【技术应用】工业元宇宙中的计算机辅助工程（1/3）

对许多人来说，“元宇宙”（Metaverse）这个概念的含义各不相同。这并不奇怪，因为 “元宇宙 ”正在从一个概念向更具体的东西过渡。尽管这个词早在 1992 年就由作家尼尔-史蒂芬森（Neal Stephenson）提出，但直到现在我们才看到元宇宙解决方案的出现。从游戏到商业，从社交到工业，元宇宙将以各种方式对我们的生活产生根本性的影响。计算辅助工程（CAE）也是如此。它是什么或可能是什么?Meta 源自希腊语，意为 “在......之后 ”或 “超越......”，但作为后缀使用时，可被理解为 “超越”、“更全面 ”或最近的 “自指”（如 metamodel，模型的模型）。当前缀为 “宇宙”（Universe）时，可以理解为 “自我参照的世界”（self-referenced world）。考虑到这一术语已有 30 多年的历史，而且我们世界的数字化进程也是最近才加速的，它的预言性令人吃惊。一个持久的镜像世界，一个反映现实的空间，一个并存的虚拟呈现，一个数字孪生的天然家园。无所不包单一的元宇宙不太可能占据主导地位，而是会有适合不同任务的不同表现形式。当然，它们会共享共同的技术、基础设施和标准，但会针对不同的目的而量身定制。√

游戏

不出所料，游戏的发展最为迅猛，这已经不是第一次了。大型多人在线（MMO）游戏，如《魔兽世界》，估计吸引了 800 万玩家，其交互式 3D 图形引人注目（尽管并非逼真）。我的世界拥有惊人的 1.4 亿用户，可以说是有史以来最成功的游戏。这是一款可以构建三维世界的沙盒游戏，玩过这款游戏的孩子可能都知道，它是孩子们创新和想象力的绝佳出口。

在《我的世界》中的构建世界其他游戏如《使命召唤》、《侠盗猎车手》、《堡垒之夜》以及当今几乎所有其他角色扮演游戏都采用了先进的图形处理技术和最新的 3D 可视化技术。这些游戏在很大程度上都是虚拟世界，人们可以在其中栖息并互动（尽管往往不是真实世界的完全复制品）。√

社交

成功的社交互动元宇宙尚未出现。2003 年发布的 “第二人生”（Second Life）是一个三维世界，在这个世界里，你的化身可以做任何想做的事，没有任何既定目标，到现在有7000万注册用户，日活超过20万。与 Facebook 每天约 20 亿的用户相比，它只能算是不成功的。

欢迎来到第二人生

2021年，Facebook更名为“元平台”，扎克伯格宣布致力于元宇宙。两年后，在亏损约100亿美元后，他宣布将重心转移到人工智能上。也许VR硬件还不够先进，也许是市场对三维虚拟社交互动的价值认识不足，也许只是因为 “元地平线世界 ”化身化身缺少腿？微软似乎也已经从之前的兴奋点上转移了注意力，而苹果则对其元宇宙计划守口如瓶，尽管正在大力推进其AR硬件。√

商业

互联网彻底改变了零售体验，目前电子商务占美国销售总额的 15% 至 20% 。元宇宙通常被认为是互联网的下一步进化，因此人们认为零售模式也会随之改变。但问题是，元宇宙零售体验能提供什么附加价值？三维虚拟世界能提供什么现有在线购物体验所不能提供的东西？显然相对较少，除非这种体验能更好地连接虚拟世界和实体世界，如虚拟房地产开放日、前往新目的地（甚至不同时间）的体验、在不同地点骑自行车健身等。这并不是说元宇宙中没有金钱（真实的或其他的）交易。使用虚拟货币进行游戏内购买已经司空见惯，数字资产也可以利用区块链技术实现货币化，不过 2020 年人们对不可篡改的代币 “艺术品 ”的兴奋之情如今已荡然无存。虚拟房地产可以在 Decentraland 和 The Sandbox 等元宇宙中购买，但目前的驱动力主要是投机。

沙盒中的房产

工业元宇宙与所有其他类型不同，我们将工业元宇宙定义为:

“它将是一个永远在线（持久）的世界，允许无限多的人和资产（并发）互动，并提供完全沉浸在基于物理、照片级真实感的实时模拟中。在这个数字环境中，人们可以打破距离的障碍，跨越国家和大陆进行合作，实现全新水平的协作。”

无论是设计、生产还是运行，都是现实的真实写照。这段视频清楚地概括了一个典型的例子，以代替更详细的描述:Siemens FREYR Industrial Metaverse Showcase (Sound ON)175 年来，西门子一直是工业技术的先驱，工业元宇宙也不例外。那么，CAE 又如何呢?尽管是一个虚拟世界，但工业元宇宙（简称 “IM”）必须符合现实世界的物理行为。任何 IM 资产（数字孪生）都必须以物理为基础，并最终实现实时性。CAE 根植于物理仿真，无论是结构仿真、空气动力学仿真、流体力学仿真还是热仿真等，因此在其中发挥着核心作用。如今，CAE 的主要应用是在产品设计阶段，即从概念构思到签批生产的阶段。在这一阶段，没有物理实物，纯粹是随后要制造的产品的数字孪生。物理仿真的保真度应能准确预测其行为，以便确定概念架构、进行权衡，直至验证其行为是否符合要求。与准确性相比，实时模拟的驱动力要小一些。即便如此，在这一阶段，即时信息仍可在协作设计审查方面发挥作用，针对一系列不同的工作角色，在更广泛的的照片级真实感3D操作环境中，与预先求解的产品概念模拟进行交互。下面是一个例子：
SIMROD 的瞬态 Simcenter FLOEFD 结果，NVIDIA Omniverse 动画演示

虽然上面是一个渲染动画，但可以由多人同时加载其中的三维场景，每个人都可以从任何角度查看、检查几何图形和结果，并导航到瞬态过程中的任何一点。协作式设计审查将不同的工程和管理职能汇集到一个空间，从而加快设计决策过程。

在本系列文章的下一部分，我们将进一步阐述 IM 是什么和不是什么、在 IM 环境中呈现 CAE 结果的过程，并展望未来的实时高保真 IM 仿真。想要了解更多Simcenter产品信息，欢迎联系贝思科尔！

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