數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費用管理領(lǐng)域的應(yīng)用

張大維

(海軍研究院,北京 100072)

1 數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 數(shù)字孿生概念演進

1992年,耶魯大學教授Gelernter在其著作《鏡像世界》中,描繪了一種完全以軟件定義的虛擬世界。盡管當時還未明確提出數(shù)字孿生這一名詞,但其含義和后來對數(shù)字孿生的定義已經(jīng)相當相似。作者在書中指出的鏡像世界,是由大量代表真實世界實體和運動的軟件所組成的龐大模擬系統(tǒng),它運行于虛擬的計算機環(huán)境中,利用海量數(shù)據(jù)源源不斷地涌入模型,模擬了真實世界中每時每刻的運動。

2002年,美國學者Grieves在密歇根大學和國家宇航局的講座上,第一次明確提出了數(shù)字孿生(Digital Twin)概念,并指出,針對日益增多的復(fù)雜實體系統(tǒng),為了預(yù)測并優(yōu)化其系統(tǒng)特性,可以在虛擬空間建立一種與之相對應(yīng)的數(shù)字化模型,并利用動態(tài)信號使之和產(chǎn)品物理實體聯(lián)系在一起,以幫助人們更好地認識產(chǎn)品實體與其背后包含的復(fù)雜信息之間的關(guān)聯(lián)。因為當時的科技條件以及數(shù)據(jù)收集能力的限制,數(shù)字孿生在早期僅作為一種顛覆性的概念。在接下來的十幾年中,隨著大批虛擬開發(fā)工具的不斷涌現(xiàn),產(chǎn)品的設(shè)計、制造和維修等過程都受益于信息技術(shù)發(fā)展,不僅實現(xiàn)了用超現(xiàn)實的方式描繪物理實體的幾何細節(jié),還可以利用模擬仿真預(yù)測其特性。與此同時,隨著大量無損檢測技術(shù)的使用,增加了對產(chǎn)品中運行數(shù)據(jù)的采集,也給數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展帶來了新契機。2012年,在第53屆美國宇航協(xié)會國際學術(shù)會議上,由美國宇航局的Glaessgen與美國空軍的Stargel共同發(fā)表文章,從學術(shù)上對數(shù)字孿生進行了定義。此后,美國空軍持續(xù)探索基于數(shù)字孿生的裝備研發(fā)/采購模式,目的是改善復(fù)雜裝備研發(fā)效率和采購經(jīng)濟性。西門子工業(yè)軟件公司也從2016年開始,嘗試在工業(yè)4.0框架下使用數(shù)字孿生技術(shù),并在2017年底,成功推出了一整套數(shù)字孿生應(yīng)用模型,成了該技術(shù)的重要倡導(dǎo)和實踐者。

總的來說,在過去的近30年時間里,隨著摩爾定律導(dǎo)致的計算機成本指數(shù)降低,數(shù)字化方法日益發(fā)展,從計算機輔助設(shè)計到基于模型的系統(tǒng)工程,模型設(shè)計與仿真技術(shù)越來越可靠,應(yīng)用范圍也越來越廣泛,工程師們一直在探索和追求一種以數(shù)字技術(shù)全面取代物理實體的全新開發(fā)模式,數(shù)字孿生技術(shù)在此過程中得到了迅速發(fā)展。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的特點

數(shù)字孿生是對實體對象及流程的數(shù)字化復(fù)制,在復(fù)雜裝備設(shè)計、生產(chǎn)、運行保障等全壽命周期過程中,可以實現(xiàn)信息在數(shù)字空間與物理空間之間的雙向共享交換與全面追溯,如圖1所示。根據(jù)數(shù)字孿生的不斷應(yīng)用和發(fā)展,可以梳理總結(jié)其具有以下特點。

圖1 裝備數(shù)字孿生概念[12]

1) 實時同步。數(shù)字孿生技術(shù)能通過三維數(shù)字模型將產(chǎn)品與其全壽命周期中的數(shù)字鏡像相互映射,最終達到虛擬世界與現(xiàn)實物理世界之間的同步與統(tǒng)一。孿生體和物理實體并存于物理和虛擬兩大空間。物理空間中產(chǎn)品不同階段形成的數(shù)據(jù)都能夠在虛擬空間中反映,并能夠保證二者的高度同步性與保真度,以便于人們利用虛擬世界發(fā)掘潛在問題、啟迪新思路、持續(xù)尋求優(yōu)化提升。

2) 全面測量。通過分析測量結(jié)果逐步改進改善,是工業(yè)領(lǐng)域的常用做法。無論是設(shè)計、制造還是服務(wù),都需要精確地測量物理實體的各種屬性、參數(shù)和運行狀態(tài),以實現(xiàn)精準的分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過物理傳感器反饋收集有限的直接數(shù)據(jù),然后使用大樣本庫進行數(shù)據(jù)分析,利用機器學習的方法推理出某些原本無法進行檢測的數(shù)據(jù),從而達到全面測量的效果。

3) 便捷操作。數(shù)字孿生技術(shù)借助物聯(lián)網(wǎng)測量、虛擬現(xiàn)實和建模開發(fā)等數(shù)字化手段,將現(xiàn)實物理設(shè)備的所有屬性都投射到虛擬計算機環(huán)境中,因而產(chǎn)生了便于拆解、復(fù)制、遷移、更改、刪除和反復(fù)使用的數(shù)字鏡像產(chǎn)品,這最大限度地拓展了使用者對現(xiàn)實物理實體的認識和操作空間,可以利用數(shù)字鏡像進行模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬組裝,使許多受現(xiàn)實條件制約在物理實體上無法實現(xiàn)的操作,都能在數(shù)字鏡像產(chǎn)品上得到實現(xiàn),從而為人們探索創(chuàng)新路徑、優(yōu)化產(chǎn)品功能帶來了極大便利。

4) 分析預(yù)測。目前使用的產(chǎn)品壽命周期管理方法,要實現(xiàn)精準的預(yù)測和判斷難度很大,尤其是對隱藏在產(chǎn)品表面之下的各種問題,要及早做出預(yù)判更是難上加難。而數(shù)字孿生方法通過綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)手段,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理和建模分析,并據(jù)此做出對產(chǎn)品歷史故障的診斷、當前狀態(tài)的評價以及未來發(fā)展趨勢的預(yù)測,進而將分析結(jié)果和各種可能性提供給決策者,全方位地支持管理決策。

5) 經(jīng)驗數(shù)字化。在傳統(tǒng)的制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)管理與服務(wù)保障過程中,經(jīng)驗往往是一個模糊不清且很難掌握的知識形態(tài),人們很難將它當作精準判斷的理論基礎(chǔ)。數(shù)字孿生的另一個重要進步就是可以利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段,將之前無法存儲的專家經(jīng)驗進行數(shù)字化處理,從而提高了存儲、復(fù)制、編輯和遷移的能力。比如,可以通過機器學習方法,針對大型儀器設(shè)備不同故障特點訓(xùn)練出數(shù)字化特征模型,再配以專家解決方案,使之成為一套在未來精確判斷和解決設(shè)備故障的基本理論,為自治化的智能檢測和故障處理奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費用管理中的應(yīng)用動因

軍事需求、技術(shù)應(yīng)用和經(jīng)費投入是武器裝備發(fā)展需要反復(fù)權(quán)衡的三要素,隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)樣式的不斷豐富,其對武器裝備的軍事需求也在不斷拓展。大量的高新技術(shù)的應(yīng)用,使裝備復(fù)雜程度日益提高,裝備發(fā)展所需的費用也在不斷上漲。全面提高裝備經(jīng)濟性水平,實現(xiàn)以較低的壽命周期費用滿足裝備建設(shè)需要,是實現(xiàn)高質(zhì)量、高速度、可持續(xù)發(fā)展的必由之路,也是實現(xiàn)強軍目標的必然要求。裝備壽命周期費用管理是對裝備建設(shè)全過程進行整體運籌和科學決策的一種管理方法,為我們實現(xiàn)上述目標提供了理論支撐。然而,在管理實踐中，人們逐漸發(fā)現(xiàn),實施全面控制和預(yù)測是全壽命費用管理的基本特征和根本保證,而全面控制需要全面的測量、準確的分析和及時的反饋,全面預(yù)測需要全面的數(shù)據(jù)采集、科學的建模和經(jīng)驗知識的積累。傳統(tǒng)壽命周期費用管理在成本設(shè)計與優(yōu)化、成本消耗過程監(jiān)控與評估等方面面臨一定的挑戰(zhàn),亟待引入新的技術(shù)進行解決,數(shù)字孿生技術(shù)獨特的實時同步、全面測量、便捷操作、分析預(yù)測以及經(jīng)驗數(shù)字化等特點,能夠與裝備全壽命費用管理需求相吻合,將其應(yīng)用于裝備全壽命費用管理領(lǐng)域特定場景,將有望豐富管理方法手段,大幅提升管理效益。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費用管理中的應(yīng)用構(gòu)想

3.1 應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)降低武器裝備設(shè)計研發(fā)費用

設(shè)計研發(fā)是根據(jù)研制要求,通過論證、分析、設(shè)計和驗證,形成裝備解決方案的過程。根據(jù)全壽命費用管理理論,設(shè)計和研發(fā)過程將決定裝備全壽命費用的85%左右。同時,在武器研制的后期以及實際應(yīng)用階段,糾正在設(shè)計階段工作缺點的總成本也將以指數(shù)級別上升。因此，該階段無疑是武器裝備壽命周期費用管理的黃金時期,從裝備設(shè)計源頭入手控制壽命周期費用,能夠達到事半功倍的效果。設(shè)計與研發(fā)階段的全壽命費用管理,重點包括兩個方面:一是在方案論證和技術(shù)分析的基礎(chǔ)上,針對各種備選方案進行全壽命費用的評估和比較,在多方案之間進行需求、性能、進度、費用之間的多維度權(quán)衡分析,進而做出性價比最優(yōu)的決策;二是不斷加強對研發(fā)過程成本的跟蹤和管控,合理優(yōu)化試驗驗證方案,降低研發(fā)成本。

裝備的設(shè)計與研制是一個典型的復(fù)雜的系統(tǒng)工程,存在技術(shù)研發(fā)要求復(fù)雜、生產(chǎn)體系構(gòu)造復(fù)雜、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)條件復(fù)雜、生產(chǎn)流程復(fù)雜、測試與維修過程復(fù)雜、質(zhì)量管理復(fù)雜、生產(chǎn)工作環(huán)境復(fù)雜等問題。傳統(tǒng)設(shè)計模式以文檔為主導(dǎo),設(shè)計師通過文檔編寫、歸類、整理,完成思考和決策。由于這種模式無法全方位展示裝備的功能與性能特點,難以完整反映裝備壽命周期過程中時間、空間、行為和資源經(jīng)費等各種要素之間的關(guān)系,導(dǎo)致壽命周期費用的預(yù)測評估與技術(shù)方案的耦合不夠緊密。在新的基于模型的系統(tǒng)工程架構(gòu)下,通過在設(shè)計研發(fā)階段構(gòu)建裝備數(shù)字孿生體,全面逼真地呈現(xiàn)裝備功能、特性,使設(shè)計人員可以數(shù)字孿生體為基準,進行多學科數(shù)字樣機的協(xié)同仿真與優(yōu)化,實現(xiàn)從需求到性能再到經(jīng)濟性的全方位設(shè)計,特別是能夠及時掌握技術(shù)變化導(dǎo)致的費用成本差異,充分開展費用敏感性分析,有效促進技術(shù)指標和經(jīng)濟指標同步管控,初步技術(shù)方案如圖2所示。考慮不同學科仿真模型維度不同、計算量級不同,需開發(fā)統(tǒng)一的降階代理模型建模技術(shù),實現(xiàn)向高精度、高效率代理模型的轉(zhuǎn)化,再應(yīng)用于裝備成本分析工具。在獲得試驗數(shù)據(jù)后,需對裝備多學科仿真模型進行確定與校核,并更新裝備功能特性代理模型,以提高成本分析準確性。

圖2 設(shè)計研發(fā)階段基于數(shù)字孿生的裝備壽命周期成本分析技術(shù)方案

在試驗驗證過程中,傳統(tǒng)方式需要對試驗方案、產(chǎn)品工況進行長期摸索,有時還需要根據(jù)極端工況要求建設(shè)新的試驗條件,導(dǎo)致研發(fā)時間長和成本高昂。基于數(shù)字孿生技術(shù),裝備設(shè)計者可以將檢驗方式從樣機測試、全物理樣機聯(lián)調(diào)轉(zhuǎn)換為高逼真度的模擬檢驗,還可以構(gòu)建滿足特殊要求的虛擬試驗環(huán)境,利用數(shù)字化技術(shù)手段,不斷修改設(shè)計、診斷潛在風險,從而極大地提高新型武器設(shè)計方案的可行性,并迅速驗證新型武器的設(shè)計功能,縮短研發(fā)周期、有效降低研發(fā)費用。在美國F-35戰(zhàn)斗機研發(fā)過程中,構(gòu)建了結(jié)冰試驗的虛擬試驗環(huán)境,如圖3所示,在該基礎(chǔ)上可進一步應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),構(gòu)建多物理場、多維度一體化仿真模型,實現(xiàn)裝備與試驗環(huán)境、設(shè)備一體化仿真。

圖3 美國F-35戰(zhàn)斗機結(jié)冰虛擬試驗環(huán)境[18]

3.2 應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化裝備生產(chǎn)制造成本

產(chǎn)品制造是企業(yè)整合相關(guān)資源,按照預(yù)定目標從設(shè)計方案到產(chǎn)品實現(xiàn)的物化過程。裝備全壽命費用管理在生產(chǎn)制造階段的核心目標是在訂購目標價格指標內(nèi)完成產(chǎn)品生產(chǎn),并盡可能采取措施,優(yōu)化工藝、改進流程、控制能耗、提升質(zhì)量,進而全面提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,循序漸進直到找到成本最優(yōu)的解決方案。

在重大裝備生產(chǎn)制造階段,基于設(shè)計研發(fā)階段的數(shù)字孿生模型,綜合利用仿真模型、實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和人工智能算法。如圖4所示,從產(chǎn)品及其生產(chǎn)現(xiàn)場資源和環(huán)境兩方面構(gòu)建數(shù)字孿生體。

圖4 基于數(shù)字孿生的裝備生產(chǎn)制造成本優(yōu)化方案構(gòu)想

一是建立產(chǎn)品數(shù)字孿生模型,實時監(jiān)測零件加工狀態(tài)、預(yù)測成品質(zhì)量、識別設(shè)計缺陷,通過智能生產(chǎn)決策模型,根據(jù)上述預(yù)測與大數(shù)據(jù)分析結(jié)果更新相應(yīng)的生產(chǎn)解決方案并反映給實物生產(chǎn),進而完成對實物生產(chǎn)過程的動態(tài)控制和優(yōu)化,以達到在虛擬空間中實時控制實際生產(chǎn)過程的目的。

二是構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場資源和環(huán)境的模型,將真實世界中檢測、生產(chǎn)進度、物流情況等多方面的實際數(shù)據(jù),不斷傳輸至計算機虛擬環(huán)境中,加以可視化處理,并進行測量值與設(shè)定參數(shù)值、實際使用材料與設(shè)計物料、實際完工時間與預(yù)計完工時間等的多維度對比,實現(xiàn)產(chǎn)品制造流程、資源消耗的實施監(jiān)控和分析優(yōu)化。

良品率的不斷提高、材料利用率的不斷提升、工藝流程的不斷優(yōu)化都將有效降低裝備生產(chǎn)制造成本,為裝備全壽命費用控制做出貢獻。

3.3 應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提升裝備運行維護效益

裝備運行維護階段消耗的使用保障費用,在整個壽命周期費用中所占比重最大,是壽命周期費用的主要組成部分,也是壽命周期費用管理的關(guān)鍵點。盡管該部分有一定的“先天性”,但并不是說在使用保障過程中這部分費用是一成不變的,相反，由于裝備使用保障費的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律是內(nèi)在的,因此，需要在實踐中不斷加強分析和研究,并科學規(guī)劃、合理組織、加強管理才能在滿足裝備作戰(zhàn)需求的條件下,不斷提高裝備使用和保障的經(jīng)濟性。

在裝備運行維護階段,構(gòu)建數(shù)字孿生體,在物理空間,對其位置、使用環(huán)境、設(shè)備健康狀況、功能履行情況、資源消耗等信息進行實時測控,獲取全方位的使用及保障數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)映射至虛擬空間;在虛擬空間,采用模型可視化技術(shù)實時模擬物理實體的使用流程,并結(jié)合本裝備及同類型裝備的使用、維護、維修保障歷史數(shù)據(jù),實現(xiàn)對裝備性能、健康狀況、壽命期限的分析預(yù)判,針對可能發(fā)生的故障和質(zhì)量問題發(fā)出預(yù)警,再綜合運用現(xiàn)代管理和技術(shù)方法整合維修資源、管控優(yōu)化維修計劃,以獲得最佳維修效果和經(jīng)濟效益。

以航空發(fā)動機健康監(jiān)視為例,通過構(gòu)建運行維護階段發(fā)動機數(shù)字孿生體,對發(fā)動機進行實時監(jiān)控和故障診斷,并以離線方式對發(fā)動機性能趨勢進行預(yù)測,實現(xiàn)發(fā)動機個性化保障和視情維修,提高發(fā)動機機隊完好率,降低運行維護成本。圖5給出了一種基于機理與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的發(fā)動機性能數(shù)字孿生模型,該模型利用發(fā)動機實測數(shù)據(jù)修正機理模型參數(shù),實時評估發(fā)動機性能健康狀態(tài)。

圖5 運行維護階段航空發(fā)動機性能數(shù)字孿生模型[21]

3.4 應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建全壽命費用管理閉環(huán)

在退役報廢階段,裝備全壽命費用管理的主要工作是整理和積累裝備各系統(tǒng)、全壽命各階段的經(jīng)費數(shù)據(jù)資料,匯總計算裝備全壽命周期費用的實際值,確定裝備殘值,控制報廢費用。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以構(gòu)建裝備全壽命費用數(shù)據(jù)庫、模型庫和知識庫,這些都將為新裝備的建設(shè)提供直接支撐,形成了全壽命費用管理的完整閉環(huán)。

4 挑戰(zhàn)與建議

通過上述應(yīng)用場景分析可以預(yù)見,未來在裝備全壽命費用管理領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),將會面臨以下挑戰(zhàn),值得引起我們的重視。

一是組織管理方面的挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用本身就是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要進行頂層規(guī)劃,階段推進,才能實現(xiàn)逐步落地并發(fā)揮作用。從國外推進數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展經(jīng)驗來看,必須加強頂層的組織籌劃,搭建整體架構(gòu),從戰(zhàn)略層面制定明確的數(shù)字孿生應(yīng)用目標,統(tǒng)一可行的工作要求和工作標準,開發(fā)相應(yīng)的軟件工具平臺,整合集成共享的數(shù)字環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)。

二是數(shù)據(jù)獲取方面的挑戰(zhàn)。要發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費用管理領(lǐng)域的潛能,數(shù)據(jù)是核心要素之一。目前為了獲得裝備整體或內(nèi)部的數(shù)據(jù),可以借助傳感器來進行測量,開展數(shù)據(jù)采集工作。盡管隨著傳感器成本的下降,獲得數(shù)據(jù)變得容易,但考慮數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、分析都要耗費大量資源,因此必須進行取舍,選取業(yè)務(wù)和經(jīng)濟性分析最需要的數(shù)據(jù),收集適量但足夠精確的有用信息是實現(xiàn)數(shù)字孿生的一大挑戰(zhàn),需要根據(jù)每個實際應(yīng)用的需求,確定數(shù)據(jù)收集的原則,進行數(shù)據(jù)的取舍。

三是模型建立方面的挑戰(zhàn)。在虛擬世界運行的其實是數(shù)字孿生的數(shù)學模型。要實現(xiàn)高逼真度的建模與仿真能力,需要構(gòu)建與裝備相關(guān)的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型,需要綜合應(yīng)用高性能計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段,打通需求分析、裝備研制、使用保障各個環(huán)節(jié),充分運用好當前裝備科研生產(chǎn)過程中形成的大量數(shù)字資源或模型成果；在裝備的全壽命周期內(nèi)推動建立基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析與管理方法,圍繞覆蓋裝備論證、研發(fā)、制造、維護過程中的系統(tǒng)工程活動,實現(xiàn)各類技術(shù)開發(fā)和管理過程的可視化、自動化、精準化。

5 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)不僅能夠運用人類現(xiàn)有理解與認識創(chuàng)建虛擬模型,還能夠運用仿真技術(shù)研究和預(yù)測未知世界,不斷啟迪人們的創(chuàng)造思維,發(fā)掘與尋求更好的解決方案。美歐一些軍工巨頭和軟件供應(yīng)商正根據(jù)各自發(fā)展需要積極開發(fā)數(shù)字孿生解決方案,盡管國內(nèi)在裝備建設(shè)領(lǐng)域針對數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于起步階段,但學界和工業(yè)部門正加速推進數(shù)字孿生技術(shù)在武器裝備全壽命周期管理過程中的運用。數(shù)字孿生技術(shù)為我們提供了一種實施裝備全壽命費用管理的新途徑,具有十分重要的應(yīng)用價值,我們應(yīng)抓住機遇,加快發(fā)展步伐,搶占有利先機。