A unifying mathematical formulation is needed to move from one-off digital twins built through custom implementations to robust digital twin implementations at scale. This work proposes a probabilistic graphical model as a formal mathematical representation of a digital twin and its associated physical asset. We create an abstraction of the asset-twin system as a set of coupled dynamical systems, evolving over time through their respective state-spaces and interacting via observed data and control inputs. The formal definition of this coupled system as a probabilistic graphical model enables us to draw upon well-established theory and methods from Bayesian statistics, dynamical systems, and control theory. The declarative and general nature of the proposed digital twin model make it rigorous yet flexible, enabling its application at scale in a diverse range of application areas. We demonstrate how the model is instantiated to enable a structural digital twin of an unmanned aerial vehicle (UAV). The digital twin is calibrated using experimental data from a physical UAV asset. Its use in dynamic decision making is then illustrated in a synthetic example where the UAV undergoes an in-flight damage event and the digital twin is dynamically updated using sensor data. The graphical model foundation ensures that the digital twin calibration and updating process is principled, unified, and able to scale to an entire fleet of digital twins.


翻译:需要统一数学配方,以便从通过定制实施而建成的一次性数字双胞胎转变为规模化的稳健数字双胞胎。 这项工作提议了一种概率化图形模型,作为数字双胞胎及其相关实物资产的正式数学代表形式。 我们创建了资产双赢系统抽象化,作为一组相互配合的动态系统,通过各自的状态空间,通过观察到的数据和控制投入而演化。 将这一组合系统正式定义为一种概率化的图形模型,使我们能够从巴伊西亚统计、动态系统和控制理论中汲取扎实的理论和方法。 拟议的数字双胞胎模型的宣示性和一般性质使它具有严格性,但具有灵活性,能够在不同应用领域大规模应用。 我们演示了该模型是如何瞬间化的,以允许无人驾驶航空飞行器(UAV)的结构数字双胞胎。 数字双胞胎的实验数据来自一个物理的实验数据。 其动态决策中的用途随后在一个合成示例中加以说明,即UAVAV进行空中损害事件,而数字双胞胎是动态更新的,并用传感器数据进行动态的更新。

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