大多數人將元宇宙定義為“虛擬現實”，其中包含化身和空間中真實物體的 3D 表示，模擬我們與物理世界的互動方式。元宇宙的這一部分傾向于“以消費者為導向”，允許用戶在他們的 VR 系統中“適應”并與虛擬世界中的人和事物互動。

消費者（或社交）元宇宙主要關注娛樂價值，而工業元宇宙則專注于通過高級建模和模擬解決復雜的行業問題。這些建模和仿真功能利用了互聯數字孿生提供的整體知識和理解。

Gartner 將數字孿生定義為“現實世界實體或系統的數字表示”。在單個產品的領域內，這個定義與對象建模或計算機輔助設計沒有太大區別。但工業元宇宙的真正力量在于這些數字孿生相互交互的能力。連接數字孿生可以創建整個虛擬化的“系統系統”，其中一個數字孿生的輸入和由此產生的行為可能會影響完全在虛擬空間內運行的其他數字孿生。

工業元宇宙的目標是對數字孿生進行建模，使它們能夠相互連接和接口，以使更大的系統和工業世界了解如何解決我們全球社會今天面臨的復雜問題。例如，解決世界饑餓問題需要大量數字孿生——從農場和農業設備到配送中心和運輸系統——來形成一個虛擬的系統系統。通過建模和仿真，所有“組成”數字孿生系統的運行都針對整個系統系統的食品可持續性目標進行了優化。

另一個例子是，汽車制造商可以使用新車輛設計的數字孿生，并在各種路況、汽油等級和維護時間表下虛擬仿真其性能，以預測油耗、可靠性和環境影響。工業元宇宙可以使這個數字車輛孿生體插入到更大系統（智能城市）的數字孿生中，以評估道路影響、排放和交通模式。

盡管模擬和數字孿生都利用數字模型來復制系統的各種過程，但數字孿生實際上是一個虛擬環境，這使得它的研究更加豐富。這里的關鍵區別很大程度上是規模問題：雖然模擬通常研究一個特定的過程，但數字孿生可以運行任意數量的有用模擬來研究多個過程。數字孿生的第一個版本可以只是其現實生活中對應物的一些屬性的簡單表示，但隨著時間的推移，根據需要，孿生體可以變得更加復雜，以匹配物理系統的演變。

可以將各種刺激應用于數字孿生，以分析和預測產品或系統行為。這允許在構建物理產品或實現物理系統之前進行設計優化。

數字孿生、信息物理系統和 MBSE

一旦構建了物理產品，數字孿生的價值就有限，除非它能夠準確地將其狀態與物理對應項的狀態同步。信息物理系統 （CPS） 在數字孿生和物理系統之間提供了關鍵接口。這些系統由物理組件組成，可以通過智能傳感器、軟件和執行器進行監控、控制和優化。

在許多方面，CPS包含數字孿生和物聯網技術，為無人駕駛汽車等自主系統奠定基礎。然而，數字孿生需要整體信息集而不是基本模型，而CPS開發中的一個挑戰是系統創建中涉及的各種工程學科（如軟件和機械工程）之間的設計實踐存在巨大差異。

進入MBSE的概念，它涉及設計，分析和驗證這些復雜系統的方法。MBSE提供了一種設計“語言”，該語言對于創建CPS所涉及的所有學科都是通用的。

軟件工程研究所將MBSE定義為一種正式的方法，用于支持與復雜系統開發相關的需求，設計，分析，驗證和確認。與以文檔為中心的工程設計相比，MBSE 將模型置于系統設計的中心。

但MBSE不僅僅是一個系統模型。它是模型的鏈接，以創建一個了解其邊界，矛盾并可以傳達其設計更改原因的系統。它是需求與領域專家創建的低級、高保真技術模型之間的橋梁。

當快速創新至關重要時，來自所有學科的工程師必須能夠協作探索系統設計，快速將職責分配給軟件和硬件元素，然后分析它們之間的權衡。MBSE 可以成為開發和采用數字孿生的驅動力，這些數字孿生在整個系統生命周期中與物理孿生體沒有區別。

優化智能產品設計：邁向數字孿生和 MBSE 驅動的生命周期之旅

數字孿生和CPS與系統工程越來越相關，更具體地說，MBSE。它們的結合使現實世界的系統能夠得到分析和優化，但這需要在整個開發生命周期中進行轉型，以實現MBSE和數字孿生技術的采用，并確保實現其所有優勢。

例如，像汽車這樣的智能產品正在成為復雜的系統系統，挑戰工程師利用復雜性和數據層，并模糊不同工程領域之間的界限。在全面的數字孿生中對智能產品的各個方面進行數字表示不再是管理當今產品開發復雜性的可選內容，而是已成為一項設計要求。

為了充分利用數字孿生技術，我們必須首先將重點轉移到開發可在整個系統生命周期（包括產品設計）中使用的數字孿生模型。一個常見的誤解是，數字孿生只有在創建其物理對應物后才會使用，但“左移”哲學（或通過將測試等任務轉移到盡可能早的開發生命周期來提高質量的做法）也可以使用數字孿生來發現和預防產品或系統設計過程的早期缺陷。

“除此之外，我們還增加了與這些虛擬化現實世界環境相結合的能力。..。..半導體在進入硅之前運行良好。這是一個真正的左移環境，使OEM能夠對他們正在做出的決策充滿信心，這是前所未有的“——西門子Joseph Sawicki。

構建工業元宇宙的平臺

虛擬系統設計可以減少對原型硬件的依賴，并為所有工程師在產品開發周期的任何階段提供對系統的虛擬訪問。當然，數字孿生不僅僅是代表系統，它們還涉及評估設計和操作替代方案，通過準確模擬進行更改時發生的情況，可以節省時間和/或成本。

“數字孿生的定義是從NASA時代的傳統含義演變而來的，”MathWorks研究員Jim Tung說。“它不僅是運營中資產的數字表示，還反映了其當前狀態。它還在其發展的各個階段使用資產模型。20多年來，我們一直將這種方法稱為基于模型的設計，您可以使用模型做出更好的設計選擇，與實時模型交互以驗證需求，組合其他模型進行虛擬集成，并自動生成生產代碼。

“當這些模型被調整以代表系統運行時，這種重用是強大的，”Tung繼續說道。“這不僅僅是為了顯示當前狀態，也是為了在許多可能的情況下模擬該系統。這就是預測性維護如此熱門的原因。它涉及資產在潛在情況下的表現。因此，在整個開發和運行過程中對系統進行仿真是我們思考數字孿生價值主張的方式。

精確模擬物理行為可能極具挑戰性，需要高級工具來優化虛擬模型。例如，MathWorks 為數字孿生提供了系統建模和仿真功能。他們的 Simulink 平臺可以對由物理硬件、嵌入式軟件、算法和系統運行環境組成的復雜虛擬系統進行建模、仿真和分析。

為了支持最佳決策和行動，數字孿生系統需要通過信息交換進行連續和遞歸的過程改進，包括從傳感系統到人工智能和機器學習系統到致動系統的信息流。像 Simulink 運行的仿真模型可以通過考慮擴展的信息集來解釋和預測現實世界的結果，從而迭代地優化自身。這甚至延伸到不確定性量化科學。

最終，智能產品將通過數字孿生進行測試、交付和配置，該數字孿生連接到工業元宇宙中的其他數字孿生，從而在復雜的系統部署中優化價值并最大限度地降低最終客戶的風險。NVIDIAOmniverse是在“工業元宇宙”中運行的聯合、可互操作的數字孿生生態系統的可擴展平臺的一個例子。

Omniverse 是一個支持 GPU 的開發平臺，用于構建和操作 3D 模擬。它還支持人工智能工具，這些工具能夠創建能夠復制物理現實中正在發生的事情的移動虛擬元素。生態系統軟件合作伙伴可以利用 Omniverse 以及 NVIDIA 的其他各種技術。一個例子是最近與西門子合作，創建了一個逼真的、基于物理的工業元宇宙;將Omniverse與西門子的Xcelerator和Simcenter工具相結合，將形成一個用于工業用例的數字孿生平臺。

Omniverse基于皮克斯的通用場景描述（USD），這是一個用于協作構建3D場景的開源軟件框架。USD 是可擴展的，因此來自物理（如建筑物、機器人或傳感器）或虛擬資產的多個數據集可以組合在一起，而不會相互碰撞。這允許通過易于更新的設計、操作和維護進行極端協作。該平臺還保留資產模擬中的計算狀態值，因此您可以回放和網格劃分工程數據以預測結果。例如，它允許您確定如果資產在某個時刻掉落或調整撞擊力會發生什么。

大規模解決社會和經濟挑戰

基于分布式系統架構的多級系統系統可以實現整體理解、最佳決策和有效行動。像這樣的架構可以演變成可擴展的機制，支持由連接的、基于狀態的系統生成和使用的可操作信息流。

由英國數字建筑中心（CDBB）運營的國家數字孿生計劃（NDTp）是政府倡議開發的互聯數字孿生系統生態系統的一個例子，該計劃為社會和經濟帶來更好的成果。最初的活動側重于使行業和政府保持一致，遵循一個共同的信息管理定義和方法，以便數據可以在未來的數字孿生之間大規模公開安全地共享。

該倡議于今年結束，有幾個工作組，涵蓋技術基礎設施和經濟和環境政策研究，所有這些都旨在利用工業元宇宙來解決世界上最復雜的問題。

未來幾年，在城市交通、能源、環境、防災、醫療等領域分別開發的多個數字孿生將相互連接，其底層數據將相互鏈接。然后，我們將在數字空間中建立聯合系統，使我們能夠排練復雜的場景，例如城市交通和能源供應如何受到大規模災難的影響。這將使我們能夠準備對系統性風險作出迅速和適當的反應。它還將幫助我們模擬氣候變化和未來流行病的影響。

無論您稱之為行業范式轉變還是革命，毫無疑問，工業元宇宙和互聯數字孿生是推動解決我們最復雜的行業、經濟和社會問題的關鍵組成部分。

審核編輯：郭婷