回顧2022年，數(shù)字孿生與各個(gè)行業(yè)的融合速度正在加快，成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的重要助力。雖然許多大規(guī)模應(yīng)用仍處于起步階段，但融合了機(jī)器學(xué)習(xí)、多學(xué)科建模以及分布式高性能計(jì)算的“虛擬仿真”場景明顯增多，價(jià)值越發(fā)明顯，并且開始從數(shù)字孿生延伸到工業(yè)元宇宙，成為政產(chǎn)學(xué)研用等各界的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

由于數(shù)字孿生是一個(gè)融合多技術(shù)、多學(xué)科的復(fù)雜工程。因此在依托知識機(jī)理、數(shù)字化等技術(shù)構(gòu)建數(shù)字模型時(shí)，必須滿足精準(zhǔn)和實(shí)時(shí)等客觀要求。中國工程院院士李培根曾指出，數(shù)字孿生體不僅是物理實(shí)體的鏡像，更要實(shí)現(xiàn)與物理實(shí)體在全生命周期的共生。如果只是建立了數(shù)字化樣機(jī)，卻沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與其物理對象之間的交互或共生，就不能稱為數(shù)字孿生。因此在用戶實(shí)際落地的過程中，如何保證信息系統(tǒng)之間動態(tài)數(shù)據(jù)模型更新和驗(yàn)證的功能性孿生，確保各個(gè)軟件之間的協(xié)作和互連，則成為關(guān)乎數(shù)字孿生應(yīng)用落地和價(jià)值實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

作為NVIDIA多工具流的“一站式”集成平臺，Omniverse自從2019年GTC大會發(fā)布試用后，在3年時(shí)間中不斷創(chuàng)新迭代。它可以使用戶無需進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備或抽樣，就能將數(shù)字資產(chǎn)解析成在不同軟件平臺、不同ISV應(yīng)用程序下使用，成為研發(fā)創(chuàng)新過程中跨越數(shù)字工具的重要橋梁。在日前舉辦的“走近AI數(shù)字工廠”在線研討會上，NVIDIA帶來了關(guān)于Omniverse平臺在仿真生態(tài)、實(shí)時(shí)光線追蹤和人工智能方面的最新進(jìn)展，并總結(jié)了“五步走”方法論幫助企業(yè)落地?cái)?shù)字孿生應(yīng)用，提升研發(fā)創(chuàng)新質(zhì)量和效率，釋放數(shù)字孿生價(jià)值。

圖 NVIDIA Omniverse應(yīng)用示例

踏浪數(shù)字化，數(shù)字孿生成為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級“新動能”

進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，企業(yè)傳統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)模式正在發(fā)生著革命性變化。產(chǎn)品的智能化、個(gè)性化發(fā)展趨勢促使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要處理的需求和細(xì)節(jié)也越來越多，產(chǎn)品的交付周期卻越來越短。這就要求企業(yè)完成從3D設(shè)計(jì)、虛擬仿真、制造執(zhí)行過程的閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)體世界與虛擬世界的融合，重塑產(chǎn)品創(chuàng)新、運(yùn)營和維護(hù)的模式。

對此，身為吉利汽車中央研究院的試制中心總工程師何洪巖對此深有體會。其所屬的試制中心通用化工廠采用了獨(dú)立工藝單元柔性組合技術(shù)，可針對A0-C級軸距（2300~3100毫米）不同車身制造工藝組合，完成8款車型的焊裝成組混線生產(chǎn)，被工信部評為車身工業(yè)4.0技術(shù)示范線。

伴隨著汽車市場競爭加劇以及自主品牌市場份額不斷提升，在以“產(chǎn)品為中心”到以“客戶為中心”的變革下，吉利研發(fā)周期由36個(gè)月壓縮到24個(gè)月，試制中心焊裝調(diào)試周期從35天壓縮到22天，這也直接帶來了生產(chǎn)線多車型生產(chǎn)與調(diào)試串行切換過程中的業(yè)務(wù)連續(xù)性、設(shè)備安全性、工藝驗(yàn)證周期、協(xié)同和管理效率等一系列挑戰(zhàn)。

為了加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低開發(fā)成本，提升市場響應(yīng)能力，試制中心構(gòu)建了以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的G-iPS雙向驅(qū)動的數(shù)字孿生工廠解決方案。在何洪巖看來，基于數(shù)字孿生技術(shù)的建模設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證需要和真實(shí)世界實(shí)時(shí)交互。通過聯(lián)合NVIDIA，試制中心打造了Omniverse協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，通過Connector連接器將設(shè)計(jì)和仿真工具進(jìn)行了深度融合，將CAD設(shè)計(jì)類軟件的CATIA、UG、SolidWorks數(shù)據(jù)和仿真軟件VC、G-iPS異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，使設(shè)計(jì)人員在查看數(shù)據(jù)模型的過程中，不僅可以實(shí)時(shí)查看設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并直接在數(shù)據(jù)模型上進(jìn)行修改，還可以通過高保真模型直觀簡單的評估設(shè)計(jì)過程，整個(gè)研發(fā)設(shè)計(jì)流程得到了明顯“提速”。

圖 吉利汽車中央研究院試制中心

利用Omniverse平臺實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)

吉利汽車試制中心只是千千萬萬數(shù)字孿生應(yīng)用的一個(gè)縮影。可以看出，在構(gòu)建數(shù)字孿生的過程中，關(guān)鍵在于各種工業(yè)軟件的應(yīng)用集成和交互，首當(dāng)其沖的則是仿真軟件，由于數(shù)字孿生的特征就是虛實(shí)的交互融合，這種交互的一致性、實(shí)時(shí)性、可靠性背后則需要Omniverse基于USD通用語言和多GPU的高性能算力實(shí)現(xiàn)。日前在工信部等五部委聯(lián)合印發(fā)的《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計(jì)劃（2022~2026 年）》中，也指出在提升企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，要提升從多元數(shù)據(jù)獲取洞察的能力與水平。

多維度協(xié)同，Omniverse引領(lǐng)用戶邁入數(shù)字孿生“深水區(qū)”

李培根院士曾指出，在構(gòu)建數(shù)字孿生的過程中，數(shù)據(jù)是物理生命體的“血液”，數(shù)據(jù)及智能技術(shù)共同賦予了物理實(shí)體以“生命”。在NVIDIA專業(yè)視覺計(jì)算行業(yè)拓展經(jīng)理茅勇看來，在以數(shù)字方式為實(shí)體對象創(chuàng)建數(shù)字模型，并進(jìn)行模擬、分析、預(yù)測等行為時(shí)，數(shù)字孿生必須滿足4個(gè)要素：單一事實(shí)來源、現(xiàn)實(shí)物理級的準(zhǔn)確程度、深度融合AI應(yīng)用、與現(xiàn)實(shí)完美同步。

而這正是NVIDIA Omniverse的優(yōu)勢之所在。茅勇強(qiáng)調(diào)Omniverse并不是一個(gè)應(yīng)用，而是一個(gè)可拓展的端到端平臺，用于構(gòu)建和應(yīng)用元宇宙程序，包括工業(yè)和科學(xué)用例的3D世界和數(shù)字孿生。經(jīng)過3年時(shí)間的不斷功能迭代和技術(shù)創(chuàng)新，如今的Omniverse已覆蓋世界主流3D軟件，所涉及的行業(yè)覆蓋建筑、施工、媒體、娛樂、制造、電信、零售等超過百萬用戶的成熟平臺。

尤其是在工業(yè)領(lǐng)域上，伴隨著數(shù)字化、智能化應(yīng)用的進(jìn)一步落地與推進(jìn)，工業(yè)制造或許將會成為數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場。茅勇介紹從數(shù)字孿生到工業(yè)元宇宙，Omniverse不僅在仿真、虛擬驗(yàn)證和可視化等方面體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，還可針對不同的對象和需求，提供相應(yīng)的功能與服務(wù)，例如通過將物理世界的設(shè)備、工藝與數(shù)字化的業(yè)務(wù)流程深度融合，企業(yè)可以在虛擬世界中對生產(chǎn)的全部流程和工序完成數(shù)字映射，并通過模擬運(yùn)行來優(yōu)化流程、降低成本、加速測試設(shè)計(jì)迭代、實(shí)現(xiàn)防患于未然的預(yù)測性維護(hù)，進(jìn)而開啟一個(gè)極為豐富的商業(yè)前景和無窮的想象空間。在這背后，則依靠的是Omniverse的4大特性：

? 開放標(biāo)準(zhǔn)：Omniverse基于USD（Universal Scene Description，通用場景描述）關(guān)鍵技術(shù)，易于拓展和互連各種應(yīng)用，解鎖了非標(biāo)準(zhǔn)流程和數(shù)據(jù)獨(dú)立性，扮演充當(dāng)互聯(lián)客戶機(jī)和應(yīng)用的中心樞紐角色。

? 保持習(xí)慣：對于用戶而言，Omniverse并不是最終應(yīng)用，用戶仍然可以繼續(xù)在自己喜歡且擅長的3D軟件程序中進(jìn)行工作，然后通過專用的連接器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Omniverse中，并進(jìn)一步完成USD數(shù)據(jù)模擬、場景規(guī)劃以及后期呈現(xiàn)。

? 高靈活性：在用戶構(gòu)建數(shù)字孿生的過程中，模擬仿真占有較高的比重，除了設(shè)計(jì)仿真類工業(yè)軟件外，還需要更高的算力支持，NVIDIA提供了從基礎(chǔ)工作站到面向復(fù)雜工業(yè)場景的NVIDIA OVX參考架構(gòu)，為企業(yè)數(shù)字孿生戰(zhàn)略落地提供全方位算力支持。

? 高連接性：通過Omniverse用戶可以連接不斷拓展的第三方應(yīng)用程序和工具，例如NVIDIA Omniverse和西門子Xcelerator平臺的深度融合應(yīng)用。

升級與超越，持續(xù)創(chuàng)新跑出數(shù)字化進(jìn)程“加速度”

對于用戶而言，Omniverse平臺旨在實(shí)現(xiàn)最高的靈活性和可擴(kuò)展性。盡管國內(nèi)疫情已經(jīng)走向開放，但由此形成的生活習(xí)慣、工作模式、數(shù)字化覺醒仍然在繼續(xù)和深化。這也意味著無論是創(chuàng)作者、設(shè)計(jì)師，還是企業(yè)研究人員和研發(fā)工程師都希望快速連接工具、資產(chǎn)和項(xiàng)目，并且在安全、共享的虛擬空間中展開協(xié)作。

這里不得不提到NVIDIA在SIGGRAPH 2018大會上推出的NVIDIA RTX，這種新型的GPU架構(gòu)通過兩種新處理單元拓展基于光柵化和可編程著色的GTX架構(gòu)，分別是RT Core上的加速光線追蹤和Tensor Core上的深度學(xué)習(xí)。毫不夸張的說，RTX翻開了神經(jīng)圖形新的篇章，成為藝術(shù)家創(chuàng)建3D世界以及世界動畫和渲染方式不可缺少的一部分，NVIDIA RTX頗具影響力的自主獨(dú)有開發(fā)之一是DLSS（深度學(xué)習(xí)超級采樣），包括一系列實(shí)時(shí)深度學(xué)習(xí)圖像增強(qiáng)和放大技術(shù)，可在不影響畫質(zhì)和響應(yīng)速度的前提下，利用AI創(chuàng)造更多高質(zhì)量幀。

伴隨著NVIDIA在RTX領(lǐng)域的更新，Omniverse平臺的能力得到了進(jìn)一步提升，例如在2022秋季GTC推出的NVIDIA RTX 6000ADA 架構(gòu)顯卡就是專門為虛擬世界模擬而設(shè)計(jì)，其具有Ada架構(gòu)賦能的AI技術(shù)和可編程的著色器技術(shù)，可謂是幫助NVIDIA Omniverse為元宇宙構(gòu)建內(nèi)容和工具的“神助攻”。

此外，為了簡化用戶隨時(shí)隨地化靈感為現(xiàn)實(shí)，強(qiáng)化構(gòu)建3D世界。茅勇介紹NVIDIA Omniverse平臺一直在完善面向細(xì)分領(lǐng)域的組件工具，例如偏向?yàn)楣こ處熁蛩囆g(shù)家實(shí)現(xiàn)場景構(gòu)圖、渲染和模擬的Omniverse Create；為項(xiàng)目審閱提供批注和微調(diào)的Omniverse View和用于機(jī)器人開發(fā)模擬的Omniverse Isaac Sim等。而以下五項(xiàng)核心組件，則構(gòu)成了Omniverse的基礎(chǔ)技術(shù)底座：

Omniverse Nucleus：便捷的數(shù)據(jù)庫和協(xié)作引擎，提供了完善的IT管理工具，例如能夠處理服務(wù)器上原子檢查點(diǎn)的擴(kuò)展版本控制。日前更新的大文件傳輸服務(wù)使用戶能夠在服務(wù)器之間、本地或云端移動文件，從而使混合工作流能夠受益其中。

Omniverse Connector：用于實(shí)現(xiàn)各種軟件應(yīng)用互連的連接器，允許用戶創(chuàng)建和使用所偏好3D應(yīng)用工具，例如Adobe Substance 3D Painter、Autodesk Alias、PTC Creo以及Kitware Paraview ，此外用戶還可輕松地導(dǎo)出在西門子數(shù)字化工業(yè)軟件的NX軟件中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)。

Omniverse KIT：幫助用戶進(jìn)行基于微服務(wù)的自定義SDK開發(fā)，其擴(kuò)展程序模板包含各種擴(kuò)展程序示例，例如Omniverse Create、View和Isaac Sim都是基于Omniverse KIT構(gòu)建的。

Omniverse SIMULATION：能呈現(xiàn)高質(zhì)量、真實(shí)環(huán)境中的物理模擬效果，使數(shù)字孿生體擁有逼真的物理性質(zhì)、材質(zhì)、照明和渲染效果。

Omniverse RTX RENDERER：支持Hydra架構(gòu)的渲染器，能夠提供可擴(kuò)展且準(zhǔn)確的光線追蹤和路線追蹤渲染，帶來充滿動感的真實(shí)效果和照片級視覺呈現(xiàn)。

圖 NVIDIA Omniverse五項(xiàng)核心組件

值得一提的是，NVIDIA認(rèn)為基于數(shù)字孿生技術(shù)的建模與仿真不再是離線的、獨(dú)立的、特定階段存在的，而是可以與真實(shí)世界建立永久、實(shí)時(shí)、交互的鏈接。在具體仿真過程中，NVIDIA提供了包括NVIDIA PhysX實(shí)時(shí)物理、Import Physics Instance第三方物理模擬、NVIDIA Modulus物理仿真加速三種方式加深對模型的仿真處理。

圖 NVIDIA提供三種方式支持模擬和工作流需求

知行需合一，構(gòu)建數(shù)字孿生實(shí)踐落地“方法論”

根據(jù)Markets的預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，到2023年數(shù)字孿生市場規(guī)模將達(dá)到157億美元，并以38%復(fù)合年增長率增長，到2025年將突破260億美元的大關(guān)。在茅勇看來，數(shù)字孿生的落地不再是關(guān)于我們在哪里或者我們要去哪里，而是關(guān)于我們前進(jìn)的速度有多快，如何為企業(yè)產(chǎn)生真正的價(jià)值。

實(shí)際上，全球已有多家企業(yè)加入到Omniverse的增強(qiáng)型3D工作流中，例如借助Omniverse打造虛擬智能工廠的寶馬集團(tuán)、通過Omniverse完成預(yù)測性維護(hù)的西門子能源公司等等。目前，NVIDIA正在將Omniverse平臺能力開放給廣大的生態(tài)伙伴，并提供了3種方式讓用戶免費(fèi)、輕松的開啟數(shù)字孿生旅程，分別是全球推廣計(jì)劃（NVIDIA Omniverse on LaunchPad）、30天免費(fèi)試用評估版（30 Day Free Evaluation）以及在合作伙伴計(jì)劃中獲取許可證（Staring with a Partner）。

可以預(yù)見的是，隨著人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄疊加傳統(tǒng)工業(yè)模型，工業(yè)技術(shù)的顯性化、模型化、軟件化將進(jìn)一步加速，很多企業(yè)將更加積極的應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。但面對千行百業(yè)尤其是know-how顯著的垂直工業(yè)場景，數(shù)字孿生的構(gòu)建并非是一蹴而就的，對此，NVIDIA在總結(jié)了不同行業(yè)案例和應(yīng)用實(shí)踐后，形成了“五步走”方法論，幫助企業(yè)推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用：

1.確認(rèn)用例

在開啟數(shù)字孿生旅程之初，首先要根據(jù)企業(yè)發(fā)展情況明確自身需求，其中第一個(gè)解決的問題是“為什么需要數(shù)字孿生？”，或者更確切地說“數(shù)字孿生可以為企業(yè)解決哪些問題？”從這個(gè)簡單的練習(xí)入手，有助于企業(yè)發(fā)現(xiàn)值得進(jìn)一步探索的機(jī)會。例如對于制造商而言，可以將目標(biāo)聚焦在改善高度手動、不連貫和低效的操作流程，或者針對引起生產(chǎn)線宕機(jī)的重要設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)并創(chuàng)建流程備份。

2.評估數(shù)據(jù)和環(huán)境

數(shù)字孿生依賴于對正確數(shù)據(jù)的訪問。因此，構(gòu)建數(shù)字孿生初期需要考慮因素是從3D模型或?qū)τ诩す恻c(diǎn)的云掃描開始，構(gòu)建的應(yīng)用是否可以輕松的采集與處理可用數(shù)據(jù)。雖然不同行業(yè)的數(shù)據(jù)需求存在著差異化，但入門所需的大部分?jǐn)?shù)據(jù)本質(zhì)上還是以3D形式為主。數(shù)據(jù)集可能包含體系架構(gòu)、工程、產(chǎn)品、工藝和地理空間數(shù)據(jù)，以及重要的元數(shù)據(jù)（用于定義數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）。這些數(shù)據(jù)可能源自各種軟件如CAD、CAE、PLM、MRO、GIS、BIM、機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3.組建團(tuán)隊(duì)

正所謂人才是企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的第一競爭力，數(shù)字孿生項(xiàng)目落地的一個(gè)關(guān)鍵要素是組建具有合適角色和技能的團(tuán)隊(duì)，并且數(shù)字孿生團(tuán)隊(duì)看起來可能與企業(yè)過去組建的任何團(tuán)隊(duì)相差迥異。無論企業(yè)所處哪個(gè)行業(yè)，數(shù)字孿生團(tuán)隊(duì)成員都需要包括來自從研發(fā)設(shè)計(jì)、工程技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)和業(yè)務(wù)一線人員，甚至包含了系統(tǒng)集成商、軟件開發(fā)和對外合作伙伴選擇。

4.從小處著手

數(shù)字孿生的頂層設(shè)計(jì)，決定了企業(yè)的未來應(yīng)用的推進(jìn)路徑。很多企業(yè)在初期往往懷有令人心馳神往的遠(yuǎn)大愿景。但事實(shí)證明，過于雄心勃勃的計(jì)劃往往會導(dǎo)致不切實(shí)際的期望、執(zhí)行不力和項(xiàng)目失敗。正所謂九層樓臺，始于壘土。相反的，找到一個(gè)不影響業(yè)務(wù)連續(xù)性的切入點(diǎn)入手，并讓團(tuán)隊(duì)專注于提供有價(jià)值的更小解決方案，可以為未來打好基礎(chǔ)。

5.衡量和傳達(dá)影響

數(shù)字孿生的真正價(jià)值，是助力企業(yè)組織實(shí)現(xiàn)出色的運(yùn)營效率，并改進(jìn)和加速組織決策。在完成第一個(gè)PoC（概念驗(yàn)證）項(xiàng)目前，企業(yè)可能考慮多個(gè)機(jī)會。衡量和傳達(dá)這一初始概念驗(yàn)證項(xiàng)目的影響，將是企業(yè)將數(shù)字孿生擴(kuò)展到整個(gè)企業(yè)組織中其他領(lǐng)域的機(jī)會。通過將結(jié)果與原始問題陳述及其達(dá)成的目標(biāo)和成果關(guān)聯(lián)，企業(yè)更有可能激起底層用戶的興趣以及得到高層資金的支持。

審核編輯 ：李倩