1、數字孿生物理引擎現狀

　　數字孿生物理引擎用于計算2D或者3D場(chǎng)景中物體與場(chǎng)景之間、物體與生命體之間、物體與物體之間的運動(dòng)交互和動(dòng)力學(xué)等物理作用，通過(guò)計算機程序真實(shí)反映物理世界的規律，是對物理世界的數字化。目前，全球范圍內廣泛使用的有四大物理引擎：PhysX、Havok、Chaos和Bullet。PhysX屬于NVIDIA，NVIDIA 2008年收購了Ageia，獲得了PhysX物理引擎。Havok屬于微軟，微軟2015年從Intel收購獲得。Chaos屬于Epic自研的物理引擎。Bullet則是一個(gè)開(kāi)源的物理模擬計算引擎，采用Zlib開(kāi)源許可證。可見(jiàn)物理引擎是科技巨頭角逐的領(lǐng)域。

　　國內初創(chuàng )公司Motphys是國內最早自研物理實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的團隊，成立于2020年10月，擁有自主研發(fā)的動(dòng)作物理引擎，為虛擬世界搭建牢固的底層基礎設施。

　　數字孿生三大主流軟件平臺，Unreal Engine（Epic）、Unity（Unity Technologies）、Omniverse（NVIDIA）各自采用了不同的物理引擎。Unreal Engine 5使用Epic自研的Chaos物理引擎。Unity使用微軟的Havok物理引擎。NVIDIA Omniverse使用自研的PhysX物理引擎。

　　2、數字孿生物理引擎

　　在企業(yè)數字化轉型中的核心作用

　　數字孿生物理引擎的功能涵蓋了固體力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料力學(xué)、物理性質(zhì)等等，如剛體動(dòng)力學(xué)模擬，物理空間查詢(xún)，關(guān)節模擬，對車(chē)輛的準確和高效模擬，包括輪胎、發(fā)動(dòng)機、離合器、變速器和懸架模型，運動(dòng)學(xué)特征控制，材料彈性模擬，非凸形狀模擬，針對液體、粒狀材料、布料、剛體、可變形體等的動(dòng)力學(xué)模擬等許多關(guān)鍵物理精確模擬。

　　對于數字孿生，尤其是城市、交通、建筑、工業(yè)、軍事、科學(xué)的數字孿生，物理引擎都十分重要。物理引擎將包含各類(lèi)物體的實(shí)體空間變?yōu)榭捎嬎愕目臻g，對組成實(shí)體空間內的各類(lèi)物體等進(jìn)行描述、預判、診斷和決策，實(shí)現真正的可計算空間。比如：數字孿生城市中對于地震、水災、火災等自然災害的模擬，水利工程中的洪水風(fēng)險預測模擬，煤礦開(kāi)采中基于物理引擎進(jìn)行對煤礦冒頂、瓦斯、煤塵、水災、火災的仿真模擬，地質(zhì)學(xué)中高位崩塌墜落、撞擊、碎裂、堆積全過(guò)程模擬，工業(yè)中的基于數字孿生的汽車(chē)安全碰撞實(shí)驗、汽車(chē)的結構耐久、疲勞分析，工業(yè)產(chǎn)品設計中的產(chǎn)品物理特性模擬，醫學(xué)中骨骼、血液、神經(jīng)模擬分析，通信中網(wǎng)絡(luò )信號覆蓋及衰減計算和預測模擬，都需要物理引擎的支持，可以說(shuō)數字孿生物理引擎是眾多行業(yè)實(shí)現真正數字化轉型的關(guān)鍵。

　　3、數字孿生物理引擎

　　在汽車(chē)領(lǐng)域數字化轉型中的應用案例

　　下面我們以汽車(chē)領(lǐng)域數字化轉型為例，介紹一下數字孿生物理引擎對于汽車(chē)領(lǐng)域的價(jià)值。對汽車(chē)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，數字孿生的價(jià)值貫穿于從汽車(chē)設計到運行模擬、生產(chǎn)裝配、維護維修全產(chǎn)品流程。在設計中對于風(fēng)阻的模擬，以及在模擬器中模擬碰撞測試、自動(dòng)駕駛和其他場(chǎng)景模擬測試，比使用實(shí)體車(chē)輛在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測試更容易，而且成本更低。

　　利用數字孿生技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計為汽車(chē)生產(chǎn)提供了更多可靠性。例如現在的新能源汽車(chē)，尤其是純電動(dòng)汽車(chē)設計，十分重視對于電能的消耗，所以能耗建模是非常關(guān)鍵的。而影響能耗的，包含風(fēng)阻、胎壓、輪胎硬度，路面情況等很多因素，如果有數字孿生物理引擎的幫助，基于計算流體力學(xué)等物理特性，可以在設計階段就能夠預測能耗情況并進(jìn)行相應改進(jìn)，最大限度優(yōu)化車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)設計，降低低風(fēng)阻系數，并對熱沖擊或電磁影響進(jìn)行模擬，以?xún)?yōu)化線(xiàn)路等布局，減輕車(chē)輛重量，降低能耗。

　　在汽車(chē)領(lǐng)域中，一個(gè)非常重要的環(huán)節就是汽車(chē)碰撞實(shí)驗，各大汽車(chē)廠(chǎng)商都十分重視汽車(chē)碰撞，一個(gè)汽車(chē)碰撞實(shí)驗室投資規模需要上億元，每年要對數百輛車(chē)進(jìn)行碰撞測試。每次汽車(chē)碰撞的成本在幾十萬(wàn)甚至是百萬(wàn)以上。

　　基于數字孿生物理引擎的汽車(chē)碰撞可以在某些方面代替真實(shí)的汽車(chē)碰撞，并且可以反復進(jìn)行，多次模擬驗證，不僅減少了汽車(chē)碰撞的成本投入，而且帶來(lái)了更高效的汽車(chē)質(zhì)量提升。通過(guò)數字孿生物理引擎的模擬，可以實(shí)現汽車(chē)碰撞部分場(chǎng)景的模擬，輔助設計，以獲得更安全的碰撞結構。

　　4、數字孿生物理引擎

　　對于運營(yíng)商數字化轉型的價(jià)值

　　數字化轉型中非常重要的一點(diǎn)就是將傳統的設計、實(shí)驗、培訓、生產(chǎn)流程等方面通過(guò)數字化的方式去實(shí)現與優(yōu)化，而這些過(guò)程中很多場(chǎng)景都涉及物理方面的數字化。僅是汽車(chē)領(lǐng)域中的碰撞實(shí)驗方面，通過(guò)基于數字孿生物理引擎的數字化轉型，就能帶來(lái)巨大的成本降低以及效率提升。在其他領(lǐng)域，例如核工業(yè)中通過(guò)數字孿生物理引擎加速聚變反應堆的設計與開(kāi)發(fā)，航空航天中對于飛行器的設計與模擬，能源領(lǐng)域主動(dòng)預測能源設施銹蝕情況，發(fā)電領(lǐng)域的風(fēng)電場(chǎng)布局，通信領(lǐng)域基于網(wǎng)絡(luò )覆蓋數字孿生的電信網(wǎng)絡(luò )規劃和運營(yíng)，科學(xué)領(lǐng)域的極端天氣預測等等，都能通過(guò)基于數字孿生物理引擎的數字化轉型帶來(lái)巨大的價(jià)值和效率提升。

　　所以，高質(zhì)量的數字孿生物理引擎，將推動(dòng)傳統行業(yè)領(lǐng)域實(shí)現真正的數字化轉型，并獲得數字化轉型帶來(lái)的可觀(guān)效益。對于運營(yíng)商的數字化轉型，在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)方面，可以通過(guò)數字孿生實(shí)現更加高效的網(wǎng)絡(luò )規劃和運營(yíng)，并且可以基于數字孿生將網(wǎng)絡(luò )數據通過(guò)時(shí)空分析提供諸如客流分析、擁堵分析、人群聚集預警等增值服務(wù)，在云服務(wù)方面，數字孿生物理引擎可以支撐云計算提供高附加值服務(wù)，尤其基于算力計價(jià)的服務(wù)，物理引擎對于算力的消耗極高，所以對于云服務(wù)業(yè)務(wù)的增長(cháng)也具有極大的潛力和價(jià)值。例如對于云服務(wù)的智算中心、超算中心，基于數字孿生物理引擎，智算中心、超算中心可以提供面向軍事的大規模孿生仿真計算，以及其它如科學(xué)研究、機械制造、新能源新材料分析、影視制作等服務(wù)，大到飛機設計，小到齒輪關(guān)節設計，實(shí)現全流程的數字化轉型。