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NVIDIA:释放数字孪生活力,迈向协同与仿真新时代

2022-04-29e-works王聪

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NVIDIA认为数字孪生是现实事物的逼真版本,通过构建物理实体所对应的数字孪生模型,并通过人工智能等手段对数字模型进行可视化、调试、体验、分析与优化,从而提升物理实体性能和运行绩效的综合性技术策略。
       如今,元宇宙(Metaverse) 是当之无愧的业界焦点,从富有唐朝历史文化背景的《大唐·开元》到朝阳大悦城的超写实数字人Vila,基于元宇宙带来的沉浸式体验和创新互动已在商业市场逐渐崭露头角。从呈现形式来看,目前AR/VR体验、游戏娱乐和数字影音创作占据了主流赛道。但在NVIDIA的眼中,未来元宇宙有着更广阔的前景:通过构建真实世界和数字世界的闭环,元宇宙代表的数字世界可以逆向指导真实世界的研发设计创新和实际生产运营,从而帮助真实世界更好进行产品研发、高效运营和智能决策。

       这种将数字孪生边界延伸到整个宇宙的思维方式,也促使NVIDIA在协同设计、渲染仿真、AI应用等各个环节加速研发创新流程,从基于Omniverse平台的研发工具协同,到面向工程师的各项智能化应用拓展,以及NVIDIA RTX A6000、OVX为代表的底层强大GPU性能,NVIDIA正在持续帮助制造企业敏捷开发、优化产品、改进流程并降低成本。通过NVIDIA Omniverse平台加速释放数字孪生潜能,为企业最终实现数字化转型提供了新的路径。
 
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图 NVIDIA Omniverse平台释放数字孪生潜能

探索数字孪生的内涵与源动力

       相对“元宇宙”而言,“数字孪生”的概念较为成熟。它是由Michael Grieves教授在2002年的一次演讲中提出,他认为通过物理设备的数据,可以在虚拟(信息)空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。此后,数字孪生的概念逐步扩展到了模拟仿真、虚拟装配和3D打印等领域。

       如果说,元宇宙致力于通过数字技术构建表现、支撑运行 “异世界”立体虚拟现实空间,重点在于数字个体的在线共享、交互感知和内容创建体验。那么数字孪生则是以数字世界严格、精确映射真实世界和事件过程为框架和基础,无论是工业制造,还是城市管理,数字孪生基于实时客观数据的动态进程,通过数据分析模拟现实中的情境和决策,以改进现实或更好适应现实,最终实现自动控制或自主决策控制。

       借助数字孪生,产品设计师和工程师可以在多个现实场景中测试设计迭代,这有助于降低成本、降低物理投入和财务风险,并加快测试和仿真流程;工厂生产经理则通过数字孪生来识别并减少流程漏洞;企业也可以使用数字孪生培训新员工应对困难、关键或危险流程。在e-works近期举办的《“基于数字孪生技术打造数字化工厂”线上研讨会》上,NVIDIA行业拓展经理茅勇总结真正的数字孪生具备以下四个特点:

       · 物理级的准确程度和逼真感;

       · 持续与现实孪生保持同步状态;

       · 按精准时间运行,不存在时间延迟;

       · 包含多个自主系统。

       在茅勇看来,数字孪生是现实事物的逼真版本,通过构建物理实体所对应的数字孪生模型,并通过人工智能等手段对数字模型进行可视化、调试、体验、分析与优化,从而提升物理实体性能和运行绩效的综合性技术策略,是企业推进数字化转型的核心战略举措之一。

NVIDIA谱写数字孪生进化论

       在创建数字孪生的过程中,其开发难点在于它是一个融合多技术、多学科的复杂工程。由于任何物理实体都可以创建其数字孪生模型,小到一个零件、一个部件、一个产品;大到一台设备、一个车间甚至一座工厂、一座城市,不同物理实体的数字孪生应用重点差别很大。毋庸置疑的一点是物理实体的结构越复杂,其对应的数字孪生模型也会越复杂,实现数字孪生应用的难度也更大。

       对此,NVIDIA将自身所擅长的GPU数据处理、CUDA运算、实时光线追踪RTX技术等软硬件能力,以及长期深耕的图形、AI、仿真生态系统经验进行集中,以更高效和兼容的方式推出了Omniverse平台,从而解决现实世界与数字世界映射过程中的各项痛点,如各种数字工具的协同,高效逼真的渲染仿真等。在茅勇看来,NVIDIA Omniverse在制造领域数字孪生应用中扮演的角色,是对工业资产、流程或环境的大型仿真,具有物理级准确性,并且采用多个与现实数据流完美同步的自主系统。

       实际上,对于很多制造企业而言,早已开始利用数字样机进行虚拟试验,从而减少物理样机和物理试验的数量,降低产品研发和试制成本,提高研发效率。与数字孪生相同,构建数字模型是企业研发创新不可或缺的环节,而这正是Omniverse平台的优势之所在。

       首先,Omniverse平台具有物理级准确的特点,拥有逼真的物理性质、材质、照明、渲染效果。企业研发设计人员可以先在虚拟世界中测试系统、优化软件或执行升级,从而避免系统宕机或成本高昂的实体原型设计。

       其次,Omniverse 数字孪生具有实时逼真仿真的特性,可按精准时间运行,其中的虚拟呈现会始终与现实世界保持真实同步。这样一来,企业不仅能够及时诊断个体的实时情况,还可以准确仿真和预测无限的“假设”情景。

       此外,Omniverse平台还与AI技术深度融合,在 NVIDIA IsaacSIM、Metropolis、ReOpt 和Modulus 等工具的加持下,企业可以在现实世界和数字孪生环境之间实现自主反馈回路,从而不断重复训练和优化 AI,充分实现智能化决策。

       最后,Omniverse 平台基于开放的标准构建而成,使企业研发设计人员能够聚合和连接 3D 设计与CAD 应用软件,以构建采用单一事实来源的虚拟模型并在此基础上进行迭代,同时研发团队还可以连接并扩展到其它物联网、数据系统和工业自动化工具。

Omniverse平台加速协同与创新步伐

       自2019年在GTC大会上宣布发布测试版以来,NVIDIA Omniverse平台持续进行功能迭代,目前包括面向企业的Enterprise和面向个人的Individual两个版本,基础平台组件包括Nucleus、Connect、Kit、Simulation和RTX Renderer。

       茅勇介绍Omniverse Nucleus为用户提供各种客户端应用程序、渲染器和微服务,用于存储、共享和修改数字模型的各种表现形式,支持跨多个应用的实时协作功能,支持本地、公有云和混合云多种部署形势;Omniverse Connect库用于接收外部的内容创作数字工具连接到Omniverse平台,并保存USD和MDL的内容门户,使用户保持自身的行业软件应用喜好;Omniverse Kit是一个用于构建 Omniverse工具的强大SDK,支持访问 NVIDIA 提供的超过 200 多个扩展程序的源代码,使开发者能够快速自定义相关工具和拓展程序,加速其创作流程;Omniverse Simulation则主要用于提供仿真的相关插件和微服务,呈现真实的三维场景;Omniverse RTX Renderer是一款面向复杂场景的高级渲染器,支持实时光线追踪和参考路径追踪。

       这其中,USD(Universal Scene Description,通用场景描述)作为一个关键技术,可以让Omniverse与Autodesk Maya、Autodesk Revit等多款研发设计工具和数字创作平台连接,实现了各种应用间的通用实时互操作性,便于用户在不同软件平台、不同ISV应用程序下进行合并使用以加强现有的3D工作流程。

       通过携手合作伙伴构建Omniverse Connector、扩展程序和素材库。NVIDIA集成了USD的通用3D场景格式,以及多用户实时协同功能,使研发设计人员能够跨越多个专业技术领域并具有多种关键技术特征,涉及多学科跨专业技术领域高度交叉与融合。以整车厂进行汽车研发设计为例,可能包含供应商、零配件厂商,还涉及到众多的汽车控制系统的联合开发研制,是一项复杂的系统工程,Omniverse实现了各种应用间的通用实时互操作性,充当了互联客户机和应用的中心枢纽。

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图 Omniverse Enterprise目前支持的数字工具与应用
 
       特别是在各地疫情散发的今天,企业从开发、设计到渲染、合成可能需要经历跨部门、跨地域的合作,Omniverse通过多工具流的“一站式”集成合并,使用户无需进行数据准备或抽样,就能把数字资产解析成在不同软件平台、不同ISV应用程序下使用,成为研发创新过程中跨越数字工具的重要桥梁。

       在茅勇看来,通过把图形、AI、仿真和可扩展性计算整合到一个平台中,以加强现有的研发设计流程,Omniverse实际上已经成为企业提升灵活性与协作性的利器。他介绍目前Omniverse已经推出了五大重要App,分别为:

       1.偏向于为媒体、娱乐和制造/产品设计行业的Omniverse Create;

       2.偏向于建筑、工程和施工专业人员设计的Omniverse View;

       3.用于制作面部动画,可以通过音轨快速生成丰富面部表情的Audio2Face;

       4.用于机器人开发模拟的Omniverse Isaac Sim;

       5.面向新一代自动驾驶汽车仿真的Omniverse DRIVE Sim。

       可以看出,Omniverse平台具有广泛的开放性,无论是汽车还是工业机器人,再到科学计算、验证、仿真、科研,Omniverse平台致力于帮助用户更快的完成协同设计、轻量化设计,更简单、更快速、更逼真地把整个数字模型复现出来,帮助企业优化、创新和提供新服务。

持续创新打造数字孪生最佳实践

       目前,NVIDIA Omniverse平台用户数已经超过10万人,广泛应用在机器人仓库、数字工厂、数据中心、智慧城市、能源监测和气候研究等各个领域。实际上,早在NVIDIA推出面向企业版的Omniverse Enterprise之前,就有包括宝马集团、万生华态、Epigraph、Ericsson以及建筑公司HKS和 KPF将Omniverse用于实践中。

       例如“第一个吃螃蟹”的宝马集团,通过采用NVIDIA Omniverse 来设计整个工厂,实现了端到端的数字孪生。宝马集团实施搭载NVIDIA技术的端到端系统,并推出了物流机器人,该机器人由运行在NVIDIA开放Isaac机器人软件平台上的软件架构开发而成。其中导航机器人自主运输材料,操作机器人分拣整理零部件。该系统采用NVIDIA技术进行设计、训练、开发、仿真和部署。机器人使用NVIDIA Omniverse虚拟环境中运行的NVIDIA Isaac Sim进行虚拟训练和测试,并且位于不同地理区域的多名宝马集团职员可在同一仿真环境中协同工作。
 
       爱立信(Ericsson)则是将Omniverse平台用来打造整个智慧城市,通过构建城市规模的数字孪生,Omniverse帮助爱立信准确模拟 5G 基站与环境之间的交互作用,从而更大程度地提高性能和覆盖率。

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图 爱立信在 NVIDIA Omniverse 中为 5G 网络构建数字孪生

       为了满足不同行业、不同规模的企业加速数字孪生应用,NVIDIA提供了包括由1-4块A5000/A6000的工作站、1-8块A6000/A40构成的服务器和面向复杂工业场景的NVIDIA OVX参考架构,在高性能GPU加速计算的同时适配高速存储访问、低延迟网络、精确计时等优势,为企业数字孪生战略落地提供全方位算力支持。
 
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图 NVIDIA Omniverse适用于不同用例的部署选项

       值得一提的是,在今年举办的GTC大会期间,NVIDIA还发布了科学数字孪生平台NVIDIA Modulus。基于物理信息的AI和Omniverse相结合,该平台可加速物理学机器学习模型,以超高性能解决实际复杂场景的仿真与计算问题。NVIDIA Modulus 将数据和物理学考虑在内,以训练一个神经网络,为数字孪生创建 AI 代理模型,可以实时推理新的系统行为,实现动态、迭代的工作流程,并且在与 Omniverse 集成后可以实现可视化和实时交互式探索。目前,西门子歌美飒可再生能源公司(Siemens Gamesa Renewable Energy)正在使用 AI 优化风力发电机的设计。

       如今,数字孪生在制造业有着广阔的应用前景。如同当初NVIDIA将GPU部署在工作站中加速制造企业研发设计流程一般,NVIDIA Omniverse正在帮助企业跨越数字工具孤岛的桥梁,提升研发和仿真效率,不仅为研发人员带来更多想象空间与可能性,还将进一步助力中国制造从世界工厂走向科技创新中心。
 
责任编辑:王聪
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