工業(yè)元宇宙,作為“元宇宙”概念的一個(gè)分支,標(biāo)志著工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型邁向新紀(jì)元,。在GTC大會(huì)上,NVIDIA黃仁勛展示了工業(yè)元宇宙如何通過(guò)先進(jìn)的模擬技術(shù),、AI驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生技術(shù)和Omniverse平臺(tái),加速企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,推動(dòng)未來(lái)工業(yè)創(chuàng)新和運(yùn)營(yíng)模式的革新,。一時(shí)間,工業(yè)元宇宙再次成為了行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn),激發(fā)了廣泛的討論和興趣,。

數(shù)字閉環(huán):工業(yè)數(shù)字化的飛躍

在信息和智能時(shí)代,工業(yè)數(shù)字化已成為推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的核心引擎,。隨著技術(shù)的進(jìn)步,一系列創(chuàng)新概念相繼涌現(xiàn),從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)4.0,再到工業(yè)元宇宙,這些概念共同映射出工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域數(shù)字化權(quán)重的持續(xù)增長(zhǎng),。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng):通用電氣(GE)于2012年提出將工業(yè)設(shè)備與IT技術(shù)融合的理念,隨后在2014年與AT&T,、思科,、IBM和英特爾共同成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC),推廣了這一概念,。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)作為其核心,強(qiáng)調(diào)設(shè)備互聯(lián),旨在提高資源利用效率和生產(chǎn)持續(xù)性,同時(shí)涵蓋產(chǎn)品監(jiān)控與維護(hù),。

工業(yè)4.0:2013年德國(guó)推出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略,標(biāo)志著第四次工業(yè)革命的開(kāi)始,。它超越了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、AI,、大數(shù)據(jù)和機(jī)器人技術(shù),旨在提升生產(chǎn)效率和靈活性,實(shí)現(xiàn)智能化決策和定制化生產(chǎn),。

工業(yè)元宇宙:作為現(xiàn)實(shí)世界的虛擬延伸,工業(yè)元宇宙利用AI、數(shù)字孿生,、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)數(shù)字世界,。它提供了沉浸式體驗(yàn),形成了一個(gè)從需求到研發(fā)再到體驗(yàn)的閉環(huán),覆蓋了工業(yè)全生命周期。

隨著科技的不斷突破,工業(yè)數(shù)字化能力正經(jīng)歷著前所未有的演進(jìn),從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和規(guī)劃,到工業(yè)4.0的個(gè)性化定制,再到工業(yè)元宇宙的獨(dú)立數(shù)字世界構(gòu)建,這一過(guò)程體現(xiàn)了數(shù)字化在工業(yè)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的影響力,。工業(yè)元宇宙構(gòu)造獨(dú)立的數(shù)字工業(yè)世界,不僅為形成工業(yè)生命周期的“數(shù)字閉環(huán)”提供了可能,更標(biāo)志著工業(yè)生命周期向數(shù)字化閉環(huán)的跨越,。在這一過(guò)程中,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和輔助工程(CAE)技術(shù),設(shè)計(jì)研發(fā)階段已經(jīng)從依賴物理試驗(yàn)和試制的模式,轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)完全數(shù)字化的過(guò)程。盡管在產(chǎn)品交付環(huán)節(jié),我們?nèi)孕杞?jīng)歷物理試制階段,但虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)允許客戶在產(chǎn)品制造之前,通過(guò)沉浸式的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)感知產(chǎn)品,。此外,隨著腦機(jī)接口技術(shù)的突破,我們有望實(shí)現(xiàn)類似于駭客帝國(guó)中的數(shù)字全息體驗(yàn),讓客戶能夠在數(shù)字世界中身臨其境地體驗(yàn)產(chǎn)品,。這一技術(shù)的進(jìn)步,將徹底改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造流程,實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全基于數(shù)字世界的需求-研發(fā)-體驗(yàn)閉環(huán)。工業(yè)元宇宙的構(gòu)建,不僅為工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了數(shù)字化的深度融合,更為工業(yè)發(fā)展開(kāi)啟了全新的篇章,。

虛擬產(chǎn)品體驗(yàn)場(chǎng)景

科幻成真:夢(mèng)想之車觸手可及

工業(yè)元宇宙的宏偉愿景,不僅超越了傳統(tǒng)生產(chǎn)效率和可靠性的范疇,而且突破了產(chǎn)品品類擴(kuò)展和小批量定制的局限,。它開(kāi)啟了一種全新的個(gè)性化定制時(shí)代,讓每個(gè)人都能擁有真正屬于自己的產(chǎn)品,無(wú)論是一件印有獨(dú)特圖案的T恤,還是一架無(wú)人機(jī),甚至是一輛復(fù)雜的汽車。

在電影《鋼鐵俠》中,托尼·斯塔克在困境中利用有限資源,創(chuàng)造出了馬克1號(hào)盔甲,成功逃脫,?；氐剿母呖萍脊ぷ魇液?他利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),進(jìn)行3D建模和設(shè)計(jì),通過(guò)全息投影實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),優(yōu)化盔甲結(jié)構(gòu)。他還利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),在虛擬環(huán)境中測(cè)試盔甲的功能和操控性,。設(shè)計(jì)完成后,托尼可以放心地將制造過(guò)程交給人工智能助手Jarvis,自己則愉快地駕著跑車去參加聚會(huì)。

個(gè)性化產(chǎn)品定制場(chǎng)景

設(shè)想一下,當(dāng)工業(yè)元宇宙發(fā)展成熟,我們也能在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下,進(jìn)入一個(gè)智能化的用戶定制空間,。用戶與系統(tǒng)互動(dòng),根據(jù)自己的喜好提出對(duì)汽車的具體要求,如馬力,、風(fēng)阻、噪聲和外形等,。智能設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)用戶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),并確保符合安全性,、可靠性和合規(guī)性等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。用戶可以在元宇宙空間中,通過(guò)視覺(jué),、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)全方位體驗(yàn)自己的汽車,并提出修改意見(jiàn),直到達(dá)到完美,。一旦設(shè)計(jì)定型,數(shù)字汽車模型將直接傳輸給智能化和自動(dòng)化的制造系統(tǒng)。用戶只需等待數(shù)天,甚至更短的時(shí)間,一輛夢(mèng)想之車就會(huì)通過(guò)便捷的自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng),出現(xiàn)在用戶的家門口,。

無(wú)人研發(fā):工業(yè)元宇宙下的研發(fā)模式

汽車整車開(kāi)發(fā)是一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過(guò)程,通常包括架構(gòu)階段、戰(zhàn)略開(kāi)發(fā),、概念開(kāi)發(fā),、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)導(dǎo)入等多個(gè)階段。在數(shù)字化設(shè)計(jì)研發(fā)工具日益普及的當(dāng)下,整個(gè)開(kāi)發(fā)周期預(yù)計(jì)仍需30至40個(gè)月,而資金投入可能高達(dá)數(shù)億甚至數(shù)十億,。顯然,如果一輛汽車的研發(fā)成本高達(dá)數(shù)十億,且研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年,那么實(shí)現(xiàn)讓每個(gè)人都能定制自己的汽車這一目標(biāo)將變得遙不可及,。

在這些巨額的汽車研發(fā)費(fèi)用中,首先包括了材料、能源,、設(shè)備折舊等非人力成本,。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用,研發(fā)過(guò)程可以最大限度地?cái)[脫物理限制,從而顯著降低這些成本。事實(shí)上,有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示,CAE技術(shù)在過(guò)去數(shù)十年的應(yīng)用已經(jīng)使工業(yè)領(lǐng)域的試驗(yàn)測(cè)試成本降低了90%,。

然而,值得注意的是,在汽車研發(fā)成本中,還有一部分非常顯著的成本,那就是研發(fā)人力成本,。以比亞迪為例,2022年全年的研發(fā)投入達(dá)到了202億人民幣,研發(fā)人員規(guī)模約為7萬(wàn)人。如果按照研發(fā)工程師平均月薪15,000元計(jì)算,人力成本占總研發(fā)費(fèi)用的比例高達(dá)60%,。同樣,特斯拉在2022年的研發(fā)投入為30.75億美元,其研發(fā)人員數(shù)量約為1.2萬(wàn)人,按照研發(fā)工程師平均年薪140,000美元計(jì)算,人力成本占總研發(fā)費(fèi)用的比例也達(dá)到了55%,。盡管研發(fā)成本還受到許多其他因素的影響,但如果人力成本不能得到有效控制,那么定價(jià)數(shù)億元的個(gè)人定制汽車顯然無(wú)法為普通大眾所接受。

因此,在工業(yè)元宇宙時(shí)代,研發(fā)的自動(dòng)化和無(wú)人化成為了必然的要求,。如果過(guò)去的工業(yè)數(shù)字化主要強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)制造的無(wú)人化,大量減少了生產(chǎn)線工人的投入,那么工業(yè)元宇宙時(shí)代的無(wú)人研發(fā)則強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)研發(fā)的無(wú)人化,。這將大幅減少設(shè)計(jì)師和工程師的崗位,是一場(chǎng)前所未有的革命,。

工業(yè)元宇宙時(shí)代下的CAE:高性能、高置信,、高集成

在工業(yè)元宇宙的愿景下,CAE技術(shù)迎來(lái)了以高性能,、高置信、高集成為核心的新時(shí)代,引領(lǐng)著工業(yè)設(shè)計(jì)和研發(fā)的未來(lái),。

1)高性能:數(shù)十年來(lái),計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(CAE)的應(yīng)用已經(jīng)顯著加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的進(jìn)程,將時(shí)間縮短了5到10倍,。然而,對(duì)于像汽車這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,研發(fā)周期仍然需要數(shù)十個(gè)月。為了在工業(yè)元宇宙中實(shí)現(xiàn)以天計(jì)的設(shè)計(jì)優(yōu)化愿景,我們需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短研發(fā)周期數(shù)十甚至數(shù)百倍,。要達(dá)到這樣的性能,CAE技術(shù)必須大幅提升,。軟件技術(shù)的性能提升主要依賴于算力和算法兩大支柱。在算力方面,盡管硅基半導(dǎo)體的摩爾定律增速放緩,但芯片架構(gòu)的創(chuàng)新和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍在推動(dòng)高性能計(jì)算系統(tǒng)性能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),。在算法方面,除了適應(yīng)先進(jìn)計(jì)算架構(gòu)的高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,基于數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)也為仿真和優(yōu)化提供了新的途徑,而量子計(jì)算等未來(lái)技術(shù)的突破,將為工業(yè)元宇宙帶來(lái)顛覆性的進(jìn)展,。

2)高置信:為了在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中最大限度地?cái)[脫物理世界和物質(zhì)流的束縛,我們需要在幾乎沒(méi)有物理試驗(yàn)和測(cè)試的情況下,確保數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況無(wú)偏差。現(xiàn)有的CAE技術(shù),在物理建模維度足夠高且邊界足夠廣時(shí),原則上可以有效控制誤差,。但在有限的算力條件下,高性能與高精度之間存在對(duì)立關(guān)系,。這種矛盾可以通過(guò)改進(jìn)算法和工程方法來(lái)進(jìn)行調(diào)和。傳統(tǒng)數(shù)值模擬技術(shù),如時(shí)空分辨率自適應(yīng),、擬合階數(shù)自適應(yīng)和空間變換等,可以有效地降低模型維度,同時(shí)確保精度,。基于數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)技術(shù),能夠降低模型維度,但目前難以提供較高的置信度,。在工程方法上,采用不同精度的混合方法,例如在初步優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)使用低維模型,而在精細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)使用高維模型,可以在降低計(jì)算需求的同時(shí),保證一定的置信度,。

3)高集成:現(xiàn)有的CAE技術(shù)中,盡管計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等非線性問(wèn)題需要消耗較多的計(jì)算時(shí)間,但是大量線性問(wèn)題數(shù)值分析的主要時(shí)間瓶頸已經(jīng)不是計(jì)算本身,而在于人工。在一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)前處理過(guò)程中,如幾何清理和網(wǎng)格劃分,往往需要消耗大量的時(shí)間,。例如,一輛汽車精細(xì)模型的前處理過(guò)程可能需要數(shù)名工程師投入幾周到數(shù)月的時(shí)間,。前處理問(wèn)題的存在,主要是因?yàn)镃AD和CAE工具之間存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換依賴于人工操作(工程師),且這些工程師需要具備豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)。為了適應(yīng)工業(yè)元宇宙的無(wú)人化研發(fā),CAD/CAE工具鏈,以及技術(shù)鏈和算法鏈的中間環(huán)節(jié),必須擺脫對(duì)人的依賴,形成一個(gè)緊密集成的系統(tǒng),。這樣,用戶定義和產(chǎn)品模版就能在完整的數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)化流程中自動(dòng)傳遞并保持一致,。通過(guò)提升算力和采用升維建模,可以確保模型具有兼容性和一致性?；蛘?通過(guò)人工智能技術(shù)替代行業(yè)工程師,也能顯著提升CAE在自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程中的集成度,。

在工業(yè)元宇宙的宏偉藍(lán)圖下,實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)字閉環(huán)目標(biāo)和個(gè)性化產(chǎn)品定制愿景,CAE技術(shù)的主要追求在于模擬更大的系統(tǒng)、采用更高的分辨率,大幅提升仿真和優(yōu)化性能,以及實(shí)現(xiàn)工具鏈和技術(shù)鏈的深度集成,通過(guò)這些努力,CAE技術(shù)將為工業(yè)元宇宙的構(gòu)建提供強(qiáng)大的支撐,推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)和研發(fā)進(jìn)入一個(gè)全新的高度,。

作者和其所帶領(lǐng)的“神工坊”團(tuán)隊(duì),致力于以高性能計(jì)算,、人工智能等先進(jìn)計(jì)算技術(shù)推動(dòng)下一代CAE技術(shù)變革,潛心8年研發(fā)構(gòu)建的“高性能數(shù)值模擬框架”,旨在突破CAE系統(tǒng)級(jí)高保真里程碑以及組件化、模板化的專用應(yīng)用研發(fā),為工業(yè)元宇宙構(gòu)建物理引擎基座,。

“神工坊CAE智能混合引擎”技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略

先進(jìn)計(jì)算技術(shù)賦能工業(yè)元宇宙時(shí)代下的CAE

作者簡(jiǎn)介:

任虎 神工坊創(chuàng)始人&CEO

·西北工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)本碩,、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系博士、高級(jí)工程師

·無(wú)錫超算先進(jìn)制造部部長(zhǎng)、工程仿真生態(tài)負(fù)責(zé)人

·牽頭或參與5項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題,、國(guó)家“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程”項(xiàng)目及若干江蘇省重點(diǎn)科技計(jì)劃

·獲得國(guó)家一級(jí)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng),無(wú)錫市“百名科技之星”等多項(xiàng)榮譽(yù)

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