數(shù)字主線應(yīng)用于航空發(fā)動機的初步探討

■ 劉婷 張建超 / 中國航發(fā)研究院

數(shù)字主線（Digital Thread）一詞起源于航空航天領(lǐng)域，用于對系統(tǒng)從設(shè)計、制造、組裝到交付的整個過程進行數(shù)字化管理。經(jīng)過一段時期的發(fā)展，數(shù)字主線被認為是一種改變游戲規(guī)則的顛覆性技術(shù)。

美國空軍于2013年發(fā)起了兩項并行活動：一項是空軍首席科學家對未來技術(shù)趨勢進行的研究調(diào)查，得出總結(jié)報告《寰球視野》（Global Horizons）；另一項是空軍總工程師受命提高空軍工程能力，得到研究報告《空軍工程企業(yè)戰(zhàn)略計劃》（The Air Force Engineering Enterprise Strategic Plan）。這兩份報告的共同點是建議開發(fā)一種分析框架以支持數(shù)字工程，被稱為“美國空軍數(shù)字主線”（USAF Digital Thread），旨在擴展基于模型的工程（MBE）、行業(yè)數(shù)字主線和數(shù)字孿生的原理，以涵蓋裝備的預(yù)研、設(shè)計、制造和運維的全生命周期。

為了響應(yīng)上述報告，美國空軍與國防部成立協(xié)同工作小組，以國防部的“計算研究和工程采辦工具環(huán)境項目”（CREATE）為依托，探索美國空軍數(shù)字主線的試點應(yīng)用，為飛行器采辦項目的工程人員開發(fā)和部署一套支持多學科、基于物理的仿真軟件產(chǎn)品，其核心是使用響應(yīng)面方法（response surface methodology）和現(xiàn)代高性能計算資源，將武器系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)過程中的專用高保真工具的輸出轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字代理模型，進行快速性能預(yù)測，并結(jié)合試驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計工程來表征系統(tǒng)，并量化其裕度和不確定性，指導(dǎo)采辦人員在關(guān)鍵決策點進行決策部署，以實現(xiàn)對國防采辦工程工作流程的重大改進，進而提高美國空軍的敏捷開發(fā)和部署能力（如圖1所示）。

圖1 CREATE-AV試點項目中提出的減少開發(fā)測試/評估時間和成本的數(shù)字主線方法

數(shù)字主線的基本概念

美國空軍協(xié)同工作小組與工業(yè)界合作，為數(shù)字主線下了定義，指出數(shù)字主線是一個可擴展、可配置的企業(yè)級分析框架，基于數(shù)字系統(tǒng)模型的模板，無縫地加速企業(yè)數(shù)據(jù)—信息—知識系統(tǒng)中權(quán)威數(shù)據(jù)、信息和知識的相互作用，通過提供訪問、集成不同數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為可操作信息的能力，來為決策者提供產(chǎn)品全生命周期的信息。

值得一提的是，與數(shù)字主線一并被定義的還有數(shù)字系統(tǒng)模型和數(shù)字孿生兩個概念。其中，數(shù)字系統(tǒng)模型指的是由所有利益相關(guān)者生成，集成了權(quán)威數(shù)據(jù)、信息、算法和系統(tǒng)工程過程的設(shè)備系統(tǒng)數(shù)字表示；數(shù)字孿生是指一種集成的多物理、多尺度、概率性的在建系統(tǒng)數(shù)值仿真，由數(shù)字主線實現(xiàn)，使用最佳可用模型、傳感器信息和輸入數(shù)據(jù)來鏡像和預(yù)測其相應(yīng)物理系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的活動和性能。從上述定義可以看出，三者之間既有區(qū)別又有聯(lián)系。

圖2 數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字孿生和數(shù)字主線關(guān)系示意

三者區(qū)別在于：數(shù)字系統(tǒng)模型側(cè)重于實現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)數(shù)字表示的政策指導(dǎo)和結(jié)構(gòu)，是一種體系化、模板化的指導(dǎo)模型；數(shù)字孿生側(cè)重于對物理模型的動態(tài)、高保真數(shù)字化表達，利用傳感器信息不斷更新數(shù)字模型，實現(xiàn)對物理系統(tǒng)性能、損傷和壽命等的預(yù)測；數(shù)字主線側(cè)重于對數(shù)據(jù)流的組織和管理，強調(diào)在正確的時間將正確的信息傳遞到正確的地方，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性。

與此同時，數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字孿生和數(shù)字主線之間又有著緊密的聯(lián)系（如圖2所示）。數(shù)字主線將所有數(shù)字孿生功能鏈接在一起，如設(shè)計/性能數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，數(shù)字主線與支撐數(shù)字孿生的工具相結(jié)合，可以將數(shù)字孿生擴展到產(chǎn)品的全生命周期，涵蓋了設(shè)計、性能、制造、維護等階段，支持傳遞設(shè)計、性能、可制造性和維修性等所有數(shù)據(jù)流。舉例來說，如果航空航天設(shè)備由于系統(tǒng)故障而發(fā)生事故，那么數(shù)字主線就可以在整個設(shè)備生命周期中進行追溯，從而能夠快速鎖定問題所在。簡言之，數(shù)字系統(tǒng)模型是基礎(chǔ)，數(shù)字主線是手段和過程，數(shù)字孿生是目標。2018年，美國空軍發(fā)布數(shù)字工程戰(zhàn)略，將上述數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字主線、數(shù)字孿生作為構(gòu)建未來美國數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)核心紐帶之一。

數(shù)字主線發(fā)展現(xiàn)狀

全球知名的咨詢服務(wù)公司埃森哲（Accenture）在2017年開展了關(guān)于數(shù)字主線的調(diào)研，結(jié)果表明，只有7%的航空航天與國防（A＆D）公司已經(jīng)完全集成了數(shù)字主線，只有27%的A＆D公司在業(yè)務(wù)和信息技術(shù)（IT）部門之間共享了數(shù)字主線和數(shù)字孿生的所有權(quán)，其側(cè)重點仍然是利用數(shù)字孿生提高企業(yè)運營效率，這說明當時的行業(yè)似乎更關(guān)注于成本優(yōu)化。然而，復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)雖然能夠自主運行，但大規(guī)模協(xié)作依賴于數(shù)字主線所提供的完整且可訪問的數(shù)據(jù)，而如果沒有全球范圍內(nèi)的合作，則無法設(shè)計制造。隨著制造商運營理念從單純的成本控制向敏捷開發(fā)和基于數(shù)字化服務(wù)獲得額外收益的方向發(fā)展，當前主流的A＆D公司正在積極研究數(shù)字主線，旨在建立公司產(chǎn)品的“權(quán)威”數(shù)據(jù)和通信平臺，通過數(shù)據(jù)流推動客戶體驗背后的數(shù)字見解。

美國空軍是數(shù)字主線應(yīng)用的先驅(qū)，致力于取得復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計、交付、維護與快速變化的使用環(huán)境、緊縮的預(yù)算、有限的開發(fā)時間之間的平衡。A-10戰(zhàn)斗機是在20世紀70年代使用二維圖樣設(shè)計的，為了延長飛機的服役壽命而開展了A-10機翼更換計劃（WRP），即使用數(shù)字工程技術(shù)對A-10戰(zhàn)斗機的機翼進行了升級改造。為了降低成本，提高質(zhì)量并應(yīng)用先進的制造技術(shù)，A-10 WRP項目辦公室選擇在A-10機翼零件和組件上使用基于模型的定義（MBD），以統(tǒng)一的Adobe 3D PDF格式生成零件的“繪圖”文檔。據(jù)悉，WRP項目產(chǎn)生了大約10000個不同零件的設(shè)計模型報告，這些新的3D PDF零件報告包含制造商、供應(yīng)商和臨時用戶執(zhí)行其支持功能所需的所有信息。此外A-10還采用了新技術(shù)NLign將維修映射到三維模型上，如圖3所示。3D MBD和產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的采用，使A-10可以構(gòu)建全生命周期中維護階段的數(shù)字主線，使得A-10飛機的機翼質(zhì)量減輕了12%，而壽命則增加了8倍。

圖3 基于NLign技術(shù)的A-10機翼維修映射過程

洛克希德-馬?。羼R）公司F-35戰(zhàn)斗機的開發(fā)和早期生產(chǎn)即分階段采用了數(shù)字主線理念。在第一階段，工程部門生成了精確的三維工程模型和二維圖樣，包括合作伙伴和供應(yīng)商等在內(nèi)的所有分析數(shù)據(jù)均被發(fā)布到通用產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)中，以實現(xiàn)可訪問性和配置集成，使得工程和工裝變更數(shù)量大幅減少，提高可生產(chǎn)性和變化管理；在第二階段，構(gòu)建了工程數(shù)據(jù)以支持工廠自動化，如自動鉆孔比手工鉆孔快4倍左右，質(zhì)量近乎完美，重復(fù)性顯著；在第三階段，數(shù)字主線直接向工程師創(chuàng)建工作指令圖樣等產(chǎn)品，這些圖樣由三維實體模型提供，可直觀地指導(dǎo)工程師或現(xiàn)場維修人員；在第四階段，使用先進的非接觸測量技術(shù)（如激光掃描）識別早期制造過程的偏差，并快速糾正這些偏差，阻止缺陷向下游移動以降低成本。據(jù)悉，洛馬公司正在積極部署下一代數(shù)字工程計劃，其數(shù)字主線愿景被稱為“產(chǎn)品數(shù)字宇宙”（Product Digiverse），擬基于達索公司的3D Experience平臺提高整個產(chǎn)品全生命周期的可負擔性、效率和協(xié)作性。

在西門子公司的數(shù)字化體系中，產(chǎn)品全生命周期的不同階段對應(yīng)有3種類型的數(shù)字孿生——產(chǎn)品孿生、生產(chǎn)過程孿生和性能孿生，而數(shù)字主線將3個數(shù)字孿生連接起來使之同時進化（如圖4所示）。換言之，數(shù)字主線將設(shè)計、生產(chǎn)和運行等全生命周期各階段的數(shù)據(jù)匯集在一起，實現(xiàn)全生命周期及整個價值鏈的反饋，通過數(shù)字主線可以追溯到產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，并將豐富的數(shù)據(jù)傳播到生產(chǎn)、運行和維護過程中，從而為設(shè)計、制造、裝配、供應(yīng)、維護和運營等全生命周期和價值鏈的各個利益相關(guān)者創(chuàng)造一個完整、封閉的決策環(huán)境。近期，西門子公司將數(shù)字主線理念應(yīng)用到電氣系統(tǒng)設(shè)計和集成領(lǐng)域，開發(fā)了一種基于數(shù)字數(shù)據(jù)連續(xù)性原理的電氣工具套件Capital。該軟件的核心是豐富的數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)管理能力，通過其詳細的組件建模、廣泛的設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）和數(shù)據(jù)庫穩(wěn)定性，降低在集成完備性檢查、生產(chǎn)準備狀態(tài)評審、型號認證和投入使用等關(guān)鍵里程碑階段所面臨的風險。

圖4 西門子公司數(shù)字孿生與數(shù)字主線

此外，GE航空集團、參數(shù)技術(shù)公司（PTC）等也探討了數(shù)字主線在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用。GE全球研究中心技術(shù)總監(jiān)弗斯托斯認為，設(shè)計師在開展新產(chǎn)品設(shè)計并形成零件或產(chǎn)品的計算機輔助設(shè)計（CAD）模型時，數(shù)字主線就開始形成了。隨后的優(yōu)化設(shè)計將以數(shù)字形式傳輸?shù)街圃旃S進行建模和仿真，包括工藝流程、工廠布局、機器人和制造控件等的仿真和優(yōu)化。一旦對設(shè)計和過程進行了虛擬驗證，數(shù)據(jù)便被傳輸?shù)綄嶋H制造工廠，利用智能機器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以制造零件或產(chǎn)品。此外，制造工廠與供應(yīng)商也通過數(shù)字主線實時通信和連接，以實現(xiàn)最佳的生產(chǎn)控制和物流。PTC在其企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型白皮書中提到，數(shù)字主線主要是構(gòu)建貫通產(chǎn)品設(shè)計、制造、運營和服務(wù)等各環(huán)節(jié)的數(shù)字化數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)虛擬與物理之間的數(shù)物融合以及不同業(yè)務(wù)流程間的業(yè)務(wù)融合，為企業(yè)各相關(guān)方提供實時的數(shù)據(jù)分析和決策支持。

航空發(fā)動機數(shù)字主線

當前，航空發(fā)動機全生命周期中的每一個階段通常對應(yīng)了一種工程實踐組織形式，各自擁有自身獨有的專業(yè)知識和基于模型的工具，由此導(dǎo)致各個階段之間的信息共享產(chǎn)生障礙，上游數(shù)據(jù)無法對下游工程活動進行支撐，而下游數(shù)據(jù)也難以流回上游指導(dǎo)優(yōu)化，使得設(shè)計周期長、運行效率低、維護成本高，亟待探索一種新的、行業(yè)級的信息系統(tǒng)運行模式。針對上述現(xiàn)狀，基于數(shù)字主線的基本定義，同時參考國內(nèi)外關(guān)于數(shù)字主線的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者對于數(shù)字主線在航空發(fā)動機中的應(yīng)用進行了深入思考，提出了發(fā)動機數(shù)字主線的基本概念（如圖5所示）。

數(shù)字主線的目的是使用現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信技術(shù)，在實物空間內(nèi)部（實—實互聯(lián)）、虛擬空間內(nèi)部（虛—虛互聯(lián)）以及實物空間和虛擬空間之間（虛—實互聯(lián)）建立聯(lián)系，使得發(fā)動機研發(fā)全生命周期各個階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和模型可通過數(shù)據(jù)接口協(xié)議在適當?shù)臎Q策點插入到數(shù)字主線中。值得注意的是，數(shù)字主線必須保證其中的數(shù)據(jù)和模型在任何時刻是唯一且權(quán)威的，才能實現(xiàn)某一階段的利益相關(guān)方（政府、行業(yè)或用戶）在對模型進行完善或者修正時，其余利益相關(guān)方能同步獲得更新，且模型和數(shù)據(jù)的歷史版本需要完整可查，從而保證數(shù)據(jù)的可回溯性，以支持關(guān)鍵決策。

圖5 面向航空發(fā)動機的數(shù)字主線概念示意

在實—實互聯(lián)方面，數(shù)字主線提供的數(shù)據(jù)接口協(xié)議支撐發(fā)動機企業(yè)實現(xiàn)橫向和縱向整合，通過橫向整合流程可在生產(chǎn)現(xiàn)場、跨多個生產(chǎn)設(shè)備以及整個供應(yīng)鏈中緊密集成在一起；通過縱向集成，數(shù)據(jù)可自由地從車間回流到企業(yè)各個部門，即生產(chǎn)與研發(fā)以及其他部門的業(yè)務(wù)流程緊密集成在一起，從而打破數(shù)據(jù)和知識孤島。此外，借助先進的傳感器技術(shù)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）分析、增材制造等技術(shù)，未來可實現(xiàn)發(fā)動機產(chǎn)品和生產(chǎn)過程的智能化，從而提高生產(chǎn)力，創(chuàng)新服務(wù)模式。

在虛—虛互聯(lián)方面，通過數(shù)字主線將發(fā)動機研制全生命周期的各個階段打通，具有訪問權(quán)限的部門可隨時從數(shù)字主線系統(tǒng)中提取發(fā)動機的相關(guān)模型和數(shù)據(jù)，開展相應(yīng)的研究活動，并隨著其研究活動的進程而同步更新數(shù)字主線中的模型和數(shù)據(jù)，始終保持其內(nèi)部數(shù)據(jù)的唯一性和權(quán)威性。對于工業(yè)部門而言，通過數(shù)字主線可以實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，加速產(chǎn)品研發(fā)過程和優(yōu)化改進；對于用戶來說，通過數(shù)字主線可以獲得發(fā)動機各類性能數(shù)據(jù)，了解其設(shè)計過程的細節(jié)，從而支撐運行性能優(yōu)化、快速維修決策和問題溯源。

在實—虛互聯(lián)方面，通過使用統(tǒng)計工程方法，可以在發(fā)動機研制過程的每一步量化原始物理模型中的不確定性。發(fā)動機在進入生產(chǎn)、試驗和使用時會產(chǎn)生大量的實際數(shù)據(jù)，可將其與仿真數(shù)據(jù)合并從而修正數(shù)字主線中的模型，并細化不確定度預(yù)測，從而確保數(shù)字主線中的模型和數(shù)據(jù)是在實際數(shù)據(jù)本身精度范圍內(nèi)的最佳可用信息。例如，壓氣機氣動特性的預(yù)測模型可以在初步設(shè)計階段開發(fā)，通過詳細設(shè)計過程得到增強，并在試驗中達到成熟。

此外，在航空發(fā)動機的數(shù)字化體系中，數(shù)字主線和數(shù)字孿生仍然遵循著前者為手段和過程，后者為目標的相互關(guān)系，即在發(fā)動機型號研制的不同階段，相關(guān)部門利用數(shù)字主線抓取當前發(fā)動機的模型和數(shù)據(jù)，并基于內(nèi)部開發(fā)的設(shè)計、仿真工具進行研發(fā)活動，結(jié)合當前能夠獲得的實際試驗或使用數(shù)據(jù)，構(gòu)建出該型號的發(fā)動機數(shù)字孿生體。因此，隨著研發(fā)過程的進行，在數(shù)字主線的支撐下，發(fā)動機數(shù)字孿生的形態(tài)越來越完整、功能越來越復(fù)雜，最終伴隨著實際發(fā)動機交付到用戶手中，支撐實際的使用和運行維護。

數(shù)字主線實現(xiàn)所面臨的挑戰(zhàn)分析

當前，數(shù)字主線正處于起步階段，其業(yè)務(wù)價值正在快速增長，但未來在實現(xiàn)數(shù)字主線方面仍面臨著相當多的挑戰(zhàn)。

一是信息安全保障。數(shù)字主線中承載的是行業(yè)高價值的數(shù)據(jù)和信息，涉及企業(yè)價值鏈的方方面面，需要制定并執(zhí)行合理的安全保障策略，從技術(shù)、管理、工程和人員等方面提出安全保障要求，確保信息系統(tǒng)的保密性、完整性和可用性，降低安全風險。

二是數(shù)據(jù)管理能力。在數(shù)據(jù)組織方面，數(shù)字主線的第一步是識別數(shù)據(jù)源，提供訪問數(shù)據(jù)的能力并以各種功能可以利用該數(shù)據(jù)的方式組織數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)存儲和使用方面，由于數(shù)字主線依賴于跨區(qū)域和功能的協(xié)作，因此必須建立關(guān)于大數(shù)據(jù)存儲及按需提供數(shù)據(jù)的關(guān)鍵策略。在數(shù)據(jù)維護方面，為了保證數(shù)字主線的準確性和唯一性，需要根據(jù)每一次設(shè)計變化的最新情況進行模型更新，如一個機隊需要500臺發(fā)動機，每次飛行后安裝在特定發(fā)動機上的20個部件相關(guān)的模型需要根據(jù)飛行產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變更新，以反映其組成部件的當前狀況，那么數(shù)字主線需要同時維護超過10000個各類型模型的更新。

三是良好的合作環(huán)境。航空發(fā)動機研發(fā)流程復(fù)雜，須在大量工業(yè)軟件的支持下完成。例如，現(xiàn)有三維CAD設(shè)計軟件主要側(cè)重于幾何建模，而高精度的仿真分析需要借助專用的仿真軟件，不同軟件之間需要解決兼容性才能更好地支持發(fā)動機的設(shè)計研發(fā)乃至后續(xù)的使用維護。因此需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、模型格式、框架和/或接口，使得這些模型能夠同時或迭代運行。此外，在航空航天領(lǐng)域，每個核心參與方都擁有知識產(chǎn)權(quán)，如獨特的設(shè)計工具、開發(fā)過程、制造技術(shù)等，將數(shù)字主線推向?qū)嶋H應(yīng)用時需要在對設(shè)計方法、制造過程、物理特性和更多系統(tǒng)的全面認識與保護知識產(chǎn)權(quán)之間取得最佳平衡。

結(jié)束語

數(shù)字主線提供了一種通信框架，以幫助促進產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其全生命周期中的集成和連接數(shù)據(jù)流，并支持產(chǎn)品全生命周期中訪問、轉(zhuǎn)換、集成和分析來自各種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。將數(shù)字主線概念應(yīng)用于航空發(fā)動機等復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域，提供實—實、虛—虛和虛—實互聯(lián)的通道，有望推動設(shè)計、制造、運行和維護模式的巨大革新。