基于物理機(jī)理和大數(shù)據(jù)分析的混合數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段，充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的模擬過(guò)程，在虛空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生技術(shù)不僅運(yùn)用在設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)方面，在優(yōu)化控制，節(jié)能減排等方面，也取得了顯著的成效。

物理仿真是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。設(shè)備在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了大量的工況仿真，以保證設(shè)備滿足設(shè)計(jì)要求。但由于工作環(huán)境，加工物料，操作習(xí)慣等差別，仿真并不能完全匹配現(xiàn)場(chǎng)的工況。而仿真計(jì)算，往往需要數(shù)小時(shí)，甚至數(shù)天的時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的節(jié)拍要求，所以數(shù)字孿生往往使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)雖然不乏成功案例，但缺乏物理機(jī)理的支撐，難以預(yù)知和改進(jìn)數(shù)字孿生的效果。

在行業(yè)需求的推動(dòng)下，出現(xiàn)了基于物理機(jī)理和大數(shù)據(jù)分析的混合數(shù)字孿生技術(shù)，Ansys公司的TwinBuilder就是其中的代表。如下圖所示，TwinBuilder利用傳統(tǒng)的物理仿真，來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生所謂的降階模型（ROM），并將現(xiàn)場(chǎng)工況，通過(guò)物理機(jī)理，抽象出子系統(tǒng)。利用現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)標(biāo)定子系統(tǒng)參數(shù)。不僅將仿真速度提高到100毫秒到數(shù)秒的數(shù)量級(jí)，滿足常用控制系統(tǒng)的節(jié)拍，而且仿真精度更加符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

在新能源領(lǐng)域，電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。電機(jī)主要有磁性材料和線圈組成，高溫不僅會(huì)造成磁性材料的退磁，降低運(yùn)行效率，也會(huì)引起線圈短路，燒毀電機(jī)。在電機(jī)控制算法中，溫度是一個(gè)重要的測(cè)量數(shù)據(jù)。但是在實(shí)際測(cè)量中，很難測(cè)量電機(jī)最熱的轉(zhuǎn)子的溫度。由于溫度的分布特性，更不可能預(yù)知轉(zhuǎn)子最熱的測(cè)量點(diǎn)。

下圖是使用Ansys TwinBuilder，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行虛擬測(cè)量的驗(yàn)證系統(tǒng)。Thingworx是工業(yè)領(lǐng)域的低代碼數(shù)字中臺(tái)產(chǎn)品，接口豐富，運(yùn)行穩(wěn)定，擴(kuò)展方便，與TwinBuilder有內(nèi)建的接口。

TwinBuilder軟件不僅可以對(duì)流體，結(jié)構(gòu)，電磁等仿真，建立降階模型，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)孿生模型，通過(guò)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和仿真運(yùn)算電機(jī)的溫度分布，提取電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前時(shí)刻的最高，平均和最低溫度值，匯入數(shù)據(jù)中臺(tái)，不僅用于優(yōu)化電機(jī)控制，也可以為預(yù)測(cè)性維護(hù)等應(yīng)用提供依據(jù)。Thingworx數(shù)據(jù)中臺(tái)串接IT和OT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分析，報(bào)表和工況回溯。

TwinBuilder所提供的混合數(shù)字孿生技術(shù)，在綜合節(jié)能領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如空調(diào)，冶金，水利等。

審核編輯：郭婷