电动汽车工程研发系统数字孪生应用

        在这个案例中，我们可以在先进的孪生软件中使用数字孪生技术来统一定义的数字孪生系统与整体框架。尤其是，当需要描述一个数字孪生系统的层级水平指数来帮助客户理解他们的孪生应用级别，并实现他们所需求的业务价值所需的技术时，这一点非常重要。数字孪生水平标准指数类似于我们在自动驾驶汽车领域看到的L0级到L5系统，其中L0级是手动驾驶，L1是巡航控制，L5是完全没有方向盘的真正自主驾驶汽车。

      下图显示了四个不同级别的数字孪生水平的形象说明。在这篇文章中，我们将通过演示电动车辆的示例来说明L1描述水平。通过示例将了解创建和支持L1级描述性数字孪生解决方案所需的数据、模型、技术、相关服务和业务流程。

第一级：描述性数字孪生

      L1级数字孪生侧重于描述物理系统，包括从最初的业务案例分析和产品需求到详细的工程设计与3D可视化的内容。L1级数字孪生的目的是描述系统结构，以便用户能够了解构成物理系统的组件及其之间的关系。在许多情况下，对于L1级数字孪生来说，物理系统可能还不存在，因为它仍处于早期设计阶段。或者物理系统可能已存在，而L1数字孪生用于了解在特定一组操作条件下物理系统的平均行为（例如在计算流体动力学或固体力学分析中，常见工程中的CAE类仿真分析。下面说明的L1描述性数字孪生示例包括：1/ 资产模型；2/ 工程设计和3/ 沉浸式虚拟现实环境。

1.资产模型

        在分析物理资源实体或资产时，最基本的描述包括识别组成系统的所有的装配和组件。例如，在下面的图表中，展示了电动车辆的分层结构。该图表显示了构成车辆的主要系统、子系统和组件。这里面的图表仅供说明目的，不是事无具细的详尽无遗。这些信息描述了数字孪生的结构，并通常表示为图数据库如某个仿真系统中的实体模型，并可使用知识图查询和聚合来自其他来源的数据。请注意，许多行业已经制定了标准，以实现不同系统之间和在资产生命周期内的相互操作性。例如，ISO19650和UK 1192为建筑信息建模BIM开发的国际标准。在实践中，保持配置详细信息的更新是设备操作人员面临的常见挑战，了解资产的配置对于维护调度、库存规划和出于安全原因发布产品召回等业务场景中至关重要。例如AWS就有这一项服务，这项服务使开发人员更容易创建建筑物、工厂、工业设备和生产线等实际系统的数字孪生。这个数字孪生它可以方便连接到不同的数据源，以创建、更新和查询资产实体模型。同时这些数据可以显示在可视化界面中，或作为输入数据传递给基于机器学习或基于物理的模型进行预测。

2.工程设计

          从工程设计的角度来看，有许多汽车子系统需要设计，如结构车身、动力传动系统、电气系统、转向和悬挂系统，以及外观（用于设计和空气动力学）和内饰（用于设计和舒适性）。每个子系统都使用经过数十年验证的各种计算工具进行工程设计。例如，整体驾驶操纵和车辆动力学使用基于物理的多体动力学模拟进行建模仿真，该仿真模型考虑了组装车辆的每个结构组件的刚度。

在下面由MapleSim提供的示例中，轮胎与道路的接触互动可以精确建模来模拟的不平坦地形上车辆的行驶。仿真的输入包括车辆速度和转向输入，模型提供车辆悬挂的挠度。模拟仿真考虑了轮胎刚度和悬挂设计的细节，以了解轮胎与道路的接触力是否过低，无法提供足够的牵引力。对于电动车辆而言，由于与内燃发动机相比，在很多方面（包括车的底部重心分布较低，因为电池组位于底板下）在进行机动时（例如在湿滑的道路上刹车）车辆动力学和稳定性都是相当不同的。动态系统模拟使工程师能够在不同条件下模拟车辆动力学，以满足设计的工程要求。在这种情况下，我们还提供了车辆的3D渲染，以增强可视化效果。

        对于电动车辆来讲，对电动传动系统的性能分析至关重要，以确保车辆在充电时间、加速和续航方面满足客户的期望。例如，在寒冷的天气驾驶上下坡的情况下，电动车辆的电池续航距离与在温暖的天气平坦道路上的续航距离可能差异很大。为了探索电动车辆动力系统的性能，我们修改了如下图所示的之前的EV模型。在这个模型中，我们将传动系统的相关部分和用于气动性能特征和地形倾斜路况，以及简化车辆模型都进行了建模。图像中的图表显示了车辆按照模拟的行驶循环行驶时的关键电池和电机参数（电压和电流），并且电池的充电状态（SOC）在电池放电时可能下降。这种类型的分析使设计工程师能够了解电动传动系统是否可以满足或超过目标客户期望的路线轮廓能有正确的性能特征表现。了解MapleSim的更多汽车工程及其他应用信息，以及有关此项目的模型详情，请联络我们，有关产品解决方案更多信息请访问，MapleSim解决方案主页。

        使用不同软件工具进行工程分析的其他例子包括车辆上空气流的计算流体力学，以减小气动阻力，对结构组件进行有限元分析，以确保其具有承受车辆负载的强度，以及进行乘坐舒适性分析，模拟车辆运行期间乘客的振动/舒适性。面向计算密集型工作负载的工程仿真软件，如计算流体力学（CFD）、有限元分析（FEA）、药物发现、天气建模、电子设计自动化（EDA）等。这些ISV解决方案可以使用AWS高性能计算。

        在数字工程投资中，制造商通过在产品开发过程中使用虚拟仿真模型替代昂贵的物理硬件开发，从而降低成本。在工程设计领域中，我们从原始设备制造商（OEM）客户那里听到了很多有关希望在企业中实现工程作业流程，并寻求数字转型指导的信息。

3.沉浸式扩展现实体验

        上述L1级描述性孪生示例侧重于OEM在车辆设计过程中的工程描述。另一个引人注目的L1级的用例是应用扩展现实（XR）技术，如高保真3D、沉浸式虚拟现实和交互式增强现实，在客户参与过程中将用户沉浸于真实的车辆体验中。在这个例子中，AWS合作伙伴Cavrnus、Theia Interactive和Epic Games共同开发了一个元宇宙解决方案，创建了一个沉浸式的协作展厅副本，展示了一辆奥迪 A5敞篷车，品牌代表可以通过始终开放和可用的虚拟空间与客户进行更有意义的互动。

        例如，购车的未来愿景是让客户在家中舒适的环境中进入沉浸式虚拟展厅，并在同一虚拟展厅中与品牌代表共同进行元宇宙体验，引导他们完成销售周期。为了突出这一点，从Cavrnus沉浸式体验中提取了截图。我们可以看到客户在走廊上行走以接近车辆的视角，然后在展厅中看到车辆，并通过打开车门并坐在车内进行互动。

      Cavrnus的体验实现了多用户协作环境，所有用户都具有完全的空间3D共存，包括语音和视频流。客户可以邀请他们的朋友和家人从他们自己的地点远程加入沉浸式体验，并通过化身、语音和视频进行互动。客户能够根据可用的配置选项更改车辆的颜色、装饰水平、轮毂和内饰。所有用户将立即看到这些变化，并可以进行协作对话，并使用白板向彼此解释他们的想法。然后，他们可以生成出符合他们精确配置的车辆的个人商业广告。

在下面的图像中，客户通过打开敞篷车顶和后备箱继续与车辆互动。客户还在与朋友和家人进行协作讨论的同时修改了车辆的颜色和内饰选项，这些朋友和家人可以通过视频和化身看到。

这种体验是完全互动的，客户能够使用他们的控制手段“走”在虚拟展厅中，就像他们亲自在那里一样。要查看展示沉浸式体验的视频，请访问Cavrnus网站，亲自感受一下吧！

对于这个解决方案，创建了数字展厅环境。展厅资产是使用数字内容创建工具构建的。车辆和车辆组件来自奥迪提供的原始CAD和工程数据，并经过转换/优化工作流程处理。该体验由Cavrnus提供支持，并托管在AWS基础设施上，包括使用虚幻进行渲染和流媒体的G4和G4ad EC2实例。该体验还可以通过Web浏览器从AWS GPU服务器向任何终端设备进行像素流传输，包括智能手机。

AWS与各行业的客户合作，简化3D内容生成、存储、托管和体验的过程。例如，Amazon Nimble Studio是一个虚拟工作室，现在为数字内容创作者提供，提供虚拟工作站、共享存储和内置渲染解决方案，将创意工具连接在媒体和娱乐制作环境中。此外，AWS提供了一个虚幻引擎AMI，使基于Unreal Engine的内容开发变得更加简单。