Digital Twins in the Theory and Practices of Aircraft Electrical Power Systems
Abstract
The article addresses the problem of applying new digital technologies at the aircraft electrical equipment life cycle stages. The features pertinent to the development and application of digital twins in aircraft electrical equipment systems are presented. A unified approach to development of mathematical models for digital twins, called an energy processes mathematical prototyping method, is suggested. This method is based on taking into account the energy potentials and flows occurring inside the system, as well as incoming and outgoing energy flows. It is shown that for particular tasks arising at the products and systems life cycle stages, it is possible to use projections of the full model on the observed and controlled parameters corresponding to these tasks. Such projections are called "digital portraits". In addition, a set of properties of a particular object or system due to which it can perform informational interaction with other objects (systems), and which ones follow from the digital twin full model, is proposed to be called "digital passports".
References
1. Gelernter D.H. Mirror Worlds: or the Day Software Puts the Universe in a Shoebox—How It Will Happen and What It Will Mean. Oxford; New York: Oxford University Press, 1991, 256 p.
2. Grieves M., Vickers J. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems. – In book: Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems, 2017, pp. 85–113, DOI: DOI:10.1007/978-3-319-38756-7_4.
3. Tao F., et al. Digital Twin-Driven Product Design, Manufacturing and Service with Big Data, – The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 94 (4), DOI: 10.1007/s00170-017-0233-1.
4. Hochhalter J., et al. Coupling Damage-Sensing Particles to the Digital Twin Concept, 2014, 10 p. [Электрон. ресурс], URL: Hochhalter_NASA-TM-2014-218257_0.pdf (дата обращения 07.07.2022).
5. Кокорев, Д.С., Посмаков Н.П. Применение «цифровых двойников» в производственных процессах. – Colloquium-Journal, 2019, № 26-2 (50), с. 68–74.
6. Курганова Н.В. и др. Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства. – International Journal of Open Information Technologies, 2019, т. 7, № 5, с. 105–115.
7. Определение, разработка и применение цифровых двойников: подход центра компетенций НТИ СПбПУ [Электрон. ресурс], URL: http://digitalsubstation.com/blog/2020/04/30/opredelenie-razrabotka-i-primenenie-tsifrovyh-dvojnikov-podhod-tsentra-kompetentsij-nti-spbpu-novye-proizvodstvennye-tehnologii/ (дата обращения 07.07.2022).
8. ГОСТ Р 57700.37–2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники. Общие положения. М.: Российский институт стандартизации, 2021, 10 с.
9. Тамаев А.А. Применение формализма Гамильтона для решения задач оптимального управления динамическими и переходными процессами в электрических цепи и сетях энергосистем с использованием принципа максимума Понтрягина. – Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки, 2008, № 14, с. 36–40.
10. Исмаилов Т.А., Тамаев А.Г., Тамаев А.А. Математическое моделирование, построение теории и исследования динамических и переходных процессов в электрических цепях на основе формализма Гамильтона. – Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2010, № 6, с. 6–17.
11. Onsager L. Reciprocal Relations in Irreversible Processes. – Physical Review, 1931, 237(14). pp. 405–426; 1931, 238(12), pp. 2265–2279.
12. Sondheimer E.H. The Theory of the Galvanomagnetic and Thermomagnetic Effects in Metals // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 1948, No. 193, pp. 484–512; DOI:10.1098/rspa.1948.0058.
13. Морачевский А.Г., Фирсова Е.Г. Физическая химия. Термодинамика химических реакций. СПб.-М.-Краснодар: Лань, 2015, 101 с.
14. Быков В.И., Старостин И.Е., Халютин С.П. Построение матрицы восприимчивостей потенциально-потоковых уравнений для простых подсистем сложной системы. – Сложные системы, 2013, № 3(8), с. 66–86.
15. Быков В.И., Старостин И.Е., Халютин С.П. Потенциально-потоковый метод и современная неравновесная термодинамика. – Сложные системы, 2014, № 1(10), с. 4–30.
16. Barnett S.J. Gyromagnetic and Electron-Inertia Effects. – Reviews of Modern Physics,1935, No. 7, pp. 129–166, DOI: 10.1103/REVMODPHYS.7.129.
17. De Haas W.J., van Alphen P.M. The Dependence of the Susceptibility of Diamagnetic Metals, Leiden Communication, 1930, No. 212a, pp. 1106–1118.
18. Onsager L. Interpretation of the de Haas-van Alphen Effect. – The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1952, 43(344), pp. 1006–1008, DOI: 10.1080/ 14786440908521019.
19. Максвелл Дж.К. Трактат об электричестве и магнетизме (в двух томах). М.: Наука, 1989.
20 Тамм И.Е. Основы теории электричества: т.2. М.: Гостехиздат, 1934, 192 с.
21. Быков В.И., Старостин И.Е., Халютин С.П. Потенциально-потоковый метод и современная неравновесная термодинамика. – Сложные системы, 2014, № 1(10), с. 4–30.
22. Быков В.И., Старостин И.Е., Халютин С.П. Кинетические свойства неравновесных систем. Четвертое начало термодинамики. – Сложные системы, 2013, № 4(9), с. 68–86.
23. Быков В.И., Старостин И.Е., Халютин С.П. Построение матрицы восприимчивостей потенциально-потоковых уравнений для простых подсистем сложной системы. – Сложные системы, 2013, № 3(8), с. 66–86.
24. Старостин И.Е., Быков В.И. Кинетическая теорема современной неравновесной термодинамики. Raleigh: Open Science Publishing, 2017, 229 с.
25. Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии). СПб.: Наука, 2008, 409 с.
26. ГОСТ Р 58047-2017. Авиационная техника. Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики. М.: Стандартинформ, 2019, 28 с.
27. Халютин С.П. Объектно-энергетический метод конструирования моделей энергетических систем. – Мехатроника, автоматизация, управление, 2007, № 1, с. 24–28.
28. Халютин С.П. и др. Автоматизация проектирования систем электроснабжения воздушных судов. М.: Издательский дом академии Н.Е. Жуковского, 2015, 116 с.
29. Халютин С.П. К вопросу о применении объектно-энергетических диаграмм. – Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий, 2007, № 1, с. 96–98.
30. Дивеев А.И., Шмалько Е.Ю. Классические методы символьной регрессии для поиска структур математических выражений (обзор). – Вопросы теории безопасности и устойчивости систем, 2018, № 20, с. 100–132.
31. Дивеев А.И., Шмалько Е.Ю. Современные методы символьной регрессии и их модификации (обзор). – Вопросы теории безопасности и устойчивости систем, 2018, № 20, с. 133–158.
32. Бутырин П.А. Разработка аналитических и численно-аналитических методов решения уравнений состояния электрических цепей: дис. … докт. техн. наук, 1993, 304 с.
33. Чебаков М.И. Асимптотические и численно-аналитические методы в контактных задачах теории упругости: дис. … докт. физ.-мат. наук, 2002, 335 с.
34. Olson H.F. Dynamical analogies. New York: D. Van Nostrand Co., 1943, 196 p.
35. Коган И.Ш. Физические аналогии – не аналогии, а законы природы [Электрон. ресурс], URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7438.html (дата обращения 07.07.2022).
36. Веников В.А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. М.: Госэнергоиздат, 1949, 168 с.
37. Халютин С.П., Титов А.А. Метод предельных состояний для нахождения напряжения и тока в линейной электрической цепи. – Информационно-измерительные и управляющие системы, 2008, т. 6, № 11, с. 31–41.
38. Васильев А.Н., Тархов Д.А., Малыхина Г.Ф. Методы создания цифровых двойников на основе нейросетевого моделирования. – Современные информационные технологии и ИТ-образование, 2018, т. 14, № 3, с. 521–532.
39. Белоусов В.В. и др. Подход к оценке технического состояния элементов и узлов транспортных систем с применением методов нейросетевого моделирования и технологии цифровых двойников. – Нейрокомпьютеры: разработка, применение, 2021, т. 23, № 5, с. 5–20.
40. Халютин С.П., Давидов А.О. Оценка удельных свойств энергосистем самолетов на электрической тяге. – Электропитание, 2019, № 2, с. 43–54.
41. Халютин С.П. Система распределения электроэнергии воздушных судов - центр диагностирования и прогнозирования состояния авиационного электрооборудования. – Электропитание, 2020, № 2, с. 4–14.
42. Пат. RU2531907C1. Интеллектуальное распределительное устройство постоянного тока / А.Я. Дерех и др., 2014
#
1. Gelernter D.H. Mirror Worlds: or the Day Software Puts the Universe in a Shoebox—How It Will Happen and What It Will Mean. Oxford; New York: Oxford University Press, 1991, 256 p.
2. Grieves M., Vickers J. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems. – In book: Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems, 2017, pp. 85–113, DOI: DOI:10.1007/978-3-319-38756-7_4.
3. Tao F., et al. Digital Twin-Driven Product Design, Manufacturing and Service with Big Data, – The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 94 (4), DOI: 10.1007/s00170-017-0233-1.
4. Hochhalter J., et al. Coupling Damage-Sensing Particles to the Digital Twin Concept, 2014, 10 p. [Electron. Resource], URL: Hochhalter_NASA-TM-2014-218257_0.pdf (Date of appeal 07.07.2022).
5. Kokorev, D.S., Posmakov N.P. Colloquium-Journal, 2019, No. 26-2 (50), pp. 68–74.
6. Kurganova N.V., et al. International Journal of Open Information Technologies, 2019, vol. 7, No. 5, pp. 105–115.
7. Opredelenie, razrabotka i primenenie tsifrovyh dvoynikov: podhod tsentra kompetentsiy NTI SPbPU (Definition, development and application of digital twins: the approach of the NTI SPbPU Competence Center) [Electron. resource], URL: http://digitalsubstation.com/blog/2020/04/30/opredelenie-razrabotka-i-primenenie-tsif-rovyh-dvojnikov-podhod-tsentra-kompetentsij-nti-spbpu-novye-proizvodstvennye-tehnologii/ (Date of appeal 07.07.2022).
8. GОSТ R 57700.37–2021. Komp'yuternye modeli i mode-lirovanie. Tsifrovye dvoyniki. Obshchie polozheniya (Computer Mo-dels and Simulation. Digital Twins of Products. General Provisions). М.: Rossiyskiy institut standartizatsii, 2021, 10 p.
9. Tamaev А.А. Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tekh-nicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Dagestan State Technical University. Technical Sciences), 2008, No. 14, pp. 36–40.
10. Ismailov Т.А., Tamaev А.G., Tamaev А.А. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy Rossii. Radioelektronika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions of Russia. Radio Electronics), 2010, No. 6, pp. 6–17.
11. Onsager L. Reciprocal Relations in Irreversible Processes. – Physical Review, 1931, 237(14). pp. 405–426; 1931, 238(12), pp. 2265–2279.
12. Sondheimer E.H. The Theory of the Galvanomagnetic and Thermomagnetic Effects in Metals // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 1948, No. 193, pp. 484–512; DOI:10.1098/rspa.1948.0058.
13. Morachevskiy A.G., Firsova E.G. Fizicheskaya himiya. Termodinamika himicheskih reaktsiy (Physical Chemistry. Thermody-namics of Chemical Reactions). SPb.-М.- Krasnodar: Lan', 2015, 101 p.
14. Bykov V.I., Starostin I.E., Halyutin S.P. Slozhnye sistemy – in Russ. (Complex Systems), 2013, No. 3(8), pp. 66–86.
15. Bykov V.I., Starostin I.E., Halyutin S.P. Slozhnye sistemy – in Russ. (Complex Systems), 2014, No. 1(10), pp. 4–30.
16. Barnett S.J. Gyromagnetic and Electron-Inertia Effects. – Reviews of Modern Physics, 1935, No. 7, pp. 129–166, DOI: 10.1103/REVMODPHYS.7.129.
17. De Haas W.J., van Alphen P.M. The Dependence of the Susceptibility of Diamagnetic Metals, Leiden Communication, 1930, No. 212a, pp. 1106–1118.
18. Onsager L. Interpretation of the de Haas-van Alphen Effect. – The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1952, 43(344), pp. 1006–1008,DOI: 10.1080/14786440908521019.
19. Maxwell J.C. Traktat ob elektrichestve i magnetizme (v dvuh tomah) (A Treatise on Electricity and Magnetism (in two volumes)). М.: Nauka, 1989.
20. Тамм I.Е. Osnovy teorii elektrichestva (Fundamentals of the Electricity Theory): vol.2. М.: Gostekhizdat, 1934, 192 p.
21. Bykov V.I., Starostin I.E., Halyutin S.P. Slozhnye sistemy – in Russ. (Complex Systems), 2014, No. 1(10), pp. 4–30.
22. Bykov V.I., Starostin I.E., Halyutin S.P. Slozhnye sistemy – in Russ. (Complex Systems), 2013, No. 4(9), pp. 68–86.
23. Bykov V.I., Starostin I.E., Halyutin S.P. Slozhnye sistemy – in Russ. (Complex Systems), 2013, No. 3(8), pp. 66–86.
24. Starostin I.E., Bykov V.I. Kineticheskaya teorema sovremennoy neravnovesnoy termodinamiki (Kinetic Theorem of Modern Nonequilibrium Thermodynamics). Raleigh: Open Science Publishing, 2017, 229 p.
25. Etkin V.А. Energodinamika (sintez teoriy perenosa i preobrazovaniya energii) (Energy Dynamics (Synthesis of Theories of Energy Transfer and Transformation)). SPb.: Nauka, 2008, 409 p.
26. GОSТ R 58047-2017. Aviatsionnaya tekhnika. Vneshnie vozdeystvuyushchie faktory. Nomenklatura i harakteristiki (Aviation Equipment. Environmental Influencing Factors. Nomenclature and Characteristics). М.: Standartinform, 2019, 28 p.
27. Halyutin S.P. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie – in Russ. (Mechatronics, automation, control), 2007, No. 1, pp. 24–28.
28. Halyutin S.P., et al. Avtomatizatsiya proektirovaniya sistem elektrosnabzheniya vozdushnyh sudov (Automation of Aircraft Power Supply Systems Design). М.: Izdatel'skiy dom akademii N.E. Zhukovskogo, 2015, 116 p.
29. Halyutin S.P. Innovatsii v usloviyah razvitiya informatsionno-kommunikatsionnyh tekhnologiy – in Russ. (Innovations in the context of the development of information and communication technologies), 2007, No. 1, pp. 96–98.
30. Diveev A.I., Shmal'ko E.Yu. Voprosy teorii bezopasnosti i ustoychivosti sistem – in Russ. (Questions of the Theory of Security and Stability of Systems), 2018, No. 20, pp. 100–132.
31. Diveev A.I., Shmal'ko E.Yu. Voprosy teorii bezopasnosti i ustoychivosti sistem – in Russ. (Questions of the Theory of Security and Stability of Systems), 2018, No. 20, pp. 133–158.
32. Butyrin P.A. Razrabotka analiticheskih i chislenno-analiticheskih metodov resheniya uravneniy sostoyaniya elektricheskih tsepey: dis. … dokt. tekhn. nauk (Development of Analytical and Numerical-Analytical Methods for Solving Equations of Electrical Circuits State: dis. ... Dr. Sci. (Eng.)), 1993, 304 p.
33. Chebakov M.I. Asimptoticheskie i chislenno-analiticheskie metody v kontaktnyh zadachah teorii uprugosti: dis. … dokt. fiz.-mat. nauk (Asymptotic and Numerical-Analytical Methods in Contact Problems of Elasticity Theory: dis. ... Dr. Sci. (Phys.-Math.)), 2002, 335 p.
34. Olson H.F. Dynamical analogies. New York: D. Van Nostrand Co., 1943, 196 p.
35. Kogan I.Sh. Fizicheskie analogii – ne analogii, a zakony prirody (Physical Analogies are not Analogies, but Laws of Nature) [Electron. resource], URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7438.html (Date of appeal 07.07.2022).
36. Venikov V.А. Primenenie teorii podobiya i fizicheskogo modelirovaniya v elektrotekhnike (Application of Similarity Theory and Physical Modeling in Electrical Engineering). М.: Gosenergoizdat, 1949, 168 p.
37. Halyutin S.P., Тitоv А.А. Informatsionno-izmeritel'nye i upravlyayushchie sistemy – in Russ. (Information-Measuring and Control Systems), 2008, vol. 6, No. 11, pp. 31–41.
38. Vasil'ev A.N., Tarhov D.A., Malyhina G.F. Sovremennye informatsionnye tekhnologii i IT-obrazovanie – in Russ. (Modern Information Technologies and IT Education), 2018, vol. 14, No. 3, pp. 521–532.
39. Belousov V.V., et al. Neyrokomp'yutery: razrabotka, primenenie – in Russ. (Neurocomputers: Development, Application), 2021, vol. 23, No. 5, pp. 5–20.
40. Halyutin S.P., Davidov А.О. Elektropitanie – in Russ. (Power Supply), 2019, No. 2, pp. 43–54.
41. Halyutin S.P. Elektropitanie – in Russ. (Power Supply), 2020, No. 2, pp. 4–14.
42. Pаt. RU2531907C1. Intellektual'noe raspredelitel'noe ustroystvo postoyannogo toka (Intelligent DC Switchgear)/ A.Ya. Derekh, et al., 2014
