今天我們接著上一期的話題，聊一下數(shù)字孿生的構(gòu)建要素。

數(shù)字孿生五大維度：

（PE表示物理實體，VE表示虛擬實體，Ss表示服務(wù)（應(yīng)用），DD表示孿生數(shù)據(jù)，CN表示各組成部分間的連接）

數(shù)字孿生應(yīng)用的的發(fā)展很大一部分得益于物聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)的普及應(yīng)用，在各種產(chǎn)品上安裝傳感器，把物理世界正在發(fā)生而過去捕捉不到的各種現(xiàn)場信息，轉(zhuǎn)化成為計算機可用的比特數(shù)據(jù)。

“物理實體”、“虛擬實體”及其“連接”，這三個維度已經(jīng)不足以覆蓋數(shù)字孿生的范圍?！皵?shù)據(jù)”和“服務(wù)”兩個維度加入進(jìn)來組成了數(shù)字孿生的五個維度，所有的技術(shù)都要回歸到應(yīng)用場景，解決實際的問題，這樣除了物理、虛擬以及二者的交互之外，還可以利用新技術(shù)融合物理和虛擬兩方面的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更全面、更準(zhǔn)確的信息獲取；同時，“服務(wù)（應(yīng)用）”納入數(shù)字孿生模型中，像檢測、判斷和預(yù)測等等對于用戶來說就比較直觀了，這里面的服務(wù)（應(yīng)用）就是之前有提到的場景，有興趣的小伙伴可以看我之前寫的一篇文章-從泛孿生到小場景，數(shù)字孿生如何破皮。

數(shù)字孿生的核心

模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)始終在數(shù)字孿生中扮演著最重要的角色，這四個部分構(gòu)成了數(shù)字孿生的核心框架。

一、模型

數(shù)字孿生的一個重要特征是，對于每個物理對象，都有一個“數(shù)字鏡像”存在于虛擬世界中，并與它在整個生命周期中一起“工作”。大多數(shù)人對數(shù)字孿生第一印象中的“3D模型”，可以說就是這里所說的模型中的一部分，但數(shù)字孿生的模型，不僅僅是你能看到的3D模型，它包括幾何尺寸、物理特性和行為等，具有實時同步、可靠映射和高保真等特點。

三維模型數(shù)據(jù)一般包含：機械數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、工廠數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等其他方面格式，后面我們會有一期單獨談建模工具和建模數(shù)據(jù)格式，這里先不展開敘述。

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)-多數(shù)開發(fā)者形象稱之為“多源異構(gòu)數(shù)據(jù)”，或者結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，某種程度上也包括上面提到的“三維模型數(shù)據(jù)”這里面我們主要指的是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

主要是關(guān)鍵信息和變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)、功能數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，細(xì)分的話由五部分組成：

1、物理實體的數(shù)據(jù)，主要包括運行狀態(tài)和工作條件；

2、虛擬鏡像的數(shù)據(jù)，由模型參數(shù)和模型運行數(shù)據(jù)組成；

3、服務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)，描述服務(wù)的封裝、組合、調(diào)用等；

4、從收集的數(shù)據(jù)中挖掘或從現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)中獲取的領(lǐng)域知識；

5、數(shù)據(jù)的融合處理數(shù)據(jù)，可以通過算法獲得，比如深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)。

三、服務(wù)

服務(wù)又分為面向物理實體和面向虛擬鏡像兩種服務(wù)，這些服務(wù)通過實時調(diào)節(jié)使物理實體按預(yù)期工作，并通過物理實體與鏡像模型的關(guān)系校準(zhǔn)以及模型參數(shù)校準(zhǔn)保持虛擬鏡像的高保真度。

1、面向物理實體的服務(wù)主要包括監(jiān)測服務(wù)、PHM服務(wù)、狀態(tài)預(yù)測服務(wù)、能耗優(yōu)化服務(wù)等；

2、向虛擬鏡像的服務(wù)主要包括模型的構(gòu)建服務(wù)、標(biāo)定服務(wù)和測試服務(wù)等。

四、連接

從概念圖可以看到，在五維數(shù)字孿生中的連接，不止于物理實體與虛擬鏡像之間的連接，還包括他們與服務(wù)以及數(shù)字孿生數(shù)據(jù)之間的雙向連接。由此也可以看出，數(shù)字孿生中服務(wù)和數(shù)據(jù)角色的增加，也帶來了整個體系角色之間聯(lián)系的復(fù)雜化。

下面我們拋開概念性質(zhì)的內(nèi)容，談一下在實際工作中的數(shù)字孿生的認(rèn)識。

在工作中大家都喜歡就把自己從事的行業(yè)都盡量的往"數(shù)字孿生"名詞上蹭，造成了大家嘴上說的名稱都是“數(shù)字孿生”，做的工作還都是自己的老本行，要么建模，要么開發(fā)，所以就不明覺厲的和別的專業(yè)的“杠上了”。你認(rèn)識到的和他理解的是完全是不一樣的，就形成了“雞同鴨講”。有個很有意思的就是“元宇宙”這個概念出來的時候，做空氣幣的、做影視的、做動畫的、做游戲的很多都宣稱自己是是做元宇宙的，現(xiàn)在搞得我們做的也是像元宇宙。

下面再接著“廢話”數(shù)字孿生的應(yīng)用方向，這個也是目前能夠落地的一些業(yè)務(wù)方向，讓你也能和專業(yè)的人在一起友好地“侃大山”了。

一般可以從兩個大類上對數(shù)字孿生的應(yīng)用進(jìn)行應(yīng)用層面的分解：

1、3D可視化：

這個方向上是市面上應(yīng)用最廣，最容易理解的應(yīng)用，也是項目最容易落地的。這個方向大部分是用游戲引擎比如unity、ue或者webgl，總之就是把真實環(huán)境在3d場景下用做游戲的技術(shù)重做一下，其實就是做了一個較為粗糙的 游戲，然后再把物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入到平臺中，實現(xiàn)虛實同步。從事這個領(lǐng)域的人員一般是做游戲開發(fā)人員 ，把游戲的技術(shù)到這個行業(yè)試試水，前兩年吃了一波“紅利”，但是這種多半對客戶的業(yè)務(wù)了解不夠深，所以對行業(yè)的理解還是欠缺，往往淺嘗輒止。當(dāng)然也有做大做強的一些平臺公司，在垂直行業(yè)深耕或則通用平臺研究的，把問題用3d可視化的方式暴露出來，也是一個有效的手段，然后用合理的工具鏈去解決問題。再深入一點就是對于傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)做改造，比如MES系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)等做傳統(tǒng)IT系統(tǒng)做結(jié)合，給老系統(tǒng)做前端的可視化改造，這樣給客戶的產(chǎn)品既有專業(yè)性又有“顏值”。

另外一部分是頭部公司在做的，比如地圖服務(wù)、人機交互、自動駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用仿真訓(xùn)練場，下面我們看具體的三個應(yīng)用。

9月份，高德地圖發(fā)布最新版的V12，基于“視界引擎”在視覺上開辟了地圖可視化的先河。

同時也是上個月，Unity 與小鵬聯(lián)合開發(fā)的業(yè)內(nèi)首個量產(chǎn)全 3D 人機交互系統(tǒng)， 就在小鵬 G9 的車載顯示屏上實現(xiàn)了對真實世界的立體映射，通過對包括空調(diào)、車窗和氛圍燈等一系列車內(nèi)體感組件的智能操控，呈現(xiàn)了空前的座艙交互沉浸感，數(shù)字孿生讓一切成為可能。

51World的SIM-ONE產(chǎn)品+定制方案組成的全棧仿真服務(wù)，集靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，測試場景案例編輯，傳感器仿真，動力學(xué)仿真，可視化，測試與回放，虛擬數(shù)據(jù)集生成，在環(huán)測試等一體化的自動駕駛仿真與測試平臺。比如在三維場景中搭建一個虛擬的城市，在城市的道路上安排自主的行人和機動車，這虛擬的城市就可以測試自動駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也可以反復(fù)訓(xùn)練自動駕駛的算法。而不用擔(dān)心傷到人，發(fā)生安全事故。

2、虛擬仿真分析：

這里主要指的是有限元分析與工序優(yōu)化 。有限元分析主要包括動態(tài)的靜態(tài)的、動態(tài)的分析，這里面主要關(guān)注的是安全、經(jīng)濟(jì)性的問題，一般是在設(shè)計和建造階段。工藝優(yōu)化主要是建造流程、工藝設(shè)計是否合理問題。

• 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件：PKPM、YJK、Midas、Sap2000、Staad、Ansys?Mechanical Enterpris、Abaus等有限元分析軟件對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析計算。

• BIM可持續(xù)(綠色)分析軟件：常用的有國內(nèi)的PKPM、斯維爾，國外的Autodesk公司的Ecotect Analysia、Vasari、IES、Green Building Studio、CFD Simulation、Airpak等。比較有代表性的是Ecotect Analysia，目前Ecotect Analysia同vasari合并至Revit。

• Ansys、Abaqus這兩款都是通用的有限元分析軟件，可以應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等行業(yè)的設(shè)計與仿真階段。這里面很大一部分是國內(nèi)重點院校工科的專業(yè)，特別是在材料分析這一領(lǐng)域。

我們舉兩個應(yīng)用，比如在研究一個吊車工作，我們比較關(guān)注的是在吊起的過程中鋼絲繩的受力情況，吊臂的受力情況是什么樣的，什么情況下，哪些結(jié)構(gòu)會發(fā)生過載，超出正常使用狀態(tài)或極限狀態(tài)，都可以通過仿真模型與數(shù)據(jù)計算對吊車做結(jié)構(gòu)優(yōu)化做性能提升。

另外一個是工程施工現(xiàn)場場地布置：進(jìn)廠車輛、機械設(shè)備通行問題，會不會有通行障礙，會不會對周邊建筑與設(shè)備產(chǎn)生影響；會不會出現(xiàn)塔吊“打架”；材料堆放是否能減少二次搬運，這些都可以在虛擬的環(huán)境中提前做好設(shè)計與預(yù)演。合理的場地布置能盡可能減少將來大型機械和臨時設(shè)施反復(fù)調(diào)整平面位置，盡最大限度地利用大型機械設(shè)施的性能。同時，能夠?qū)ξ锪鞑牧献龊眯枨蠓治觯M可能合理地安排材料進(jìn)場和材料堆放，對現(xiàn)場人流進(jìn)行合理的規(guī)劃，保證流水作業(yè)等，為企業(yè)降低施工風(fēng)險與施工成本。

如果有新人在學(xué)習(xí)這門技術(shù)前，也給大家一個小的參考建議，一定要想清楚自己的所在的行業(yè)，以及要解決的問題，單純的去學(xué)建模軟件或者學(xué)一門編程語言以及一款游戲引擎，相對來講時間會較長，帶著問題去學(xué)習(xí)，能夠減少學(xué)習(xí)過程中的枯燥感，同時能夠提升學(xué)習(xí)效率。剛開始不要想著去系統(tǒng)的解決問題，先找好一個點，持續(xù)不斷的學(xué)習(xí)、練習(xí)，當(dāng)你真正意義上掌握了這一門技術(shù)再去學(xué)其他的，然后到線，最后到面，不斷“打怪升級”，最后再形成一套系統(tǒng)解決問題的思維與知識框架。

今天先到這，下一篇我們再侃一下“數(shù)據(jù)治理在數(shù)字孿生中的應(yīng)用”。歡迎各位，點贊轉(zhuǎn)發(fā)，找我交流探討。關(guān)注我，數(shù)字孿生不迷路。