第六节　仿真新巅峰：数字孪生体

这几年，数字孪生体的概念炙手可热，越来越成为从工业到产业、从军事到民生各个领域的智慧新代表。在工业界，无论智能制造还是工业4.0，这些智能化体系都需要网络化和数字化两只轮子来支撑。在中国，工业互联网已成为其中一只，而数字孪生体将成为另外一只。在我看来，继《黑客帝国》开创“仿真巅峰”以来，数字孪生把仿真应用推向一个新的巅峰。

1.黑客帝国开创的仿真巅峰

时钟拨回20年前——1999年，那是《黑客帝国》的上映年。当时被“矩阵（Matrix）”惊到怀疑人生。时隔4年，第二集和第三集推出，虽然没有第一集那么惊艳和震撼，但其持续的创新和立体化的脑洞，让笔者将这三部曲定义为电影的巅峰，直到现在。

笔者痴迷于《黑客帝国》的原因正与仿真有关。作为一个仿真老兵，20多年的职业生涯就是20年的仿真生涯。该电影之所以让一个仿真老兵如此痴迷的原因是，它告诉我们，世界上存在一个令人神往的世界，仿真可以无处不在，而这些年仿真界的新成就也证明确实如此。仿真除了在产品研发设计、制造和试验广泛应用外，现在出现在其他更多场景中，譬如生产仿真、工厂仿真、运维仿真、物流仿真、流程仿真、组织仿真、交通仿真、人群仿真、战场仿真、虚拟现实（VR）等。这些新型仿真技术或多或少都与人类行为甚至思维有关，表现出一定的社会学特征，即人工智能。在《黑客帝国》里，自然界和人类社会可以被事无巨细地建模并仿真，几无破绽。

随着现代仿真技术发展，《黑客帝国》三部曲展现的奇特和科幻的场景离我们越来越近。在笔者看来，《黑客帝国》是电影的巅峰，其中的世界更是仿真的巅峰。

2.数字孪生的仿真新巅峰

不过这几年，《黑客帝国》创立的仿真巅峰被一个新的理念刷新，那就是数字孪生（digital twin）。数字孪生系统是由物理对象、数字镜像及互动系统构成的一个体系（图1-22）。数字孪生体将仿真技术发挥到极致，使得物理世界和数字世界的互动更加直接、方便和全方位。

相比《黑客帝国》，数字孪生体的突破在于：数字世界不满足于展现一个旧的物理世界，还要模拟新的物理世界；既要实时接收物理世界的信息，还要预测物理世界；既要接受物理世界的操纵，更要反过来驱动物理世界；数字世界要进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

图1-22　数字孪生体系的逻辑

3.无仿真，不孪生

我们把数字孪生体的进化过程称为数字孪生体成熟度模型，即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个过程（图1-23）。在每个过程中，仿真都扮演着不可或缺的角色。

图1-23　数字孪生体成熟度模型

（1）数化与仿真

“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算机和网络所能识别的数字模型。建模技术是数字化的核心技术，譬如测绘扫描、几何建模、网格剖分、系统建模、流程建模、组织建模等技术。在业界，建模技术总是与仿真联系在一起，甚至被视作仿真的一部分。

（2）互动与仿真

“互动”主要是指物理对象和数字对象之间的动态互动，当然也隐含了物理对象之间以及数字对象之间的互动。后两者在物联网和仿真世界中已经实现，而前者是数字孪生体独有的特征。这种互动是半实物仿真中司空见惯的场景。

（3）先知与仿真

“先知”是指对物理世界的动态预测。这需要数字对象不仅表达物理世界的几何形状，更需要在数字模型中融入物理规律和机理，这是仿真世界的特长。仿真技术不仅建立物理对象的数字化模型，还要根据当前状态，通过物理学规律和机理来计算、分析和预测物理对象的未来状态。这种仿真不是对一个阶段或一种现象的仿真，应是全周期和全领域的动态仿真。

（4）先觉与仿真

如果说“先知”是依据物理对象的确定性规律和完整机理来预测数字孪生体的未来，那么“先觉”就是依据不完整的信息和不明确的机理通过工业大数据技术来预感未来。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识，其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世界的。不过“先觉”不完全是“直觉”，总是尽其所能地将不明确的机理“确定化”，以获得某种程度上的“推理”能力，能推理才可预测。因此，有学者将工业大数据视为一种新的仿真范式。

（5）共智与仿真

“共智”是通过云计算技术实现世界上所有数字孪生体智慧的交换和共享，其隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧首先是共享的。多个数字孪生单体可以通过“共智”形成更大的数字孪生体。这种“共智”不仅仅是信息和数据的交换，更需要通过不同孪生体之间的多种学科耦合仿真才能让思想碰撞，才能产生智慧的火花。

数字孪生体的应用十分广泛，在我们看来，至少在四个场景中将发挥巨大的作用，即制造、产业、城市和战场，数字孪生体也因为仿真而在这些场景中无处不在，并成为智慧的源泉与核心。本节我们对这些场景中的仿真方法做一个简单梳理。为了保障可读性，我们尽量用直白的语言解释，而不刻意追求其定义的准确性。

4.数字孪生制造中的仿真

由于仿真兴起于制造业，在制造业的应用也最为广泛，所以在制造场景下的仿真类型也最为丰富，涉及的仿真包括产品仿真、制造仿真和生产仿真等几大类，每项大类又包括一系列小类。

（1）产品仿真

1）系统仿真：系统仿真主要关注构成系统的整体特性，并不关注其构件本身的特性。把构成系统的各个部件用最简单的符号来表示，但这个符号需要赋予能表征这个部件的特性。各个部件之间用简单符号（如线条）连接起来，这个连接需要赋予能代表两者作用关系的特性。通过整体计算来仿真整体系统的特性。

2）多体仿真：多体仿真主要关注构成结构的构件之间的运动关系，不关注构件自身的内部特性。把构成系统的各个部件用简单的刚体建模，各部件之间的连接关系按照实际情况定义，这个连接需要赋予能代表两者作用关系的特性。通过整体计算来仿真整体和单个构件的运动。

3）场仿真：场仿真是对物理场[譬如应力应变（即结构）场、温度场、流场、电磁场等]进行仿真。采用计算对象（结构及其运行环境）的真实材料特性，用逼近真实（或做一定程度的简化）的形状对计算对象进行建模，通过物理场方程准确计算其性能参数。

4）虚拟试验：利用仿真技术来模拟试验过程，施加的环境条件与试验现场相同，以提高试验的效率和质量。

（2）制造仿真

1）工艺仿真：通过对类似铸造、锻造、切削、热处理、焊接这样的工艺机理的模拟，利用材料学、传热、固体力学、流体力学等科学计算来判断这些工艺实施的可行性、效率和效果。工艺仿真不同于后文的数控加工仿真，后者是通过图像学原理来对数控程序进行校正。

2）装配仿真：利用图形图像学技术，特别是其中的干涉技术，对装配对象的装配过程进行模拟，以验证装配的可行性及工艺效率，可为各类复杂机电产品的设计和制造提供产品可装配性验证、装配工艺规划和分析、装配操作培训与指导、装配过程演示等。

3）数控加工仿真：为了确保数控程序的安全性和加工结果的正确性，利用图像干涉的原理对生成的刀轨进行检查校验，检查刀路是否有明显的过切或者加工不到位，同时检查是否发生与工件及夹具的干涉。在这个过程中，会获得加工之后的零件形状，并发现更优化和高效的刀轨，据此优化数控程序。

（3）生产仿真

1）离散制造业的工厂仿真：该仿真类型主要关注离散制造的生产规划环节，通过利用虚拟仿真技术，可以对工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划，并在仿真模型“预演”的基础之上进行分析、评估、验证，发现系统运行中存在的问题和有待改进之处，并进行调整与优化。

2）流程制造业的工厂仿真：该仿真类型主要关注流程制造业生产运行的效率和安全性。管路系统是流程制造业的常见系统，通过仿真手段对管路系统中流通物的流动进行模拟，可以计算出其系统效率和安全性，达到优化制造系统设计的目的。

如图1-24所示为生产系统仿真。

图1-24　生产系统仿真

5.数字孪生产业中的仿真

1）物流仿真：评估物流系统（配送中心、仓库存储系统、拣货系统、运输系统等）整体能力的一种评价方法。物流仿真是针对物流系统进行系统建模，模拟实际物流系统运行状况，并统计和分析模拟结果，用以指导实际物流系统的规划设计与运作管理。

2）组织仿真：主要通过对实体组织建模并模拟运行，来研究组织实体群的关系及其活动规律，将个体行为、组织现象与任务过程相结合，有效解决组织复杂性造成的任务积压、返工等问题。

3）业务流程仿真：流程是企业或产业运作的基本模式。对业务流程建模，通过流程引擎驱动流程模型运转（图1-25），以实际情况（譬如操作周期、审批周期、意外等待、返工退回等）的各种潜在组合作为环境条件来模拟业务流转，可以判断流程的合理性。

图1-25　过程仿真（适合于业务流程仿真）

6.数字孪生城市中的仿真

1）交通仿真：交通仿真指用仿真技术来研究交通行为，是一门对交通运动随时间和空间的变化进行跟踪描述的技术。交通仿真的作用在于对现有系统或未来系统的交通运行状况进行再现或预先把握，从而对复杂的交通现象进行解释、分析、找出问题的症结，最终对所研究的交通系统进行优化。

2）人群仿真：通过社会力模型模拟人群运动的行为，特别是在火灾或地震等突发事件下的人群运动特征，以优化建筑物内外的布局，特别是紧急通道的设计，也可以为人群疏散策略的制定提供参考依据。

3）大气仿真：通过流体动力学技术进行大气扩散的模拟，以判断有害气体、尘埃、雾霾等的扩散速度和路径；也可以计算城市楼宇之间的风速，用来进行建筑物的布局规划。

4）爆轰仿真：用来模拟城市某点发生的爆炸事件对周围的建筑、车辆、行人等的影响，特别是破坏情况。

5）城市仿真：通过将建筑物及其他设施的位置、高度、外观、空间形态等要素进行数据分析和处理，建立城市模型，用于规划真实环境，开展各类论证、试验、分析、运行、训练等工作，服务于城市规划、建设、管理等。它的主要应用方式有城市应急仿真、城市规划仿真、城市实时仿真等。

7.数字孪生战场中的仿真

1）体系仿真：在现代系统工程方法和体系结构框架标准（如DoDAF、TOGAF等）的指导下，利用IDEF、UML、SySML等多种建模语言进行基于活动的建模和仿真，并与装备描述数据库、需求管理工具、作战想定编辑、想定验证工具等进行深度集成。体系仿真是复杂体系研发设计、布局指导、运行指挥的支撑工具，不仅常用于装备论证与研制过程，还常用于战场多兵种和战斗群的行为和效果推演，甚至用于战场指挥。

2）战场仿真：将虚拟现实与可视化技术、仿真技术、网络技术融合，生成虚拟作战自然环境，并在保证其一致性的基础上，通过计算机网络，将分布在不同地域的虚拟武器仿真平台或军事仿真系统连接到该自然环境中，进行战略、战役、战术演练的军事应用环境，以达到逼真的效果（图1-26）。

图1-26　利用战场仿真技术模拟战场

8.VR、AR及MR

虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等技术在近几年发展迅速，而且在以上各个场景中都有重要应用价值。

（1）虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality，VR）利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合，使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，并通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

虚拟现实技术是20世纪末逐渐兴起的一项综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。虚拟现实利用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，而人作为参与者，通过适当装置自然地对虚拟世界进行体验和交互。使用者移动位置时，计算机可以立即进行复杂运算，将精确的3D世界影像传回，从而产生临场感。

虚拟现实技术的研究内容大体上可分为VR技术本身的研究和VR技术应用研究两大类。目前虚拟现实系统主要划分为四个层次，即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实。VR技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。

虚拟现实的用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境与现实世界难辨真假，让人有身临其境的感觉。同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统。最后，它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，参与者可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。

（2）增强现实

增强现实（Augmented Reality，AR），也被称为扩增现实，是虚拟现实技术的发展。它促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间的综合，将原本在现实世界空间范围中比较难以进行体验的实体信息，通过计算机等科学技术实施模拟仿真处理，从而将虚拟信息内容叠加在真实世界中，并且能够被人类感官所感知，实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟物体叠加之后，能够在一个画面以及空间中同时存在。用户需要利用头盔显示器或眼镜，使真实世界和计算机图形重合在一起。

（3）混合现实

混合现实（Mixed Reality，MR）也是虚拟现实技术的发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实是一组技术组合，不仅提供新的观看方法，还提供新的输入方法，而且所有方法相互结合，从而推动创新。

无论是虚拟现实、增强现实还是混合现实，在数字孪生体的各个场景中都有巨大的应用潜力。人类通过屏幕与数字世界交互不仅不直观、不真实，而且交互深度受到巨大限制。这三种技术提供的深度沉浸的交互方式让人类与数字世界的交互同物理世界交互方式类似，使数字化世界在感官和操作体验上更加接近物理世界，让“孪生”一词变得更为精妙。但在数字世界中，人类又具有超人般的特异功能，可以无限驾驭数字世界，如穿墙而过、隔空取物、时空穿越、变换大小等，将数字孪生体的应用推向极致。

未来，《黑客帝国》提供的驾驭数字世界的方式——人类的思维和意念以数字体的形式进入数字世界并操纵数字世界，将让人类将数字孪生体应用推向一个新高度。

在本书编写同期，笔者供职公司成立了数字孪生体实验室，并发布了《数字孪生体技术研究报告（2019）》。附录A给出了该研究报告的简版，以帮助读者理解本书的观点。