元宇宙在數(shù)字孿生上運行

大多數(shù)人將元宇宙定義為“虛擬現(xiàn)實”，其中包含化身和空間中真實物體的 3D 表示，模擬我們與物理世界的互動方式。元宇宙的這一部分傾向于“以消費者為導向”，允許用戶在他們的 VR 系統(tǒng)中“適應”并與虛擬世界中的人和事物互動。

消費者（或社交）元宇宙主要關注娛樂價值，而工業(yè)元宇宙則專注于通過高級建模和模擬解決復雜的行業(yè)問題。這些建模和仿真功能利用了互聯(lián)數(shù)字孿生提供的整體知識和理解。

Gartner 將數(shù)字孿生定義為“現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的數(shù)字表示”。在單個產品的領域內，這個定義與對象建?；蛴嬎銠C輔助設計沒有太大區(qū)別。但工業(yè)元宇宙的真正力量在于這些數(shù)字孿生相互交互的能力。連接數(shù)字孿生可以創(chuàng)建整個虛擬化的“系統(tǒng)系統(tǒng)”，其中一個數(shù)字孿生的輸入和由此產生的行為可能會影響完全在虛擬空間內運行的其他數(shù)字孿生。

工業(yè)元宇宙的目標是對數(shù)字孿生進行建模，使它們能夠相互連接和接口，以使更大的系統(tǒng)和工業(yè)世界了解如何解決我們全球社會今天面臨的復雜問題。例如，解決世界饑餓問題需要大量數(shù)字孿生——從農場和農業(yè)設備到配送中心和運輸系統(tǒng)——來形成一個虛擬的系統(tǒng)系統(tǒng)。通過建模和仿真，所有“組成”數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行都針對整個系統(tǒng)系統(tǒng)的食品可持續(xù)性目標進行了優(yōu)化。

另一個例子是，汽車制造商可以使用新車輛設計的數(shù)字孿生，并在各種路況、汽油等級和維護時間表下虛擬仿真其性能，以預測油耗、可靠性和環(huán)境影響。工業(yè)元宇宙可以使這個數(shù)字車輛孿生體插入到更大系統(tǒng)（智能城市）的數(shù)字孿生中，以評估道路影響、排放和交通模式。

盡管模擬和數(shù)字孿生都利用數(shù)字模型來復制系統(tǒng)的各種過程，但數(shù)字孿生實際上是一個虛擬環(huán)境，這使得它的研究更加豐富。這里的關鍵區(qū)別很大程度上是規(guī)模問題：雖然模擬通常研究一個特定的過程，但數(shù)字孿生可以運行任意數(shù)量的有用模擬來研究多個過程。數(shù)字孿生的第一個版本可以只是其現(xiàn)實生活中對應物的一些屬性的簡單表示，但隨著時間的推移，根據(jù)需要，孿生體可以變得更加復雜，以匹配物理系統(tǒng)的演變。

可以將各種刺激應用于數(shù)字孿生，以分析和預測產品或系統(tǒng)行為。這允許在構建物理產品或實現(xiàn)物理系統(tǒng)之前進行設計優(yōu)化。

數(shù)字孿生、信息物理系統(tǒng)和 MBSE

一旦構建了物理產品，數(shù)字孿生的價值就有限，除非它能夠準確地將其狀態(tài)與物理對應項的狀態(tài)同步。信息物理系統(tǒng) （CPS） 在數(shù)字孿生和物理系統(tǒng)之間提供了關鍵接口。這些系統(tǒng)由物理組件組成，可以通過智能傳感器、軟件和執(zhí)行器進行監(jiān)控、控制和優(yōu)化。

在許多方面，CPS包含數(shù)字孿生和物聯(lián)網技術，為無人駕駛汽車等自主系統(tǒng)奠定基礎。然而，數(shù)字孿生需要整體信息集而不是基本模型，而CPS開發(fā)中的一個挑戰(zhàn)是系統(tǒng)創(chuàng)建中涉及的各種工程學科（如軟件和機械工程）之間的設計實踐存在巨大差異。

進入MBSE的概念，它涉及設計，分析和驗證這些復雜系統(tǒng)的方法。MBSE提供了一種設計“語言”，該語言對于創(chuàng)建CPS所涉及的所有學科都是通用的。

軟件工程研究所將MBSE定義為一種正式的方法，用于支持與復雜系統(tǒng)開發(fā)相關的需求，設計，分析，驗證和確認。與以文檔為中心的工程設計相比，MBSE 將模型置于系統(tǒng)設計的中心。

但MBSE不僅僅是一個系統(tǒng)模型。它是模型的鏈接，以創(chuàng)建一個了解其邊界，矛盾并可以傳達其設計更改原因的系統(tǒng)。它是需求與領域專家創(chuàng)建的低級、高保真技術模型之間的橋梁。

當快速創(chuàng)新至關重要時，來自所有學科的工程師必須能夠協(xié)作探索系統(tǒng)設計，快速將職責分配給軟件和硬件元素，然后分析它們之間的權衡。MBSE 可以成為開發(fā)和采用數(shù)字孿生的驅動力，這些數(shù)字孿生在整個系統(tǒng)生命周期中與物理孿生體沒有區(qū)別。

優(yōu)化智能產品設計：邁向數(shù)字孿生和 MBSE 驅動的生命周期之旅

數(shù)字孿生和CPS與系統(tǒng)工程越來越相關，更具體地說，MBSE。它們的結合使現(xiàn)實世界的系統(tǒng)能夠得到分析和優(yōu)化，但這需要在整個開發(fā)生命周期中進行轉型，以實現(xiàn)MBSE和數(shù)字孿生技術的采用，并確保實現(xiàn)其所有優(yōu)勢。

例如，像汽車這樣的智能產品正在成為復雜的系統(tǒng)系統(tǒng)，挑戰(zhàn)工程師利用復雜性和數(shù)據(jù)層，并模糊不同工程領域之間的界限。在全面的數(shù)字孿生中對智能產品的各個方面進行數(shù)字表示不再是管理當今產品開發(fā)復雜性的可選內容，而是已成為一項設計要求。

為了充分利用數(shù)字孿生技術，我們必須首先將重點轉移到開發(fā)可在整個系統(tǒng)生命周期（包括產品設計）中使用的數(shù)字孿生模型。一個常見的誤解是，數(shù)字孿生只有在創(chuàng)建其物理對應物后才會使用，但“左移”哲學（或通過將測試等任務轉移到盡可能早的開發(fā)生命周期來提高質量的做法）也可以使用數(shù)字孿生來發(fā)現(xiàn)和預防產品或系統(tǒng)設計過程的早期缺陷。

“除此之外，我們還增加了與這些虛擬化現(xiàn)實世界環(huán)境相結合的能力。..。..半導體在進入硅之前運行良好。這是一個真正的左移環(huán)境，使OEM能夠對他們正在做出的決策充滿信心，這是前所未有的“——西門子Joseph Sawicki。

構建工業(yè)元宇宙的平臺

虛擬系統(tǒng)設計可以減少對原型硬件的依賴，并為所有工程師在產品開發(fā)周期的任何階段提供對系統(tǒng)的虛擬訪問。當然，數(shù)字孿生不僅僅是代表系統(tǒng)，它們還涉及評估設計和操作替代方案，通過準確模擬進行更改時發(fā)生的情況，可以節(jié)省時間和/或成本。

“數(shù)字孿生的定義是從NASA時代的傳統(tǒng)含義演變而來的，”MathWorks研究員Jim Tung說?！八粌H是運營中資產的數(shù)字表示，還反映了其當前狀態(tài)。它還在其發(fā)展的各個階段使用資產模型。20多年來，我們一直將這種方法稱為基于模型的設計，您可以使用模型做出更好的設計選擇，與實時模型交互以驗證需求，組合其他模型進行虛擬集成，并自動生成生產代碼。

“當這些模型被調整以代表系統(tǒng)運行時，這種重用是強大的，”Tung繼續(xù)說道?！斑@不僅僅是為了顯示當前狀態(tài)，也是為了在許多可能的情況下模擬該系統(tǒng)。這就是預測性維護如此熱門的原因。它涉及資產在潛在情況下的表現(xiàn)。因此，在整個開發(fā)和運行過程中對系統(tǒng)進行仿真是我們思考數(shù)字孿生價值主張的方式。

精確模擬物理行為可能極具挑戰(zhàn)性，需要高級工具來優(yōu)化虛擬模型。例如，MathWorks 為數(shù)字孿生提供了系統(tǒng)建模和仿真功能。他們的 Simulink 平臺可以對由物理硬件、嵌入式軟件、算法和系統(tǒng)運行環(huán)境組成的復雜虛擬系統(tǒng)進行建模、仿真和分析。

為了支持最佳決策和行動，數(shù)字孿生系統(tǒng)需要通過信息交換進行連續(xù)和遞歸的過程改進，包括從傳感系統(tǒng)到人工智能和機器學習系統(tǒng)到致動系統(tǒng)的信息流。像 Simulink 運行的仿真模型可以通過考慮擴展的信息集來解釋和預測現(xiàn)實世界的結果，從而迭代地優(yōu)化自身。這甚至延伸到不確定性量化科學。

最終，智能產品將通過數(shù)字孿生進行測試、交付和配置，該數(shù)字孿生連接到工業(yè)元宇宙中的其他數(shù)字孿生，從而在復雜的系統(tǒng)部署中優(yōu)化價值并最大限度地降低最終客戶的風險。NVIDIAOmniverse是在“工業(yè)元宇宙”中運行的聯(lián)合、可互操作的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)的可擴展平臺的一個例子。

Omniverse 是一個支持 GPU 的開發(fā)平臺，用于構建和操作 3D 模擬。它還支持人工智能工具，這些工具能夠創(chuàng)建能夠復制物理現(xiàn)實中正在發(fā)生的事情的移動虛擬元素。生態(tài)系統(tǒng)軟件合作伙伴可以利用 Omniverse 以及 NVIDIA 的其他各種技術。一個例子是最近與西門子合作，創(chuàng)建了一個逼真的、基于物理的工業(yè)元宇宙;將Omniverse與西門子的Xcelerator和Simcenter工具相結合，將形成一個用于工業(yè)用例的數(shù)字孿生平臺。

Omniverse基于皮克斯的通用場景描述（USD），這是一個用于協(xié)作構建3D場景的開源軟件框架。USD 是可擴展的，因此來自物理（如建筑物、機器人或傳感器）或虛擬資產的多個數(shù)據(jù)集可以組合在一起，而不會相互碰撞。這允許通過易于更新的設計、操作和維護進行極端協(xié)作。該平臺還保留資產模擬中的計算狀態(tài)值，因此您可以回放和網格劃分工程數(shù)據(jù)以預測結果。例如，它允許您確定如果資產在某個時刻掉落或調整撞擊力會發(fā)生什么。

大規(guī)模解決社會和經濟挑戰(zhàn)

基于分布式系統(tǒng)架構的多級系統(tǒng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)整體理解、最佳決策和有效行動。像這樣的架構可以演變成可擴展的機制，支持由連接的、基于狀態(tài)的系統(tǒng)生成和使用的可操作信息流。

由英國數(shù)字建筑中心（CDBB）運營的國家數(shù)字孿生計劃（NDTp）是政府倡議開發(fā)的互聯(lián)數(shù)字孿生系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的一個例子，該計劃為社會和經濟帶來更好的成果。最初的活動側重于使行業(yè)和政府保持一致，遵循一個共同的信息管理定義和方法，以便數(shù)據(jù)可以在未來的數(shù)字孿生之間大規(guī)模公開安全地共享。

該倡議于今年結束，有幾個工作組，涵蓋技術基礎設施和經濟和環(huán)境政策研究，所有這些都旨在利用工業(yè)元宇宙來解決世界上最復雜的問題。

未來幾年，在城市交通、能源、環(huán)境、防災、醫(yī)療等領域分別開發(fā)的多個數(shù)字孿生將相互連接，其底層數(shù)據(jù)將相互鏈接。然后，我們將在數(shù)字空間中建立聯(lián)合系統(tǒng)，使我們能夠排練復雜的場景，例如城市交通和能源供應如何受到大規(guī)模災難的影響。這將使我們能夠準備對系統(tǒng)性風險作出迅速和適當?shù)姆磻?。它還將幫助我們模擬氣候變化和未來流行病的影響。

無論您稱之為行業(yè)范式轉變還是革命，毫無疑問，工業(yè)元宇宙和互聯(lián)數(shù)字孿生是推動解決我們最復雜的行業(yè)、經濟和社會問題的關鍵組成部分。

審核編輯：郭婷