数字孪生和HIL到底应该如何选择？

最近，关于使用“数字双胞胎”技术来加速产品开发，软件调试和解决机电交互问题的讨论很多，数字孪生技术近几年的热捧，正如几年前类似的热门工具的“硬件在环测试”一样（通常称为HITL或HIL）。

什么是数字双胞胎和HITL？一般来说，对于数字双胞胎，您将创建一个软件模型来控制系统，然后为它提供被测控制器的输入和输出，并查看您的控制器在其应有的功能方面的表现如何。

图1：原则上，数字孪生是整个应用程序和过程的虚拟模型，允许设计人员通过单个软件实体可视化和测试设计。

相反，对于HITL，您可以构建与内核交互并直接使用实际硬件（电路和机械）来评估控制器的性能（图2）。换句话说，DT几乎是所有软件和模型，而HITL顾名思义则具有一些实际电路甚至是机电组件。

图2：此顶层视图显示了HITL测试系统的关键组件，该系统使用具有代表性的实时响应，激励和功能实例来连接HITL测试系统的所有I/O。被测单元（这里是汽车的电子控制系统）。

使用汽车发动机及其ECU（电子控制单元）的示例可以使这一点更加清楚。对于数字孪生场景，您将引擎完全作为软件结构进行建模，并且此模型与正在开发的控制器的软件“对话”。相反，对于HITL，您是对引擎进行建模，但是现在建模软件将实际的电路I/O连接到正在开发的控制器，然后该控制器将可以与接口实际通信。HITL通常需要机架的设备，这意味着需要大量的电路（图3）。数字孪生的吸引力之一是，它们消除了对大多数（如果不是全部）硬件的需求。

图3顾名思义，HITL集成了硬件，并且在两个词的含义上都是：电子和机电组件。

HITL系统甚至可以作为标准产品使用，例如高精度和高动态性的三轴和五轴飞行运动模拟器（FMS）系统，用于导弹制导和导引头套件的开发和生产测试（图4）。

图4 HITL系统可作为标准产品应用程序提供，例如用于测试导弹制导和导引组件的飞行运动模拟器系统。

那么，这两个哪个更好？与工程问题几乎总是一样，答案很简单：“取决于具体情况”。它依赖的因素包括创建各自模型的时间，对该模型的置信度以及模拟I/O的复杂性。有部分数字孪生的支持者表示HITL是“过去式”了，并且不再需要，也有HITL的支持者声称数字孪生被过度炒作了，HITL才更忠实于模型。其他人则认为，最好的解决方案是两者的结合，并要谨慎应用。

毫不奇怪，问题主要是关于模型而不是方法。我们知道，很难开发出真实模拟世界中良好的数字模型，而精确度最高的模型则是模型中的最后10％。有很多微妙的未知数，极端情况，异常，非线性，拐点，而且模型的创建者根本不了解或无法量化其中的更多信息。过于依赖模型精度只是经典的但仍然有效的格言“垃圾进，垃圾出”的最新体现。

毫无疑问，绝对有必要使用各种模型，无论它们是数字孪生还是HITL，Spice，RF软件包或仿真和分析工具，例如COMSOL Multiphysics，Mathworks MATLAB和Simulink以及ANSYS HFSS。但是要对这些模型的完善程度保持现实，请始终牢记该模型可以显示三，四个或更多有效数字的精度，但实际精度通常要低得多，如果现实世界中存在模型无法捕获的情况。