數(shù)字孿生技術(shù)在“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目中的應(yīng)用

梁浩聰，紀(jì)紅霞，姚軍，熊世忠

95894部隊(duì)

“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目是波音公司全面應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目之一。該技術(shù)不僅降低了系統(tǒng)研制的風(fēng)險(xiǎn)，而且大幅縮短了開發(fā)周期。本文圍繞“忠誠(chéng)僚機(jī)”的全生命周期，分析數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型驗(yàn)證、制造裝配過(guò)程中的零件檢測(cè)、運(yùn)行過(guò)程中的輔助決策等階段中的應(yīng)用。

數(shù)字孿生思想最早由美國(guó)密歇根大學(xué)邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授提出，當(dāng)時(shí)被命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)椤皵?shù)字孿生”（Digital Twin,DT）。

數(shù)字孿生技術(shù)是指，利用科學(xué)技術(shù)為現(xiàn)實(shí)世界中的物體構(gòu)建一個(gè)數(shù)字實(shí)體，借此來(lái)了解物理實(shí)體，進(jìn)而對(duì)實(shí)體進(jìn)行分析和優(yōu)化。

作為理論技術(shù)體系，數(shù)字孿生技術(shù)在航空、航天、電力、汽車、石油天然氣、醫(yī)療、船舶與航運(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)廣泛應(yīng)場(chǎng)。在航空領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用在產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段。例如，設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型驗(yàn)證，制造裝配過(guò)程中的零件檢測(cè)，運(yùn)行過(guò)程中的輔助決策等環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，以數(shù)字孿生技術(shù)為核心構(gòu)建的數(shù)字線程（Digital Thread），實(shí)現(xiàn)了航空產(chǎn)品全生命周期中的閉環(huán)管理和關(guān)鍵點(diǎn)智能仿真決策。波音公司在2019年啟動(dòng)數(shù)字孿生體系建設(shè)任務(wù)，并發(fā)布《波音數(shù)字系統(tǒng)模型和數(shù)字孿生體系白皮書》。波音公司在數(shù)字孿生體系建設(shè)過(guò)程中，結(jié)合傳統(tǒng)V工程方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工程鉆石模型，希望借助數(shù)字孿生體系和數(shù)字線程，解決基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)在實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

數(shù)字孿生技術(shù)在“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目中的應(yīng)用

“忠誠(chéng)僚機(jī)”（Loyal Wingman）項(xiàng)目由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）發(fā)起，具體研究?jī)?nèi)容包括無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)、有人機(jī)/無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)、系統(tǒng)在復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境下的作戰(zhàn)。美國(guó)和澳大利亞兩國(guó)聯(lián)合研制的“空中力量編隊(duì)系統(tǒng)”(ATS)是“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目的重要組成部分。從2019年2月澳大利亞國(guó)防部宣布為波音公司澳大利亞分公司撥預(yù)算款，到2021年3月澳大利亞皇家空軍成功完成首架“空中力量編隊(duì)系統(tǒng)”首飛。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目應(yīng)用了基于模型的系統(tǒng)工程方法，是波音公司全面應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目之一。波音公司利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，前期對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、總裝測(cè)試等環(huán)節(jié)實(shí)施大量的計(jì)算機(jī)模擬，不僅降低了系統(tǒng)研制風(fēng)險(xiǎn)，而且大幅縮短了驗(yàn)證機(jī)的開發(fā)周期。

在設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證階段的應(yīng)用

數(shù)字實(shí)體系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高效仿真驗(yàn)證。根據(jù)“忠誠(chéng)僚機(jī)”的技術(shù)指標(biāo)、總體方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案等需求，技術(shù)人員采用數(shù)字孿生技術(shù)，在數(shù)字實(shí)體系統(tǒng)中創(chuàng)建高精度、多系統(tǒng)、高復(fù)雜度的“忠誠(chéng)僚機(jī)”數(shù)字化樣機(jī)用于仿真試驗(yàn)。建模和仿真工具可提供數(shù)字化和可視化工程圖、分析數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)環(huán)境，從而減少物理試驗(yàn)和設(shè)計(jì)迭代的次數(shù)，節(jié)省時(shí)間和節(jié)約成本。在“忠誠(chéng)僚機(jī)”設(shè)計(jì)之初，技術(shù)人員在數(shù)字化空間進(jìn)行試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)“邊設(shè)計(jì)，邊試驗(yàn)，邊修正”流程，相較以往的“設(shè)計(jì)—樣品—試驗(yàn)—修改”的流程，前者能提高仿真驗(yàn)證效率。

在智能制造階段中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)可搭建智能生產(chǎn)線，實(shí)時(shí)調(diào)控生產(chǎn)過(guò)程。在“忠誠(chéng)僚機(jī)”的生產(chǎn)過(guò)程中，技術(shù)人員利用數(shù)字孿生技術(shù)，一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)零件加工狀態(tài)，及時(shí)處理次品零件，降低次品零件進(jìn)入裝配階段的概率；二是實(shí)時(shí)控制產(chǎn)品質(zhì)量，將質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)；三是實(shí)時(shí)監(jiān)控備件數(shù)量，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的需求，合理配置資源從而保證穩(wěn)定生產(chǎn)。

數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，有效提高了“忠誠(chéng)僚機(jī)”的生產(chǎn)速度。

在飛行測(cè)試階段中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)可迭代數(shù)字仿真試驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)際飛行操作。根據(jù)地面、飛行、航線飛行等試驗(yàn)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)“忠誠(chéng)僚機(jī)”孿生體進(jìn)行更新迭代。數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用并不是取代實(shí)際測(cè)量和測(cè)試，而是對(duì)實(shí)際和數(shù)字信息進(jìn)行高度融合，得到更準(zhǔn)確的飛行測(cè)試數(shù)據(jù)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)科學(xué)方法進(jìn)行飛行決策。澳大利亞皇家空軍已開展“空中力量編隊(duì)系統(tǒng)”驗(yàn)證機(jī)的地面測(cè)試、滑跑和飛行等試驗(yàn)，在整個(gè)飛行測(cè)試任務(wù)中，波音公司澳大利亞分公司收集無(wú)人僚機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)，并利用實(shí)飛數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，大大縮短了“空中力量編隊(duì)系統(tǒng)”從首飛到進(jìn)入部隊(duì)服役的周期。

圖2 “空中力量編隊(duì)系統(tǒng)”無(wú)人僚機(jī)的研制采用了數(shù)字孿生技術(shù)。

表1 澳大利亞“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目的發(fā)展進(jìn)程。

圖3 波音公司澳大利亞分公司“忠誠(chéng)僚機(jī)”的仿真模型。

在維修階段中的應(yīng)用

首先，數(shù)字孿生健康監(jiān)測(cè)模型可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)而高效的維修。無(wú)人機(jī)機(jī)體疲勞預(yù)測(cè)利用概率分析方法分析各種不確定性來(lái)源，該概率分析方法主要通過(guò)融合使用數(shù)據(jù)和檢查數(shù)據(jù)，來(lái)更新和減少這些不確定性因素；二是減少無(wú)人機(jī)認(rèn)證測(cè)試的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間，消除意外因素導(dǎo)致的裂紋和故障，減少結(jié)構(gòu)維修的次數(shù)和頻率；三是利用歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建無(wú)人機(jī)健康監(jiān)測(cè)模型以預(yù)測(cè)關(guān)鍵組件的壽命，輔助工程人員進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修工作。數(shù)字孿生體可以有效降低維修時(shí)間與成本，提高無(wú)人僚機(jī)的作戰(zhàn)效能。

關(guān)鍵作用分析

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在“忠誠(chéng)僚機(jī)”項(xiàng)目研制與測(cè)試階段的應(yīng)用取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。未來(lái)，針對(duì)“忠誠(chéng)僚機(jī)”的作戰(zhàn)場(chǎng)景及特點(diǎn)，波音公司澳大利亞分公司將把數(shù)字孿生技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同、有人機(jī)/無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同以及復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境下作戰(zhàn)等方面遇到的難題。

為無(wú)人機(jī)編隊(duì)提供最優(yōu)任務(wù)協(xié)同執(zhí)行方案

圖4 數(shù)字孿生技術(shù)在“忠誠(chéng)僚機(jī)”全生命周期各階段的應(yīng)用示意圖。

隨著編隊(duì)中無(wú)人機(jī)數(shù)量的增加，傳統(tǒng)算法已無(wú)法提供最優(yōu)解。基于數(shù)字孿生模型的智能協(xié)同框架能有效地將資源密集型操作轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，為無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同飛行提供最優(yōu)解決方案。在編隊(duì)數(shù)字實(shí)體中加載任務(wù)規(guī)劃航線進(jìn)行仿真計(jì)算，將各種突發(fā)情況添加到算法中進(jìn)行預(yù)演，從而提高任務(wù)規(guī)劃方法的可信度。任務(wù)執(zhí)行人員在數(shù)字實(shí)體內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的飛行狀態(tài)，可以在實(shí)際任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中對(duì)任務(wù)航線進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮與控制，使無(wú)人機(jī)編隊(duì)更好地執(zhí)行任務(wù)。

驗(yàn)證有人機(jī)/無(wú)人機(jī)編隊(duì)的自主能力

“忠誠(chéng)僚機(jī)”編隊(duì)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，由空中有人機(jī)進(jìn)行控制。在編隊(duì)飛行中，無(wú)人僚機(jī)的飛行速度、飛行高度等關(guān)鍵參數(shù)必須與有人機(jī)基本匹配，這樣才能有效開展編隊(duì)協(xié)同飛行、集結(jié)等一系列戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。在數(shù)字孿生模型中，有人機(jī)和無(wú)人機(jī)之間建立信息反饋和映射等級(jí)，可驗(yàn)證編隊(duì)的自主協(xié)同控制能力。有人機(jī)/無(wú)人機(jī)編隊(duì)共享關(guān)鍵戰(zhàn)術(shù)信息，有人長(zhǎng)機(jī)準(zhǔn)確掌握虛擬戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，演練實(shí)際作戰(zhàn)任務(wù)。

為復(fù)雜環(huán)境下作戰(zhàn)提供支撐

在大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)支撐下，無(wú)人裝備在未來(lái)復(fù)雜和危險(xiǎn)的戰(zhàn)場(chǎng)中將扮演重要角色。打造數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)，并將無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、無(wú)人船作為前沿傳感器，發(fā)揮無(wú)人節(jié)點(diǎn)間的通信中繼功能，建立網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)場(chǎng)體系，最終達(dá)到分布式作戰(zhàn)目標(biāo)。 ■

AR-20變距多旋翼無(wú)人機(jī)開展換裝氫動(dòng)力試驗(yàn)

3月13日，中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)所研制的變距多旋翼無(wú)人機(jī)AR-20順利完成換裝氫動(dòng)力試飛試驗(yàn)，驗(yàn)證了氫動(dòng)力電池應(yīng)用于變距多旋翼無(wú)人機(jī)的可行性。試驗(yàn)科目包括功能性檢查試飛試驗(yàn)、不同起飛重量適應(yīng)性試飛試驗(yàn)、典型飛行狀態(tài)適應(yīng)性試飛試驗(yàn)、長(zhǎng)航時(shí)懸停試飛試驗(yàn)。

據(jù)悉，AR-20多旋翼無(wú)人機(jī)采用高效變距旋翼系統(tǒng)、超低長(zhǎng)徑比低速大扭矩電機(jī)及一體化復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有部署快、噪聲低、抗風(fēng)性能強(qiáng)、高原適應(yīng)性好、作業(yè)效率高等特點(diǎn)。