在《從黑客帝國到數(shù)字孿生》前文中，作者提出過“無仿真，不孿生”的觀點(diǎn)。同時指出，在數(shù)字孿生的五級成熟度模型以及四大應(yīng)用場景中，仿真無處不在。本文將對這些場景中的仿真方法做簡單梳理。為了保障可讀性，我們盡量用直白的語言解釋，而不刻意追求其定義的準(zhǔn)確性。

數(shù)字孿生制造中的仿真

由于仿真興起于制造業(yè)，在制造業(yè)的應(yīng)用也最為廣泛，所以在在制造場景下的仿真類型也最為豐富，涉及到的仿真包括產(chǎn)品仿真、制造仿真和生產(chǎn)仿真等幾大類，每項(xiàng)大類包括一系列小類。

?產(chǎn)品仿真

系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)仿真主要關(guān)注構(gòu)成系統(tǒng)的整體特性，并不關(guān)注其構(gòu)件本身的特性。把構(gòu)成系統(tǒng)的各個部件用最簡單的符號來代表，但這個符號需要賦以能表征是這個部件的特性。各個部件之間用簡單符號（如線條）連接起來，這個連接需要賦以能代表兩者作用關(guān)系的特性。通過整體計(jì)算來仿真整體系統(tǒng)的特性。

多體仿真：多體仿真主要關(guān)注構(gòu)成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件之間的運(yùn)動關(guān)系，不關(guān)注構(gòu)件自身的內(nèi)部特性。把構(gòu)成系統(tǒng)的各個部件用簡單的剛體建模，各部件之間的連接關(guān)系按照實(shí)際情況定義，這個連接需要賦以能代表兩者作用關(guān)系的特性。通過整體計(jì)算來仿真整體和單個構(gòu)件的運(yùn)動。

場仿真：場仿真是對物理場（譬如應(yīng)力應(yīng)變（即結(jié)構(gòu)）場、溫度場、流場、電磁場等）進(jìn)行仿真。采用計(jì)算對象（結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行環(huán)境）的真實(shí)材料特性，用逼近真實(shí)（或做一定程度的簡化）的形狀對計(jì)算對象進(jìn)行建模，通過物理場方程準(zhǔn)確計(jì)其性能參數(shù)。

虛擬試驗(yàn)：利用仿真技術(shù)來模擬試驗(yàn)過程，施加的環(huán)境條件與試驗(yàn)現(xiàn)場相同，以提高試驗(yàn)的效率和質(zhì)量。

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?制造場景下的產(chǎn)品仿真示例

制造仿真

1. 工藝仿真：通過對類似鑄造、鍛造、切削、熱處理、焊接這樣的工藝機(jī)理的模擬，利用材料學(xué)、傳熱、固體力學(xué)、流體力學(xué)等科學(xué)計(jì)算來判斷這些工藝實(shí)施的可行性、效率和效果。工藝仿真不同于后文的數(shù)控加工仿真，后者是通過圖像學(xué)原理來對數(shù)控程序進(jìn)行校正。

1. 裝配仿真：利用圖形圖像學(xué)技術(shù)，特別是其中的干涉技術(shù)，對裝配對象的裝配過程進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證裝配的可行性及工藝效率，可為各類復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供產(chǎn)品可裝配性驗(yàn)證、裝配工藝規(guī)劃和分析、裝配操作培訓(xùn)與指導(dǎo)、裝配過程演示等。

   
   

2. ?數(shù)控加工仿真：為了確保數(shù)控程序的安全性和加工結(jié)果的正確性，利用圖像干涉的原理對生成的刀軌進(jìn)行檢查校驗(yàn)，檢查刀路是否有明顯的過切或者加工不到位，同時檢查是否發(fā)生與工件及夾具的干涉。在這個過程中，會獲得加工之后的零件形狀，并發(fā)現(xiàn)更優(yōu)化和高效的刀軌，據(jù)此優(yōu)化數(shù)控程序。

生產(chǎn)仿真

離散制造業(yè)的工廠仿真：該仿真類型主要關(guān)注離散制造的生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)，通過利用虛擬仿真技術(shù)，可以對于工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，并在仿真模型“預(yù)演”的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行分析、評估、驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題和有待改進(jìn)之處，并進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。

流程制造業(yè)的工廠仿真：該仿真類型主要關(guān)注流程制造業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行的效率和安全性。管路系統(tǒng)是流程制造業(yè)的常見系統(tǒng)，通過仿真手段對管路系統(tǒng)中的流通物的流動進(jìn)行模擬，可以計(jì)算出其系統(tǒng)效率和安全性，達(dá)到優(yōu)化制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

生產(chǎn)系統(tǒng)仿真

數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)中的仿真

物流仿真：

指評估物流系統(tǒng)(配送中心、倉庫存儲系統(tǒng)、揀貨系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等)的整體能力的一種評價(jià)方法。物流仿真是針對物流系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模，模擬實(shí)際物流系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并統(tǒng)計(jì)和分析模擬結(jié)果，用以指導(dǎo)實(shí)際物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)作管理。

組織仿真：

主要通過對實(shí)體組織建模并模擬運(yùn)行，來研究組織實(shí)體群的關(guān)系及其活動規(guī)律，將個體行為、組織現(xiàn)象與任務(wù)過程相結(jié)合,有效解決組織的復(fù)雜性造成任務(wù)積壓、返工等問題。

業(yè)務(wù)流程仿真：

流程是企業(yè)或產(chǎn)業(yè)運(yùn)作的基本模式。通過對業(yè)務(wù)流程建模，通過流程引擎驅(qū)動流程模型運(yùn)轉(zhuǎn)（圖1-25），以實(shí)際情況（譬如操作周期、審批周期、意外等待、返工退回等）的各種潛在組合作為環(huán)境條件來模擬業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)，以判斷流程的合理性。

數(shù)字孿生城市中的仿真

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交通仿真：

交通仿真指用仿真技術(shù)來研究交通行為，是一門對交通運(yùn)動隨時間和空間的變化進(jìn)行跟蹤描述的技術(shù)。交通仿真的作用在于對現(xiàn)有系統(tǒng)或未來系統(tǒng)的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行再現(xiàn)或預(yù)先把握，從而對復(fù)雜的交通現(xiàn)象進(jìn)行解釋、分析、找出問題的癥結(jié)，最終對所研究的交通系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

人群仿真：

通過社會力模型模擬人群運(yùn)動的行為，特別是在火災(zāi)或地震等突發(fā)事件下的人群運(yùn)動特征，用來優(yōu)化建筑物內(nèi)外的布局，特別是緊急通道的設(shè)計(jì)，也可以為人群疏散策略的制定提供參考依據(jù)。

大氣仿真：

通過流體動力學(xué)技術(shù)進(jìn)行大氣擴(kuò)散的模擬，來判斷有害氣體、塵埃、霧霾等的擴(kuò)散速度和路徑，也可以計(jì)算城市樓宇之間的風(fēng)速，用來進(jìn)行建筑物的布局規(guī)劃。

爆轟仿真：

用來模擬城市某點(diǎn)發(fā)生的爆炸事件對周圍的建筑、車輛、行人等的影響，特別是破壞情況。

城市仿真：

通過將建筑物及其它設(shè)施的位置、高度、外觀、空間形態(tài)等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，建立城市模型，用于規(guī)劃真實(shí)環(huán)境，開展各類論證、試驗(yàn)、分析、運(yùn)行、訓(xùn)練等工作，服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等領(lǐng)域的一門新興技術(shù)。它主要的應(yīng)用方式有城市應(yīng)急仿真、城市規(guī)劃仿真、城市實(shí)時仿真等。

在城市場景下的仿真實(shí)例

技術(shù)方向和專業(yè)設(shè)置?

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體系仿真：

在現(xiàn)代系統(tǒng)工程方法和體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)（如DoDAF、TOGAF等）的指導(dǎo)下，利用IDEF、UML、SySML等多種建模語言進(jìn)行基于活動的建模和仿真，并與裝備描述數(shù)據(jù)庫、需求管理工具、作戰(zhàn)想定編輯、想定驗(yàn)證工具等進(jìn)行深度集成，是開發(fā)復(fù)雜體系的研發(fā)設(shè)計(jì)、布局指導(dǎo)、運(yùn)行指揮的支撐工具，不僅常用于裝備論證與研制過程，還常用戰(zhàn)場多兵種和戰(zhàn)斗群的行為和效果推演，甚至用于戰(zhàn)場指揮。

戰(zhàn)場仿真：

將虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，生成虛擬作戰(zhàn)自然環(huán)境，并在保證其一致性的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將分布在不同地域的虛擬武器仿真平臺或軍事仿真系統(tǒng)連接到該自然環(huán)境中，進(jìn)行戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)演練的軍事應(yīng)用環(huán)境，以達(dá)到逼真的效果。

利用體系仿真技術(shù)模擬戰(zhàn)場

VR、AR及MR

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及混合現(xiàn)實(shí)（MR）等技術(shù)在近幾年發(fā)展迅速，而且在以上各個場景中都有重要應(yīng)用價(jià)值。

虛擬現(xiàn)實(shí)：

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）利用現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的電子信號，將其與各種輸出設(shè)備結(jié)合使其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實(shí)中真真切切的物體，也可以是我們?nèi)庋鬯床坏降奈镔|(zhì)，通過三維模型表現(xiàn)出來。因?yàn)檫@些現(xiàn)象不是我們直接所能看到的，而是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬出來的現(xiàn)實(shí)中的世界，故稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)末逐漸興起的一項(xiàng)綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。虛擬現(xiàn)實(shí)利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動時，計(jì)算機(jī)可以立即進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回，從而產(chǎn)生臨場感。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究內(nèi)容大體上可分為VR技術(shù)本身的研究和VR技術(shù)應(yīng)用的研究兩大類。根據(jù)VR所傾向的特征的不同，目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要劃分為四個層次：即桌面式、增強(qiáng)式、沉浸式和網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)。VR技術(shù)的實(shí)質(zhì)是構(gòu)建一種人能夠與之進(jìn)行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實(shí)時地探索或移動其中的對象。

虛擬現(xiàn)實(shí)的用戶可以在虛擬現(xiàn)實(shí)世界體驗(yàn)到最真實(shí)的感受，其模擬環(huán)境的真實(shí)性與現(xiàn)實(shí)世界難辨真假，讓人有種身臨其境的感覺。同時，虛擬現(xiàn)實(shí)具有一切人類所擁有的感知功能，比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統(tǒng)。最后，它具有超強(qiáng)的仿真系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，使人在操作過程中，可以隨意操作并且得到環(huán)境最真實(shí)的反饋。正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR），也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。它能促使真實(shí)世界信息和虛擬世界信息內(nèi)容之間綜合在一起。其將原本在現(xiàn)實(shí)世界的空間范圍中比較難以進(jìn)行體驗(yàn)的實(shí)體信息在電腦等科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)施模擬仿真處理，將虛擬信息內(nèi)容疊加在真實(shí)世界中，并且能夠被人類感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)環(huán)境和虛擬物體之間疊加之后，能夠在同一個畫面以及空間中同時存在。用戶需要利用頭盔顯示器或眼鏡，使真實(shí)世界和電腦圖形重合在一起，在重合之后可以充分看到真實(shí)的世界圍繞著它。

混合現(xiàn)實(shí)：

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mixed Reality，簡稱MR）是也虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。混合現(xiàn)實(shí)是一組技術(shù)組合，不僅提供新的觀看方法，還提供新的輸入方法，而且所有方法相互結(jié)合，從而推動創(chuàng)創(chuàng)新。

無論是虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還是混合現(xiàn)實(shí)，在數(shù)字孿生體的各個場景中都有巨大的應(yīng)用潛力。人類通過屏幕與數(shù)字世界交互不僅不直觀、不真實(shí)，而且交互深度受到巨大限制。這三種技術(shù)提供的深度沉浸的交互方式讓人類與數(shù)字世界的交互方式與物理世界交互方式類似，使數(shù)字化的世界在感官和操作體驗(yàn)上更加接近物理世界，讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數(shù)字世界中，人類又具有超人般的特異功能，可以無限駕馭數(shù)字世界，例如穿墻而過、隔空取物、時空穿越、變換大小等，將數(shù)字孿生體的應(yīng)用推向極致。

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造經(jīng)驗(yàn)，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。