面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生技術(shù)研究與工程應(yīng)用

許成偉 王晨 顏子豪

（中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

為應(yīng)對國際領(lǐng)先航空企業(yè)的數(shù)字化升級與新技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，我國民機(jī)研制領(lǐng)域正著力于發(fā)展“數(shù)”“智”化協(xié)同研制，促進(jìn)民機(jī)研制過程的數(shù)字化及智能化。為此，國內(nèi)的民機(jī)研制相關(guān)機(jī)構(gòu)開始探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制方面的綜合集成與應(yīng)用[1]。其中，數(shù)字孿生技術(shù)是民機(jī)“數(shù)”“智”化協(xié)同研制的核心技術(shù)之一，是民機(jī)在全生命周期、全業(yè)務(wù)鏈研制中從虛擬到實物之間高度關(guān)聯(lián)與融合的重要技術(shù)，是滿足民機(jī)研制技術(shù)升級下的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的內(nèi)在需求。

數(shù)字孿生是以比特方式精確表達(dá)產(chǎn)品物理實體的數(shù)字模型，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段模擬和預(yù)測物理實體在客觀環(huán)境中的行為，提高飛機(jī)及其系統(tǒng)的功能透明度和可行性，是連接虛實空間的數(shù)字紐帶[2-3]。民機(jī)數(shù)字孿生是基于高集成度的多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢[4-5]。隨著民機(jī)研制技術(shù)的變革與模式演進(jìn)，我國民機(jī)研制模式正向高度并行、多組織協(xié)同轉(zhuǎn)變。通過文獻(xiàn)調(diào)查分析，數(shù)字孿生技術(shù)幾乎能夠應(yīng)用到民機(jī)設(shè)計、分析、制造、預(yù)測、控制和運維等各方面[6]。

本文通過對民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制中的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與分析，建設(shè)能夠滿足當(dāng)前技術(shù)及未來業(yè)務(wù)發(fā)展需求的技術(shù)架構(gòu)及數(shù)字化支撐系統(tǒng)。最后利用已建設(shè)的“數(shù)”“智”能力與軟件體系，探索數(shù)字孿生在民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制中的工程實踐，以期能在民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制中形成更深入、更廣闊的工程應(yīng)用價值。

一、面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)研究

建設(shè)能滿足面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生支撐系統(tǒng)，首先需要結(jié)合民機(jī)自身研制流程及技術(shù)特點，對高置信度建模、模型拆分與并行計算、多源異構(gòu)模型集成、數(shù)據(jù)采集與傳感通信、數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)、虛實融合等多項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)[7]。數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是大量的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)采集與傳感通信、大數(shù)據(jù)分析與決策等技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供技術(shù)保障；高置信度建模、模型拆分與并行計算技術(shù)、多源異構(gòu)模型集成技術(shù)是多學(xué)科聯(lián)合仿真的建?；A(chǔ)，同時也是復(fù)雜大系統(tǒng)模型綜合集成與驗證的關(guān)鍵技術(shù)；基于虛實融合技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生虛實融合系統(tǒng)，是實現(xiàn)不同層級虛實切換和虛實映射的重要手段。對于整個數(shù)字孿生過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、模型、文檔、仿真模板等，將統(tǒng)一在數(shù)字孿生管理系統(tǒng)中進(jìn)行存儲與管理，為其它系統(tǒng)的應(yīng)用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。因此，這些關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字孿生在民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制中的基礎(chǔ)條件與重要手段，也是面向網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)底座，主要有以下內(nèi)容：

(一)高置信度建模

建立高置信度模型是當(dāng)前民機(jī)研制中建模與仿真的難點，因而在民機(jī)研制過程中需充分利用模型降階、數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型置信度評估與自動修正、不確定性與誤差建模等手段，通過建立復(fù)雜模型與簡化模型的可信聯(lián)系、非實時模型與實時模型的可靠性關(guān)聯(lián)和可信性驗證等，以提高建模能力[8]。一方面從建模技術(shù)本身出發(fā)，減少模型誤差，使模型可用、結(jié)果可信、誤差可控；另一方面從數(shù)字線索出發(fā)，建立模型間的可信聯(lián)系，使各類數(shù)字模型有依據(jù)、可追溯，如建立復(fù)雜模型與簡化模型、非實時模型與實時模型的可靠性關(guān)聯(lián)和可信性驗證等數(shù)字線索。

(二)模型拆分與并行計算

研究民機(jī)各級系統(tǒng)及整機(jī)復(fù)雜模型的解耦、降級、分割及并行運算等應(yīng)用技術(shù)，是復(fù)雜系統(tǒng)建模及系統(tǒng)綜合求解的關(guān)鍵手段[9]。一方面需要研究大模型可拆分的解耦機(jī)理，采用規(guī)范的分割應(yīng)用技術(shù)，降低階數(shù)、化整為零、加速運算;另一方面需要在執(zhí)行層面將拆分后的模型放在不同計算節(jié)點，對不同計算核心進(jìn)行并行處理，模型之間交互協(xié)同。同時，要實現(xiàn)模型拆分與并行計算，還需要建立對應(yīng)的軟硬平臺，以保障其技術(shù)落地。

(三)多源異構(gòu)模型集成

各專業(yè)機(jī)構(gòu)、參研單位往往采用不同建模工具對復(fù)雜民機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，導(dǎo)致各模型格式不統(tǒng)一。為了開展民機(jī)系統(tǒng)及其子級系統(tǒng)的集成驗證，需要解決各專業(yè)機(jī)構(gòu)異質(zhì)異構(gòu)模型管理、集成、仿真等問題[10]。因而需要研究跨專業(yè)各領(lǐng)域模型的交互問題，將不同工具軟件構(gòu)建的功能模型進(jìn)行封裝，形成格式、接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的仿真單元，并能夠進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時，需要對現(xiàn)有的模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，解決現(xiàn)有模型的參數(shù)耦合、接口連接以及求解效率等問題，使之符合聯(lián)合仿真規(guī)范的要求，并且滿足實時性仿真要求。

(四)數(shù)據(jù)采集與傳感通信

數(shù)據(jù)采集與傳感通信是虛擬與實物之間聯(lián)系的神經(jīng)系統(tǒng)，是數(shù)字孿生工程落地的關(guān)鍵技術(shù)。因而在數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)過程中：首先，需要通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來提高對研制對象、試驗設(shè)備、總線、傳感器以及其它研制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集效率[11]；其次，需要通過數(shù)據(jù)集中共享來提高研制協(xié)同效率，并通過數(shù)據(jù)清洗與質(zhì)量檢測來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)而提高研制質(zhì)量；最后，數(shù)據(jù)采集協(xié)議需要支撐現(xiàn)有研制設(shè)備的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)應(yīng)用場景能夠自動實時采集或者手動異步導(dǎo)入，解決數(shù)據(jù)采集延遲及數(shù)據(jù)完整性問題。

(五)數(shù)據(jù)分析與決策

數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)是基于人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）的方式，對試驗試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、數(shù)據(jù)使用和深度挖掘。一方面，通過將整個飛機(jī)研制過程中的設(shè)計數(shù)據(jù)文件、試驗試飛數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行有效管理和分析，實現(xiàn)從概念設(shè)計到交付運營全生命周期的數(shù)據(jù)管理，達(dá)到設(shè)計知識的積累與提升；另一方面，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建數(shù)據(jù)分析與預(yù)見模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速分析、監(jiān)控管理、異常數(shù)據(jù)報警等功能，指導(dǎo)設(shè)計人員排除故障，快速作出決策。

(六)虛實融合技術(shù)

虛實融合技術(shù)是將虛擬試驗與物理試驗相結(jié)合的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)，需要構(gòu)建適合民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制要求與標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一虛實架構(gòu)技術(shù)。虛實融合可以在不同階段將物理系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)反饋給數(shù)字孿生體，實現(xiàn)模型優(yōu)化迭代，并可在不同層級實現(xiàn)虛實切換。因而需要從實踐中總結(jié)、提煉經(jīng)驗，針對“實—實”“虛—虛”“實—虛”“虛—實”等不同應(yīng)用場景，采取統(tǒng)一架構(gòu)的設(shè)計思想，構(gòu)筑包含物理模型的試驗與測試系統(tǒng)。

二、面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計

（一）總體技術(shù)架構(gòu)

建設(shè)面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生平臺，將針對性、實用性和創(chuàng)新性相結(jié)合，注重人、機(jī)、物三元數(shù)據(jù)融合以及工業(yè)知識的固化和復(fù)用，以積木組合方式快速完成數(shù)字孿生模型構(gòu)建。面向民機(jī)設(shè)計仿真，構(gòu)建以“數(shù)據(jù)+模型”為特征的“離線”孿生；面向民機(jī)智能運維，構(gòu)建以“動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型”為特征的“在線”孿生；面向民機(jī)實時優(yōu)化與決策，構(gòu)建以“深度學(xué)習(xí)+知識圖譜+模型”為特征的“自主”孿生。

面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生平臺的總體技術(shù)架構(gòu)是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生技術(shù)，在已有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基礎(chǔ)上，采用“SAAS—PAAS—IAAS+邊緣側(cè)”的框架進(jìn)行構(gòu)建，主要包括：SAAS（Software as a Service，軟件運營服務(wù)）層，實現(xiàn)基于工業(yè)APP（Application，應(yīng)用程序）的數(shù)字孿生創(chuàng)新工程應(yīng)用；PAAS（Platform as a Service，平臺服務(wù)）數(shù)字孿生層，實現(xiàn)數(shù)字孿生全生命周期管理、多學(xué)科聯(lián)合仿真和數(shù)字孿生虛實融合；PAAS模型層，實現(xiàn)數(shù)字孿生各類機(jī)理模型與數(shù)據(jù)算法的構(gòu)建；PAAS數(shù)據(jù)層，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析與深度挖掘；PAAS資源層，實現(xiàn)平臺資源部署與管理；IAAS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)）層，為平臺提供服務(wù)器、存儲、虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施，最后通過邊緣層的數(shù)據(jù)采集與傳感系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸。平臺的總體技術(shù)架構(gòu)，見圖1。在總體技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合民機(jī)研制過程中的核心業(yè)務(wù)需求，需要重點構(gòu)建五大功能子系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)采集與傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與決策子系統(tǒng)、多學(xué)科聯(lián)合仿真子系統(tǒng)、虛實融合子系統(tǒng)和數(shù)字孿生管理子系統(tǒng)。

圖1 面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生平臺總體技術(shù)框架

（二）總體功能架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生平臺，企業(yè)能夠探索民機(jī)研制過程中數(shù)字孿生的應(yīng)用體系，解決民機(jī)數(shù)字孿生設(shè)計階段的建模、交付、集成、使用的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵流程問題，演繹和闡釋民機(jī)產(chǎn)業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵及應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在民機(jī)研制過程中的落地應(yīng)用。圍繞該目標(biāo)并結(jié)合民機(jī)自身研制流程，構(gòu)建面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生平臺需要重點建設(shè)以下五個功能子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與傳感子系統(tǒng)，保障數(shù)字孿生應(yīng)用過程中數(shù)據(jù)的收集效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，解決數(shù)據(jù)采集延遲及數(shù)據(jù)完整性問題；數(shù)據(jù)分析與決策子系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)解析、使用和深度挖掘的能力，指導(dǎo)設(shè)計人員快速作出優(yōu)化決策；數(shù)字孿生多學(xué)科聯(lián)合仿真子系統(tǒng)，簡化復(fù)雜系統(tǒng)綜合集成與驗證流程，加快設(shè)計優(yōu)化迭代過程；數(shù)字孿生虛實融合子系統(tǒng)，實現(xiàn)不同研制層級虛實切換，支撐數(shù)字模型和物理硬件的虛實混合測試與驗證；數(shù)字孿生管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)字孿生模型的全生命周期管理，支撐不同設(shè)計人員基于同一數(shù)據(jù)源開展設(shè)計和創(chuàng)新應(yīng)用。其中，數(shù)據(jù)采集與傳感系統(tǒng)作為整體基礎(chǔ)，采集的數(shù)據(jù)直接連接到數(shù)據(jù)庫，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)處理后，連入多學(xué)科聯(lián)合仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算，最后在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)虛實融合與創(chuàng)新應(yīng)用，數(shù)字孿生管理系統(tǒng)則貫穿數(shù)字孿生的全生命周期管理。平臺的總體功能架構(gòu)，見圖2。

圖2 面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生平臺總體功能架構(gòu)

三、面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生系統(tǒng)功能建設(shè)

（一）數(shù)據(jù)采集與傳感子系統(tǒng)

根據(jù)我國民機(jī)試驗現(xiàn)狀，本文以飛機(jī)臺架和試飛過程中的試驗數(shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)處理與傳輸為例，闡述數(shù)據(jù)采集與傳感子系統(tǒng)的功能，主要存在兩種數(shù)據(jù)采集傳輸方式：

一是當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器采集后傳輸至面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連（Peripheral Component Interconnection，PCI）和擴(kuò)展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）單元處理時，需在 PXI單元基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊，以向云端進(jìn)行數(shù)據(jù)實時傳輸。同時，在云端服務(wù)器處增加對應(yīng)的數(shù)據(jù)分發(fā)接收軟件，用于上云數(shù)據(jù)的分發(fā)管理。

二是當(dāng)采集數(shù)據(jù)后通過航空無線電通信公司（Aeronautical Radio Inc，ARINC）429總線傳輸時，需對系統(tǒng)控制單元及其配套控制軟件進(jìn)行升級，將總線信號數(shù)據(jù)寫入反射內(nèi)存網(wǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳輸被寫入總控計算機(jī)（稱計算機(jī)A）的反射內(nèi)存卡后，可增加一臺總線數(shù)據(jù)讀取及轉(zhuǎn)發(fā)計算機(jī)（稱計算機(jī)B）。通過ARINC交換機(jī)與計算機(jī)A相連接，并將計算機(jī)A的反射內(nèi)存卡中寫入的數(shù)據(jù)同步至計算機(jī)B的反射內(nèi)存卡中，最后數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機(jī)B傳輸至服務(wù)器端。兩種類型數(shù)據(jù)采集及傳輸方式，見圖3。

圖3 飛機(jī)臺架和試飛過程兩種類型數(shù)據(jù)采集及傳輸方式對比

（二）數(shù)據(jù)分析及決策子系統(tǒng)

通過數(shù)據(jù)分析及決策子系統(tǒng)能充分利用采集到的虛擬與實物數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析為研制過程中的迭代優(yōu)化、系統(tǒng)的集成驗證、產(chǎn)品性能與壽命預(yù)測及運行過程的故障診斷提供敏捷的決策支持[12]。在民機(jī)研制過程中，因不同數(shù)字孿生應(yīng)用場景所需的數(shù)據(jù)分析方法、機(jī)理模型和知識圖譜模型都不一樣，因此針對不同應(yīng)用場景需建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型及分析方法。根據(jù)民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制特征及需要，本文在構(gòu)建數(shù)字孿生體系時所采取的數(shù)據(jù)分析方法主要有傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法、深度學(xué)習(xí)算法和工業(yè)大數(shù)據(jù)知識發(fā)現(xiàn)算法等。

數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)可為民機(jī)研制階段提供非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)展示、監(jiān)控報警、快速檢索等一體化服務(wù)。同時，基于自主開發(fā)的數(shù)據(jù)分析算法，對采集的實時數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)試飛學(xué)習(xí)和試飛報告生成，輔助設(shè)計人員可快速做出決策。最后利用可視化界面，在三維渲染客戶端進(jìn)行動態(tài)展示和實時監(jiān)控。數(shù)據(jù)分析與決策子系統(tǒng)的整體架構(gòu)，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)分析與決策子系統(tǒng)架構(gòu)圖

（三）數(shù)字孿生多學(xué)科聯(lián)合仿真子系統(tǒng)

民機(jī)是機(jī)、電、液、控等多專業(yè)交叉的復(fù)雜功能系統(tǒng)，其研制涉及多家供應(yīng)商。對于大規(guī)模、多學(xué)科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的單一領(lǐng)域或?qū)W科仿真分析方法在計算效率、多系統(tǒng)集成、跨尺度聯(lián)合驗證等方面逐漸暴露出不足。尤其對民機(jī)系統(tǒng)模型，其內(nèi)部涉及不同學(xué)科，有模型規(guī)模大、多時間尺度、跨學(xué)科領(lǐng)域、跨仿真工具等技術(shù)特點，導(dǎo)致模型剛性大、求解效率低，要實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合仿真求解效率和異構(gòu)模型集成會存在一定難度。因此，需構(gòu)建一個模型同步求解且高效交互、分發(fā)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)樞紐，進(jìn)而實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)集成仿真。表1所示是基于分布式仿真框架基礎(chǔ)上，同時兼容四種不同類型模型的集成方式。

（四）數(shù)字孿生虛實融合子系統(tǒng)

數(shù)字孿生虛實融合子系統(tǒng)提供了虛實融合所需的功能，通過系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計工具進(jìn)行系統(tǒng)建模集成、硬件資源配置、虛實融合試驗配置[13]。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計模塊中，能夠?qū)?shù)字模型和硬件模型進(jìn)行一鍵式切換，不僅能夠支持?jǐn)?shù)字孿生體的構(gòu)建，也能支持?jǐn)?shù)字模型和硬件模型集成與協(xié)同仿真，支持從全虛擬仿真測試到半物理仿真測試的便捷切換。同時，虛實融合子系統(tǒng)支持圖形化用戶界面、仿真結(jié)果實時演示、參數(shù)在線可調(diào)加載、參數(shù)在線故障注入。支持自動化測試、實驗方案設(shè)計、實驗因子配置、實驗樣本管理、多引擎配置、自動測試報告生成、實驗調(diào)試、實驗管理和仿真回放等功能。在硬件資源調(diào)度上，底層支持多線程并行管理功能，提供多核管理及多任務(wù)調(diào)度管理功能，優(yōu)化仿真計算資源。子系統(tǒng)還具有很強(qiáng)的實時性檢測功能，可以方便檢查、確保實時性。

（五）數(shù)字孿生管理子系統(tǒng)

在數(shù)字孿生管理方面，采用系統(tǒng)工程雙“V”架構(gòu)模式，以邏輯連貫一致的多視角系統(tǒng)模型為橋梁和框架，實現(xiàn)跨領(lǐng)域數(shù)字孿生模型的可追蹤、可驗證和全生命周期內(nèi)的動態(tài)關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實現(xiàn)民機(jī)研制從概念方案、工程研制、使用維護(hù)到報廢更新的全壽命周期管理。

通過數(shù)字孿生管理系統(tǒng)將民機(jī)協(xié)同研制孿生應(yīng)用體系下的技術(shù)流程全部管理起來，實現(xiàn)對孿生模型開發(fā)、交付、使用、變更、演變等全生命周期的管理，以及對數(shù)字孿生規(guī)范方法、模型庫、工具鏈、知識經(jīng)驗等實施全面管理，支撐全壽命周期內(nèi)不同設(shè)計人員基于同一數(shù)據(jù)源開展設(shè)計和技術(shù)管理，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在業(yè)務(wù)流程中落地應(yīng)用。同時，數(shù)字孿生管理系統(tǒng)作為應(yīng)用時的統(tǒng)一入口，具備與多學(xué)科聯(lián)合仿真系統(tǒng)、虛實融合系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)等其它系統(tǒng)的無縫集成能力。數(shù)字孿生管理子系統(tǒng)功能架構(gòu)，見圖5。

圖5 數(shù)字孿生管理子系統(tǒng)功能架構(gòu)

四、面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生虛實融合創(chuàng)新應(yīng)用實踐

為探索數(shù)字孿生在民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制中的深度工程實踐，本文利用已建設(shè)的數(shù)字孿生平臺進(jìn)行了創(chuàng)新應(yīng)用[14-15]。一是構(gòu)建高置信度飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)理模型，通過虛實融合技術(shù)，進(jìn)行飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎場景仿真模擬，從而實現(xiàn)對前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)各項參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。二是基于某飛機(jī)起落架多學(xué)科聯(lián)合仿真結(jié)果和收放試驗數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)造起落架收放時間分析和預(yù)測模型，當(dāng)空速提升后判斷對起落架系統(tǒng)的影響，并確定系統(tǒng)在一定構(gòu)型下的收放能力和后續(xù)優(yōu)化設(shè)計余量[16]。

（一）基于虛實融合的前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)是飛機(jī)在地面滑行時用來控制飛機(jī)運動方向的功能系統(tǒng)，其主要由轉(zhuǎn)彎手輪、轉(zhuǎn)彎作動筒、腳蹬轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)等附件組成。本文為了實現(xiàn)對前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的虛實融合驗證，開展了三方面的工作。首先，構(gòu)建了高置信度的前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)機(jī)理模型。其中前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)中的控制模型用 Simulink軟件構(gòu)建，液壓作動系統(tǒng)模型用 AMEsim軟件構(gòu)建，轉(zhuǎn)彎運動機(jī)構(gòu)用Motion軟件構(gòu)建，并基于統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，將各子系統(tǒng)模型導(dǎo)出為FMU形式進(jìn)行綜合集成。其次，通過多學(xué)科聯(lián)合仿真接口進(jìn)行分布式求解，實現(xiàn)對前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)在不同工況下各項參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。最后，結(jié)合鐵鳥物理試驗和真實飛行任務(wù)構(gòu)建虛實融合的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)從“實—虛”的模型修正和從“虛—實”的設(shè)備反向控制。

在具體的虛實融合應(yīng)用中：鐵鳥液壓系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、剎車控制系統(tǒng)均按真實物理系統(tǒng)隨駕駛員指令和任務(wù)工作；飛機(jī)起落架模型在實時仿真機(jī)中運行，并實時接收鐵鳥操作指令及各物理系統(tǒng)的作動控制狀態(tài)，動態(tài)解算飛機(jī)起落架模型每個機(jī)輪的轉(zhuǎn)速和輪載狀態(tài)。在從“虛—實”的反向控制階段，主要是通過電機(jī)驅(qū)動機(jī)輪速度傳感器按模型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪載傳感器按模型狀態(tài)變化，來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)控制。

最終通過對轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的虛實融合應(yīng)用，使其無論處于模型狀態(tài)，還是虛實混合狀態(tài)，都可以正常接收輪載、輪速信號，進(jìn)入正確的轉(zhuǎn)彎工作模式，實現(xiàn)對飛機(jī)轉(zhuǎn)向糾偏的控制?；谔搶嵢诤系那拜嗈D(zhuǎn)彎系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)路線，見圖6。

圖6 基于虛實融合的前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)路線

（二）基于虛實融合的起落架收放時間預(yù)測與優(yōu)化設(shè)計

為了實現(xiàn)對某飛機(jī)起落架收放時間的分析與預(yù)測，提前暴露設(shè)計問題，并指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計決策優(yōu)化，開展了如下幾項工作。首先，本文基于多學(xué)科聯(lián)合仿真系統(tǒng)將不同軟件構(gòu)建的起落架液壓系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)模型、機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型，以統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合集成與計算，將多輪次的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理、匯總后，作為構(gòu)建預(yù)測模型的仿真樣本數(shù)據(jù)源。其次，通過數(shù)據(jù)采集與傳感系統(tǒng)對起落架的收放試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理后，作為構(gòu)建預(yù)測模型的試驗樣本數(shù)據(jù)源。最后，在數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)中，將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)迭代訓(xùn)練，最終獲得起落架收放時間分析和預(yù)測模型。設(shè)計人員利用該預(yù)測模型，可以判斷當(dāng)空速提升后起落架系統(tǒng)的收放能力以及對系統(tǒng)的影響，并根據(jù)預(yù)測和分析結(jié)果確定優(yōu)化設(shè)計余量，完成后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。飛機(jī)起落架收放時間預(yù)測及優(yōu)化技術(shù)路線，見圖7。

圖7 飛機(jī)起落架收放時間預(yù)測及優(yōu)化技術(shù)路線

五、結(jié)論

本文通過對面向民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，構(gòu)建能夠滿足當(dāng)前技術(shù)及未來業(yè)務(wù)發(fā)展需求的技術(shù)架構(gòu)及數(shù)字化支撐系統(tǒng)，以提高民機(jī)在線協(xié)同研制的效率，并進(jìn)行協(xié)同研制模式的創(chuàng)新。基于已建設(shè)的數(shù)字孿生平臺構(gòu)建高置信度飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)理模型，利用虛實融合技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎場景仿真模擬的創(chuàng)新應(yīng)用。同時，利用人工智能技術(shù)構(gòu)造算法模型進(jìn)行起落架收放時間預(yù)測及優(yōu)化的創(chuàng)新應(yīng)用。本文探索了數(shù)字孿生在民機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制中的工程實踐，可為基于流程驅(qū)動的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供技術(shù)保障。

通過技術(shù)研究及工程實踐可以看出，面向網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生技術(shù)以協(xié)同研制為主線，利用數(shù)字孿生可以提高民機(jī)協(xié)同研制的準(zhǔn)確性，驗證飛機(jī)在運行場景中的綜合性能，加快產(chǎn)品的迭代優(yōu)化效率,并通過數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計性能的超前預(yù)測，實現(xiàn)民機(jī)協(xié)同研制效率的提升。

本文以點帶面演繹和闡述了民機(jī)數(shù)字孿生的內(nèi)涵及工程應(yīng)用，以期明確數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點、脈絡(luò)及內(nèi)核，探索數(shù)字孿生在設(shè)計迭代、虛擬試驗、性能和壽命預(yù)測方面的工程應(yīng)用。通過對面向網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制的數(shù)字孿生技術(shù)研究與工程實踐探索，以期達(dá)到民機(jī)研制體系及產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈內(nèi)可推廣的效果，對民機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體規(guī)劃及重大工程實踐具有重要意義。