數(shù)字孿生概念源自于工業(yè)界，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生在理論和應(yīng)用層面均取得了快速發(fā)展，并逐漸延伸到智慧城市、智慧園區(qū)、智慧交通等領(lǐng)域。6G時(shí)代，數(shù)字孿生將成為人類解構(gòu)、描述、認(rèn)識(shí)物理世界的新型工具。中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院在2019年12月19日發(fā)布了《數(shù)字孿生白皮書（2019）》[1]，該白皮書分為發(fā)展態(tài)勢(shì)、定義內(nèi)涵、應(yīng)用場景和未來展望四部分。本文結(jié)合《數(shù)字孿生白皮書（2019）》對(duì)數(shù)字孿生的定義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及數(shù)字孿生在6G中的應(yīng)用展望進(jìn)行討論。
什么是數(shù)字孿生？
數(shù)字孿生是通過數(shù)字化的手段，在數(shù)字世界中，構(gòu)建一個(gè)與物理世界中實(shí)體對(duì)象一樣的模型對(duì)象。一方面，可以借助模型對(duì)象對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行了解、分析和優(yōu)化[2]，另一方面，通過在數(shù)字世界中對(duì)模型對(duì)象進(jìn)行模擬試驗(yàn)和分析預(yù)測(cè)，可為實(shí)體對(duì)象的指令下達(dá)、流程體系的優(yōu)化提供決策依據(jù)，大幅提升分析決策效率。
圖1物理空間和數(shù)字空間的雙向映射
數(shù)字孿生發(fā)展到什么程度了？
著名的IT分析公司Gartner發(fā)布的《2019年十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢(shì)報(bào)告》中指出，數(shù)字孿生處于期望膨脹期頂峰，在未來5年將產(chǎn)生突破性創(chuàng)新[3]。在智慧城市方面，多個(gè)國家對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了探索和行動(dòng)，例如虛擬新加坡、雷恩3D城市、多倫多高科技社區(qū)和雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市[4]等。在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)也已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以中國的百度、谷歌、騰訊、華為、阿里，美國的特斯拉、福特，日本的豐田、本田，德國的西門子等為代表的企業(yè)[1]，正積極探索數(shù)字孿生技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。表1總結(jié)了近幾年國內(nèi)外數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀：
表1國內(nèi)外數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀
數(shù)字孿生：6G關(guān)鍵服務(wù)之一
在先進(jìn)的傳感器、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和通信技術(shù)的幫助下，6G時(shí)代有可能在虛擬世界中復(fù)制物理實(shí)體形成數(shù)字孿生，其中物理實(shí)體包括人、設(shè)備、物體、系統(tǒng)甚至特定區(qū)域[17]。在6G網(wǎng)絡(luò)中，可以利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或檢查。真實(shí)世界中用戶可以通過與遠(yuǎn)程站點(diǎn)的數(shù)字孿生進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，在數(shù)字孿生中監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，檢查運(yùn)行中存在的問題，有助于全面地把控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。在6G網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)字孿生可能成為遠(yuǎn)程控制的重要工具。虛擬的數(shù)字孿生系統(tǒng)不受時(shí)間和空間的限制，通過改變數(shù)字孿生世界的相關(guān)參數(shù)，可以低成本地預(yù)知不同指令下達(dá)后真實(shí)世界的反應(yīng)，以此選擇最有利的指令對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。并且，通過AI技術(shù)的引入，數(shù)字孿生對(duì)真實(shí)物理世界的管理、檢測(cè)等操作，有望在無人監(jiān)督的情況下高效率完成。
下面具體介紹數(shù)字孿生在6G中的兩個(gè)創(chuàng)新性應(yīng)用：
1、人體數(shù)字孿生
當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下，數(shù)字技術(shù)對(duì)人體健康的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于宏觀身體指標(biāo)監(jiān)測(cè)和顯性疾病預(yù)防等方面，實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性都有待進(jìn)一步提高。隨著6G時(shí)代的到來，以及生物科學(xué)、材料科學(xué)和生物電子醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科的進(jìn)一步成熟，未來有望實(shí)現(xiàn)完整的“人體數(shù)字孿生”[15]，即通過在人體中應(yīng)用大量智能傳感器（>100個(gè)/人），對(duì)重要器官、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、肌肉骨骼和情緒狀態(tài)等進(jìn)行精確實(shí)時(shí)的“鏡像映射”，從而在虛擬世界形成一個(gè)完整人體的精確復(fù)制品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體個(gè)性化健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，結(jié)合核磁、CT、彩超、血常規(guī)和尿生化等專業(yè)的影像和生化檢查結(jié)果，利用AI技術(shù)可對(duì)個(gè)體提供健康狀況精準(zhǔn)評(píng)估和及時(shí)干預(yù)，并且能夠?yàn)閷I(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)下一步精準(zhǔn)診斷和制定個(gè)性化的手術(shù)方案提供重要參考。
2、基于數(shù)字孿生的智能超表面反射器管理
Pengnoo等人[19]提出了一個(gè)太赫茲（Terahertz，THz）信號(hào)引導(dǎo)系統(tǒng)，利用數(shù)字孿生進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)和控制THz信號(hào)在室內(nèi)空間的傳播。該系統(tǒng)是基于Python開發(fā)的一個(gè)THz射線追蹤模擬器，用以模擬信號(hào)并分析THz信號(hào)路徑的傳播和反射。它由控制器、基站和超表面反射器組成。由兩個(gè)攝像頭向控制器提供圖像，攝像頭中包含在線圖像處理模塊，用以檢測(cè)障礙物和識(shí)別物體輪廓。物體輪廓被傳遞到太赫茲勢(shì)場（Terahertz Potential Field，THzPF）模塊，該模塊根據(jù)信噪比來確定勢(shì)場。控制器根據(jù)THzPF值選擇候選波束，從而確定基站-超表面反射器-移動(dòng)設(shè)備之間的最優(yōu)路徑。
隨著全球5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入商用部署的關(guān)鍵階段，對(duì)6G的探索也逐步啟動(dòng)。在未來移動(dòng)通信的研究中，6G將進(jìn)一步融合未來垂直行業(yè)衍生出全新業(yè)務(wù)，并通過全新架構(gòu)和能力，打造全新生態(tài)，推動(dòng)社會(huì)走向虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生世界，真正實(shí)現(xiàn)通過數(shù)字孿生與“智能泛在”重塑世界的美好愿景。
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