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A probabilistic graphical model foundation for enabling predictive digital twins at scale

计算机科学 概率逻辑 基础(证据) 图形模型 比例(比率) 数据科学 人工智能 地理 地图学 考古
作者
Michael G. Kapteyn,Jacob V. R. Pretorius,Karen Willcox
出处
期刊:Nature Computational Science [Springer Nature]
卷期号:1 (5): 337-347 被引量:215
标识
DOI:10.1038/s43588-021-00069-0
摘要

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. This work proposes a probabilistic graphical model as a formal mathematical foundation for digital twins, and demonstrates how this model supports principled data assimilation, optimal control and end-to-end uncertainty quantification.
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