数字孪生到底需要什么引擎

最近我关注的一个数字孪生博主连续发文谈到关于数字孪生的引擎问题，并呼吁《数字孪生，还是需要个新引擎~》；比较巧合的是最近参加信通院组织的数字孪生创新坊讨论时，发现他们也在讨论统一的数字孪生底座以及运行引擎；再加上各厂商今年以来密集的发布各种数字孪生的平台和引擎，看来无论从学术界还是产业界对于数字孪生业务需要自己专门的引擎还是有了统一的共识。

但是什么是数字孪生的引擎，好像说法不一，尚未有一个明确的定义。今天我们就试着探讨了下数字孪生到底需要的是什么引擎。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

什么是引擎？文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

在探讨数字孪生引擎之前，我们首先要搞清楚引擎是什么？文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

通常一谈引擎，大家都会想到的是的汽车、机车的发动机，而针对工程机械所需要的引擎英文翻译通常有两个「motor」或「engine」，但是在软件领域所说的引擎则翻译为「engine」。「engine」一词源于古法语engin以及拉丁语ingenium，意为“天赋”。因为我们的软件工程领域大部分术语都是舶来品，所以了解词性有助于我们进一步掌握对此类软件形态的诉求。而从「engine」起源的词义“天赋”，不难看出当时在软件工程领域引用「engine」这个概念是不仅仅是希望引入一个工具，同时也希望使用这些「engine」的应用具备某些“天赋”让可以帮助它们取得竞争优势。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

在讨论了引擎「engine」的词义后，我们再看下目前在软件工程应用最广泛最成功的引擎—游戏引擎是如何构成的，我想这将有助于我们进一步理解软件领域的引擎概念。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

“游戏引擎”这个术语在20世纪90年代中期形成，与id Software开发的爆款第一人称射击游戏（first person shooter,FPS）-《毁灭战士》《DOOM》有关，当时其架构就清晰的划分了核心软件组件（如三维图形渲染系统、碰撞检测系统等）、美术资产（art assets）、游戏规则（rule of play）等，这样就只需要对引擎作出很少的修改，小规模的游戏工作室就可以创作新的游戏。然而随着几十年的发展的大型游戏引擎能力有了很大的飞跃，当然游戏引擎系统复杂度也到达了一定高度。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

下图是Jason 大神在Game Engine Architecture中提及到的游戏引擎通常的架构构成：文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

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相信看到这张框架图估计要吓退一大波人啊，又是操作系统又是硬件设计还有渲染、物理碰撞、动画仿真等等。其实如果我们抛开具体的功能不谈，总结下来游戏引擎的主要能力其实是由支撑游戏运行时的组件和游戏开发工具套件两部分构成。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

数字孪生引擎的构成文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

如果从游戏引擎的概念来看，那么一个基本的数字孪生引擎不管是什么形态，至少要由支撑数字孪生应用运行时的组件和数字孪生应用开发工具套件两个基本部分构成。相对开发工具套件，应用运行组件可能大家会更加熟悉，我们先以终为始的从运行态来看下数字孪生应用到底需要哪些组件来支撑。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

从目前来看主要市场主要的数字孪生应用来看，一个数字孪生应用运行所需要的基本组件如下：文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

一 是提供数字孪生认知与交互所需的三维图形可视化的组件，以满足最终用户查看孪生对象和场景，并支撑用户操作。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

二 数据驱动数字孪生模型的变化的联动组件，确保数字孪生的实例能够根据实时物理对象的状态进行变化。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

三 是数字孪生所需要的实时数模融合能力组件，来为应用提供数字孪生的各数据加工为数字孪生模型的能力。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

四 是与物理对象的实时状态的同步能力组件，能够采集不同 物理对象或者管理物理对象的IT系统中物理对象的状态数据。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

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除了这些基础组件外，有些特定数字孪生应用还需要仿真和AI预测分析的能力。然而对于仿真和AI预测分析，是否需要由数字孪生的引擎来提供相关组件，业内还是有一些争论。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

一方面是因为这两项本身的复杂度其实是超越数字孪生的，如果将相关能力改造成组件紧耦合的放入到数字孪生引擎势必会造成系统的臃肿；另一方面，仿真与AI预测分析能否由统一的通用平台来提供目前尚未有结论，现在不同的应用需求使用的仿真和分析的算法与平台均不相同，所以能否组件化，成为能力加入到数字孪生引擎之中是个很大的挑战。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

个人认为通用的仿真和Ai预测的分析组件未来不太可能出现在通用数字孪生引擎中，但是随着数字孪生行业的进一步内卷，将演化出某些专业领域数字孪生引擎，这些引擎中将会集成流体力学仿真、流程优化算法等专业领域的求解器组件可能会融合进去。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/149.html

好了，我们暂且搁置争议部分，继续讨论数字孪生引擎。对于数字孪生应用运行所需的组件我们刚才进行了讨论，那么应用开发到底应该有哪些工具套件呢？我们还是从游戏开发找找灵感，看看游戏引擎们都提供了哪些能力，

下图是目前最火的三款游戏引擎的产品体系，从里面我们可以看出，他们在为开发服务的工具套件中，基本都包含如下能力：游戏编辑器、资源生产、运营服务、游戏分发服务。从这些能力构成来看，他们好像提供不仅仅是狭义的游戏软件的开发能力，还包括游戏运营和分发等服务，是一种更加广义的游戏开发。

在了解了他山之石后，对于数字孪生领域的开发工具套件如何构建好像已有了一些基本的思路。

首先，游戏编辑器是这种生产力工具，对于数字孪生应用肯定是必须的开发套件了。能够将各种物理对象的状态数据与3D模型进行结合，形成不同的数字孪生的应用场景。

其次，资源生产在数字孪生应用的开发工具中也是必不可少的，毕竟数据与3D结合是目前主流的数字孪生应用区别于其他软件系统主要区别。那么如何将各种3D的甚至2D图标、数据图表、功能按钮等这些可视与交互的资源如何生产就成了不可或缺的能力。

最后，目前数字孪生孪生的应用多是ToB客户为主，并且目前国内的市场多是以私有化部署为主，所以类似游戏引擎的线上运营和分发服务可能就并不重要了。但是为数字孪生应用开发者与数字孪生使用者建立需求对接的桥梁服务是必然存在的，毕竟对于开发者来说都希望自己的软件系统能为更多的的用户来提供服务。

数字孪生应用与开发套件

在了解了数字孪生引擎的基本能力需求后，我们最后再看下数字孪生应用运行组件与数字孪生开发套件如何运行。个人认为可能会有三种形态存在：工具嵌入式、工具独立式、部分嵌入式三种。

1、工具嵌入式，数字孪生应用与数字孪生开发工具一体，这种类似于我们用的word编辑的文字文章，编写和阅读都是word软件承载。这种模式比较适合规模比较小，应用场景变化比较快的数字孪生应用。毕竟随时打开随时编辑还是非常方便的，但是对于最终用户要求会高些。

2、工具独立式，数字孪生应用与数字孪生开发工具分别是独立的软件分别部署，这种类似于我们用的word编辑的文字文章，之后导出pdf格式，这样编辑文章你要用word软件，阅读文章用pdf软件。这种模式适合大规模的复杂数字孪生应用，通过专业的生产资源工具和应用编辑平台交由专业人员去进行加工和生产。

3、部分嵌入式，数字孪生应用内部集成了某一个开发工具或某些开发工具的部分能力，这种就有点类似在word里插入了Excel表格，你可以使用部分Excel 的能力，但是如果需要完整工具能力还需要回到Excel中去。这种模式在嵌入式和独立式之外希望找到一种平衡能够兼容两者所长。目前毕竟理想的是资源生产这种偏向美术技术的放给专业人士来使用，而应用编辑的能力是偏向IT领域的交由最终用户来使用。

最后，对于什么是数字孪生引擎业内还在探索尝试期，最终到底什么形态才是数字孪生业务所需要的引擎能力还有待于市场的反馈以及各厂商的贡献。但是对于数字孪生这个领域或者说是产业来说，数字孪生引擎的应当围绕着如何降低数字孪生应用的成本出发，这个成本不仅仅是开发应用的成本，也包括与其他系统的集成成本以及如何降低数字孪生应用的推广成本。

来源微信公众号：城市尘微   作者：刘钰胜