數(shù)字孿生仿真概念的12個趨勢

　　數(shù)字孿生概念是企業(yè)戰(zhàn)略的趨勢，這一名稱來自企業(yè)構(gòu)建物理對象的虛擬等價物(或?qū)\生)，這些數(shù)字副本越來越受歡迎，因為它們可用于驅(qū)動在現(xiàn)實中不容易進(jìn)行的重要仿真。

　　以風(fēng)力渦輪機(jī)為例，數(shù)字孿生技術(shù)就派上用場。渦輪可以配備傳感器，這些傳感器可實時生成有關(guān)渦輪機(jī)性能的數(shù)據(jù)，無論是速度、能量輸出還是天氣條件。然后，這些數(shù)據(jù)可用于制作渦輪機(jī)的數(shù)字副本，包括 3D 數(shù)字表示。機(jī)器學(xué)習(xí)和其他模型可以用于識別這個渦輪機(jī)的模式， 例如， 它是否處于最佳工作狀態(tài)。數(shù)字副本可用于運行仿真，而無需打擾原始渦輪機(jī)，然后改進(jìn)可以反饋給原始對象。

　　1、仿真激發(fā)對數(shù)字孿生的興趣

　　觀察家認(rèn)為，對多物理仿真的需求很大，這種仿真在電子、結(jié)構(gòu)和熱等不同物理領(lǐng)域呈現(xiàn)了整體視角，對噪音和振動等領(lǐng)域至關(guān)重要。頂級仿真技術(shù)包括計算流體動力學(xué) (CFD)、多體系統(tǒng) (MBS) 或有限元分析 (FEA) 技術(shù)。

　　仿真在制造業(yè)中也越來越相關(guān)，仿真軟件是制造商的保單。ABI Research首席分析師Michael Larner告訴VentureBeat，在供應(yīng)商社區(qū)中已經(jīng)出現(xiàn)了部署算法的軍備競賽。這種"保險"使他們能夠響應(yīng)消費者需求的快速變化和供應(yīng)鏈的中斷，例如目前阻礙汽車業(yè)的芯片短缺。ABI預(yù)測，到2030年，制造業(yè)的仿真技術(shù)將以7.1%的速度增長，達(dá)到26億美元。

　　另一些人則希望利用仿真技術(shù)的進(jìn)步改進(jìn)運營的各個方面，特別是隨著所謂元宇宙的興起 — 指的是利用VR/AR、數(shù)據(jù)自動打標(biāo)簽、AI驅(qū)動的物理模型和供應(yīng)鏈改進(jìn)。

　　以下是仿真影響數(shù)字孿生的 12 種方式。

　　2、元宇宙協(xié)作

　　Blackshark首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Michael Putz說："未來三到五年，仿真和建模工具最令人興奮的發(fā)展在于元宇宙的演變。一些更令人興奮的改進(jìn)將涉及人工智能支持的重建建筑物的建模、實時標(biāo)簽和 AI 框架。頂級綜合使用案例將結(jié)合仿真和協(xié)作，服務(wù)于城市規(guī)劃、位置偵察、建筑驗收、物流、無人機(jī)飛行規(guī)劃和保險。

　　3、用更少的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)

　　Deep Fake中使用的生成式 AI 技術(shù)在改進(jìn)和優(yōu)化用于不同數(shù)字孿生的仿真模型方面也越來越好。正如NASA JPL 首席技術(shù)和創(chuàng)新官 Chris Mattmann 向 VentureBeat 解釋的那樣，"關(guān)鍵是平衡標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求與數(shù)字孿生環(huán)境基準(zhǔn)的現(xiàn)實環(huán)境仿真。他預(yù)測，將更多地采用合成數(shù)據(jù)技術(shù)，以更少的手動標(biāo)簽提高模型的準(zhǔn)確性和有效性。

　　4、填補(bǔ)物理學(xué)的空白

　　建模和仿真工具正在利用從物理工業(yè)過程捕獲的實時數(shù)據(jù)改進(jìn)使用 AI 構(gòu)建的物理模型。Nnaisense的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Faustino Gomez告訴VentureBeat，傳統(tǒng)物理模型的數(shù)字孿生速度太慢，無法實時用于涉及化學(xué)和流體動力學(xué)的復(fù)雜過程。例如，Nnaisense 與 EOS GmbH 合作開發(fā)了一種數(shù)字孿生，用于在添加劑制造過程中對熱量建模，而無需明確的物理模型。這些模型可以實時而不是數(shù)天來預(yù)測重要現(xiàn)象。他認(rèn)為縮小物理差距的頂級人工智能算法包括幾何深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)常微分方程 (ODE) 模型和對比學(xué)習(xí)。

　　5、推理模型仿真可制造性

　　數(shù)字孿生傳統(tǒng)上側(cè)重于仿真產(chǎn)品性能特征。制造過程中嵌入的傳感器的改進(jìn)使推理模型能夠仿真影響質(zhì)量、成本和易裝的特征。Tempo Automation 首席產(chǎn)品官Jeff Kowalski說，推理建模技術(shù)通過直接觀察實現(xiàn)了數(shù)字孿生的生成過程的自動化。這減少了人類手工制定模型規(guī)則的努力。它還能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動更新模型。

　　6、改進(jìn)自治系統(tǒng)

　　更好的數(shù)字孿生也可以改進(jìn)自動駕駛車、船舶、叉車甚至工廠的引導(dǎo)模型。Kalypso數(shù)據(jù)科學(xué)總監(jiān)Jordan Reynolds告訴VentureBeat，"自治系統(tǒng)性能的重大進(jìn)步歸功于模型預(yù)測控制(MPC)，這是一種數(shù)字孿生方法，它模擬了復(fù)雜的系統(tǒng)將如何響應(yīng)操作輸入和環(huán)境變化。這些模型用于仿真動態(tài)系統(tǒng)行為，并在物理世界中自治地控制這些系統(tǒng)。MPC還用于模擬COVID-19的擴(kuò)散，并確定加速其下降的最佳干預(yù)措施。

　　7、仿真編排

　　仿真容器有望在支持敏捷軟件開發(fā)和部署實踐的應(yīng)用容器的成功基礎(chǔ)上再接再厲。XR Maurizio的Aveva首席技術(shù)專家 Galardo 預(yù)計，仿真工具將從旨在解決特定任務(wù)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)向能夠讓用戶快速合成完整產(chǎn)品設(shè)計的功能容器。這些仿真微服務(wù)可在不同的設(shè)計、仿真和生產(chǎn)工作流程中重復(fù)使用。

　　8、系統(tǒng)生成式設(shè)計

　　生成式設(shè)計技術(shù)從一組啟動規(guī)范中自動提供設(shè)計建議。PTC 產(chǎn)品管理副總裁 Paul Sagar 解釋說，工程師傳統(tǒng)上使用生成式設(shè)計來創(chuàng)建和優(yōu)化單個部件。他期望算法和處理能力的改進(jìn)，能夠解決仿真完整組件的更廣泛問題，例如使用整車的數(shù)字孿生查看化油器的性能。

　　9、工程業(yè)務(wù)產(chǎn)品

　　計算性能和互操作性的改進(jìn)帶來了將業(yè)務(wù)和仿真技術(shù)相結(jié)合的數(shù)字孿生。德勤咨詢公司的國家新興技術(shù)研究總監(jiān)Scott Buchholz解釋說："數(shù)字孿生對于模擬從小部件到服務(wù)的銷售等變化非常有用。例如，普利司通使用數(shù)字孿生來優(yōu)化車隊每英里的成本、維護(hù)和輪胎選擇。這有助于業(yè)務(wù)團(tuán)隊將輪胎里程作為服務(wù)銷售，并圍繞壽命和維護(hù)策略調(diào)整工程決策，以改進(jìn)這種新的業(yè)務(wù)模式。

　　10、供應(yīng)鏈協(xié)作

　　仿真工具提供商如Synopsys正在尋找方法來仿真芯片設(shè)計和運行在它們上的軟件。這有望改善汽車芯片等產(chǎn)品的合作，這些產(chǎn)品由于更現(xiàn)代芯片設(shè)計的集成挑戰(zhàn)而面臨嚴(yán)重短缺。Synopsys 驗證小組工程副總裁 Tom De Schutter 認(rèn)為，開發(fā)可擴(kuò)展的數(shù)字線程，可跨供應(yīng)鏈運行，通過全系統(tǒng)產(chǎn)品反映各個組件，前景廣闊。這包括單個硬件設(shè)計的數(shù)字孿生、芯片上的系統(tǒng)、電子子系統(tǒng)和完整系統(tǒng)。然而，這也需要新的基礎(chǔ)設(shè)施來捕獲、共享和跟蹤為這些混合數(shù)字孿生提供動力的細(xì)粒度數(shù)據(jù)。

　　11、更小的模型

　　Altair的首席技術(shù)官Brett Chouinard說，人工智能也可以進(jìn)行磨練，以構(gòu)建比傳統(tǒng)方法要更少的數(shù)據(jù)和計算能力的小型模型(稱為降維模型)。他預(yù)計，這將日益支持在邊緣網(wǎng)關(guān)和設(shè)備等遠(yuǎn)程設(shè)備上提供精密的數(shù)字孿生模型。這些較小的數(shù)字孿生將越來越多地為新產(chǎn)品和服務(wù)增加價值。Chouinard 說，"雖然這種情況已經(jīng)發(fā)生，但它只會獲得更多的關(guān)注，圍繞它構(gòu)建了較新的應(yīng)用程序，從而提高了復(fù)雜度，并增加了對邊緣容量的需求。

　　12、 多域數(shù)字孿生

　　仿真集成技術(shù)也為多域仿真開辟了機(jī)會。Scalable Network Technologies的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Rajive Bagrodia博士說，這些技術(shù)建立在多物理和集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，以支持跨領(lǐng)域的工作，如電網(wǎng)和天然氣管道等安全和物理基礎(chǔ)設(shè)施。例如，在電網(wǎng)中，延遲斷路器控制或偽造傳感器負(fù)載報告的攻擊可能會導(dǎo)致一系列級聯(lián)效應(yīng)，給區(qū)域電網(wǎng)帶來潛在的災(zāi)難性后果。將物理系統(tǒng)仿真器與網(wǎng)絡(luò)仿真耦合的多域數(shù)字孿生可以提高對此類場景的彈性、檢測和響應(yīng)。

　　13、仿真民主化

　　仿真民主化可以為技術(shù)較少的業(yè)務(wù)用戶提供新的規(guī)劃和發(fā)展機(jī)會。如今，仿真市場主要面向研發(fā)部門的工業(yè)設(shè)計師和工程師。更易訪問的工具將降低企業(yè)用戶、采購部門和主題專家采用的障礙。Hexagon Manufacturing Intelligence的MSC軟件部門總裁Roger Assaker解釋道："設(shè)計決策將更加明智，因為新產(chǎn)品的挑選不是純粹基于美學(xué)或性能，而是基于各種因素來選擇。