[논문 리뷰] The Executable Digital Twin: merging the digital and the physics worlds

Herman Van der Auweraer, Dirk Hartmann|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 25.

Digital Transformation in Industry인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 실시간 시뮬레이션, 검증 및 제어를 가능하게 하는 자가 포함형, 독립형 모델인 실행가능한 디지털 트윈(EDT)을 소개한다. 모델 순서 감소, 상태 추정 및 공동 시뮬레이션을 통합함으로써 EDT는 가상 센서, 하드웨어 인 더 루프(HIL) 테스트, 모델 기반 진단과 같은 응용 분야를 지원하며, 검증된 실시간 성능과 동적 적응성을 확보한다.

ABSTRACT

While the digital twin has become an intrinsic part of the product creation process, its true power lies in the connectivity of the digital representation with its physical counterpart. Data acquired on the physical asset can validate, update and enrich the digital twin. The knowledge contained in the digital representation brings value to the physical asset itself. When a dedicated encapsulation is extracted from the digital twin to model a specific set of behaviors in a specific context, delivering a stand-alone executable representation, such instantiated and self-contained model is referred to as an Executable Digital Twin. In this contribution, key building blocks such as model order reduction, real-time models, state estimation and co-simulation are reviewed, and a number of characteristic use cases are presented. These include virtual sensing, hybrid testing and hardware-in-the loop, model-based control and model-based diagnostics.

연구 동기 및 목표

• 실행 가능하고 맥락 기반의 모델을 통해 디지털 트윈과 실제 물리적 시스템 간 격차를 메우기 위해.
• 정적 디지털 트윈의 한계를 해결하기 위해 실시간 데이터에 따라 진화하는 동적이고 실행 가능한 표현을 창출하기 위해.
• 실행 모델을 활용한 모델 기반 제어 및 가상 센서를 통해 시스템 성능 향상과 진단을 향상시키기 위해.
• 실행가능한 디지털 트윈의 실용적 응용을 산업 및 공학 분야에서 입증하기 위해.
• 모델 순서 감소, 상태 추정 및 공동 시뮬레이션을 EDT의 기초 구성 요소로 체계화하기 위해.

제안 방법

• 모델 순서 감소를 통해 전체 디지털 트윈에서 실행 가능한 모델을 유도하여 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 저지연 실행이 가능한 실시간 모델링 기법을 적용하여 동적 물리적 시스템에 적합한 성능을 확보한다.
• 실시간 센서 데이터를 활용해 물리적 자산의 상태를 지속적으로 업데이트하기 위해 상태 추정 알고리즘을 통합한다.
• EDT를 물리적 하드웨어 또는 다른 시뮬레이션 모델과 결합하기 위해 공동 시뮬레이션 환경을 활용한다.
• 물리적 구성 요소를 시뮬레이션 모델과 연계하는 하이브리드 테스트 시나리오에 EDT를 적용한다.
• 제어 루프나 모니터링 시스템에 EDT를 런타임 실행 가능 모듈로 통합하여 모델 기반 제어 및 진단을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 트윈을 실시간 운영에 적합한 자가 포함형 실행 모델로 전환하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 모델 순서 감소를 통해 물리적 시스템의 정확하고 효율적인 실시간 시뮬레이션을 가능하게 하는 기법은 무엇인가?
• RQ3 실제 자산에서 유입되는 실시간 데이터를 어떻게 활용하여 실행가능한 디지털 트윈을 검증하고 업데이트할 수 있는가?
• RQ4 실행가능한 디지털 트와인은 가상 센서 및 하드웨어 인 더 루프 테스트를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 모델 기반 제어 및 진단 응용 분야에서 EDT의 성능 및 신뢰성 특성은 어떠한가?

주요 결과

• 실행가능한 디지털 트와인은 모델 순서 감소를 통해 계산 오버헤드를 감소시켜 실시간 데이터 기반의 물리적 시스템 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 상태 추정 기법을 통해 EDT는 실시간 센서 데이터를 지속적으로 통합함으로써 높은 정밀도를 유지할 수 있다.
• 공동 시뮬레이션 환경에서 물리적 구성 요소와 시뮬레이션 모델을 원활하게 통합함으로써 EDT는 하이브리드 테스트를 지원한다.
• 실행 모델의 동적 적응성 덕분에 모델 기반 진단은 고장 탐지 정확도가 향상됨을 보였다.
• 검증된 실시간 성능을 확보한 채로 가상 센서 및 모델 기반 제어 등 산업 응용 분야에서의 적용 가능성을 입증하였다.
• 이 접근법은 설계 및 분석 영역을 넘어 운영 및 제어 영역으로까지 디지털 트윈 기능을 확장 가능한 스케일러블 구현을 가능하게 한다.