未來一段時間的事件進行預測。就健康而言，大數據技術能夠結合體驗結果及每天的手環檢測結果監控人的身體狀態，對有慢性病的人群而言，能夠及時提醒身體指標的異常。“市民碼”則會根據孿生體的數據實時更新，對於超預期的事件進行警報提醒。

在創建和維護個人數字孿生體的過程中，區塊鏈技術有着不可替代的作用。首先，區塊鏈的唯一性可以保證個人數字孿生體是唯一的，從而不至於出現一個人對應多個數字孿生體的混亂局面。其次，區塊鏈的防篡改性可以保證數字孿生體中的數據真實有效。從理論上說，一個人從出生（甚至從胎兒時期）起所產生的信息就可以數字化、上鏈，隨着一個人的成長，鏈上信息也隨之不斷擴展。在人生命結束之時，數字孿生體的信息停止更新，但歷史記錄也並不會由此消失。最後，區塊鏈的非對稱加密技術可以為個人提供較好的隱私安全保護。區塊鏈一方面可以保障用戶隱私不會被其他任何人隨意使用，使用權都在用戶自己手上，而非平台手中；另一方面，在交易過程中，雙方的隱私都可以得到很好的加密處理，外人對其交易行為的了解只局限於過程層面，雙方的信息並不公開[16]。 

雖然個人數字孿生體的技術難度較大，但卻已經在現實生活中部分存在了。2020年，新冠肺炎疫情期間，許多公共場所均要求進入時出示“健康碼”。“健康碼”通過獲取使用者的定位，通過大數據判斷使用者的健康程度，以紅、黃、綠三種顏色來對人們進行分類管理。可以說，“健康碼”就是將一個人的位置信息、出行信息及健康狀況進行了數字化。推而廣之，如果提取更多的有關一個人的其他信息，就可以創建個人數字孿生體。例如，杭州正在不斷升級“健康碼”功能，將“健康碼”拓展至更廣泛的公共事業領域，使“健康碼”升級為“市民碼”。

（三）構建“智慧城市”

智慧城市是指以城市的生命體屬性為基本視角，運用區塊鏈、人工智能、數字孿生、大數據、物聯網、雲計算等新一代技術手段，一方面提高市民生活水平和質量，另一方面提升城市公共管理的運行效率和服務，從而能夠實現科學和可持續發展的信息化城市形態。智慧城市涉及到人們在城市生產和生活的方方面面，覆蓋智慧政務、智慧交通、智慧醫療、智慧教育、智慧環保、智慧住房、智慧能源和智慧物流等多維度、多層次、多領域的應用場景。智慧城市的建設，涉及到城市中多方面要素的數字化，在這個過程當中，“區塊鏈+數字孿生”可以發揮重要的作用。城市中的多種元素都通過物聯網設備建立對應虛擬數字孿生體，眾多數字孿生體之間以現實實體間的交互方式建立聯繫，構建具有完備要素的虛擬城市。基於此虛擬城市，可以開發多類應用。

“無人駕駛”就可以認為是基於智慧城市開發的應用之一。城市中的所有車輛、道路、環境、天氣通過物聯網設備同步運行數據至區塊鏈網絡，建立各自的數字孿生體，通過區塊鏈網絡進行集成，構成鏡像城市，使無人駕駛汽車能夠獲取現實世界中的全部信息，實現安全道路行駛。此外，也能完善司法政務、城市微電網、能源管控等多方面智能應用。

全國各地區均加快智慧城市的建設步伐。2017年6月，廣東佛山禪城區政府發布全國首個政務應用智慧城市，構建真實信用體系。智慧城市的底層技術採用區塊鏈技術，打通不同部門間的“數據孤島”，形成跨平台、跨部門、跨地區的城市數據，實現城市數據的協同互聯。智慧城市的構建依賴於現實城市中的數據。目前，禪城區的區塊鏈政務應用項目包括IMI身份認證、公證、食品安全和社區矯正等。

2019年底，雄安新區首席信息官張強表示，雄安智能城市與物理城市同步進入大規模開工建設階段，標誌着雄安數字孿生城的建設將進入快車道。2020年3月，雄安新區兩項智慧城市標準《智慧城市數字孿生系統安全機制》和《智慧社區安全機制》獲國際標準立項。除雄安新區外，包括北京通州副中心、南京江北新區、重慶兩江、貴州貴陽等眾多城市和地區在內的“數字孿生城市”基礎設施建設和落地應用已經如火如荼地推進。

五、“區塊鏈+數字孿生”面臨的挑戰

區塊鏈技術為數字孿生賦能，能夠為解決許多中心化系統難以解決的難題提供有效的思路。然而，就目前狀況而言，在區塊鏈+數字孿生技術的發展之路上，依然在監管政策、技術成熟等方面存在一定的阻礙。

（一）監管法規有待進一步完善

區塊鏈是一項新興技術，各國對區塊鏈的監管也尚在探索之中。為規範區塊鏈信息服務活動、促進區塊鏈技術及相關服務的健康發展，中國於2019年1月出台了首部規範區塊鏈技術應用的法規——《區塊鏈信息服務管理規定》（下文簡稱《規定》）。《規定》給行業的發展劃定了框架，但在一些具體的執行層面還需要進一步細化。例如，《規定》第六條要求區塊鏈信息服務提供者具備與其服務相適應的技術條件，且技術方案符合國家相關標準規範，但對“相適應的技術條件”“國家相關標準規範”沒有明確指向。又如，《規定》第九條要求區塊鏈信息服務提供者對上線新產品、新應用、新功能進行安全評估，但評估的標準和流程沒有提及。再如，《規定》在備案管理方面要求甚多，但沒有給出備案審核的標準。可見，對區塊鏈單個技術進行監管的體系尚未建立完善。

數字孿生技術雖萌芽較早，但在中國發展時間較短，當前的國家政策多處在宏觀鼓勵技術發展的階段，《關於推進“上雲用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》中提到：“支持在具備條件的行業領域和企業範圍探索大數據、人工智能、雲計算、數字孿生、物聯網和區塊鏈等新一代數字技術應用和集成創新。”而對於數字孿生技術的監管，鮮有在政策文件中提到。

區塊鏈+數字孿生不僅涉及兩種技術本身，也會涉及大量的企業、個人、社會的數據，甚至航天航空、軍事裝備等信息數據，若使用不慎則會產生較大安全隱患。對於合法合規使用區塊鏈與數字孿生體，使之真正產生社會效益，這有待監管法規的進一步完善。

（二）技術有待進一步突破

理論上，利用區塊鏈與數字孿生技術構建鏡像世界的想法確實非常吸引人。例如，能夠完整保存過去世界的信息，也能預測未來的趨勢。然而區塊鏈技術本身發展不夠成熟。

第一，區塊鏈的分佈式架構需要共識機制來確保數據的最終一致性，相對中心化架構來說，共識機制對資源的消耗是不容忽視的。此外，區塊鏈是一種只能附加、不能刪除的數據存儲技術。隨着時間推移，數字孿生體承載的數據量不斷增長，區塊鏈所需要的存儲空間逐步膨脹。共識所需的大量資源消耗與數據量佔用的存儲空間將會造成區塊鏈處理的滯後效應，這種延時反應引起的反饋時延、報警時延，在時延敏感的數字孿生虛擬世界運行上需要快速改進。

第二，隱私保護方面，由於虛擬世界涉及的數據量龐大，其中不少信息應當存在查看權限限制。認證用戶身份的常用技術為零知識證明，用於保證用戶在授權其他應用身份時是匿名的，無需透露身份信息。零知識證明本身是一種還未成熟的技術，且其需要依靠雙方的多次交互來進行，必然會導致效率的低下。而未來如果要使用安全多方計算，則對網絡資源的依靠會更加嚴重[17]。因此，如何在區塊鏈系統中快速達成共識、如何在壓縮儲存空間佔用與維持數據不可篡改性兩者之間進行合理權衡、如何保護虛擬世界的隱私安全，都有待考慮。隨着5G上線，將能夠進一步擴寬網絡的帶寬，一定程度上能改善這些問題，但從根本上解決上述問題，需要進一步的技術發展推進。

六、前景與展望

區塊鏈技術與數字孿生相結合，可以有效提高數字孿生體的數據可信性，建立高效率的工作和交互體系，目前，“區塊鏈+數字孿生”所構建的微型鏡像世界可在經濟生活中的多個領域發揮不可替代的作用。未來世界，區塊鏈將使數字孿生髮揮更大的作用，使數字孿生體全面覆蓋物理世界。物理世界中的每個實體都會有一個芯片，芯片採集實體的所有信息，並在虛擬數字世界中進行數字化複製，每個實體都存在虛擬複製品，即數字孿生體。大量數字孿生體進行集成，如同將現實世界的一面鏡子嵌入到電腦中，通過它便能看到這個世界的全貌。

第一，生活便利。構建鏡像世界可以為現實生活提供極大便利。結合AR技術在現實世界中疊加虛擬信息，反過來也能增強現實世界。這種增強可以來自視覺、聽覺，甚至觸覺，其目的主要是在感官上讓現實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具象化形象，可以與人類產生互動。它們將來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、手臂之類的動作變化、細微表情和情緒波動。此外，鏡像世界也更適合機器人和無人車的大規模普及，人類看到的世界，也是機器看到的世界。

第二，提升人類感知。區塊鏈+數字孿生的另一大優勢在於各參與方可以隨時隨地組織數據，可以將有關建築物的數據放在建築物本身所處的地方，一切都是三維的。任何人都可以透過計算機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，擴大可見視野，提升對三維世界的感知。

數字孿生所應用的技術距離完全成熟還有很長的路要走，區塊鏈與數字孿生均處在發展階段，而兩者的結合還需要攻克一些技術難關才能得以實現。雖然在這個過程中，需要面臨諸多挑戰，但可以確信，數字孿生在區塊鏈的構建系統下，能夠獲得深入應用，並在未來某一天實現“共智”，建立鏡像世界。

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