Часто возникает вопрос: является ли концепция «цифрового двойника» лишь маркетинговым термином для продвижения ПО или же это фундаментальный технологический прорыв? В данной статье мы детально разберем ключевые отличия между обычными моделями, приложениями и полноценными цифровыми двойниками, а также раскроем глубинный смысл этой концепции, который часто теряется в современном обиходе.
Сущность и происхождение концепции
Идея цифрового двойника зародилась в высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая промышленность. Исследователи Глесген и Штаргель подробно описали принцип их использования для сертификации транспорта и управления автопарками. Главная цель цифрового двойника транспортного средства — это непрерывный прогноз его состояния, остаточного ресурса и вероятности успешного выполнения миссии. Согласно их определению, цифровой двойник — это интегрированная мультифизическая, мультимасштабная и вероятностная модель изделия, которая использует лучшие доступные физические модели, данные датчиков и историю эксплуатации всего парка для симуляции состояния реального объекта в полевых условиях.
Сам термин «digital twin» был введен Майклом Гривзом из Мичиганского университета в 2011 году, хотя сама концепция (под названием «модель зеркальных пространств») была им сформулирована еще в 2002-м. Гривз определяет цифровой двойник как систему, состоящую из двух взаимосвязанных пространств: реального и виртуального. Виртуальное пространство аккумулирует всю информацию из реального мира и содержит детальное, часто численное, описание физического устройства или процесса на всех уровнях — от микроскопического до макроскопического. Описание, предоставляемое цифровым двойником, должно быть практически неотличимо от своего физического аналога.
Ключевые компоненты архитектуры
Гривз выделил несколько важных структурных элементов в экосистеме цифровых двойников:
- Прототип цифрового двойника (DTP): это шаблон или эталонная модель, используемая для создания конкретных экземпляров. Он включает в себя высокоточные модели, но еще не содержит данных от реальных устройств.
- Экземпляр цифрового двойника (DTI): уникальная копия, привязанная к конкретному физическому объекту. Она содержит настройки модели, управляющие параметры, данные датчиков и историю эксплуатации именно этого изделия. Например, DTI позволяет прогнозировать состояние конкретного двигателя на конкретном самолете.
- Совокупность цифровых двойников (DTA): группа экземпляров (DTI), которые могут взаимодействовать, запрашивать и обмениваться данными друг с другом, формируя более сложную систему.
- Среда цифровых двойников (DTE): интегрированная мультифизическая и многомасштабная платформа для создания и работы с цифровыми двойниками.
Краеугольным камнем концепции является требование динамичности и постоянной актуализации. Статическая модель — это не цифровой двойник. Между реальным и виртуальным мирами должна существовать непрерывная двусторонняя связь на протяжении всего жизненного цикла объекта — от производства до утилизации. Данные с датчиков и отчеты постоянно поступают в цифровой двойник, а прогнозы, управляющие команды и рекомендации передаются обратно в реальный мир.
В отличие от традиционного моделирования, цифровой двойник создает тесную, живую связь между физическим объектом и его виртуальной копией.
Рассмотрим пример реактивного самолета. В процессе полета датчики и бортовые системы непрерывно отправляют данные его цифровому двойнику. Пилот также может передавать отчеты. В ответ двойник отправляет на борт управляющие параметры и аналитические отчеты. Часть расчетов может выполняться на бортовых компьютерах в реальном времени, а более сложные задачи — решаться удаленно на мощных серверах. Ключевой момент — поддержание плотной и постоянной связи между пространствами.
Сложные системы и иерархия моделей
Современный реактивный самолет — это чрезвычайно сложная система. Для его точного цифрового отображения требуется среда моделирования, объединяющая сотни, а то и тысячи мультифизических и многомасштабных моделей.
Например, для моделирования реактивного двигателя может использоваться комплексный подход: модель горения для контроля рабочих условий, CFD-модель для газодинамических процессов, связанная с ней модель течений в топливной системе, отдельная модель для системы охлаждения с учетом теплопередачи, многотельная динамическая модель с учетом взаимодействия жидкости и конструкции (FSI) для подвижных частей, а также прочностные расчеты и микроскопические модели материалов для оценки усталости и термоциклической прочности критических компонентов. Все эти модели непрерывно получают актуальные данные о параметрах работы конкретной турбины.
Совместный CFD и тепловой анализ позволяет определить напряжения и деформации в статоре турбины. На основе этих данных можно спрогнозировать число циклов до усталостного разрушения. Экземпляр цифрового двойника (DTI) отслеживает фактическое количество температурных циклов и пиковые нагрузки, которым подвергался статор в течение всего срока службы.
Аналогичным образом детальные цифровые двойники создаются для других подсистем самолета: управления полетом, гидравлики, шасси и т.д. Каждый включает свои модели, данные и историю.
На иллюстрации показаны ключевые подсистемы истребителя. Цифровой двойник всего самолета представляет собой совокупность (DTA) различных виртуальных подпространств, каждое из которых содержит модели, данные и отчеты для своей подсистемы.
Эти подпространства и подсистемы взаимодействуют между собой, запрашивая информацию. Система управления моделированием должна координировать даже слабые связи между разнородными моделями, инициируя расчеты по запросу. Для задач с двунаправленным влиянием используются методы совместного моделирования (cosimulation).
Высокоточные модели, данные датчиков и исторические отчеты позволяют использовать цифровые двойники на всех этапах: проектировании, сертификации, производстве, эксплуатации и оценке остаточного ресурса.
Роль упрощенных моделей
Высокоточные мультифизические расчеты требуют значительных вычислительных ресурсов и времени. Однако многим системам, например, системам управления самолетом, необходимы данные в реальном времени. Для этого цифровой двойник должен включать облегченные (упрощенные) модели, способные быстро выдавать результат.
Детальный CFD-расчет профиля крыла может занимать часы даже на мощном компьютере. Такое моделирование используется прежде всего для верификации и калибровки более простых моделей (например, моделей турбулентности или моделей с сосредоточенными параметрами), которые уже могут работать в режиме реального времени.
Недостаток упрощенных моделей — их ограниченный диапазон применимости. Цифровой двойник решает эту проблему, постоянно проводя их валидацию на основе данных высокоточных расчетов и показаний датчиков. Модели обновляются, когда условия работы выходят за пределы проверенного диапазона.
Преимущество очевидно — скорость. В случае с истребителем, легкие модели могут быть встроены непосредственно в бортовые компьютеры подсистем. Их постоянное обновление и проверка могут осуществляться через высокоскоростную связь с наземными суперкомпьютерами, где работают высокоточные модели и хранятся все исторические данные.
Технологический фундамент и актуальные тренды
Описанная концепция требует колоссального обмена и хранения данных между мирами. В военных системах это происходит в закрытых контурах. В гражданской сфере именно этим объясняется синергия концепции цифровых двойников с такими трендами, как Интернет вещей (IoT), сети 5G, машинное обучение (ИИ) и облачные вычисления. Это не просто «хайп», а технологическая необходимость.
Все эти технологии являются критически важными элементами инфраструктуры для реализации полноценных цифровых двойников в промышленности.
IoT обеспечивает передачу данных с датчиков и прием управляющих сигналов. Машинное обучение помогает автоматически принимать решения о том, когда и какие модели нужно обновлять или запрашивать, чтобы поддерживать синхронизацию двойника с физическим объектом. Облачные вычисления предоставляют ресурсы для сложных расчетов, обработки больших данных, хранения истории и координации запросов от множества подсистем.
Инструментарий: платформа COMSOL Multiphysics®
Пакет COMSOL Multiphysics® является мощным инструментом для создания высокоточных мультифизических и многомасштабных моделей, составляющих ядро цифрового двойника. Он также предоставляет возможности для валидации моделей по данным измерений, параметрической оценки, оптимизации и контроля. Важную роль играют методики понижения порядка моделей (model order reduction), позволяющие создавать те самые облегченные версии для работы в реальном времени.
В COMSOL можно создавать системные модели, состоящие из множества компонентов для совместного моделирования различных подсистем (например, всего реактивного двигателя).
Для организации тесной двусторонней связи можно использовать COMSOL API на основе Java®, позволяющий модели взаимодействовать с внешними системами через DLL или веб-сервисы (например, REST API на базе Tomcat). Это может стать основой среды цифрового двойника (DTE).
Схема взаимодействия: веб-сервис (REST API) выступает в роли связующего звена между физическим устройством и приложением COMSOL, реализующим цифровой двойник.
Платформы COMSOL Server™ и COMSOL Compiler™ позволяют развертывать и управлять моделями и приложениями. Автономные скомпилированные приложения могут использоваться для выполнения ресурсоемких расчетов по запросу от цифрового двойника для периодической валидации встроенных облегченных моделей.
Вывод
Концепция цифровых двойников — это далеко не просто модный тренд. Это мощный подход, позволяющий глубоко понимать, прогнозировать и оптимизировать продукт или процесс на всех этапах его жизненного цикла. В случае с истребителем это означает сопровождение конкретного самолета от цеха до утилизации, предоставление расчетных параметров, оценку рисков и остаточного ресурса с высокой точностью и относительно низкими затратами.
Используя возможности платформ COMSOL Multiphysics, COMSOL Server™ и COMSOL Compiler™, можно создавать необходимые мультифизические модели, методы валидации и управления, реализуя тем самым полноценную и эффективную связку реального и виртуального пространств, которая и составляет суть настоящего цифрового двойника.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Цифровые двойники: не просто модный тренд.