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Digital Twins The Convergence of Multimedia Technologies论文阅读
数字孪生 多媒体技术的融合
论文原文：https://ieeexplore.ieee.org/document/8424832
Abstract
最初数字孪生的发展是为了改进制造流程，而现在它被重新定义为对生命体和非生命体的数字复制，使数据能够在物理和虚拟世界之间无缝传输。数字孪生有助于监测、理解和优化所有物理实体的功能，并为人类提供持续的反馈，以提高生活质量和福祉。
未来的智慧城市将依赖于发展能对扩展数字化数据进行计算的系统以及在健康与保健、安全与安保、交通与能源、移动与通信等领域的相关先进软件。技术和科学知识的融合有望提高公民的福祉和生活质量。
数字孪生——物理实体的虚拟表示——是实现这种融合的一种有前途的方法。Gartner将数字孪生确定为2018年十大战略技术趋势之一，并且根据Market Research Future预测，到2023年，数字孪生市场将达到150亿美元。
1 数字孪生:起源与发展
数字孪生流行于21世纪初制造业的机器和生产系统数字化过程中。例如，通用电气(General Electric，GE)为其机器建立了云托管的数字孪生，利用人工智能、物理模型和数据分析来处理从传感器收集的信息，从而更好地管理这些机器。Michael Grieves认为数字孪生作为“已生产产品的虚拟表示”，是“企业级闭环产品生命周期的关键组成部分”，它可以降低成本，促进创新，提高生产力，并确保产品质量。
数字孪生的概念可以广泛应用于许多技术，因此也可能会颠覆制造业以外的行业。因此，扩大其定义至关重要。通过实现物理世界和虚拟世界之间的无缝数据传输，数字孪生将有助于监控、理解和优化所有物理实体(生物和非生物)的功能。
例如，如果生物学家能够创造出一棵树的数字孪生，他就能够以数字方式检查其内部和外部的状态;测量释放的氧气量、消耗的水量和吸收的阳光量;确定树木的年龄，跟踪其从幼苗到成熟的成长过程;监测和防治有害的病虫害，防止它们蔓延到树木的其他部位。
数字孪生对于人类来说还可以收集和分析身体的、生理的相关数据，以提高生活质量和增强幸福感。例如，中风可以在发生前预测，从而采取预防措施。机器和深度学习技术也可以用来检测生活方式和预测潜在的健康问题。此外，可以收集和分析诸如关于环境、年龄、情绪状态和偏好的信息等上下文数据，以充分理解和表征用户的整体状况。
2 数字孪生的特征
根据这一新定义，数字孪生将具有几个特征。
唯一标识。 数字孪生的物理实体和数字孪生体都有一个唯一的标识符，以便与他们的孪生体进行交流。
传感器和执行器。 物理实体可以配备传感器，这样数字孪生体就可以根据应用需要，使用适当的执行器来复制他们的感官–视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉。
人工智能。 数字孪生体应该配备一个嵌入了本体模型（ontologies）、机器学习和深度学习技术的控制器，以便代表它们的物理实体做出快速和智能的决定。
可交流性。 如图1所示，数字孪生体应该能够几乎实时地与环境、物理实体和其他数字孪生体互动。交流，包括触觉，必须在1毫秒内进行，因此必须遵循5G和感知网络(tactile internet)的标准。
图1：数字孪生体和物理实体之间的交互。
表现形式。 数字孪生体可以有一个虚拟的3D化身、全息图，甚至是一个人形社交机器人，但它也可以是没有有形表示的软件组件，这取决于应用程序。
可靠性。 对于数字孪生体来说，要处理敏感的任务，例如为他们的物理实体管理金融交易或股票投资组合，或者在会议中代表物理实体进行互动，物理实体必须能够信任他们的数字孪生体。
隐私和安全。 数字孪生体应该能够保护他们物理实体的身份和隐私。这将需要使用先进的加密算法和生物识别技术(心电图生物识别、触觉生物识别等)，以及解决监管和政治问题。
3 让数字孪生成为现实
实现这样的数字孪生需要几项关键技术的支持。
增强现实、虚拟现实和混合现实技术。数字孪生体可以用3D技术生成并显示为全息投影，或使用AR/VR/MR设备(例如Microsoft HoloLens)，如图2所示。例如，如果一个人在工作，他的女儿生病在家，他可以使用安装在办公室的传感器产生他的实时数字孪生体，并以全息图的形式出现在他女儿面前安慰她。因此，不同地点的人也可以像是在同一个空间一样互动。
图2：一个实验对象正在与他的数字孪生体的全息图像进行交互。
触觉技术。 数字孪生体可以通过整合触觉特性来增强通信。例如，如果Alex和Lisa的数字孪生体握手，这个数字孪生体可以给Lisa提供适当的触觉反馈。
机器人技术。 人形机器人和软体机器人技术可以用来让数字孪生体代替他们的物理实体。
5G和感知网络技术。 5G和感知网络旨在提供超低延迟和超高可靠性的通信，它们的出现实现了从传统的面向内容的通信到面向控制的通信的根本转变，特别是对于“人在回路”（human-in-the-loop）应用来说，它们对于延迟高度敏感并且需要通信和控制机制紧密集成。数字孪生将提供一个始终活跃的孪生反馈循环，以提高物理系统的服务质量。
云计算技术。 将计算和控制转移到云计算中将使数字孪生更具可扩展性，并确保它们可以随时随地帮助它们的物理实体。
可穿戴技术。 可穿戴技术正在吸引许多用户。数字孪生体可以使用这些设备每天收集的大量生理数据来更有效地支持他们的物理实体。
物联网技术。 上下文数据可以通过物联网从用户馈送到他们的数字孪生体，然后可以把反馈发送到外界，使用户能够更顺利地与他们的周围环境以及远程位置进行交互。
人工智能技术。 物联网数据会经过算法处理，这些算法会随着用户数据的更新而不断改进。通过这样的时序数据，用户的数字孪生体可以建议采取行动来控制或避免潜在的危害。
4 改善健康和福祉
想象力是数字孪生应用的唯一限制；也许最强大的是改善健康和福祉。
数字孪生体可以显示真实人体内发生的事情，通过分析真实人体的个人历史和当前环境(如地点、时间和活动)，更容易预测疾病的发生。数字孪生体还可以为患者提供如何改善健康状况的定制建议。例如，他们可以通过跟踪饮食消耗、体育活动和日常生活习惯，成为糖尿病患者的导师;他们还可以在虚拟世界中搜索其他患有糖尿病的数字孪生体，以收集关于提高生活质量的见解。
数字孪生也可以在幸福感方面发挥重要作用。他们可以利用感官技术检测压力水平，并确定压力产生的原因。通过智能算法，他们可以计算出人体在压力情况下的模式，从而提供如何避免或减少压力的建议。数字孪生体还可以检测人的情绪变化，并根据人的喜好(比如听最喜欢的音乐或从事最喜欢的活动(跳舞、看电影、散步等等)，发送反馈，帮助减轻悲伤或愤怒。此外，数字孪生体还可以帮助指导运动员优化体能和健身训练。
锻炼习惯、饮食和睡眠习惯的效果往往要过一段时间才能体现出来。数字孪生体可以通过让人记录生活习惯影响的潜在后果，并生成假设情景来理解他们所做的选择如何会导致他们的健康状况改善或恶化，从而缩短这段时间。即使你了解你的糟糕选择会对你的健康和幸福产生有害后果，就算是在保健医生的护理下，这也远不如看到你的真实形象有效，例如，如果你继续吸烟、锻炼不足或保持不健康的饮食。同样，每天照镜子，如果在实施一项新的养生法后发现没有明显的变化，可能会打消你坚持下去的念头，但设想一下你三个月后的样子，就足以激励你坚持到底。
5 数字孪生的其他应用
数字孪生的其他应用包括从电子学习到财务管理、虚拟旅游、购物以及在线社交。对于许多这样的应用，数字孪生体必须是高度个性化的，以便有效地代表他们本人与其他人或数字表示进行交互。
例如，相比起记忆，照片、视频和录音等媒体能更好地帮我们抓住过去，并回忆起一生中感动过我们的人。数字孪生体也许能恢复已故亲人的气味、触感和拥抱。此外，数字孪生体会不断吸收关于他们本人的信息，利用后者的行动和决定来训练他们的神经网络。数字孪生体在他们本人去世后将继续存在，使亲人能够继续与死者交流。通过这种方式，数字孪生体将把人类的存在延伸到他们的寿命极限之外。
数字孪生的另一个应用是约会。随着约会网站越来越受欢迎，但这些网站上的信息并不总是准确的，部分原因是用户必须手动输入关于他们个性的主观信息。有的人不太了解自己，有的人输入虚假信息。数字孪生有助于在不同隐私级别的网站上更准确地描述他们的本人。它们也可以根据生活实际进行模拟，来确定它是否是一个很好的匹配。
6 结论
实现数字孪生的全部潜力需要将上述技术进行融合。特别是，需要更多的研究来改进传统的数据收集能力和处理方法，并实现数字孪生体和物理实体之间的通信接口。此外，数字孪生的应用程序需要靠准确来赢得用户的信任和信赖，并且需要足够健壮使允许用户过上正常的生活。该系统必须有安全机制来保证用户的隐私和保护他们的个人数据，并能够检测故障和丢失的数据。
可以预见，数字孪生不同方式的实现，意味着在长期内对交互技术进行标准化也将是必不可少的。此外，为了促进全球协作，数字孪生必须整合机制，以适应文化的多样性。还有一些法律问题必须解决，比如数字孪生体能够在多大程度上代表本人，以及哪个实体要为数字孪生体的任何有害行为负责。
参考文献
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