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安世亚太:无仿真,不孪生

安世亚太:无仿真,不孪生

近年来,数字孪生体逐渐成为工业、产业、军事、民生等各个领域的智慧新代表,受到了越来越多的关注。安世亚太作为中国仿真技术应用的先驱者,认为数字化模型的仿真技术是创建和运行数字孪生体、保证数字孪生体

      近年来,数字孪生体逐渐成为工业、产业、军事、民生等各个领域的智慧新代表,受到了越来越多的关注。安世亚太作为中国仿真技术应用的先驱者,认为数字化模型的仿真技术是创建和运行数字孪生体、保证数字孪生体与对应物理实体实现有效闭环的核心技术。安世亚太高级副总裁、数字孪生体实验室主任田锋提出“无仿真,不孪生”的观点,并从下文详细分析了数字孪生制造中的仿真、数字孪生产业中的仿真、数字孪生城市中的仿真、数字孪生战场中的仿真,以及VR、AR及MR等技术的重要价值。

      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,所以在在制造场景下的仿真类型也最为丰富,涉及到的仿真包括产品仿真、制造仿真和生产仿真等几大类,每项大类包括一系列小类。

      1) 产品仿真

      a. 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代表,但这个符号需要赋以能表征是这个部件的特性。各个部件之间用简单符号(如线条)连接起来,这个连接需要赋以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。

      b.  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,这个连接需要赋以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。

      c. 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其性能参数。

      d. 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。

制造场景下的产品仿真示例

      2) 制造仿真

      a. 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。

工艺仿真的类型

      b. 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。

      c.  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

      a. 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,可以对于工厂的生产线布局、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。

      b.  流程制造业的工厂仿真:该仿真类型主要关注流程制造业的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的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。

(a)离散制造业               (b)流程制造业图

生产系统仿真

      数字孪生产业中的仿真


      物流仿真:

      指评估物流系统(配送中心、仓库存储系统、拣货系统、运输系统等)的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。

      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,有效解决组织的复杂性造成任务积压、返工等问题。

      业务流程仿真:

      流程是企业或产业运作的基本模式。通过对业务流程建模,通过流程引擎驱动流程模型运转,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,以判断流程的合理性。

 

      数字孪生城市中的仿真


      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。

      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,用来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。

      大气仿真:

      通过流体动力学技术进行大气扩散的模拟,来判断有害气体、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。

      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。

      城市仿真:

      通过将建筑物及其它设施的位置、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、管理等领域的一门新兴技术。它主要的应用方式有城市应急仿真、城市规划仿真、城市实时仿真等。

   (a)城市爆破仿真           (b) 城市风道仿真图

在城市场景下的仿真实例

 

      数字孪生战场中的仿真 


      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,是开发复杂体系的研发设计、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。

      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。

利用体系仿真技术模拟战场

 

      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。

      虚拟现实:

      虚拟现实(Virtual Reality,简称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,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,使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作用。使用者进行位置移动时,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技术应用的研究两大类。根据VR所倾向的特征的不同,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,其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假,让人有种身临其境的感觉。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,使人在操作过程中,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。

      增强现实:

      增强现实(Augmented Reality,简称AR),也被称为扩增现实,是虚拟现实技术的发展。它能促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起。其将原本在现实世界的空间范围中比较难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上,实施模拟仿真处理,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,从而实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟物体之间叠加之后,能够在同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,使真实世界和电脑图形重合在一起,在重合之后可以充分看到真实的世界围绕着它。

      混合现实:

      混合现实技术(Mixed Reality,简称MR)是也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,从而推动创创新。

      安世亚太认为,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方式与物理世界交互方式类似,使数字化的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,例如穿墙而过、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。

      安世亚太与数字孪生体实验室联合发布了《数字孪生体技术白皮书(2019)》,关注对数字孪生体的抽象和总结,并分别在工业、产业、民生和军事四个领域选择了最关键的场景做了实例化论,希望能为业内同行提供参考。


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