虚拟仿真是什么？
虚拟仿真，又称计算机仿真，是指利用计算机生成三维动态实景，对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性、逼真的模仿。最早应用在军事领域，如洲际导弹的研制、阿波罗登月 计划、核电站运行等方面。直至上世纪70年代中期，虚拟仿真技术开始扩展到民用领域，并从80年代开始，借助计算机技术的发展大规模地应用于仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真训练等人们生产、生活的各个方面。
仿真模拟理解起来，非常容易，就是“仿”真，模仿现实存在中真的东西。
仿真模拟在各个领域运用都非常广，但我也就只能从我所了解的领域来谈谈什么是仿真咯。
首先，那就是游戏！
各种各样的模拟类游戏，都是仿真模拟，就好像火遍全球的《模拟人生》系列，从1代开始就在全球引发了各种狂热。各种职业、各种生活经历.....。
你可以体验各种各样的人的生活，你可以做一个土豪，你可以做一个乞丐，你可以后宫无数，也可以一个人孤独终老……反正这个游戏给了你无数的可能性，你可以做任何现实中不能做的事情！除了像《模拟人生》这样的经典游戏外，还有各种各样的模拟经营类游戏《过山车大亨》、《模拟农场》、《模拟火车》、《微软飞行》、甚至包括《FIFA》、《NBA2K》这样的体育系列游戏，多多少少都算仿真模拟范围内。
那么在工作中，仿真软件如何来协助人们来解决问题呢？我们看两个案例：
这两个例子只是仿真模拟在现实运用中的冰山一角，我来谈几个我比较熟悉的领域的运用。
第一个，城市交通问题。
现代社会中，城市交通问题，往往是极其严重的，任何大型城市都是非常拥堵的，无论是北京，上海，还是纽约。而城市交通这么复杂的系统，那些学土木工程，学城市规划的人，是怎么去判断，我的路应该怎么建造，才是最通畅的呢？答案是用各种各样的仿真模拟系统咯。
案例分析：
TransModeler， 是美国Caliper公司为城市交通规划和仿真开发的多功能交通仿真软件包。它可以模拟从高速公路到市中心区路网道口在内的各类道路交通网络、可以详细逼真地分析大范围多种出行方式的交通流，可以用动画的形式把交通流的状况、信号灯的运作、以及网络的综合性能直观地表现出来，一目了然地显示复杂交通系统的行为和因果关系。
第二个，制造业中的仿真分析
中国是一个制造业大国，国家的发展是离不开制造业的贡献的。在产品没有做出来前，工厂需要看到产品设计是否合理是否满足受力要求，这时候，又有仿真模拟来帮忙了。
制造业使用的仿真模拟系统那可以就是五花八门了，只有你想不到，没有做不到的仿真软件。
最常见的是，产品设计的仿真软件，使用的软件非常多，例如，ADAMS，ABUQUS、CATIA，ANSYS等等，常用的仿真功能有：
运动仿真
受力仿真
3.生产过程系统的仿真软件，比起产品设计的仿真软件，就少见的多了。但是他们的功能的确是极其强大的。常见的离散型管理系统仿真软件有，中机赛德、Plant Simulation，Flexsim，DELMIA QUEST，Arena等。他们的功能很简单，如果用普通话来说就是“在电脑中模拟一个和现实一模一样的可以运作的工厂系统”。
• 喷涂
喷涂通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法。在汽车制造厂，车架、车壳焊接完成，下一道工序就是喷漆。
• 柔性上下料
用机器人代替了繁琐的人工上下料，实现机床制造过程的完全自动化，并采用了集成加工技术，适用于生产线的上下料、工件翻转、工件转序等。
• 焊接
焊接是将两种或两种以上材质通过加热、加压，或两者并用，使两个工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。该实际应用中是将焊丝通过加热、加压和铁板联接在一起。
•码垛
对货物进行整齐的堆放，适应于化工、饮料、食品、啤酒、塑料等自动生产企业;对各种纸箱、袋装、罐装、啤酒箱等各种形状的包装都能适应。
•搬运
搬运是指承受负载并运送到另一个地方，可用以人工搬运或者机器搬运。
•装配
将零件按规定的技术要求进行组装。
•分拣
使机器人具备了传感器，可以快速对货物进行分拣。
•打磨
打磨工序是在加工工件的最后一个环节，工件最后呈现的光泽度很大程度上也是取决于打磨的精度，通过打磨可以使工件表面更加光滑精致。
虚拟仿真进一步的应用——数字孪生
数字孪生，英文名叫Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。
它的官方定义非常复杂，是这么说的：数字孪生，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。看晕了吧？其实，简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。
这个“克隆体”，也被称为“数字孪生体”。它被创建在信息化平台上，是虚拟的。也许你会说，这不就是电脑上的设计图纸嘛？CAD搞搞不就有了？其实不然。相比于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象（姑且就称为“本体”吧）的动态仿真。也就是说，数字孪生体是会“动”的。而且，数字孪生体不是随便乱“动”。它“动”的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。说白了，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应，工程师们可以在孪生体上进行“实验”。这样一来，既避免了对本体的影响，也可以提高效率、节约成本。
除了“会动”之外，理解数字孪生还需要记住三个关键词，分别是“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。
数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域，有一个词叫做“产品生命周期管理（PLM）”。相信很多人都听说过。全生命周期，是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来，还包括帮助用户更好地使用产品。
实时/准实时，是指本体和孪生体之间，可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的实时性。
双向，是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。
数字孪生的起源
说到“数字孪生”这个概念的发明者，行业里并没有明确的说法。很多人认为，数字孪生是美国密歇根大学教授Michael Grieves博士于2002年提出的。但这种说法并没有书面的文献或资料可以支撑。Michael Grieves博士在2014年发布的文章中，曾经“追溯”自己曾经在2002年密歇根大学PLM中心一次演讲中，提及了类似数字孪生的相关概念。他还“追溯”自己曾经在2003年的一次高管培训上，提出了“物理产品的数字等同体或数字孪生体概念”。
Michael Grieves博士
真正有据可查的“数字孪生”概念提出者，是美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。
2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，首次明确提到了数字孪生。当时，AFRL希望实现战斗机维护工作的数字化，而数字孪生是他们想出来的创新方法。
当美国空军意识到数字孪生具有很强实用意义的同时，另一家企业也对数字孪生产生了浓厚的兴趣，它就是美国通用电气公司（GE）。
美国通用电气公司在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候，发现了数字孪生体的价值。当时的美国通用，一直在致力于研究工业数字化，以及如何构建工业互联网体系。显然，数字孪生对工业4.0非常有用，可以说是如鱼得水。再后来，德国西门子（德国工业4.0的代表企业）也跟着拥抱了数字孪生，将其奉为至宝。2015年左右，中国也开始跟进。当时包括工业4.0研究院在内的多家国内研究机构和企业，纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。从那之后，数字孪生这个概念，就开始风靡互联网和产业界，直至今日。
数字孪生的价值
只是建了一个数字孪生体，凭什么说它会影响第四次工业革命的发展？它到底能给传统产业带来哪些好处？我们通过案例来解释说明一下。
工业制造
数字孪生起源于工业制造领域。工业制造也是数字孪生的主要战场。
在产品研发的过程中，数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型，对其进行仿真测试和验证。生产制造时，可以模拟设备的运转，还有参数调整带来的变化。数字孪生能够有效提升产品的可靠性和可用性，同时降低产品研发和制造风险。维护阶段，数字孪生也能发挥重要作用。正如前文所说，美国空军提出数字孪生，就是为了帮助更好地维护战斗机。采用数字孪生技术，通过对运行数据进行连续采集和智能分析，可以预测维护工作的最佳时间点，也可以提供维护周期的参考依据。数字孪生体也可以提供故障点和故障概率的参考。数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降，使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。
通过这些拟真的数字化模型，工程师们可以在虚拟空间调试、实验，能够让机器的运行效果达到最佳。国内的很多工业科技企业也在数字孪生技术上有所布局，其中包括树根互联、研华科技、软通动力等。
智慧城市
除了工业制造之外，数字孪生和5G、智慧城市也有非常密切的关系。我们知道，5G将开启“万物互联”的时代，它使得人类的连接技术到了前所未有的高度。未来，在5G的支持下，云和端之间可以建立更紧密的连接。这也就意味着，更多的数据将被采集并集中在一起。这些数据，可以帮助构建更强大的数字孪生体。例如，一个数字孪生城市。
如今，我们的城市布满了各种各样的传感器、摄像头。借助包括5G在内的物联网技术，这些终端采集的数据可以更快地被提取出来。
在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。
城市的管理者，基于这些数据，以及城市模型，构建数字孪生体，从而更高效地管理城市。相比于工业制造的“产品生命周期”，城市的“生命周期”更长，数字孪生带来的回报更大。当然，城市数字孪生的部署难度也更大。事实上，印度海德拉巴、新加坡，还有我们中国的深圳、雄安，都已经在做这方面的摸索和尝试。大量的投资，正在涌向“智慧城市+数字孪生”的应用场景。
阿里的“城市大脑”、“数字平行世界”，还有科大讯飞的“讯飞超脑”，都涉及到智慧城市和数字孪生的结合。
基建工程
基建工程也是数字孪生的一个重要应用领域。尤其是对中国这个“基建狂魔”来说，引入数字孪生意义更加重大。
我们在修建高速公路、桥梁等基础设施前，完成对工程的数字化建模，然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评估工程的结构和承受能力，还可以导入流量数据，评估工程是否可以满足投入使用后的需求。在工程交付之后，还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。以及监测可能出现的事故隐患。
除了上述领域之外，包括医疗、物流、环保等很多场景都适合采用数字孪生技术，应用场景非常广阔。
总而言之，数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术，会给企业带来丰厚的价值回报。
也正因为如此，很多投资机构趁机热炒数字孪生的概念，也有很多企业迫不及待想要拥抱数字孪生。根据全球知名咨询公司Gartner2019年初的调查，部署物联网的企业和组织中，已有13%应用数字孪生，62%的组织正在准备使用数字孪生。Gartner还将数字孪生列为2019年十大战略性技术趋势。
但是，我们还是应该理性看待数字孪生。拥抱数字孪生，既需要深厚的技术沉淀，也需要巨大的资金投入，还需要管理水平和员工技能达到相应的层次。目前这个阶段，国内大部分企业都不具备这个条件。如果盲目跟风、仓促上马，投资很可能会血本无归。相对来说，潜心研究、客观评估、谨慎投入，才是打开数字孪生世界的正确姿势。
课外阅读
