达索：数字孪生照见虚拟与现实

财经

2023-09-13 05:09

“

数字孪生会不断向着更高级别的数字孪生体进化发展，最后，数字孪生技术形成的元宇宙，会是一个“对现实世界负责的元宇宙”。

文｜哀佳石丹

ID | BMR2004

二十多年前，当密歇根大学教授Michael Grieves提出物理产品虚拟数字化映射的概念，也就是当下火热的“数字孪生”（Digital Twin）概念的时候，并没有得到行业内的积极响应。但二十多年后，数字孪生开始受到各行各业的热情追捧。

如今，数字孪生这一概念，迅速在制造业内走红，随后蔓延到智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗、智能家居等行业。

对虚拟世界的渴望

数字孪生的三个重要组成部分：真实空间中的物理实体、虚拟空间中的虚拟产物，以及将虚拟产品和真实产品联系在一起的数据和信息连接。

2002年，美国密歇根大学成立了PLM（产品生命周期管理）中心。该大学教授Michael Grieves提出了一个从未有过的模型，该模型首次提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念，首次出现了关于现实空间、虚拟空间的描述，但那时还没有“数字孪生”的概念。直到2010?年，NASA（美国国家航空航天局）才在其太空技术路线图中首次引入了“数字孪生”的表述。

NASA正式给“数字孪生”下了一个定义：是一种集成化的多种物理量、多种空间尺度的运载工具或系统仿真，该仿真使用了最为有效的物理模型、传感器数据的更新、飞行器的历史等等，通过镜像映射出其对应的飞行当中孪生对象的生存状态。

由此可见，NASA提出的“数字孪生”概念有明确的工程背景，即服务于未来宇航任务的需要。但从本质上，“数字孪生”与Michael Grieves教授提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”内涵基本相似，都具备三个重要组成部分：真实空间中的物理实体、虚拟空间中的虚拟产物，以及将虚拟产品和真实产品联系在一起的数据和信息连接。

这可能和画图有点相似，但相比于画图纸，数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象的动态仿真，也就是说，数字孪生体是会“动”的，而且数字孪生体不是随便乱“动”，其 “动”的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。本体的实时状态和外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。

后来，数字孪生的内涵扩展到了整个产品的制造过程。在国防军工、工业生产领域，数字孪生概念广泛开花结果，主要以NASA、美军方、西门子、达索、ANSYS、GE等领先企业在工业领域的应用为主。

如今，数字孪生已经在智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗、智能家居等领域开花结果。

在虚实之间不断进化

在物理实体与虚拟实体之间，数据是基础，模型是核心，平台或软件只是载体。

值得关注的是，如果说数字孪生是一项各行各业通用的技术，那么，数字孪生自身特有的技术是什么？与现有的各种数字化技术的关系又是什么？专业人士给出的数字孪生的案例或应用场景，绝大多数采用的都是已有的数字化技术，那么数字孪生的价值何在？

达索析统大中华区技术咨询部技术总监冯升华向《商学院》记者总结道：“实际上，数字孪生并不是一个全新的概念，它植根于一些现有技术，如3D建模、系统仿真、数字原型等，它更像是一种方法论，而非技术本身。”据冯升华介绍，达索析统（以下称“达索”）最早是从达索航空的IT部门分离出来的，达索的进化也能大致看出数字孪生的进化过程。

第一个阶段是从1981年开始，达索主要从设计飞机的角度解决二维转三维的问题，从物理的飞机实体设计出虚拟的飞机模型，实现所见即所得。

第二个阶段是从1989年开始，在达索和波音公司合作的过程中，波音公司提出要做数字样机，即在电脑里建成的飞机，在现实中建出来后立马就可以飞。因此，这就要求电脑中建造的模型不仅仅是飞机的样子，而是要将飞机背后涉及到的空气动力学、结构力学、控制学、电磁学等多学科的知识进行数字化。

第三个阶段是从1999年开始，达索对产品生命周期管理进行数字化，即不局限于在电脑中建造飞机或是汽车的样机等产品的最终状态，而是融入了市场的概念。这就需要将飞机的设计、仿真到生产制造、产品维护全生命周期进行数字化。

第四个阶段，达索继续打造出了三维体验平台，从宏观到微观，完善对产品和内外部环境的数字化。比如对于汽车来说，可以实现汽车驾驶过程中道路等周边环境的数字化以及汽车内部使用材料的数字化。

冯升华表示：“从2020年开始，达索步入第五个阶段，无论是早期的汽车还是飞机，它们都属于非生命体的范畴。下一步，我们要融入人的因素，设计车辆时要考虑人的体验及感受。这需要在虚拟世界中给人体建模，包括要考虑到人的器官、整个系统是如何思考的，人体的运作机制等等。”

因此，数字孪生主要可以从时间、空间、数据、连接以及应用等几个维度去迭代进化。例如：从物理实体的规划、设计、生产、运行，直到覆盖整个物理实体的全生命周期；从单个实体孪生到完整产线孪生，再到数字孪生工厂、数字孪生城市，数字孪生的数据逐步覆盖产品全生命周期的全要素、全流程、全业务的相关数据，同时还强调不同行业数据之间的融合等等。

“达索对数字孪生技术应用的探索，从航空产业出发，相比其他行业，航空领域的复杂性以及对安全性的要求都特别高。因此后面在往其他领域渗透时，相对来讲会更容易一些。通过对海量、多样性、速度、准确等不同维度的大数据进行分析，可以从复杂的现象中发现有价值的信息，这些信息适用于各个行业。但是，每个行业都有自己行业独特的‘小数据’和知识体系，因此，达索每进入一个新行业，一定要与该行业的专家和客户一起去发展这个行业。”冯升华说。

他进一步强调，实施数字孪生是一个复杂的系统和漫长的过程，需要多种技术和工具协同工作。因此，达索从原来基础的CAD软件包开始，后面陆续收购了包括CATIA、SolidWorks、SIMULIA DELMIA、ENOVIA、3D EXCITE等知名软件品牌，形成了如今的3D Experience平台多元一体产品矩阵。不同行业的用户可以根据企业实际经营需求，自行选择相应的软件服务包。冯升华表示，数字孪生的背后是诸如物理学、力学、电学、声学、地球物理学、化学等多门学科的集合，是一项综合性技术，在物理实体与虚拟实体之间，数据是基础，模型是核心，平台或软件只是载体。

虚拟世界是现实世界的延伸

在虚拟世界，人们完全可以超越现实世界的某些束缚，甚至在虚拟世界中创造出拥有另一套宇宙规则的世界。

如果说数字孪生一定要有物理世界的产品或对象进行对应，那么是不是必须先有物理实体才可以有数字孪生？冯升华认为，既可以有物理实体的对应，也可以没有物理实体的对应，因此达索在数字孪生的基础上，继续推出了虚拟孪生的概念。

“通常来说，虚拟孪生是先于物理实体存在的，也就是说，当我们去研发一个产品的时候，要研发的这个产品的物理实体在世界上肯定还不存在，或者很大概率不存在。”冯升华说。

达索的工程师们认为，在虚拟世界里面，人们可以创建远远多于现实物理世界的产品和应用场景。例如：自动驾驶汽车是汽车工业的未来，一个自动驾驶的车型在真实世界里去完成170亿公里的行驶测试是不现实的，人们唯一能够做的就是创造一个虚拟的世界，让虚拟的汽车在虚拟的世界里面行驶170亿公里。在验证过程中一旦发生虚拟的事故，就需要对自动驾驶的车辆进行修正。经过多轮的迭代，直到虚拟的自动驾驶车辆，能够通过170亿公里的所有场景测试。

那么，怎样保证在虚拟世界的体验和现实世界的体验是等效的呢？

冯升华认为，这就需要我们在虚拟世界里面，建立等效的道路、天气条件、车流和道路的状况，以及温度、光照、湿度、风速等等环境条件和等效的人群。

此外，在冯升华看来，在众多要素之间，对于人类的虚拟孪生或许是集体实践的真正“蝶变”。人究竟是如何思考的？消费者们又是如何考虑的？未来，数字孪生会从产品、设备、建筑等无生命对象，扩展到人体器官、生物体等有生命对象，还会扩展到社会现象、思维层面以及群体现象等等。

为此，达索系统已经跨出了关键的一步。达索在2021年收购了Bloom公司的多数股权，将Bloom的专有社会推理技术和现实世界证据整合进达索的3D Experience平台，将人们在社交生活的各个方面联系起来，从而满足用户的体验需求。

此外，冯升华表示：“在虚拟世界里，我们创造的产品，属于未来的产品，在现实世界里面是不存在的。换句话说，虚拟世界是现实世界的一种延展，我们完全可以超越现实世界的某些束缚，甚至在虚拟世界中创造出拥有另一套宇宙规则的世界。”

构建“对现实世界负责的元宇宙”

数字孪生体不断积累大量数据，这个作用就类似于基因和生命体之间的关系。

从虚拟孪生的汽车、飞机、房子，到虚拟的道路、城市、国家甚至地球，最后虚拟出与真实世界几乎一样的数智人，科技正在以常人难以想象的速度加速前进。

“未来人类可能走向灭亡，也可能会更幸福更繁荣，为什么不能把现实世界放到虚拟空间里去进行测试优化？把现实世界各种各样可能的要素都放进虚拟空间，是否可以给人类指一条明路？”冯升华说。

这似乎与当下热门的“元宇宙”概念非常相似，一个是我们生活的现实空间，一个是从小说、电影、游戏等人类想象中延伸出的虚拟空间，另一个是现实的物理实体在网络空间中的映射。

中国移动通信研究院技术总监毕娅娜指出，相比“数字孪生”，“元宇宙”的概念来得更宏大一些。构建元宇宙技术体系至少需要包含三个组成部分：一是基础支撑层，包括以5G、5G-A、6G为主的网络基础设施和多层次广分布算力基础设施；二是基础使能层，包括为元宇宙赋能的人工智能技术和构成元宇宙运转规则的区块链、认证体系、数字身份、NFT等技术；三是业务使能层，包括沉浸式交互技术、数字孪生与内容生成技术和数智人。

在冯升华看来，“数字孪生”虽然只是“元宇宙”所需技术的一部分。但是，当数字孪生体在工作过程中不断积累大量的数据，这个作用就类似于基因和生命体之间的关系，数字孪生会不断向着更高级别的数字孪生体进化发展，最后，数字孪生技术形成的元宇宙，会是一个“对现实世界负责的元宇宙”。

“我们不仅仅能够去描绘未来的场景，还能够把对未来的擘画变成真正能够落地实现的场景。可以加速把未来才能实现的产品和应用场景提前变成现实，或者避免未来我们在探索的过程中所遇到的困难和危险，帮我们躲过那些深坑和陷阱。”冯升华如是说。