基于物理的数字孪生的自适应调节的制作方法

本公开主要涉及基于物理的数字孪生领域。所描述的实施方式针对一种用于在运行时有效地自动调节数字孪生的基于物理的模型参数以紧密匹配真实世界物理系统的行为的技术。

背景技术：

1、模拟技术被广泛用于例如预测真实世界对象的行为或解释过去事件的行为。模拟技术的示例性应用是在数字孪生中。

2、越来越多地，自动化系统工程设计工具可被嵌入真实世界数字孪生。真实世界数字孪生表示的核心是利用真实世界物理系统的基于物理的模型的物理引擎(例如，bullettm、mujocotm等)。与数字孪生模拟相关的挑战之一是真实世界中观察到的输出与由基于物理的模型获得的相同输入信号的相应输出之间的差异。通常，这种差异是由于在基于物理的模型中使用的参数(这里称为“基于物理的参数”)的不准确性而产生的。

3、通常，基于物理的参数是离线计算的，例如，使用执行全局或局部优化任务的云计算系统或计算集群。这通常是需要的，因为基于物理的参数和基于物理的模型的输出之间的关系可能是高度非线性的、非凸的，或者数学上复杂的。因此，准确地确定描述真实世界物理系统的行为的正确参数值对于在边缘计算设备上运行或与实时保持一致通常在计算上过于昂贵。

技术实现思路

1、简而言之，本公开的各方面提供了一种技术，该技术使得数字孪生的基于物理的参数能够在运行中被有效地更新以紧密地匹配物理系统的行为。该技术提供匹配真实数据的参数值的更快收敛。

2、根据第一方面，提供了一种用于自动调节物理系统的数字孪生的计算机实现的方法。数字孪生利用由基于物理的参数集定义的物理系统的基于物理的模型。该方法包括：获得基于物理的参数集与应用于物理系统的自适应滤波器的滤波器系数集之间的经训练的映射；初始化基于物理的参数集和滤波器系数集；以及迭代地在一系列离散时间步长上使用自适应滤波以收敛于滤波器系数；以及将那些收敛的滤波器系数映射到基于物理的参数集中的参数值。每次迭代包括：由基于物理的模型使用基于物理的参数集中的当前参数值来计算对所测量物理输入信号的输出响应；从物理系统测量响应于物理输入信号而产生的输出信号，并且基于所测量的输出信号和所计算的输出响应来确定误差信号；将滤波器系数集更新为误差信号的线性函数；以及使用经训练的映射根据经更新的滤波器系数集合确定基于物理的参数集合中的经更新的参数值。

3、根据另一方面，提供了一种计算机实现的方法，其使用上述技术来在运行时通过数字孪生来修改物理系统的模拟，其中数字孪生利用物理系统的由基于物理的参数集定义的基于物理的模型。该方法包括：通过产生控制信号来操作物理系统的可控设备以执行过程，该控制信号作用于可控设备以产生物理系统的物理输入信号；以及根据上述技术，在由可控设备执行该过程的期间，在离散时间步长更新基于物理的参数集中的参数值。该方法使用在每个时间步长确定的更新的参数值，通过数字孪生利用基于物理的模型来执行物理系统的模拟，直到在可控设备执行过程的期间在随后的时间步长确定参数值的下一次更新为止。

4、本公开的其他方面在计算机程序产品、计算设备和自动化系统中实现上述方法的特征。

5、通过本公开的技术可以实现附加技术特征和益处。本公开的实施方式和方面在本文中详细描述并且被认为是所要求保护的主题的一部分。为了更好地理解，参考详细描述和附图。

技术特征：

1.一种用于自动调节物理系统的数字孪生的计算机实现的方法，所述数字孪生利用所述物理系统的由基于物理的参数集定义的基于物理的模型，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，更新所述滤波器系数集包括最小化所述误差信号的均方。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述基于物理的参数集包括不能从所述物理系统直接测量的至少一个基于物理的参数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括使用包括多个数据样本的合成训练数据集来创建所述经训练的映射，其中，每个数据样本包括所述基于物理的参数集与所述滤波器系数集的配对，所述多个数据样本是在所述基于物理的参数集中的参数值的预定范围上创建的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述训练数据集的每个数据样本通过以下方式创建：

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述时变输入信号包括正弦扫描信号。

7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，还包括在所述反卷积之前将噪声信号添加到所述时变输入信号的所计算的响应。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，创建所述经训练的映射包括在所述训练数据集上训练神经网络以基于输入滤波器系数集确定所述基于物理的参数集中的参数值。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中，所述经训练的映射被离线创建并随后部署到运行时系统。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述经训练的映射是在云计算系统或分布式计算系统中创建的，并且所述运行时系统是在边缘计算平台上实现的。

11.一种计算机实现的方法，用于在运行时由数字孪生来修改物理系统的模拟，所述数字孪生利用所述物理系统的由基于物理的参数集定义的基于物理的模型，所述方法包括：

12.一种包括指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述指令在由计算机处理时，将所述计算机配置为执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

13.一种计算设备，包括：

14.一种自动化系统，包括：

技术总结
公开了一种对物理系统(302)的利用物理系统(302)的基于物理的模型(304)的数字孪生进行自动调节的计算机实现的方法。该方法使用在基于物理的模型(304)的基于物理的参数集与应用于物理系统(302)的自适应滤波器(306)的滤波器系数集之间的经训练的映射(308)。基于自适应滤波的方法被用于基于响应于输入信号从物理系统(302)测量的输出信号与由基于物理的模型(304)针对相同输入信号计算的输出响应之间的误差来更新离散时间步长的滤波器系数集。然后使用经训练的映射(308)来根据更新的滤波器系数集确定基于物理的参数集中的更新的参数值。该方法可被用于在运行时修改数字孪生模拟以紧密匹配物理系统(302)的行为。

技术研发人员：约瑟夫·蒂尔卡
受保护的技术使用者：西门子股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15