數(shù)字孿生是一種旨在精確反應(yīng)物理對(duì)象的虛擬模型，利用隨時(shí)間變化的傳感器數(shù)據(jù)模擬物理模型。在用于協(xié)作現(xiàn)代社會(huì)的自主機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)(Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies，ARCGES)中每個(gè)海洋觀測系統(tǒng)都有相應(yīng)的數(shù)字孿生體和它的原型物理孿生體。數(shù)字孿生體連接仿真的硬件組件，物理孿生體連接真實(shí)的傳感器，并將數(shù)據(jù)同步給它的數(shù)字孿生體。ARCGES的軟件框架在如圖1所示。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都被封裝在Docker中，物理孿生側(cè)與傳感器等真實(shí)的硬件相連，數(shù)字孿生側(cè)模擬相同的硬件組件。在該網(wǎng)絡(luò)中，真實(shí)硬件與模擬硬件可以混用。

圖1 數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通訊

系統(tǒng)采用“即時(shí)通訊”(instant messages，IM)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，在ARCHES中每個(gè)數(shù)字孿生體都與基站相連?；緦⑽锢韺\生體的信息分發(fā)給相應(yīng)的數(shù)字孿生體。

圖2 數(shù)字孿生的通訊架構(gòu)

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

研究者評(píng)估了如圖3所示的四種應(yīng)用場景：(a)將環(huán)境數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生體同步，(b)將行為與物理孿生體同步，(c)將研究船的命令發(fā)送給各孿生體，(d)當(dāng)一個(gè)數(shù)字孿生體檢測到特定事件后，由物理孿生體將它發(fā)送給其他孿生體。

圖3 ARCHES演示任務(wù)中評(píng)估的場景

結(jié)論

研究者對(duì)每一種場景都進(jìn)行了成功評(píng)估。數(shù)字孿生方法有助于海洋觀測系統(tǒng)的開發(fā)、測試和技術(shù)驗(yàn)證 。不同于在研究船上檢測和操作海洋觀測系統(tǒng)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以模擬不同的控制指令和應(yīng)用場景，當(dāng)指令發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)有助于更快的檢測到錯(cuò)誤的原因和位置 。此外，該方法允許進(jìn)行嵌入式軟件測試 ，助力海洋觀測系統(tǒng)開發(fā)。在預(yù)測性維護(hù) 方面，數(shù)字孿生能夠檢測物理孿生的硬件性能和狀況，有助于系統(tǒng)的故障檢測。不同于傳統(tǒng)的研究巡航獲取海洋觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的方法，使用數(shù)據(jù)孿生能夠讓科學(xué)家和技術(shù)人員在世界的任何地方更廉價(jià)的獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并操作海洋觀測系統(tǒng)。