Представьте себе: дрон-доставщик получил незначительное повреждение крыла во время полета. Должен ли он приземлиться немедленно, продолжить движение в обычном режиме или изменить маршрут к новому пункту назначения? Цифровой двойник, компьютерная модель дрона, который летел по тому же маршруту и теперь испытывает такие же повреждения в своем виртуальном мире, может помочь решить задачу.
Цифровые двойники являются важной частью инженерии, медицины и городского планирования, но в большинстве случаев каждый из них представляет собой индивидуальную реализацию, которая работает только с конкретным приложением. Майкл Каптейн разработал модель, которая может обеспечить масштабное развертывание цифровых двойников — например, создание двойников для целого парка дронов.
Согласно новому исследованию Каптейна и его коллег в журнале Nature Computational Science, математическое представление, называемое вероятностной графической моделью, может стать основой для прогнозирования цифровых двойников . Исследователи проверили эту идею на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) в сценарии, подобном описанному выше.
«Специализированные реализации, которые были продемонстрированы до сих пор, обычно требуют значительного количества ресурсов, что является препятствием для развертывания в реальном мире», — объясняет Каптейн, который недавно получил докторскую степень в области вычислительной науки и техники на факультете аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. .
«Это усугубляется тем фактом, что цифровые двойники наиболее полезны в ситуациях, когда вы управляете множеством аналогичных активов», — добавляет он. «При разработке нашей модели мы всегда имели в виду цель создания цифровых двойников для всего парка самолетов, целой фермы ветряных турбин или группы пациентов с сердечными заболеваниями».
«Их работа раздвигает границы пользовательских реализаций цифровых двойников, которые требуют значительных ресурсов для развертывания и высокого уровня знаний», — говорит Омер Сан, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Оклахома, который не принимал участия в исследовании.
Соавторами статьи Каптейна являются его доктор философии. советник Карен Уиллкокс, приглашенный профессор Массачусетского технологического института и директор Оденского института вычислительной техники и наук Техасского университета в Остине, а также бывший студент магистратуры по инженерным вопросам и менеджменту Массачусетского технологического института Джейкоб Преториус, ныне главный технический директор The Jessara Group.
Развивающиеся двойники
Цифровые двойники имеют долгую историю в аэрокосмической инженерии , начиная с одного из первых случаев их использования НАСА при разработке стратегий, позволяющих безопасно доставить поврежденный спутник Аполлона-13 домой в 1970 году. Исследователи в области медицины использовали цифровых двойников для таких приложений, как кардиология, например, замены клапана.
Однако расширение использования цифровых двойников для управления полетом сотен спутников или рекомендации точной терапии для тысяч пациентов с сердечными заболеваниями требует другого подхода, чем одноразовые высокоспециализированные цифровые двойники, которые обычно создаются, пишут исследователи.
Чтобы решить эту проблему, Каптейн и его коллеги искали унифицирующее математическое представление отношений между цифровым двойником и связанным с ним физическим активом, которое не было специфичным для конкретного приложения или использования. Модель исследователей математически определяет пару физических и цифровых динамических систем, связанных друг с другом двусторонними потоками данных по мере их развития с течением времени. В случае беспилотного летательного аппарата, например, параметры цифрового двойника сначала калибруются с данными, собранными с физического беспилотного летательного аппарата, так что его двойник с самого начала точно отражает данные.
Поскольку общее состояние БПЛА изменяется с течением времени (в частности, посредством таких процессов, как механический износ и регистрируемое время полета), эти изменения наблюдаются цифровым двойником и используются для обновления своего собственного состояния, чтобы оно соответствовало физическому БПЛА. . Этот обновленный цифровой двойник может затем предсказать, как БПЛА изменится в будущем, используя эту информацию для оптимального управления физическим активом в будущем.
Графическая модель позволяет каждому цифровому двойнику «основываться на одной и той же базовой вычислительной модели, но каждый физический актив должен поддерживать уникальное« цифровое состояние », которое определяет уникальную конфигурацию этой модели», — объясняет Каптейн. Это упрощает создание цифровых двойников для большой коллекции схожих физических активов.
Тестовый пример БПЛА
Чтобы протестировать свою модель, команда использовала БПЛА с размахом крыльев 12 футов, разработанный и построенный совместно с Aurora Flight Sciences и оснащенный сенсорными «наклейками» от Jessara Group, которые использовались для сбора данных о деформации, ускорении и других соответствующих данных с БПЛА.
БПЛА был испытательной площадкой для всего, от калибровочных экспериментов до имитации «легкого повреждения». Его цифровой двойник был в состоянии анализировать данные датчиков для извлечения информации о повреждениях, прогнозировать, как структурное состояние БПЛА изменится в будущем, и рекомендовать изменения в его маневрировании, чтобы приспособиться к этим изменениям.
Случай с БПЛА показывает, как подобное моделирование цифрового двойника может быть полезно в других ситуациях, когда износ играет значительную роль в работе, например, ветряных турбин, мостов или ядерных реакторов, отмечают исследователи в своей статье.
«Я думаю, что идея поддержки постоянного набора вычислительных моделей, которые постоянно обновляются и развиваются вместе с физическим активом на протяжении всего его жизненного цикла, на самом деле является сущностью цифровых двойников, — говорит Каптейн, — и это то, что мы пытались уловить. в нашей модели «.
Он отмечает, что подход с использованием вероятностной графической модели помогает «беспрепятственно охватывать различные фазы жизненного цикла актива». «В нашем конкретном случае это проявляется в том, что графическая модель плавно переходит от этапа калибровки к нашему рабочему этапу в полете, где мы фактически начинаем использовать цифрового двойника для принятия решений».
Исследование может способствовать более широкому распространению использования цифровых двойников, поскольку «даже при существующих ограничениях цифровые двойники обеспечивают ценную поддержку принятия решений во многих различных областях применения», — сказал Уиллкокс в недавнем интервью.
«В конечном счете, мы хотели бы видеть технологию, используемую в каждой инженерной системе», — добавила она. «В этот момент мы можем начать думать не только о том, как цифровой двойник может изменить способ работы с системой, но и о том, как мы ее проектируем в первую очередь».
Дополнительная информация: Майкл Г. Каптейн и др., Основа вероятностной графической модели для обеспечения возможности прогнозирования цифровых двойников в любом масштабе, Nature Computational Science (2021 г.). DOI: 10.1038 / s43588-021-00069-0
Иллюстрация: Массачусетский технологический институт.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК