数字孪生作为人工智能时代人类认识和干预自然系统的新型技术范式，正在重塑人与自然关系的底层逻辑。数字孪生海洋系统是一个信息技术和智能技术支撑的基础设施。在全球面临气候变化、生物多样性锐减、海洋污染三重危机的背景下，它通过集成各种来源的数据，精确映射自然海洋系统，为预测未来情景、优化资源利用提供了强大的治理工具。因其丰富的数据资源和经济功能，数字孪生海洋系统还是一个承载着权力规则、责任分配与利益博弈的治理场域。数字孪生海洋既是全球治理的技术工具，也是全球治理的对象，而且其引发的治理变革已超越单一国家的主权边界。

从机遇和挑战角度看，作为技术发展初期的数字孪生海洋系统，比起20世纪90年代互联网技术领域主要由美国独家垄断的情形，现在主要技术大国之间的竞争是比较均衡的，有利于促进数据感知系统和数字孪生系统更快速地在全球布局和应用。大国之间不同的技术发展路径也给了国际社会更多的治理工具的选择，国际社会利用新技术促进海洋高效治理的机会大大增加。在数字孪生海洋系统快速建设的同时，治理机制相对落后的矛盾已经出现。如何管理好大国之间在这一领域的竞争，引导竞争朝着理性和善治的方向发展？如何缩小全球南方国家与技术优势国家之间在海洋治理现代化的差距？如何借助数字化、智能化实现海洋高效治理的人类共同目标？这些都是全球治理研究界应认真思考的问题。全球治理须对这些矛盾和挑战做出机制上的回应。

联合国"海洋科学促进可持续发展十年"计划框架下的海洋数字孪生工程，正试图构建海洋治理数字化、智能化的全球架构，在推进全球数字孪生海洋建构的同时，也从技术规划和国际合作层面注重兼容机制和公平参与的全球治理。当前大国间地缘政治竞争日益激烈，中断国际间技术和经济联系时常被用作压制战略对手的手段，这些都为数字孪生海洋服务于全球治理设置了巨大障碍。

新质生产力的一个重要衡量标尺是，人类在其生产活动和治理活动中多大程度上运用了新技术，多大程度上发展了新领域、新业态和新模式，多大程度上应对了新挑战，以及在多大程度上建立起新的生产关系和治理机制。

1.1数字生态文明转型中的共性关键技术

新质生产力能够帮助人类寻求绿色发展之路，解决人类发展的增长极限问题。习近平总书记在谈到健全美丽中国建设保障体系时特别强调，要"深化人工智能等数字技术应用，构建美丽中国数字化治理体系，建设绿色智慧的数字生态文明。"

在海洋领域建构美丽中国数字化治理体系，那就要以新一代信息技术为支撑，以全要素、全维度的观测数据为基础，通过集成实时数据、预测建模、高级分析和创建海洋的数字副本，提升海洋科技创新能力，构建可持续海洋产业体系，建立中国的数字化海洋治理体系，实现海洋决策科学化、治理精准化和生产智能化，建设绿色智能的海洋生态文明。

数字孪生使我们能够模拟各种条件下假设情景，从而实现有效的保护和治理。它革命性地建构了"认知---决策---行动"的海洋治理过程，将治理范式从"经验驱动"向"数据推演驱动"跃迁。它的社会价值，源自全要素感知网络，量子化的建模能力，以及镜像、预测和模拟方案。依托卫星遥感、岸基、水面、水下传感器阵列与人工智能物联网，可以对海洋参数进行高密度和高精度监测。通过量子计算与深度学习融合，数字孪生海洋可在数十小时内完成关于海洋物理过程、海洋化学过程的模拟，进而构建多重维度、多重变量的数字海洋镜像，帮助决策者在虚拟空间测试成百上千的政策干预方案和潜在后果。

数字孪生平台是产业革命一项重要通用目的技术。从经济学概念讲，通用目的技术通常指产业革命中的关键共性技术。它的通用性使其应用场景广阔，具有溢出效应，从最初的特定应用拓展到全社会应用，促进生产和管理方式的效率和优化，其外部性产生的社会效应会超过创新主体的私人收益。共性关键技术具有的集成能力，使其成为推进产业革命的新型基础设施。在现代技术史上互联网和全球导航卫星系统曾具有类似的地位。2020年4月，国家发改委根据中央关于推进中国式现代化的精神，对新型基础设施作了权威界定："新型基础设施是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系，包括信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施三个方面。"发改委也将数字孪生技术列为中国"上云、用数、赋智"行动的关键七项新技术之一。发改委的方案指出："加快数字化转型共性技术、关键技术研发应用。支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。"

1.2新技术运用改变人类与海洋的互动模式

共性关键技术的运用可以改变人类与海洋的互动模式。以数字孪生海洋为要件的数字海洋基础设施，是以新一代信息技术为支撑，以海量、全时空、多尺度、多类型动态海洋数据为基础，实现海洋数字化、网络化、智能化，是构建现代海洋产业体系、提升海洋科技创新能力的重要基础，是提升海洋治理体系和治理能力现代化水平的重要引擎。

从新技术运用角度看，数字孪生海洋系统通过持续动态的数字映射，为人类提供了两面认知海洋的镜子：一面是对当下海洋的物理---生物---化学系统进行实时镜像的"现在之镜"，一面是模拟多情景演变的"未来之窗"。这种对海洋系统的全要素透视与前瞻推演能力，使人类首次获得对占地球表面70%的海洋进行精确诊断与干预规划的能力，从海洋环流建模到渔业资源管理，从台风路径预测到海底采矿影响评估。这项技术的应用可以完成海洋治理向智能化迁移，形成人类与人工智能协同决策机制。数字孪生技术在海洋领域的运用是生产工具的革命性变化，数据成为新的生产资料，运算力和推演能力成为生产工具及其效率的一部分。该项技术的运用体现了新质生产力在破解"利用和保护"二元张力方面的特殊能效，极大地平衡了人类开发利用海洋和保护海洋环境之间的矛盾。

数字孪生海洋的出现代表了海洋科学、海洋经济和海洋治理的模式转变。它提供了一种动态的、数据驱动的方法来发现和应对海洋环境的变化。例如，在数字孪生技术的推进下，港口运营和航运也演变成智能、互联的活动枢纽。数字孪生系统优化了自主船舶的航线，以避开风暴、减少燃料消耗并最大限度地降低对环境的影响。数字孪生平台管理着港口运营的每一个环节，从船舶的抵达、货物的装卸到物流的调度。它利用实时数据预测延误、优化交通流量，并确保货物以最高效的方式交付，使得航运业变得比以往任何时候都更快、更清洁、更可靠。

1.3数字孪生技术引导人类正确开拓海洋新领域

海洋是地球上人类最大的公共领域。然而，我们对海洋认识有限、开发有限，而且治理不力。海洋覆盖了地球表面的70%以上，但我们只探索了不足5%的海洋，还有95%以上的海洋新区域及其丰富的资源有待我们去认识、去开发。海洋资源可以为人类的未来提供食物、能源和生计。目前全球海洋经济的市场规模已达3万亿~6万亿美元，预计未来几十年的增长速度将超过以陆地为基础的全球经济增长速度。海洋里蕴藏着多金属结核等矿物资源。海水淡化能帮助人类解决水资源短缺问题。海水运动过程中产生的潮汐能、波浪能、海流能、盐度差能等可以解决全球能源问题。借助新的技术，以海洋运动产生的动能发电可以满足世界电力需求的两倍以上。

海洋新的生物资源利用大有可为。据估计，海洋中还有48.2万~74.1万个生物物种有待发现。新的海洋植物、微生物和海洋动物将越来越多地用作食品工业和化妆品的原料。深水细菌和食物链上层的深海物种都具有独特基因组合和化学过程。许多独特的 DNA 序列和稀有化合物可用于生产新型抗生素和其他药物造福人类健康。

在这些新领域的开拓中，数字孪生技术将大大提升海洋新经济活动的智能化水平。基于实时数据和可视化技术的数字孪生可提高海底采矿的智能化水平；深海基因资源的AI勘探可使新化合物发现效率数十倍地提升；海上牧场和海上钻井设备运行的智能感知、智能控制和智能决策，使海洋装备的效能和可靠性大大提升。中国海洋石油公司在南海油气田部署了数字孪生系统，模拟海底管道应力变化和钻井平台安全风险，降低运维成本。中国科学家领衔的"数字化深海典型生境"项目就是一个揭示新领域的计划。它重点关注深海生物跨栖息地物质、能源和信息的交换过程，形成深海典型生境治理解决方案。

海洋是一个典型的巨型、开放、复杂系统。不同圈层之间的物质、信息和能量交换是快速且复杂的。我们开拓新的海洋区域和开发新的海洋经济，其中最大的不确定性是此类活动将对海洋生态系统造成什么样的侵扰和破坏。在解决巨型、开放、复杂系统方面，数字孪生海洋能够展现其从微观优化到系统宏观互动模拟的强大技术能量。它的自主孪生能力能够处理不断增长的数据量和复杂性，解析涉及海洋的远距离的耦合关系，同时可以快速地对后果进行校准，并对相互冲突的因素进行智能平衡。

1.4数字孪生系统在应对全球危机中的价值

当前地球面临气候变化、生物多样性锐减及海洋污染三大危机。覆盖在地球表面的海洋在调节地球气候、支持生物多样性方面发挥着关键作用。传统的海洋监测和管理方法不足以应对这些复杂且相互关联的挑战。

数字孪生海洋在减缓气候变化方面作用突出。海洋吸收了人类活动排放大约 25% 的二氧化碳，使其成为全球碳循环的重要组成部分。但吸收二氧化碳也可能会导致海洋酸化，从而对珊瑚和软体动物等海洋生物构成重大威胁。数字孪生海洋可以通过对碳循环过程的详细解析，精确地推进海洋碳循环过程。它可以模拟大气与海洋以及海洋生态系统之间的相互作用，借此开发碳捕获和储存技术，以增强海洋的碳封存能力。在提高气候变化适应力方面，数字孪生海洋可以模拟台风的形成和轨迹，提供有关风速、浪高和风暴潮的实时数据，提供早期预警系统，使政府和社区能够采取积极措施来保护生命和财产。

生物多样性对于海洋生态系统的健康和复原力至关重要。然而，海洋生物多样性正受到过度捕捞、栖息地破坏、污染和气候变化的威胁。数字孪生海洋通过整合来自卫星图像、水下传感器和生物调查的数据，可以解码海洋物种和生态系统的分布、丰度和健康状况，例如分析珊瑚礁、海草床和红树林发展变化的详细数据。通过数字孪生动态监测红树林的生长变化和碳汇能力，模拟人工修复珊瑚礁方案，预测生态恢复路径。它可以帮助确定物种特殊栖息地和生物多样性关键区域，指导海洋保护区的有效干预和科学保护。

数字孪生海洋正推动海洋环保从被动应对转向主动防御。数字孪生技术通过流体动力学模型与实时数据融合，可精准预测污染物迁移路径。在船舶和钻井平台的泄漏事件中，数字孪生技术可以集成泄漏点坐标、海流速度、风向等参数形成污染扩散模型，大幅提高应急决策效率。作为全球航运工具的船舶，一直是海洋污染的主要来源。数字孪生港口建设优化了船舶排污监管，使得包括含油污水、生活污水和船舶垃圾在内的污染物排放大幅减少。

美国是最早提出数字孪生概念并运用其技术的国家。迈克尔·格里夫斯在其作品中，开创性地引入了信息镜像模型的概念。产品生命周期管理超越了在某个时间点上的静态表达，而是同时关注虚拟系统和现实系统，以及两个系统在整个生命周期中彼此连接。2009年，美国国防部高级研究计划局组织了一次未来制造研讨会，美国航空航天局的爱德华·格拉斯根分享了原子孪生概念。这一概念经与会者讨论后抽象为"数字孪生体"，从此开启了科技界关于数字孪生体的研究、建模和运用。

数字孪生的最早应用不是海洋，而是与军事装备工业相关的机械制造和运营维修领域。2009年，DARPA将数字孪生技术方法引入美国空军装备生产和太空产业，经过10多年的努力，建立了一套完整的数字孪生体理论和工程体系。

2.1美国在数字孪生海洋领域的发展及特色

美国的数字孪生海洋系统体现了军民两个领域同时发展的特色。21世纪以来，美国启动了综合海洋观测网系统计划和海洋数据获取与信息提供能力增强计划，由此形成集海洋信息获取、处理与管理于一体的海洋智慧观测体系。2020年，美国政府颁布《数字海岸法》，要求将沿海数据与决策支持工具、最佳实践有效结合，提高对海洋的治理能力。2021年美国颁布《蓝色地球法案》，推动海洋技术的创新发展，并提升对重要海域的数字化监测水平，加强海洋数据智能处理能力。美国民用领域的数字孪生海洋建设主要体现在美国国家海洋和大气管理局的数字海岸计划。该计划集成了来自各种来源的数据，创建以美国海岸线为主轴的数字孪生海洋系统。其目标是服务于海岸和近海资源使用的长期规划、灾难应急响应以及海洋资源复原力的建设。

美国国家海洋和大气管理局的数字孪生海岸基于多维度、高时空分辨力的原位数据的处理，提供气候变化对沿海生态系统影响的多场景运算。该平台模拟了大气、海洋和沿海生态系统之间的相互作用，使研究人员能够精准预测和分析气候变化对海平面上升和海岸侵蚀的影响。另外，它还能模拟飓风等极端天气事件的形成和轨迹，增强美国海岸社区的预警和灾难响应能力。再则，该平台为沿海港口、物流系统的规划提供数据驱动的方案，优化资源的使用，并最大限度地减少对环境的影响。美国在综合海洋观测网系统和数字海岸两个方面的建设，使得美国在全球海洋数据资源的占有方面占据了领先的地位，并借数据支撑获得了全球海洋治理的重要话语权。

2019年美国海军获拨款建设数字孪生体，标志着美海军全面启动数字孪生体的新时代。美国海军海上系统司令部启动了"数字舰队与海军信息物理数字孪生"项目。美国海军水面作战中心也是美国军方推动数字孪生体的重要参与者。

与互联网雏形阿帕网的发展有类似的路径，美国的数字孪生运用的核心策划部门是DARPA，军方先行的运用促进了技术的整合和成熟，然后再推向民用。随着数字孪生技术的成熟，美国海军、海军陆战队和海岸警卫队开始寻找与先进的工程制造公司的合作机会，利用数字孪生来提升自己完成任务的能力。

在太平洋地区利用数字孪生技术提升战备速度是美国海军的一个重要方向。数字孪生战场能够将真实战场环境、作战力量、作战对象等要素数字化映射，形成与真实战场相对应的虚拟战场。军事战略规划者可以在投入部队和资源之前，通过孪生构建、实时仿真、智能态势预测对各种行动方案进行兵棋推演。新技术提供了一个数字环境来测试假设和评估潜在的干预措施，而无需在物理空间改变实际系统，而且军事人员可以体验没有真实风险的实际海上战场场景。联合部队也能借此无缝地开展行动合作，而不受地理边界的限制。美国海军对太平洋特定区域的 AI 辅助数字孪生，通过逼真的虚拟战场环境提升海军战场决策智能化和精准化水平，提高了军事战略协调性和军事行动对不断变化的战场条件的响应能力。

2.2 欧洲在数字孪生海洋领域的发展及特色

欧洲的数字孪生海洋走出一条与美国不相同的发展路径——它更多地面向海洋治理和可持续海洋经济。因为欧盟本身的超国家行为体的特点，使得欧洲范围内的数字孪生海洋建设体现出更多的国际合作。

2022年2月欧盟宣布建设欧洲数字孪生海洋。该项目整合了包括来自卫星、航空器、探测船、海面和海底传感器的各种数据，建立起能实时反映海洋生态系统和人类海洋活动的高分辨率的数字海洋整体视图。德国亥姆霍兹海洋研究中心参与设计了欧洲数字孪生海洋的整体框架。其综合性运用包括了气候变化、可持续渔业、海港经济、生态环境、海洋灾难响应。配合联合国"海洋十年"计划，彰显了欧洲在应对海洋三重危机方面的优势地位。

值得一提的是欧洲地球数字孪生计划"目标地球"。2022年由欧盟发起，目标是到2030年创建一个高度精确的地球数字孪生，包括气候动态、自然灾害、航运等海上经济活动、海洋环流和生物多样性。由欧洲航天局、欧洲中期天气预报中心、欧洲气象卫星开发组织共同实施。2024年6月，欧盟在芬兰"大型统一现代基础设施"超级计算机中心正式启动"目标地球"计划的第二阶段。

从相互关系上讲，是欧盟地球全要素的数字孪生计划，目标是构建涵盖大气、陆地、海洋、冰冻圈的全地球系统数字孪生平台。是DestinE的专属海洋模块，致力于运用DestinE的技术能力，整合海洋数据，开发海洋高精度模型，构建"数字孪生海洋"平台，验证海洋治理场景。作为DestinE的海洋试验器与服务引擎，其应用和反馈可以进一步优化DestinE的底层模型库。

欧盟设立了"以数字孪生促进海洋管理的社会生态计划"。这不是一个技术发展的计划，而是促进政治决策、海洋空间规划和海洋适应性管理的项目。联盟指导委员会由来自工程师、政府官员、海洋产业界以及社会科学的人员组成。该计划通过在欧洲主要海域创建的数字孪生项目，模拟出人类活动与海洋生态系统之间错综复杂的相互作用，并将社会经济系统数据与海洋自然生态系统数据相结合，来推进全面和可持续的海洋管理。例如在海洋污染应急决策方面，提供基础气象和海洋数据和计算资源，帮助建立油污扩散模型和卫星-AI污染监测工具。在实现港口碳中和方面，根据欧盟碳排放法规和相关数据，帮助建立船舶排放算法、港口能源优化模型。

在感知层面，欧盟具有全球数据采集的优势，几乎包括所有海洋盆地：北冰洋、印度洋、地中海、北大西洋、太平洋、南大西洋、南大洋。集成了来自欧洲海洋观测和数据网络和哥白尼海洋系统的数据，对数万个全要素海洋数据进行标准化和高质量处理，提供全面的海洋数据访问服务。以葡萄牙为研究基地的大西洋感知系统对大气、陆地、海岸和大洋的数据进行整合，将地理空间和原位数据转化为对多种气候和环境危害的影响指标，具体的应用包括了对大气温度变化、土地覆盖变化、海岸侵蚀程度和海洋生态系统的监测，对海平面上升情景、城市热岛效应、海洋物理和化学过程的预测等。

在生物数据方面，欧盟启动了DTO-BioFlow项目，目的是唤醒"沉寂"的生物多样性数据，通过光学识别、成像技术和声学采集，产生高时空分辨率的数据，使这些数据向上持续汇入欧盟数字孪生海洋系统，生成海洋生物过程的数字副本，将新的和现有的数据流转化为基于证据的知识。生物多样性的数据来自基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学。2025年4月欧盟组织了专门的讨论会，讨论欧洲DestinE项目在基础设施和数据空间内与生物多样性数字孪生BioDT 的互操作性和未来模型开发，并展示 BioDT 原型数字孪生在生物多样性监测中的实际应用，通过遗传数据分析改进生物多样性绘图，以及模拟物种相互作用及其对生态系统的影响。生物数据融入数字孪生海洋的科学意义和社会意义十分重大，它是生物信息与数字信息的融合，使得信息技术空间大大扩展。

欧洲对数据分析、算力和互操作架构问题十分重视。由意大利机构Trust-IT Services 开发的Blue-Cloud 项目与欧洲开放科学云合作，为跨区域和跨学科的存储、管理、分析、使用研究数据提供一个虚拟环境，并开放访问服务，满足欧盟发展蓝色经济和保护海洋环境的需求。挪威机构SINTEF Ocean受委托正在设计互操作性架构，推进对海洋数字孪生架构的共同理解。

在渔业治理应用方面，DestinE长期提供气候预测数据和生态圈监测数据接口，帮助建立鱼类迁徙模型和捕捞影响模拟器——"全球鱼类跟踪系统"。科学家可以利用在可扩展的环境中将原始生物记录数据转换为鱼类足迹。可以生成单个轨迹和群体级栖息地地图，并将其顺利集成到可视化工具中。

鹿特丹数字孪生港口为实现自主航运的目标，在思科等公司的协助下，开发了一个物联网平台，其数字孪生包括了基础设施、航运活动、天气和水文数据。船舶等待时间缩短，碳排放大幅度减少。欧洲正在使用系统的功能和数据，为波罗的海、欧洲北极地区的政策和运营决策者提供全面的海冰信息。这个项目的名称是DESIDE，它代表"目标地球海冰决策能力提升"，希望通过先进技术和协作数据集成方法塑造极地航行的未来。

2.3中国在数字孪生海洋领域的发展及特色

中国数字孪生建设也处于全球第一梯队。与数字孪生关联度最大的一些技术，如卫星遥感和其他传感器技术、5G和物联网技术、云存储技术、高性能计算机和量子计算技术、增强现实和虚拟现实技术、人工智能和机器学习技术的整体发展，为中国的数字孪生海洋奠定了技术基础。美国是从设计制造和装备运维开始其数字孪生起步，走向宏大尺度的海洋孪生，而中国则是从数字孪生城市和数字孪生水利的应用开始，"由陆及海"走向数字孪生海洋。城市和水利的数字孪生体建设对于未来海洋数字孪生发展，是一种技术经验和应用水平的积累。2017年，中国信息通信研究院提出"数字孪生城市"概念，通过数据标识、物联感知、网络连接、智能控制等技术，推动城市全要素数字化、全状态实时化，实现物理城市与映射的数字城市平行运转、协同交互。世界经济论坛以中国经验为案例介绍"数字孪生城市框架与全球实践"。2001年黄河水利委员会提出"数字黄河"工程，通过数据整合与模型模拟辅助流域管理，对水利数字化管理进行了早期探索。2021年水利部首次明确定义"数字孪生流域"，即以物理流域为单元，通过数字映射、智能模拟实现流域水利全要素管理。2023年2月中共中央、国务院将"数字孪生流域"纳入《数字中国建设整体布局规划》。6月国家级"数字孪生水利平台"正式发布。中国的造船和海洋工程、航运和港口、海上油气和风电、渔业和养殖的规模都处于世界领先地位，数字孪生海洋的运用市场十分广阔。上海洋山港、宁波港等自动化码头开发的数字孪生系统，已经实现了多个港口可视化的智慧联动。

中国科学家积极参与到联合国"海洋十年"新技术系统的建设中。厦门大学于2023年举办了全球数字孪生海洋峰会，其学者参与了"全球数字孪生海洋白皮书"的撰写。由中国大洋事务管理局牵头、中国工程院李家彪院士领衔、联合国内外64家机构共同发起的"数字化的深海典型生境"计划成为"海洋十年"大科学项目。该计划重点关注最易受人类活动和全球变化影响的深海栖息地，包括海山、洋中脊、大陆斜坡和深海平原，以改善深海生物多样性治理。

2023年南方海洋科学与工程实验室在陈大可院士的带领下，联合相关信息技术企业，共同构建粤港澳大湾区"数字孪生海洋"体系。其核心技术组成包括：全生命周期海洋数据治理的数据湖仓，开发数据与知识耦合的海洋环境预测技术，在线计算和多维可视化，基于生态系统的管理决策服务平台等。从海洋观测数智化方面讲，中国政府十分重视重点海域的"海基、岸基、空基、天基"一体化区域海洋观测系统建设，努力实现复杂海洋环境的长期、立体、实时组网观测。

中国发展数字孪生海洋的重要收益包括：（1）主权与权益的数字化支撑。通过数字孪生系统，对国家海洋权益核心区实时监测岛礁生态变化、资源分布和船只活动，生成高精度时空数据链，为国际法理斗争提供可视化证据。（2）"一带一路"海上支点的数智化升级，整合航道、港口、气象数据，优化"21世纪海上丝绸之路"的航运效率与安全。（3）打破西方主导的海洋数据霸权。中国发展数字孪生系统可建立独立数据源，通过与"一带一路"沿线国家共享，削弱西方在气候谈判、全球海洋和极地治理中的话语权垄断地位。（4）提升数字经济的海洋运用，围绕航运、渔业、油气、旅游等海洋产业，建立数字孪生驱动的"风险—收益"决策模型，实现海洋经济高效发展。

2.4全球范围数字孪生海洋的一体化建设和基于目标的治理

从数字孪生海洋建构与治理同步发展的角度看，各国在数字孪生海洋方面的努力，可以理解为分布式的技术进步，甚至可以理解为是一国之内纵向的技术进步。技术优势国家间的竞争会促进智能数据感知系统和数字孪生海洋系统在全球更加快速的布局和应用。联合国等机构的努力则是在横向上扩大规模实现并网，从而获得一个共享共建的海洋治理的公共产品。联合国机构在治理方面的作用还在于提出建构全球数字孪生海洋的原则。联合国"海洋十年"倡导者宣称，将打造一个共同设计的、互操作的、能协调不同社会的并确保所有国家平等分享的数字孪生海洋。联合国本身担负着全球治理的使命，有资格也有能力通过国际合作在全球海洋的公共区域部分率先实现确保所有国家平等分享的数字孪生海洋。

"海洋十年"的目标很明确，就是要建设一个海洋数字基建类的公共产品：海洋感知系统和海洋数智呈现系统。为了将各国纵向技术进一步纳入全球一体化海洋数字孪生系统中，"海洋十年"围绕全球数字孪生海洋成立了六个不同的工作组，包括海洋观测、数据系统、分析和预测引擎、数据湖仓、互操作性、可视化融合互动、运用能力建设各个领域，从中我们可以了解数字孪生海洋技术发展的纵向逻辑和横向脉络。

技术发展的纵向逻辑表现在，综合运用AI加持的物联网技术、云存储技术、量子计算技术、增强现实和虚拟现实技术，以及人工智能和机器学习技术，对海洋环境的水文、气象、生物、电磁、声学、光电等数据进行综合性、实时性、持续性的采集，从而形成高质量的海洋数据集，再向上支持数字孪生建模和仿真推演。数字孪生化水平要从几何模型和数据描述阶段，向数据融合和动态孪生阶段跃升。最后在人工智能等数据自动化技术的协助下，实现自主孪生，并提供开放接口，供用户以物联操控、可视化和融合交互方式使用。

全球数字孪生海洋发展的横向脉络，主要体现在全球议程、国际协议、标准化接口和数据融合上，将分布式的数字孪生项目并成全球网络，以实现全球一体的可计算、可验证的海洋智慧化治理系统。从六个工作组的任务清单中可以看出，为实现跨国跨区域合作，必须解决不同的观测系统和孪生系统之间的兼容和互操作问题，还要解决数据质量标准和技术标准问题。

目前，全球致力于数字孪生海洋建设的机构和项目有很多，例如欧盟数字孪生海洋系统、美国国家环境信息中心、中国领衔的"数字化的深海典型生境"计划、澳大利亚综合海洋观测系统、韩国数字孪生海洋项目、联合国教科文组织海委会海洋数据和信息系统、海洋数据行动联盟和联合国数据协调小组等。开发互操作性架构和协议，对于达成全球数字孪生海洋的横向拓展，实现跨不同平台和系统的无缝数据交换和集成至关重要。由联合国和欧盟共同支持的"数字海洋互操作性架构"项目由挪威机构SINTEF Ocean实施。其目标是协调正在进行的国际海洋数字孪生项目并实现互操作。

为了实现互操作，必须对数字孪生海洋的数据质量、数据格式和协议进行标准化，以便于对不同来源的数据集成和分析。数据质量问题包括准确性、一致性和完整性，以确保系统使用的数据是可靠的、可对比的。由于各国法规和实践不同，建立通用的数据质量控制措施和标准是必不可少的。2020年国际标准化组织和国际电工委员会举办了"第一联合技术委员会"，正式成立数字孪生工作组，统筹推进数字孪生国际标准化工作，包括海洋海事领域物联网和数字孪生应用的国际标准的设计。

无论是数字海洋的数据共享、接口开放，还是互操作架构和国际标准化的推进，都是联合国相关机构对治理工作和治理制度的积极运作。上述项目既纳入了技术优势国家的创新和运用能力，又将全球数字孪生海洋建构的原则、路径和目标嵌入到国际合作之中。

习近平总书记强调，人工智能可以是造福人类的国际公共产品。要广泛开展人工智能国际合作，帮助全球南方国家加强技术能力建设，弥合全球智能鸿沟。推动各方加强发展战略、治理规则、技术标准的对接协调，早日形成具有广泛共识的全球治理框架和标准规范。

与自然界的物理和生物环境治理不同，数字孪生海洋的国际治理是对一个正在发展的通用目的技术的网络平台的治理。人们从新的技术系统中发现了巨大的政治经济价值，于是世界各地开始了建造和应用新技术系统的社会实践。新的实践带来了新的矛盾，包括了技术与社会的矛盾、国家与市场的矛盾、本地与全球的矛盾。这些矛盾需要国际社会、国际组织在全球层面建立相应的机制和制度来回应，使之朝着善治的方向发展。

3.1"数字孪生海洋"建设的国际政治经济学分析

国际政治经济学研究的是国际体系中的经济要素的跨国流动及其对国际体系和国家间权力变化的影响。从新质生产力发展的角度看，技术类基础设施的兴建必然会导致新的社会生产关系和新的社会制度的变化。正如经济学家熊彼特关于"创造性破坏"理论所指出的那样，每一次大规模的创新都会淘汰旧的技术和生产体系，并建立起在新技术基础上的生产体系。因此我们必须研究这些建设过程的历史逻辑和发展规律。大规模技术基础设施的建设过程是一个围绕收益和成本的分配和围绕社会规则确立的矛盾发展过程。人类已经经历过铁路网、电气网、互联网等网络型基础设施的建设及其对社会制度的改造。数字孪生海洋作为新一代的智慧型海洋基础设施，必然会在建造和运营过程中，影响与此相关的国际间权力分配及其资源和财富的流动。

建设数字孪生海洋的过程存在着"技术与社会""国家与市场""本地与全球"三对相互交织的矛盾。第一，技术与社会的矛盾指的是，新的技术及其应用将对生产关系和社会利益分配机制产生冲击性的改造，反过来，原有社会群体对自身利益的保护会影响到新技术的布局以及发展进程，比如说数字孪生项目会给海岸社区的传统生计带来冲击，这些社区的抗议会使项目的布局受到阻碍；第二，国家与市场之间的矛盾，反映的是政府与市场主体——私营部门之间在建设过程中围绕权力和利益分配的博弈，比如说数字孪生航运和港口带给私营部门和企业的利益可能与国家政府的海洋安全利益发生冲突；第三，本地和全球的矛盾关系出现在国家政策目标与人类共同命运以及科学的跨国吸引力之间的冲突、妥协和平衡上。一国政府会更多地思考国家安全利益、本国的经济竞争力和全球科技领域的优势地位，而人类的共同危机和科学合作可以将世界各地的研究者和社区联系起来，部分地纠正各国政府过于自私的追求。全球治理的目标也就是要处理并协调好这三对矛盾。

1980年代国际社会曾通过《联合国海洋法公约》确立了"由陆及海"的海洋权益的框架原则，至今这个由陆地空间延伸到海洋空间的国际矛盾还在消化之中。如今借由海洋数字化和智能化，利益结构和权力结构又从现实的海洋空间延伸到虚拟的数字空间中。数字孪生技术促进了不断增长的丰富的海洋数据资源。这些资源因其巨大的智慧化的社会功能，使数字孪生海洋变成一个竞争新财富的空间。

数字孪生海洋是一个包含着公共品、分享品和专属品交织混合在一起的技术类基础设施。在数字孪生海洋的建造和运营过程中，设施和数据的所有权、管理权、访问权和利益分配如何界定？须从国际法层面上加以考虑的问题还包括：谁来决定数据采集、保存和共享的规则？如何处理数字孪生海洋体系中的知识产权纠纷问题？原始数据中的所有权应保护到什么程度？数据跨境流动与数据本地化应当如何平衡？

海洋的数据是数字孪生海洋建构的基础。关于水文、地质、岛礁、海岸、生物种群的各种数据有相当一部分是在国家的管辖海域之内的。数据的采集、流动和分享会涉及主权权益和对于数据信息的安全管理。如从2021年开始，美国环境系统研究所公司为岛屿小国格林纳达提供数字孪生技术帮助，制作了该国自然生态的数字孪生副本。地理海洋数据的所有权是属于格林纳达政府还是属于开发公司ESRI? 如何分配海洋数据所产生的权力和财富？这一案例说明有必要建立解决与平台数据共享、知识产权以及数据资源收益分配相关的国际机制。

孪生数据的国际共享与国家经济利益和国家安全问题紧密相连。例如，某国渔业管理机构能够凭借数字孪生海洋所提供的有关鱼类丰度、分布和洄游模式的实时数据来采取捕捞限额、保护栖息地、发展可持续渔业，而其邻国在掌握洄游规律的实时数据后，则可能为了自身利益最大化，破坏了整体渔业的可持续性。港口和航运的数字孪生数据，在特殊情况下，也可能被敌对国家和恐怖主义团体通过网络精准袭击，造成港口和航运的瘫痪。因此，需要建立国际机制和技术上的访问控制来保护敏感和专有数据。

3.2过程治理：激励机制、路径依赖和公平参与

数字孪生全球治理的特殊性在于，它不是对一个既存系统进行治理，而是对一个正在建设的系统进行治理。目前数字孪生海洋正处于技术成熟度发展的爬升期，因此，激励机制、路径依赖和公平参与是治理者必须认真思考并建立机制加以应对的过程环节。

激励各利益攸关方发挥其能动性来建设全球数字孪生海洋，是国际机制思考的重要方面。上述分析告诉我们，建设数字孪生海洋的主要动能包括：（1）联合国和国际社会源自全球治理的目标；（2）国家出于获得海洋空间战略竞争优势的目的；（3）地方政府出于海洋社区的福利和减灾救灾的需要；（4）行业和企业出于开发新的海洋经济的需要；（5）科学家认识海洋和发现真理的探索欲。因此，要加速全球数字孪生海洋建设，国际社会应从以下方面开始建立激励机制：以国际科学项目来汇集社会资本；以气候危机教育、减灾防灾的现实需要来带动社会民众的支持；以展示技术系统的潜在功能激励各国政府的国际合作；以新的海洋经济业态，激励私营部门参与。

对路径依赖的治理主要是要防止数字孪生海洋建造过程中结构性权力所形成的垄断性和排他性问题。"海洋十年"的数字孪生框架，展示出基于目标的理想化顶层设计。实际上其建设过程是一个存在路径依赖的、复杂的子系统融合的结果，是一种深度的分布式发展现象，涉及不同的技术路线和多种类别的参与者。受巨型、开放、复杂的生态系统影响，其规模扩大的过程是以网络化增量积累而成。"路径依赖"在这里指的是，不同的技术路线或者技术标准的率先或滞后运用，都会影响数字孪生海洋的系统形态。即使是那些看上去出于并网、兼容和共享所需要的技术协议和技术标准，也都存在着合作者哪一方受益，哪一方受损，或者说哪一方更加受益的问题。这种路径依赖现象后面存在着排他性权力，影响公平参与，这种路径依赖一旦形成，事后的调整可能永远无法实现真正意义上的修复和平衡。

从技术系统中获得收益涉及各国的资源差异、技术能力、数据和系统的可及性安排问题。与美国和欧洲相比，全球南方国家获得先进技术和基础设施的机会非常有限，这会影响到这些国家参与度、贡献度、收益面和公平性。国际机制必须确保南方国家不被排斥在"数字鸿沟"的另一侧，确保南方国家和边缘社区公平获得数据的访问权和数字孪生体的使用权。联合国通过鼓励采用开放式创新模式（如开放数据、开源软件）努力实现知识和数据资源的民主化。有计划地为南方国家的研究者、政策制定者和从业者提供与数字孪生技术相关的培训，分享知识、最佳实践和经验教训。作为应对全球危机的数字化和智能化建设的全球枢纽，联合国气候技术中心通过使用兼容互操作、标准统一的资源库来增强全球知识的可获得性，协调对南方国家的技术援助。建立起"数字孪生海洋"的新型南北合作关系并在南方国家开展示范项目也很重要，如中国政府与南方国家特别是岛屿国家围绕海洋经济和海洋治理的数智化所开展的"蓝色伙伴关系"，以及欧盟在非洲沿海开展的以数字孪生防止海洋污染的项目。

3.3大国之间能否在竞争中走向共建与共享

从全球治理的角度讲，一个共建、共享、相互兼容的巨型全球数字孪生海洋才能产生更大的治理价值。当下的全球数字孪生海洋建设是在产业革命尚待发生、国际关系趋于复杂的背景下进行的，在经济上少了全球化浪潮的配合，多了大国地缘政治的较量，更为紧迫的则是气候变化、生物多样性丧失和海洋污染等全球性危机日益加剧。因此在数字孪生海洋问题上，大国之间能否在高度竞争的同时走向合作，需要认真研究。

大国之间在这一领域的竞争表现为海洋数据资源拥有权之争、海洋新产业制高点之争以及海上军事战略优势之争。近年来，中美两国地缘政治关系日益紧张，战略信任缺乏，贸易争端、技术围堵接连不断。欧洲作为美国的盟国，在技术领域的国际合作中受北约和西方七国集团的约束。共享海洋数据可能引发担忧，特别是当它涉及与国家安全、经济利益和环境监测等敏感数据时。战略上的相互防范必然会阻碍构建全球数字孪生海洋所需的国际合作以及技术、知识和数据的流动。

正如本文第一节所述，数字孪生海洋作为通用目的的技术，具有网络经济的特质，即数据越多、用户越多、子系统兼容水平越高，数字孪生海洋体的价值就越高。因此，各大国在保护本国安全的前提下都有参与国际合作实现并网的巨大动机，而且技术优势可以让本国在并网后获得更大的数据收益。在航天领域、互联网领域，美、欧、中、俄在历史上都发生过激烈的战略竞争，但也都开展了许多合作。美国开发互联网的初衷是为了应对苏联的威慑，但是经过评估，美国政府和军方都相信对包括中、俄在内的全球市场开放互联网更有利于增加美国的竞争实力。在欧洲伽利略系统的竞争压力下，美国也曾经将GPS分出民用频道向全球市场开放。

从目前形势看，对全球危机的共识有可能促进大国开展有限合作和部分技术分享，形成具有竞争性的集体行动。中欧领导人在生物多样性和海洋领域共同的危机意识增进了双方在海洋技术方面合作，促进了双方建立了中欧蓝色伙伴关系。在拜登任期，中美两国政府尽管地缘竞争十分激烈，但因共同应对气候变化的需要，在相关的能源和绿色技术领域也保持了合作。

从联合国"海洋十年"组织者的角度看，大国之间的竞争与合作二者都十分重要。维持基本的竞争，是解决资源投放不足、实现技术突破和应用拓展最原始的动力。因此早期的竞争和分散的状态是必定存在的。但这种状况的恶性发展，也会破坏国际合作，破坏数字孪生海洋平台的发展生态，最后偏离"善治"的轨道。联合国等国际组织在价值观层面，应以危机应对框架来整合分散的治理价值，以联合国"同一个海洋"愿景建立共同价值论述。在行动层面，通过组织全球合作科学项目，鼓励大国制定与全球数字孪生海洋相关的海洋十年项目，使大国的科学和技术建设成为全球网络的一部分。在应用层面，应推进早期收获，鼓励并协助大国的科学界、工程界和企业界的先行先试，形成科学界的目标共识和海洋经济界的利益共识。这些应对措施在一定程度上可以抵消大国政府对抗性和分裂性的行为。

数字孪生海洋技术在全球的推广使得国际社会有了治理海洋的新技术，但又给全球治理带来了新挑战和新课题。数字孪生海洋的建构过程是一个鼓舞人心的机遇，需要始终维持其良好的发展生态和正确的发展方向。

从空间维度上讲，人类要学会对数字空间的海洋进行治理。在数据和算力的支持下，数字孪生海洋体形成了一个数字空间的海洋，而且这个与实际海洋空间并存的数字空间在技术革命的推动下会不断地扩大，产生新的动能和利益汇聚。从时间维度上讲，人类要对一个数字基础设施发展过程进行治理。因为处于技术发展和大规模应用的爬升期，数字孪生海洋的社会价值和发展形态还在形成之中，所以全球的政治决策者直接的重视程度还不够，联合国机构参与数字孪生海洋治理的层级和广泛度也还在提升过程之中。全球孪生海洋系统一边建构一边治理，国际治理机制参与的时间点还是及时的，这样国际治理机制有可能通过"先验设计"来避免"后验修补"，对不断涌现的新技术的社会价值进行归纳，发现当下和未来源自实践的挑战，并通过建立技术和社会的机制来加以应对。

加速全球数字孪生海洋建设，国际社会应以国际科学项目来汇集社会资本；以气候危机教育和减灾防灾的现实需要来动员世界各地人民的支持；以展示技术系统的潜在功能激励各国政府的国际合作；以新的海洋经济业态，激励私营部门参与。数字孪生海洋的治理还需要在全球层面做好制度设计，启动关于建立合作框架、设备兼容和数据共享的国际谈判，处理好数据权利与算法权力问题。因为海洋系统的全球性和数字孪生技术的通用性，数字孪生海洋的全球治理需要国际组织的更多部门的参与和其他领域治理机制的配合，如数据跨境流动的治理和知识产权与技术转移的治理。

对数字孪生海洋建构过程的治理，并不能单纯地从技术角度来理解，还要以联合国的可持续发展目标来评估。数字孪生海洋是多个联合国可持续发展目标集合的成果，特别是可持续发展目标SDG9：工业、创新和基础设施；可持续发展目标SDG 14：水下生物；持续发展目标 SDG17：促进目标实现的伙伴关系。建设数字孪生海洋的效能如何，应体现在自然海洋的改善程度、特定技术的进步程度、社会经济的发展程度以及治理制度的完善程度上。