数字孪生是一个虚拟模型，它代表一个物理对象并实时更新。这种连接使用来自物理对象上传感器的数据。
这种实时连接改变了模型。它不仅仅是一个静态模拟。它成为物理资产与工程师之间的实时通信桥梁。数据双向流动，实现持续对话，将原始传感器读数转化为可操作的工程知识。
本博客以磁力线圈为简单示例，探讨了这项技术，以帮助阐明复杂的想法。我们将探讨什么是数字孪生、如何构建数字孪生以及数字孪生的价值所在。
了解数字孪生
什么是数字孪生？
数字孪生是一个实时的虚拟复制品。它反映了真实世界的系统或资产。这种资产可以是一个组件，也可以是整个工厂或发电厂。也可以是整个工厂或发电厂。
孪生系统与实物资产同步。这种同步以指定的频率进行。这可确保虚拟模型始终准确反映真实世界。
物理资产上的传感器收集数据。这些数据包括温度、压力或电流。这些数据会不断输入虚拟模型。这一过程可使孪生模型保持准确和最新。
数字孪生的价值
数字孪生提供深入的运营洞察力。它们实时显示资产内部发生的情况。这样就可以进行持续的系统分析和性能监控。
这种洞察力可实现预测性维护。公司可以在问题发生之前进行预测。这种能力可以防止代价高昂的计划外停机。工程师还可以利用双胞胎来优化性能。他们可以虚拟、安全地测试不同的运行场景。这种优化可以提高效率，降低运营成本。
这种持续不断的运行数据流带来了根本性的转变。传统的工程设计通常侧重于设计一种在推出时能正常工作的产品。产品出厂时，设计阶段基本结束。然而，数字孪生产品却能与实体产品一起经历资产的整个生命周期。它能收集实际使用、磨损模式和不同环境下性能的数据。这些信息形成了一个强大的反馈回路，从一代产品的运行孪生中获得的洞察力会直接影响下一代产品的设计。工程设计的重点从单一的产品发布转移到整个产品生命周期。这为企业创造了复合知识优势。
Ansys Twin 生成器
Ansys Twin Builder 是一个软件平台。它允许工程师创建数字双胞胎。该平台是一个开放式解决方案。它可以连接到许多不同的工具和数据源。
Twin Builder 集成了多种模型类型。它将详细的三维物理模型、更广泛的系统模型和嵌入式软件整合到一个环境中。它支持功能模拟接口（FMI）等行业标准，可实现工具的无缝集成。
该平台管理整个孪生创建过程。工程师使用 Twin Builder 构建、验证和部署孪生模型。这种结构化的工作流程可将创建精确模型所需的时间缩短一半。它还提供了将完成的双胞胎连接到工业物联网 (IIoT) 平台的工具，以便进行实时操作。
该平台的价值不仅限于创建孪生模型。它还使技术更容易获得。传统上，建立复杂的系统模型需要深厚的编程和多个仿真领域的专业知识。Twin Builder 具有 “低代码 “界面、向导驱动的编辑器和大量预建组件库。这些功能降低了入门门槛。它们允许几乎没有编程背景的工程师创建复杂的数字孪生。这种技术的民主化使领域专家能够专注于解决工程问题，而不是软件问题。
降序模型（ROMs）
让复杂物理变得快速：什么是 ROM？
全三维物理模拟非常精确。它们可以模拟流体流动、结构应力或电磁学等复杂现象。然而，这些模拟的计算成本很高。一次分析可能需要数小时甚至数天才能完成。
数字双胞胎需要实时结果。它们必须即时响应物理世界的变化。它们不能等待数小时才能从模拟中获得更新。这种速度要求带来了巨大的技术挑战。
简化模型（ROM）是一种解决方案。ROM 是对复杂模型的高度精确简化。它捕捉了完整物理模拟的基本行为。它使用最少的计算资源，在几秒钟或更短的时间内得出结果。
从小时到秒：ROM 是如何制作的
ROM 的制作遵循结构化流程。工程师首先要建立一个高保真三维模型。以我们的线圈为例，这将是在 Ansys Maxwell 中进行的详细磁静力模拟。
然后，他们利用该模型进行多次模拟。这个过程称为实验设计 (DOE)。实验设计系统地测试各种输入值。对于线圈来说，这意味着要模拟许多不同电流水平的磁场。
这些模拟结果对 ROM 进行 “训练”。ROM 使用先进的数学算法来学习输入和输出之间的关系。这一过程可以创建一个紧凑、高效、精确的底层物理数学模型。最终的 ROM 可以导出并用于其他工具，如 Ansys Twin Builder。ROM 可以快速、可靠地替代完整的 3D 模型。
动态 ROM：运动系统建模
有些系统具有静态行为。它们的输出只取决于当前的输入值。通常基于响应曲面的标准 ROM 可以很好地处理这些情况。
现实世界中的大多数资产都是动态的。它们的行为会随着时间的推移而变化。它们的输出取决于历史输入，而不仅仅是当前状态。例如，电机的温度取决于电机运行的时间和负载。
这些系统需要动态 ROM。它专门针对瞬态、非线性问题而设计。动态 ROM 接受随时间变化的输入。它能预测系统的输出将如何随时间而变化。这种功能对于创建一个真正的数字孪生系统至关重要，它可以反映实时运行的资产。
这一过程代表了仿真如何提供价值的根本转变。传统上，模拟的输出是数据文件或静态报告。而 ROM 是一个可执行的模型。它可以打包成一个标准的、独立的组件，如功能模拟单元（FMU）。这就将仿真结果从数据转换成了功能性的 “即插即用 “构件。供应商可以提供组件的 ROM，然后原始设备制造商可以将其直接集成到更大的系统仿真中。这种模块化使 ROM 成为一种可分发的功能性资产，同时还能作为 “黑盒 “保护公司的知识产权。
电磁线圈示例
物理设置
本示例使用一个简单的物理装置，包括一个磁性电磁线圈和一个通过线圈发送电流的电源。电磁线圈是许多行业和应用（从工业自动化到消费电子）必不可少的电磁设备。作为电磁线圈执行器的核心，其主要作用是实现电气和机械系统中各种部件的自动开关、锁定或移动。
当电流通过电磁线圈时，会产生一个磁场，该磁场可用于移动衔铁，从而激活或控制附属设备。 线圈附近有一个物理传感器，用于测量磁场强度。操作员可以手动调节电源上的电流水平，以改变现实世界中的磁场。
构建线圈的数字双胞胎
线圈的数字孪生体是在 Ansys Twin Builder 中创建的。该项目包含几个关键模块。这些模块共同构成完整的孪生系统。
其中一个关键模块是数据连接器。该模块是孪生系统与现实的连接。它直接从电源中读取实时电流值。通常，一个简单的 Python 脚本就能促进这种通信，充当物理硬件和虚拟模型之间的数字线。
最关键的模块是动态 ROM。该模块代表线圈的物理特性。它是根据详细的 Ansys Maxwell 磁静力模拟创建的。
创建动态 ROM 包括三个主要阶段：创建高保真模型、生成训练数据和创建 ROM。
1.在 Ansys Maxwell 中创建高保真物理模型
第一步是建立物理组件的详细而精确的虚拟表示。在磁线圈的示例中，可以在 Ansys Maxwell（一款专为低频电磁分析设计的软件）中完成这一工作。
- 建模： 工程师创建线圈的 3D 几何结构。他们分配材料属性，例如将线圈定义为铜，并指定周围组件的属性。
- 物理设置： 它们定义了问题的物理过程。这包括设置求解器类型（如稳定电流的磁静态或时变场的瞬态）和应用激励，如流过线圈的电流。
- 求解： 然后，麦克斯韦对这一详细模型求解麦克斯韦方程，以精确计算所产生的磁场。这个初始模型通常被称为全阶模型（FOM）。它的精确度很高，但解决一个问题可能需要数小时。
2.利用参数分析生成训练数据
下一步是 “训练 “ROM，向其展示高保真模型在整个工作范围内的表现。具体方法是使用不同的输入多次运行麦克斯韦模拟。
- 定义参数： 工程师要确定在运行过程中会发生变化的关键输入变量。对于线圈来说，主要输入是电流。对于更复杂的系统，可能会有多个输入变量，如电压、温度或物理位置。
- 运行参数扫描： 他们使用 Ansys Optimetrics 等工具执行参数扫描，也称为实验设计 (DOE)。该软件会自动运行麦克斯韦仿真，对定义的输入值进行大范围仿真（例如，在 1A、2A、3A 等条件下对线圈进行仿真）。
- 收集快照： 每次仿真运行都会产生结果的 “快照”，将特定的输入与相应的输出联系起来（例如，输入电流 = 1A，输出 B-场 = 1.4 mT）。对于动态 ROM 来说，这些快照是从瞬态模拟中收集的，可以捕捉到系统的输出是如何随着时间的推移而变化的，从而对随时间变化的输入做出响应。这些输入输出数据可作为 ROM 的训练数据。
3.在 Ansys Twin Builder 中构建并导出动态 ROM
最后阶段使用生成的训练数据构建快速、轻量级的 ROM。
- 导入数据： 将来自麦克斯韦参数扫描的训练数据导入到 Ansys Twin Builder 中。
- 训练 ROM： Twin Builder 的 ROM 生成器使用先进的数学算法和机器学习技术（有时包括人工神经网络）来分析训练数据。它可以学习输入和输出之间的精确关系，创建一个紧凑的数学模型，准确地表达原始麦克斯韦模拟的复杂物理过程。
- 验证和输出： 对创建的 ROM 进行验证，以确保其预测准确无误，通常与完整 3D 模拟的结果相差不大。验证完成后，ROM 将作为独立的便携式组件导出，通常采用功能模拟单元（FMU）格式。FMU 是数字孪生系统模型中使用的最终模块，可提供近乎即时的结果。
该示例 ROM 将数据连接器的实时电流值作为输入。然后输出预测的磁场（B-场）值。
让双胞胎工作
现场演示显示了双胞胎的工作情况。操作员增加了电源的电流。数据连接器立即读取这个新值，并将其发送给孪生兄弟。
这些实时电流数据流入动态 ROM。ROM 会立即根据它在创建过程中学到的物理知识计算出新的 B 场强度。孪生预测结果随即显示在屏幕上。
结果验证了孪生兄弟的准确性。演示显示物理传感器读取的磁场为 4.63 mT。双胞胎的输出同时显示了 4.6mT 的预测值。物理测量值与虚拟预测值一一对应，证明孪生系统工作正常。
从电磁线圈到复杂系统
为什么这个例子很重要
单线圈的数字孪生似乎过于复杂，因为其物理原理相对简单，而且很容易理解。然而，这个例子的目的并不是要解决一个简单的问题，而是要展示一种强大且可重复的方法。
工作流程是关键所在。首先，我们在高保真工具中建立复杂的物理模型。其次，我们将模型还原为快速、精确的 ROM。第三，我们将 ROM 与系统级环境中的真实世界数据连接起来。这一过程具有高度可扩展性。
扩展概念
现在来看看复杂的工业资产。现代风力涡轮机或商用喷气发动机就是很好的例子。这些都是极其复杂的系统。它们涉及空气动力学、结构力学、热效应、电子学和控制系统的相互作用。
由于计算复杂度太高，实时模拟这些具有全三维物理特性的整个系统是不可能的。此外，这些工业系统在不可预测的环境中运行。它们经历着许多不同组件之间复杂的相互作用，这增加了挑战性。
可扩展方法的力量
用线圈演示的方法解决了这一复杂性问题。工程师们可以对较大系统中的每个主要组件分别建模。他们为发电机创建一个 ROM，为齿轮箱创建另一个 ROM，为风力涡轮机的涡轮叶片创建另一个 ROM。
每个 ROM 都是其特定组件的快速、精确和经过验证的模型。它就像一个 “黑盒子”，完美地封装了该组件的物理行为。然后，Ansys Twin Builder 将这些单独的 ROM 组合在一起。它将它们连接成一个完整的多领域系统模型，代表整个资产。
这种模块化方法将不可能变为可能。它可以对整个复杂的工业资产进行实时性能分析和预测。简单的线圈演示教授了应对这些巨大挑战所需的确切方法。这种方法将工业数据从被动的历史记录提升为主动的预测资产。通过将实时传感器数据与预测性物理模型相融合，数字孪生系统释放了现代工业产生的海量数据流中沉睡的前瞻性价值。
结论
数字双胞胎是实时虚拟模型。它们通过实时数据与物理资产相连。这种连接提供了有关资产性能和健康状况的恒定信息流。
降序模型使这项技术成为现实。ROM 可提供实时仿真所需的惊人速度，同时又不会牺牲详细物理信息的准确性。这种精度与速度的结合是数字孪生的核心技术。
这项技术为工程师提供了强大的新洞察力。他们可以在资产的整个生命周期内对其性能进行监控、预测和优化。这种能力代表了工程实践中根本性的、有价值的转变。