Master's Thesis

Digital twin model for educational purposes

Final Thesis 3.74 MB Appendix 147.06 kB Appendix 33.02 MB

Author of thesis: Bc. Dominik Kozlovský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.

Reviewer: Ing. Marek Sedlařík

Abstract:

This thesis deals with the design, implementation, and experimental validation of a digital twin of a laboratory wind tunnel for educational purposes within the context of Industry 4.0. The objective is to create a reliable soft real-time monitoring and control system optimized for steady aerodynamic states. The research methodology combines the hardware implementation of an Internet of Things (IoT) sensor network on the Raspberry Pi platform with the development of a Reduced Order Model (ROM) derived from computational fluid dynamics (CFD). The results demonstrate a high correlation between virtual sensor predictions and physical measurements in steady states. The thesis concludes that the proposed hybrid system provides accurate and immediate feedback within the defined limits of usability and effectively eliminates the invasive aerodynamic effects of physical probes.

Keywords:

Industry 4.0, Digital twin, IoT, wind tunnel, Node-RED, Raspberry Pi, ROM, educational purposes

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s cíli a řešením závěrečné vysokoškolské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Otázky: - Váš primární výstup je software. Ansys, Python atd. Běží to na Raspberry bebo na počítači? - Jaká je praktická využitelnost digitálního dvojčetě. Je potřeba přetrénovat na každý model ve vzduchové komoře? - Co vše umožní Vaše výstupy popsat při práci se vzduchovou komorou?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical Manufacturing and Management (MPC-EVM)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Chladil, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Čudek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdenka Rozsívalová (člen)
prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. (předseda)
Ing. Jiří Báňa (člen)
Ing. David Trochta (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.

Diplomová práce je zaměřena na návrh, realizaci a validaci digitálního dvojčete laboratorního větrného tunelu určeného pro výukové účely. Řešená problematika je velmi aktuální a reflektuje současné trendy v oblasti Průmyslu 4.0, internetu věcí a virtuálních modelů fyzikálních systémů.
V práci je podrobně rozebrána potřebná teorie, která se opírá o relevantní literární zdroje. Student se zabýval návrhem kompletní architektury digitálního dvojčete, zahrnující propojení fyzického systému, senzorické vrstvy, komunikační infrastruktury a redukovaného numerického modelu. Za hlavní přínos práce považuji vytvoření funkčního digitálního dvojčete laboratorního větrného tunelu včetně jeho experimentální validace a kvantifikace dosažené přesnosti. Přínosná je rovněž integrace metod numerického modelování, IoT technologií a moderních nástrojů pro sběr a zpracování dat.
Student během řešení práce pracoval aktivně a zodpovědně. Pravidelně využíval konzultace, na které přicházel připravený a průběžně prezentoval dosažené výsledky. Pozitivně hodnotím zejména jeho iniciativu při řešení dílčích problémů, schopnost reagovat na připomínky a ochotu průběžně práci rozvíjet a dopracovávat. V průběhu řešení prokázal schopnost samostatně studovat nové oblasti a následně získané poznatky aplikovat při návrhu výsledného systému.
Práce je zpracována na velmi dobré odborné i formální úrovni. Oceňuji zejména mezioborový charakter řešené problematiky, propojení experimentálních a numerických metod a skutečnost, že výsledkem práce není pouze teoretický návrh, ale funkční systém ověřený na reálném zařízení. Předložená práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci a představuje přínosný podklad pro další rozvoj laboratorních úloh a výukových aktivit.
Vzhledem k výše uvedenému doporučuji práci k obhajobě a navrhuji ji hodnotit stupněm A Points proposed by supervisor: 93

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Marek Sedlařík

Diplomová práce Bc. Dominika Kozlovského se zabývá návrhem, realizací a experimentální validací digitálního dvojčete laboratorního větrného tunelu pro výukové účely. Cílem práce bylo vytvořit funkční systém propojující fyzický model s jeho virtuální reprezentací. Pro popis proudění ve větrném tunelu autor využívá CFD simulace, na jejichž základě vytváří redukovaný model umožňující rychlou predikci sledovaných veličin.

Práce je logicky členěna a jednotlivé kapitoly na sebe vhodně navazují. Teoretická část poskytuje přehled problematiky digitálních dvojčat a vytváří základ pro praktickou část práce. Oceňuji zejména rozsah praktické části, vytvoření funkčního digitálního dvojčete a návrh uživatelské aplikace, která usnadňuje práci s výukovým modelem.

Práce obsahuje několik formálních i odborných nedostatků. V úvodních kapitolách lze nalézt pasáže, které působí jako velmi těsný překlad původních zdrojů, zejména při práci s literaturou [1]. Dále se v práci objevuje nekonzistentní používání zkratek a u některých grafů chybí jednoznačné označení veličin nebo jednotek na osách. Některé grafické výstupy by si rovněž zasloužily pečlivější zpracování odpovídající úrovni diplomové práce.

Přes uvedené připomínky se jedná o kvalitně zpracovanou diplomovou práci, která splňuje zadání v plném rozsahu.

Na základě výše uvedeného doporučuji práci hodnotit stupněm A. Topics for thesis defence:
  1. Jakým způsobem by bylo možné eliminovat špičky v otáčkách ventilátoru při změnách požadované hodnoty?
  2. Na základě jakých kritérií byla zvolena metoda pro redukci CFD modelu? Byly posuzovány i jiné metody tvorby ROM modelů?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová