NVIDIA：解鎖未來連接方式，推動數(shù)字孿生落地

回顧2022年，數(shù)字孿生與各個行業(yè)的融合速度正在加快，成為企業(yè)數(shù)字化轉型升級的重要助力。雖然許多大規(guī)模應用仍處于起步階段，但融合了機器學習、多學科建模以及分布式高性能計算的“虛擬仿真”場景明顯增多，價值越發(fā)明顯，并且開始從數(shù)字孿生延伸到工業(yè)元宇宙，成為政產學研用等各界的重點關注領域。

由于數(shù)字孿生是一個融合多技術、多學科的復雜工程。因此在依托知識機理、數(shù)字化等技術構建數(shù)字模型時，必須滿足精準和實時等客觀要求。中國工程院院士李培根曾指出，數(shù)字孿生體不僅是物理實體的鏡像，更要實現(xiàn)與物理實體在全生命周期的共生。如果只是建立了數(shù)字化樣機，卻沒有實現(xiàn)數(shù)字模型與其物理對象之間的交互或共生，就不能稱為數(shù)字孿生。因此在用戶實際落地的過程中，如何保證信息系統(tǒng)之間動態(tài)數(shù)據(jù)模型更新和驗證的功能性孿生，確保各個軟件之間的協(xié)作和互連，則成為關乎數(shù)字孿生應用落地和價值實現(xiàn)的關鍵。

作為NVIDIA多工具流的“一站式”集成平臺，Omniverse自從2019年GTC大會發(fā)布試用后，在3年時間中不斷創(chuàng)新迭代。它可以使用戶無需進行數(shù)據(jù)準備或抽樣，就能將數(shù)字資產解析成在不同軟件平臺、不同ISV應用程序下使用，成為研發(fā)創(chuàng)新過程中跨越數(shù)字工具的重要橋梁。在日前舉辦的“走近AI數(shù)字工廠”在線研討會上，NVIDIA帶來了關于Omniverse平臺在仿真生態(tài)、實時光線追蹤和人工智能方面的最新進展，并總結了“五步走”方法論幫助企業(yè)落地數(shù)字孿生應用，提升研發(fā)創(chuàng)新質量和效率，釋放數(shù)字孿生價值。

圖 NVIDIA Omniverse應用示例

踏浪數(shù)字化，數(shù)字孿生成為企業(yè)轉型升級“新動能”

進入數(shù)字經濟時代，企業(yè)傳統(tǒng)的研發(fā)設計模式正在發(fā)生著革命性變化。產品的智能化、個性化發(fā)展趨勢促使產品結構越來越復雜，研發(fā)設計環(huán)節(jié)需要處理的需求和細節(jié)也越來越多，產品的交付周期卻越來越短。這就要求企業(yè)完成從3D設計、虛擬仿真、制造執(zhí)行過程的閉環(huán)管理，實現(xiàn)實體世界與虛擬世界的融合，重塑產品創(chuàng)新、運營和維護的模式。

對此，身為吉利汽車中央研究院的試制中心總工程師何洪巖對此深有體會。其所屬的試制中心通用化工廠采用了獨立工藝單元柔性組合技術，可針對A0-C級軸距（2300~3100毫米）不同車身制造工藝組合，完成8款車型的焊裝成組混線生產，被工信部評為車身工業(yè)4.0技術示范線。

伴隨著汽車市場競爭加劇以及自主品牌市場份額不斷提升，在以“產品為中心”到以“客戶為中心”的變革下，吉利研發(fā)周期由36個月壓縮到24個月，試制中心焊裝調試周期從35天壓縮到22天，這也直接帶來了生產線多車型生產與調試串行切換過程中的業(yè)務連續(xù)性、設備安全性、工藝驗證周期、協(xié)同和管理效率等一系列挑戰(zhàn)。

為了加速產品設計，降低開發(fā)成本，提升市場響應能力，試制中心構建了以數(shù)字孿生為基礎的G-iPS雙向驅動的數(shù)字孿生工廠解決方案。在何洪巖看來，基于數(shù)字孿生技術的建模設計與仿真驗證需要和真實世界實時交互。通過聯(lián)合NVIDIA，試制中心打造了Omniverse協(xié)同設計平臺，通過Connector連接器將設計和仿真工具進行了深度融合，將CAD設計類軟件的CATIA、UG、SolidWorks數(shù)據(jù)和仿真軟件VC、G-iPS異構數(shù)據(jù)進行整合，使設計人員在查看數(shù)據(jù)模型的過程中，不僅可以實時查看設計數(shù)據(jù)并直接在數(shù)據(jù)模型上進行修改，還可以通過高保真模型直觀簡單的評估設計過程，整個研發(fā)設計流程得到了明顯“提速”。

圖 吉利汽車中央研究院試制中心

利用Omniverse平臺實現(xiàn)協(xié)同設計

吉利汽車試制中心只是千千萬萬數(shù)字孿生應用的一個縮影?？梢钥闯觯跇嫿〝?shù)字孿生的過程中，關鍵在于各種工業(yè)軟件的應用集成和交互，首當其沖的則是仿真軟件，由于數(shù)字孿生的特征就是虛實的交互融合，這種交互的一致性、實時性、可靠性背后則需要Omniverse基于USD通用語言和多GPU的高性能算力實現(xiàn)。日前在工信部等五部委聯(lián)合印發(fā)的《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃（2022~2026 年）》中，也指出在提升企業(yè)數(shù)字化轉型過程中，要提升從多元數(shù)據(jù)獲取洞察的能力與水平。

多維度協(xié)同，Omniverse引領用戶邁入數(shù)字孿生“深水區(qū)”

李培根院士曾指出，在構建數(shù)字孿生的過程中，數(shù)據(jù)是物理生命體的“血液”，數(shù)據(jù)及智能技術共同賦予了物理實體以“生命”。在NVIDIA專業(yè)視覺計算行業(yè)拓展經理茅勇看來，在以數(shù)字方式為實體對象創(chuàng)建數(shù)字模型，并進行模擬、分析、預測等行為時，數(shù)字孿生必須滿足4個要素：單一事實來源、現(xiàn)實物理級的準確程度、深度融合AI應用、與現(xiàn)實完美同步。

而這正是NVIDIA Omniverse的優(yōu)勢之所在。茅勇強調Omniverse并不是一個應用，而是一個可拓展的端到端平臺，用于構建和應用元宇宙程序，包括工業(yè)和科學用例的3D世界和數(shù)字孿生。經過3年時間的不斷功能迭代和技術創(chuàng)新，如今的Omniverse已覆蓋世界主流3D軟件，所涉及的行業(yè)覆蓋建筑、施工、媒體、娛樂、制造、電信、零售等超過百萬用戶的成熟平臺。

尤其是在工業(yè)領域上，伴隨著數(shù)字化、智能化應用的進一步落地與推進，工業(yè)制造或許將會成為數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場。茅勇介紹從數(shù)字孿生到工業(yè)元宇宙，Omniverse不僅在仿真、虛擬驗證和可視化等方面體現(xiàn)其應用價值，還可針對不同的對象和需求，提供相應的功能與服務，例如通過將物理世界的設備、工藝與數(shù)字化的業(yè)務流程深度融合，企業(yè)可以在虛擬世界中對生產的全部流程和工序完成數(shù)字映射，并通過模擬運行來優(yōu)化流程、降低成本、加速測試設計迭代、實現(xiàn)防患于未然的預測性維護，進而開啟一個極為豐富的商業(yè)前景和無窮的想象空間。在這背后，則依靠的是Omniverse的4大特性：

? 開放標準：Omniverse基于USD（Universal Scene Description，通用場景描述）關鍵技術，易于拓展和互連各種應用，解鎖了非標準流程和數(shù)據(jù)獨立性，扮演充當互聯(lián)客戶機和應用的中心樞紐角色。

? 保持習慣：對于用戶而言，Omniverse并不是最終應用，用戶仍然可以繼續(xù)在自己喜歡且擅長的3D軟件程序中進行工作，然后通過專用的連接器將數(shù)據(jù)導入到Omniverse中，并進一步完成USD數(shù)據(jù)模擬、場景規(guī)劃以及后期呈現(xiàn)。

? 高靈活性：在用戶構建數(shù)字孿生的過程中，模擬仿真占有較高的比重，除了設計仿真類工業(yè)軟件外，還需要更高的算力支持，NVIDIA提供了從基礎工作站到面向復雜工業(yè)場景的NVIDIA OVX參考架構，為企業(yè)數(shù)字孿生戰(zhàn)略落地提供全方位算力支持。

? 高連接性：通過Omniverse用戶可以連接不斷拓展的第三方應用程序和工具，例如NVIDIA Omniverse和西門子Xcelerator平臺的深度融合應用。

升級與超越，持續(xù)創(chuàng)新跑出數(shù)字化進程“加速度”

對于用戶而言，Omniverse平臺旨在實現(xiàn)最高的靈活性和可擴展性。盡管國內疫情已經走向開放，但由此形成的生活習慣、工作模式、數(shù)字化覺醒仍然在繼續(xù)和深化。這也意味著無論是創(chuàng)作者、設計師，還是企業(yè)研究人員和研發(fā)工程師都希望快速連接工具、資產和項目，并且在安全、共享的虛擬空間中展開協(xié)作。

這里不得不提到NVIDIA在SIGGRAPH 2018大會上推出的NVIDIA RTX，這種新型的GPU架構通過兩種新處理單元拓展基于光柵化和可編程著色的GTX架構，分別是RT Core上的加速光線追蹤和Tensor Core上的深度學習。毫不夸張的說，RTX翻開了神經圖形新的篇章，成為藝術家創(chuàng)建3D世界以及世界動畫和渲染方式不可缺少的一部分，NVIDIA RTX頗具影響力的自主獨有開發(fā)之一是DLSS（深度學習超級采樣），包括一系列實時深度學習圖像增強和放大技術，可在不影響畫質和響應速度的前提下，利用AI創(chuàng)造更多高質量幀。

伴隨著NVIDIA在RTX領域的更新，Omniverse平臺的能力得到了進一步提升，例如在2022秋季GTC推出的NVIDIA RTX 6000ADA 架構顯卡就是專門為虛擬世界模擬而設計，其具有Ada架構賦能的AI技術和可編程的著色器技術，可謂是幫助NVIDIA Omniverse為元宇宙構建內容和工具的“神助攻”。

此外，為了簡化用戶隨時隨地化靈感為現(xiàn)實，強化構建3D世界。茅勇介紹NVIDIA Omniverse平臺一直在完善面向細分領域的組件工具，例如偏向為工程師或藝術家實現(xiàn)場景構圖、渲染和模擬的Omniverse Create；為項目審閱提供批注和微調的Omniverse View和用于機器人開發(fā)模擬的Omniverse Isaac Sim等。而以下五項核心組件，則構成了Omniverse的基礎技術底座：

Omniverse Nucleus：便捷的數(shù)據(jù)庫和協(xié)作引擎，提供了完善的IT管理工具，例如能夠處理服務器上原子檢查點的擴展版本控制。日前更新的大文件傳輸服務使用戶能夠在服務器之間、本地或云端移動文件，從而使混合工作流能夠受益其中。

Omniverse Connector：用于實現(xiàn)各種軟件應用互連的連接器，允許用戶創(chuàng)建和使用所偏好3D應用工具，例如Adobe Substance 3D Painter、Autodesk Alias、PTC Creo以及Kitware Paraview ，此外用戶還可輕松地導出在西門子數(shù)字化工業(yè)軟件的NX軟件中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)。

Omniverse KIT：幫助用戶進行基于微服務的自定義SDK開發(fā)，其擴展程序模板包含各種擴展程序示例，例如Omniverse Create、View和Isaac Sim都是基于Omniverse KIT構建的。

Omniverse SIMULATION：能呈現(xiàn)高質量、真實環(huán)境中的物理模擬效果，使數(shù)字孿生體擁有逼真的物理性質、材質、照明和渲染效果。

Omniverse RTX RENDERER：支持Hydra架構的渲染器，能夠提供可擴展且準確的光線追蹤和路線追蹤渲染，帶來充滿動感的真實效果和照片級視覺呈現(xiàn)。

圖 NVIDIA Omniverse五項核心組件

值得一提的是，NVIDIA認為基于數(shù)字孿生技術的建模與仿真不再是離線的、獨立的、特定階段存在的，而是可以與真實世界建立永久、實時、交互的鏈接。在具體仿真過程中，NVIDIA提供了包括NVIDIA PhysX實時物理、Import Physics Instance第三方物理模擬、NVIDIA Modulus物理仿真加速三種方式加深對模型的仿真處理。

圖 NVIDIA提供三種方式支持模擬和工作流需求

知行需合一，構建數(shù)字孿生實踐落地“方法論”

根據(jù)Markets的預測數(shù)據(jù)顯示，到2023年數(shù)字孿生市場規(guī)模將達到157億美元，并以38%復合年增長率增長，到2025年將突破260億美元的大關。在茅勇看來，數(shù)字孿生的落地不再是關于我們在哪里或者我們要去哪里，而是關于我們前進的速度有多快，如何為企業(yè)產生真正的價值。

實際上，全球已有多家企業(yè)加入到Omniverse的增強型3D工作流中，例如借助Omniverse打造虛擬智能工廠的寶馬集團、通過Omniverse完成預測性維護的西門子能源公司等等。目前，NVIDIA正在將Omniverse平臺能力開放給廣大的生態(tài)伙伴，并提供了3種方式讓用戶免費、輕松的開啟數(shù)字孿生旅程，分別是全球推廣計劃（NVIDIA Omniverse on LaunchPad）、30天免費試用評估版（30 Day Free Evaluation）以及在合作伙伴計劃中獲取許可證（Staring with a Partner）。

可以預見的是，隨著人工智能、工業(yè)物聯(lián)網等技術的廣泛應用，將實時或準實時的動態(tài)運行數(shù)據(jù)記錄疊加傳統(tǒng)工業(yè)模型，工業(yè)技術的顯性化、模型化、軟件化將進一步加速，很多企業(yè)將更加積極的應用數(shù)字孿生技術。但面對千行百業(yè)尤其是know-how顯著的垂直工業(yè)場景，數(shù)字孿生的構建并非是一蹴而就的，對此，NVIDIA在總結了不同行業(yè)案例和應用實踐后，形成了“五步走”方法論，幫助企業(yè)推進數(shù)字孿生應用：

1.確認用例

在開啟數(shù)字孿生旅程之初，首先要根據(jù)企業(yè)發(fā)展情況明確自身需求，其中第一個解決的問題是“為什么需要數(shù)字孿生？”，或者更確切地說“數(shù)字孿生可以為企業(yè)解決哪些問題？”從這個簡單的練習入手，有助于企業(yè)發(fā)現(xiàn)值得進一步探索的機會。例如對于制造商而言，可以將目標聚焦在改善高度手動、不連貫和低效的操作流程，或者針對引起生產線宕機的重要設備進行預測性維護并創(chuàng)建流程備份。

2.評估數(shù)據(jù)和環(huán)境

數(shù)字孿生依賴于對正確數(shù)據(jù)的訪問。因此，構建數(shù)字孿生初期需要考慮因素是從3D模型或對于激光點的云掃描開始，構建的應用是否可以輕松的采集與處理可用數(shù)據(jù)。雖然不同行業(yè)的數(shù)據(jù)需求存在著差異化，但入門所需的大部分數(shù)據(jù)本質上還是以3D形式為主。數(shù)據(jù)集可能包含體系架構、工程、產品、工藝和地理空間數(shù)據(jù)，以及重要的元數(shù)據(jù)（用于定義數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）。這些數(shù)據(jù)可能源自各種軟件如CAD、CAE、PLM、MRO、GIS、BIM、機器人和物聯(lián)網平臺。

3.組建團隊

正所謂人才是企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的第一競爭力，數(shù)字孿生項目落地的一個關鍵要素是組建具有合適角色和技能的團隊，并且數(shù)字孿生團隊看起來可能與企業(yè)過去組建的任何團隊相差迥異。無論企業(yè)所處哪個行業(yè)，數(shù)字孿生團隊成員都需要包括來自從研發(fā)設計、工程技術、數(shù)據(jù)科學和業(yè)務一線人員，甚至包含了系統(tǒng)集成商、軟件開發(fā)和對外合作伙伴選擇。

4.從小處著手

數(shù)字孿生的頂層設計，決定了企業(yè)的未來應用的推進路徑。很多企業(yè)在初期往往懷有令人心馳神往的遠大愿景。但事實證明，過于雄心勃勃的計劃往往會導致不切實際的期望、執(zhí)行不力和項目失敗。正所謂九層樓臺，始于壘土。相反的，找到一個不影響業(yè)務連續(xù)性的切入點入手，并讓團隊專注于提供有價值的更小解決方案，可以為未來打好基礎。

5.衡量和傳達影響

數(shù)字孿生的真正價值，是助力企業(yè)組織實現(xiàn)出色的運營效率，并改進和加速組織決策。在完成第一個PoC（概念驗證）項目前，企業(yè)可能考慮多個機會。衡量和傳達這一初始概念驗證項目的影響，將是企業(yè)將數(shù)字孿生擴展到整個企業(yè)組織中其他領域的機會。通過將結果與原始問題陳述及其達成的目標和成果關聯(lián)，企業(yè)更有可能激起底層用戶的興趣以及得到高層資金的支持。

審核編輯 ：李倩