数字双胞胎如何开启航空航天和政府应用的下一个时代

作者:伊恩·兰德，杰森·尼塔斯，马克·塞鲁盖蒂

在不断变化的经济形势和严格的制造周期中，航空航天、国防和政府领域在过去几年中经历了令人印象深刻的技术发展。诸如自动化关键任务系统和在深空探索中部署先进电子设备等创新正在为政府和商业应用扩大机会。这些进步凸显了对安全可靠的半导体和软件的需求。为了在任何环境下(在陆地、水中、空中或太空)实现可靠的功能，需要对复杂的电子系统进行原型化、验证和监控，以降低风险并提高质量。

但是，你如何确保复杂的系统，如足球场大小的卫星或处理能力只有四分之一硬币大小的传感器，能够长时间无故障运行?

数字双胞胎提供了一种独特的能力来处理复杂系统的复杂性，并在不影响安全性或效率的情况下加快上市时间。虽然这个术语通常被认为比现在实现的更有远见，但系统公司已经在他们的开发过程中实现数字双胞胎有一段时间了。“左移”方法对于实现数字双胞胎的早期建模和分析是必要的，扩展了可以在产品生命周期早期完成的潜在用例。这使客户能够创建尖端的电子系统(包括硬件和软件)，并满足雄心勃勃的应用需求。

为什么数字双胞胎很重要?
数字双胞胎可用于各种应用程序和功能。类似于汽车行业的定义，数字双胞胎是一个物理系统的虚拟表示，并模仿实际硬件和软件的功能。在航空航天和国防领域，数字双胞胎提供了系统的虚拟表示，如飞机、卫星，甚至是一个更大系统中的半导体子系统。

在过去的20年里，数字双胞胎的概念只应用于机械零部件。然而，在过去的四到五年中，数字双胞胎也被用于电子系统。这种使用上的变化是由计算平台不断增加的复杂性、改进的功能和模型的可用性以及在当今系统上运行的大量软件所驱动的。

团队在使用数字双胞胎时要问的一个基本问题是:考虑的是什么系统级别?是像飞机的制动系统这样的子系统吗?是为了驾驶舱里的印刷电路板吗?还是为驱动飞机关键控制功能的底层芯片及其软件?虽然这些原理在不同的系统级别上是相同的，但数字双胞胎在航空航天和政府中非常重要，因为它们可以增强或取代过去原型设计所需的物理系统。它们对于身处多个地点的开发人员或向客户或用户演示也很有价值。

例如，联合攻击战斗机有超过2500万行代码，干重3万磅。想象一下，随着飞机控制处理和表面在开发过程中发生变化，修改软件代码和物理计算机硬件的挑战。所涉及的成本和时间是巨大的，更不用说达到一个健康的失败与成功比率的可能性。此外，当原型在开发阶段的早期使用时，它可以提供最大的好处，并且在硬件可用性之后增加重要的价值，当做出诸如CI/CD流和故障注入方法等关键设计决策时——没有实际的硬件是不可能实现的任务。在现实环境中，数字双胞胎在测试、验证和验证硬件和软件方面发挥着至关重要的作用。例如，通过使用Synopsys Saber的虚拟制造方法，与使用物理制造环境相比，通用汽车将成本降低了95%。

在你飞行之前先创造
今天，不仅仅是系统级的国防或航空公司在系统投入使用前推动“概念验证”——美国政府通过其“在飞行前创建”项目，强调了在飞机从跑道起飞前演示飞机是否可以完成它设定的任务的必要性。

虚拟软件测试以及安全和安全评估为早期硬件和软件集成以及以更低的成本和更快的部署时间更快地提供关键任务系统铺平了道路。使用数字双胞胎的公司在向美国政府等客户销售产品时具有优势，因为他们可以在项目审查时演示数字模型的工作方式。现在，团队不必花费数小时来评估无数物理测试系统的结果，而是可以在最终确定系统之前对更多的数据和建模见解进行评审。他们还可以在数字模型上查看系统变化的性能。这不仅为更好的决策创造了空间，而且还可以优化系统在整个生命周期内的性能，并通过不同军事部门所需的变化，满足不同联合项目执行办公室的需求。

根据DO-178C/ED-12C或DO-254/ED-80认证是航空航天和政府应用所独有的。由于物理原型的成本，团队倾向于在完整系统的认证过程之前使用数字双胞胎来开发子系统。使用数字双胞胎进行认证不仅有助于优化成本，还有助于降低部署时间，更重要的是降低风险。

超越平凡
没有一个模拟器可以解决所有问题。行业需要访问具有多个模拟或模拟器的异构环境，以同步工作以进行全面的系统开发。由于数字双胞胎是多领域的，它们可以从一个模拟中收集数据，并将有用的数据集应用到另一个模拟中，以获得可操作的见解。现场数据可以进行分析，以重现模拟中的问题，从而改善系统相关的操作指标。

打个比方，想想特斯拉为升级软件而向汽车推送的无线软件更新。特斯拉用汽车系统的数字表示在它们被推出之前对变化进行建模。在航空航天和政府应用中，某些系统将需要现场更新，其中虚拟原型可以使用现场报告的数据来帮助测试和调试将影响系统的用例。团队可以使用从上一代现场系统中捕获的数据来改进下一代系统，指出团队如何在构建系统之前建模和模拟系统-本质上是一个完整的循环。

随着电子设计和开发世界不断将系统带入生活，这些可能性和机会使数字双胞胎技术引人入胜。这就是为什么Synopsys在半导体元件层面提供数字孪生解决方案，专注于设计和开发可靠的电子系统，包括硬件和软件。我们还与政府和商业领袖密切合作，并在行业认可的项目中发挥积极作用。我们的密切合作使我们的客户在投入生产之前就可以安心和自信地超越任务要求。

数字双胞胎在航空航天和政府领域的前景如何?
数字双胞胎已经加速了航空航天、国防和政府应用的进展。随着电子产品复杂性的增加，并扩展到多芯片系统，该技术将在开发周期中变得更加重要。

在“跑道”上，如果该技术将在整个系统生命周期中作为一组基本构建模块使用，以及用于回归和部署后测试，我们不会感到惊讶。那些速度最快、最具竞争力、能够掌握这门艺术并拥有最深厚专业知识的玩家将会成功。在Synopsys，我们相信数字双胞胎在航空航天和政府应用领域的前景正在迅速实现。

Jason Niatas是Synopsys公司的产品解决方案销售经理;Marc Serughetti是嵌入式软件解决方案和系统的高级总监。