虚拟仿真、数字孪生与工业元宇宙的关系

有部分学者认为，元宇宙的概念并不新鲜，只不过是“新瓶装旧酒”，与近 年来火爆的数字孪生技术并无差别。在我们看来，任何新技术的诞生都不是空中 楼阁、凭空创造。工业元宇宙与元宇宙、数字孪生、仿真以及与工业现实世界， 都是一脉相承、密不可分却又各自侧重的关系，见图

工业元宇宙继承了仿真技术对“现实物理世界的逼真模拟”，也强化了数字 孪生关注的“数据/模型”以及“虚实交互”，并充分吸收了元宇宙作为一种“人 在回路”数字经济系统在自然人机交互、数字化资产以及社交网络等方面的特点， 实现了对工业现实世界中六要素六流的虚实有机融合。

在我们看来，仿真是一种模拟物理世界的技术，是以相似理论为基础构建对 象模型并开展运行时分析与评估的系统性方法，将完整的物理机能与确定性规律 相结合，根据当前边界与状态来计算下一状态。仿真具备两个关键性特征：一是 相似性原理。仿真模型必须在几何、功能、性能等方面与被仿真对象相似，对仿 真模型开展的研究才足以表征被仿真对象的真实特性，从而产生有实际指导意义 的分析预测结果；二是时间敏感。时间相关是仿真计算区别于常规科学计算的核 心特征。按照时间步长或者时序事件 step by step 逐步推演计算得到结果是典 型的仿真过程，也由此会出现化学、生物等领域仿真中用于“慢放”转瞬间分子 反应过程的欠实时仿真，以及工业、交通等领域仿真中用于“快进”预测未来生 产过程或者拥堵情况的超实时仿真，见图 9。狭义来讲，传统的虚拟仿真技术多 数是离线、前置的仿真，用于事前分析、预测物理对象的表现。当在工业互联网 等实时通信技术以及高性能计算能力的支持下，虚拟仿真系统可以实时接收现 场数据并同步计算反馈结果的时候，便演进到了虚实交互的数字孪生阶段。

数字孪生技术是在传统仿真技术上发展起来的一种整合多物理、多尺度、多 学科属性，面向产品全生命周期过程，对物理实体的数字副本进行仿真、诊断及 预测以接收来自物理实体的实时数据并更新的在线模拟技术。虚拟仿真技术是实 现数字孪生诸多关键技术的核心部分，是数字孪生创建和运行的有效支撑。而相 较于传统虚拟仿真技术，数字孪生具备的核心特性包括：

一是虚实交互。在工业 互联网等实时通信技术的支持下，数字孪生在能够反映物理世界的同时，接收物 理世界的实时信息反过来实时驱动物理世界，其本体与孪生体之间能够实现相互反馈和数据的双向传输，对比传统的仿真技术，数字孪生技术具有动态性和双向 性；

二是数据与模型驱动。数字孪生除了构建物理对象的相似模型来驱动仿真之 外，还掌握大量实时现场数据，结合愈渐成熟的机器学习等新一代人工智能技术， 可以实现数据与模型混合驱动的计算模式——通过现场数据来训练与修正孪生 模型进而达到更加准确实时的仿真结果。

从实际应用来看，无论是传统虚拟仿真还是数字孪生，其模拟和研究的对象多数为设备、环境等物理系统，“人”多数作为系统用户对仿真结果进行观察和 决策响应，本质上人并没有实际参与到仿真系统的具体计算和运行中去。尤其是 工业场景，出于实时性和安全性考虑，“人”多数时候是观察者和决策者，并不 在仿真交互的回路中。然而工业中存在大量人在回路的应用场景，如车辆驾驶中 人的操作习惯对整体系统有决定性的交互影响、服装工厂中工人手工车缝效率与 整厂产能间的关系等等。如何让人在回路的系统仿真更加准确有效、人-物理世 界-数字空间的融合交互更加顺畅自然，元宇宙技术的出现为上述问题的解决提供了可能。

元宇宙的概念内涵众说纷纭，笔者也并不准备给出一个元宇宙的准确定义， 但从工业产品全生命周期的视角进行分析，针对工业元宇宙的形成过程建立虚拟工业世界要素与现实工业世界要素的融合模型，元宇宙的如下几点核心特征为工 业元宇宙的落地提供了一些支撑