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仿真驱动的数字双胞胎

—— ——Simulation Driven Digital Twin

2017/8/11    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:仿真驱动  制造业  
2017年8月4日,以“仿真驱动产品创新”为主题的2017年中国制造业仿真技术应用研讨会在杭州天元大厦成功召开。本文根据上海制学网CEO叶洎沅在峰会上的发表的《仿真驱动的数字双胞胎》主题演讲整理而成。
    上海制学网CEO 叶洎沅
 
    图:上海制学网CEO 叶洎沅
 
    “数字双胞胎”逐渐变成了近几年的热词,可是关于这个词和“仿真”的关系,很多人都没有认识到。今天我借用几个案例,讲一下“数字双胞胎”与“仿真”的关系。另外,也希望与在座的仿真领域的专家们,一起共同努力,通过提升仿真的应用水平,提升其在企业中的地位。
 
    先分享一段影片。从视频中可以看到这是很多部电影画面的组合,视觉效果非常的震撼,然而这些特效场面背后离不开The Foundry公司,一家提供视觉软件的公司,已经四次获得奥斯卡最佳科技奖Oscar best Tech。那么其与仿真又有什么关系呢?
 
    The Foundry公司已经开始跟包括奔驰在内的很多汽车厂商合作,利用好莱坞最先进的视觉技术来开发新一带的智能驾驶舱系统,即基于虚拟化技术的驾驶舱系统,其有2个特点:一是这个软件为追求用户体验的设计师提供了“所见即所得”的体验;二是与车辆CAN总线信号直接交互,支持实时仿真。从“奔驰未来的智能驾驶舱系统“视频中可以看到,在虚拟的驾驶舱中驾驶员的任何操作,包括时速、安全、油耗各种信息都可以通过人机互动的环境跟进行互动,例如感觉空调不舒服,轻轻用手指划一下就可以调整温度。这是未来的一个趋势,并且对于消费者而言也是比较好的体验。 
 
奔驰的新一代智能驾驶舱系统案例
 
    图:奔驰的新一代智能驾驶舱系统案例
 
    这种虚拟驾驶舱本身的价值也非常受关注。去年上汽推出了一款RX5的车型,其搭载阿里智能互联系统,具备全时网络连接、智能导航和人机交互等互联功能,上市3个月销量达5万辆,并于2017年初扩产能到月产2万辆。而智能驾驶舱系统就是上汽RX5一个非常重要的卖点。
 
    但是,这和Digital Twin又有什么关系呢?我们可以想象一下,在互动元器件上做的一些操作,它会及时把信号交给车辆的系统,车辆的控制系统通过听取这个信号进行操作。反过来车辆也从各种传感器里面把车速、各种信息反馈回来,所以从这个角度讲是一个非常典型的Digital Twin的应用。
 
    数字双胞胎(Digital Twin)也被翻译成数字孪生,Wikipedia 对其的解释为“Digital twin refers to computerized companions of physical assets that can be used for various purposes.A digital twin uses data from sensors installed on physical objects to represent their near real-time status, working condition or position.”
 
    通过翻译工具,百度译为“数字孪生指的是可用于各种目的的有形资产的计算机化伙伴。数字孪生使用从物理对象上安装的传感器的数据来表示它们的接近实时状态、工作状态或位置。”谷歌译为“数字双胞胎是指可以用于各种目的的物理资产的计算机化伴侣。数字双胞胎使用安装在物理对象上的传感器的数据来表示其近实时状态,工作状态或位置。“
 
    数字胞胎有两个重要模型,一是实体的物理模型,二是虚拟模型。虚拟模型是在计算机中,利用数学、统计、图形、逻辑规则等不同方式进行仿真得到的模型,并与物理模型之间通过通讯、感知,紧密地结合起来。因此,在Digital Twin里虚拟模型起到非常重要的作用。
 
    数字胞胎的发展有四个层次,也体现了虚拟模型在Digital Twin中的作用。第一个层次模型映射,即建立物理对象的虚拟映射;第二次层次是监控与操纵,即在虚拟模型中反映物理对象的变化;第三层次是诊断,即发生异常时寻找根本原因;第四层次是预测,即预测潜在风险,合理规划产品或设备的维护。这四个层次应用的背后体现的是仿真的精度与效率,数字双胞胎层次越高,对其要求也就越高。
 
数字双胞胎的四个层次
 
    图:数字双胞胎的四个层次
 
    接下来分别就这四个层次介绍一些案例。值得注意的是,今天讲的仿真不单纯是大家比较习惯的CAE仿真,还包括系统仿真与控制、多物理场仿真、物理仿真、半实物仿真、数据分析与优化等。
 
    Level 1:模型映射
 
    模型映射即在计算机里建立物理对象的虚拟模型,利用虚拟模型反映真实物理对像的状态。从严格意义上这并不是一个完整的Digital Twin,因为没有通过传感器获取实体模型的信号,从这个角度来说,这是Digital Twin最低的层次。
 
    这一层次的应用实例较多,比如数字化装配,定义一个产品是如何一步一步利用螺栓以及其他的方式最终连接在一起,是一种典型的虚拟映射。还比如大型装备的动力学仿真等,在没有物理模型的时可以利用虚拟模型模拟测试应用情况,例如航天器帆板、天线的动力学仿真,对卫星天线利用离心力展开的过程、太阳帆板展开过程、桁架式星载结构的展开过程等进行虚拟分析判断。
 
数字化装配
 
    图:数字化装配
 
    Level 2:监控与操纵
 
    利用数字双胞胎实现监控和操作,即把实体模型和虚拟模型连接在一起,通过虚拟模型反映物理对象的变化。
 
    例如风力发电机的实时监控案例,左边是风机的虚拟模型,右边是正在运行的物理风机的各种信号,随着风速的调整迎角会发生变化。将变化参数输入到虚拟模型中,通过对虚拟模型的监测,可以实施更好的控制策略,例如风机的叶片会不会因为风速过大发生变形,或者对震动频率会有什么样的影响,当风速超过一定程度后,需不需要做出停机等操作,或者风速在一定范围的时候要如何改变迎角获取更大的发电效率,这些操作策略需要利用对实时的数据监测,并反应到虚拟模型中,从而对控制行为作一个更好的决策。还包括飞行模拟器也是一个比较典型的数字双胞胎监控和操作案例。
 
风力发电机的实时监控案例
 
    图:风力发电机的实时监控案例
 

责任编辑:李欢
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