實體系統仿真可以在降低設計和營運成本方面産生重大影響，同時加快新産品的上市時間。實體系統仿真是一個難以捉摸的概念——但在您虛拟化産品設計過程的過程中，沒有辦法繞過它。那麼實體系統仿真是什麼？可以用來做什麼呢？贊奇雲工作站為你科普一下吧。
實體系統仿真為系統級決策提供了正确的保真度
在仿真世界中，人們總是在模型中的細節和計算時間之間進行權衡。模型或多或少是對實體世界的較長的描述，需要模拟的細節越多，任務的計算成本就越高。計算昂貴的模型将需要很長時間來模拟，雖然在某些情況下這可能是必要的，但包含适量的細節以實作更快的模拟結果通常是一種更好的方法。更快的仿真結果意味着工程師可以更頻繁地更新設計（以及随後的模型），然後在整個産品設計周期中更快地進行試驗和疊代。
一些模拟方法允許您捕獲進階别的細節，但計算量相對較高。它們通常用于 2D 或 3D 中的元件級仿真，并且通常僅限于一個或兩個實體域的互動。計算流體動力學和有限元分析是通常屬于此類的方法。計算流體動力學隻關注流體流動，可能與化學或熱實體域的互相作用。但是，對于模拟系統，這些方法的計算成本過高。相反，對于系統仿真，重點主要放在 0D 或 1D 效果上。
對于系統仿真，并在系統級别上獲得有意義且及時的工程洞察力，問題就變成了：模型中應包含哪些細節或實體現象？
實體系統仿真專注于表示系統，是以犧牲了元件細節以換取更快的性能和捕獲完整系統的能力。這并不意味着系統模拟的準确性或預測性較差——所有範例都需要在參數化、校準和驗證方面進行盡職調查。相反，這意味着系統仿真專注于捕獲與系統級别相關的實體現象。
例如，在圖 1 中，液化空氣儲能系統模型包括與整個系統分析相關的正确詳細程度。該模型可以根據流體在每個元件中經曆的轉變，跟蹤每個循環元件改變流體的熱力學狀态。是以，可以在系統級别上做出決策。
圖 1：實體系統仿真使您能夠通過利用具有中等保真度的預測元件模型并分析它們的互相作用，在系統級别做出決策。
使用實體系統仿真的預測能力
實體系統仿真提供了準确描述實體的功能。當工程師需要找到對她/他的實體系統的正确描述時，使用友善地表示“實體”的模拟範式至關重要。由于實體系統模組化的兩個關鍵功能，這種實體描述是可能的：
- 第一性原理方程是支配我們實體世界的基本定律，例如品質、能量和動量守恒。這些定律也支配實體系統模型的行為。
- 經驗關系描述了壓力損失、傳熱和摩擦等現象，這些現象無法在系統級别使用第一原理友善地模組化。這些經驗關系由實驗研究和參數拟合實踐确定。
這兩者的結合使實體系統仿真具有預測能力，并且與純粹基于資料的實體系統仿真方法相比具有優勢。該基礎允許建構準确表示各種實體領域的模型，例如機械、流體、熱傳遞、電、化學和/或磁實體現象。進而捕捉領域的互相作用——多實體系統模型的建立。
一個好的實體系統仿真工具将帶來與仿真實體系統相關的特性，而不是任何系統。這些功能包括使用實體量、組量和模型的機關、重用第一原理以及友善地選擇相關經驗關系的能力。複雜性呈指數級增長，這些特征對于模型的處理變得至關重要。相比之下，使用成熟的通用或科學腳本語言來表示實體系統會迅速為模型的描述增加不必要的複雜性。複雜性不利于産品開發周期的速度和品質。設計工程師容易出現人為錯誤，
圖 2 中的模型顯示了實體系統仿真，該仿真側重于系統級飛機的預測實體現象，涵蓋與每個飛機子系統相關的各種實體域。每個子系統的行為由第一性原理方程和經驗關系控制。Modelon 庫内容提供了一組數值穩健、高性能且可重複使用的第一原理方程和經驗關系，并打包在文檔化的元件模型中。不必自己描述實體場在基于模型的設計過程中會顯着增加時間和成本。
圖 2：該模型代表了飛機真正的多實體系統（從左到右）：機身（機械）、動力裝置（傳統上是機械-熱流體系統）和輔助系統（流體、電氣、 ETC。）。
面向實體系統仿真的技術帶來了适當的保真度，可以對系統做出有意義的工程決策，并使用有助于管理模型複雜性的實體語言。在系統的同一模型中，可以毫不費力地描述機械、流體、熱傳遞、電、化學和/或磁實體現象。
實體系統仿真與系統工程
實體系統仿真可以與系統工程進行對比。系統工程是一種範式，主要關注不同的子系統群組件如何互動，而不必對每個元件或子系統的行為具有任何預測能力，是以關注成功互動的要求。
結論
雖然對于給定的模拟場景，沒有關于使用任何模拟範式的嚴格準則，并且存在許多極端情況；每個範例都延伸到一個權衡複雜性和工程師任務的範圍。對模型中給定的細節數量沒有固有的偏好，而是希望為每個任務選擇正确的模組化範式和模型複雜性。
實體系統仿真對于在設計過程的早期做出設計決策至關重要，以支援架構和優化；稍後驗證驗證任務。實體系統模拟也是資産營運改進和開發數字孿生的絕佳候選者。請留意更多實體系統仿真内容，包括何時使用實體系統仿真、它适合您的設計流程的位置等。
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