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(lái)加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，軟件調(diào)試和解決機(jī)電交互問(wèn)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(lèi)似的熱門(mén)工具的“硬件在環(huán)測(cè)試”一樣（通常稱(chēng)為HITL或HIL）。

什么是數(shù)字雙胞胎和HITL？一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)字雙胞胎，您將創(chuàng)建一個(gè)軟件模型來(lái)控制系統(tǒng)，然后為它提供被測(cè)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(gè)應(yīng)用程序和過(guò)程的虛擬模型，允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)單個(gè)軟件實(shí)體可視化和測(cè)試設(shè)計(jì)。

相反，對(duì)于HITL，您可以構(gòu)建與內(nèi)核交互并直接使用實(shí)際硬件（電路和機(jī)械）來(lái)評(píng)估控制器的性能（圖2）。換句話說(shuō)，DT幾乎是所有軟件和模型，而HITL顧名思義則具有一些實(shí)際電路甚至是機(jī)電組件。

圖2：此頂層視圖顯示了HITL測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，該系統(tǒng)使用具有代表性的實(shí)時(shí)響應(yīng)，激勵(lì)和功能實(shí)例來(lái)連接HITL測(cè)試系統(tǒng)的所有I/O。被測(cè)單元（這里是汽車(chē)的電子控制系統(tǒng)）。

使用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及其ECU（電子控制單元）的示例可以使這一點(diǎn)更加清楚。對(duì)于數(shù)字孿生場(chǎng)景，您將引擎完全作為軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并且此模型與正在開(kāi)發(fā)的控制器的軟件“對(duì)話”。相反，對(duì)于HITL，您是對(duì)引擎進(jìn)行建模，但是現(xiàn)在建模軟件將實(shí)際的電路I/O連接到正在開(kāi)發(fā)的控制器，然后該控制器將可以與接口實(shí)際通信。HITL通常需要機(jī)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(duì)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(gè)詞的含義上都是：電子和機(jī)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(dòng)態(tài)性的三軸和五軸飛行運(yùn)動(dòng)模擬器（FMS）系統(tǒng)，用于導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)引頭套件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)測(cè)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(cè)試導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)引組件的飛行運(yùn)動(dòng)模擬器系統(tǒng)。

那么，這兩個(gè)哪個(gè)更好？與工程問(wèn)題幾乎總是一樣，答案很簡(jiǎn)單：“取決于具體情況”。它依賴(lài)的因素包括創(chuàng)建各自模型的時(shí)間，對(duì)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(guò)去式”了，并且不再需要，也有HITL的支持者聲稱(chēng)數(shù)字孿生被過(guò)度炒作了，HITL才更忠實(shí)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(wèn)題主要是關(guān)于模型而不是方法。我們知道，很難開(kāi)發(fā)出真實(shí)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(diǎn)，而且模型的創(chuàng)建者根本不了解或無(wú)法量化其中的更多信息。過(guò)于依賴(lài)模型精度只是經(jīng)典的但仍然有效的格言“垃圾進(jìn)，垃圾出”的最新體現(xiàn)。

毫無(wú)疑問(wèn)，絕對(duì)有必要使用各種模型，無(wú)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(duì)這些模型的完善程度保持現(xiàn)實(shí)，請(qǐng)始終牢記該模型可以顯示三，四個(gè)或更多有效數(shù)字的精度，但實(shí)際精度通常要低得多，如果現(xiàn)實(shí)世界中存在模型無(wú)法捕獲的情況。
編輯：hfy