最近，關於使用「數位孿生」(DT)來加速產品開發、軟體除錯和解決機電相互作用問題的討論很多，其中不免存在炒作和跟風。自幾年前「硬體迴圈」(英文原文通常稱HITL或HIL)變得火熱之後，DT又成為的一種類似熱門工具。

什麼是DT和HITL？與許多此類定義一樣，這在某種程度上取決於詢問的物件和來源。一般來說，DT是創建一個僅有軟體的模型來控制系統，然後向它提供來自被測控制器的輸入和輸出，以查看控制器在其應有的功能方面表現如何(圖1)。

圖1：原理上，DT是整個應用和流程的虛擬模型，可讓設計人員通過單個軟體工具進行視覺化設計和測試。

(來源：Wipro Limited)

相反，HITL用來構建核心的軟體模型，但是它會與真正的硬體(包括電路和機械元件)連接並直接使用它們來評估控制器的性能(圖2)。換句話說，DT幾乎全是軟體和模型，而HITL顧名思義則帶有一些實際電路甚至是機電元件。

圖2：這個頂層示意圖顯示出HITL測試系統的關鍵元件，該系統使用代表性的即時回應、電刺激和功能盒來連接被測單元的所有I/O (此處為汽車電子控制系統)。

使用汽車引擎及其電子控制單元(ECU)的示例可以進一步解釋清楚。對於DT場景，引擎完全作為軟體結構進行建模，並且此模型與正在開發的控制器軟體「對話」。相比之下，HITL雖然也是對引擎進行建模，但是現在建模軟體將透過實際的電路I/O驅動正在開發的控制器，該控制器也可以看到這些介面。HITL通常需要一些設備，也就意味著大量的電路(圖3)；DT的優勢在於消除了對大多數(如果不是全部)硬體的需求。

圖3：顧名思義，HITL整合了硬體，既有電子電路也有機電元件。

(來源：add2)

HITL系統甚至可以作為標準產品使用，例如高精準度和高動態性的三軸和五軸飛行運動模擬器(FMS)系統，用於導彈制導和導引頭元件的開發和生產測試(圖4)。

圖4：HITL系統可作為標準產品使用，例如此飛行運動模擬器系統用於測試導彈制導和導引頭元件。

(來源：Ideal Aerosmith)

那麼，DT和HITL哪個更好？對於此類工程問題，答案很簡單：這取決於實際應用。決定性因素包括創建各自模型的時間、對模型的信任度，以及類比I/O的複雜性。如果上網搜尋，會發現DT的支持者說HITL是「過時」的東西，已不再需要；但也有HITL支持者聲稱DT被過度炒作了，並且過分依賴於模型的真實度。其他人則認為，最好的解決方案是兩者的結合，使用要謹慎。

不出所料，問題主要是在於模型，而不是方法。我們知道，很難開發出真實類比世界中的良好數位模型，而且往往是模型最後的10%很難達到高精準度。這其中有很多微妙的未知因素、極端情況、異常、非線性和拐點，而且模型的創建者有很多根本不瞭解或無法量化的資訊。過於依賴模型精準度不過是一個經典、但仍然有效的格言「garbage in, garbage out」的最新實現。

毫無疑問，使用各種模型是絕對必要的，無論是DT還是HITL、Spice、RF套裝軟體，還是COMSOL Multiphysics、Mathworks MATLAB和Simulink，以及ANSYS HFSS等模擬和分析工具。但是對這些模型的完美程度要有務實的看法，請始終記住，該模型可以顯示三、四個或更多個有效數字的精準度，但是實際精準度通常會低很多。

如果現實世界中存在沒被模型捕捉到的「凸起」(bump)，精準度會更低。

你對DT、HITL，以及其他複雜的模型和工具有何看法或經驗？你是感到厭煩、興奮、不知所措還是其他感受？

(參考原文：Hardware-in-the-loop or digital twin: Use one, both, or neither?，by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年4月號

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