數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”：數(shù)字孿生物理引擎

電影《流浪地球》中，12000臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球開啟前往比鄰星的流浪之旅。以建設(shè)數(shù)字中國為目標(biāo)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，亦需要各種類型的“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”。數(shù)字孿生作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵核心技術(shù)，其最核心的物理引擎也是推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”之一。本文將圍繞數(shù)字孿生物理引擎的現(xiàn)狀和應(yīng)用，以及對(duì)于運(yùn)營商的價(jià)值展開論述。

1、數(shù)字孿生物理引擎現(xiàn)狀

數(shù)字孿生物理引擎用于計(jì)算2D或者3D場(chǎng)景中物體與場(chǎng)景之間、物體與生命體之間、物體與物體之間的運(yùn)動(dòng)交互和動(dòng)力學(xué)等物理作用，通過計(jì)算機(jī)程序真實(shí)反映物理世界的規(guī)律，是對(duì)物理世界的數(shù)字化。目前，全球范圍內(nèi)廣泛使用的有四大物理引擎：PhysX、Havok、Chaos和Bullet。PhysX屬于NVIDIA，NVIDIA 2008年收購了Ageia，獲得了PhysX物理引擎。Havok屬于微軟，微軟2015年從Intel收購獲得。Chaos屬于Epic自研的物理引擎。Bullet則是一個(gè)開源的物理模擬計(jì)算引擎，采用Zlib開源許可證?？梢娢锢硪媸强萍季揞^角逐的領(lǐng)域。

(資料圖)

圖1 PhysX物理引擎

圖2 Havok物理引擎

圖3 Chaos物理引擎

圖4 Bullet物理引擎

國內(nèi)初創(chuàng)公司Motphys是國內(nèi)最早自研物理實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，成立于2020年10月，擁有自主研發(fā)的動(dòng)作物理引擎，為虛擬世界搭建牢固的底層基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)字孿生三大主流軟件平臺(tái)，Unreal Engine（Epic）、Unity（Unity Technologies）、Omniverse（NVIDIA）各自采用了不同的物理引擎。Unreal Engine 5使用Epic自研的Chaos物理引擎。Unity使用微軟的Havok物理引擎。NVIDIA Omniverse使用自研的PhysX物理引擎。

2、數(shù)字孿生物理引擎

在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的核心作用

數(shù)字孿生物理引擎的功能涵蓋了固體力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料力學(xué)、物理性質(zhì)等等，如剛體動(dòng)力學(xué)模擬，物理空間查詢，關(guān)節(jié)模擬，對(duì)車輛的準(zhǔn)確和高效模擬，包括輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器和懸架模型，運(yùn)動(dòng)學(xué)特征控制，材料彈性模擬，非凸形狀模擬，針對(duì)液體、粒狀材料、布料、剛體、可變形體等的動(dòng)力學(xué)模擬等許多關(guān)鍵物理精確模擬。

對(duì)于數(shù)字孿生，尤其是城市、交通、建筑、工業(yè)、軍事、科學(xué)的數(shù)字孿生，物理引擎都十分重要。物理引擎將包含各類物體的實(shí)體空間變?yōu)榭捎?jì)算的空間，對(duì)組成實(shí)體空間內(nèi)的各類物體等進(jìn)行描述、預(yù)判、診斷和決策，實(shí)現(xiàn)真正的可計(jì)算空間。比如：數(shù)字孿生城市中對(duì)于地震、水災(zāi)、火災(zāi)等自然災(zāi)害的模擬，水利工程中的洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模擬，煤礦開采中基于物理引擎進(jìn)行對(duì)煤礦冒頂、瓦斯、煤塵、水災(zāi)、火災(zāi)的仿真模擬，地質(zhì)學(xué)中高位崩塌墜落、撞擊、碎裂、堆積全過程模擬，工業(yè)中的基于數(shù)字孿生的汽車安全碰撞實(shí)驗(yàn)、汽車的結(jié)構(gòu)耐久、疲勞分析，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品物理特性模擬，醫(yī)學(xué)中骨骼、血液、神經(jīng)模擬分析，通信中網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋及衰減計(jì)算和預(yù)測(cè)模擬，都需要物理引擎的支持，可以說數(shù)字孿生物理引擎是眾多行業(yè)實(shí)現(xiàn)真正數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

3、數(shù)字孿生物理引擎

在汽車領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用案例

下面我們以汽車領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型為例，介紹一下數(shù)字孿生物理引擎對(duì)于汽車領(lǐng)域的價(jià)值。對(duì)汽車領(lǐng)域來說，數(shù)字孿生的價(jià)值貫穿于從汽車設(shè)計(jì)到運(yùn)行模擬、生產(chǎn)裝配、維護(hù)維修全產(chǎn)品流程。在設(shè)計(jì)中對(duì)于風(fēng)阻的模擬，以及在模擬器中模擬碰撞測(cè)試、自動(dòng)駕駛和其他場(chǎng)景模擬測(cè)試，比使用實(shí)體車輛在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試更容易，而且成本更低。

利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)為汽車生產(chǎn)提供了更多可靠性。例如現(xiàn)在的新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)，十分重視對(duì)于電能的消耗，所以能耗建模是非常關(guān)鍵的。而影響能耗的，包含風(fēng)阻、胎壓、輪胎硬度，路面情況等很多因素，如果有數(shù)字孿生物理引擎的幫助，基于計(jì)算流體力學(xué)等物理特性，可以在設(shè)計(jì)階段就能夠預(yù)測(cè)能耗情況并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，最大限度優(yōu)化車輛的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，降低低風(fēng)阻系數(shù)，并對(duì)熱沖擊或電磁影響進(jìn)行模擬，以優(yōu)化線路等布局，減輕車輛重量，降低能耗。

在汽車領(lǐng)域中，一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)就是汽車碰撞實(shí)驗(yàn)，各大汽車廠商都十分重視汽車碰撞，一個(gè)汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室投資規(guī)模需要上億元，每年要對(duì)數(shù)百輛車進(jìn)行碰撞測(cè)試。每次汽車碰撞的成本在幾十萬甚至是百萬以上。

基于數(shù)字孿生物理引擎的汽車碰撞可以在某些方面代替真實(shí)的汽車碰撞，并且可以反復(fù)進(jìn)行，多次模擬驗(yàn)證，不僅減少了汽車碰撞的成本投入，而且?guī)砹烁咝У钠囐|(zhì)量提升。通過數(shù)字孿生物理引擎的模擬，可以實(shí)現(xiàn)汽車碰撞部分場(chǎng)景的模擬，輔助設(shè)計(jì)，以獲得更安全的碰撞結(jié)構(gòu)。

4、數(shù)字孿生物理引擎

對(duì)于運(yùn)營商數(shù)字化轉(zhuǎn)型的價(jià)值

數(shù)字化轉(zhuǎn)型中非常重要的一點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)、生產(chǎn)流程等方面通過數(shù)字化的方式去實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，而這些過程中很多場(chǎng)景都涉及物理方面的數(shù)字化。僅是汽車領(lǐng)域中的碰撞實(shí)驗(yàn)方面，通過基于數(shù)字孿生物理引擎的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，就能帶來巨大的成本降低以及效率提升。在其他領(lǐng)域，例如核工業(yè)中通過數(shù)字孿生物理引擎加速聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)與開發(fā)，航空航天中對(duì)于飛行器的設(shè)計(jì)與模擬，能源領(lǐng)域主動(dòng)預(yù)測(cè)能源設(shè)施銹蝕情況，發(fā)電領(lǐng)域的風(fēng)電場(chǎng)布局，通信領(lǐng)域基于網(wǎng)絡(luò)覆蓋數(shù)字孿生的電信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運(yùn)營，科學(xué)領(lǐng)域的極端天氣預(yù)測(cè)等等，都能通過基于數(shù)字孿生物理引擎的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來巨大的價(jià)值和效率提升。

所以，高質(zhì)量的數(shù)字孿生物理引擎，將推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)真正的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并獲得數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來的可觀效益。對(duì)于運(yùn)營商的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面，可以通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)更加高效的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運(yùn)營，并且可以基于數(shù)字孿生將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過時(shí)空分析提供諸如客流分析、擁堵分析、人群聚集預(yù)警等增值服務(wù)，在云服務(wù)方面，數(shù)字孿生物理引擎可以支撐云計(jì)算提供高附加值服務(wù)，尤其基于算力計(jì)價(jià)的服務(wù)，物理引擎對(duì)于算力的消耗極高，所以對(duì)于云服務(wù)業(yè)務(wù)的增長也具有極大的潛力和價(jià)值。例如對(duì)于云服務(wù)的智算中心、超算中心，基于數(shù)字孿生物理引擎，智算中心、超算中心可以提供面向軍事的大規(guī)模孿生仿真計(jì)算，以及其它如科學(xué)研究、機(jī)械制造、新能源新材料分析、影視制作等服務(wù)，大到飛機(jī)設(shè)計(jì)，小到齒輪關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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