基于數(shù)字孿生的裝備維修保障平臺(tái)

摘" 要： 維修保障是裝備運(yùn)行使用的重要部分，裝備的維修保障能力直接影響其效能的發(fā)揮。而基于歷史故障數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)維修保障方式很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確保障，使得裝備效能發(fā)揮受到了影響。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為裝備運(yùn)行使用過(guò)程中的全資可視化、裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、故障快速預(yù)測(cè)并診斷、維修方案智能化制定及驗(yàn)證、維修指導(dǎo)以及按需訓(xùn)練培訓(xùn)等提供了良好的實(shí)現(xiàn)條件。文中在研究裝備維修保障對(duì)象、業(yè)務(wù)領(lǐng)域及壽命期保障內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種裝備維修保障數(shù)字孿生模型，分析裝備數(shù)字孿生體組成以及需要管理的元素；在分析裝備維修保障孿生數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上，提出了裝備維修保障數(shù)字孿生平臺(tái)框架；最后針對(duì)裝備維修保障數(shù)字孿生體的構(gòu)建及使用，分析了數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。研究成果可指導(dǎo)裝備維修保障數(shù)字孿生體建設(shè)工作的開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)裝備實(shí)時(shí)、精確保障。

關(guān)鍵詞： 裝備維修保障； 數(shù)字孿生技術(shù)； 數(shù)字孿生體； 管理元素； 壽命期； 虛實(shí)交互； 置信度評(píng)估

中圖分類號(hào)： TN957.52+4?34； TP391" " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）22?0131?08

Research on equipment maintenance support platform based on digital twin

Abstract： Maintenance support is an important part of equipment operation and use， and the maintenance support capability of equipment can directly affect its effectiveness. The traditional maintenance support methods based on historical fault data are difficult to achieve real?time and accurate support， which affects the effectiveness of equipment. The development of digital twin technology provides a good implementation conditions for full visualization of equipment operation and use， real?time perception of equipment status， rapid prediction and diagnosis of faults， intelligent formulation and verification of maintenance plans， maintenance guidance， and on?demand training. On the basis of studying the objects， business areas， and life cycle support content of equipment maintenance support， a digital twin model for equipment maintenance support is designed. The composition of the equipment digital twin and the elements that need to be managed are analyzed. On the basis of analyzing the twin data flow of equipment maintenance and support， a digital twin platform framework for equipment maintenance and support is proposed. The key technologies for implementing digital twins in equipment maintenance and support are analyzed focusing on the construction and use of digital twin platform. The research results of this article can guide the construction of digital twins for equipment maintenance and support， achieving real?time and accurate equipment support.

Keywords： equipment maintenance support; digital twin technology; digital twin; management elements; lifespan; virtual real interaction; confidence assessment

0" 引" 言

裝備維修保障工作是裝備體系的重要組成，目的是使裝備保持良好的技術(shù)狀態(tài)；其也是部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的快速形成和持續(xù)保持的重要基礎(chǔ)，對(duì)于裝備的使用結(jié)果影響重大。隨著高新技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展及其在裝備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高精度、自動(dòng)化、智能化、體系化成為了裝備新的發(fā)展趨勢(shì)。裝備結(jié)構(gòu)及其功能越來(lái)越復(fù)雜，裝備系統(tǒng)的配置趨于多樣，運(yùn)行環(huán)境惡劣且多變，內(nèi)部環(huán)境更加極端，傳感器存在一定局限性，故快速準(zhǔn)確地獲取裝備狀態(tài)，采取預(yù)防性或視情維修策略確保裝備隨時(shí)有效，是裝備維修保障工作的一大挑戰(zhàn)[1]。裝備維修保障包括基于性能的保障、維修技術(shù)指導(dǎo)、培訓(xùn)訓(xùn)練、故障診斷預(yù)測(cè)健康管理、基于狀態(tài)的維修、備件庫(kù)存優(yōu)化配置等內(nèi)容，全資可視化、實(shí)時(shí)性能預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)故障診斷預(yù)測(cè)及狀態(tài)反饋、智能化維修方案制定是裝備實(shí)時(shí)、精確化保障的基本要求。傳統(tǒng)模式的裝備維修保障主要基于歷史故障數(shù)據(jù)，包括糾正性維修和預(yù)防性技術(shù)維修，缺乏裝備實(shí)時(shí)狀態(tài)感知和預(yù)測(cè)能力，未考慮運(yùn)行環(huán)境、人員的差異性，零部件等局部故障使得裝備系統(tǒng)影響評(píng)估困難，針對(duì)性維修方案制定困難，保障資源配備不足或者過(guò)剩，導(dǎo)致裝備故障處理難度大、故障停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，從而影響戰(zhàn)場(chǎng)整體態(tài)勢(shì)發(fā)展。

2003年密歇根大學(xué)的Michael Grieves提出數(shù)字孿生概念， NASA在“阿波羅計(jì)劃”中首次應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，目前數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制造、維修評(píng)估以及故障診斷預(yù)測(cè)等[2]。洛馬公司構(gòu)建了F?35型飛機(jī)的整機(jī)數(shù)字孿生體，幫助美軍在研發(fā)、制造及部署運(yùn)行階段進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析[3]。陶飛等提出數(shù)字孿生五維模型，通過(guò)數(shù)字模型、孿生數(shù)據(jù)及連接來(lái)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射、虛實(shí)交互及虛實(shí)共生，設(shè)計(jì)“準(zhǔn)確?實(shí)時(shí)?一致?安全?可靠”連接交互準(zhǔn)則、“感知?通信?映射?聯(lián)動(dòng)?融合”孿生交互體系以及數(shù)字孿生平臺(tái)軟件架構(gòu)，進(jìn)一步細(xì)化數(shù)字孿生成熟度模型并設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)因素[4?11]。文獻(xiàn)[12]提出了評(píng)估數(shù)字孿生模型的原則，設(shè)計(jì)了“目標(biāo)?準(zhǔn)則?指標(biāo)”三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及計(jì)算方法。文獻(xiàn)[13]提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品智能服務(wù)方法，包括基于孿生數(shù)據(jù)的服務(wù)需求獲取及預(yù)測(cè)分析，故障診斷預(yù)測(cè)、維修輔助、視情維修與備件庫(kù)存優(yōu)化，以及效能分析預(yù)測(cè)、運(yùn)行優(yōu)化控制等方法。文獻(xiàn)[14]提出了機(jī)理模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的算測(cè)融合方案，并構(gòu)建了重大裝備的形性一體化數(shù)字孿生框架。數(shù)字孿生是元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)初步應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品、機(jī)械部件、汽輪機(jī)、飛行器及武器裝備的設(shè)計(jì)、制造和維修保障領(lǐng)域[10，15?22]。

本文將數(shù)字孿生技術(shù)思想引入裝備維修保障中，提出一種基于數(shù)字孿生的裝備維修保障模型，分析了裝備數(shù)字孿生體組成以及維修保障數(shù)字孿生相關(guān)元素；在分析裝備維修保障數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)裝備維修保障數(shù)字孿生平臺(tái)框架，并分析相關(guān)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)。

1" 基于數(shù)字孿生的裝備維修保障

1.1" 裝備維修保障數(shù)字孿生模型

裝備維修保障數(shù)字孿生體由物理空間和虛擬空間構(gòu)成，通過(guò)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)虛實(shí)交互，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向交互控制，共同支撐裝備的維修保障工作開(kāi)展，保障裝備有良好的運(yùn)行使用狀態(tài)，達(dá)到虛實(shí)共生的效果。裝備維修保障數(shù)字孿生模型如圖1所示。

裝備維修保障數(shù)字孿生模型的物理空間包括裝備維修保障業(yè)務(wù)領(lǐng)域、裝備、平時(shí)及戰(zhàn)時(shí)裝備壽命期的保障內(nèi)容，物理空間通過(guò)傳感器、攝像頭、通信鏈路等向虛擬空間輸入裝備實(shí)時(shí)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等。虛擬空間是物理空間的實(shí)時(shí)數(shù)字映射，實(shí)現(xiàn)物理空間的實(shí)時(shí)數(shù)字模擬及預(yù)測(cè)，向用戶展示裝備實(shí)時(shí)狀態(tài)以及未來(lái)可能狀態(tài)，驗(yàn)證裝備預(yù)防性維修處理方案，并將通過(guò)仿真驗(yàn)證的維修處理方案及指令反饋給裝備物理實(shí)體及其運(yùn)維使用人員。虛擬空間包括裝備實(shí)體的數(shù)字模型（例如物理性能、幾何結(jié)構(gòu)、功能行為、約束、仿真計(jì)算、故障診斷預(yù)測(cè)、剩余使用壽命預(yù)測(cè)、維修決策等數(shù)字模型）、裝備使用維修人員數(shù)字映射模型（也就是虛擬數(shù)字人，能夠從事裝備虛擬運(yùn)行使用的維修、操作等仿真，在虛擬空間參與裝備運(yùn)行維護(hù)等操作，用于維修方案、操作過(guò)程等仿真及驗(yàn)證）、裝備運(yùn)行環(huán)境模型、智能方案制定引擎、仿真評(píng)估引擎，接收物理空間傳送的實(shí)體裝備孿生數(shù)據(jù)，再將故障診斷預(yù)測(cè)結(jié)果、維修方案、操作指令等反饋給物理空間。虛擬空間產(chǎn)生的故障診斷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、剩余使用壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、維修方案數(shù)據(jù)、操作調(diào)試優(yōu)化數(shù)據(jù)以及仿真評(píng)估數(shù)據(jù)等，與物理空間裝備實(shí)體相關(guān)的各類數(shù)據(jù)共同構(gòu)成裝備孿生數(shù)據(jù)。從使用維護(hù)角度，裝備對(duì)象由子系統(tǒng)、部件、組件、零件等層級(jí)組成，形成各級(jí)邏輯可更換單元（Logic Replaceable Unit， LRU）。從裝備維修保障業(yè)務(wù)角度，裝備維修保障包括相關(guān)學(xué)科（例如系統(tǒng)工程、裝備維修技術(shù)等）、專業(yè)（例如維修工程、保障工程、健康管理等）、維修保障流程（例如定檢流程、計(jì)劃性維修流程、糾正性維修流程、設(shè)備保養(yǎng)流程、培訓(xùn)訓(xùn)練流程、故障隔離操作流程等）、維修保障數(shù)據(jù)（例如出廠數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、履歷數(shù)據(jù)、備件數(shù)據(jù)、維修工具、維修計(jì)劃、維修記錄、倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)等）及資源（包括人、財(cái)、物、環(huán)境、氣候等）。從裝備壽命期保障角度，主要包括出廠、運(yùn)行使用、庫(kù)存管理、訓(xùn)練、維修、整治、退役等保障工作。

1.2" 裝備數(shù)字孿生體組成

裝備系統(tǒng)由裝備及保障裝備共同組成，形成完成制定任務(wù)的系統(tǒng)，其數(shù)字孿生包括裝備數(shù)字孿生體、保障裝備數(shù)字孿生體、環(huán)境數(shù)字孿生體以及人員數(shù)字孿生體。根據(jù)裝備的幾何結(jié)構(gòu)特性、功能行為特性、物理性能特性以及約束關(guān)系，裝備數(shù)字孿生體又包括功能行為數(shù)字模型、物理性能數(shù)字模型、幾何結(jié)構(gòu)數(shù)字模型、約束模型幾個(gè)部分。根據(jù)裝備保障結(jié)構(gòu)SBOM層級(jí)劃分，裝備數(shù)字孿生體自頂向下又包括裝備、子系統(tǒng)、部組件、零件幾個(gè)層級(jí)的數(shù)字孿生體。不同裝備、不同層級(jí)的部組件均有一個(gè)唯一數(shù)字孿生體與之對(duì)應(yīng)。裝備級(jí)數(shù)字孿生體包括若干個(gè)子系統(tǒng)數(shù)字孿生體，子系統(tǒng)數(shù)字孿生體由多個(gè)組件數(shù)字孿生體組成，組件數(shù)字孿生體由多個(gè)零件數(shù)字孿生體組成。每個(gè)數(shù)字孿生體采用幾何結(jié)構(gòu)數(shù)字模型、功能行為數(shù)字模型、物理性能數(shù)字模型以及約束數(shù)字模型描述，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為方便維修保障過(guò)程管理及裝備使用，面向維修保障領(lǐng)域的裝備數(shù)字孿生體主要管理和使用裝備現(xiàn)場(chǎng)可拆卸邏輯單元（LRU）層級(jí)以上的數(shù)字孿生體。裝備系統(tǒng)數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)字孿生體與環(huán)境、人員、其他裝備、保障裝備的數(shù)字孿生協(xié)同，和子系統(tǒng)數(shù)字孿生體之間的協(xié)同及更新。以此類推，部組件及零件的實(shí)物也通過(guò)功能、結(jié)構(gòu)、性能及行為數(shù)字模型集合來(lái)描述[23]。

1.3" 裝備維修保障數(shù)字孿生管理元素

根據(jù)裝備維修保障數(shù)字孿生模型的壽命期保障內(nèi)容以及數(shù)字孿生體組成，裝備維修保障數(shù)字孿生管理元素如圖3所示。

裝備物理實(shí)體形成裝備物理系統(tǒng)，物理系統(tǒng)按需執(zhí)行任務(wù)形成事件、行為等數(shù)據(jù)，根據(jù)不同任務(wù)會(huì)產(chǎn)生出廠數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、培訓(xùn)數(shù)據(jù)、保障數(shù)據(jù)以及退役數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)都是實(shí)體裝備的孿生數(shù)據(jù)。實(shí)體裝備產(chǎn)生的孿生數(shù)據(jù)會(huì)提交到虛擬裝備的數(shù)字孿生體。虛擬空間的裝備數(shù)字孿生體內(nèi)置虛擬系統(tǒng)模型、虛擬模型實(shí)例、仿真預(yù)測(cè)模型等，接收物理裝備實(shí)體的孿生數(shù)據(jù)以及行為、事件數(shù)據(jù)，孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型實(shí)例進(jìn)行演化更新，實(shí)時(shí)、高保真地展示裝備的實(shí)物狀態(tài)。同時(shí)，調(diào)用仿真預(yù)測(cè)模型對(duì)物理空間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，形成故障診斷預(yù)測(cè)結(jié)果、剩余壽命使用結(jié)果；再根據(jù)故障診斷預(yù)測(cè)結(jié)果及剩余壽命使用結(jié)果，制定維修方案、推薦備件庫(kù)存方案、反饋預(yù)防性維修計(jì)劃以及運(yùn)行參數(shù)，或者操作調(diào)整優(yōu)化指令到物理空間的實(shí)體裝備，同時(shí)推送對(duì)應(yīng)的維修指導(dǎo)手冊(cè)及培訓(xùn)訓(xùn)練課件到物理空間的實(shí)體裝備。物理空間的實(shí)體裝備接收到相關(guān)指令后，按照指令優(yōu)化參數(shù)開(kāi)展預(yù)防性維修工作。裝備數(shù)字孿生體需要對(duì)物理空間和虛擬空間的系統(tǒng)、模型以及各類數(shù)據(jù)元素進(jìn)行管理，每個(gè)數(shù)字孿生體均可以反映裝備實(shí)物個(gè)體的結(jié)構(gòu)、性能、技術(shù)狀態(tài)以及任務(wù)使命特性，通過(guò)真實(shí)物理世界的檢/監(jiān)測(cè)、運(yùn)行、維保等數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型和仿真軟件跟蹤特定裝備的歷史，預(yù)測(cè)裝備未來(lái)某個(gè)時(shí)刻的技術(shù)狀態(tài)，幫助理解裝備物理性能變化規(guī)律[24]。

2" 裝備維修保障孿生數(shù)據(jù)

裝備維修保障工作從系統(tǒng)需求階段的裝備指標(biāo)分析開(kāi)始，開(kāi)展裝備保障指標(biāo)分析，確定裝備的“六性”技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計(jì)階段，在裝備設(shè)計(jì)的同時(shí)開(kāi)展裝備維修保障設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，針對(duì)“六性”技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行裝備和保障裝備設(shè)計(jì)，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證；制造階段，進(jìn)行裝備和保障裝備的生產(chǎn)制造。而具體裝備維修保障工作的執(zhí)行是從裝備生產(chǎn)完成、出廠開(kāi)始，出廠數(shù)據(jù)是裝備T0時(shí)刻的標(biāo)志，是物理空間實(shí)體裝備壽命期的起點(diǎn)，包含指標(biāo)、設(shè)計(jì)、制造初始數(shù)據(jù)。裝備維修保障孿生數(shù)據(jù)包括裝備出廠數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)、維修指導(dǎo)數(shù)據(jù)、培訓(xùn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、診斷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、維修方案數(shù)據(jù)、優(yōu)化操作數(shù)據(jù)等。

裝備維修保障孿生數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)情況如圖4所示。維修保障數(shù)據(jù)中心作為裝備壽命期所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、獲取的倉(cāng)庫(kù)，存放裝備全過(guò)程、全要素、全壽命期所有數(shù)據(jù)，支持裝備本身、人員、環(huán)境、相關(guān)資源及過(guò)程的全資逼真可視化，可查看裝備實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)，為實(shí)時(shí)仿真預(yù)測(cè)提供各類孿生數(shù)據(jù)。

裝備原始出廠數(shù)據(jù)包括質(zhì)量數(shù)據(jù)、指標(biāo)數(shù)據(jù)、可靠性數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)字模型、初始備件清單數(shù)據(jù)等。裝備生產(chǎn)完成出廠交付時(shí)，出廠數(shù)據(jù)同裝備配備的交互式電子技術(shù)手冊(cè)（IETM）、訓(xùn)練課件、便攜式維修輔助設(shè)備以及模擬訓(xùn)練設(shè)備一起隨裝交付各基地使用用戶，這些出廠數(shù)據(jù)基地使用人員接收后，導(dǎo)入自己基地的數(shù)據(jù)分中心，作為裝備T0時(shí)刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用。

基于這些初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，各基地裝備使用人員開(kāi)展裝備的運(yùn)行。裝備運(yùn)行使用或者庫(kù)存管理過(guò)程中，裝備自身的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)傳感器會(huì)自動(dòng)采集裝備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)，裝備會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中可能會(huì)包含裝備正常運(yùn)行數(shù)據(jù)以及部分故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)，傳送到基地裝備數(shù)據(jù)分中心。裝備運(yùn)行使用操作人員會(huì)采用訓(xùn)練課件進(jìn)行裝備使用操作的培訓(xùn)訓(xùn)練，基地也會(huì)定期會(huì)采用自動(dòng)化測(cè)試與診斷設(shè)備、便攜式維修輔助（PMA）設(shè)備、IETM開(kāi)展相應(yīng)的計(jì)劃性檢測(cè)、維保工作，產(chǎn)生定檢數(shù)據(jù)、維保數(shù)據(jù)，這些定檢數(shù)據(jù)、維保數(shù)據(jù)也儲(chǔ)存到基地裝備數(shù)據(jù)分中心。裝備維保過(guò)程中，可能會(huì)查詢多級(jí)備件庫(kù)的備件庫(kù)存信息，采用備件開(kāi)展維修或者更換工作；基地?cái)?shù)據(jù)分中心實(shí)時(shí)或者定時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)交換軟件，將裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等發(fā)送到數(shù)字孿生維修保障數(shù)據(jù)中心。數(shù)字孿生維修保障數(shù)據(jù)中心接收裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字孿生維修保障平臺(tái)軟件，實(shí)時(shí)展示裝備目前數(shù)字化運(yùn)行效果，調(diào)用相關(guān)診斷預(yù)測(cè)算法及仿真軟件，計(jì)算裝備實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)，制定故障處置、維修方案，將裝備故障診斷結(jié)果、維修方案、故障處置方案、訓(xùn)練方案以及運(yùn)行優(yōu)化指令等通過(guò)數(shù)據(jù)交換軟件反饋到基礎(chǔ)維修保障數(shù)據(jù)分中心?；A(chǔ)維修保障數(shù)據(jù)分中心根據(jù)接收的裝備狀態(tài)、維修方案、故障處置方案以及訓(xùn)練方案，開(kāi)展裝備的狀態(tài)維修、故障處置以及訓(xùn)練實(shí)施，根據(jù)運(yùn)行操作優(yōu)化指令調(diào)整裝備運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化裝備運(yùn)行。

3" 裝備維修保障數(shù)字孿生平臺(tái)框架

依據(jù)裝備維修保障數(shù)字孿生組成、建模以及相關(guān)孿生數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生的裝備維修保障平臺(tái)框架，如圖5所示。平臺(tái)由物理層、數(shù)據(jù)層、維保服務(wù)層和維保應(yīng)用層四部分組成，安全管控及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范服務(wù)于整個(gè)平臺(tái)，起到裝備維修保障數(shù)字孿生應(yīng)用的規(guī)范指導(dǎo)、安全防護(hù)作用。

物理層包括裝備實(shí)體物理空間和基于虛擬模型的數(shù)字空間。物理空間的裝備根據(jù)一定的編碼規(guī)則進(jìn)行唯一編碼，采用RFID標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)管理。物理空間的裝備實(shí)體部署智能電表、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、環(huán)境傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等，進(jìn)行裝備使用運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)采集裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行填充、清洗等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到裝備孿生數(shù)據(jù)中心，并實(shí)時(shí)傳遞給裝備數(shù)字空間。裝備數(shù)字空間接收到裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)裝備實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型運(yùn)行，并通過(guò)裝備數(shù)字空間高逼真度地展示裝備數(shù)字孿生體的運(yùn)行使用狀態(tài)。裝備數(shù)字空間對(duì)于接收到的裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，并根據(jù)設(shè)定的模型及算法進(jìn)行分析、仿真、預(yù)測(cè)以及方案虛擬驗(yàn)證，再根據(jù)分析預(yù)測(cè)結(jié)果、虛擬驗(yàn)證結(jié)果生成控制指令、維修方案或者培訓(xùn)訓(xùn)練方案。控制指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到裝備物理空間，調(diào)整裝備運(yùn)行參數(shù)或者模式。培訓(xùn)訓(xùn)練方案、維修方案?jìng)鬟f到具體的維修保障應(yīng)用業(yè)務(wù)，指導(dǎo)維修計(jì)劃及培訓(xùn)訓(xùn)練計(jì)劃的制定。

數(shù)據(jù)層作為裝備孿生數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)裝備孿生數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、融合處理及查詢?cè)L問(wèn)。裝備孿生數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)裝備物理實(shí)體數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、出廠起始數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、訓(xùn)練培訓(xùn)數(shù)據(jù)等，驅(qū)動(dòng)裝備數(shù)字孿生體運(yùn)行，支撐裝備維修保障工作的開(kāi)展。

維保服務(wù)層作為公共服務(wù)組件，獲取裝備的孿生數(shù)據(jù)，通過(guò)服務(wù)組件的處理計(jì)算以及知識(shí)推送，為具體的裝備維保提供應(yīng)用服務(wù)，主要包括模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、算法庫(kù)、課件庫(kù)、工具集及專業(yè)查詢分析展示引擎。工具集是裝備數(shù)字孿生體研制所需的工具集合，包括建模工具、IETM制作工具、算法開(kāi)發(fā)工具、課件制作工具等，其中建模及算法開(kāi)發(fā)工具都采用第三方工具實(shí)現(xiàn)，例如采用Catia或3ds MAX進(jìn)行幾何模型建模，采用Fluent進(jìn)行機(jī)理模型建模，采用UE4進(jìn)行裝備虛擬模型開(kāi)發(fā)，采用Python或C++進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)等等。專業(yè)的查詢分析展示引擎包括智能分析引擎，如TensorFlow、PyTorch、Keras、Matlab等。數(shù)據(jù)交換引擎實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跨域安全交換；規(guī)則推理機(jī)實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的診斷預(yù)測(cè)算法的計(jì)算，知識(shí)智能推薦實(shí)現(xiàn)基于裝備維修保障業(yè)務(wù)及具體裝備特性的知識(shí)精準(zhǔn)推薦；查詢統(tǒng)計(jì)引擎作為公共服務(wù)組件，實(shí)現(xiàn)各類孿生數(shù)據(jù)的查詢、常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析及可視化展示（包括表格、餅圖、曲線圖、散點(diǎn)圖、雷達(dá)圖、儀表盤(pán)、柱狀圖等展示方式）；工作流引擎實(shí)現(xiàn)裝備維修保障場(chǎng)景的流程推送，包括維修、培訓(xùn)訓(xùn)練、庫(kù)存管理、技術(shù)狀態(tài)管理、維修工程支援等具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景；圖形渲染引擎實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)字模型（例如幾何模型、物理模型）的逼真展示，采用OpenGL、WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

維保應(yīng)用層作為應(yīng)用APP，支撐維修保障業(yè)務(wù)工作的開(kāi)展，例如裝備技術(shù)狀態(tài)管理、庫(kù)存管理、故障診斷及預(yù)測(cè)、維修工程支持、訓(xùn)練培訓(xùn)、運(yùn)行優(yōu)化、退役處理等具體業(yè)務(wù)開(kāi)展，以及業(yè)務(wù)場(chǎng)景及流程?；诰S保服務(wù)層的公共服務(wù)及數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)服務(wù)組件可快速定制具體應(yīng)用APP。

安全管控按照國(guó)家及軍隊(duì)的安全保密要求，根據(jù)裝備、數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)的保護(hù)要求，從環(huán)境安全、運(yùn)行安全、應(yīng)用軟件安全以及安全管理制度等方面進(jìn)行分級(jí)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，達(dá)到數(shù)字孿生維修保障平臺(tái)分級(jí)保護(hù)效果。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)整個(gè)數(shù)字孿生維修保障平臺(tái)運(yùn)行，主要包括裝備維修保障數(shù)據(jù)字典規(guī)范、數(shù)據(jù)交換規(guī)范、數(shù)據(jù)反饋規(guī)范、業(yè)務(wù)操作規(guī)范、運(yùn)行管理規(guī)范等。

4" 裝備維修保障數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

4.1" 高保真數(shù)字化建模及展示

虛擬數(shù)字化模型是裝備數(shù)字孿生體構(gòu)建的核心，虛擬數(shù)字孿生體要達(dá)到與裝備物理實(shí)體的孿生效果，需要與裝備物理實(shí)體高度逼真。首先，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)物理裝備實(shí)體的高保真數(shù)字化建模，如Solidworks、Catia、3ds MAX、Unreal Engine、Maya、Unity 3D等工具軟件常用于高逼真度數(shù)字模型創(chuàng)建[10]，根據(jù)“裝備體系?裝備?分系統(tǒng)?部組件?零件”層級(jí)分別構(gòu)建高逼真度數(shù)字模型；其次，根據(jù)裝備的使用場(chǎng)景構(gòu)建各種使用環(huán)境的高逼真度數(shù)字模型，還需根據(jù)裝備維修保障的各類場(chǎng)景構(gòu)建保障裝備、工具、倉(cāng)庫(kù)、備品、備件等維保設(shè)施模型；然后，根據(jù)裝備使用人員情況構(gòu)建虛擬數(shù)字人，加入裝備運(yùn)行環(huán)境中形成虛擬數(shù)字化裝備體系；再通過(guò)點(diǎn)云掃描、三維掃描及多視圖三維重建技術(shù)，提升虛擬數(shù)字模型與真實(shí)物理實(shí)體的逼真度；最后，結(jié)合指揮控制、實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、評(píng)估數(shù)據(jù)、裝備運(yùn)行使用場(chǎng)景等，隨裝物理裝備實(shí)體共同獲取驅(qū)動(dòng)下的外部響應(yīng)，根據(jù)外部響應(yīng)效果并應(yīng)用專業(yè)技術(shù)重建虛擬數(shù)字化模型，采用視差、全息或者體三維顯示技術(shù)逼真展示裝備未來(lái)時(shí)刻狀態(tài)效果，不斷提高數(shù)字模型的保真度。

4.2" 高置信度仿真及預(yù)測(cè)評(píng)估

裝備虛擬數(shù)字孿生體的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與裝備物理實(shí)體的共智，共智的核心就是仿真評(píng)估模型及算法，要求虛擬數(shù)字孿生體中內(nèi)置的性能預(yù)測(cè)模型及算法、故障診斷模型及算法、故障預(yù)測(cè)模型及算法、剩余使用壽命預(yù)測(cè)模型及算法、維修方案制定模型及算法、維修評(píng)估模型及算法、維修決策模型及方法等智能化數(shù)據(jù)計(jì)算處理方法達(dá)到較高置信度，能夠準(zhǔn)確、高效地揭示裝備物理實(shí)體的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裝備的物理機(jī)理，制定合適的視情維修方案。維修方案的仿真評(píng)估結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，說(shuō)明維修決策準(zhǔn)確。裝備高置信度維修保障仿真評(píng)估模型及算法一般通過(guò)裝備分類、場(chǎng)景分類等方式構(gòu)建模塊化、精細(xì)化仿真模型，并通過(guò)與物理空間的實(shí)體裝備的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位比對(duì)、驗(yàn)證、迭代優(yōu)化，構(gòu)建一定的置信度評(píng)估方法，進(jìn)行模型及算法的置信度評(píng)估，保障模型及算法的高置信度。常用的置信度評(píng)估方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)推理、向量機(jī)、決策樹(shù)、特征選擇驗(yàn)證、層次分析法、堆疊門(mén)控循環(huán)單元、隨機(jī)森林、置信度滑動(dòng)窗口誤差分析和K近鄰方法等[25?26]。

4.3" 高效率虛實(shí)交互控制

高效率虛實(shí)交互控制是裝備虛擬數(shù)字孿生體與物理裝備實(shí)體達(dá)到虛實(shí)合一的關(guān)鍵。只有突破虛實(shí)交互的控制瓶頸，數(shù)字空間的虛擬模型才能達(dá)到對(duì)物理空間的裝備實(shí)體的虛實(shí)互補(bǔ)、虛實(shí)智聯(lián)以及虛實(shí)融生。目前常用的虛實(shí)交互控制方式包括手勢(shì)交互、語(yǔ)音交互、力/觸覺(jué)交互、位置交互以及多通道交互等。未來(lái)的腦機(jī)交互技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高級(jí)數(shù)字孿生，VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、MR（混合現(xiàn)實(shí)）體感技術(shù)可應(yīng)用于虛實(shí)交互實(shí)現(xiàn)，HoloLens和Magic Leap設(shè)備、微軟、科大訊飛的語(yǔ)音識(shí)別軟件、metaClass已成為虛實(shí)交互控制的成熟工具[27?28]。

裝備維修保障數(shù)字孿生體“實(shí)?虛”交互控制，主要通過(guò)虛擬數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)，傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)教摂M數(shù)字模型中，虛擬數(shù)字模型通過(guò)三維重建技術(shù)，采用實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)重構(gòu)數(shù)字孿生體；“虛?實(shí)”交互的內(nèi)容主要包括故障診斷及預(yù)測(cè)結(jié)果、維修方案仿真結(jié)果、操作優(yōu)化指令等。虛擬空間數(shù)字孿生體的故障診斷預(yù)測(cè)結(jié)果、維修方案以及維修通過(guò)虛擬軟件展示，操作優(yōu)化指令通過(guò)PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行。

4.4" 高實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)采集及通信

裝備虛擬數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)與物理裝備的共智交互，映射裝備物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，預(yù)測(cè)裝備下一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)并制定視情維修處理方案，發(fā)送操作優(yōu)化及控制指令到物理裝備，就需要高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及通信技術(shù)的支持，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理裝備實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)的高效采集。虛擬數(shù)字孿生體接收到裝備實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算、處理、分析、預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果在虛擬數(shù)字孿生體上進(jìn)行展示，再將經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證的視情維修方案以及操作控制指令反饋給物理實(shí)體裝備和相應(yīng)運(yùn)維使用及操作人員。射頻識(shí)別（RFID）、近場(chǎng)通信（NFC）、數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮、5G、6G、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理分析、邊緣計(jì)算等技術(shù)為高實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)采集及通信提供了技術(shù)支持，區(qū)塊鏈技術(shù)可為孿生數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及安全提供技術(shù)支持[19]。

5" 結(jié)" 論

針對(duì)傳統(tǒng)裝備維修保障模式難以實(shí)現(xiàn)裝備的實(shí)時(shí)精確保障，影響裝備效能問(wèn)題，本文分析了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展及其優(yōu)勢(shì)，并將數(shù)字孿生技術(shù)引入裝備維修保障工作，提出一種基于數(shù)字孿生的裝備維修保障模型；在此基礎(chǔ)上，分析了裝備數(shù)字孿生體的組成、維修保障數(shù)字孿生元素以及裝備孿生數(shù)據(jù)，從裝備維修保障數(shù)字孿生應(yīng)用角度，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生的裝備維修保障平臺(tái)框架；最后針對(duì)裝備維修保障數(shù)字孿生體的構(gòu)建，分析了高保真數(shù)字化建模展示、高置信度仿真與預(yù)測(cè)評(píng)估、高效率虛實(shí)交互控制和高實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)采集及通信相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。下一步工作將集中于裝備維修保障數(shù)字孿生體構(gòu)建的保真性、置信度、實(shí)時(shí)性及虛實(shí)交互關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)高保真、高置信度、高實(shí)時(shí)性、高效率的裝備維修保障數(shù)字孿生體，與裝備物理實(shí)體共生、共智，支撐裝備壽命期運(yùn)行、使用及維護(hù)，確保裝備隨時(shí)處于良好的技術(shù)狀態(tài)。

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