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        虛實融合技術的嘗試

        發布時間:2022-11-10




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        01

        虛實融合

        本文給出一種面向數字孿生的虛實融合方案,將物理設備和虛擬模型結合起來,這也是數字孿生與仿真的重要區別之一。


        近些年,隨著工業界和學術界對數字孿生的不斷補充與解讀,數字孿生的內涵不斷豐富。此處我們引用國內學者的觀點1,認為:

        數字孿生是物理對象的數字模型,該模型可以通過接收來自物理對象的數據而實時演化,從而與物理對象在全生命周期保持一致?;跀底謱\生可進行仿真(包含分析、預測、診斷、訓練等),并將仿真結果反饋給物理對象,從而幫助對物理對象進行優化和決策。物理對象、數字孿生以及基于數字孿生的仿真及反饋一起構成一個信息物理系統 (Cyber Physical Systems)。面向數字孿生全生命周期(構建、演化、評估、管理、使用)的技術稱為數字孿生技術(Digital Twin Technology)。


        與傳統意義的仿真模型相比,數字孿生最主要的特點是:模型通過傳感器隨時獲取物理實體的數據,并隨著實體一起演變。從模型角度來看2,仿真的概念從完全使用物理模型的物理仿真(模擬),發展為完全基于數字模型的計算機仿真,又進一步演變為數字模型與物理模型相融合的建模仿真,即虛實融合。



        02

        已知的局限性

        在工程領域,一個概念有多種解釋已是很正常的事情,這里的虛實融合也不是新鮮事,曾經它被叫做半物理仿真3 。根據實物設備和虛擬模型的分布關系,半物理仿真可分為兩種實現形式:


        第一種,控制器或控制系統為實物,其余部分為仿真模型。這種情況一般被稱為硬件在環仿真(hardware in the loop simulation, HIL),普遍被應用于對控制器進行檢測、標定。從工程應用角度看,以控制領域作為半物理仿真的主要切入點是非常合理的。相對于真實的人員、被控對象和環境,控制系統以實物的形式參與仿真更加安全、快捷,成本也更低,投產、測試、配套周期也更快,所以半物理仿真在控制領域應用比較廣泛;


        第二種,被控對象、環境或邊界條件為實物,其余部分為仿真模型。如果從控制器的角度觀察,這種情況一般被稱為快速控制原型(Rapid Control Prototyping, RCP),主要用于控制器快速開發、測試;如果從被控對象角度觀察,這一類半物理仿真有時又被稱為虛擬測試或虛擬試驗(Virtual Test),因為我們提供了真實的試驗件,只是試驗環境和邊界條件是虛擬的。

        半物理仿真的目標看起來很美,但經過多年的應用,各領域的工程人員逐漸發現了它的一些局限性:

        第一個局限:無法進行跨領域、跨尺度、跨工具異構集成。

        現有的半物理仿真中,無論是虛擬測試還是硬件在環仿真,仿真模型大都以C/C++代碼形式跑在特定的實時機上(德國的dSPACE、美國的NI、加拿大的RT-LAB等),這樣做的原因是為了保證實時性。這些嚴格實時的操作系統一般對代碼兼容性較好,而各類仿真建模工具基本都運行在Windows系統上(極少部分可以在Linux系統上運行),其模型和仿真文件在各類實時機上無法運行。一些工業軟件廠商也會提供一些代碼的導出功能(如MATLAB/simulink),但大多數仿真工具是不支持這個功能的??偟膩碚f,目前半物理仿真技術方案無法處理異構模型集成仿真,更不要說跨領域、跨尺度的集成仿真。

        第二個局限:無法同時兼顧高保真和實時性。

        為保證半物理仿真的實時性,不得不對仿真模型進行簡化,這樣的結果是:

        一方面,有的模型可以簡化,比如一些穩態模型可以通過插值、擬合等方式簡化,然而,有的模型并不適合簡化,比如一些包含微分方程的模型,將其簡化為傳遞函數會失去一些典型的物理意義,也就是犧牲了模型的準確度和可信度;

        另一方面,模型導出為C代碼時會受到很多限制條件的約束,最典型的限制條件是導出模型的求解算法必須是定步長算法,這就給模型求解穩定性和收斂性帶來很大的挑戰,一些剛性較大、規模復雜或包含復雜數值迭代求解的模型在實時機上的模型跑不動,甚至發散、不收斂。



        03

        在桌面電腦上實現虛實融合

        于是一個新的挑戰就出現了:能否在兼顧異構集成和高保真模型的前提下開展半物理仿真,并且避免使用昂貴的實時機?


        這里我們依然沿用分布式仿真體系(白盒集成 4),所以異構集成和高保真可以被解決,剩下的就是實時性能否被滿足。為了避免空談,這里給出一個步進電機的試驗,我們來定量地看一下實時性指標。

        電機速度閉環控制半物理仿真采用AMESim與LabVIEW聯合仿真來實現,通過PID速度閉環控制來闡述仿真原理。在AMESim中發送轉速信號,與LabVIEW工控軟件采集的角度編碼器轉速信號形成負反饋,利用PID調節之后通過服務端中轉將PID控制信號發送至LabVIEW工控軟件,再由LabVIEW工控軟件發送PID信號控制電機按指令要求工作。


        本試驗中的虛實融合主要通過虛實客戶端來實現,即V2R(Virtual to Real)。V2R可以理解為一類軟件形式的中間件,其作用是負責將實物設備和仿真模型接入總線,并實現數據分發、模型間互操作和同步控制。本次試驗中,V2R是通過LabVIEW實現的,其作用是連接分布式服務端和數據采集板卡。

        試驗過程分為三個步驟:

        第一步,在AMESim軟件中建立PID控制模型及信號處理模型,將模型的輸入、輸出與通信插件接口關聯,在模型中賦予轉速目標值、PID調節值等;

        第二步,在LabVIEW測控軟件中導入“V2R”客戶端,編寫工控程序,將LabVIEW測控軟件與采集板卡、控制器、傳感器等硬件連接;

        最后,設置服務端運行信息,以實時模式運行服務端后分別運行兩客戶端軟件,仿真時間到達后自動停止運行,試驗結束。



        04

        測試結果

        試驗結果表明,電機相對控制指令的跟隨性較差,這是因為電機本體轉速與電壓的線性度不是很好(淘寶貨,成本不到200元),當轉速(額定約為1000rpm)過高或者過低時工況點會發生漂移。

        本次試驗的實時性指標通過幀時間來衡量5 。根據分布式仿真應用框架中時間戳的統計,本次信息物理融合方案驗證試驗的幀時間集中分布在0~5ms以內。

        本次試驗的通信步長為0.01s,所以運行80s,共計8000幀。整體來說該系統實時性較好。同時,根據統計結果可知,較大的幀時間出現了3次,分別是12ms、23ms和30ms。這三幀超出了硬實時的要求(耗時大于0.01s),其余幀數均滿足硬實時的要求,整體滿足軟實時的要求。


        基于上述試驗結果,對當前控制算法進行修正,并加入了工況漂移校正環節。又進行第二次虛擬測試,兩次試驗的工作時序完全一致,可以看出控制精度有了顯著的提高,說明在桌面仿真中做快速控制原型是具有可行性的。



        05

        桌面電腦 VS 實時機

        不可否認,在桌面電腦上開展半物理仿真,其實時性是值得懷疑的,因為微軟自己都聲明Windows不是嚴格實時系統。即便分布式仿真自身能做到實時,但操作系統帶來的系統性誤差依然不可避免。盡管我們承認這樣的區別,但關于桌面電腦的實時性和Linux實時機的差別有多大,國內這方面的定量測評是缺失的。


        這里我們引用2002年美國帕塔克森特河海軍航空基地(Manned Flight Simulator facility aboard Patuxent River Naval Air Station)的測評結果6,該文獻認為在實時性測評中基于Linux的實時機并沒有表現出和Windows的顯著區別,如果Linux實時機可以用來做實時仿真那么Windows也可以,感興趣的讀者可以自行查閱。當然,該文獻的研究距離今天已經有20年了,這20年里操作系統和計算機硬件發展日新月異,這個結論今天是否適用不免要打個問號,這里權當一個側面參考了。


        無論如何,進行虛實融合仿真要結合研究目的,如果對實時性要求并不高,那么本文所給出的方法也是適用的。打個比方,如果目的是追求極致的速度,那么毫無疑問應該開著一級方程式賽車行駛在專業賽道上;如果目的是帶著全家老小出門自駕旅游,那么開著一輛國產小轎車緩緩行駛在普通公路領略沿途風光也是合適的選擇。綜上,還是需求決定方案。


        引用來源

        • 1張霖. 關于數字孿生的冷思考及其背后的建模和仿真技術[J]. 系統仿真學報, 2020, 32(4): 1-10.

        • 2張霖, 陸涵. 從建模仿真看數字孿生[J]. 系統仿真學報, 2021, 33(5): 996-1007.

        • 3根據GJB935-2009(軍用仿真術語)中的定義,半物理仿真指:仿真系統中嵌入被仿真系統的部分組件以及這部分組件與仿真設備接口的仿真,這類仿真通常是實時仿真。

        • 4根據GJB935-2009(軍用仿真術語)中的定義,白盒模型(white box model)指:一種內部實現為已知并且完全可視的模型。

        • 5根據GJB935-2009(軍用仿真術語)的定義,“幀時間”是指:仿真系統中離散時間遞推處理的計算周期,即用于仿真的計算機包括主機、微機、單板機等從動態輸入、計算和處理到動態輸出一次全過程操作所用機時。

        • 6Brent W. York, Stephen M. Naylor. Real-time Simulation under the MICROSOFT WINDOWS Operating System[C]. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit. 2002.8. 


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