航空航天領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應用淺析

蘇 彬， 姜 釗

（中電科能源有限公司， 天津 300384）

引言

數(shù)字孿生技術(shù)因其在產(chǎn)品生產(chǎn)制造與技術(shù)運用過程中，可將物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界進行實時交匯和良好互動，而越來越受到普遍關(guān)注與廣泛應用。預計到2025 年，全球數(shù)字孿生市場將達到260.7 億美元，年應用增長率為38.2%。究其原因，是由于制造業(yè)越來越多地采用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和云計算等先進技術(shù)，為低成本、系統(tǒng)性地實施數(shù)字孿生技術(shù)鋪平了道路，同時也對產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、機器和設(shè)備健康監(jiān)測以及產(chǎn)品支持和服務等方向產(chǎn)生著巨大影響。數(shù)字孿生的成功實施將在企業(yè)的生產(chǎn)透明度、協(xié)同性、靈活性、生產(chǎn)速度、可擴展性與制造效率等方面得到大幅提升[1]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)研究進展

智能制造的實現(xiàn)，需要生產(chǎn)運營管理流程內(nèi)部的傳感、網(wǎng)絡(luò)和計算資源等各種信息的相互協(xié)作和自主交互，其中從物理系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)主要用于提供可操作的決策建議和提供預測性服務[2]。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式來創(chuàng)建物理實體的數(shù)字模型，這種數(shù)字模型可以在虛擬世界中借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，進而為設(shè)計、驗證和優(yōu)化零件、對產(chǎn)品加工工藝、生產(chǎn)設(shè)備提供數(shù)字化的流程模擬[3]。數(shù)字孿生技術(shù)映射關(guān)系，如圖1 所示。

數(shù)字孿生利用從安裝在實體對象上的傳感器反饋的數(shù)據(jù)，來映射實體最接近真實狀態(tài)下的實時工作狀態(tài)和性能等信息。并通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[4]。數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)據(jù)類型，如圖2 所示。

2 數(shù)字孿生技術(shù)應用

數(shù)字孿生技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域的最早應用是在2010 年左右，目前對其概念的解讀與所屬學科范疇依舊沒有達到統(tǒng)一的意見，仍舊屬于制造行業(yè)中比較前沿的技術(shù)領(lǐng)域。由前所述，數(shù)字孿生的應用以多方面、多維度的系統(tǒng)成熟建設(shè)為前提，具有投資大，建設(shè)周期長、短期應用效果不明顯，長期效果顯著的特點[5]。應用效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）良好的參觀演示效果，可配合VR 眼鏡、指揮中心艙進行輔助數(shù)據(jù)演示，具有最為真實的直觀性與實時性。

2）可對能耗、OEE 進行設(shè)備運行狀態(tài)時效統(tǒng)計與分析，配合所采集的運行參數(shù)，對生產(chǎn)線層級進行統(tǒng)籌、控制、決策、異常處理。

3）數(shù)據(jù)集成方面，可對全流程的智能化生產(chǎn)線進行優(yōu)化，如：工藝創(chuàng)新、設(shè)備優(yōu)化等。

2.1 智能規(guī)劃方面

在工廠規(guī)劃、改造、運營階段使用數(shù)字孿生技術(shù)，可以實現(xiàn)工廠物流、布局、控制策略和人機工程等的在線與離線仿真與驗證，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以代替真實的物理系統(tǒng)提供增強現(xiàn)實、模擬試驗、分析優(yōu)化、預測和驗證等方面的服務。通過研發(fā)大數(shù)據(jù)用以實現(xiàn)處理、分析、挖掘、可視化等技術(shù)產(chǎn)品的深度應用，實現(xiàn)對不同類別設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與分析，并對車間制造執(zhí)行系統(tǒng)開展適應性研究與開發(fā)[6]。還可通過二維碼、RFID 及各類傳感器等介質(zhì)對物料和產(chǎn)品進行全方位的信息采集，并通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行全流程跟蹤。通過融合云計算、人工智能、深度機器學習等新技術(shù)，對產(chǎn)品各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的網(wǎng)絡(luò)信息化進行賦能，進而提升企業(yè)決策效率，航空航天企業(yè)可結(jié)合自身特點進行合理應用[7]。航空航天產(chǎn)品制造可應用于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)節(jié)，如圖3 所示。

2.2 航天領(lǐng)域

在航天領(lǐng)域，建立真實條件的測試環(huán)境與平臺往往是耗時并投入巨大的復雜過程，這時可通過借助數(shù)字孿生技術(shù)，通過傳感器將實時數(shù)據(jù)從物理實體傳送到數(shù)字環(huán)境中，并加載相應算法進行數(shù)字環(huán)境中各個場景的測試工作。例如，在新型航天器設(shè)計與生產(chǎn)驗證時，新模型的生產(chǎn)與測試成本非常高[8]，所需要的樣本量與測試數(shù)據(jù)同樣是巨大的，為平衡成本收益與減少預測樣本量，可將飛行器中數(shù)千個傳感器每秒所產(chǎn)生的數(shù)萬億字節(jié)數(shù)據(jù)進行收集與處理，結(jié)合預測模型進行逐一分析，可為制造廠商提供動能、安全、穩(wěn)定各個層面的預測與建議，還可進行必要的決策性維護工作[9]。

衛(wèi)星及附屬系統(tǒng)在航天領(lǐng)域具有十分重要的意義，在一項涉及衛(wèi)星系統(tǒng)故障診斷和健康監(jiān)測（FD-HM）的開放式可執(zhí)行數(shù)字孿生方法研究中，數(shù)據(jù)的驅(qū)動算法可用于執(zhí)行故障診斷和維護決策。結(jié)果表明，采用數(shù)字孿生系統(tǒng)可大幅提升衛(wèi)星系統(tǒng)診斷結(jié)果的準確性，并可提升產(chǎn)品量化性能指標與決策性數(shù)據(jù)的準確度，不同于傳統(tǒng)意義上基于啟發(fā)式經(jīng)驗和最壞情況的傳統(tǒng)維護方法[10]，數(shù)字孿生技術(shù)使用高精度的主動虛擬模型，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的超高保真模擬，有助于衛(wèi)星上的電力系統(tǒng)進行動態(tài)任務規(guī)劃，并基于大數(shù)據(jù)創(chuàng)建最為合理的維護策略，可根據(jù)主觀單一或多個變量的條件變化快速輸出結(jié)果。據(jù)研究表明，數(shù)字孿生方法可應用于衛(wèi)星子系統(tǒng)，并可推廣至所有具有完善數(shù)據(jù)傳感與深度學習技術(shù)的其他衛(wèi)星系統(tǒng)中。衛(wèi)星的數(shù)字孿生應用概念場景如圖4 所示。

2.3 航空領(lǐng)域

近幾年來，飛機的數(shù)字孿生技術(shù)應用被認為是航空領(lǐng)域最重要、最受關(guān)注的發(fā)展方向之一。據(jù)悉，美國軍方所使用的數(shù)字化仿真軟件可以生成數(shù)字孿生技術(shù)所需數(shù)據(jù)，并在研發(fā)制造F-35 戰(zhàn)斗機過程中，采用了數(shù)字“克隆”技術(shù)，用來預測戰(zhàn)機關(guān)鍵核心部件的預期性能、壽命和故障率。目前美軍擁有的1.4 萬架軍用飛機，年度維護成本約為750 億美元。在過去十多年期間，美國國防部與衛(wèi)奇塔州立大學合作，開始數(shù)字孿生技術(shù)的研究，現(xiàn)已完成了黑鷹直升機與B-1轟炸機的拆卸數(shù)字虛擬映射工作，并在飛機研制過程使用了數(shù)字孿生技術(shù)，這不僅有助于戰(zhàn)機的早期故障檢測和性能提升，還可以顯著節(jié)省戰(zhàn)機的維護成本。數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬環(huán)境下的裝配應用，如圖5 所示。

此外，航空發(fā)動機的故障率對乘客及財產(chǎn)安全有著十分重要的影響，傳統(tǒng)飛機控制室也存在各類別的分析檢測功能。通過成功運用數(shù)字孿生技術(shù)，大幅提升了乘客安全方面可能出現(xiàn)危險的預測頻率，在降低成本的同時，還可為工程師提供遠程維護與大修的虛擬環(huán)境和條件。

3 數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展方向

數(shù)據(jù)是基于數(shù)字孿生技術(shù)應用的核心元素，它主要通過智能傳感器、執(zhí)行器、控制器等相關(guān)硬件從車間或真實產(chǎn)品中獲得，另一部分則從企業(yè)資源規(guī)劃、供應鏈管理、協(xié)同制造管理和客戶關(guān)系管理等制造鏈系統(tǒng)來獲取。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展方向同樣也是基于數(shù)據(jù)收集、篩選和運用等方面來進行，主要集中于以下幾個方面[11-12]：

1）不同數(shù)據(jù)來源之間的數(shù)據(jù)同步；

2）數(shù)據(jù)的高實時分析性，與云端傳輸?shù)牡脱舆t性；

3）數(shù)據(jù)的安全和隱私；

4）數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，減少數(shù)據(jù)丟包率；

5）數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湍芎模?/p>

6）不同智能對象之間的互連性與數(shù)據(jù)共融性。

預計5G、6G 等先進通信技術(shù)將滿足制造領(lǐng)域的許多要求。5G 可提供超高速、高可靠性、低能耗和高安全性的通信和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。此外，采用區(qū)塊鏈技術(shù)和微云作為補充工具，將進一步增強智能數(shù)據(jù)的互聯(lián)需求[13]。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)是對真實物理實體的虛擬映射與數(shù)字化信息的應用再造，在容錯能力較低的航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵系統(tǒng)中，數(shù)字孿生技術(shù)因其高效率、高可靠性、低成本等優(yōu)勢，在眾多新興技術(shù)中脫穎而出，并得到了廣泛應用。隨著數(shù)字化技術(shù)在航空航天制造行業(yè)的重要性日漸凸顯，預計近幾年數(shù)字孿生技術(shù)將成為新一代信息技術(shù)的主要發(fā)展方向，并成為技術(shù)性投資的主要目標。