全球無人機(jī)網(wǎng)（top-g.com.cn）編譯：國外媒體報道 在不遠(yuǎn)的將來，我們可以期待看到我們的天空充滿了無人機(jī)，從一個地方到另一個地方運(yùn)送包裹，甚至是人。
在這樣一個世界里，每架無人機(jī)都將有一個數(shù)字孿生兄弟:一個虛擬模型，它將跟隨無人機(jī)的存在，隨著時間的推移而發(fā)展
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校奧登計(jì)算工程與科學(xué)研究所所長、計(jì)算航空航天工程專家卡倫·威爾科克斯說:“監(jiān)控?zé)o人機(jī) 結(jié)構(gòu)健康非常重要。”“他們必須做出正確的決定，才能有良好的飛行狀態(tài)。”
威爾科克斯是2019年高性能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和分析國際會議（SC19）的特邀發(fā)言人，他分享了一個主要由美國空軍動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用系統(tǒng)（DDDAS）項(xiàng)目支持的項(xiàng)目的細(xì)節(jié)，該項(xiàng)目旨在為定制的無人機(jī)開發(fā)預(yù)測數(shù)字孿生機(jī)。該項(xiàng)目是UTAustin、麻省理工、Akselos和Aurora飛行科學(xué)公司的合作項(xiàng)目。
孿生兄弟代表了無人機(jī)的每個組成部分，以及它的整體，使用基于物理的模型，從精細(xì)到宏觀捕捉其行為的細(xì)節(jié)。孿生兄弟還接收來自飛機(jī)的機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)，并將該信息與模型集成，以創(chuàng)建飛機(jī)健康狀況的實(shí)時預(yù)測。
無人機(jī)有墜毀的危險嗎？它是否應(yīng)該改變它的計(jì)劃路線以將風(fēng)險降到最低？有了預(yù)測數(shù)字雙胞胎，這些類型的決定可以在飛行中，以保持無人機(jī)飛行。
比大數(shù)據(jù)更大
在她的演講中，Willcox分享了技術(shù)和算法上的進(jìn)步，使得預(yù)測數(shù)字雙胞胎能夠有效地工作。她還分享了她關(guān)于如何在整個科學(xué)和工程中解決“高后果”（“high-consequence”）問題的一般哲學(xué)。
“重大決策需要的不僅僅是大數(shù)據(jù)，”她解釋道。“他們也需要大模型。”
這種基于物理的模型和大數(shù)據(jù)的結(jié)合通常被稱為“科學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)”。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)本身已經(jīng)成功地解決了一些問題，如對象識別、推薦系統(tǒng)，而且像圍棋這樣的游戲需要更強(qiáng)大的解決方案來解決問題，在這些問題中，得到錯誤的答案可能會付出難以置信的代價，或者會有生死的后果。
威爾考克斯說：“這些大問題是由復(fù)雜的多尺度、多物理現(xiàn)象所控制的。“如果我們稍微改變一下條件，我們可以看到截然不同的行為。”
在Willcox的工作中，計(jì)算建模與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，產(chǎn)生可靠且可解釋的預(yù)測。黑箱解決方案不足以滿足高后果應(yīng)用。研究人員（或醫(yī)生或工程師）需要知道為什么機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)會依賴于某個結(jié)果。
在數(shù)字雙無人機(jī)的情況下，威爾科克斯的系統(tǒng)能夠捕捉和傳達(dá)無人機(jī)健康狀況的變化。它還可以解釋哪些傳感器讀數(shù)表明健康狀況下降并推動預(yù)測。
邊緣實(shí)時決策
同樣的壓力，需要使用基于物理的模型-使用復(fù)雜的高維模型；不確定性量化的需要；模擬所有可能的場景的必要性-也使得創(chuàng)建預(yù)測性數(shù)字孿生體的問題在計(jì)算上具有挑戰(zhàn)性。
這就是所謂的模型簡化方法發(fā)揮作用的地方。使用他們開發(fā)的基于投影的方法，Willcox和她的合作者可以識別更小的近似模型，但是不知何故編碼最重要的動態(tài)，使得它們可以用于預(yù)測。
她說：“這種方法可以創(chuàng)造出低成本、基于物理的模型，使預(yù)測數(shù)字雙胞胎成為可能。”。
威爾科克斯不得不開發(fā)另一種解決方案來模擬無人機(jī)上發(fā)生的復(fù)雜物理相互作用。她沒有將整個飛行器作為一個整體來模擬，而是與Akselos合作，使用他們的方法將模型（在本例中是飛機(jī)）分解成碎片——例如機(jī)翼的一部分——并獨(dú)立計(jì)算幾何參數(shù)、材料特性和其他重要因素，同時也考慮到當(dāng)整個平面組合在一起時發(fā)生的交互作用。
每一個分量都由偏微分方程表示，在高保真度下，有限元方法和計(jì)算網(wǎng)格被用來確定飛行對每一段的影響，生成基于物理的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，輸入機(jī)器學(xué)習(xí)分類器。
這種訓(xùn)練是計(jì)算密集型的，未來Willcox的團(tuán)隊(duì)將與德州大學(xué)奧斯汀分校的德州高級計(jì)算中心（TACC）合作，使用超級計(jì)算生成更大的訓(xùn)練集，考慮更復(fù)雜的飛行場景。一旦訓(xùn)練完成，在線分類就可以非常迅速地完成。
使用這些模型簡化和分解方法，Willcox能夠?qū)崿F(xiàn)1000次加速——將模擬時間從幾小時或幾分鐘縮短到幾秒——同時保持決策所需的準(zhǔn)確性。
她說：“這種方法很容易解釋。“我可以回去看看什么傳感器有助于被歸類為一種狀態(tài)。”這一過程自然有助于傳感器的選擇，也有助于確定傳感器需要放置在哪里，以捕捉對無人機(jī)健康和安全至關(guān)重要的細(xì)節(jié)。
威爾科克斯在會議上展示了一個演示，一架無人機(jī)在穿越障礙物的過程中能夠識別出自己的健康狀況正在下降，并繪制出一條更為保守的路線，以確保它安全返回家園。這是無人機(jī)必須通過的測試，才能在未來廣泛部署。
美國空軍科學(xué)研究辦公室前主任弗雷德里卡達(dá)雷馬說：“凱倫威爾科克斯博士的工作是DDDAS范式應(yīng)用的一個很好的例子，它可以改進(jìn)建模和儀器方法，創(chuàng)建具有全尺寸模型精度的實(shí)時決策支持系統(tǒng)，他支持這項(xiàng)研究。
威爾科克斯博士的研究表明，DDDAS的應(yīng)用創(chuàng)造了下一代“數(shù)字孿生”環(huán)境和能力。這些進(jìn)展對提高國防和民用部門關(guān)鍵系統(tǒng)和服務(wù)的效力產(chǎn)生了巨大影響。”
數(shù)字雙胞胎并不是無人機(jī)的專屬領(lǐng)域；它們越來越多地被開發(fā)用于制造、煉油廠和一級方程式賽車。該技術(shù)被評為Gartner2017年和2018年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一。
“數(shù)字雙胞胎正在成為一個商業(yè)的勢在必行，涵蓋整個生命周期的資產(chǎn)或過程，并形成基礎(chǔ)的連接產(chǎn)品和服務(wù)，”ThomasKaiser說，SAP高級副總裁IOT，在一個2017福布斯采訪。“沒有回應(yīng)的公司將被拋在后面。”
關(guān)于預(yù)測數(shù)據(jù)科學(xué)和數(shù)字雙胞胎的發(fā)展，Willcox說：“通過模型的視角從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)是使棘手問題實(shí)用化的唯一途徑。它匯集了數(shù)據(jù)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算科學(xué)和工程等領(lǐng)域的方法和方法，并指導(dǎo)它們在高結(jié)果應(yīng)用方面。”
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校奧登計(jì)算工程與科學(xué)研究所和杜布羅的照片
關(guān)于作者
亞倫·杜布羅是德克薩斯州高級計(jì)算中心通信、媒體和設(shè)計(jì)小組的科技作家。
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