從數位孿生到虛擬孿生

作者 : 馮升華,達梭系統(Dassault Systèmes)大中華區技術總監

虛擬孿生可以有物理實體的對應,也可以沒有物理實體的對應,從這一點上來講,虛擬孿生涵蓋了數位孿生,也就是說虛擬孿生的範圍要比數位孿生還要大…

很多人對數位孿生(Digital Twin,亦稱數位雙生)都有不同的理解, 我們自己的思考也在不斷的演進,對數位孿生的認識也在不斷演化,今天的看法很可能和昨天的看法就不一樣。有些人堅持說數位孿生一定要有物理世界的產品或對象對應,也就是說先有物理實體才可以有數位孿生,物理實體是數位孿生的基礎,沒有實體何談孿生?

虛擬孿生則不同,可以有物理實體的對應,也可以沒有物理實體的對應,從這一點上來講,虛擬孿生涵蓋了數位孿生,也就是說虛擬孿生的範圍要比數位孿生還要大。

通常來說,虛擬孿生是先於物理實體存在的,也就是說研發一個產品的時候,要研發的這個產品的物理實體在世界上肯定還不存在,或者很大機率不存在,當然也可能存在一些供參考的物理實體的遠房親戚。

在虛擬世界裡,可以創建遠遠多於物理世界的產品和應用場景。很簡單舉一個例子,要研發一款產品,不管是洗衣機還是汽車,在虛擬世界裡面可以創建未來這個產品的各種可能的方案,當然這個時候可能還不是一個非常成熟的方案。

隨著研發的深入,透過一次次的研發驗證演進,產品才逐漸成熟。我們可以在虛擬世界裡面進行效能的驗證,進行效能最佳化的研究、可製造性的研究、可製造性的最佳化。經過一輪又一輪的演進,最終會有一個方案脫穎而出,獲得評審人員的認可,才能夠走到下一步,成為一個可試生產或者可量產的產品。

很重要的一點是,在虛擬世界中創造的產品,是未來的產品,在現實世界裡面是不存在的。換句話說,虛擬世界是現實世界的延展。當然也不排除建立虛擬世界的目的是為了研究和最佳化現實世界的生產線或者產品,我們可能會把現實世界的產品或生產線在電腦裡面建立一個虛擬孿生,或者說是數位孿生,在此基礎之上進行產品效能的模擬和最佳化、生產效率的提升。

這時候我們通常會對虛擬世界裡面的模型進行調整和最佳化,也可能會產生幾種不同的方案,最後確定一種,是我們想要在真實世界裡面做出改變的那一種。或者說在未來的某一時刻,對真實世界裡面的產品和生產線進行修改,來重現虛擬世界裡面的最好版本。

虛擬孿生最佳體驗

達梭系統不僅僅提出虛擬孿生的定義,還提供3D體驗虛擬孿生的定義,更進一步說明了虛擬孿生存在的目的。虛擬孿生體驗就意味著在虛擬世界裡面,當我們去體驗未來的產品和應用場景的時候,所獲得的體驗和在未來當產品上市之後,真正的使用體驗之間具備高擬真性的相似程度和逼真程度。

舉例來說,自動駕駛車是汽車工業的未來,但是這一天什麽時候才能來到呢?取決於自動駕駛車的安全性是否得到人們的認可。自動駕駛車安全性獲得認可的前提是經過170億公里的行駛測試,不會出現任何事故。

一個自動駕駛的車型在真實世界裡去完成170億公里的行駛測試是不現實的。這裡面當然有成本和時間的考量。唯一能夠做的就是創造一個虛擬的世界,讓虛擬的車輛在虛擬的世界裡面行駛170億公里。

接下來的問題是怎樣保證在虛擬世界裡面的體驗和現實世界裡面的體驗是等效的呢?這就需要在虛擬世界裡面,建立等效的道路、等效的天氣條件、車流和道路的狀況,溫度、光照、濕度、風速等環境條件。

在驗證過程中一旦發生虛擬的事故,就需要對自動駕駛的車輛進行修正。經過多次的演進,直到虛擬的自動駕駛車輛,能夠通過170億公里的所有場景的測試。

虛擬孿生培養未來的人才

未來只能存在於虛擬孿生之中,如何培養未來的人才呢?

我們只能運用虛擬孿生,在虛擬世界中創造出未來的可能性場景,使同學們能夠在虛擬世界中獲取未來的體驗,對未來的產品和未來的應用場景所獲得的體驗,能夠轉變成適應未來勞動力的未來經驗,這樣當未來的時刻到來的時候,未來的勞動力才能夠更好的適應未來。

再舉一個例子,未來20年,人類將會在月球上、火星上建立人類的基地,在基地裡面我們如何進行生產和生活,如何進行科研工作?現在並沒有月球基地和火星基地的實物。

依照傳統的定義方式,也就不存在數位孿生。但是在虛擬世界裡面,則沒有任何的障礙,我們可以在虛擬世界中建立火星的基地和月球的基地,探索各種可能性,以及選擇最佳的、可實現性最高的方案。

在此基礎之上,提前開發各種設備和生命保障系統。還可以在這樣的虛擬世界中培養未來的太空飛行員,未來基地的工作人員和相應的地球工作站的工作人員。

虛擬孿生塑造未來

我們對未來的設想,以前是透過科幻小說和科幻電影來體現,再早的時候是透過繪畫的方式來體現。比如說在1900年的時候,法國的科幻畫家就用他的畫筆。繪製了他所想像的未來100年人類科技發展的前景。

1900年前後,法國的藝術家 Jean-Marc Côté等人創作了名為《西元兩千年》(En L’An 2000)的作品,最初以紙卡的形式裝在香煙和雪茄盒中,後來作為明信片,構想100年後的新世界。這裡面有畫家們想像出來的自動清潔機器人,看起來簡陋了一點;今天在機器人展上你能見到各種各樣的服務機器人。

畫家們想像出來的消防隊員在空中進行滅火。今天從空中利用直升機和飛機控制地面火勢的消防技術已經使用了很多年了,未來無人機也會大量使用。

畫家們想像出來的「視訊聊天」。今天我們已經習慣了視訊電話。未來VR聊天將是常態,讓人們更加「天涯若比鄰」;畫家們想像出來的「線上教育」。把書扔到機器裡,知識就可以傳入學生的大腦,100年前的人們挺可愛。今天的線上教育已經普及。

畫家們想像出來的自動化妝室,可以為你梳妝打扮。今天我們連妝都懶得化了,直接用美圖秀秀和抖音來化妝;畫家們想像出來的飛行器送信。送信現在不怎麼需要了,但送快遞卻在變成現實。

有了3DEXPERIENCE平台,能夠建構虛擬孿生,建構3D體驗孿生,建構虛擬世界。不僅僅能夠去描繪未來的場景,還能夠真正把對未來的擘畫變成真正能夠落地實現的未來場景。並且可以加速把未來才能實現的產品和應用場景提前變成現實,或者避免未來在探索過程中所遇到的困難和危險,幫我們躲過那些深坑和陷阱。

未來的城市是什麽樣的?或者用更具體的例子,未來的巴黎是什麽樣子?

François Schuiten是比利時漫畫家和舞台設計師。他因與編劇 Benoît Peeters 合作制作的Les Cités作品而聞名,並於2002 年獲得安古蘭國際漫畫節大獎。在《Revoir Paris,再見巴黎》展覽中,運用前所未有的沉浸式體驗,達梭系統創新激情研究所、François Schuiten 和建築與遺產之城透過虛擬孿生技術,帶領觀眾穿越昨天和明天的巴黎。

「我們想像聖母院會被放在玻璃罩下,以保護她免受酸雨的侵襲。大教堂將不對遊客開放,空中走道將允許遊客四處走動」,François Schuiten說。拉德芳斯地區同時被「垂直化」,其「能量火焰配備了光、風和濕度感測器,允許塔樓進行空調」,設計師補充道。

在大眾對大巴黎的熱情至少可以說已經枯竭的時候,如此多的壯觀預測讓人們對首都的未來充滿了思考。「對於城市的夢想,你必須有點天真。然後我們是講故事的人,而不是建築師或城市規劃師:因為我們可以買得起任何東西」,設計師強調說。「因此,透過Revoir Paris,我們想要恢復視覺品味,我們想讓人們願意創造明天的巴黎。」

畫家筆下的畫作,如果換成虛擬孿生,會是什麽樣子?請看此影片

未來城市的交通將會是什麽樣子?我們可以創建未來城市交通的虛擬孿生體驗。Grenoble-Alpes Métropole就在達梭系統的3DEXPERIENCE平台上建構了2030年的軌道交通場景。

虛擬孿生大膽設想

創造力沒有邊界;想像力沒有邊界。現在地球上的人口已70多億。到本世紀末全球的人口達到110億人沒有太大困難。將來這麽多的人口要住在哪裡生活?我們不能把這個問題完全留給後代子孫去解決,愛操心的人類肯定希望從現在就開始籌劃。

可以去居住的地方有很多可能,移民到火星、月球等外星球,移民到太空,建立太空城市。古人說三山六水一分田,實際上海洋面積佔全球面積的71%,我們當然可以建設海上城市,水中城市。也可以往地球內部去挖掘,建設地下城市。

那也要把建設這些城市的藍圖準備好吧,把虛擬孿生的海上城市、空中城市、地下城市準備好,這樣現在就能去虛擬的住一下、體驗一下,看看我們是不是能住得習慣,不要給後代子孫留下太多的抱怨。在3DEXPERIENCE平台上,達梭系統的工程師們不僅在虛擬世界裡面創建了這些虛擬城市的樣子,而且還虛擬出這些城市之間的交通,甚至虛擬出未來人類一天的旅行生活。

科學家預測,今後20年內,全球水資源預計會比現在減少三分之一,因此,為全球人口提供安全、清潔的水源,成為環境科學家們最為關注的問題之一。可是你是否知道,每年,相當於世界飲用水供應量的冰山淡水會融化到海洋中?

為什麽要袖手旁觀,讓這種事情發生?為什麽不使用冰山作為飲用水的替代來源?這是法國工藝美術工程師Georges Mougin 40 年來的夢想!乍看之下,這個白日夢想法似乎太古怪了,由於缺乏可操作性的科學論證,「冰山之夢」只能停留在設想階段。

如果3D 科學模擬和虛擬世界能讓一個在上個世紀消亡的想法煥發生機呢?也許這是由於與技術相關的障礙,以及我們對海洋和天氣的了解有限,也許Georges Mougin走在了他的時代之前。

在虛擬世界裡面,可以驗證Georges Mougin想法的可行性。假設用遠洋輪船將北極的冰山沿著洋流拖拽到淡水缺乏地區,將一座冰山從加拿大紐芬蘭帶回加納利群島。然後,讓冰山成為可以供人類直接飲用的淡水。需要解決的問題,可以列出一個清單:

  • 需要多少拖船?
  • 會消耗多少燃料?
  • 需要多長時間?
  • 應該走哪條路?
  • 一年中的什麼時候最合適?

使用3DEXPERIENCE平台,只需點擊幾下,達梭系統的團隊就可以輸入對應於紐芬蘭冰山起始位置(37°N,15°30’W)和最終目的地(加納利群島)的GPS 坐標,選擇車隊的出發日期(比如2 月3 日)和牽引冰山所需的拖船數量,以及它們的功率(例如兩艘牽引力為130 噸的拖船),甚至選擇一位將採用的一般轉向策略的現實生活中的船長。

然後就可以觀察整個航程中任何時刻發生的事情,並分析各種參數產生的原因和影響。項目團隊最終確定了一個綜合漂移模型,旨在整合冰山運輸操作中涉及的所有標準,其中包括:

氣象和海洋數據:船隊在任何時間、任何地點可能受到的(海流、湧浪、風等),以及這些數據對其旅程的影響。

各種物理現象,無論其複雜程度如何:在各種自然力(風、水流、湧浪等)、拖船產生的牽引力和由此產生的燃料消耗的影響下,冰山和船隊的一般漂移、冰山、拖輪、地球自轉等、空氣和水的阻力現象。

數位模擬最終好處是能夠針對給定問題操縱每個參數:這就是我們為冰山旅行所做的。透過調整相關參數,可以根據需要經常重複運輸操作。

氣象學和海洋學取得了長足的進步。已有預報提供有關洋流及其溫度、速度、渦流或任何天氣和海況的詳細訊息。這些重要資訊使最佳化牽引操作、利用有利條件或相反地避免不利條件成為可能。工程團隊使用參考年份的真實數據來建構漂移模擬,這樣一來,他們就能夠觀察和分析盡可能多的現象,包括洋流,以及如何利用洋流來節省大量時間和燃料。

關鍵的成功因素實際上是能夠找到車隊速度與冰山相對融化和燃料消耗之間的完美比例。只有這樣,我們才能最大限度地減少能源消耗並減少碳足跡。模擬結果非常令人驚訝:一艘牽引力為130 噸的拖船足以牽引一座700 萬噸的板狀冰山,從紐芬蘭出發,在輔助漂流的作用下,需要花費141天將冰山運送到加那利群島,冰山38%的部分會融入海水。到達目的地後,冰山能為一個5萬人口的城市提供一年所需要的清潔淡水。

「如果在現實中展開測試的話,往往需要好多年時間,並且需要消耗大量資源。但透過虛擬實境技術,我們能測試冰山運輸在大量不同自然環境下的情況,而且結果和現實非常接近。」今天,南非、阿拉伯聯合大公國、沙烏地阿拉伯都有公司在考慮冰山之夢的可行性,聘請Georges Mougin去幫助他們實現。

有了虛擬孿生的世界,甚至可以創造出滿足你任意想像力的虛擬世界。有夢想,恐龍都能飛到天上,那就是翼龍;進化都能實現的,人類靠聰明才智一定也能夠實現。提取出鳥類能長翅膀的基因,再加上相應的神經系統來進行控制,就會有一些人類變成了鳥人。還猶豫什麽,趕緊學習,趕緊上手,創造一個人人都能飛翔的元宇宙吧。

虛擬孿生雙碳目標

在虛擬世界裡面,採用虛擬孿生的技術,從汽車到城市,甚至人類的心臟、人體,可以建立真實世界的物理實體的表達。我們可以構思設計、測試任意場景。埃森哲與達梭系統合作出版的《虛擬孿生和永續發展報告》中,描述了僅僅透過五個產業的五個虛擬孿生應用場景,就可以減少七十五億噸的二氧化碳排放。

透過創建低碳城市、智慧家庭、智慧社區。就能減少消耗70%的淡水、減少40%的家庭垃圾。在消費者包裝領域,Amcor PLC重新設計了塑料包裝,使整個消費品包裝的重量減輕50%,少消耗1億磅的塑料,相當於3,500輛卡車的塑膠垃圾。

虛擬孿生技術在交通運輸產業減少50%物理樣車。在蔚來汽車,全球的研發人員在3DEXPERIENCE平台中進行協同設計和研發,透過同時開發和快速測試,結果使他們發布的ES8電動汽車提前兩年完成研發上市。

在生命科學和健康領域,賽諾菲的研發實驗室透過採用虛擬孿生技術。在同樣的研發人員情況下,縮短研發周期一半,同時化學品的使用減少94%,減少能源消耗80%,每年減少32噸的廢物垃圾。

經過計算,從現在到2030年僅僅透過5個產業的使用案例,虛擬孿生技術將為整個全球經濟貢獻1.3萬億美元經濟價值和75億噸二氧化碳減排的綜合增量效益。

虛擬孿生其實很實在

在3DEXPERIENCE平台是奠基於模型和數據驅動的協作平台,支援高科技製造商在改善電子廢物管理之外,提供永續價值。

在該平台上,製造商可以為他們的操作創建一個精準的虛擬孿生,並進行多尺度和多物理場模擬以評估其決策對環境的影響,使製造商能夠更早地辨識風險,確保更高的製造產量,最大限度地減少溫室氣體排放,並運用數據提高維修、回收和再利用率。

智慧平台還包含合規管理功能,使製造商能夠存取產品資訊,包括零件的分解和每種結構材料的化學物質配方。製造商可以將數據與產業法規進行比較,並在材料或零件不符合世界某個地區的法規時收到警報。

在3DEXPERIENCE 平台及其強大功能軟體的支援下,製造商可以透過電子廢物回收,以及耐用和可修復的設備、無廢物營運與減少碳足跡,為更永續的高科技產業做出貢獻。

雖然說虛擬孿生的名字裡面有一個虛,但是它為我們帶來的產品是實實在在的。你甚至一刻也離不開它帶來的成果。你所使用的產品都是最終成功上市的產品,你可知道,每一款上世的批量生產的產品,背後可能有10倍於它的虛擬孿生沒有走到量產,只停在小批量試製的階段。

再往前,可能有100個虛擬孿生在模擬最佳化階段因為不是最優的被捨棄;再往前,可能有十個虛擬孿生的方案在初步設計的階段被否決。所以,你用的產品都是萬中挑一的存在,背後有數以萬計的虛擬孿生,只存在於虛擬世界。

雖然我們享受了虛擬孿生的「虛」帶來的福利,但是作為一項科技技術,它是有真材實料的,一點都不虛。從我們乘坐的波音、空中巴士、飛機、電子產品、大型體育館、國際機場等建設,背後離不開虛擬孿生的貢獻。

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論