仿真无处不在

仿真可以无所不在，仿真除了在产品研发设计、制造和试验广泛应用外，现在正在出现在其他工业场景中，譬如生产仿真、工厂仿真、运维仿真、物流仿真、流程仿真、组织仿真、交通仿真、人群仿真、战场仿真等。这些新型仿真技术或多或少都与人类行为甚至思维有关，表现出一定的社会学特征，即人工智能。

数字孪生中的仿真场景

数字孪生体的应用十分广泛，至少在四个场景中将发挥巨大的作用：制造、产业、城市和战场，而数字孪生体也因为仿真也在这些场景中无处不在，使得其可以反映真实世界，从而与物理世界具有孪生关系。如果没有仿真，数字孪生体的行为方式要么是预设的，要么经过长期的机器学习才能接近物理世界。 

针对制造、产业、城市和战场这四个关键场景，我们梳理其中所涉及到的仿真技术如下： 

• 在制造场景下，可能涉及到的仿真包括产品仿真、制造仿真和生产仿真等大类；
• 在产业场景下，可能涉及到的仿真包括仓储仿真、物流仿真、组织仿真、流程仿真等；
• 在城市场景下，可能涉及到的仿真包括城市仿真、交通仿真、人群仿真、爆破仿真、大气仿真等；
• 在战场场景下，可能涉及到的仿真包括体系仿真、战场仿真、爆轰仿真、毁伤仿真等。 

数字孪生制造中的仿真

由于仿真兴起于制造业，在制造业的应用也最为广泛，所以在制造场景下的仿真类型也最为丰富，涉及到的仿真包括产品仿真、制造仿真和生产仿真等几大类，每项大类包括一系列小类。 

1.产品仿真 

1)系统仿真

系统仿真主要关注构成系统的整体特性，并不关注其构件本身的特性。把构成系统的各个部件用最简单的符号来代表，但这个符号需要赋以能表征是这个部件的特性。各个部件之间用简单符号（如线条）连接起来，这个连接需要赋以能代表两者作用关系的特性。通过整体计算来仿真整体系统的特性。

图1.数字孪生体中的系统架构仿真实例 

2)多体仿真

多体仿真主要关注构成结构的构件之间的运动关系，不关注构件自身的内部特性。把构成系统的各个部件用简单的刚体建模，各部件之间的连接关系按照实际情况定义，这个连接需要赋以能代表两者作用关系的特性。通过整体计算来仿真整体和单个构件的运动。 

3)场仿真 

场仿真是对物理场（譬如应力应变场、温度场、流场、电磁场等）进行仿真。采用计算对象的真实材料特性，用逼近真实的形状对计算对象进行建模，通过物理场方程准确其性能参数。

图2.数字孪生体中的物理场仿真示例 

4)虚拟试验 

利用仿真技术来模拟试验过程，施加的环境条件与试验现场相同，以提高试验的效率和质量。 

2.制造仿真 

1)工艺仿真 

通过对类似铸造、锻造、切削、热处理、焊接这样的工艺机理的模拟，利用材料学、传热、固体力学、流体力学等科学计算来判断这些工艺实施的可行性、效率和效果。工艺仿真不同于后文的数控加工仿真，后者是通过图像学原理来对数控程序进行校正，而工艺仿真的背后是物理学原理。

图3.数字孪生体中的工艺仿真实例 

2)装配仿真 

利用图形图像学技术，特别是其中的干涉技术，对装配对象的装配过程进行模拟，以验证装配的可行性及工艺效率，可为各类复杂机电产品的设计和制造提供产品可装配性验证、装配工艺规划和分析、装配操作培训与指导、装配过程演示等。 

3)数控加工仿真

为了确保数控程序的安全性和加工结果的正确性，利用图像干涉的原理对生成的刀轨进行检查校验，检查刀路是否有明显的过切或者加工不到位，同时检查是否发生与工件及夹具的干涉。在这个过程中，会获得加工之后的零件形状，并发现更优化和高效的刀轨，据此优化数控程序。 

3.生产仿真

1)离散制造业的工厂仿真 

该仿真类型主要关注离散制造的生产规划环节。通过利用虚拟仿真技术，可以对工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、生产节拍、物流等进行预规划，并在仿真模型预演的基础之上，进行分析、评估、验证，发现系统运行中存在的问题和有待改进之处，并进行调整与优化。 

2)流程制造业的工厂仿真 

该仿真类型主要关注流程制造业的生产运行的效率和安全性。管路系统是流程制造业的常见系统，通过仿真手段对管路系统中的流通物的流动进行模拟，可以计算出其系统效率和安全性，达到优化制造系统设计的目的。 

图4.数字孪生体中的制造系统仿真实例

数字孪生产业中的仿真

1.物流仿真 

指评估物流系统(配送中心、仓库存储系统、拣货系统、运输系统等)的整体能力的一种评价方法。物流仿真是针对物流系统进行系统建模，模拟实际物流系统运行状况，并统计和分析模拟结果，用以指导实际物流系统的规划设计与运作管理。 

2.组织仿真 

主要通过对实体组织建模并模拟运行，来研究组织实体群的关系及其活动规律，将个体行为、组织现象与任务过程相结合,有效解决组织的复杂性造成任务积压、返工等问题。

3.流程仿真 

流程是企业或产业运作的基本模式。通过对业务流程建模，通过流程引擎驱动流程模型运转（图5），以实际情况（譬如操作周期、审批周期、意外等待、返工退回等）的各种潜在组合作为环境条件来模拟业务流转，以判断流程的合理性。

图5.数字孪生体中的过程仿真（适合于业务流程仿真）

数字孪生城市中的仿真

1.交通仿真 

交通仿真指用仿真技术来研究交通行为，是一门对交通运动随时间和空间的变化进行跟踪描述的技术。交通仿真的作用在于对现有系统或未来系统的交通运行状况进行再现或预先把握，从而对复杂的交通现象进行解释、分析、找出问题的症结，最终对所研究的交通系统进行优化。

2.人群仿真 

通过社会力模型模拟人群运动的行为，特别是在火灾或地震等突发事件下的人群运动特征，用来优化建筑物内外的布局，特别是紧急通道的设计，也可以为人群疏散策略的制定提供参考依据。

3.大气仿真 

通过流体动力学技术进行大气扩散的模拟，来判断有害气体、尘埃、雾霾等的扩散速度和路径，也可以计算城市楼宇之间的风速，用来进行建筑物的布局规划。

4.爆轰仿真 

用来模拟城市某点发生的爆炸事件对周围的建筑、车辆、行人等的影响，特别是破坏情况。

5.城市仿真 

通过将建筑物及其它设施的位置、高度、外观、空间形态等要素进行数据分析和处理，建立城市模型，用于规划真实环境，开展各类论证、试验、分析、运行、训练等工作，服务于城市规划、建设、管理等领域。它主要的应用方式有城市应急仿真、城市规划仿真、城市实时仿真等。

图6.在城市场景下的仿真实例

数字孪生战场中的仿真

1.体系仿真 

在现代系统工程方法和体系结构框架标准（如DoDAF、TOGAF等）的指导下，利用IDEF、UML、SySML等多种建模语言进行基于活动的建模和仿真，并与装备描述数据库、需求管理工具、作战想定编辑、想定验证工具等进行深度集成，是开发复杂体系的研发设计、布局指导、运行指挥的支撑工具，不仅常用于装备论证与研制过程，还常用战场多兵种和战斗群的行为和效果推演，甚至用于战场指挥（图7）。

2.战场仿真 

将虚拟现实与可视化技术、仿真技术、网络技术融合，生成虚拟作战环境，并在保证其一致性的基础上，通过计算机网络，将分布在不同地域的虚拟武器仿真平台或军事仿真系统连接到该环境中，进行战略、战役、战术演练的军事应用环境，以达到逼真的效果。

图7.利用体系仿真技术模拟战场 

南京复创是达索知名的合作伙伴，专注于为中国制造业数字化和信息化建设提供咨询服务和解决方案，主要涉及汽车、轨道交通、机械、电子、金融、教育、通讯、医疗等各大领域。

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