什么是數(shù)字雙胞胎和HITL？數(shù)字雙胞胎和HITL如何選擇

最近，關(guān)于使用“數(shù)字雙胞胎”技術(shù)來加速產(chǎn)品開發(fā)，軟件調(diào)試和解決機電交互問題的討論很多，數(shù)字孿生技術(shù)近幾年的熱捧，正如幾年前類似的熱門工具的“硬件在環(huán)測試”一樣（通常稱為HITL或HIL）。

什么是數(shù)字雙胞胎和HITL？一般來說，對于數(shù)字雙胞胎，您將創(chuàng)建一個軟件模型來控制系統(tǒng)，然后為它提供被測控制器的輸入和輸出，并查看您的控制器在其應(yīng)有的功能方面的表現(xiàn)如何。

圖1：原則上，數(shù)字孿生是整個應(yīng)用程序和過程的虛擬模型，允許設(shè)計人員通過單個軟件實體可視化和測試設(shè)計。

相反，對于HITL，您可以構(gòu)建與內(nèi)核交互并直接使用實際硬件（電路和機械）來評估控制器的性能（圖2）。換句話說，DT幾乎是所有軟件和模型，而HITL顧名思義則具有一些實際電路甚至是機電組件。

圖2：此頂層視圖顯示了HITL測試系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，該系統(tǒng)使用具有代表性的實時響應(yīng)，激勵和功能實例來連接HITL測試系統(tǒng)的所有I/O。被測單元（這里是汽車的電子控制系統(tǒng)）。

使用汽車發(fā)動機及其ECU（電子控制單元）的示例可以使這一點更加清楚。對于數(shù)字孿生場景，您將引擎完全作為軟件結(jié)構(gòu)進行建模，并且此模型與正在開發(fā)的控制器的軟件“對話”。相反，對于HITL，您是對引擎進行建模，但是現(xiàn)在建模軟件將實際的電路I/O連接到正在開發(fā)的控制器，然后該控制器將可以與接口實際通信。HITL通常需要機架的設(shè)備，這意味著需要大量的電路（圖3）。數(shù)字孿生的吸引力之一是，它們消除了對大多數(shù)（如果不是全部）硬件的需求。

圖3顧名思義，HITL集成了硬件，并且在兩個詞的含義上都是：電子和機電組件。

HITL系統(tǒng)甚至可以作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品使用，例如高精度和高動態(tài)性的三軸和五軸飛行運動模擬器（FMS）系統(tǒng)，用于導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)引頭套件的開發(fā)和生產(chǎn)測試（圖4）。

圖4 HITL系統(tǒng)可作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品應(yīng)用程序提供，例如用于測試導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)引組件的飛行運動模擬器系統(tǒng)。

那么，這兩個哪個更好？與工程問題幾乎總是一樣，答案很簡單：“取決于具體情況”。它依賴的因素包括創(chuàng)建各自模型的時間，對該模型的置信度以及模擬I/O的復(fù)雜性。有部分?jǐn)?shù)字孿生的支持者表示HITL是“過去式”了，并且不再需要，也有HITL的支持者聲稱數(shù)字孿生被過度炒作了，HITL才更忠實于模型。其他人則認(rèn)為，最好的解決方案是兩者的結(jié)合，并要謹(jǐn)慎應(yīng)用。

毫不奇怪，問題主要是關(guān)于模型而不是方法。我們知道，很難開發(fā)出真實模擬世界中良好的數(shù)字模型，而精確度最高的模型則是模型中的最后10％。有很多微妙的未知數(shù)，極端情況，異常，非線性，拐點，而且模型的創(chuàng)建者根本不了解或無法量化其中的更多信息。過于依賴模型精度只是經(jīng)典的但仍然有效的格言“垃圾進，垃圾出”的最新體現(xiàn)。

毫無疑問，絕對有必要使用各種模型，無論它們是數(shù)字孿生還是HITL，Spice，RF軟件包或仿真和分析工具，例如COMSOL Multiphysics，Mathworks MATLAB和Simulink以及ANSYS HFSS。但是要對這些模型的完善程度保持現(xiàn)實，請始終牢記該模型可以顯示三，四個或更多有效數(shù)字的精度，但實際精度通常要低得多，如果現(xiàn)實世界中存在模型無法捕獲的情況。
編輯：hfy