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安世亞太:無仿真,不孿生

2020-03-13 16:42:48 來源:互聯網 閱讀:1633

      近年來,數字孿生體逐漸成為工業、產業、軍事、民生等各個領域的智慧新代表,受到了越來越多的關注。安世亞太作為中國仿真技術應用的先驅者,認為數字化模型的仿真技術是創建和運行數字孿生體、保證數字孿生體與對應物理實體實現有效閉環的核心技術。安世亞太高級副總裁、數字孿生體實驗室主任田鋒提出“無仿真,不孿生”的觀點,并從下文詳細分析了數字孿生制造中的仿真、數字孿生產業中的仿真、數字孿生城市中的仿真、數字孿生戰場中的仿真,以及VR、AR及MR等技術的重要價值。

      數字孿生制造中的仿真

      由于仿真興起于制造業,在制造業的應用也最為廣泛,所以在在制造場景下的仿真類型也最為豐富,涉及到的仿真包括產品仿真、制造仿真和生產仿真等幾大類,每項大類包括一系列小類。

      1) 產品仿真

      a. 系統仿真:系統仿真主要關注構成系統的整體特性,并不關注其構件本身的特性。把構成系統的各個部件用最簡單的符號來代表,但這個符號需要賦以能表征是這個部件的特性。各個部件之間用簡單符號(如線條)連接起來,這個連接需要賦以能代表兩者作用關系的特性。通過整體計算來仿真整體系統的特性。

      b.  多體仿真:多體仿真主要關注構成結構的構件之間的運動關系,不關注構件自身的內部特性。把構成系統的各個部件用簡單的剛體建模,各部件之間的連接關系按照實際情況定義,這個連接需要賦以能代表兩者作用關系的特性。通過整體計算來仿真整體和單個構件的運動。

      c. 場仿真:場仿真是對物理場(譬如應力應變(即結構)場、溫度場、流場、電磁場等)進行仿真。采用計算對象(結構及其運行環境)的真實材料特性,用逼近真實(或做一定程度的簡化)的形狀對計算對象進行建模,通過物理場方程準確計其性能參數。

      d. 虛擬試驗:利用仿真技術來模擬試驗過程,施加的環境條件與試驗現場相同,以提高試驗的效率和質量。

制造場景下的產品仿真示例

      2) 制造仿真

      a. 工藝仿真:通過對類似鑄造、鍛造、切削、熱處理、焊接這樣的工藝機理的模擬,利用材料學、傳熱、固體力學、流體力學等科學計算來判斷這些工藝實施的可行性、效率和效果。工藝仿真不同于后文的數控加工仿真,后者是通過圖像學原理來對數控程序進行校正。

工藝仿真的類型

      b. 裝配仿真:利用圖形圖像學技術,特別是其中的干涉技術,對裝配對象的裝配過程進行模擬,以驗證裝配的可行性及工藝效率,可為各類復雜機電產品的設計和制造提供產品可裝配性驗證、裝配工藝規劃和分析、裝配操作培訓與指導、裝配過程演示等。

      c.  數控加工仿真:為了確保數控程序的安全性和加工結果的正確性,利用圖像干涉的原理對生成的刀軌進行檢查校驗,檢查刀路是否有明顯的過切或者加工不到位,同時檢查是否發生與工件及夾具的干涉。在這個過程中,會獲得加工之后的零件形狀,并發現更優化和高效的刀軌,據此優化數控程序。

      3) 生產仿真

      a. 離散制造業的工廠仿真:該仿真類型主要關注離散制造的生產規劃環節,通過利用虛擬仿真技術,可以對于工廠的生產線布局、設備配置、生產制造工藝路徑、物流等進行預規劃,并在仿真模型“預演”的基礎之上,進行分析、評估、驗證,發現系統運行中存在的問題和有待改進之處,并進行調整與優化。

      b.  流程制造業的工廠仿真:該仿真類型主要關注流程制造業的生產運行的效率和安全性。管路系統是流程制造業的常見系統,通過仿真手段對管路系統中的流通物的流動進行模擬,可以計算出其系統效率和安全性,達到優化制造系統設計的目的。

(a)離散制造業               (b)流程制造業圖

生產系統仿真

      數字孿生產業中的仿真


      物流仿真:

      指評估物流系統(配送中心、倉庫存儲系統、揀貨系統、運輸系統等)的整體能力的一種評價方法。物流仿真是針對物流系統進行系統建模,模擬實際物流系統運行狀況,并統計和分析模擬結果,用以指導實際物流系統的規劃設計與運作管理。

      組織仿真:

      主要通過對實體組織建模并模擬運行,來研究組織實體群的關系及其活動規律,將個體行為、組織現象與任務過程相結合,有效解決組織的復雜性造成任務積壓、返工等問題。

      業務流程仿真:

      流程是企業或產業運作的基本模式。通過對業務流程建模,通過流程引擎驅動流程模型運轉,以實際情況(譬如操作周期、審批周期、意外等待、返工退回等)的各種潛在組合作為環境條件來模擬業務流轉,以判斷流程的合理性。

 

      數字孿生城市中的仿真


      交通仿真:

      交通仿真指用仿真技術來研究交通行為,是一門對交通運動隨時間和空間的變化進行跟蹤描述的技術。交通仿真的作用在于對現有系統或未來系統的交通運行狀況進行再現或預先把握,從而對復雜的交通現象進行解釋、分析、找出問題的癥結,最終對所研究的交通系統進行優化。

      人群仿真:

      通過社會力模型模擬人群運動的行為,特別是在火災或地震等突發事件下的人群運動特征,用來優化建筑物內外的布局,特別是緊急通道的設計,也可以為人群疏散策略的制定提供參考依據。

      大氣仿真:

      通過流體動力學技術進行大氣擴散的模擬,來判斷有害氣體、塵埃、霧霾等的擴散速度和路徑,也可以計算城市樓宇之間的風速,用來進行建筑物的布局規劃。

      爆轟仿真:

      用來模擬城市某點發生的爆炸事件對周圍的建筑、車輛、行人等的影響,特別是破壞情況。

      城市仿真:

      通過將建筑物及其它設施的位置、高度、外觀、空間形態等要素進行數據分析和處理,建立城市模型,用于規劃真實環境,開展各類論證、試驗、分析、運行、訓練等工作,服務于城市規劃、建設、管理等領域的一門新興技術。它主要的應用方式有城市應急仿真、城市規劃仿真、城市實時仿真等。

   (a)城市爆破仿真           (b) 城市風道仿真圖

在城市場景下的仿真實例

 

      數字孿生戰場中的仿真 


      體系仿真:

      在現代系統工程方法和體系結構框架標準(如DoDAF、TOGAF等)的指導下,利用IDEF、UML、SySML等多種建模語言進行基于活動的建模和仿真,并與裝備描述數據庫、需求管理工具、作戰想定編輯、想定驗證工具等進行深度集成,是開發復雜體系的研發設計、布局指導、運行指揮的支撐工具,不僅常用于裝備論證與研制過程,還常用戰場多兵種和戰斗群的行為和效果推演,甚至用于戰場指揮。

      戰場仿真:

      將虛擬現實與可視化技術、仿真技術、網絡技術融合,生成虛擬作戰自然環境,并在保證其一致性的基礎上,通過計算機網絡,將分布在不同地域的虛擬武器仿真平臺或軍事仿真系統連接到該自然環境中,進行戰略、戰役、戰術演練的軍事應用環境,以達到逼真的效果。

利用體系仿真技術模擬戰場

 

      VR、AR及MR


      虛擬現實(VR)、增強現實(AR)及混合現實(MR)等技術在近幾年發展迅速,而且在以上各個場景中都有重要應用價值。

      虛擬現實:

      虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)利用現實生活中的數據,通過計算機技術產生的電子信號,將其與各種輸出設備結合使其轉化為能夠讓人們感受到的現象,這些現象可以是現實中真真切切的物體,也可以是我們肉眼所看不到的物質,通過三維模型表現出來。因為這些現象不是我們直接所能看到的,而是通過計算機技術模擬出來的現實中的世界,故稱為虛擬現實。

      虛擬現實技術是20世紀末逐漸興起的一項綜合性信息技術,融合了數字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體、傳感器、網絡以及并行處理等多個信息技術分支的最新發展成果。虛擬現實利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺,使人作為參與者通過適當裝置,自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時,計算機可以立即進行復雜運算,將精確的3D世界影像傳回,從而產生臨場感。

      虛擬現實技術的研究內容大體上可分為VR技術本身的研究和VR技術應用的研究兩大類。根據VR所傾向的特征的不同,目前虛擬現實系統主要劃分為四個層次:即桌面式、增強式、沉浸式和網絡分布式虛擬現實。VR技術的實質是構建一種人能夠與之進行自由交互的“世界”,在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象。

      虛擬現實的用戶可以在虛擬現實世界體驗到最真實的感受,其模擬環境的真實性與現實世界難辨真假,讓人有種身臨其境的感覺。同時,虛擬現實具有一切人類所擁有的感知功能,比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統。最后,它具有超強的仿真系統,真正實現了人機交互,使人在操作過程中,可以隨意操作并且得到環境最真實的反饋。正是虛擬現實技術的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛。

      增強現實:

      增強現實(Augmented Reality,簡稱AR),也被稱為擴增現實,是虛擬現實技術的發展。它能促使真實世界信息和虛擬世界信息內容之間綜合在一起。其將原本在現實世界的空間范圍中比較難以進行體驗的實體信息在電腦等科學技術的基礎上,實施模擬仿真處理,將虛擬信息內容疊加在真實世界中,并且能夠被人類感官所感知,從而實現超越現實的感官體驗。真實環境和虛擬物體之間疊加之后,能夠在同一個畫面以及空間中同時存在。用戶需要利用頭盔顯示器或眼鏡,使真實世界和電腦圖形重合在一起,在重合之后可以充分看到真實的世界圍繞著它。

      混合現實:

      混合現實技術(Mixed Reality,簡稱MR)是也虛擬現實技術的發展,該技術通過在虛擬環境中引入現實場景信息,在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路,以增強用戶體驗的真實感?;旌犀F實是一組技術組合,不僅提供新的觀看方法,還提供新的輸入方法,而且所有方法相互結合,從而推動創創新。

      安世亞太認為,無論是虛擬現實、增強現實還是混合現實,在數字孿生體的各個場景中都有巨大的應用潛力。人類通過屏幕與數字世界交互不僅不直觀、不真實,而且交互深度受到巨大限制。這三種技術提供的深度沉浸的交互方式讓人類與數字世界的交互方式與物理世界交互方式類似,使數字化的世界在感官和操作體驗上更加接近物理世界,讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數字世界中,人類又具有超人般的特異功能,可以無限駕馭數字世界,例如穿墻而過、隔空取物、時空穿越、變換大小等,將數字孿生體的應用推向極致。

      安世亞太與數字孿生體實驗室聯合發布了《數字孿生體技術白皮書(2019)》,關注對數字孿生體的抽象和總結,并分別在工業、產業、民生和軍事四個領域選擇了最關鍵的場景做了實例化論,希望能為業內同行提供參考。


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