產(chǎn)品測(cè)試階段數(shù)字孿生的技術(shù)背景

在產(chǎn)品的測(cè)試階段，利用數(shù)字孿生的測(cè)試環(huán)境的數(shù)字化部署，可以有效降低產(chǎn)品測(cè)試期間的成本，縮短測(cè)試周期，豐富測(cè)試項(xiàng)目。在測(cè)試階段數(shù)字孿生主要功能涵括如下：

1、仿真：從產(chǎn)品的功能和性能方面來說，在制造業(yè)產(chǎn)品測(cè)試階段數(shù)字孿生的核心技術(shù)就是仿真。仿真為數(shù)字孿生體提供了近乎等同于現(xiàn)實(shí)機(jī)理的物體運(yùn)行邏輯。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括：多領(lǐng)域建模技術(shù)、多領(lǐng)域模型編譯技術(shù)、多領(lǐng)域模型分析技術(shù)、多領(lǐng)域仿真求解技術(shù)、仿真結(jié)果展示技術(shù)、控制系統(tǒng)與被控對(duì)象的建模技術(shù)、仿真系統(tǒng)集成與測(cè)試技術(shù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)同步技術(shù)、三維仿真降階技術(shù)、載荷實(shí)時(shí)識(shí)別與分析技術(shù)。

2、數(shù)據(jù)分析：通過AI分析測(cè)試數(shù)據(jù)，可以快速得到測(cè)試過程分析和測(cè)試結(jié)果分析，加快測(cè)試效率。

3、IoT：通過測(cè)量技術(shù)可以采集物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)空間中的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，也可以通過控制技術(shù)，將數(shù)字空間中的數(shù)字孿生體的運(yùn)行狀態(tài)反饋到物理實(shí)體上。另外遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)，也可以為數(shù)字孿生體的遠(yuǎn)程多單元協(xié)同測(cè)試提供基礎(chǔ)。?? ??例如：德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)和我國的清華大學(xué)都已經(jīng)建立了基于場(chǎng)景庫的自動(dòng)駕駛測(cè)試體系，他們提出的自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生測(cè)試VRIL(Virtual Reality in theLoop)概念，其實(shí)是真實(shí)的車輛行駛在真實(shí)的測(cè)試場(chǎng)地中，同時(shí)映射到虛擬的測(cè)試環(huán)境中的整車閉環(huán)測(cè)試。

VRIL在虛擬仿真系統(tǒng)中建立環(huán)境、道路、交通參與者、測(cè)試車輛的模型及其配置的傳感器模型，虛擬傳感器將在仿真環(huán)境中探測(cè)到的目標(biāo)信息發(fā)送給搭載自動(dòng)駕駛算法的測(cè)試車輛進(jìn)行信息融合與決策控制，測(cè)試車輛在測(cè)試場(chǎng)地內(nèi)運(yùn)行的同時(shí)，測(cè)試車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息采集并反饋給虛擬場(chǎng)景，從而完成虛、實(shí)狀態(tài)的同步，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試。并結(jié)合場(chǎng)景庫數(shù)據(jù)，可以快速的設(shè)置貼近真實(shí)交通環(huán)境的測(cè)試條件，有效提升測(cè)試的效率與真實(shí)度。

產(chǎn)品測(cè)試階段使用數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)

1 降低產(chǎn)品測(cè)試成本

這里提到的成本，不僅僅應(yīng)該局限于企業(yè)的視角談經(jīng)濟(jì)成本，其實(shí)也包括社會(huì)成本。首先，從經(jīng)濟(jì)角度來說，制造業(yè)屬于實(shí)體產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品大多具有實(shí)體，進(jìn)行測(cè)試之前一般考慮測(cè)試損耗和測(cè)試數(shù)據(jù)樣本量的問題，需要開模鑄造一批測(cè)試樣品，如果測(cè)試結(jié)果不滿意，則又需要重新開模，這一過程浪費(fèi)了大量的人力物力。數(shù)字孿生體則不存在這些問題，其成型與成長都來自于數(shù)據(jù)的孕育。從社會(huì)成本來說，數(shù)字孿生技術(shù)可以避免企業(yè)占用過多的社會(huì)資源，比如公共道路、大型實(shí)驗(yàn)室，并在某些行業(yè)可以減少大量不必要的環(huán)境污染。

2 縮短測(cè)試周期

為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，測(cè)試需要大量的回歸和迭代，在此過程中，數(shù)據(jù)的記錄與轉(zhuǎn)存、人員的溝通與交流、環(huán)境的影響等多種條件都會(huì)減緩測(cè)試的進(jìn)度。數(shù)字孿生體具備自己的數(shù)字主線，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)依附于孿生體之上，無需轉(zhuǎn)存，測(cè)試結(jié)果研發(fā)人員也可以直觀看到，無需測(cè)試人員的反饋，可極大的縮短流程時(shí)間。另外，如果不關(guān)心實(shí)時(shí)性的通信問題，數(shù)字世界的迭代測(cè)試，可以以遠(yuǎn)超現(xiàn)實(shí)世界的速度進(jìn)行。

3 豐富測(cè)試項(xiàng)目

數(shù)字孿生技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，是將工業(yè)中較復(fù)雜、較難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)試場(chǎng)景以比較方便的形式模擬出來，提供有價(jià)值的測(cè)試結(jié)果。這種難以實(shí)現(xiàn)的過程可能由幾種因素造成，如產(chǎn)品本身的性質(zhì)、造價(jià)導(dǎo)致測(cè)試成本極高，企業(yè)無法支持足夠的測(cè)試頻次；有些產(chǎn)品測(cè)試的周期極長，無法滿足企業(yè)和市場(chǎng)快速變化的需求；產(chǎn)品測(cè)試的環(huán)境難以在普通的測(cè)試環(huán)境中準(zhǔn)確模擬，或模擬的過程耗費(fèi)的資源難以負(fù)擔(dān)等等。

?產(chǎn)品測(cè)試階段使用數(shù)字孿生的典型應(yīng)用場(chǎng)景

1 產(chǎn)品測(cè)試階段數(shù)字孿生體應(yīng)用場(chǎng)景概述

制造業(yè)的產(chǎn)品測(cè)試階段其實(shí)屬于一個(gè)比較籠統(tǒng)的概念，為了將數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景描述的更加清晰，將其細(xì)化并分解的話，測(cè)試階段其實(shí)應(yīng)該分為兩個(gè)階段:

1) 工程驗(yàn)證測(cè)試階段

2) 設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段

工程驗(yàn)證測(cè)試階段的側(cè)重點(diǎn)在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的功能驗(yàn)證、安規(guī)測(cè)試等，此時(shí)因是產(chǎn)品原型樣品，測(cè)試的目的大多在于給研發(fā)工程師除錯(cuò)，幫助研發(fā)人員把控產(chǎn)品方向。在此階段的數(shù)字孿生體需具備工程驗(yàn)證能力，所有的產(chǎn)品參數(shù)繼承自研發(fā)階段的數(shù)字主線，研發(fā)人員并可對(duì)數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改，以提前評(píng)估產(chǎn)品的最終狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段的側(cè)重點(diǎn)在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的性能測(cè)試、壽命測(cè)試、缺陷測(cè)試等，測(cè)試的目的大多在于驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期以及為產(chǎn)品優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在本階段的數(shù)字孿生體的測(cè)試行為已經(jīng)不再局限于自身的調(diào)整，往往需要配合場(chǎng)景庫一起運(yùn)行，為產(chǎn)品的不同工況提供測(cè)試條件。

2 以測(cè)試為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生體應(yīng)用典型場(chǎng)景

我們雖然將產(chǎn)品測(cè)試分為了兩個(gè)階段，是因?yàn)獒槍?duì)不同的測(cè)試階段，其數(shù)字孿生體應(yīng)用場(chǎng)景并不相同：

1) 工程驗(yàn)證測(cè)試階段的數(shù)字孿生體應(yīng)用典型場(chǎng)景

對(duì)于工程驗(yàn)證測(cè)試階段說，其外環(huán)境往往是不變的，變量在于數(shù)字孿生體本身或內(nèi)環(huán)境。在上一節(jié)中，我們提到了汽車行業(yè)中如何去孕育數(shù)字孿生體，并為數(shù)字孿生體的功能進(jìn)行了完善。

這里我們繼續(xù)以汽車制造行業(yè)舉例。在車輛設(shè)計(jì)的工程驗(yàn)證測(cè)試階段，需要對(duì)整機(jī)的輔助電源、驅(qū)動(dòng)電壓、功率應(yīng)力、磁性元件、反饋環(huán)、外圍電路、環(huán)境壓力等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)槿说膮⑴c和樣機(jī)性化差異，單次測(cè)試并不能保證測(cè)試準(zhǔn)確，再加上測(cè)試線路復(fù)雜，可能存在部分機(jī)構(gòu)無法測(cè)試的情況。所以為了保證測(cè)試質(zhì)量就要提升測(cè)試迭代次數(shù)，延長測(cè)試時(shí)間。

使用數(shù)字孿生技術(shù)介入工程驗(yàn)證測(cè)試的場(chǎng)景下，首先數(shù)字孿生體可以取代實(shí)體測(cè)試，數(shù)字孿生體與物理實(shí)體傳承了同樣的數(shù)據(jù)基因，他們的功能與參數(shù)一致。其次平臺(tái)為數(shù)字孿生體提供了完備的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景庫，場(chǎng)景庫中可以設(shè)置環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度等。樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試的核心技術(shù)是內(nèi)置于場(chǎng)景庫的仿真插件，仿真插件由不同領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)仿真公司提供，包括流體、熱、電磁、結(jié)構(gòu)等多種領(lǐng)域，用戶使用不同的插件可快速實(shí)現(xiàn)針對(duì)同一孿生體，在特定環(huán)境下進(jìn)行不同領(lǐng)域的仿真或耦合仿真。

比如車輛工程驗(yàn)證測(cè)試中，測(cè)試人員期望測(cè)試功率器件的結(jié)溫降額，傳統(tǒng)方法一般是測(cè)試最高環(huán)境溫度下器件的外殼溫度。如果引入數(shù)字孿生技術(shù)，則可以為每一種功率器件創(chuàng)造數(shù)字孿生體，再結(jié)合熱和電磁領(lǐng)域的仿真插件，可創(chuàng)建該孿生體的結(jié)溫?cái)?shù)字模型。之后結(jié)合人工智能插件，方便對(duì)器件進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

另外，仿真結(jié)果也可以借助可視化插件以直觀的圖像或圖表方式進(jìn)行呈現(xiàn)和保存，方便研發(fā)人員參考和調(diào)閱。所以，數(shù)字孿生技術(shù)在工程驗(yàn)證測(cè)試階段是對(duì)傳統(tǒng)仿真技術(shù)的一次升華。

2) 設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段的數(shù)字孿生體應(yīng)用典型場(chǎng)景

在車輛設(shè)計(jì)完成之后的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段，測(cè)試的主要目標(biāo)是車輛的各項(xiàng)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)大多需要在不同的環(huán)境下才可以進(jìn)行測(cè)試。

數(shù)字孿生平臺(tái)具有一個(gè)常用場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景庫，比如在工程驗(yàn)證測(cè)試階段會(huì)用到的無干擾的空?qǐng)鼍?，?dāng)然，平臺(tái)也支持定制化開發(fā)的非標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景庫。這些非標(biāo)場(chǎng)景庫中可以集成諸如人機(jī)交互插件、數(shù)據(jù)分析插件、碰撞模擬插件等以應(yīng)對(duì)不同的挑戰(zhàn)。

比如，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段，可以通過錄制路譜，將路譜集成到測(cè)試場(chǎng)景中，再搭配人機(jī)交互插件、碰撞模擬插件以及系統(tǒng)仿真插件，就可以收集車輛的數(shù)字孿生體在不同路況下及不同環(huán)境下的固定運(yùn)行數(shù)據(jù)或者虛擬駕駛數(shù)據(jù)。

孿生體測(cè)試的數(shù)據(jù)量將根據(jù)孿生體的數(shù)字量級(jí)而變化，如果組成車輛的孿生體信息比較單薄，如僅由CAD模型支撐的孿生體，就只能提供外殼的碰撞數(shù)據(jù)。如果車輛的孿生體信息比較豐富，是一個(gè)復(fù)雜的孿生體集群，則會(huì)根據(jù)所選的仿真求解類型，給出一個(gè)相對(duì)較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。

仿真計(jì)算出的數(shù)據(jù)集，可直接以數(shù)據(jù)形式保存，也可以通過可視化的方式呈現(xiàn)，呈現(xiàn)的精細(xì)度也取決于孿生體的顆粒度。除此之外，仿真計(jì)算出的數(shù)據(jù)集也可以通過數(shù)據(jù)分析插件協(xié)助分析，以取得更好的測(cè)試效果。