توسط بکی هام ، انستیتوی فناوری ماساچوست15 ژوئن 2021
محققان MIT یک نمایش ریاضی رسمی از یک دوقلوی دیجیتال و دارایی فیزیکی مرتبط با آن را ارائه می دهند و نشان می دهند که چگونه فرمولاسیون آنها به طور طبیعی ، داده ها ، مدل های پیش بینی و تصمیم گیری را ادغام می کند تا ایجاد یک دوقلوی دیجیتال ساختاری برای یک هواپیمای خودران بدون آزمایش خودآگاه که به طور پویا مأموریت خود را در پاسخ به آسیب ساختاری در پرواز برنامه ریزی می کند ، را عملی کنند.
تصور کنید که یک هواپیمای بدون سرنشین تحویلی هنگام پرواز دچار آسیب جزئی در بال می شود. آیا باید فوراً فرود بیاید ، یا پروازش ادامه یابد یا به مقصد جدیدی تغییر مسیر دهد؟ یک دوقلوی دیجیتال ، یک مدل رایانه ای از هواپیمای بدون سرنشین که در همان مسیر پرواز کرده است و اکنون در دنیای مجازی خود آسیب مشابهی را تجربه می کند ، می تواند به برقراری تماس کمک کند.
دوقلوهای دیجیتال بخش مهمی از مهندسی ، پزشکی و برنامه ریزی شهری هستند ، اما در بیشتر این موارد هر دوقلوها سفارشی هستند که فقط در یک کاربرد خاص کار می کنند. مایکل کپتین اکنون مدلی را توسعه داده است که می تواند استقرار دوقلوهای دیجیتال را در مقیاس امکان پذیر کند – برای مثال ایجاد دوقلوها برای ناوگان کامل هواپیماهای بدون سرنشین.
براساس مطالعه جدید Kapteyn و همکارانش در مجله Nature Computational Science ، نمایش ریاضی به نام مدل گرافیکی احتمالی می تواند پایه و اساس دوقلوهای پیش بینی کننده باشد. محققان این ایده را بر روی یک وسیله نقلیه هوایی بدون خلبان (UAV) در سناریویی مانند آنچه در بالا توضیح داده شد ، آزمایش کردند.
کاپتین ، که اخیراً دکترای خود را در رشته علوم محاسبات و مهندسی از دپارتمان هوانوردی و فضانوردی MIT دریافت کرده است ، توضیح می دهد: “پیاده سازی های سفارشی که تاکنون نشان داده شده است ، معمولاً به مقدار قابل توجهی از منابع نیاز دارد ، که مانعی برای توسعه در دنیای واقعی است.” .
وی می افزاید: “این واقعیت است که دوقلوهای دیجیتال در شرایطی که بسیاری از دارایی های مشابه را مدیریت می کنید بسیار مفید هستند.” “هنگام توسعه مدل خود ، ما همیشه هدف ایجاد دوقلوهای دیجیتالی را برای کل ناوگان هواپیما یا کل مزرعه توربین های بادی یا جمعیتی از بیماران قلبی انسانی در ذهن داشته ایم.”
Omer San ، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالتی اوکلاهما که درگیر این تحقیق نبوده است ، می گوید: “کار آنها مرزهای پیاده سازی سفارشی دوقلوهای دیجیتال را که نیاز به منابع قابل توجه استفاده و سطح بالایی از مهارت دارند ، به پیش می راند.”
دوقلوهای دیجیتال سابقه طولانی در مهندسی هوافضا دارند ، از یکی از اولین کاربردهای آن توسط ناسا در طراحی استراتژی هایی برای رساندن کمک به مأموریت آپولو 13 در سال 1970 بود. محققان در زمینه پزشکی از دوقلوهای دیجیتال برای کاربردهایی مانند قلب استفاده می کردند تا درمان هایی مانند تعویض دریچه را قبل از جراحی در نظر بگیرید.
محققان می نویسند ، گسترش استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای هدایت پرواز صدها ماهواره یا توصیه روش های درمانی دقیق برای هزاران بیمار قلبی ، نیاز به رویکردی متفاوت از دوقلوهای دیجیتالی یکبار مصرف و بسیار خاص دارد که معمولاً ایجاد می شوند.
برای حل این مسئله ، کاپتین و همکارانش به دنبال ارائه یک نمایش ریاضی واحد از رابطه بین یک دوقلوی دیجیتال و دارایی فیزیکی مرتبط با آن بودند که مختص یک برنامه خاص یا استفاده خاص نبود. مدل محققان از نظر ریاضی یک جفت سیستم دینامیکی فیزیکی و دیجیتال را تعریف می کند که از طریق جریان داده های دو طرفه با تکامل در طول زمان بهم پیوسته اند. به عنوان مثال ، در مورد پهپاد ، پارامترهای دوقلوی دیجیتال ابتدا با داده های جمع آوری شده از پهپاد فیزیکی کالیبره می شوند تا دوقلوی آن از ابتدا بازتاب دقیق آن باشد.
با تغییر وضعیت کلی پهپاد با گذشت زمان (از طریق فرایندهایی مانند سایش مکانیکی و پارگی ثبت شده در پرواز) ، این تغییرات توسط دوقلوی دیجیتال مشاهده می شود و برای به روزرسانی حالت خود استفاده می شود تا با پهپاد فیزیکی مطابقت داشته باشد . این دوقلوی دیجیتال به روز شده می تواند با استفاده از این اطلاعات برای هدایت بهینه دارایی های فیزیکی ، وضعیت پهپاد در آینده را تغییر دهد.
کپتین توضیح می دهد: این مدل گرافیکی اجازه می دهد تا هر دوقلوی دیجیتال “بر اساس همان مدل محاسباتی اساسی باشد ، اما هر دارایی فیزیکی باید یک” حالت دیجیتال “منحصر به فرد را حفظ کند که یک پیکربندی منحصر به فرد از این مدل را تعریف کند.” این امر ایجاد دوقلوهای دیجیتال را برای مجموعه بزرگی از دارایی های فیزیکی مشابه آسان می کند.
