作者|一驥絕塵
出品|焉知
2021年10月28日，在名為Facebook Connect的年度大會(huì)上，F(xiàn)acebook宣布，公司名將更改為“Meta”，這是元宇宙MetaVerse的前綴。那么什么是元宇宙？
圖1：元宇宙概念圖
元宇宙這個(gè)概念最早出自20世紀(jì)九十年代出版的一本科幻小說(shuō)《雪崩》，在作者尼爾·斯蒂芬森描繪的情景里，人們可以通過數(shù)字替身在一個(gè)叫Meatverse的虛擬空間中工作、學(xué)習(xí)、社交、娛樂等等，而這個(gè)虛擬的三維空間就是元宇宙。這個(gè)角度看，元宇宙就是一個(gè)虛擬的數(shù)字化世界。
影視作品中有很多關(guān)于這個(gè)世界的遐想，膾炙人口的黑客帝國(guó)、失控玩家和阿凡達(dá)都有呈現(xiàn)。在思想哲學(xué)界亦早有探究，莊周夢(mèng)蝶和缸中之腦就是其中代表。而這些科幻或者哲學(xué)思想為何最近這么火，受到資本追捧呢？
有人說(shuō)是因?yàn)橐咔榈拇呋饔?。疫情期間，大家穿著睡衣在家里接入電話會(huì)議，虛擬的線上會(huì)議環(huán)境中大家的頭像照片卻是西裝革履；以往白板上的寫寫畫畫也變成了在線會(huì)議的編輯工具，然后大家發(fā)現(xiàn)這樣的虛擬形式也挺好的，這不就是元宇宙嗎？這不就是下一個(gè)風(fēng)口嗎？
但作為工程師的筆者認(rèn)為，其根本原因還是在于相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到關(guān)鍵階段，需要一個(gè)概念來(lái)整合技術(shù)資源，提供下一步突破的積極性，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的閉環(huán)。這些技術(shù)有：虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR&AR）、區(qū)塊鏈、人工智能、云計(jì)算、電子游戲和數(shù)字孿生等等。這些技術(shù)在汽車行業(yè)都有或多或少的應(yīng)用，相信在“元宇宙”里，汽車也會(huì)是其中的重要一環(huán)。而這次，我們重點(diǎn)來(lái)看看跟汽車相關(guān)的數(shù)字孿生技術(shù)。
什么是數(shù)字孿生？
數(shù)字孿生（Digital Twin），其官方解釋是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。其實(shí)簡(jiǎn)單理解就是其字面意思：給實(shí)體建立一個(gè)數(shù)字化的雙胞胎。
圖2：汽車的數(shù)字孿生概念圖
那么大家可能會(huì)問，這不就是CAD或者仿真技術(shù)嗎？實(shí)際上，數(shù)字孿生和它們有關(guān)系，但卻是它們的進(jìn)化升華版。數(shù)字孿生之于傳統(tǒng)CAD和仿真技術(shù)，就像傳統(tǒng)CAD和仿真技術(shù)之于手繪圖紙。也許將英偉達(dá)黃教主的頭“移花接木”到另一圖片上PS一下，你會(huì)不以為然；但當(dāng)GPU渲染出一個(gè)有表情、有動(dòng)作、能說(shuō)話的Jensen來(lái)開個(gè)發(fā)布會(huì)，大家都贊嘆不已。
數(shù)字孿生中的數(shù)字雙胞胎具備多物理量的虛擬映射，并能覆蓋產(chǎn)品的全生命周期。說(shuō)人話就是，數(shù)字孿生更加“有血有肉”，也能隨時(shí)間“成長(zhǎng)”。實(shí)體設(shè)備上傳感器采集的信息會(huì)回傳同步到數(shù)字孿生上，以支撐更多維度的分析跟蹤，甚至預(yù)測(cè)實(shí)體設(shè)備的狀態(tài)。
接下來(lái)我們?cè)诋a(chǎn)品生命周期的維度上，看一下數(shù)字孿生在汽車研發(fā)、制造和運(yùn)營(yíng)上的應(yīng)用。
汽車研發(fā)的數(shù)字孿生
通過數(shù)字孿生技術(shù)，我們可以打破固有的新車型設(shè)計(jì)導(dǎo)入的傳統(tǒng)，快速設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字孿生，并在各種應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)這個(gè)虛擬數(shù)字孿生進(jìn)行測(cè)試。這相當(dāng)于將常用于軟件的敏捷開發(fā)推廣到整個(gè)汽車研發(fā)。
當(dāng)然這樣炫酷的數(shù)字孿生，得益于飛速發(fā)展的高性能計(jì)算芯片、大數(shù)據(jù)和大存儲(chǔ)、快速三維成型、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)。在傳統(tǒng)的CAD上，我們已經(jīng)可以在設(shè)計(jì)階段將車上的所有零部件組裝在一起，檢查干涉和設(shè)計(jì)避讓，然后作空氣動(dòng)力學(xué)仿真和模態(tài)分析等。數(shù)字孿生技術(shù)在這基礎(chǔ)上更進(jìn)一層，具有外觀光學(xué)、機(jī)械動(dòng)力、硬件電路和軟件算法等特征，供各個(gè)部門共同打造。同時(shí)數(shù)字孿生除了產(chǎn)品本體的虛擬映射外，還能提供虛擬的多維度的測(cè)試環(huán)境，以便設(shè)計(jì)人員更快速準(zhǔn)確地做出各種設(shè)計(jì)決策。
圖3：鋼鐵俠設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生
我們來(lái)看一個(gè)智能駕駛相關(guān)的例子。
一輛汽車從概念設(shè)計(jì)到原型樣車再到量產(chǎn)制造，少則兩年，多則五年十年。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以把這個(gè)時(shí)間大大減少，并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。造型設(shè)計(jì)師通過VR眼鏡替代油泥模型，1：1看見車輛的外形，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)。而在同一個(gè)模型上，機(jī)械工程師則能準(zhǔn)確測(cè)量出激光雷達(dá)的安裝位置和雷達(dá)前方覆蓋件的物理特性，并把參數(shù)提供給感知算法工程師。算法工程師將最新設(shè)計(jì)的算法集成到激光雷達(dá)的數(shù)字孿生上，并讓其在虛擬的上海中環(huán)路上跑一圈。冒煙測(cè)試通過后，測(cè)試工程師再進(jìn)一步搭建近距離切入、兒童橫穿等場(chǎng)景，并模擬各種惡劣天氣，測(cè)試車輛的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
而這些數(shù)字場(chǎng)景并非簡(jiǎn)單的三維建模，而是具備針對(duì)ADAS傳感器的屬性。譬如針對(duì)攝像頭，虛擬道路具有運(yùn)動(dòng)模糊和曝光控制；針對(duì)毫米波雷達(dá)，虛擬隧道能模擬電磁波復(fù)雜反射特性，不同外觀、不同角度的目標(biāo)車輛具有不同的RCS，大型卡車具有強(qiáng)反射特征；針對(duì)激光雷達(dá)，車道線具有特定的能量反射，地面積水會(huì)引起多徑反射，運(yùn)動(dòng)車輛會(huì)有運(yùn)動(dòng)畸變……
圖4：研發(fā)階段的數(shù)字孿生概念圖
這樣的例子有點(diǎn)天馬行空？事實(shí)上福特汽車的設(shè)計(jì)師們?cè)谝咔槠陂g就通過VR設(shè)備和協(xié)作平臺(tái)設(shè)計(jì)車型。dSpace、ADTF和Siemens等目前都已經(jīng)有上面提到的傳感器仿真模型的商用方案可售。上海、新加坡等地都有開展相關(guān)項(xiàng)目，建設(shè)數(shù)字孿生城市。
汽車制造的數(shù)字孿生
制造過程也可以應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，優(yōu)化廠房、生產(chǎn)線、產(chǎn)品的配置，優(yōu)化成本。這與近年熱火朝天的工業(yè)4.0一脈相承，讓產(chǎn)品在制造環(huán)節(jié)也得以升級(jí)。除了建立制造過程中產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生，生產(chǎn)線的設(shè)備也同樣可以有數(shù)字孿生。
產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)備上的傳感器可以將采集的數(shù)據(jù)同步到數(shù)字孿生模型上，然后基于模型監(jiān)控制造工藝狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)。這進(jìn)一步可以支持實(shí)時(shí)優(yōu)化物料輸送、預(yù)測(cè)零部件庫(kù)存、報(bào)告設(shè)備綜合效率（OEE）和平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）等。這些參數(shù)同時(shí)也是財(cái)務(wù)計(jì)算生產(chǎn)和物料成本的關(guān)鍵輸入，實(shí)時(shí)的分析結(jié)果可以提供給成本核算部門計(jì)算效益，然后再提供給銷售部門調(diào)整價(jià)格。
圖5：數(shù)字工廠示意圖
我們?cè)賮?lái)看一個(gè)汽車制造的例子。
通過光學(xué)掃描建模技術(shù)，可以快速地建立整個(gè)汽車焊裝車間的數(shù)字模型。識(shí)別出模型的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在自動(dòng)化焊裝機(jī)器人的關(guān)鍵位置部署加速度計(jì)等傳感器，實(shí)時(shí)同步實(shí)體機(jī)器人和數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)。這樣基于數(shù)字孿生模型就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接工藝情況，工藝工程師可以通過調(diào)整數(shù)字孿生機(jī)器人的參數(shù)預(yù)測(cè)調(diào)整后的效果。如果調(diào)整效果理想，再將參數(shù)同步回實(shí)體焊接機(jī)器人上。這樣更能高效準(zhǔn)確地調(diào)整工藝。同時(shí)數(shù)字孿生模型也可以監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，提前預(yù)測(cè)設(shè)備故障并報(bào)警，有效提高生產(chǎn)效率。
圖6：汽車焊裝車間
這些技術(shù)同樣不遙遠(yuǎn)。特斯拉超級(jí)工廠就有應(yīng)用數(shù)字孿生，用于規(guī)劃能源消耗和改進(jìn)制造流程。國(guó)內(nèi)的愛馳億維也針對(duì)江西上饒的工廠運(yùn)用了數(shù)字孿生技術(shù)，產(chǎn)線具有1200多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位和300多個(gè)人機(jī)交互界面，貫通實(shí)體工廠和數(shù)字工廠的數(shù)據(jù)。
汽車運(yùn)營(yíng)的數(shù)字孿生
數(shù)字孿生同樣可以應(yīng)用在汽車售出后的運(yùn)營(yíng)階段，監(jiān)控車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)、支持車輛診斷甚至預(yù)測(cè)車輛故障等。結(jié)合V2X和數(shù)字城市等技術(shù)，還可以進(jìn)一步助力智能駕駛。
例如發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)回傳給其數(shù)字孿生模型，主機(jī)廠和用戶就能實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)診斷故障或者預(yù)測(cè)保養(yǎng)情況。現(xiàn)在一般新車可能會(huì)簡(jiǎn)單粗暴的按照6個(gè)月或者5000km達(dá)者為先作為首次保養(yǎng)的條件。但事實(shí)上，什么時(shí)候需要更換機(jī)油機(jī)濾和車輛（發(fā)動(dòng)機(jī)）的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)息息相關(guān)。走過什么路、駕駛習(xí)慣如何、使用什么駕駛模式等等都會(huì)導(dǎo)致需要更換機(jī)油的時(shí)機(jī)不一樣。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以提供給用戶更加個(gè)性而精準(zhǔn)的保養(yǎng)時(shí)間。將數(shù)字孿生拓展到車上所有保養(yǎng)相關(guān)的零件，用戶就可以實(shí)時(shí)察看愛車的健康狀態(tài)，有的放矢地保養(yǎng)，增長(zhǎng)汽車使用壽命。
圖7：F1賽車的數(shù)字孿生概念圖
F1的邁凱倫車隊(duì)就為他們的賽車建立了數(shù)字孿生模型。除了賽車的數(shù)字孿生，車隊(duì)還利用天氣、場(chǎng)地、泥土情況等數(shù)據(jù)建立數(shù)字賽道，讓數(shù)字賽車可以在上面虛擬作賽。這有利于車隊(duì)和車手的賽前分析和策略部署，同樣也能在比賽過程中實(shí)時(shí)幫助決策，諸如什么時(shí)候換胎等。
著名的特斯拉影子模式同樣是數(shù)字孿生技術(shù)的一個(gè)體現(xiàn)。通過車上傳感器采集的數(shù)據(jù)來(lái)分析駕駛行為，優(yōu)化其自動(dòng)駕駛算法，并通過OTA將數(shù)字孿生的軟件程序同步到實(shí)體的車輛上。
寫在最后
數(shù)字孿生和元宇宙技術(shù)方興未艾，充滿機(jī)會(huì)。但它們與當(dāng)前技術(shù)屬于相輔相成，而非替代關(guān)系。試想如果不懂焊接工藝技術(shù)，能完成焊裝車間的數(shù)字孿生嗎？如果不懂車輛動(dòng)力學(xué)知識(shí)，能完成汽車數(shù)字孿生進(jìn)行規(guī)控訓(xùn)練嗎？因此數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)我們的要求是做一個(gè)T字型人才，在深耕自己專業(yè)領(lǐng)域的同時(shí)，橫向拓展尋找數(shù)字化和智能化相結(jié)合的機(jī)會(huì)。
而除了上文提到的快速三維掃描成型技術(shù)、云計(jì)算、人工智能等正向支持的技術(shù)外，還有一個(gè)方向作為約束條件而充滿機(jī)會(huì)：網(wǎng)絡(luò)信息安全和數(shù)據(jù)保護(hù)。數(shù)字化、智能化帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)包含了許多敏感和隱私數(shù)據(jù)；數(shù)字孿生和實(shí)體設(shè)備的同步也存在受到網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊的威脅。網(wǎng)絡(luò)信息安全和數(shù)據(jù)保護(hù)的重要性也就不言而喻。
筆者作為工程師始終相信，不管數(shù)字孿生還是元宇宙，這些美好的概念都必須具有技術(shù)支撐并能（在資本和社會(huì)環(huán)境等方面）反過來(lái)促進(jìn)技術(shù)發(fā)展，才有意義，我們的生活才能更加美好。
參考來(lái)源：
1.What is a digital twin?
https://www.ibm.com/topics/what-is-a-digital-twin
2.車企入侵元宇宙，
https://news.pedaily.cn/202110/480370.shtml
3.Digital Twins in the Automotive Industry，
https://www.challenge.org/knowledgeitems/digital-twins-in-the-automotive-industry/
4.Learnings From The Digital Twin’s Data Architecture Of Tesla，
https://www.cloudflight.io/expert-views/learnings-from-the-digital-twins-data-architecture-of-tesla-40097/
