*本文转载自云科技时代
*作者：宁川
前不久，工信部在谈到数字基础设施建设时表示，工信部将实施国家重大软件工程，特别是着力推动工业技术的软件化。国务院同期发布《关于推动工业互联网加快发展》的通知，并指出：提升工业互联网平台核心能力，引导平台增强5G、人工智能、区块链、增强现实/虚拟现实等新技术支撑能力，强化设计、生产、运维、管理等全流程数字化功能集成。
数字孪生以及用于数字孪生的虚拟现实（VR）和增强现实（AR）将是工业软件和工业生产制造与服务的黑科技。数字孪生将物理世界反向映射到数字世界中（即赛博空间，指物理与网络融合空间），美国的工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键、德国工业4.0参考架构将数字孪生作为重要内容。在数字孪生技术中，近年来兴起的用于实现数字孪生、AR和VR的实时3D可视化技术更被视为黑科技中的黑科技。
2019年，Gartner认为数字孪生处于技术期望膨胀期的顶峰，未来五年将产生破坏性创新。而在实时3D技术加持下，VR/AR和数字孪生将引发真正的破坏性创新。2020年，随着5G、物联网和车联网等VR/AR和数字孪生商用外部条件达到成熟，以及VR/AR和数字孪生等取得阶段性技术成果，接下来就需要实时3D渲染与交互技术的加持，从而引爆以数字孪生为代表的新工业软件市场。
3月份中国制造业采购经理指数（PMI）为52%，在2月基础上大幅上升16.3个百分点。3月PMI指数回升的背后，是企业加快复工复产，新动能回升势头较快。其中，数字孪生技术功不可没：例如宝钢位于宝山基地的冷轧热镀锌智能车间，在200米长的生产线上仅有2名工人流动检视，而由12台智能机器人承担了所有“危脏难”工作。
赛迪智库认为，疫情防控期间，诸多制造企业因受原材料不足、用工短缺等问题的困扰，难以迅速复工复产，而采用数字孪生技术可以在研发设计、生产制造、经营管理等方面重组原有业务流程，优化企业资源配置，提高企业经营效率。采用智能机器人加快复产复工，这仅是数字孪生的初步应用；提高机器设备智能化水平、提高制造车间柔性化水平、提高产品质量管理水平等，这些都是数字孪生的高阶应用。数字孪生更高阶应用则是实现研发协同：在赛博空间构建产品数字孪生体，多物理场、多维度模拟展示产品在物理空间的状态变化，完成产品外观、结构、装配等设计，缩短产品上市周期。雷神山医院就采用了数字孪生的设计方法，负责设计的中南建筑设计院股份有限公司BIM团队为雷神山医院创造了一个数字孪生，以提高设计、施工、落成的速度。例如，该项目利用BIM模型进行医院周边风环境的仿真分析，结果是有利于场地内气体排放的迅速稀释和扩散；对隔离病房气流进行数字仿真模拟，通过分析在病房内形成了“U型”通风环境，能有效改善病房内的污染空气浓度，降低医护人员感染风险。本次疫情催生了智慧城市、建筑、工程、汽车、运输、制造等新型工业和产业互联网应用。其中，数字孪生、VR、AR是主要具备破坏式创新能力的软件创新技术。无论是基于数字孪生的雷神山医院、各种智能机器人，还是基于VR/AR等XR技术的沉浸式营销、培训、远程运维等，都带来了全新的体验。与传统工业软件相比，实时3D技术极大增强了用户体验，能显著提升数字孪生的应用。特别是BIM建筑信息模型、CAD计算机辅助设计、PLM产品生命周期管理等软件产生的数据，之前都是以二维甚至仅以数字方式呈现，很难让使用者和最终用户有直观的理解与认识。而在几年前，实时3D技术还只常见于移动、PC和主机游戏中。今天，越来越多的工业和商用公司，也开始逐渐采用这种新的创作和协作技术。那么，什么是实时3D技术呢？简单理解，实时3D技术就是至少以每秒30帧的速度进行图像渲染，达到与人眼看物理实体无差别效果。用户可以在3D物体内部操控，也可以整体实现沉浸式交互体验，而实时3D交互还可以跨计算机、移动设备和VR头盔或结合AR应用等多硬件平台。为什么实时3D对于数字孪生很重要？数字孪生就是在虚拟的数字空间建立物理物体的可视化仿真，然后在虚拟物体与实体物体之间通过网络建立实时数据传输与交互，达到让虚拟物体可以实时模拟真实的实体物效果。而实时3D技术则可以极大提升数字孪生的使用体验，特别是可以360度获得与真实世界中几乎一样的视觉效果，这无疑将极大提升数字孪生的应用空间。Forrester在2020年3月推出了一份实时3D技术报告，对358位建筑、工程、施工和制造业等负责3D内容创建的从业人员进行调研，结果显示当前的工业软件还停留在过时的可视化方式中，甚至还在使用实体模型！很多组织现在仍严重依赖传统的人工交互、物理模型以及2D可视化；在任何需要可视化的流程环节，约1/3的受访者表示已经有至少3年没有更新过可视化工具软件。从企业内部运营角度来看，61%的决策者认为可视化已经成为企业管理痛点，糟糕的可视化体验遍布从产品设计/原型到现场服务再到销售展示的各个环节。Forrester研究表明，实时3D技术能够实现显著的投资回报（ROI），94%已在使用实时3D的公司正在计划扩大该技术的应用范围，主要原因有降低成本、提高销售量和加快上市时间。而97%还未使用这项技术的企业相信实时3D将改善、甚至变革自己的工作流和生产流程；55%的工业领导者将在未来两年内采用实时3D技术。Forrester Consulting 认为实时3D技术将让数字孪生技术、VR/AR的商用在未来几年达到临界拐点，形成市场的雪崩效应。而以实时3D技术为特点的新工业软件，将未来几年呈爆发态势。数字孪生是一个新兴且非常复杂的技术领域，是多种数字化技术的集成融合创新。在日前工业互联网产业联盟举办的《工业数字孪生白皮书（征求意见稿）》发布活动上，中国信通院信息化与工业化融合研究所工程师刘阳认为，当前工业数字孪生理论认知逐渐深化、应用探索开始涌现，但整体应用还处于初级阶段，普及推广仍有挑战。根据征求意见稿，数字孪生技术包括了基础类技术和核心技术，涉及感知控制、数据集成、建模分析、人机交互等四大领域，其中在建模分析与数据集成方面既有基础类技术也有核心类技术，而人机交互与感知控制则为基础类技术。想要推进数字孪生的整体应用，就需要在基础和核心技术方面达到商业成熟，目前只有少数巨头能独立构建数字孪生解决方案，跨界合作是推动数字孪生应用创新的必由之路。Unity大中华区制造业主管陈禄介绍，基于Unity强大的实时3D技术和人机交互引擎，Unity正围绕数字孪生技术体系提供实时3D开发工具；同时面向特定应用场景，与合作伙伴共同推出完整解决方案。Unity的核心技术优势即实时3D技术以及广泛支持的技术平台和硬件生态体系，源于Unity在游戏领域的技术积累。在实时3D技术领域，Unity并不算是一匹黑马，这家公司已经是游戏领域的基础设施。使用Unity制作的游戏和体验就已经在全球范围内覆盖将近30亿台设备，在2019年一年的安装量就已经超过370亿次。Unity还为全球提供用于2D、3D、VR、AR和MR应用的创作工具，与Google、Facebook、Magic Leap、Oculus、Microsoft等紧密合作，可以为Xbox One、PS4、SteamVR、HoloLens 2、Oculus等超过25个平台制作和优化内容。实时3D技术从游戏领域起步，现在正在改变多个行业，在工业领域，包括建筑、工程和施工（AEC）行业、汽车、运输、制造业（ATM）。陈禄表示，有非常多的工业领域开发者已经开始基于Unity平台进行数字孪生、VR/AR、等工业应用软件的开发，进而引起了整个工业界的重视。而Unity公司也发现在工业和商业领域，对实时3D技术来说存在着巨大的需求和市场机会。为了更好地为工业和商用领域提供通用架构和技术服务，帮助行业推进数字化转型Unity专门成立了工业部门和分布全球的本地支持团队。
同时，Unity也把本身的商业优势带入了基于实时3D的数字孪生领域：打通产品设计与最终使用者之间的鸿沟，用一个实时3D平台连接产品创建阶段的设计、仿真与工程，产品构建阶段的生产制造或建筑施工，产品上市阶段的服务与售后、营销与销售变现等。换言之，在Unity平台上，数字孪生开发者可以完成从辅助产品设计、制造到最终产品上市的全生命周期，实现全流程的数字化。据悉，Unity 已与包括戴姆勒、ABB、恩智浦半导体、现代起亚、雷克萨斯等多个顶级制造企业合作。数字线程是数字孪生的核心技术之一，数字线程提升了数字孪生产品生命周期的数据集成能力。基于统一的数据表达和Unity框架，Unity 可以定制出产品生命周期内不同阶段的不同应用，保证了数据的一致性。Unity还是一个开放的平台，不同行业、不同领域的数据能够很好的集成进入系统。更重要的是，Unity基于组件的开发模式，降低了其它领域参与的难度。Unity在数字线程技术中心作为中间桥梁，连接机械设备与工业互联网平台，将收集的机械数据存储，同时也连接到工业互联网平台的其他设备。而Unity多平台开发功能，使得设备的运行状态能够在VR、MR等设备上观看，实现更加直观的三维效果，提供数字线程的数据集成体验。
人机交互与建模分析方面主要涉及到虚实映射，这是数字孪生的核心课题之一。Unity平台为此提供了实时渲染、物理引擎、MR等关键技术。Unity支持对原始CAD数据的导入，并可以进行智能的轻量化，在保证目标精度的同时最大程度的提升效率；此外，开发者还可以通过三维扫描方式对真实模型和场景进行数据采集进而导入进Unity平台。针对刚体和运动学仿真，Unity提供精确的物理仿真模拟模型。针对特定领域的模型模拟，Unity提供对第三方仿真建模软件的接口支持。对于动态映射信息，Unity实时接入传感器和控制器的高频信号，对虚拟模型进行状态同步和模型参数的调整。Unity还提供MR工具包，通过增强现实的虚实结合方式给用户提供交互界面和平台。面向工业行业，Unity提供了各方面的接口和数据支持。支持主流的CAD格式模型导入和轻量化：CATIA、IGES、STEPS、Solidworks、Pro/Engineer、ALIAS、JT、FBX、3dxml、OBJ、DAE、3DS、STL等等。作为通用开发平台，Unity对于主流的网络协议都有标准的模块库方便进行调用，并且在逐步扩大支持工业领域通信协议的范围，目前的工具包中可以支持通用的通信协议例如OPC UA、MQTT、Active_MQ等等，并对主流的控制器例如Siemens、BoschRexroth、Beckhoff、Lenze等等提供直接的通讯支持；Unity还对第三方仿真软件接口和协议标准进行支持，例如ANSYS、Matlab、FMI等等。在Unity现有支持的工业软件和标准协议基础之上，用户更可自定义开发所需要支持的模块以及相应的数据接口。辅助决策是数字孪生的一个应用场景。Unity能够支持自定义数据解析和数据存储，基于收集的历史数据，可以建立相应的人工智能模型对数据进行分析甚至进行预测，从而影响决策。Unity提供主流机器学习框架（例如TensorFlow等）的框架集成支持，用户可以非常容易的将自己的机器学习模型（例如深度神经网络）连接到Unity的环境中进行训练、测试和部署。借助广泛的Unity生态圈，Unity及数字孪生的生态合作伙伴目前已经完成和提供了多种完整的产品和解决方案：Unity Reflect面向AEC行业，可将BIM元数据无损传输到实时3D环境，并实现多模异地协作和基于BIM数据的二次开发，在不离开Autodesk Revit、Rhino、SketchUp的前提下完成同一Reflect模型的实时设计变更，并传输到iOS、Android、HTC Vive等多个的终端平台；Prespective是的面向虚拟样机开发的数字孪生方案，支持各种工业动态数据传输以及XR等高级仿真技术，并为数字孪生虚拟样机提供最先进的虚拟测试环境；Interact则为工业AR/VR应用提供场景制作工具集，可广泛用于人体工学仿真、设计评审、制造工艺仿真、培训等场景。我们也欢迎和其他的数字孪生企业进行合作，推出基于Unity的其他的面向垂直行业和领域的解决方案。Unity除了通过开发者或软件开发商提供各种数字孪生、AR/VR应用和工具外，也为企业客户提供合作开发及技术培训服务。总结来说：2020年对于新工业软件来说是一个重要的发展之年，随着工业4.0、工业互联网和智能制造的兴起，特别是中国“新基建”的热潮，Unity 在工业领域的发展也站上了风口。以Unity实时3D技术为代表所赋能的XR和数字孪生技术，将让我国工业软件开发者能够开发具有自主IP的软件产品和解决方案，帮助我国的工业企业抓住下一个历史性创新机遇，真正从制造大国走向制造强国！