连载(8)数字孪生体的关键技术-仿真

文章来源:APS研究
2020-07-30

(二)仿真

从技术角度看,建模和仿真是一对伴生体:如果说建模是模型化我们对物理 世界或问题的理解,那么仿真就是验证和确认这种理解的正确性和有效性。所以, 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。

仿真是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物 理世界的一种技术。只要模型正确,并拥有了完整的输入信息和环境数据,就可 以基本正确地反映物理世界的特性和参数。

仿真兴起于工业领域。作为必不可少的重要技术,已经被世界上众多企业广 泛应用到工业各个领域中,是推动工业技术快速发展的核心技术,也是工业3.0 时代最重要的技术之一,在产品优化和创新活动中扮演不可或缺的角色。近年来, 在工业4.0、智能制造等新一轮工业革命的兴起,新技术与传统制造的结合催生 了大量新型应用,工程仿真软件也开始与这些先进技术结合,在研发设计、生产 制造、试验运维等各环节发挥更重要的作用。

随着仿真技术的发展,这种技术被越来越多的领域所采纳,逐渐发展出更多 类型的仿真技术和软件。按照这样的发展下去,物理世界(含人类社会)可以像 电影《黑客帝国》那样,被事无巨细地仿真和模拟。

针对数字孪生体紧密相关的四个关键场景一一制造、产业、城市和战场,我 们梳理其中所涉及到的仿真技术如下:

/在制造场景下,可能涉及到的仿真包括产品仿真、制造仿真和生产仿真 等大类(图12)。其中的小类包括:

. 产品仿真:系统仿真、多体仿真、物理场仿真、虚拟试验等;

• 制造仿真:工艺仿真、装配仿真、数控加工仿真等;

・生产仿真:离散制造工厂仿真、流程制造仿真等。

/在产业场景下,可能涉及到的仿真包括仓储仿真、物流仿真、组织

仿真、业务流程仿真等;

/在城市场景下,可能涉及到的仿真包括城市仿真、交通仿真、人群

仿真、爆破仿真、气体扩散仿真等(图13);

/在军事场景下,可能涉及到的仿真包括体系仿真、战场仿真、爆轰

仿真、毁伤仿真等。

数字孪生体是仿真应用新巅峰。在数字孪生体的成熟度的每个阶段,仿真都 在扮演者不可或缺的角色:“数化”的核心技术一一建模总是和仿真联系在一起, 或是仿真的一部分;“互”是半实物仿真中司空见惯的场景;“先”的核心技 术本身就是仿真;很多学者将“先觉”中的核心技术一一工业大数据视为一种新 的仿真范式;“共”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。

数字孪生体也因为仿真在不同成熟度阶段以及在四大关键场景中无处不在 而成为智能化和智慧化的源泉与核心。