摘要：數(shù)字孿生就是在數(shù)字空間對真實(shí)物體創(chuàng)造數(shù)字版的“克隆體”。本文從數(shù)字孿生概念出發(fā)，首先建立了紅外傳感器內(nèi)部流體三維計(jì)算模型并開展了流場分析，針對實(shí)際使用場景需求建立了面向紅外光傳感器的三維仿真計(jì)算模型降階方法，開發(fā)了該型紅外傳感器的降階模型，以在數(shù)字虛擬空間里創(chuàng)造了一個(gè)可以實(shí)時(shí)反饋傳感器內(nèi)部多物理場信息的數(shù)字孿生模型，進(jìn)而初步實(shí)現(xiàn)通過紅外傳感器數(shù)字孿生模型指導(dǎo)清洗用蒸汽流量控制，對減少蒸汽流量，防止傳感器鏡片污染具有重要意義，模型降階方法對傳感器類數(shù)字孿生技術(shù)起到了理論支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生概念；虛擬傳感器；仿真模型；降階模型

數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用傳感、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算、三維建模等信息時(shí)代技術(shù)，通過特定的算法軟件對實(shí)際物理空間進(jìn)行描摹、監(jiān)測、預(yù)測與決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理空間與虛擬的數(shù)字空間的交相映射，也就是在一個(gè)數(shù)字空間里對真實(shí)物體創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。完整的數(shù)字孿生技術(shù)一般包括復(fù)制、實(shí)時(shí)同步運(yùn)行和反饋三大要素［1］。

“孿生”的誕生可追溯到美國國家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”，該計(jì)劃旨在利用兩個(gè)航天飛行器，一個(gè)被發(fā)射到宇宙，另一個(gè)則停留在地球，來實(shí)現(xiàn)對航天器在軌任務(wù)期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為工程師應(yīng)對緊急情況提供數(shù)據(jù)支持［2］。2002年，數(shù)字孿生的概念首次被提出，這一概念源自美國密歇根大學(xué)的“產(chǎn)品全生命周期管理”課程，如圖1所示，通過在虛擬環(huán)境中構(gòu)建數(shù)字模型，并將其與現(xiàn)實(shí)世界中的物體進(jìn)行交互映射，可以更加逼真地反映物體的整個(gè)生命周期的運(yùn)動(dòng)軌跡［3］。

數(shù)字孿生發(fā)展主要?dú)v經(jīng)三個(gè)階段：在21世紀(jì)前為第一階段，以技術(shù)積累為主，二維繪圖工具AutoCAD的問世及仿真技術(shù)的出現(xiàn)成為數(shù)字孿生發(fā)展的必要條件，為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2000—2015年為第二階段，這一階段是數(shù)字孿生的概念發(fā)展期，以航空的科研領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域?yàn)榇硖岢隽艘幌盗袛?shù)字孿生的基本概念。第三階段為數(shù)字孿生的應(yīng)用爆發(fā)期。2016年以來，數(shù)字孿生技術(shù)迅猛發(fā)展，進(jìn)入第三階段，數(shù)字孿生已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，并取得了顯著的成效［45］。

1模型降階方法

1.1模型降階的定義

模型降階（Modelorderreduction）可以有效地改善設(shè)計(jì)、控制和反問題的性能，從而提升系統(tǒng)的效率。通過降維技術(shù)可以將復(fù)雜的多維物理過程轉(zhuǎn)換為更加簡單的近似模型，以便更好地捕捉系統(tǒng)的特征，從而大大減少計(jì)算維度、計(jì)算量，提高計(jì)算速度。建立模型降階主要分為三個(gè)步驟：（1）收集全階模型的信息；（2）構(gòu)造降階模型所在的低維空間；（3）將全階模型投影到低維空間獲得降階模型。大型有限元法仿真的成本往往較高，如果需要重復(fù)運(yùn)行仿真則會(huì)消耗很大的成本，此時(shí)如果使用降階模型可以得到很好的效果，降階模型通常僅在滿足其設(shè)計(jì)條件的情況下有效，雖然計(jì)算的精度相對全三維模型較低，但能明顯縮短仿真時(shí)間，更適合在工程領(lǐng)域應(yīng)用。

1.2降階模型（ROM）建立的理論技術(shù)路線

基于CAE的三維仿真往往存在響應(yīng)效率較慢的問題，隨著輸入的變量即邊界條件改變時(shí)，想要用來反映得到一個(gè)實(shí)時(shí)的工況，即使是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的情況的速率也是非常慢的，無法滿足實(shí)際工程應(yīng)用中的需求。為此我們便需要研究降階模型（ROM模型），其優(yōu)點(diǎn)在于將三維的CAE仿真轉(zhuǎn)換為一維的計(jì)算。以球閥為例，輸入?yún)?shù)變量即為入口速度、壓力、溫度乃至球閥開啟的角度變化，輸出變量可以是某一個(gè)橫截面或者某一部分流體域內(nèi)的壓力溫度或者其他參數(shù)的分布云圖。

在擁有輸入?yún)?shù)的情況下，我們可以使用DOE實(shí)驗(yàn)法生成多組的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，根據(jù)多組的訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用奇異值分解法（SVD）和響應(yīng)面法（RSM）來生成降階模型StaticROM。建立ROM模型的技術(shù)線路圖如圖2所示［67］：

技術(shù)線路圖左側(cè)的集合處理與網(wǎng)格劃分、邊界條件給予、Fluent求解設(shè)定屬于傳統(tǒng)的流場仿真范疇，在建立ROM的過程中入口的邊界條件必須使用參數(shù)化的方式設(shè)定。在生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)需要用到ROMBuilder插件，并用ANSYSTwinBuilder軟件對生成的訓(xùn)練數(shù)據(jù)處理生成降階模型。

2紅外傳感器降階模型開發(fā)

2.1紅外傳感器流體計(jì)算域模型

本文涉及的紅外傳感器主要功能是將氣體物料通入其中，在物料通過傳感器中央的通道時(shí)用紅外光對其進(jìn)行照射。在氣體物料中，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)會(huì)發(fā)生振動(dòng)吸收，這些化學(xué)鍵或官能團(tuán)會(huì)對紅外光產(chǎn)生不同的吸收頻率，從而在紅外光譜上顯示出它們的位置，從而可以獲取分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息，從而更好地理解分子的結(jié)構(gòu)和功能，以此來分析氣體物料中各成分的含量。使用ANSYSWorkbench軟件對該繪制完成的三維模型進(jìn)行流道模型抽取，抽取得到該傳感器的流體域模型如圖3所示：

氣體物料從入口進(jìn)入，經(jīng)過中間的長直通道，在通道中被紅外光束照射后從出口出來，同時(shí)為了保障氣體物料不會(huì)附著在前后鏡片上污染鏡片影響紅外光的射入，因此需要保持前后鏡片的干凈透明，則需在入口1、2、3、4處通入高壓蒸汽，以此來保護(hù)鏡片限制氣體物料在傳感器中的行徑，使其不會(huì)觸碰到前后的鏡片。已知?dú)怏w物料的輸入壓力為0.07MPa，水蒸氣入口1、2、3、4的設(shè)計(jì)輸入壓力為0.05MPa，便需要通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）仿真技術(shù)建立數(shù)字孿生模型來模擬該工況，以此來確保在該工況下氣體物料不會(huì)污染鏡片。將建好的流體域模型導(dǎo)入ANSYSmeshing中繪制網(wǎng)格，網(wǎng)格選擇四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量為0.001，得到網(wǎng)格模型如圖4所示：

2.2紅外傳感器流場計(jì)算與分析

將繪制完成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，黏性模型采用標(biāo)準(zhǔn)的kepsilon模型，打開組分開關(guān)，選擇組分傳遞，因?yàn)槟M過程中不需要考慮傳熱或者用到氣體物料的化學(xué)性質(zhì)，因此本次模擬中采用的標(biāo)識氣體代替真實(shí)物料，設(shè)置所有出入口都為壓力入口、壓力出口，氣體物料的輸入壓力為70000Pa，其余四個(gè)蒸汽輸入口輸入壓力均為50000Pa，蒸汽入口壓力均為50000Pa的情況下的標(biāo)識氣在模型中的含量分布，如圖5所示。

從圖5中分析可以知道，標(biāo)識氣體在后端鏡片處的分布量幾乎為0，但是在前端鏡片附近仍存在少量的標(biāo)識氣，在真實(shí)工作下氣體物料仍然會(huì)有很大可能性污染鏡片，說明前端的蒸汽入口1、2的設(shè)計(jì)輸入壓力不夠，需要小幅增大，因此我們將水蒸氣輸入口1、2的輸入壓力小幅增加提升到60000Pa，再次進(jìn)行運(yùn)算得到以下的云圖。

由本次模擬得到的云圖（見圖6）可以很直觀地看出，在左邊水蒸氣入口1、2的入口壓力調(diào)整到60000Pa，且當(dāng)右邊水蒸氣入口3、4仍保持在50000Pa時(shí)，前后鏡片周圍的標(biāo)識氣含量幾乎均可以忽略不計(jì)。因此蒸汽入口1、2的入口壓力為60000Pa，入口3、4入口壓力為50000Pa，可作為傳感器實(shí)際運(yùn)行的壓力參考，以此來保護(hù)前后鏡片幾乎不被氣體物料污染。

2.3近紅外傳感器降階模型開發(fā)

在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用中，如果氣體物料入口的入口壓力更改，蒸汽入口的入口壓力仍然保持不變的話，顯然就不能夠保持氣體物料不會(huì)污染鏡片。因此，當(dāng)氣體物料入口壓力變化時(shí)均可以隨時(shí)找到可以保護(hù)鏡片的一個(gè)合適的蒸汽入口壓力，這便需要用到數(shù)字孿生技術(shù)。根據(jù)前文中介紹到的降階ROM模型的建立方式，便可以建立紅外傳感器內(nèi)部流動(dòng)的降階ROM模型，如圖7所示。

通過該ROM模型，我們可以隨時(shí)控制各個(gè)壓力輸入口的輸入壓力，甚至可以在毫秒級別的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)生成對應(yīng)的紅外傳感器內(nèi)部三維場信息，如溫度云圖、壓力云圖與速度云圖等。以此模型便可以實(shí)時(shí)觀察氣體物料在不同的邊界條件下的分布，并且可以及時(shí)根據(jù)云圖中氣體物料的實(shí)際分布來調(diào)整清洗蒸汽的入口壓力。

結(jié)語

為了解決某些特殊應(yīng)用場景下，真實(shí)物理傳感器無法布置或不便于布置的難題，筆者從數(shù)字孿生概念出發(fā)，研究了紅外傳感器三維模型的降階方法，開發(fā)了近紅外傳感器的降階模型，以實(shí)現(xiàn)在數(shù)字空間里對真實(shí)紅外傳感器實(shí)物創(chuàng)造了一個(gè)虛擬的傳感器。當(dāng)對紅外傳感器輸入邊界條件后，可以實(shí)時(shí)反饋傳感器內(nèi)部流動(dòng)、溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵變量的場信息，本文研究結(jié)果對傳感器的數(shù)字孿生研究起到了理論支撐。

參考文獻(xiàn)：

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［6］宋學(xué)官，何西旺，李昆鵬，等.人體骨骼數(shù)字孿生的構(gòu)建方法及應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2022，58（18）：218228.

作者簡介：謝琳（1991—），女，漢族，吉林伊通滿族自治縣人，碩士研究生，助教，專任教師，研究方向：人工智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；汪澤宇（1992—），男，漢族，黑龍江雞西人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：人工智能大數(shù)據(jù)在圖像處理識別方向中的應(yīng)用；李淑貞（1996—），女，漢族，山東壽光人，碩士研究生，助教，專任教師，研究方向：生態(tài)遙感；孔令宇（1997—），男，漢族，吉林松原人，碩士研究生，助教，專任教師，研究方向：自然語言處理。