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

消費(fèi)者（或社交）元宇宙主要關(guān)注娛樂價(jià)值，而工業(yè)元宇宙則專注于通過高級(jí)建模和模擬解決復(fù)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(shí)和理解。

Gartner 將數(shù)字孿生定義為“現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字表示”。在單個(gè)產(chǎn)品的領(lǐng)域內(nèi)，這個(gè)定義與對(duì)象建?；蛴?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(gè)虛擬化的“系統(tǒng)系統(tǒng)”，其中一個(gè)數(shù)字孿生的輸入和由此產(chǎn)生的行為可能會(huì)影響完全在虛擬空間內(nèi)運(yùn)行的其他數(shù)字孿生。

工業(yè)元宇宙的目標(biāo)是對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)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?nèi)蛏鐣?huì)今天面臨的復(fù)雜問題。例如，解決世界饑餓問題需要大量數(shù)字孿生——從農(nóng)場和農(nóng)業(yè)設(shè)備到配送中心和運(yùn)輸系統(tǒng)——來形成一個(gè)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(yùn)行都針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)的食品可持續(xù)性目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。

另一個(gè)例子是，汽車制造商可以使用新車輛設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生，并在各種路況、汽油等級(jí)和維護(hù)時(shí)間表下虛擬仿真其性能，以預(yù)測油耗、可靠性和環(huán)境影響。工業(yè)元宇宙可以使這個(gè)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(píng)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(fù)制系統(tǒng)的各種過程，但數(shù)字孿生實(shí)際上是一個(gè)虛擬環(huán)境，這使得它的研究更加豐富。這里的關(guān)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(gè)特定的過程，但數(shù)字孿生可以運(yùn)行任意數(shù)量的有用模擬來研究多個(gè)過程。數(shù)字孿生的第一個(gè)版本可以只是其現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)應(yīng)物的一些屬性的簡單表示，但隨著時(shí)間的推移，根據(jù)需要，孿生體可以變得更加復(fù)雜，以匹配物理系統(tǒng)的演變。

可以將各種刺激應(yīng)用于數(shù)字孿生，以分析和預(yù)測產(chǎn)品或系統(tǒng)行為。這允許在構(gòu)建物理產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)物理系統(tǒng)之前進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

數(shù)字孿生、信息物理系統(tǒng)和 MBSE

一旦構(gòu)建了物理產(chǎn)品，數(shù)字孿生的價(jià)值就有限，除非它能夠準(zhǔn)確地將其狀態(tài)與物理對(duì)應(yīng)項(xiàng)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(guān)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(jìn)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(wǎng)技術(shù)，為無人駕駛汽車等自主系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。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(gè)挑戰(zhàn)是系統(tǒng)創(chuàng)建中涉及的各種工程學(xué)科（如軟件和機(jī)械工程）之間的設(shè)計(jì)實(shí)踐存在巨大差異。

進(jìn)入MBSE的概念，它涉及設(shè)計(jì)，分析和驗(yàn)證這些復(fù)雜系統(tǒng)的方法。MBSE提供了一種設(shè)計(jì)“語言”，該語言對(duì)于創(chuàng)建CPS所涉及的所有學(xué)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(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的需求，設(shè)計(jì)，分析，驗(yàn)證和確認(rèn)。與以文檔為中心的工程設(shè)計(jì)相比，MBSE 將模型置于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心。

但MBSE不僅僅是一個(gè)系統(tǒng)模型。它是模型的鏈接，以創(chuàng)建一個(gè)了解其邊界，矛盾并可以傳達(dá)其設(shè)計(jì)更改原因的系統(tǒng)。它是需求與領(lǐng)域?qū)＜覄?chuàng)建的低級(jí)、高保真技術(shù)模型之間的橋梁。

當(dāng)快速創(chuàng)新至關(guān)重要時(shí)，來自所有學(xué)科的工程師必須能夠協(xié)作探索系統(tǒng)設(shè)計(jì)，快速將職責(zé)分配給軟件和硬件元素，然后分析它們之間的權(quán)衡。MBSE 可以成為開發(fā)和采用數(shù)字孿生的驅(qū)動(dòng)力，這些數(shù)字孿生在整個(gè)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(chǎn)品設(shè)計(jì)：邁向數(shù)字孿生和 MBSE 驅(qū)動(dòng)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(guān)，更具體地說，MBSE。它們的結(jié)合使現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)能夠得到分析和優(yōu)化，但這需要在整個(gè)開發(fā)生命周期中進(jìn)行轉(zhuǎn)型，以實(shí)現(xiàn)MBSE和數(shù)字孿生技術(shù)的采用，并確保實(shí)現(xiàn)其所有優(yōu)勢。

例如，像汽車這樣的智能產(chǎn)品正在成為復(fù)雜的系統(tǒng)系統(tǒng)，挑戰(zhàn)工程師利用復(fù)雜性和數(shù)據(jù)層，并模糊不同工程領(lǐng)域之間的界限。在全面的數(shù)字孿生中對(duì)智能產(chǎn)品的各個(gè)方面進(jìn)行數(shù)字表示不再是管理當(dāng)今產(chǎn)品開發(fā)復(fù)雜性的可選內(nèi)容，而是已成為一項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

為了充分利用數(shù)字孿生技術(shù)，我們必須首先將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到開發(fā)可在整個(gè)系統(tǒng)生命周期（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)）中使用的數(shù)字孿生模型。一個(gè)常見的誤解是，數(shù)字孿生只有在創(chuàng)建其物理對(duì)應(yīng)物后才會(huì)使用，但“左移”哲學(xué)（或通過將測試等任務(wù)轉(zhuǎn)移到盡可能早的開發(fā)生命周期來提高質(zhì)量的做法）也可以使用數(shù)字孿生來發(fā)現(xiàn)和預(yù)防產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)世界環(huán)境相結(jié)合的能力。..。..半導(dǎo)體在進(jìn)入硅之前運(yùn)行良好。這是一個(gè)真正的左移環(huán)境，使OEM能夠?qū)λ麄冋谧龀龅臎Q策充滿信心，這是前所未有的“——西門子Joseph Sawicki。

構(gòu)建工業(yè)元宇宙的平臺(tái)

虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以減少對(duì)原型硬件的依賴，并為所有工程師在產(chǎn)品開發(fā)周期的任何階段提供對(duì)系統(tǒng)的虛擬訪問。當(dāng)然，數(shù)字孿生不僅僅是代表系統(tǒng)，它們還涉及評(píng)估設(shè)計(jì)和操作替代方案，通過準(zhǔn)確模擬進(jìn)行更改時(shí)發(fā)生的情況，可以節(jié)省時(shí)間和/或成本。

“數(shù)字孿生的定義是從NASA時(shí)代的傳統(tǒng)含義演變而來的，”MathWorks研究員Jim Tung說。“它不僅是運(yùn)營中資產(chǎn)的數(shù)字表示，還反映了其當(dāng)前狀態(tài)。它還在其發(fā)展的各個(gè)階段使用資產(chǎn)模型。20多年來，我們一直將這種方法稱為基于模型的設(shè)計(jì)，您可以使用模型做出更好的設(shè)計(jì)選擇，與實(shí)時(shí)模型交互以驗(yàn)證需求，組合其他模型進(jìn)行虛擬集成，并自動(dòng)生成生產(chǎn)代碼。

“當(dāng)這些模型被調(diào)整以代表系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，這種重用是強(qiáng)大的，”Tung繼續(xù)說道?！斑@不僅僅是為了顯示當(dāng)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(yù)測性維護(hù)如此熱門的原因。它涉及資產(chǎn)在潛在情況下的表現(xiàn)。因此，在整個(gè)開發(fā)和運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真是我們思考數(shù)字孿生價(jià)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(jí)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(tái)可以對(duì)由物理硬件、嵌入式軟件、算法和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境組成的復(fù)雜虛擬系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。

為了支持最佳決策和行動(dòng)，數(shù)字孿生系統(tǒng)需要通過信息交換進(jìn)行連續(xù)和遞歸的過程改進(jìn)，包括從傳感系統(tǒng)到人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)到致動(dòng)系統(tǒng)的信息流。像 Simulink 運(yùn)行的仿真模型可以通過考慮擴(kuò)展的信息集來解釋和預(yù)測現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)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(xué)。

最終，智能產(chǎn)品將通過數(shù)字孿生進(jìn)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(fù)雜的系統(tǒng)部署中優(yōu)化價(jià)值并最大限度地降低最終客戶的風(fēng)險(xiǎn)。NVIDIAOmniverse是在“工業(yè)元宇宙”中運(yùn)行的聯(lián)合、可互操作的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)的可擴(kuò)展平臺(tái)的一個(gè)例子。

Omniverse 是一個(gè)支持 GPU 的開發(fā)平臺(tái)，用于構(gòu)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(fù)制物理現(xiàn)實(shí)中正在發(fā)生的事情的移動(dòng)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(shù)。一個(gè)例子是最近與西門子合作，創(chuàng)建了一個(gè)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(jié)合，將形成一個(gè)用于工業(yè)用例的數(shù)字孿生平臺(tái)。

Omniverse基于皮克斯的通用場景描述（USD），這是一個(gè)用于協(xié)作構(gòu)建3D場景的開源軟件框架。USD 是可擴(kuò)展的，因此來自物理（如建筑物、機(jī)器人或傳感器）或虛擬資產(chǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù)集可以組合在一起，而不會(huì)相互碰撞。這允許通過易于更新的設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)進(jìn)行極端協(xié)作。該平臺(tái)還保留資產(chǎn)模擬中的計(jì)算狀態(tài)值，因此您可以回放和網(wǎng)格劃分工程數(shù)據(jù)以預(yù)測結(jié)果。例如，它允許您確定如果資產(chǎn)在某個(gè)時(shí)刻掉落或調(diào)整撞擊力會(huì)發(fā)生什么。

大規(guī)模解決社會(huì)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)

基于分布式系統(tǒng)架構(gòu)的多級(jí)系統(tǒng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)整體理解、最佳決策和有效行動(dòng)。像這樣的架構(gòu)可以演變成可擴(kuò)展的機(jī)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(yùn)營的國家數(shù)字孿生計(jì)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(gè)例子，該計(jì)劃為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來更好的成果。最初的活動(dòng)側(cè)重于使行業(yè)和政府保持一致，遵循一個(gè)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(jié)束，有幾個(gè)工作組，涵蓋技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)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(fù)雜的問題。

未來幾年，在城市交通、能源、環(huán)境、防災(zāi)、醫(yī)療等領(lǐng)域分別開發(fā)的多個(gè)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(fù)雜的場景，例如城市交通和能源供應(yīng)如何受到大規(guī)模災(zāi)難的影響。這將使我們能夠準(zhǔn)備對(duì)系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)作出迅速和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。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(zhuǎn)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(dòng)解決我們最復(fù)雜的行業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題的關(guān)鍵組成部分。

審核編輯：郭婷