數(shù)字孿生是一種旨在精確反應物理對象的虛擬模型,利用隨時間變化的傳感器數(shù)據(jù)模擬物理模型。在用于協(xié)作現(xiàn)代社會的自主機器人網(wǎng)絡(luò)(Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies,ARCGES)中每個海洋觀測系統(tǒng)都有相應的數(shù)字孿生體和它的原型物理孿生體。數(shù)字孿生體連接仿真的硬件組件,物理孿生體連接真實的傳感器,并將數(shù)據(jù)同步給它的數(shù)字孿生體。ARCGES的軟件框架在如圖1所示。每一個節(jié)點都被封裝在Docker中,物理孿生側(cè)與傳感器等真實的硬件相連,數(shù)字孿生側(cè)模擬相同的硬件組件。在該網(wǎng)絡(luò)中,真實硬件與模擬硬件可以混用。
圖1 數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
通訊
系統(tǒng)采用“即時通訊”(instant messages,IM)進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示,在ARCHES中每個數(shù)字孿生體都與基站相連。基站將物理孿生體的信息分發(fā)給相應的數(shù)字孿生體。
圖2 數(shù)字孿生的通訊架構(gòu)
現(xiàn)場實驗
研究者評估了如圖3所示的四種應用場景:(a)將環(huán)境數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生體同步,(b)將行為與物理孿生體同步,(c)將研究船的命令發(fā)送給各孿生體,(d)當一個數(shù)字孿生體檢測到特定事件后,由物理孿生體將它發(fā)送給其他孿生體。
圖3 ARCHES演示任務(wù)中評估的場景
結(jié)論
研究者對每一種場景都進行了成功評估。數(shù)字孿生方法有助于海洋觀測系統(tǒng)的開發(fā)、測試和技術(shù)驗證 。不同于在研究船上檢測和操作海洋觀測系統(tǒng),數(shù)字孿生系統(tǒng)可以模擬不同的控制指令和應用場景,當指令發(fā)生錯誤時有助于更快的檢測到錯誤的原因和位置 。此外,該方法允許進行嵌入式軟件測試 ,助力海洋觀測系統(tǒng)開發(fā)。在預測性維護 方面,數(shù)字孿生能夠檢測物理孿生的硬件性能和狀況,有助于系統(tǒng)的故障檢測。不同于傳統(tǒng)的研究巡航獲取海洋觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的方法,使用數(shù)據(jù)孿生能夠讓科學家和技術(shù)人員在世界的任何地方更廉價的獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并操作海洋觀測系統(tǒng)。