虚实融合网络：概念、形成及结构特征

2022-10-14高锡荣温平川

科技管理研究 2022年17期

高锡荣，刘璐，温平川

（重庆邮电大学经济管理学院，重庆 400065）

1 问题提出

互联网产业的上半场局限于虚拟网络，虚拟网络构造的是纯虚拟世界，虚拟世界与现实世界并没有直接的联系，虚实两界之间是分界清晰、彼此分离的。

以5G 技术的应用为标志，互联网产业进入到下半场。互联网产业的下半场不再受限于虚拟网络，而是将网络边界拓展到现实世界，进而形成虚实融合网络。换句话说，5G 技术是用来支撑万物互联的，而万物互联的本质就是将物理实体映射到网络空间，实现物理实体之间的网络联接，这种物理实体之间的网络联接就是虚实融合，世界亦将由此进入到虚实融合网络时代。

虚实融合网络打破了虚拟世界与现实世界之间的边界，使得虚拟世界与现实世界产生直接联系，虚实两界之间的界线趋于模糊。虚实边界的打破具有史诗般的意义，其革命性的影响将极为深远，并触及到现实世界的每一个角落。

由虚拟网络到虚实融合网络，网络概念将发生根本性改变，网络结构亦将出现巨大变化。那么，虚实融合网络究竟是一种什么样的网络呢？其基本特征有哪些呢？其网络结构与虚拟网络又有何根本差异呢？等等这些问题都是当前亟待探讨的前沿理论课题。为尝试回答这些问题，本文开展了相关的初步研究，旨在探究虚实融合网络的概念内涵、形成过程和结构特点，进而初步勾绘虚实融合网络的概念图景。

2 文献回顾

对虚实融合的相关研究：一是虚实两界关联性研究。Benjamin 等［1］发现虚拟世界的互联性受到现实世界的强烈影响；Dilla 等［2］证明欺诈行为在虚拟世界和现实世界具有相似性。二是虚拟现实技术研究。余亦豪等［3］研究多个实时监控视频流与虚拟场景融合显示，得到虚实融合实时画面；解愉嘉等［4］针对虚实融合视频压缩方法提出评价因子，构建压缩效果评价模型；闫甲鹏等［5］建立 Android 系统下虚实融合较为逼真的增强现实装配系统，解析渲染三维虚拟模型，界定虚实融合场景图层关系，构建虚实融合场景系统；王发麟等［6］构建基于增强现实的线缆虚实融合装配体系；王超等［7］基于图像渲染技术将二维室内图片转换为三维箱体模型，实现对家具模型虚实融合式自动布局；Salvetti 等［8］将增强现实应用于合作游戏。

对网络结构的相关研究：一是对社会网络分析法（SNA）在网络结构中具体应用的研究。苏屹等［9］通过分阶段整体网络研究知，三省市网络核心节点数量增多，网络整体呈现多中心化态势，核心节点位置泛化的同时节点与节点之间、子群与子群之间的联系随演化进一步加强。赵鑫等［10］研究发现SNA 从网络结构的角度研究村落公共空间，将公共空间的研究视角从单一物质评价转化为强调空间网络结构，具体来讲是以网络中成员之间的关系为基础，构建公共空间网络，着重分析网络的总体特征与节点关系。二是对城市网络结构的研究。Castell［11］提出了“流空间”理论，指出流空间重塑了社会的物质组成，即社会的物质财富和信息不是由城市拥有的要素决定的，而是由以城市为网络节点的各种“流”所构建起来的。梅大伟等［12］通过研究发现城市信息网络结构明显拓展但网络总体联系强度仍较低；省域内部信息联系强度高于跨区域联系，信息联系仍受行政区划的影响较大。唐艺烜等［13］指出福建省城市网络结构非均衡化程度较高，东南沿海城市的网络密集程度明显大于其他地区，厦门成为副中心城市，福州的核心地位有所弱化。三是对物联网结构的研究。陈迪隆［14］根据物设计要点，可将物联网主体结构划分为3 个层次，分别是感知层、网络层、应用层，其中感知层即感知物体；网络层即传输各种信息，进行网络数据分析；应用层是根据用户体验所开发，服务于前两个层次。胡斌等［15］发现，当今物联网技术及其引起的整体环境的变化会对消费者行为以及企业的生产经营方式，带来全新的冲击，从而导致企业组织结构根本性的改变。Kim 等［16］认为物联网作为一种整合“物”“网络”和“信息”的通信技术，其标志性技术包括传感技术、网络通信技术、追溯技术、平台技术等。Monostori［17］指出物联网领域的众多新兴信息技术，以有机的形式相互组合、协同运作、交互影响，从而形成一体化的物联网智能系统。

对网络效应的相关研究：一是对网络经济效应的研究。盛晓白［18］认为网络经济边际效用递增特征使得“物以多为贵”、普及比稀有重要；李军等［19］发现正是由于锁定效应、网络效应以及正反馈效应的作用，使得边际效用递增、“物以多为贵”；Cabus 等［20］认为网络经济驱使外部经济接管内部经济；张永林［21］证明网络经济外部效应可通过复制、共享与合作而内部化，产生超越传统规模经济的聚合协同效应。二是对网络产业形态的研究。何哲［22］认为网络经济供需双方直接信息交互，可大幅降低社会交易成本，是跨越计划与市场的新经济形态；江宇源［23］指出网络经济全民化、社会化将重塑产业竞争格局。三是对网络效应量化模型的研究。刘衍珩等［24］设计了可屏蔽网络节点“搭便车”行为的Bit Torrent 模型；茹少峰等［25］测算了网络经济资本深化的经济增长效应。

现有研究的不足：一是未见对虚实融合网络的概念界定与特征分析；二是未见对虚实融合网络的结构解剖与框架建构。

3 虚实融合网络概念及特征

3.1 虚实融合网络的概念内涵

虚实融合网络，是指以智能化物理实体的全息镜像作为主节点的网络。其中，实体与其镜像之间是互为映射关系的一对“孪生体”，两者高度相似、高度关联，形成实时动态交融关系。由此，虚实融合网络将其边界由虚拟世界拓展到现实世界，成为实时勾连虚拟世界与现实世界的智慧物联平台，并通过该平台实现虚实两界之间的实时互动。

虚实融合网络是多维异构的镜像传感网络。其中，物理实体配置智能传感系统，可以获得自感与他感功能，这一过程即为智能化（或称“传感化”）；物理实体通过智能传感系统可将其信息传输映射至网络空间，并在网络空间形成其镜像节点，这一过程即为网络化（或称“镜像化”）；不同类型的物理实体具有不同属性的传感系统，进而形成不同维度的镜像网络，这一过程即为多维化（或称“异构化”）。

3.2 虚实融合网络的基本特征

和虚拟网络相比较，虚实融合网络具有全新的特征见表1 所示。

表1 虚拟网络与虚实融合网络的基本特征对比

首先，虚实融合网络是以实物信息传感作为信息源头。虚实融合网络需要将物理实体的状态信息上传到网络空间，而物理实体的状态信息需由特定的传感装置来采集。这种采集物理实体状态信息的过程就称之为实物信息传感。具体来说，每一条实物信息的传感，都是通过嵌入到物理实体的特定传感器来承担的；而任何一个物理实体的整体状态信息则需要一整套传感系统来综合感知和传送。

其次，虚实融合网络是以实体镜像作为网络节点。实体镜像是物理实体在网络空间的映射投影，代表了物理实体在网络空间中的占位，并作为虚实融合网络的信息节点。换句话说，虚实融合网络中的信息传输，都是以实体镜像作为信号收发端口的。进一步来讲，实体镜像的成影，是由传感系统将物理实体的状态信息整体上传到网络空间汇聚而成。一般来说，实体镜像就是物理实体的数字孪生体，是物理实体在网络空间的存在形式。

其三，虚实融合网络属于多维异构网络。物理实体的状态信息是由特定传感系统采集上传到网络空间的，不同类型的物理实体拥有不同性质的传感器和传感系统。传感器和传感系统的异质性，导致一张网只能接受相同类型的物理实体信息，而不同类型的物理实体就要构建不同性质的网络。这种情形就使得虚实融合网络是由若干种不同性质的网络所组成，一种网络构成一个维度，多种网络就构成多个维度。

其四，虚实融合网络具有虚实两界交融特征。虚实融合网络通过实体镜像将现实世界和网络世界相勾连，从而使得现实世界和网络世界能够实时地相互感应和相互影响。一方面，现实世界中物理实体的状态信息会通过相应的嵌入式传感系统感应传输至实体镜像，从而使得实体镜像对物理实体产生感应；另一方面，实体镜像亦可通过传感系统向物理实体反馈信息，从而使得物理实体对实体镜像亦产生感应。物理实体与其镜像之间的相互感应，将会带来虚实两界的双胞共生与实时互动。

4 虚实融合网络的形成过程

虚实融合网络具有独特的形成过程，具体包括现实世界中物理实体智能化、智能世界中智能实体网络化以及网络世界中物联网络多维化等三大过程。

4.1 物理实体智能化

物理实体智能化（或称“传感化”），就是在物理实体当中嵌入种类众多、数量充足的传感器，组成一套智能传感装置系统，全方位感知物理实体的整体状态信息。传感装置系统就好比人体的神经系统，将赋予物理实体自感和他感的功能。自感和他感功能是智慧生物才具备的功能，因此，物理实体在配备传感装置系统之后就成为类似于智慧生物的智能实体（见图1）。物理实体的智能化或者说传感化，是构建虚实融合网络的基础和必要条件。一方面，只有智能化的物理实体才能采集自感和他感信息，并将信息传输到网络；另一方面，任何非智能化的物理实体是不能采集自感和他感信息的，亦不能将信息传输到网络。

图1 物理实体智能化过程

4.2 智能实体网络化

智能实体网络化（或称“镜像化”），就是将智能传感装置感知到的物理实体状态信息整体上传至网络空间，并在网络空间中建构物理实体的数字化镜像，再以实体镜像作为网络节点，形成“物-物”相联的物联网络。一般来说，只有同类物体才能采用相同的智能传感装置，进而形成一张同质的物联网，这种同质的物联网可以称之为单一物联网（见图2）。

图2 智能实体网络化过程

智能实体的网络化或者说镜像化，是构建虚实融合网络的核心关键。首先，智能实体的镜像化实际上就是将现实世界的物理实体映射到网络空间，在网络空间形成物理实体的数字化镜像；其次，物理实体的数字化镜像构成了虚实融合网络的信息节点，虚实融合网络中的信息传输就是在镜像节点之间进行的；其三，实体镜像同时还是勾连现实世界与网络世界的端口，虚实两界正是通过镜像节点而实现动态交融的。

4.3 物联网络多维化

物联网络多维化（或称“异构化”），就是不同类型的物理实体构成不同类型的物联网；不同类型的物联网之间既彼此独立又相互联通，共同组成一个多维异质的超级网络（见图3）。一般来说，不同类型的物理实体，由于物理属性的差异，各自所采用的智能传感装置亦是不同的。物理实体在智能传感装置上的不同，必然导致其镜像节点映射在形成及联结上的差异，从而使得不同类型的镜像节点只能存在于不同维度的网络空间当中。

图3 物联网络多维化过程

物联网络的多维化或者说异构化，是虚实融合网络最终成型的标志。首先，多维化源于物理实体属性上的差异，唯有多维化才能将属性千差万别的物理实体都映射接入到虚实融合网络；其次，多维化是一个动态增进的过程，多维化过程就是虚实融合网络不断发育和完善的过程；其三，传统虚拟网络是单维网络，而多维化赋予了虚实融合网络不同于虚拟网络的形式特征。

4.4 虚实融合网络形成图示

图4 形象地展示了虚实融合网络的形成过程。图4 以物理世界为起点，如汽车、家居、物流等都是现实世界当中的物理存在。

图4 多维异质虚实融合网络的三段式形成过程

第一阶段，物理实体智能化。对汽车、家居、物流等物理实体，按物理属性需要分别嵌入相应类型的智能传感装置，赋予物理实体类似于人体的自感和他感功能，使得汽车、家居、物流等物理实体转变为智能汽车、智能家居、智慧物流等智能实体。

第二阶段，智能实体网络化。将智能汽车、智能家居、智慧物流等智能实体的状态信息，通过智能传感装置采集并上传到网络空间，在网络空间映射成像，得到汽车、家居、物流等物理实体的数字化镜像，并以数字化镜像作为网络节点分别构成车联网、智能家居网、智慧物流网等单一物联网络。

第三阶段，物联网络多维化。将车联网、智能家居网、智慧物流网等单一物联网络，统一嵌入到同一张基础网络当中，整合成为一个多维异质的虚实融合网络。

5 虚实融合网络的内在结构

虚实融合网络具有明显超越虚拟网络的结构学特征，具体表现包括传感节点的海量性、网络节点的海量性以及网络维度的海量性。这些极限化的结构学特征，都是传统虚拟网络所不具备的。

5.1 海量传感节点

传感器与智能感知系统。传感器是嵌入物理实体，并赋予物理实体智能感知功能的电子器件。由于物理实体在功能属性和体内位置方面所具有的无限多样性，一个物理实体通常需要嵌入种类众多、数量庞大的传感器。把一个物理实体中的所有传感器整合关联在一起，就构成该物理实体的一套智能感知系统。

传感节点。传感节点就是物理实体传感系统中的智能感知节点，是与传感器一一对应的、传递物理实体自感或他感信号的端口。通常来说，一个传感器对应于一个传感节点；但也存在一个传感器对应于多个传感节点的情形。因此，一个物理实体拥有的传感节点数量，往往会大于该物理实体中的传感器数量。

传感节点的海量性。一般来说，一个物理实体就是一个巨大的信息库，信息库中的巨量信息需要安装巨量的传感器分别予以采集和传输。一方面，一个物理实体通常包含数量众多的基本结构单元，每一个结构单元的状态信息都需要分别感知；另一方面，任意一个结构单元的状态信息都是多维的，涉及空间位置、功能状态、时间动态以及视、听、味、嗅、触等众多层面，不同的信息维度都需要分别感知。由于一个物理实体需要感知的信息种类繁多，这就需要安装种类同样繁多的传感器；同时，每一种类型的传感器往往需要配置在该物理实体的不同部位，极端情形下甚至要遍布该物理实体的各个部位。这样一来，一个物理实体就需要配置海量的传感器，而海量传感器对应的就是海量传感节点。

智能感知系统的类神经性。无论是从功能上还是从结构上看，物理实体的智能感知系统，与人体的神经系统极为类似。首先，从功能上看，物理实体的智能感知系统本质上就是在承担类似人体神经系统的自感或他感功能，二者同样具有感知时间、空间及视、听、味、嗅、触等感官功能。其次，从结构上看，物理实体的智能感知系统是由种类繁多、数量巨大的海量传感器构成的，而人体神经系统也是由种类繁多、数量巨大的海量神经细胞构成的。据估计，人体神经系统约含1 000 亿个神经细胞，仅大脑皮层就有约140 亿个神经细胞，且各类末端感知细胞遍布人体全身各个部位。人体神经细胞的种类和数量，大致可以作为物体传感器种类和数量的计量参照。

汽车传感系统示例。图5 大致展示了汽车车体少量的代表性传感节点及传感系统。举例来说，发动机传感系统是由镶嵌在发动机不同部位、不同零件上的海量传感器组成，可实时监控发动机运行是否平稳并及时予以反馈，以便及时做出调整；轮胎传感系统是由安装在汽车内外轮胎各个位置上的众多传感器组成，可实时监控内外轮胎各个位置是否完好、是否有漏气、胎压不稳、车身侧偏等问题。此外，还有传动传感系统、行驶悬挂传感系统、车灯传感系统、转向灯传感系统、转向传感系统、空调及多媒体传感系统、后视镜传感系统、安全气囊传感系统等，且每一类传感系统都是由种类和数量众多的若干传感器所构成。一般来说，汽车的智能化程度越高，就需要配置更多的专业化传感系统，也就需要嵌入更多种类和数量的传感器。

图5 汽车车体传感节点及传感系统示意

5.2 海量网络节点

实体镜像与网络节点。将智能传感系统感知到的物理实体信息，映射并汇聚到网络空间，即可形成物理实体的数字镜像。虚实融合网络是由物理世界镜像映射而成的网络，其中每一个物理实体的数字镜像就构成一个网络节点；或者说，虚实融合网络就是以实体镜像作为网络节点的万物互联网络，虚实融合网络中的信息传输都是以镜像节点作为信息收发端口的。一般来说，一个物理实体至少拥有一个网络镜像，但亦可以拥有多个网络镜像。因此，镜像节点的数量要多于、甚至远远多于物理实体的数量。

网络节点的海量性。一般来说，物理世界中物理实体的数量是无穷多的。一方面，物理世界中物理实体的种类是无穷多的；另一方面，同一类型的物理实体，其数量也是趋于无穷的。鉴于镜像节点的数量要多于物理实体的数量，因而可以断定，虚实融合网络的镜像节点数量必定是趋于无穷多的海量。网络节点的海量性，将会导致虚实融合网络效应的爆炸式增长，并将远超传统虚拟网络效应。

虚拟网络与虚实融合网络节点对比。虚拟网络与虚实融合网络的网络节点对比如图6 所示。虚拟网络的网络节点是用户虚拟通信端口，它是一种纯虚拟节点，与物理实体没有对应关系。虚实融合网络的网络节点是物理实体镜像端口，镜像节点与物理实体之间有着孪生对应关系。从数量角度看，虚拟网络的虚拟节点数量受到人类用户数量的限制，而虚实融合网络的镜像节点则涵盖了现实世界的万事万物。显然，虚实融合网络节点数量要远远大于虚拟网络节点数量。

图6 虚拟网络与虚实融合网络节点对比

5.3 海量网络维度

物理实体类型差异与网络维度分化。虚实融合网络属于传感网络，即物理实体的状态信息是由嵌入其中的智能传感系统采集并上传至网络空间的。然而，只有同类物理实体才能安装相同的智能传感系统；而不同类型的物理实体，由于在功能属性上存在明显的差异，对传感器有着各自的特殊要求，因而所嵌入的智能传感系统是不同的。由于不同的传感系统拥有不同的镜像映射函数，因而不同类型的物理实体只能映射到不同的物联网络之中，这样就产生了网络维度上的不同。换句话说，同类物理实体是位于相同的网络维度当中的，即同一类型的物理实体自成一张物联网；而不同类型的物理实体则是被分割到不同维度的物联网络之中，即不同类型的物理实体形成不同的物联网。

物理实体多样性与网络维度海量性。如前所述，物理世界中物理实体的种类众多，且原则上是无穷多的。物理实体种类的无穷多，必然导致智能传感系统种类的无穷多；而智能传感系统种类的无穷多，又必然导致物联网络维度的无穷多。这样，虚实融合网络必定是由无穷多张不同维度的物联网络所构成，也就是说，虚实融合网络拥有海量的网络维度。网络维度的海量性，也是虚实融合网络效应爆炸的重要来源。

虚实融合网络海量维度图示。为形象地展示虚实融合网络的海量维度特征，不妨假设现实世界中拥有m类物理实体，则需要安装m类智能传感系统，相应地需要m种映射函数，进而在网络空间映射出m张物联网络，如图7 所示，其中，m具有趋于无穷大的性质，即网络维度数量呈现海量性。

图7 虚实融合网络的海量网络维度（）

对虚实融合网络的上述三大结构特征，分别从形成缘由、表现形式和计量特征3 个方面进行汇总提炼，结果如表2 所示。

表2 虚实融合网络的结构特征描述

6 虚实融合网络的跨界结构

虚实融合网络属于跨界网络，具备特有的跨界结构特征。具体包括物理实体的跨维度映射结构，以及虚实两界的跨界交融结构。

6.1 跨维度映射结构

物理实体的跨维度映射。跨维度映射，系指一个物理实体同时向虚实融合网络中多个物联网络维度映射成像。跨维度映射现象缘起于物理实体在分类上的多重性，一方面，物理实体的分类标准是灵活可变的，不同的分类标准会将同一物理实体划分到不同的分类学类型当中；另一方面，在相同的分类标准之下，同一物理实体可以处于不同的分类层级。一个物理实体会因分类标准和分类层级的不同而处于不同的分类位置，从而形成逻辑上的多重分类身份。物理实体的多重分类身份，会将同一物理实体映射到不同的网络维度，从而形成一个物理实体同时对应于多个跨维度的网络镜像。

跨维度映射示例。以汽车分类为例，按载运对象不同可以分为乘用车、货车、特种车，按载重量不同可分为小型车、中型车、重型车，按权属关系不同可分为公务车、商务车、家用车，等等。在多重分类逻辑下，同一辆轿车可以分别划归到乘用车、小型车、家用车的范畴，从而被分别映射到乘用车网、小型车网、家用车网。此外，同一辆轿车还可以分别处于车、乘用车、轿车等不同的分类层级，从而被分别映射到车联网、乘用车网、轿车网。这样一来，同一辆轿车在不同的物联网络当中都存在其网络镜像，进而形成一车多像的跨维度映射关系。

跨维度映射结构图示。图8 显示了虚实融合网络的跨维度映射结构。图8 中的某物理实体因分类标准、分类层级的不同，可以同时具备多重分类身份，进而可以同时映射到多个物联网络维度之中，形成一物多像的跨维度网络结构。

图8 虚实融合网络一物多像的跨维度映射结构

6.2 虚实交融结构

虚实交融关系。虚实交融，系指物理实体与其网络镜像之间，通过智能传感系统的双向信息交互反馈，达成相互影响对方状态与行为的过程。智能传感系统是联结物理实体与其网络镜像的纽带，一方面，智能传感系统采集物理实体的状态信息，并将实体状态信息向网络空间映射而形成实体镜像；实体状态如果发生改变，则其网络镜像亦同时发生相应改变。另一方面，网络镜像又可通过智能传感系统向物理实体反传信息，并约束物理实体按镜像反传信息调整其状态和行为；网络镜像如果发生改变，则物理实体亦同时发生相应改变。

虚实交融结构示例。图9 显示了车联网物象双向实时互动的虚实交融结构。物理世界中的汽车实体，经嵌入智能传感系统而成为汽车智能体；汽车实体通过智能传感系统采集其状态信息，并将汽车状态信息上传至网络空间，映射形成汽车镜像。汽车实体如果发生状态变化，则智能传感系统会实时感知变化并映射至镜像，进而促使镜像发生相应变化；反之，汽车镜像可以通过智能传感系统发布改变汽车实体状态的指令，并由智能传感系统约束汽车实体执行改变。汽车实体与汽车镜像之间的这种通过信息交互而发生的作用与反作用过程，实现了虚实两界的交融和联动。