數(shù)字孿生是一種旨在精確反應物理對象的虛擬模型，利用隨時間變化的傳感器數(shù)據(jù)模擬物理模型。在用于協(xié)作現(xiàn)代社會的自主機器人網(wǎng)絡(Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies，ARCGES)中每個海洋觀測系統(tǒng)都有相應的數(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。每一個節(jié)點都被封裝在Docker中，物理孿生側與傳感器等真實的硬件相連，數(shù)字孿生側模擬相同的硬件組件。在該網(wǎng)絡中，真實硬件與模擬硬件可以混用。

圖1 數(shù)字孿生的網(wǎng)絡架構

通訊

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

圖2 數(shù)字孿生的通訊架構

現(xiàn)場實驗

研究者評估了如圖3所示的四種應用場景：(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)當一個數(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演示任務中評估的場景

結論

研究者對每一種場景都進行了成功評估。數(shù)字孿生方法有助于海洋觀測系統(tǒng)的開發(fā)、測試和技術驗證 。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用場景，當指令發(fā)生錯誤時有助于更快的檢測到錯誤的原因和位置 。此外，該方法允許進行嵌入式軟件測試 ，助力海洋觀測系統(tǒng)開發(fā)。在預測性維護 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)孿生能夠讓科學家和技術人員在世界的任何地方更廉價的獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并操作海洋觀測系統(tǒng)。