數(shù)字孿生在航空發(fā)動機運行維護中的應用

■ 劉魁 王潘 劉婷/ 中國航發(fā)研究院

隨著多領域建模綜合技術、新型信息技術的發(fā)展，數(shù)字孿生技術成為復雜裝備系統(tǒng)運行維護領域的研究熱點。航空發(fā)動機是典型的復雜裝備系統(tǒng)，通過融合模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，構建航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體，可實現(xiàn)對物理發(fā)動機的精準監(jiān)測、故障預測、性能和控制優(yōu)化，為數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機全生命周期的應用提供參考。

數(shù)字孿生技術的發(fā)展

數(shù)字孿生通過建立物理空間和數(shù)字空間之間的精準映射和反饋機制，可實現(xiàn)物理空間和數(shù)字空間數(shù)據(jù)/信息的實時交換，并在復雜系統(tǒng)演進過程中，捕捉物理空間環(huán)境和本體的變化，不斷更新數(shù)字空間的模型，預測和評估系統(tǒng)行為。

數(shù)字孿生模型被定義為三維模型[1]，包括：物理實體、數(shù)字實體及二者之間的連接。其中，物理實體包括物理環(huán)境和物理本體，數(shù)字實體包括數(shù)字本體和數(shù)字環(huán)境，二者之間數(shù)據(jù)雙向傳遞，物理實體向數(shù)字實體中傳遞傳感器等客觀的數(shù)據(jù)（data），數(shù)字實體利用數(shù)據(jù)對數(shù)字本體和數(shù)字環(huán)境建模仿真后，向物理實體傳遞具備描述、診斷、預測和優(yōu)化等特征的信息（information），它們能實時指導物理實體的行為，并為系統(tǒng)運行提供輔助決策。數(shù)字孿生技術的應用得益于多領域建模綜合技術和新型信息技術的發(fā)展。

多領域建模綜合技術的發(fā)展

多領域建模綜合技術得益于基礎理論和數(shù)值仿真技術的發(fā)展，氣、固、熱、電磁、控制等多領域建模綜合技術的發(fā)展，使得對物理實體的機理認識更加透徹，具備解決多領域子模型之間的數(shù)據(jù)高效交換能力，因此能刻畫出跨時間、多尺度、高精度、高適應性的物理機理模型。

新型信息技術的發(fā)展

當前應用于發(fā)動機運行維護的算法包括：模型驅(qū)動的算法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法和混合算法，其發(fā)展經(jīng)歷了從基于模型的故障診斷預測，到基于專家系統(tǒng)的推理預測，再到數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能診斷預測，現(xiàn)在發(fā)展為模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動的融合診斷預測。重點解決的問題包括：有限傳感器下的故障診斷與隔離，關鍵健康參數(shù)的估計及恢復，海量數(shù)據(jù)的趨勢分析，發(fā)動機自適應模型的精準建模，綜合利用設計、維修、試驗、飛行數(shù)據(jù)的推理等。

大數(shù)據(jù)應用技術的發(fā)展促進了數(shù)據(jù)共享和快速分析。其發(fā)展經(jīng)歷了從基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的描述性分析，到利用歷史數(shù)據(jù)建立分析模型的規(guī)定性分析，再到使用大數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)對未來狀態(tài)的預測性分析。大數(shù)據(jù)技術的應用大大提高了數(shù)據(jù)存儲和分析的能力，促進了復雜系統(tǒng)全生命周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和共享，為不同子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視角，使數(shù)據(jù)在不同子系統(tǒng)之間快速傳遞、交互、融合，實現(xiàn)了以功能應用為導向的跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘分析。

傳感器和網(wǎng)絡技術的發(fā)展提升了復雜系統(tǒng)的感知能力。能承受極限溫度、壓力等環(huán)境條件的新型傳感技術的發(fā)展，為發(fā)動機更多核心部件精細化測量提供手段；具備故障自診斷、故障處理能力的控制系統(tǒng)傳感器提高了系統(tǒng)應對復雜環(huán)境和精確控制的能力。網(wǎng)絡技術的發(fā)展，提高了復雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時交換的速度，促進了信息的及時分享和傳遞。

數(shù)字孿生技術綜合多領域建模綜合技術和新型信息技術，構建出可精確模擬物理實體的數(shù)字孿生體，能實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)內(nèi)涵的深入挖掘與拓展，實時預測系統(tǒng)行為，使研究由試驗分析、解析分析、仿真分析過渡至模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動的綜合分析。

數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機運行維護中具有重要意義

當前航空發(fā)動機預測與健康管理技術是解決航空發(fā)動機復雜裝備系統(tǒng)運行維護的主要手段，其技術主要包含在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、性能退化和壽命預測、健康管理等，是由航空發(fā)動機在已知理想運行狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型所驅(qū)動。由于航空發(fā)動機運行環(huán)境多變，其性能與設計、制造等過程緊密相關，隨著控制系統(tǒng)和傳感器技術的發(fā)展，監(jiān)測數(shù)據(jù)量急劇增長，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出高速、多源、異構等典型特征，當前的技術難以滿足航空發(fā)動機在動態(tài)多變環(huán)境下的狀態(tài)實時評估、預測的高精度需求。多領域建模綜合技術和智能傳感、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術的發(fā)展，使現(xiàn)代支撐技術朝著計算精準、分析智能、功能完備等方向發(fā)展，使高精度地模擬航空發(fā)動機復雜系統(tǒng)的行為特征成為可能，當前的技術體系逐漸演變?yōu)閿?shù)字孿生技術體系。

數(shù)字孿生技術在數(shù)字空間構建了一個基于高精度物理模型、歷史數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)字實體模型，該模型能反應系統(tǒng)的物理特性和應對環(huán)境的多變特性，可實現(xiàn)發(fā)動機的性能評估、故障診斷、壽命預測等功能，同時可基于全生命周期多維反饋數(shù)據(jù)源，在行為狀態(tài)空間迅速學習和自主模擬，預測對安全事件的響應，并通過物理實體與數(shù)字實體的交互數(shù)據(jù)對比，及時發(fā)現(xiàn)問題，激活自修復機制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統(tǒng)行為。

航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生模型包含的要素

從全生命周期角度看，數(shù)字孿生技術可應用于航空發(fā)動機的設計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運行維護等各階段。在設計研發(fā)階段，數(shù)字孿生技術可將歷史發(fā)動機的全生命周期數(shù)據(jù)，如設計周期、研發(fā)成本、主要性能指標、運行維修等重要數(shù)據(jù)，反饋至研發(fā)人員，研發(fā)人員依據(jù)幾何模型、性能模型、需求指標、歷史產(chǎn)品數(shù)據(jù)構建數(shù)字孿生體，并不斷迭代優(yōu)化實現(xiàn)設計目標；在生產(chǎn)制造階段，數(shù)字孿生技術可將生產(chǎn)系統(tǒng)和發(fā)動機零部件數(shù)字化，形成數(shù)字生產(chǎn)線和數(shù)字本體，實時采集制造和裝配過程信息，實現(xiàn)對發(fā)動機制造裝配過程的實時監(jiān)控、修正；在運行維護階段，數(shù)字孿生技術可對發(fā)動機運行環(huán)境和發(fā)動機實體建模，形成數(shù)字運行環(huán)境和數(shù)字運行本體，全面監(jiān)測和評估發(fā)動機性能，結(jié)合運行環(huán)境信息優(yōu)化發(fā)動機控制，實現(xiàn)早期故障預警和性能退化預測。

數(shù)字孿生技術在發(fā)動機運行維護中的應用落地場景如圖1所示，以應用為導向，主要解決發(fā)動機運行維護中的氣路故障診斷、整機性能預測、控制優(yōu)化等問題。在航空發(fā)動機全生命周期不同的階段，數(shù)字孿生模型解決問題的側(cè)重點不同，因此模型包含的內(nèi)容也有所差異。依據(jù)數(shù)字孿生模型的定義，航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生模型包含了物理空間中的實際運行環(huán)境和發(fā)動機實體、數(shù)字空間中的數(shù)字環(huán)境和數(shù)字實體、物理空間和數(shù)字空間的數(shù)據(jù)/信息雙向交換。

物理空間中有實際運行環(huán)境和發(fā)動機實體，實際運行環(huán)境是指飛行包線和飛機運行狀態(tài)，發(fā)動機實體是包含控制系統(tǒng)的物理發(fā)動機本體。在物理空間中，物理發(fā)動機本體和運行環(huán)境相互影響，運行環(huán)境直接影響發(fā)動機的進氣條件和控制狀態(tài)，發(fā)動機輸出的推力及其性能變化影響飛機運行狀態(tài)。

數(shù)字空間中的數(shù)字環(huán)境和數(shù)字實體，是運行環(huán)境和發(fā)動機實體的數(shù)字孿生體，融合模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建立的環(huán)境模型和發(fā)動機模型，構成了多維度、跨時間、高精度的可表征物理空間實體行為的孿生體。

圖1 數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機運行維護中的應用落地場景圖

物理空間向數(shù)字空間傳遞的數(shù)據(jù)包括實時數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)，其中，實時數(shù)據(jù)是指傳感器數(shù)據(jù)，離線數(shù)據(jù)是指歷史飛行數(shù)據(jù)、出廠數(shù)據(jù)、維修/故障數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)支撐了數(shù)字空間中數(shù)字環(huán)境和數(shù)字實體的構建和更新。數(shù)字空間向物理空間傳遞的信息是包含行為指導意義的數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生體的行為特征，可對發(fā)動機行為精準監(jiān)測、故障診斷、性能預測和控制優(yōu)化。

在航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生模型中，運維數(shù)字孿生體是物理空間和數(shù)字空間的雙向精準映射的基礎?；诎l(fā)動機原理構建的多領域物理基準模型，并融合不同的數(shù)據(jù)建立精細化模型形成運維數(shù)字孿生體，可針對航空發(fā)動機運維中的不同場景提供預測和指導。

航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體的構建

航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體的構建采用模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動融合的方法。首先，基于發(fā)動機原理采用模型驅(qū)動的方法構建了多維度、跨時間的數(shù)字孿生體初始模型；其次，基于初始模型并融合不同的數(shù)據(jù)，如實時傳感器數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、歷史飛行數(shù)據(jù)等，實時修正初始模型，使其具備精準監(jiān)測、故障診斷、性能預測和控制優(yōu)化的行為特征，進而形成運維數(shù)字孿生體。

模型驅(qū)動的數(shù)字孿生體初始模型構建

在數(shù)字空間中，利用模型驅(qū)動的方法基于發(fā)動機原理構建的同一物理實體多尺度、跨時間的初始孿生模型，包括能反映內(nèi)部流動機理的物理模型、利用部件法建立能反應容腔效應的發(fā)動機實時性能模型、專用于控制系統(tǒng)設計和優(yōu)化的局部線性化模型等，3種模型是同一物理發(fā)動機在不同時間尺度和精度上的表示，如圖2所示。3種模型之間是遞進關系，具體表現(xiàn)為：在確定幾何模型后，利用多領域綜合建模技術得到高精度的物理模型，但高精度模型的時間迭代周期很長，無法快速預測性能；因此，可基于高精度的物理模型，利用維度縮放技術獲取精確的部件特性，通過部件法建立低維度性能模型，該模型在時間尺度上具有優(yōu)勢，能與發(fā)動機實時仿真，可應用于故障診斷和性能預測；進一步，可基于發(fā)動機低維度性能模型聯(lián)合飛行狀態(tài)在具體工作點處線性化建立局部線性模型，應用于控制優(yōu)化。

模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動相融合的動態(tài)演化數(shù)字孿生體構建

以數(shù)字孿生體初始模型為基礎，結(jié)合物理空間向數(shù)字空間傳遞的數(shù)據(jù)，構建動態(tài)演化的運維數(shù)字孿生體。初始模型與物理空間中傳遞的不同數(shù)據(jù)相結(jié)合，使其具備所要求的行為特征，形成航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體，如圖3所示。

將實時傳感器數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，隨運行環(huán)境變化和物理發(fā)動機性能的衰減，構建出的自適應模型，可精準監(jiān)測發(fā)動機的部件和整機性能；將歷史維修數(shù)據(jù)中的故障模式注入三維物理模型和性能模型，構建出故障模型，可應用于故障診斷和預測；將歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合并融合數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，構建出性能預測模型，預測整機性能和剩余壽命；將局部線性化模型與飛機運行狀態(tài)環(huán)境模型融合并構建控制優(yōu)化模型，可實現(xiàn)發(fā)動機控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動機在飛行過程中發(fā)揮更好的性能。這些模型聯(lián)合刻畫出一個具有多種行為特征的數(shù)字發(fā)動機，并向物理空間傳遞在特定場景下所呈現(xiàn)的行為信息，實現(xiàn)對物理發(fā)動機的精準監(jiān)測、故障診斷、性能預測和控制優(yōu)化。

圖2 不同模型在計算精度速度上的比較

圖3 航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生

圖4 精準監(jiān)測功能

圖5 故障診斷功能

精準監(jiān)測特征是解決發(fā)動機衰減后，模型無法實時準確估計整機性能參數(shù)的問題。發(fā)動機出廠時，數(shù)字空間中的發(fā)動機性能模型是額定性能模型，長時間運行后，由于部件磨損、葉片變形、外來物損傷、葉尖間隙超差等原因，性能發(fā)生退化，數(shù)字空間中發(fā)動機性能模型的輸出值與物理空間中發(fā)動機真實傳感器測量值出現(xiàn)偏差，整機性能參數(shù)（如推力、耗油率等）無法精確估計，為實現(xiàn)精準監(jiān)測的目標，可利用傳感器偏差數(shù)據(jù)對基準模型中的性能模型實時修正，建立精準監(jiān)測整機性能參數(shù)的自適應模型如圖4所示。具體實現(xiàn)方法如下：通過物理空間真實發(fā)動機的傳感器測量值與數(shù)字空間發(fā)動機性能模型的輸出值偏差，利用卡爾曼濾波器估計性能模型的變化程度，并在包線范圍內(nèi)利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對基準模型修正，準確估計和修正部件特性退化，使模型輸出與真實發(fā)動機輸出保持一致。

故障診斷將同批次發(fā)動機的維修、故障數(shù)據(jù)記錄分析形成故障模式，注入到初始模型，在實際運行中不斷與發(fā)動機測量數(shù)據(jù)比較，提取相似的故障模式預測故障。數(shù)字空間中的發(fā)動機性能模型與故障數(shù)據(jù)融合可生成故障診斷模型以實現(xiàn)發(fā)動機故障預測，發(fā)動機故障類型眾多，包括氣路、振動、滑油等，監(jiān)控系統(tǒng)可對發(fā)動機的主要工作參數(shù)，例如轉(zhuǎn)速、壓比、排氣溫度、燃油流量、滑油量、滑油壓差等，進行監(jiān)控。超過閾值時，對系統(tǒng)報警。此外，將歷史同批次發(fā)動機的故障模式融入模型中，系統(tǒng)測量參數(shù)超過閾值報警的同時，將測量參數(shù)與故障模式匹配，進行故障診斷，具體如圖5所示。

圖6 性能預測功能

圖7 控制優(yōu)化功能

性能預測特征可記錄同批次發(fā)動機的運行歷史數(shù)據(jù)，融合基準模型進行性能預測。發(fā)動機長時間運行后性能下降，為準確評估性能下降的程度，需利用實時傳感器數(shù)據(jù)和歷史飛行數(shù)據(jù)對發(fā)動機進行性能預測。根據(jù)物理空間中同批次發(fā)動機多次飛行數(shù)據(jù)，建立性能預測模型的具體實現(xiàn)途徑如圖6所示。性能預測模型的構建包括評估參數(shù)選擇、樣本構建、指標定義、性能預測等4個步驟。其中，評估參數(shù)選擇是從飛行數(shù)據(jù)中選出對發(fā)動機性能衰退有影響的測量參數(shù)，主要包括機場條件、氣路參數(shù)、發(fā)動機運行參數(shù)、其他參數(shù)等多個因素；樣本構建是在每個飛行架次中選取特定狀態(tài)評估參數(shù)的測量數(shù)據(jù)形成評估樣本；指標定義是指通過觀測變量定量衡量發(fā)動機的衰退程度；性能預測是采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法結(jié)合傳感器測量的實時數(shù)據(jù)預測發(fā)動機性能。性能預測模型解決了物理空間中真實發(fā)動機性能度量和預測問題，同時為視情維修提供手段。

控制優(yōu)化特征解決了飛機和發(fā)動機綜合控制過程中發(fā)動機控制優(yōu)化的問題。發(fā)動機和飛機設計初期作為單獨系統(tǒng)設計，發(fā)動機在有限的約束指標下完成特定目標，并未考慮不同飛行環(huán)境條件下的控制優(yōu)化，即發(fā)動機工作在最差工作條件下仍能達到目標，該設計原則導致發(fā)動機未發(fā)揮最佳性能，在實際運行過程中控制系統(tǒng)尚有較大優(yōu)化空間。將發(fā)動機飛行環(huán)境與基準模型相融合，構建控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)在不同飛行條件下，自適應調(diào)整控制系統(tǒng)整體優(yōu)化發(fā)動機性能。根據(jù)環(huán)境因素平衡任務要求，以犧牲發(fā)動機部分喘振裕度為代價，在爬升階段提高推力、在巡航階段降低耗油率以及在提供滿足飛機推力的情況下降低渦輪前溫度，提高發(fā)動機性能、可操作性和可靠性，延長發(fā)動機壽命，降低發(fā)動機使用維護成本，實現(xiàn)途徑如圖7所示。

融合模型驅(qū)動和數(shù)字驅(qū)動的方法構建航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體：首先利用模型驅(qū)動的方法構建了多維度、跨時間的數(shù)字孿生體初始模型；然后基于初始模型并融合實時數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)進一步構建了具備精準監(jiān)測、故障診斷、性能預測和控制優(yōu)化等行為特征的航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體。該數(shù)字孿生體具有開放的特征，隨著對物理發(fā)動機認識的深入，可刻畫出更多的行為特征，通過模型擴展的方式，使數(shù)字孿生體的行為特征更加豐富。

結(jié)束語

本文簡要論述了數(shù)字孿生技術的發(fā)展和主要驅(qū)動技術，闡述了在航空發(fā)動機運行維護中的重要意義；基于數(shù)字孿生模型的三維模型定義，詳細描述了航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生模型的包含要素；融合模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，在運維階段構建了多維度、多尺度、跨時間的數(shù)字發(fā)動機模型，并以此形成航空發(fā)動機運維數(shù)字孿生體。