我们已经确定数字双胞胎的概念不仅仅是炒作。在这篇博客文章中，我们讨论了如何将高保真多物理模型与轻巧模型和测量数据结合在一起，以创建可用于理解，预测，优化和控制真实系统的真实系统和模型的数字双胞胎。这是用用于混合动力汽车的电池组来体现的。
数字双胞胎概念
传统的基于模型的设计涉及对模型的验证和验证，可用于优化设备或过程的设计或操作。通常通过将实验结果与模型结果和执行参数估计进行比较来验证该模型。
数学建模和仿真被广泛用于设备和过程的设计。
概念数字双胞胎，也称为虚拟双胞胎，包括上述基于模型设计的验证和验证步骤。不同之处在于，数字双胞胎意味着模型和设备或过程之间的信息传输更加紧密，并且通常是实时的。数字双概念可以在设备或过程的设计，制造和操作阶段中使用。目的是根据虚拟空间中的模型理解，预测，优化和控制实际系统。我们可以想象，数字双胞胎适用于相对复杂且昂贵的系统。我们可能不会为常规汽车中的每个排气管构建数字双胞胎或管理数字双胞胎实例，因为这可能不会给予投资回报。但是，电池组是一个相对昂贵的系统。
在这篇博客文章中，我们举例说明了在电池组的设计和操作阶段中使用数字双胞胎的使用混合动力或电动汽车。
电池组的数字双胞胎
下图显示了在真实空间中包含物理设备的数字双概念：带有传感器和控制系统的电池组。虚拟空间包含模型；在这种情况下，电池组的型号。数据和信息的传输将真实空间与虚拟空间联系起来（参考。1）。
数字双概念在混合动力汽车的电池组上举例说明。
多物理，多尺度和轻量级模型
虚拟空间包含对真实过程的丰富表示，该过程实际上以非常高的保真度模仿了真实过程（参考。2）。此外，当需要在较小的时间尺度上需要结果时，轻巧的模型可用于更快的相互作用。这些轻巧的模型可能会不断地校准为高保真富的模型。
对于电池组，数字双胞胎可能是多物理和多尺度系统电池组的型号这也包含历史数据。轻量级型号可能是电池组的集团和等效电路模型。历史数据可能包括特定电池组的测量数据，包括：
它还可能包含来自同一型号的其他电池组的数据。特定电池组的数字双胞胎可以称为该电池组型号的数字双胞胎实例。
数字双胞胎是由一系列不同模型创建的，这些模型共同模仿电池组的行为，并具有很高的保真度。
使用模型，可用于测量和报告的数据可用于产生电池组内部条件的非常准确的表示，并在模型中提取参数。然后，这些模型可用于对电池组的操作进行预测，并计算可在电池组控制中使用的控制参数。
信息过程意味着将电池组的操作调整到电池状态，驾驶员的驾驶配置文件以及当前的操作和驾驶条件的状态。它还可以将报告发送回电池组，以及有关电池组预计的未来操作和行为的驾驶员。例如，如果温度显示出过热的风险或在电池电池的一定充电状态下，它可能会发送参数，以暂时限制充电期间（制动过程中）的最大电流。它还可以检测到包装中的电池单元，该电池单元无法正确执行并将其与电路断开连接。
机器学习，云计算和物联网
虚拟空间中合并的复杂模型可能需要强大的计算机，以便快速产生结果以实时有用。这意味着可以通过使用功能强大的服务器远程运行（例如，使用云计算）来创建数字双胞胎行为的主要部分，而某些进程可能在安装在汽车中的控制单元中的本地运行。
例如，上述轻量级型号可直接在电池组的控制单元中使用。为了使这些轻质模型保持准确，可以通过将其与较大时间尺度计算的较丰富模型的预测和结果进行比较，从而实时更新控制参数。较丰富的模型可能会对电池的温度曲线，充电状态以及其他电化学和物理参数产生详细的物理描述。因此，数字双胞胎可能是在不同平台和位置部署不同组件的系统中生产的。
部署在不同位置的多个组件和模型可能有助于创建数字双胞胎。
数字双胞胎及其真正的对应物通常不是孤立的系统。在大多数情况下，它们是较大系统的一部分，该系统也可能涉及其他设备及其数字双胞胎。此外，真实设备可能具有几个数字双胞胎，称为数字双胞胎汇总，为了优化，控制和预测设备的不同方面。
例如，如果电池组的某些部分容易受到疲劳的影响，那么我们可能希望生产一个数字双胞胎，以实现电池组的结构行为。由于这可能仅在较大的时间尺度上影响电池组的操作，因此这种数字双胞胎可能会更松散地与数字双胞胎耦合，从而模拟了电池组的电气行为。电池组的数字双胞胎还可以与用于发电机，电动机和混合动力汽车的燃烧引擎的数字双胞胎互换信息。
真实系统可能会与许多也可能相互作用的数字双胞胎互动。
较大系统及其数字双胞胎的不同部分可能需要相互通信。此外，数字双胞胎可能需要从安装在不同物理位置的传感器和设备中获取数据。这物联网（物联网）及其技术可用于传感器，设备和生产数字双胞胎的计算机系统之间的通信。
机器学习（有时也称为人工智能或AI）可以使用算法来训练数字双胞胎，以决定何时应查询不同的设备或其他数字双胞胎以获取数据，何时应更新不同的控制参数，以及何时报告。对于数字双胞胎和真实系统，应更新。因此，术语数字双胞胎，，，，云计算，，，，物联网， 和AI是昂贵的电池系统的有效开发，设计，制造和操作的重要概念，例如电动汽车中安装的系统。
如何将ComsolMultiphysics®模型合并到数字双胞胎中？
工程师和科学家可以使用ComsolMultiphysics®软件来创建非常准确的多物理和多尺度模型。此外，该软件能够轻松地组合轻量级模型并使用根据富裕模型预测的高保真行为不断更新轻量级模型的方法。可以使用最先进的方法来连续验证模型，以进行参数估计和优化。这样的模型是数字双胞胎中的关键组成部分。
为了使用COMSOL多物理模型来创建数字双胞胎，我们必须允许这些模型连续接收来自外部系统的测量数据和报告，然后将预测参数和控制参数交付回该系统。最简单的方法是使用comsol API用于使用Java®。
例如，comsol多物理模型文件可能包含代表数字双胞胎不同方面的几个模型组件。在电池组示例中，不同的模型组件可以是三维高保真模型组件，微观尺度上的详细电化学模型组件以及用于快速交互的集团模型组件。当将模型保存为Java®型号文件时，所有这些组件都可以从Java®程序访问。该程序中包含的Java®模型文件可以与外部系统通信；例如，使用动态链接库文件（DLL文件）。受益于Java®生态系统，您还可以将虚拟空间作为Web服务（例如，基于Java®的Web服务）实现，例如，可以呈现例如表示表示状态转移（REST）API进行通信与真实的空间。
可以通过应用程序在comsol Server™并通过创建的汇编应用程序comsol Compiler™。这里的限制是在执行过程中无法更新Comsol Server™或编译应用程序中的模拟。但是，根据事件触发的更改，可以启动或重新启动执行，以更新真实的物理设备以及数字双胞胎；例如，更改文件，传感器触发的命令或操作员触发的事件。实际空间和虚拟空间之间的数据和控制参数可以作为这些事件触发的命令的结果来回发送。
总结说
在军事和空间应用之外，数字双胞胎的概念才开始变得可行和有吸引力。分析师提出的问题之一是缺乏模型，并且缺乏产生高保真预测所需的建模和模拟知识（参考。3）。
许多数字双胞胎仅依靠传入数据的统计处理和对历史数据的查找，以创建数字双胞胎。缺点是，这几乎没有对设备或过程中真正发生的事情的了解和理解。它还需要大量特定品牌的设备或过程的大量可靠数据。对于大型产品生产的较便宜的产品，这可能是一种可选的方法。乐动体育app无法登录
相比之下，一旦经过验证，多物理模型就可以在最小数据的广泛操作中准确。由于这些原因，需要包括某种基于模型的描述的数字双胞胎。对于昂贵的产品（例如电池组）乐动体育app无法登录，特别需要可靠的多物理模型。
部分微分方程（PDE）是呈现物理定律的最准确方法（参考。4）。comsol多物理学使我们能够使用基于PDE的多物理模型基于最准确的描述来创建数字双胞胎。
参考
- M. Grieves，“数字双胞胎：通过虚拟工厂复制卓越制造业”，Michael W. Grieves，LLC，2014年。
- E. Glaessgen和D. Stargel，“未来NASA和美国空军车辆的数字双胞胎范式”，第53个结构，结构动力和材料会议，2012年。
- J. Voskuil，“基于模特的 - 数字双胞胎”，Jos Voskuil的博客，2018年7月2日；https://virtualdutchman.com/2018/07/02/model基于the-digital-twin/。
- R. Feynman，矢量场的微积分，，，，Feynman关于物理学的演讲，1963– 1965年。
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