電影《流浪地球》中，12000臺行星發動機推動地球開啟前往比鄰星的流浪之旅。以建設數字中國為目標的數字化轉型，亦需要各種類型的“行星發動機”。數字孿生作為數字化轉型的關鍵核心技術，其最核心的物理引擎也是推動數字化轉型的“行星發動機”之一。本文將圍繞數字孿生物理引擎的現狀和應用，以及對于運營商的價值展開論述。

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場景中物體與場景之間、物體與生命體之間、物體與物體之間的運動交互和動力學等物理作用，通過計算機程序真實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則是一個開源的物理模擬計算引擎，采用Zlib開源許可證。可見物理引擎是科技巨頭角逐的領域。

(相關資料圖)

圖1 PhysX物理引擎

圖2 Havok物理引擎

圖3 Chaos物理引擎

圖4 Bullet物理引擎

國內初創公司Motphys是國內最早自研物理實時仿真技術的團隊，成立于2020年10月，擁有自主研發的動作物理引擎，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、流體力學、傳熱學、材料力學、物理性質等等，如剛體動力學模擬，物理空間查詢，關節模擬，對車輛的準確和高效模擬，包括輪胎、發動機、離合器、變速器和懸架模型，運動學特征控制，材料彈性模擬，非凸形狀模擬，針對液體、粒狀材料、布料、剛體、可變形體等的動力學模擬等許多關鍵物理精確模擬。

對于數字孿生，尤其是城市、交通、建筑、工業、軍事、科學的數字孿生，物理引擎都十分重要。物理引擎將包含各類物體的實體空間變為可計算的空間，對組成實體空間內的各類物體等進行描述、預判、診斷和決策，實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險預測模擬，煤礦開采中基于物理引擎進行對煤礦冒頂、瓦斯、煤塵、水災、火災的仿真模擬，地質學中高位崩塌墜落、撞擊、碎裂、堆積全過程模擬，工業中的基于數字孿生的汽車安全碰撞實驗、汽車的結構耐久、疲勞分析，工業產品設計中的產品物理特性模擬，醫學中骨骼、血液、神經模擬分析，通信中網絡信號覆蓋及衰減計算和預測模擬，都需要物理引擎的支持，可以說數字孿生物理引擎是眾多行業實現真正數字化轉型的關鍵。

3、數字孿生物理引擎

在汽車領域數字化轉型中的應用案例

下面我們以汽車領域數字化轉型為例，介紹一下數字孿生物理引擎對于汽車領域的價值。對汽車領域來說，數字孿生的價值貫穿于從汽車設計到運行模擬、生產裝配、維護維修全產品流程。在設計中對于風阻的模擬，以及在模擬器中模擬碰撞測試、自動駕駛和其他場景模擬測試，比使用實體車輛在真實環境中進行測試更容易，而且成本更低。

利用數字孿生技術進行開發設計為汽車生產提供了更多可靠性。例如現在的新能源汽車，尤其是純電動汽車設計，十分重視對于電能的消耗，所以能耗建模是非常關鍵的。而影響能耗的，包含風阻、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，基于計算流體力學等物理特性，可以在設計階段就能夠預測能耗情況并進行相應改進，最大限度優化車輛的空氣動力學設計，降低低風阻系數，并對熱沖擊或電磁影響進行模擬，以優化線路等布局，減輕車輛重量，降低能耗。

在汽車領域中，一個非常重要的環節就是汽車碰撞實驗，各大汽車廠商都十分重視汽車碰撞，一個汽車碰撞實驗室投資規模需要上億元，每年要對數百輛車進行碰撞測試。每次汽車碰撞的成本在幾十萬甚至是百萬以上。

基于數字孿生物理引擎的汽車碰撞可以在某些方面代替真實的汽車碰撞，并且可以反復進行，多次模擬驗證，不僅減少了汽車碰撞的成本投入，而且帶來了更高效的汽車質量提升。通過數字孿生物理引擎的模擬，可以實現汽車碰撞部分場景的模擬，輔助設計，以獲得更安全的碰撞結構。

4、數字孿生物理引擎

對于運營商數字化轉型的價值

數字化轉型中非常重要的一點就是將傳統的設計、實驗、培訓、生產流程等方面通過數字化的方式去實現與優化，而這些過程中很多場景都涉及物理方面的數字化。僅是汽車領域中的碰撞實驗方面，通過基于數字孿生物理引擎的數字化轉型，就能帶來巨大的成本降低以及效率提升。在其他領域，例如核工業中通過數字孿生物理引擎加速聚變反應堆的設計與開發，航空航天中對于飛行器的設計與模擬，能源領域主動預測能源設施銹蝕情況，發電領域的風電場布局，通信領域基于網絡覆蓋數字孿生的電信網絡規劃和運營，科學領域的極端天氣預測等等，都能通過基于數字孿生物理引擎的數字化轉型帶來巨大的價值和效率提升。

所以，高質量的數字孿生物理引擎，將推動傳統行業領域實現真正的數字化轉型，并獲得數字化轉型帶來的可觀效益。對于運營商的數字化轉型，在網絡服務方面，可以通過數字孿生實現更加高效的網絡規劃和運營，并且可以基于數字孿生將網絡數據通過時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，在云服務方面，數字孿生物理引擎可以支撐云計算提供高附加值服務，尤其基于算力計價的服務，物理引擎對于算力的消耗極高，所以對于云服務業務的增長也具有極大的潛力和價值。例如對于云服務的智算中心、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，以及其它如科學研究、機械制造、新能源新材料分析、影視制作等服務，大到飛機設計，小到齒輪關節設計，實現全流程的數字化轉型。