无仿真，不孪生，宇宙不元

作者：田锋
来源：踏雪当歌

时钟拨回1999年，那是《黑客帝国》的上映年，当时被矩阵（Matrix）惊到怀疑人生。时隔4年，第二集和第三集推出，虽然没有第一集那么惊艳和震撼，但其持续的创新和立体化的脑洞，让我将这三部曲定义为电影的巅峰，直到现在。 

这一年来，元宇宙（超宇宙）火起来了。《黑客帝国》展示出来的场景，不管是元宇宙还是超宇宙，无论怎么发挥想象力和创造力，也不过如此了。 

黑客帝国开创的仿真巅峰

我痴迷于《黑客帝国》的原因应该与仿真有关。作为一名仿真老兵，20多年的职业生涯就是20多年的仿真生涯。该电影让一个仿真老兵如此痴迷的原因是，它告诉我们，世界上存在一个令人神往向往的世界，仿真可以无所不在，而这些年仿真界的新成就也证明确实如此。仿真除了在产品研发设计、制造和试验广泛应用外，现在正在出现在其他工业场景中，譬如生产仿真、工厂仿真、运维仿真、物流仿真、流程仿真、组织仿真、交通仿真、人群仿真、战场仿真等。这些新型仿真技术或多或少都与人类行为甚至思维有关，表现出一定的社会学特征，即人工智能。在《黑客帝国》里，自然界和人类社会可以被事无巨细地建模并仿真，几无破绽。 

随着现代仿真技术发展，《黑客》三部曲展现的奇特和科幻的场景将离我们越来越近。在我看来，《黑客帝国》是电影的巅峰，其中的世界更是仿真的巅峰。不过，这几年，《黑客帝国》创立的仿真巅峰被一个新的理念刷新，那就是数字孪生体。相比《黑客帝国》，数字孪生体作为一个生命体，其突破在于：数字世界不满足于展现一个旧的物理世界，还要模拟新的物理世界；既要实时接受物理世界信息，还要预测物理世界；既要接受物理世界的操纵，更要反过来驱动物理世界。《黑客帝国》中模拟的1990年代的世界，不论仿的多么真，相比于充满了实时仿真的数字孪生体世界，都已经“过气”了。 

数字孪生中的仿真场景

数字孪生体的应用十分广泛，至少在四个场景中将发挥巨大的作用：制造、产业、城市和战场，而数字孪生体也因为仿真也在这些场景中无处不在，使得其可以反映真实世界，从而与物理世界具有孪生关系。如果没有仿真，数字孪生体的行为方式要么是预设的，要么经过长期的机器学习才能接近物理世界。 

针对制造、产业、城市和战场这四个关键场景，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；

• 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、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、大气仿真等；

• 在战场场景下，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 

1)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。

图1.数字孪生体中的系统架构仿真实例 

2)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。 

3)场仿真 

场仿真是对物理场（譬如应力应变场、温度场、流场、电磁场等）进行仿真。采用计算对象的真实材料特性，用逼近真实的形状对计算对象进行建模，通过物理场方程准确其性能参数。

图2.数字孪生体中的物理场仿真示例 

4)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。 

2.制造仿真 

1)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，而工艺仿真的背后是物理学原理。 

图3.数字孪生体中的工艺仿真实例 

2)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。 

3)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

1)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，可以对工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、生产节拍、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。 

2)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。 

图4.数字孪生体中的制造系统仿真实例

来源：安世亚太科技股份有限公司