“物−人−场”交互视域下，数字孪生技术的前沿探索

原文发表于《科技导报》2025 年第20 期 《 “物−人−场”交互视域下的数字孪生技术研究进展 》

随着新一代信息技术的融合创新，数字孪生（DT）技术作为推动数字化转型与智能系统演进的关键支撑，已广泛应用于工业制造、智慧城市、智能交通等领域。然而，现有研究主要聚焦于“物”的建模和分析，较少系统整合“人”和“环境”因素，难以满足复杂智能系统对多层次、全方位交互的发展需求。鉴于此，《科技导报》邀请电子科技大学计算机科学与工程技术学院游佳莉、助理研究员邓佳文、教授任福继等撰文，文章引入“物−人−场”交互视域，从智能物理实体（物）、智能个体（人）以及虚实融合环境（场）3 大核心维度，全面且系统地剖析数字孪生技术的研究前沿与进展，揭示三者如何相互作用、相互促进，为元宇宙的构建提供支撑，并围绕面临的关键挑战提出研究建议。研究成果为构建具备多主体协同感知、多模态智能交互与虚实融合闭环反馈的新型数字孪生系统提供了理论基础与实践启示。

新一代信息技术的集群式突破与融合创新，促使数字孪生（DT）技术迈入变革的新阶段。该技术作为数字化转型进程中的关键驱动力，其发展历程呈现出显著的阶段性演化的特点。然而，传统以“物”为核心的建模范式已难以契合复杂系统智能化演进的需求。针对这些挑战，研究人员正逐步将研究视角拓展到“物−人−场”的多层次交互框架。为了进一步介绍“物”“人”和“场”的差异和共性，表1在定义、核心技术等7个维度上进行了详细对比。

表1 “物−人−场”交互视域下数字孪生技术的异同分析

基于“物−人−场”交互视域，数字孪生技术正演化为一个动态开放、智能协同的虚实融合体系，能够支持多主体交互、环境自适应优化及智能服务升级。这一框架的提出，不仅有助于突破传统数字孪生在复杂场景中的局限性，还能推动数字人、AI与数字孪生的深度协同，进一步赋能工业智能化、智慧城市及元宇宙等新兴领域，为未来智能社会的构建提供技术支撑。

1 “物”：传统数字孪生的起点

1.1 数字孪生的理论起源和显著特征

数字孪生的概念可追溯到航天军工领域，其演化脉络可以划分为“技术探索、概念提出、应用萌芽、行业渗透”4个主要阶段，如图1所示。

图1 数字孪生发展历程

早在1969年，NASA就在阿波罗计划中首次应用了数字孪生技术；1991年，Gelernter提出了“镜像世界”这一类似概念；2002年，Grieves等正式提出了“数字孪生”概念，并构建了一个包含实空间、虚拟空间以及两者之间数据/数据流动的链接机制的“镜像空间模型”，用以阐述物理实体与虚拟副本之间的交互关系，如图2所示。

图2 数字孪生示例

随着物联网、云计算及人工智能技术的快速发展，数字孪生在2010年代中期受到广泛关注，并逐渐从静态仿真模型演进为动态、实时、可自适应的智能系统。工业4.0的推进使得数字孪生项目，如Verl得以普及。

数字孪生目前没有统一的理论体系，自其诞生以来，各研究与应用领域提出了很多定义。基于文献分析结果，研究发现数字孪生技术相较于传统数字化技术，展现出以下4个显著特征。

1）双向动态映射：数字孪生技术强调虚拟空间中构建物理实体的数字化表征，实现物理实体与其数字模型之间的双向映射、数据互联与状态交互。

2）实时同步检测：通过多源传感数据的实时采集，数字模型能够精确、动态地反映物理实体的状态变化。

3）共生共智：在“共生”层面，这一特性表现为数字孪生与物理实体在系统整个生命周期内的同步创建和协同发展。而“智能”方面：在微观尺度上，指的是数字孪生系统内部各模块间的智能资源共享；在宏观尺度上，则是在多个数字孪生系统组合形成的复杂系统中，各子系统间智慧因素的深度整合与协同优化。

4）闭环优化控制策略：数字孪生技术的关键效用体现在通过仿真手段制定优化策略，实现对物理实体的闭环式控制与持续优化。

1.2 国家重大需求

中国对数字孪生技术的战略意义予以高度重视，自“十三五”规划便开始部署相关政策，推动了该技术的试点与示范应用。步入“十四五”规划阶段，数字孪生技术被明确定位为支撑数字经济高质量发展的关键技术之一，标志着技术发展进入了加速阶段。如表2所示，政策支持力度不断强化，产业生态系统逐渐成熟，应用领域持续拓展，促进了数字孪生在多行业的融合。

表2 2023—2025年部分数字孪生相关政策概览

自2023年起，中央和地方政府相继出台了一系列政策文件，旨在支持数字孪生技术的研发、标准化建设及产业化应用。政策的持续推进不仅加快了数字孪生技术的应用实践，还显著提升了行业规范化水平。在国家政策的强力推动下，中国数字孪生技术正处于前所未有的发展高峰，产业生态系统日益完善，未来将在智能制造、智慧城市、虚拟仿真、数字经济等多个领域发挥更加关键的作用，为中国数字化转型和高质量发展提供坚实支撑。

1.3 数字孪生系统架构

图3展示一个完整的数字孪生系统框架，从底层的物理实体到顶层的应用场景，形成了一个从数字采集到智能应用的完整闭环。

1）数据层：可分为数据采集和数据融合2个子层，是数字孪生的基础。

2）功能层：为数字孪生提供通用技术支撑，通常包含4大模块，包含仿真引擎、可视化渲染、实时控制和分析优化。

3）建模层：是区分数字孪生与简单仿真的关键，需解决多尺度与多物理场耦合问题。

4）应用层：是数字孪生技术具体面向行业需求的关键环节。

5）隐私与伦理层：是贯穿全流程的防护网。

图3 数字孪生系统框架

1.4 数字孪生关键技术

在数字孪生系统的整体架构中，建模、渲染、仿真和物联网（IoT）4大核心技术相互协同，共同构建一个完整的数字孪生生态系统，如图4所示。进一步，表3介绍了这4大技术的主要手段、发展趋势以及主要局限性。

图4 数字孪生关键技术

表3 数字孪生4大核心技术解析

1）建模技术作为数字孪生的基础层，主要负责物理对象的数字化表征。这一过程不仅需要精确捕捉物理对象的空间特征，还要充分考虑其内在的物理特性和行为规律。

在几何建模中，主要用于构建高精度的3D形态，包括计算机辅助设计（CAD）、建筑信息建模（BIM）、点云重建等技术。在物理建模中，要用于模拟真实物理世界的力学、热学、电磁场等属性，典型方法包括有限元分析（FEA）和多体动力学（MBD）。AI技术加速了数据驱动建模的发展，核心方向包括：其一，深度学习与图神经网自动化建模；其二，强化学习+物理引擎，提高交互性；其三，生成式 AI（GAN、Diffusion Models），用于自动化生成逼真的数字孪生模型。

2）在可视化过程中，渲染技术扮演着重要的角色，它能够将数字模型精确转换为易于理解的可视形式。随着图形处理技术的不断提升，当前渲染技术的发展趋势主要体现在混合渲染策略、神经渲染方法的轻量化，多模态数据的实时融合及真实感渲染。

3）仿真技术则是数字孪生的“大脑”，通过物理仿真、离散事件仿真等方法，对系统行为进行预测和优化。它能够模拟各种工况条件下的系统响应，为决策提供科学依据。特别是在结合人工智能技术后，仿真精度和效率都得到了显著提升。仿真技术在数字孪生中的应用正朝着多尺度融合、高效实时计算和智能增强模拟方向发展。

4）物联网技术作为连接物理世界和数字世界的纽带，依托传感器网络、边缘计算等关键技术，实现了数据的实时采集与传递。

1.5 数字孪生技术的典型应用案例

数字孪生技术作为数字化转型的核心引擎，正从传统的物理场景建模向更复杂的环境与系统仿真拓展，逐步形成“场景孪生”这一重要应用方向。

1）文化保护领域。数字孪生技术为文化遗产的数字化保存与活化利用提供了创新解决方案。任福继研究团队以“科技赋能文化传承”为核心理念，系统性地开展了文化遗产数字化保护研究，如图5所示。这一案例的成功实施为后续中国传统文化的保护提供了指导。

图5 元宇宙−文化保护解决方案框架

2）天文领域。随着数字孪生技术的兴起，为天文学研究提供了全新的工具和方法，如图6所示。数字孪生正在为天文学的各个层面提供新的思路，不仅能够帮助天文学家更高效地进行研究，还能将宇宙的奥秘以更加直观和生动的方式呈现给每一个人。

图6 数字孪生和天文领域结合的案例

2 “人”：数字AI驱动的数字人技术发展

2.1 数字人定义与发展脉络

数字人是指通过计算机图形学、人工智能、动作捕捉等先进技术，实现形象逼真、行为拟人、可实时交互的虚拟人物。

1）第1阶段（20 世纪80—90年代）是基础计算机图形学（CG）虚拟人物阶段，这一时期的虚拟人技术主要依托于计算机动画和三维图形技术。这一阶段的虚拟人物虽然在视觉效果上取得突破，但仍存在动作表现机械化、交互功能缺失等技术局限，主要依赖离线渲染实现，单帧渲染时长可达数小时，应用场景主要集中在影视特效领域。

2）第2阶段（21世纪初—2015年）是动作捕捉与实时渲染阶段，这一阶段以动作捕捉（MoCap）技术与实时渲染技术的突破性发展为标志，实现了虚拟角色从静态呈现到动态交互的重大跨越。

3）第3阶段（2016年至今）是AI驱动的智能数字人阶段。随着深度学习、自然语言处理和计算机视觉技术的突破性发展，数字人实现了从单向展示到智能交互的质的飞跃。

由于虚拟数字人的核心价值是提供类“人”服务于体验，可以将现有的数字人按照交互能力和视觉风格等维度进行类型划分，如图7所示。

1）按照是否具备和用户交互的能力，可以将虚拟数字人划分为交互型和非交互型。进一步地，根据驱动方式的不同，交互型数字人可以细分为AI驱动型和真人驱动型。

2）根据视觉风格的不同，虚拟数字人可以划分为2D数字人和3D数字人。这种数字人模型特别适用于对真实感和交互性要求较高的应用场景，例如虚拟偶像、虚拟客户服务、虚拟导览服务等。

图7 按照交互能力和视觉风格进行数字人划分的框架

2.2 国家重大需求

为了促进数字人技术的健康发展，各国政府和国际组织纷纷出台相关政策支持。从政策发展历程来看，国内数字人相关政策的出台可追溯至“十三五”时期。国家提出信息化发展战略，并相继发布人工智能技术发展规划、虚拟现实产业发展规划等重要政策。进入“十四五”时期，国家进一步深化“数字经济”发展规划，全面推动社会数字化转型，夯实数字人相关的核心技术体系，为该领域的创新发展提供了良好的政策环境和广阔的未来空间。

总体来看，数字人产业的政策支持体系已从早期的信息化战略逐步发展为覆盖技术研发、产业创新、人才培养和场景应用的全链条支持体系。在国家和地方政府的持续推动下，数字人产业正迎来前所未有的发展机遇。

2.3 AI赋能下数字人的核心技术

数字人的核心能力主要体现在形象建模、语言表达和多维度交互3个关键维度。如图8所示，这3个维度协同作用，使数字人不仅外观逼真，还能与用户建立情感连接，提供个性化服务。目前这3个维度的研究进展如下。

图8 数字人构建的关键要素

1）形象建模旨在通过高精度的3D建模、动作捕捉和渲染技术，打造出逼真且富有表现力的虚拟形象，使数字人在外观、表情和动作上与真人高度接近，甚至突破物理限制，创造出更具艺术性或功能性的视觉体验。同时，在个性化情感交互方面，数字人应综合考虑用户的长期偏好与实时情感状态，动态调整交互策略，从而提供更加自然、贴心和沉浸式的互动体验。

2）语言表达旨在通过自然语言处理（NLP）和预训练模型，实现流畅、自然且富有情感的人机对话。通过深度学习和上下文理解，数字人能够准确捕捉语境、表达情感，并在多语言、多场景下提供精准的交互服务。语音合成技术（TTS）与语音识别系统（ASR）的结合，使数字人能够准确理解人类语言并做出智能化响应。在语音合成技术的基础上，为提升数字人声音的个性和情感表达能力，研究者采纳了情绪检测与语音变换技术。同时，为了适应国际用户群体，当前的语音合成技术实现了对多语言及方言的兼容性。

传统数字人已实现流畅的语言表达，且大语言模型的突破性发展为数字人语言交互带来了质的飞跃。随着数字孪生技术的深度应用，数字人的语言表达正在经历从机械发声到情感化交互的范式转变。这一演进主要体现在以下2个维度：首先，在语音生成层面，数字孪生技术通过整合多维用户数据，实现了高度个性化的语音合成。其次，在多模态协同层面，数字孪生建模技术构建了语音、唇形与表情数据的动态关联网络。这种跨模态的精准映射确保了数字人在语言表达时，口型动作、面部表情与语义内容的高度一致性。

3）多维度表达。目标是通过情感计算、个性化算法等技术，赋予数字人独特的行为模式、性格特质和情感反馈能力，使其能够在交互中展现出更丰富的层次感和真实感，实现多模态优化转向跨模态时序与语义一致性建模，从而为用户提供沉浸式、个性化的体验。

随着大模型的出现，大模型推动了多模态技术的深度融合，使数字人在视觉、听觉、触觉等多维度上实现协同表示，进一步增强了其在虚拟环境中的真实感和沉浸感。随着数字孪生的演进，数字人的多维度交互能力已实现从单向指令到情境感知的质变突破。这一进步主要体现在以下2个关键维度：

• 首先，在环境感知层面，数字孪生技术通过构建虚实融合的空间映射系统，使数字人能够实时感知并理解物理环境状态。

• 其次，在情感交互维度，数字孪生系统整合了用户生理数据（如心率、表情变化）与行为特征，构建了闭环反馈机制。

2.4 数字人技术的典型应用案例

1）传媒领域中的应用。

2024年，山东一千河数字科技开发的“海蓝手语数字人”系统入选中国正能量传播网络AI精品案例，已在山东和宁夏广播电视台应用；中国政府网推出2位AI集合多模态模型的数字人作为政策讲解员，实现文字到视频的自动生成；青岛互联文化传媒通过数字人名片，提升了社交分享率和信息承载量；搜狐科技表示广州虚拟动力推出的AIGC 3D数字人视频创作方案，适用于新闻、综艺等节目，如图9所示；微软小冰作为社交网络虚拟伴侣，展示了AI数字人在社交互动中的潜力；粤传媒制作的《五羊传说》和《南粤水韵，前年龙行》短片，展示了AI技术在文化传播中的创新应用。

图9 3D数字人进行新闻播报

基于真实人物的数字人部分应用包含：2025年，两会期间，全国人大代表张敏的专属数字人通过对接大模型（如 DeepSeek），提供智慧对话服务，如图10所示，助力履职能力提升，该数字人依托数字孪生和深度神经网络技术，实现高度逼真的形象、音色和智能交互。

图10 基于真实人物的数字化复制品提供对话服务

2）教育领域的应用。

中阿卫视使用数字人主播“毕诺−D”进行阿拉伯语新闻播报，如图11所示，显著提升了远程教育的效率；部分高校利用数字人技术制作校园文化宣传视频，吸引了更多学生和家长的关注；风平智能的数字人可以为教育培训提供更加个性化的学习和培训体验。世优科技的AI数字人系统帮助教师创建数字人分身，大幅提升了效率。任福继研究团队构建了一个较为主流的可实时交流的AI数字人，如图12所示。数字人在教育领域的应用涵盖了从个性化学习到远程教育、从虚拟实验到情感陪伴的多个场景。这些应用不仅提升了教学效率和学习体验，还推动了教育资源的公平分配和教育模式的创新。

图11 春节期间数字人播报新闻

图12 任福继形象的高精度AI数字人形象

数字人技术的发展已形成2大主要方向，完全虚拟构建的数字人和实体映射数字人。无论是纯虚拟的数字人还是实体映射的数字人，其技术演进和应用深化都离不开数字孪生场景的关键支撑。这种虚实融合的技术生态，正在推动数字人向更智能、更协同的方向发展。

3 “场”：物与人融合构建的元宇宙生态

3.1 元宇宙的理论起源

元宇宙（metaverse）这一概念最早由美国作家尼尔·斯蒂芬森于1992年提出，描述了一种与现实世界平行存在的虚拟世界，人们可在其中拥有独立身份并进行社会交往、经济交易、文化活动等。元宇宙被认为是一种虚拟与现实无缝链接、深度融合的数字世界。尽管目前尚无统一的权威定义，但在现有研究中普遍认为元宇宙是通过科技手段创造的、与现实世界进行映射交互的虚拟空间，并在此基础上形成具有新型社会经济体系的数字生活环境。

从学术角度看，元宇宙研究体系通常被概括为6个主要方面，这6大技术的英文首字母组成“BIGANT”，被称作元宇宙的“大蚂蚁”。Ren等在此基础上进一步完善，加入了人工情感技术，并提出了“A BIGANT”的元宇宙研究体系，如图13所示。

图13 元宇宙核心技术体系“A BIGANT”

元宇宙作为一种新兴的概念和技术领域，其关键特征主要包括以下4个方面。

1）沉浸式体验：在元宇宙的构建中，高保真的虚拟现实技术带来了沉浸式体验，实现了超越现实的感官融合。

2）虚实交互融合：元宇宙不仅是一个虚拟世界，更是与现实世界的无缝对接。

3）社会性：元宇宙中的虚拟空间不仅是个人存在的场所，还是一个活跃的社交网络。

4）经济系统：元宇宙的经济体系以虚拟资产的创造、流通和交易为基础，构建了一个完整的虚拟经济生态系统。

3.2 国家重大需求

全球各国均对元宇宙发展予以高度重视，并相继出台相关政策进行引导。从政策维度而言，中国已针对元宇宙建设颁布了一系列具有指导意义的政策，旨在推动其实现健康且有序的发展。当前，中国已有上海、武汉、合肥、无锡、杭州、南昌、厦门等近40个省市政府先后发布元宇宙建设规划，提出重点发展元宇宙相关产业，元宇宙成为各界瞩目的焦点，新模式新业态层出不穷。国外政府已开始纷纷布局元宇宙。各国政策的颁布为教育的数字化转型的实现提供了政策支持。

尽管各国政策走向各有侧重，却无不致力于元宇宙的有序化布局，旨在促进其规范化的进步。可以预见，大力发展元宇宙将成为未来数字经济的重要趋势。

3.3 数字孪生技术在元宇宙场景构建中的关键作用

数字孪生与元宇宙是近年来备受瞩目的2个概念，二者既存在诸多相似之处，亦有不少差异。数字孪生是一项融合实际物理对象或系统数字模型与实时数据的技术，旨在达成对实际对象或系统的实时监测、预测及优化。

从技术演进维度审视，元宇宙的构建可划分为具有递进关系的3个技术层级，其中，数字孪生层作为基础阶段，在元宇宙架构中占据着极为关键的底层支撑地位，其发挥的关键作用如表4所示。然而，要实现可交互的数字孪生和全面的元宇宙体验，动态场景的数字孪生成为技术实现的核心突破。在此过程中，虚拟世界中的场景和环境能够实时响应并调整以契合现实世界的动态变化，使得虚拟空间具备“自适应”能力。动态场景的数字孪生技术为元宇宙中的交互性、真实性和沉浸感提供了强有力的技术保障。

表4 数字孪生技术在元宇宙场景构建中的关键作用

3.4 数字人与元宇宙交互融合技术分析

随着元宇宙技术架构的迭代更新，数字人作为连接现实世界和虚拟空间的关键媒介，在提升虚拟角色交互性与沉浸感的同时，也为元宇宙社交场景中的情感计算与反馈机制提供了新的技术实现路径。数字人在元宇宙中的应用大大提升了用户的参与感和沉浸感，成为构建更加真实和互动的虚拟世界的关键要素（表5）。

表5 数字人在元宇宙场景构建中的关键作用

3.5 “物−人−场”三元交互的数据流框架

在综合分析“物”“人”“场”3个要素的基础上，提出了“物−人−场”三元交互模型。该模型由3个核心模块构成：物理实体、人（自然人和数字人），以及虚实融合环境，构建起一个多模态协同、动态响应的交互系统框架，如图14所示。

图14 “物−人−场”三元交互的数据流框架

该模型中的交互网络主要涉及3类关键数据流路径。

1）“物”到“场”的数据流路径主要体现在物理实体对虚拟环境的实时映射能力。

2）从“人”到“场”的数据流路径聚焦于自然人、数字人与虚拟环境之间的智能交互过程。

3）从“场”反馈至“物”与“人”的数据流体现了虚拟环境的响应能力与闭环控制特征。

3.6 国内外典型元宇宙应用案例

随着“物−人−场”三元交互系统理论的逐步完善，虚实融合的元宇宙形态也正在由概念走向应用。游戏领域是当前元宇宙应用最为成熟的领域之一，凭借其天然的交互性与沉浸性，为元宇宙的场景搭建、身份建构与经济体系探索提供了理想试验场。国外典型代表如Roblox和Fortnite，为用户提供了高度自由的数字体验空间。国内方面，以《原神》《幻塔》等开放世界游戏为代表，推动游戏从传统线性叙事向持续演化的沉浸式虚拟世界转型。这些探索不仅展现了“物−人−场”融合下元宇宙实践的活力，也为其他行业提供了跨界参考路径。

教育场景成为元宇宙融合发展的重要延展方向之一，教育类元宇宙更强调教学功能性与学习效果的提升。其核心在于打破传统教育中时间、空间和资源的限制，通过虚拟现实、增强现实等技术提供更具互动性和参与感的学习体验。国外如Engage VR和Meta的Horizon Classrooms等平台，借助VR/AR（虚拟现实/增强现实）技术构建可多人实时互动的虚拟课堂，支持跨地域协作教学和学科资源共享；同时，沉浸式语言学习、虚拟科学实验等应用场景已被广泛验证其教学有效性。国内高校和科技企业也积极响应元宇宙发展潮流，推动其在教育领域的深度应用，涌现出一批兼具本土特色与技术创新的示范项目。例如，清华大学打造了“元宇宙校园”，南开大学则开设了国内首个本科层面的元宇宙选修课程，山东大学开发了虚拟校园导览系统，西北大学建设了陕西省首个元宇宙校园平台。

随着元宇宙的不断成熟，商业领域的应用日益丰富多样，涵盖了零售、房地产、制造、金融等多个行业。国外方面，耐克以“数字替身+虚拟产品+Nikeland”重构品牌营销要素；Matterport利用数字孪生技术，为房地产经纪公司和门户网站打造虚拟3D看房体验；西门子的虚拟协同仿真元宇宙实现产业链上下游各环节在统一虚拟环境中的实时动态模型调整；摩根大通成为华尔街首家进军元宇宙的银行。国内则涌现出阿里巴巴虚拟购物空间和数字藏品经济、碧桂园智慧社区数字孪生管理、华为智能工厂数字化升级，以及建设银行在数字货币与虚拟资产交易上的创新实践。

3.7 教育元宇宙生态的应用案例

在教育元宇宙的构建中，“物−人−场”三重交叉关系不仅使每个要素独立发挥作用，更通过相互协同使得教育元宇宙能够真正实现沉浸式、个性化、智能化的教育模式，从而突破传统教育的时空限制，带来前所未有的教育体验，如图15所示。

图15 教育元宇宙的组成示例

1）物与人：物理环境和数字人的交互。在教育元宇宙架构下，物品的数字映射与虚拟人物的交互构成了教育活动的核心要素。一方面，虚拟教师与现实环境之间的互动表现为虚拟教师能在数字教室复制品中“实施”教学活动，并通过智能感知技术的应用对教学素材进行动态调整。另一方面，学生的虚拟化身（数字孪生）能够直接与数字孪生实验设备进行交互。此外，为了实现更加真实与沉浸的教学体验，教育元宇宙中的交互不应仅局限于虚拟空间，还需进一步拓展至现实用户与物理场景的融合交互。

2）人与场：虚拟人与虚拟场景的融合与互动。在教育元宇宙的构建中，“场”不再局限于静态的教育场所，而演变为一个集动态交互与智能技术于一体的动态环境。一方面，在虚拟教育环境中，学生得以通过其数字化身便捷地参与跨国界的虚拟课堂，并与来自世界各地的同龄人进行实时交流。另一方面，“场”为学生营造出沉浸式的互动体验。进一步地，虚拟场景的智能响应能力使其不仅作为教学的背景环境存在，更逐步演化为具备感知与反馈能力的主动教学参与体。

3）物与场：物理环境与虚拟教育场景的融合。在教育元宇宙的构建中，物理环境的数字化映射与虚拟环境的融合构筑了一种新型的虚实结合的教育互动空间。一方面，虚拟实验室与实际设备的交互为学生提供了一个全新的实验平台。另一方面，实体教室与虚拟课堂的协同作用扩展了教育活动的边界。

4 “物−人−场”交互视域下数字孪生技术的挑战与趋势

4.1 “物−人−场”交互面临的研究挑战

数字孪生技术经历了从传统的“物”的单一对象仿真，到AI驱动的“人”的智能交互，再到虚拟融合的“场”生态建设的发展阶段。但如图16所示，在“物−人−场”融合的新范式下，仍面临诸多共性技术挑战。

图16 “物−人−场”交互面临的研究挑战

1）多源异构数据融合与实时交互挑战：在“物−人−场”深度融合的教育元宇宙与数字孪生系统中，实现高效、低延迟的多源异构数据融合是系统智能化的基础。为此，亟需构建具备鲁棒性的多模态数据处理架构，引入数据清洗与标准化机制，提升数据质量的一致性与可靠性；同时，加强数据生命周期管理，借助加密存储、访问控制与联邦学习等技术，保障数据在使用过程中的隐私与安全。

2）虚实映射的精准度与复杂度问题：高精度虚拟建模与实时仿真是数字孪生系统实现“真实世界映射—虚拟世界预测—现实控制反馈”闭环的核心能力。未来数字孪生系统的建设亟需探索轻量级建模方法、分布式渲染技术、多层次算力协同机制以及高效的数据压缩与同步算法，才能在保持虚实映射精准度的同时，实现系统运行的高效性、稳定性与可扩展性。

3）AI交互技术的智能化与鲁棒性挑战：在“物−人−场”交互融合体系中，人工智能交互技术作为数字人驱动、人机融合，以及环境适配的核心引擎，正日益发挥关键作用。未来，唯有在保持高精度交互的同时兼顾可解释性与稳定性，AI系统才能真正支撑“物−人−场”融合环境中的智能化、可持续的人机协作。

4）虚拟经济与治理标准缺失的问题：随着元宇宙生态体系的不断扩展，虚拟经济正逐步成为其核心支柱之一。未来需要从技术与制度2个维度同步推进：在技术层面，应构建可信身份认证机制、可验证数字资产标准以及跨平台的资产互通协议；在制度层面，应加快构建虚拟经济相关法律体系与治理机制，推动建立面向元宇宙环境的国际通用标准与多边监管合作框架，从而实现虚拟经济的合规发展与风险可控。

4.2 “物−人−场”交互视域下未来研究方向

1）构建智能化且具备多层次架构的数据融合框架。为实现多源数据的更优融合，可从局部传感器至全局数字孪生模型设计多层次的数据融合架构。

2）研究 AIGC（生成式人工智能）赋能的智能虚实映射与虚拟原生进化。面对虚实映射的精度与复杂性挑战，AIGC能够自主生成新的数字孪生；针对现有数字孪生在泛化能力上的不足，AIGC创造了全新的虚拟场景；AIGC能够构建出有助于深度理解的生动场景，从而增强用户的沉浸体验与互动热情。

3）构建新的虚拟经济与智能化治理体系。一方面，区块链与智能合约的应用有望解决虚拟资产的所有权界定及交易过程的透明度问题；另一方面，AIGC技术对虚拟资产交易数据的分析有助于自动揭示交互环节中的欺诈隐患。

未来，随着大模型、联邦学习、边缘计算等技术的持续突破，AIGC+数字孪生将具备更强的自主学习、决策优化和创造新环境的能力，在工业、医疗、教育、智慧城市等领域释放更大的价值。

5 结论

数字孪生技术作为工业制造、人工智能和虚拟现实等多个领域高度关注的前沿技术，正不断推动虚拟与现实世界之间的深入融合，“物−人−场”的交互视域清晰地体现了数字孪生技术发展的完整路径与演变趋势。围绕这一内在的发展逻辑，我们的研究系统地综述了数字孪生技术在不同发展阶段的研究进展与技术细节，并总结了“物−人−场”交互视域下数字孪生技术所面临的共性技术挑战，从技术发展趋势视角进行预测。

本文作者：游佳莉、邓佳文、焦子韵、罗阿理、宋轶晗、邱波、任福继

作者简介：游佳莉，电子科技大学计算机科学与工程技术学院，博士研究生，研究方向为情感分析、大模型技术等；邓佳文（通信作者），电子科技大学计算机科学与工程技术学院，助理研究员，研究方向为人工智能、大模型技术、情感计算等；任福继（共同通信作者），电子科技大学计算机科学与工程技术学院，教授，日本工程院院士、欧盟科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士，研究方向为先进智能、情感计算、智能机器人等。

文章来 源 ： 游佳莉, 邓佳文, 焦子韵, 等. “物−人−场”交互视域下的数字孪生技术研究进展[J]. 科技导报, 2025, 43(20): 62−84 .

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