Уровни сложности цифрового двойника

Сегодня любую цифровую версию системы, компонента или объекта называют цифровым двойником. При такой широкой интерпретации возникает несколько вопросов, в том числе:

  • Должно ли физическое изделие создаваться раньше цифрового двойника?
  • Должно ли физическое изделие со встроенными датчиками и процессором сообщать данные о производительности, работоспособности и обслуживании модели виртуальной системы, иначе, пока данные не передаются, последнюю нельзя будет назвать цифровым двойником?
  • Нужно ли менять определение цифрового двойника, потому что сегодня, с появлением Промышленного интернета вещей (IIoT), любой физический объект можно сделать «умным» и «подключенным»?

На эти и многие другие вопросы о цифровом двойнике и различных сферах его использовании необходимо ответить. Для этого мы определяем четыре уровня виртуальной репрезентации. Каждый уровень имеет определенную цель и область применения и помогает принимать решения и отвечать на вопросы в течение всего жизненного цикла системы. В таблице 1 представлены уровни цифрового двойника вместе с характеристиками, которые определяют каждый уровень.

Таблица 1. Уровни цифрового двойника

УровеньСтепень сложности моделиФизический близнецДанные, получаемые от физического близнецаМашинное обучение (настройки оператора)Машинное обучение (система/ среда)
1 – доцифровой двойникВиртуальный прототипНе существуетНе применимоНетНет
2 – цифровой двойникВиртуальная модель физического близнецаСуществуетПроизводительность; работоспособность; ТО; пакетные обновленияНетНет
3 –

адаптивный цифровой двойник

Виртуальная модель физического близнеца с адаптивным интерфейсомСуществуетПроизводительность; работоспособность; ТО; обновления в режиме реального времениДаНет
4 – умный цифровой двойникВиртуальная модель физического близнеца с адаптивным интерфейсом и обучениемСуществуетПроизводительность; работоспособность; ТО; данные об окружающей среде; пакетные обновления и обновления в режиме реального времениДаДа

Доцифровой двойник

Уровень 1 – это традиционный виртуальный прототип, создаваемый на этапе предварительного проектирования. Он помогает принимать решения при разработке концепции и предварительного проекта. Виртуальный прототип – это универсальная виртуальная модель создаваемой, ещё только предполагаемой системы, обычно такая модель создается раньше физического прототипа. Ее основная цель состоит в том, чтобы уменьшить технические риски и выявить проблемы на стадии предварительного проектирования. Такой виртуальный прототип можно условно назвать доцифровым двойником.

Как и в большинстве подходов, основанных на создании моделей, в виртуальном прототипировании модель системы используется на ранних стадиях проектирования. Однако для создания окончательной системы виртуальный прототип обычно не используется. Это связано с тем, что виртуальный прототип бывает «одноразовым» или «многоразовым». Для создания окончательной системы может использоваться только «многоразовый». В основном виртуальный прототип используется для проверки определенных ключевых решений по системе и для снижения конкретных технических рисков на ранних стадиях проектирования. На рисунке 2 представлен пример виртуальной репрезентации автомобиля первого уровня с использованием библиотеки Planar Mechanics от Modelica. Эта системная модель включает в себя упрощенную модель фрикционного контакта шины, простую модель дифференциальной передачи для равномерного распределения крутящего момента по колесам и отражает такие свойства, как инерция, масса, фиксированное перемещение и крутящий момент. Таким образом представляется базовая структура транспортного средства с массово-инерционными характеристиками. Для определения гравитации и общей системы координат используется PlanarWorld. Датчики измеряют абсолютное положение, скорость и ускорение. Модуль управления траекторией передает значения крутящего момента механизму рулевого управления и дифференциальной передачи. Такие модели с низкой точностью могут использоваться в алгоритмах испытания, планирования и принятия решений, связанных, например, с управлением траекторией автономных транспортных средств, выполняющих перестроение между полосами движения.

Виртуальная модель транспортного средства, построенная с использованием библиотеки Planar Mechanics с открытым исходным кодом.
Рисунок 2 – Виртуальная модель транспортного средства, построенная с использованием библиотеки Planar Mechanics с открытым исходным кодом.

Цифровой двойник

Уровень 2 – это цифровой двойник, в котором виртуальная модель системы способна объединять данные о производительности, работоспособности и обслуживании физического близнеца. Виртуальная репрезентация, являющаяся конкретным экземпляром общей модели системы, получает пакетные обновления от физической системы. Их она использует для поддержки принятия решений высокого уровня при концептуальном проектировании, проработке технологии, предварительном проектировании и разработке. Сбор данных от физических датчиков и вычислительных элементов физического близнеца включает в себя как данные о работоспособности (например, уровень заряда батареи), так и характеристики при выполнении задания (например, часы налета). Данные передаются цифровому двойнику, который обновляет свою модель, включая график технического обслуживания физической системы. Поскольку взаимодействие с физической системой – процесс двунаправленный, физический близнец обладает широкими возможностями для использования знаний, полученных от одного или нескольких цифровых двойников, чтобы улучшать свои характеристики в режиме реального времени.

Цифровой двойник второго уровня используется для изучения поведения физического близнеца в различных вероятных сценариях. Так как цифровой двойник – это исполняемая цифровая репрезентация, с ним легко производить манипуляции, исследуя поведение системы в контролируемой среде моделирования на испытательном стенде.

Любые обнаруженные недостатки используются для модификации физического близнеца, и далее изменения фиксируются в цифровом двойнике. На рисунке 3 представлен пример модели второго уровня системы легкового автомобиля. Эта модель построена с использованием библиотеки интерфейса транспортного средства от Modelica. Данная модель включает в себя легковой автомобиль с гибридной силовой установкой. Модель шасси обладает одной степенью свободы со свойствами сопротивления, зависящими от массы и скорости. Подсистема торможения использует для расчета тормозного момента положение педали тормоза, изменяемое в результате действий водителя. Это оказывает воздействие на трансмиссию. Модель трансмиссии состоит из четырех колес с передним приводом и «идеальным» дифференциалом. «Идеальный» аккумулятор с источником постоянного напряжения питает модель двигателя постоянного тока с индуктором, резистором и источником ЭДС, соединенным со ступицей. Модель двигателя с маховиком состоит из акселератора с электронным управлением, в котором входные данные акселератора преобразуются в крутящий момент на выходе. Для определения инерциальной системы координат, силы тяжести, температуры воздуха и скорости ветра используются модели дороги, окружающей среды и ПО WorldFrame (MathWorks, США). Данные, используемые в этой модели, поступают от физического близнеца.

Модель цифрового двойника, созданная с использованием открытой библиотеки интерфейса транспортного средства.
Рисунок 3 – Модель цифрового двойника, созданная с использованием открытой библиотеки интерфейса транспортного средства.