航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程初步研究與發(fā)展思考

黃維娜，黎方娟，祁宏斌

中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500

數(shù)字工程是基于模型的工程，是一種集成的數(shù)字化方法，通過建立系統(tǒng)的權(quán)威模型源和數(shù)據(jù)源，利用跨專業(yè)相互連接、跨組織無縫傳遞的模型和數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)全生命周期所有工程及管理活動(dòng)［1］。數(shù)字工程已經(jīng)成為推動(dòng)生產(chǎn)力變革的重要途徑，成為歷史發(fā)展的必然選擇。

作為現(xiàn)代工業(yè)的前沿和制高點(diǎn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜、涉及學(xué)科廣、研制周期長、研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高、利益相關(guān)方多，傳統(tǒng)研發(fā)模式難以滿足用戶對(duì)質(zhì)量、成本和周期的要求。借助數(shù)字工程可系統(tǒng)化提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)敏捷研發(fā)能力、產(chǎn)品交付質(zhì)量、技術(shù)人才支撐等，夯實(shí)自主研制基礎(chǔ)，提供用戶滿意的產(chǎn)品。

本文概述了國外數(shù)字工程的實(shí)施現(xiàn)狀，歸納了數(shù)字工程的發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的體系特征，形成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程總體方案和關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)數(shù)字工程的發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)性思考。

1 數(shù)字工程現(xiàn)狀與趨勢(shì)

西方國家正在持續(xù)加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過頂層戰(zhàn)略牽引，革新思維、工具、方法、流程，將數(shù)字工程逐步融入采辦全流程，加速裝備現(xiàn)代化，進(jìn)一步擴(kuò)大大國戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域也在大力推行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在國家政策的引導(dǎo)下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)以新機(jī)制、新理念、新技術(shù)為抓手，開始實(shí)施產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)換代，并取得了一定的成效，為數(shù)字工程轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)字工程正在逐步成為應(yīng)對(duì)不確定、抵御風(fēng)險(xiǎn)、降本提質(zhì)增效，重塑組織能力的重要途徑，是構(gòu)筑企業(yè)核心競爭力的新模式。

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 國外現(xiàn)狀

1）美國

美國數(shù)字工程由國防部抓總，海陸空三軍聯(lián)合工業(yè)界和學(xué)術(shù)界優(yōu)勢(shì)力量共同開展，如圖1 所示。2018—2020 年，美國先后發(fā)布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》［1］、《國防部數(shù)字現(xiàn)代化戰(zhàn)略》［2］和《數(shù)字系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)化戰(zhàn)略》［3］3 個(gè)綱領(lǐng)性文件，提出面向全生命周期采辦的綜合解決方案，全面指導(dǎo)數(shù)字工程活動(dòng)的開展；通過組織教育和培訓(xùn)，促進(jìn)文化范式的轉(zhuǎn)變，多維度保證了戰(zhàn)略的有效實(shí)施和順利推進(jìn)［4］。

圖1 美國數(shù)字工程實(shí)施方式Fig.1 US digital engineering practices

在技術(shù)儲(chǔ)備和基礎(chǔ)條件方面，美國實(shí)施了數(shù)字系統(tǒng)模型（Digital System Model，DSM）、工程強(qiáng)韌系統(tǒng)（Engineering Resilience System，ERS）和計(jì)算研究與工程采辦工具和環(huán)境（Computing Research and Engineering Procurement Tools and Environment，CREATE）等計(jì)劃，從關(guān)鍵技術(shù)、平臺(tái)、軟硬件等方面著手，極大地促進(jìn)了基于物理的仿真技術(shù)成熟度的提高，加強(qiáng)需求生成和備選方案分析流程，支撐數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

在實(shí)施思路方面，美國采用了先導(dǎo)驗(yàn)證，小步快跑，逐步推廣的策略。通過在下一代軍用運(yùn)輸機(jī)（C-X）、自適應(yīng)車輛制造計(jì)劃（AVM）等型號(hào)預(yù)研項(xiàng)目中引入數(shù)字孿生、數(shù)字線索（數(shù)字主線）等數(shù)字化技術(shù)并開展CREATE 和ERS 項(xiàng)目的推廣運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)與型號(hào)預(yù)研的相互促進(jìn)。其中，XA100 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施數(shù)字工程后，僅用5 年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了高空臺(tái)達(dá)標(biāo)［5-16］。

GE 公司將數(shù)字工程技術(shù)視為加速未來先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要推動(dòng)力，并專門開發(fā)了工業(yè)云平臺(tái)Predix（見圖2），該平臺(tái)集成了開源的應(yīng)用容器引擎Docker、分析引擎CEP 且具備Java、C/C++、Python 等多語言編程能力，目前正開展先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，用作公務(wù)機(jī)和通用飛機(jī)的動(dòng)力。

2）俄羅斯

俄羅斯的數(shù)字工程在《俄羅斯數(shù)字經(jīng)濟(jì)》《俄羅斯科技發(fā)展戰(zhàn)略》《國家技術(shù)創(chuàng)新》國家戰(zhàn)略規(guī)劃的指導(dǎo)下逐步展開，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)以“數(shù)字孿生”技術(shù)為主導(dǎo)，在融合其他創(chuàng)新技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的精準(zhǔn)和敏捷研發(fā)。

在關(guān)鍵技術(shù)方面，聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)公司（UEC）重點(diǎn)從需求管理、多學(xué)科優(yōu)化、構(gòu)型管理、數(shù)學(xué)模型的修正和校驗(yàn)、虛擬試驗(yàn)5 個(gè)方面開展了數(shù)字孿生技術(shù)的驗(yàn)證，并提出了集成驗(yàn)證的方案。目 前，PD-14、SaM146、TV7-117ST-01 等發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過程中均采用了數(shù)字孿生技術(shù)，UEC 計(jì)劃2024 年將該項(xiàng)技術(shù)全面引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域［18］。

在平臺(tái)和系統(tǒng)開發(fā)方面，俄羅斯自主開發(fā)了CML-Bench 數(shù)字孿生平臺(tái)（見圖3），可用于構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字孿生（Digital Twin）和智能數(shù)字孿生（Smart Digital Twin），開展數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模擬（數(shù)字試驗(yàn)）、計(jì)算工程活動(dòng)管理。目前，已成功應(yīng)用于TV7-117ST-01發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。

圖3 俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)公司開發(fā)的數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)Fig.3 Aircraft propulsion design using digital platform developed by United Aviation Manufacturing Group of Russia

在標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)方面，2021 年，俄羅斯發(fā)布了《航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生通用要求》標(biāo)準(zhǔn)，是世界上首個(gè)產(chǎn)品數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)，也是數(shù)字工程標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。圖4 為俄羅斯數(shù)字工程實(shí)施方式。

圖4 俄羅斯數(shù)字工程實(shí)施方式Fig.4 Russian digital engineering practices

3）歐洲

歐洲各國近年來也正在大力踐行制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過發(fā)布數(shù)字經(jīng)濟(jì)、國防數(shù)據(jù)等國家級(jí)戰(zhàn)略牽引工業(yè)界研制范式的變革，主要從融入創(chuàng)新技術(shù)、打造企業(yè)級(jí)集成數(shù)據(jù)環(huán)境、開發(fā)數(shù)字工程工具3 個(gè)方向發(fā)力，積極探索和應(yīng)用數(shù)字工程技術(shù)，以提升采辦和工程實(shí)踐效率。其中，最具代表的是羅羅公司。

羅羅公司在智能發(fā)動(dòng)機(jī)（Intelligent Engine）愿景的指引下，正在將數(shù)字工程應(yīng)用至航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制全生命周期。目前，已經(jīng)完成了超扇發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)低壓系統(tǒng)全部復(fù)合材料零部件數(shù)字孿生測試；建立了多家智能工廠，實(shí)現(xiàn)了工廠間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，促進(jìn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策；正在將微軟高效的物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算解決方案Azure 整合進(jìn)羅羅公司的TotalCare 維護(hù)服務(wù)中，支持基于數(shù)據(jù)的智能分析和預(yù)測。最終，基于豐富的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)及先進(jìn)的數(shù)字化研發(fā)能力，羅羅公司贏得了B-52 轟炸機(jī)換發(fā)計(jì)劃［19］，如圖5 所示。

圖5 歐洲數(shù)字工程實(shí)施方式Fig.5 European digital engineering practices

1.1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來，在國家的大力支持下，中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的信息化和數(shù)字化能力持續(xù)提升，初步形成了一套較為完整的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)流程，構(gòu)建了以技術(shù)流程為牽引、成套工具和方法為推手、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的產(chǎn)品研發(fā)體系（見圖6［20］）。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合重點(diǎn)項(xiàng)目的探索和試點(diǎn)，基于開發(fā)的數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)逐步構(gòu)建了面向研發(fā)過程的數(shù)字化業(yè)務(wù)模式，初步實(shí)現(xiàn)了基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心的協(xié)同研發(fā)和過程管控，為數(shù)字工程的實(shí)施提供了技術(shù)和實(shí)踐準(zhǔn)備，初步具備了實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程的基礎(chǔ)條件［21-29］。

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)體系建設(shè)的主要內(nèi)容［20］Fig.6 Main contents of AEOS（Aero-Engine Operation System）construction［20］

1）基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）

國內(nèi)航空航天領(lǐng)域大力開展研發(fā)體系建設(shè)，初步構(gòu)建了面向研發(fā)過程的數(shù)字化業(yè)務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)了集成產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)（IPT）組織模式、以需求為牽引的研制規(guī)劃、基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心的協(xié)同研發(fā)、實(shí)時(shí)監(jiān)控及質(zhì)量管理。初步構(gòu)建的研發(fā)體系及其在型號(hào)中的試點(diǎn)應(yīng)用為數(shù)字工程實(shí)施提供了技術(shù)和實(shí)踐準(zhǔn)備［30-32］。圖7 為商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)OS-MBSE 設(shè)計(jì)流程示例［30］。

圖7 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)OS-MBSE 設(shè)計(jì)流程［30］Fig.7 Commercial aero-engine OS-MBSE design process［30］

2）數(shù)字化研制能力

國內(nèi)已經(jīng)借助一些型號(hào)產(chǎn)品，利用基于模型定義的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了數(shù)字樣機(jī)用于性能分析、功能模擬、協(xié)同制造及人/機(jī)工程仿真［33-34］；在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中初步建立了從需求到驗(yàn)證的過程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（見圖8［35］）；開發(fā)了專業(yè)級(jí)集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)、工具軟件和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫；建立了以工藝設(shè)計(jì)管理、制造單元集成、企業(yè)資源管理等為標(biāo)志的數(shù)字化制造平臺(tái)，生產(chǎn)管理精細(xì)化和流程自動(dòng)化程度顯著提升［35］。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，正在開展新一代信息技術(shù)支撐下的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系構(gòu)建。中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)內(nèi)131 個(gè)車間正在推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型“最后1 km”，7 條數(shù)字化生產(chǎn)線和智能單元已建成并投入使用。

圖8 型號(hào)工程數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)方案［35］Fig.8 Structure scheme of product engineering data center［35］

3）數(shù)字化采辦能力

部分航空航天領(lǐng)域的研究院所對(duì)虛擬采辦的概念、技術(shù)方案和應(yīng)用方法等方面開展了一些研究，開展了裝備效能評(píng)估、成本進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)綜合分析及變維度仿真關(guān)鍵技術(shù)研究，初步構(gòu)建了虛擬采辦系統(tǒng)（見圖9［36］），以典型裝備研制需求為牽引，突破了虛擬樣機(jī)與虛擬采辦支撐平臺(tái)技術(shù)、多層次/多視圖/一體化建模技術(shù)、高效協(xié)同仿真及優(yōu)化技術(shù)、智能化分析評(píng)估技術(shù)、綜合管理決策技術(shù)，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬樣機(jī)與虛擬采辦支撐平臺(tái)/工具集，建立了虛擬采辦應(yīng)用示范系統(tǒng)［36-37］。

圖9 虛擬采辦平臺(tái)體系構(gòu)架［36］Fig.9 Virtual acquisition platform architecture［36］

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

1）技術(shù)創(chuàng)新與業(yè)務(wù)發(fā)展雙輪驅(qū)動(dòng)

在數(shù)字工程研究中，明確提出要融入包括數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字孿生、數(shù)字線索、大數(shù)據(jù)、人工智能等在內(nèi)的新技術(shù)，提升工程實(shí)踐能力［38-39］。隨著先進(jìn)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展及數(shù)字工程在產(chǎn)品全生命周期的驗(yàn)證突破，數(shù)字工程將與業(yè)務(wù)實(shí)踐深度融合，互相促進(jìn)，雙向提升。其中，數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字孿生、數(shù)字線索是實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程的關(guān)鍵，大數(shù)據(jù)、人工智能等創(chuàng)新技術(shù)是提升數(shù)字工程能力的助推器，將促進(jìn)業(yè)務(wù)工作向數(shù)字化、智能化、體系化發(fā)展。而業(yè)務(wù)工作是創(chuàng)新技術(shù)的試驗(yàn)田，通過在實(shí)踐工作中邊用邊驗(yàn)，持續(xù)改進(jìn)，不斷提升創(chuàng)新技術(shù)的成熟度和適用性，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和創(chuàng)新技術(shù)能力的共贏。

2）應(yīng)用范圍擴(kuò)大，實(shí)施主體下沉

數(shù)字工程在革新生產(chǎn)力方面的重要作用已經(jīng)成為裝備和工業(yè)界的共識(shí)。美國作為數(shù)字工程的最早提出者，數(shù)字工程研究和應(yīng)用最成熟，代表了數(shù)字工程的發(fā)展方向和趨勢(shì)。美國的數(shù)字工程采取了頂層牽引、分步實(shí)施的策略。從發(fā)展態(tài)勢(shì)來看，國防部發(fā)布戰(zhàn)略后，通過3 個(gè)先期試點(diǎn)項(xiàng)目驗(yàn)證了技術(shù)的可行性，再逐步轉(zhuǎn)向采辦項(xiàng)目中的部分階段、部分領(lǐng)域，并進(jìn)一步向全領(lǐng)域和向全生命周期擴(kuò)展。如圖10 所示［40］，目前已經(jīng)進(jìn)入制度化階段，實(shí)施主體也呈現(xiàn)由國家機(jī)關(guān)牽引和指導(dǎo)為主導(dǎo)向工業(yè)企業(yè)逐層下沉實(shí)施的趨勢(shì)。

圖10 美國數(shù)字工程成熟度提升路徑［40］Fig.10 US digital engineering maturity roadmap［40］

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程總體方案

為加速推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)模式向數(shù)字化敏捷研發(fā)的轉(zhuǎn)變，借鑒美國、英國和俄羅斯等國家的數(shù)字工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的行業(yè)特征和發(fā)展形勢(shì)，形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程的總體方案。

2.1 技術(shù)內(nèi)涵

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程是利用數(shù)字化技術(shù)，在高性能虛擬現(xiàn)實(shí)（數(shù)字空間）環(huán)境中完成發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、總裝和物理性能測試，并利用數(shù)字環(huán)境、數(shù)字處理、數(shù)字方法、數(shù)字工具和數(shù)字工件，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)劃、需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證、鑒定、使用、維護(hù)等發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期活動(dòng)的支持，進(jìn)一步基于大數(shù)據(jù)分析、認(rèn)知技術(shù)、先進(jìn)計(jì)算技術(shù)、信息物理融合技術(shù)創(chuàng)新提升發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化實(shí)踐，支撐所有利益相關(guān)方的實(shí)時(shí)交互、協(xié)同和量化決策。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程通過建立采辦方和承研承制單位協(xié)同，基于發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字模型的論證、研發(fā)、生產(chǎn)和保障體系，覆蓋產(chǎn)品方案分析、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)制造、使用保障4 個(gè)階段，支撐實(shí)現(xiàn)方案高精度敏捷迭代、最大限度采用虛擬迭代取代實(shí)物迭代、快速響應(yīng)需求供應(yīng)產(chǎn)品、基于故障監(jiān)控的視情維護(hù)，系統(tǒng)提升發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期論證、研發(fā)、生產(chǎn)和保障能力［41-42］，如圖11 所示［42］。

圖11 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程內(nèi)涵示意［42］Fig.11 Aero-engine digital engineering［42］

2.2 總體架構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程是基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)和數(shù)字模型支撐復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化研發(fā)的新方法，其與飛機(jī)平臺(tái)、使用環(huán)境等多個(gè)利益相關(guān)方都存在高度的關(guān)聯(lián)與交互關(guān)系，是高度復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。圖12 為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程總體架構(gòu)示意［39］，如圖12 所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程由業(yè)務(wù)場景層、模型數(shù)據(jù)層、平臺(tái)工具層、可信環(huán)境層以及基礎(chǔ)支撐層構(gòu)成［39，43］。

圖12 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程總體架構(gòu)示意［39］Fig.12 Schematic diagram of overall architecture of aero-engine digital engineering［39］

業(yè)務(wù)場景層面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期使用場景數(shù)字化建設(shè)，承接飛機(jī)數(shù)字工程對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程的要求，從全生命周期一體化數(shù)字采辦需求出發(fā)，定義航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制業(yè)務(wù)模式和業(yè)務(wù)場景的變革，以基于模型和數(shù)據(jù)的數(shù)字線索（數(shù)字主線）為核心，在時(shí)間維度上實(shí)現(xiàn)需求到交付使用的端到端貫通，在空間維度上實(shí)現(xiàn)物理和虛擬世界的貫通，從而牽引模型數(shù)據(jù)、平臺(tái)工具、可信環(huán)境以及基礎(chǔ)支撐的定義。

模型數(shù)據(jù)層是航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期業(yè)務(wù)活動(dòng)開展的核心載體，包括連續(xù)一致的模型體系和權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)。圖13 為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程模型體系框架，如圖13 所示，數(shù)字工程模型的構(gòu)建需綜合考慮多個(gè)維度，覆蓋論證、研制以及使用保障等生命周期階段，覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)本體、研制和使用環(huán)境以及管理等業(yè)務(wù)對(duì)象，覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)、部件/子系統(tǒng)級(jí)以及組件/成附件級(jí)等產(chǎn)品層次。

圖13 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程模型體系框架Fig.13 Framework of aero-engine digital engineering

平臺(tái)工具層、可信環(huán)境層和基礎(chǔ)支撐層為航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期業(yè)務(wù)活動(dòng)開展提供必要基礎(chǔ)條件和保障。平臺(tái)工具層包括集成平臺(tái)系統(tǒng)和經(jīng)過充分驗(yàn)證采信的各種工具軟件，包括以模型和數(shù)據(jù)平臺(tái)為典型代表的集成平臺(tái)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)中心），支撐全生命周期所有技術(shù)和管理活動(dòng)的各種工具軟件（仿真分析類軟件、設(shè)計(jì)建模軟件、數(shù)據(jù)采集分析類軟件、工程管理類軟件等）；可信環(huán)境層為航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期業(yè)務(wù)活動(dòng)開展提供安全可靠的硬件基礎(chǔ)條件，包括信息安全、計(jì)算存儲(chǔ)、通信網(wǎng)絡(luò)等；基礎(chǔ)支撐層則為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程提供必要的保障，包括制度機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、文化范式、人才梯隊(duì)等基礎(chǔ)條件。

2.3 應(yīng)用需求

1) 虛擬論證，方案選擇更客觀

當(dāng)前，由用戶對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行立項(xiàng)論證，主要是飛機(jī)方向發(fā)動(dòng)機(jī)方下達(dá)需求和指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)方會(huì)開展方案論證，通過串行、線性的迭代來驗(yàn)證需求的滿足性，但這種方式協(xié)調(diào)效率低、論證周期長。此外，主要的關(guān)注點(diǎn)在于飛機(jī)和性能方面，但對(duì)全使用場景的需求關(guān)注不夠，存在缺項(xiàng)現(xiàn)象，也無法量化評(píng)估經(jīng)濟(jì)性、周期、風(fēng)險(xiǎn)等關(guān)鍵論證要素。決策主要依賴基于文檔的會(huì)議評(píng)審，以人的經(jīng)驗(yàn)判斷為主，決策效率和科學(xué)性都不高。

數(shù)字工程的應(yīng)用，將基于飛機(jī)和使用場景模型捕獲和分析需求，開展面向需求的飛發(fā)聯(lián)合系統(tǒng)級(jí)仿真，基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用系統(tǒng)架構(gòu)模型（集成現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)海量設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)維數(shù)據(jù)的大模型）和經(jīng)過驗(yàn)證的部件/子系統(tǒng)級(jí)功能模型，虛擬迭代生成海量的發(fā)動(dòng)機(jī)概念方案；針對(duì)備選技術(shù)方案，開展針對(duì)性能、經(jīng)濟(jì)性、周期、風(fēng)險(xiǎn)等關(guān)鍵論證要素的綜合仿真和權(quán)衡分析，依據(jù)量化評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行智能輔助決策，確定發(fā)動(dòng)機(jī)需求、初步方案和項(xiàng)目規(guī)劃［44］。

2) 數(shù)字研發(fā)，產(chǎn)品研制更敏捷

當(dāng)前，雖然在研發(fā)階段比較廣泛應(yīng)用CAD、CAE 等數(shù)字化設(shè)計(jì)分析手段，但覆蓋的范圍、種類、層次有限，無法完全滿足研制階段全域協(xié)同和敏捷高效的需求；在制造和試驗(yàn)環(huán)節(jié)，仍然依賴大量的實(shí)物和物理試驗(yàn)驗(yàn)證，且在制造和試驗(yàn)實(shí)施前缺乏數(shù)字化手段對(duì)制造和試驗(yàn)過程進(jìn)行提前模擬以降低風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)-試制-試驗(yàn)的迭代周期長。數(shù)字工程的應(yīng)用將通過多專業(yè)、多領(lǐng)域和多層次的仿真活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間的虛擬迭代，盡可能替代或減少物理試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)敏捷研發(fā)；通過知識(shí)驅(qū)動(dòng)的工藝、制造仿真，在實(shí)物投產(chǎn)前充分暴露制造問題，優(yōu)化產(chǎn)線布局和排產(chǎn)計(jì)劃，降低生產(chǎn)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率；在全周期貫通的連續(xù)模型體系和權(quán)威數(shù)據(jù)源的支持下，利用實(shí)裝試驗(yàn)和使用數(shù)據(jù)對(duì)模型和仿真進(jìn)行更充分的驗(yàn)證，進(jìn)一步提升置信度，支撐數(shù)字化鑒定。

3) 主動(dòng)保障，使用效能上臺(tái)階

當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)交付時(shí)技術(shù)資料、圖樣等通常為紙質(zhì)或電子媒介，這種傳統(tǒng)方式存在保障、轉(zhuǎn)移交接困難、缺乏有效監(jiān)管等缺陷。此外，技術(shù)資料、圖樣等與實(shí)物的關(guān)聯(lián)性弱，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的跟蹤；在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用過程中，按照固定周期開展發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)保障，無法精準(zhǔn)預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)的故障和壽命，從而影響飛機(jī)的使用。

數(shù)字工程的實(shí)施將同步交付實(shí)物和與實(shí)物完全匹配的數(shù)字模型，在數(shù)字孿生的支撐下實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射，實(shí)時(shí)感知和監(jiān)測實(shí)物狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的定期維保轉(zhuǎn)變?yōu)榛趯?shí)時(shí)預(yù)測的視情維保，降低維保和運(yùn)營費(fèi)用，提升發(fā)動(dòng)機(jī)使用效率；實(shí)裝使用數(shù)據(jù)可以通過數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)的映射關(guān)系返回到設(shè)計(jì)模型上，驗(yàn)證提升模型的保真度和置信度。

4) 量化管理，階段管控更有力

當(dāng)前，對(duì)采辦過程的管控主要依賴于在決策點(diǎn)所觸發(fā)的評(píng)審，此評(píng)審以會(huì)議和紙質(zhì)文檔的形式進(jìn)行匯報(bào)。然而，這種方式存在準(zhǔn)備時(shí)間長、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差的問題。此外，評(píng)審結(jié)論嚴(yán)重依賴人為的主觀經(jīng)驗(yàn)，由于個(gè)體理解的差異性，很難保證判定結(jié)果的合理性和一致性。再者，由于缺乏成本、進(jìn)度、風(fēng)險(xiǎn)等方面的支撐數(shù)據(jù)，往往無法對(duì)經(jīng)濟(jì)可承受性、進(jìn)度、風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行量化分析以支撐項(xiàng)目管理的有效決策。

未來，將在采辦項(xiàng)目實(shí)施過程中，基于實(shí)時(shí)獲取的各業(yè)務(wù)域數(shù)據(jù)，對(duì)性能、費(fèi)用、進(jìn)度等采辦關(guān)鍵要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)測，通過基于不確定性的綜合仿真分析對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估和預(yù)警，從而采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的管控措施，確保按照原定計(jì)劃開展采辦項(xiàng)目；在采辦決策點(diǎn)，基于包含所有審查要求和判定準(zhǔn)則的審查模型，以及與之相關(guān)聯(lián)的需求模型、工作分解結(jié)構(gòu)模型、驗(yàn)證模型、費(fèi)用模型、進(jìn)度模型等各業(yè)務(wù)域模型，在權(quán)威數(shù)據(jù)源的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)時(shí)更新審查模型，可以快速地生成評(píng)審交付物，并以可視化的方式自動(dòng)呈現(xiàn)不符合的情況和偏離程度，提示風(fēng)險(xiǎn)，給出初步的判定結(jié)論和建議，以輔助支持采辦決策。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程關(guān)鍵技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程總體方案為數(shù)字工程的實(shí)施提供了總體架構(gòu)及其在論證、研發(fā)、保障、采辦階段的應(yīng)用場景，為開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究提供了目標(biāo)導(dǎo)向。在目標(biāo)的指引下，數(shù)字工程將以信息安全為屏障，通過全域模型的集成、全周期數(shù)據(jù)鏈條的貫通、全過程動(dòng)態(tài)演進(jìn)數(shù)字孿生的應(yīng)用高效支撐數(shù)字化采辦。

3.1 數(shù)字化采辦

數(shù)字化采辦是基于模型的系統(tǒng)工程在產(chǎn)品綜合論證及項(xiàng)目實(shí)施中風(fēng)險(xiǎn)管控的先進(jìn)方法和具體技術(shù)辦法，要求在真實(shí)采辦過程對(duì)采辦費(fèi)用和進(jìn)度等進(jìn)行快速準(zhǔn)確地跟蹤、預(yù)測和預(yù)警并給出應(yīng)對(duì)調(diào)整策略以支撐作出科學(xué)的采辦決策。建立較高置信度的采辦進(jìn)度、費(fèi)用等數(shù)字模型或仿真方法，是數(shù)字化采辦的關(guān)鍵。

針對(duì)該問題，構(gòu)建采辦方和承研承制方充分協(xié)同、項(xiàng)目管理和采辦管理相互支撐的多領(lǐng)域開放式數(shù)字化采辦業(yè)務(wù)架構(gòu)，如圖14 所示。在業(yè)務(wù)架構(gòu)的牽引下，構(gòu)建費(fèi)用模型、進(jìn)度模型以及概率事件模型等通用業(yè)務(wù)模型。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)采辦過程中，以實(shí)時(shí)獲取的各業(yè)務(wù)域數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，開展費(fèi)用和進(jìn)度仿真，對(duì)周期和費(fèi)用等進(jìn)行跟蹤、預(yù)測和預(yù)警，評(píng)估采辦費(fèi)用和進(jìn)度偏離計(jì)劃的程度，給出調(diào)整方案、增加驗(yàn)證活動(dòng)等擬采取的應(yīng)對(duì)措施；同步更新受到影響的需求模型、驗(yàn)證模型、工作分解結(jié)構(gòu)模型等，開展基于不確定性的采辦費(fèi)用和進(jìn)度聯(lián)合概率分布仿真和分析，評(píng)估擬采取的應(yīng)對(duì)措施的有效性和合理性，給出新的采辦方案建議，輔助采辦過程中的迅速?zèng)Q策［45-46］。

圖14 數(shù)字化采辦流程示意Fig.14 Digital acquisition process

為支撐以數(shù)字模型為中心的采辦模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)超越快速變化的威脅和技術(shù)進(jìn)步，更快向用戶交付先進(jìn)能力，需發(fā)展各領(lǐng)域模型庫構(gòu)建技術(shù)、技術(shù)棧創(chuàng)建與共享技術(shù)、面向邊緣可下載的容器化開發(fā)架構(gòu)技術(shù)、數(shù)字裝備模型構(gòu)建技術(shù)。

3.2 數(shù)字系統(tǒng)模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)領(lǐng)域和專業(yè)模型之間接口定義難度大，模型和數(shù)據(jù)交互難以連貫集成，無法支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品基于模型數(shù)據(jù)的快速、連續(xù)的仿真和綜合性能評(píng)估。同時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在模型間反復(fù)迭代、數(shù)據(jù)量大、狀態(tài)多，異構(gòu)模型的高效集成是數(shù)據(jù)快速傳遞和基于模型仿真實(shí)時(shí)響應(yīng)的基礎(chǔ)條件，也是支撐產(chǎn)品研發(fā)信息傳遞一致性、完整性、有效性的重要保障［47］。

針對(duì)以上問題，建立全周期多源異構(gòu)模型，如圖15 所示。首先，建立數(shù)據(jù)模型關(guān)聯(lián)演繹的模型框架，根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期時(shí)間維度的各開發(fā)階段，梳理主要數(shù)字模型的種類和關(guān)聯(lián)演化關(guān)系；其次，在此基礎(chǔ)上，參考目前國際主流建模仿真標(biāo)準(zhǔn)接口的定義，制定模型關(guān)聯(lián)交互的接口標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)字模型或針對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行接口擴(kuò)展，從而將各階段、各領(lǐng)域、不同學(xué)科離散化的模型進(jìn)行局部集成；再次，在局部模型集成基礎(chǔ)上，面向論證、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)、應(yīng)用和保障等階段場景演化需求，開展多場景、多視圖下數(shù)字模型群的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建；最后，基于數(shù)字化場景應(yīng)用能力的業(yè)務(wù)模式需求，形成數(shù)據(jù)、模型的有機(jī)關(guān)聯(lián)，建成高效、連續(xù)、定制化的集成模型體系［48-49］。

圖15 全周期多源異構(gòu)模型關(guān)聯(lián)示意Fig.15 Schematic diagram of full cycle multi-source heterogeneous models

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制活動(dòng)全域模型的貫通，實(shí)現(xiàn)權(quán)威數(shù)據(jù)、信息、算法和系統(tǒng)工程流程的集成，需推進(jìn)數(shù)據(jù)模型關(guān)聯(lián)框架構(gòu)建、交互接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、多元異構(gòu)模型集成、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策支持等技術(shù)的發(fā)展。

3.3 數(shù)字線索（主線）

數(shù)字線索（主線）的本質(zhì)是產(chǎn)品全生命周期內(nèi)全業(yè)務(wù)域數(shù)字模型間關(guān)聯(lián)演繹的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)按網(wǎng)絡(luò)鏈條上的模型和數(shù)據(jù)的傳遞和溯源，結(jié)合高質(zhì)量的模型和數(shù)據(jù)管理機(jī)制，建立反映真實(shí)信息的權(quán)威真相源。現(xiàn)階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期研制活動(dòng)的數(shù)據(jù)仍未實(shí)現(xiàn)貫通，在部分業(yè)務(wù)域之間存在間斷。而如何構(gòu)建數(shù)字線索，關(guān)鍵基礎(chǔ)還是集成高質(zhì)量的研制過程數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過構(gòu)建數(shù)字化場景對(duì)研制業(yè)務(wù)流程及關(guān)聯(lián)模型的邏輯關(guān)系進(jìn)行深入研究。

針對(duì)該問題，從涵蓋航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期和利益相關(guān)方對(duì)數(shù)據(jù)的需求出發(fā)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程頂層數(shù)據(jù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖16 所示。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)各研制階段、各業(yè)務(wù)場景采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)，通過數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并匯聚到數(shù)據(jù)中心形成單一數(shù)據(jù)源，通過連續(xù)一致的關(guān)聯(lián)化模型體系提取相關(guān)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)相關(guān)活動(dòng)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成信息，向不同相關(guān)方表達(dá)，滿足不同相關(guān)方需求［50-54］。

圖16 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字線索示意Fig.16 Schematic diagram of aero-engine digital thread

為促進(jìn)各類技術(shù)數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)工程的無縫交互和集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目成本、進(jìn)度、性能和風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)評(píng)估，需發(fā)展多應(yīng)用表達(dá)技術(shù)、多視圖轉(zhuǎn)化技術(shù)、數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)感知技術(shù)等。

3.4 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用感知、計(jì)算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對(duì)物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測、決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的交互映射。結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制業(yè)務(wù)的實(shí)際需要，在工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)不同保真度的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體，滿足設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝制造仿真、虛擬試驗(yàn)和使用維保多方面的應(yīng)用需求。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用維保數(shù)字孿生體構(gòu)建為例，數(shù)字孿生體構(gòu)建主要分為通用模型、交付模型和孿生模型的構(gòu)建，如圖17 所示。①通用模型構(gòu)建：以多臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、交付試車以及使用運(yùn)行等歷史數(shù)據(jù)作為輸入，生成海量的發(fā)動(dòng)機(jī)特性數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)特征和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，訓(xùn)練形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生通用模型。②交付模型構(gòu)建：針對(duì)每臺(tái)出廠的發(fā)動(dòng)機(jī)，將關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的制造數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等特征參數(shù)同模型建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，生成航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生交付模型。數(shù)字孿生交付模型的功能不僅僅是在數(shù)字空間精確反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，更要預(yù)測航空發(fā)動(dòng)機(jī)未來性能，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)飛行50 個(gè)架次，通過數(shù)字孿生交付模型可以較為精確地預(yù)測其第80 個(gè)架次的性能。預(yù)測未來是數(shù)字孿生交付模型的最大亮點(diǎn)。③孿生模型構(gòu)建：在實(shí)際使用過程中，通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)（溫度、壓力、應(yīng)力、變形、振動(dòng)等內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)等）和外部環(huán)境數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度、濕度、壓力、大氣成分等），基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、基于模型驅(qū)動(dòng)（基于模型的系統(tǒng)工程）或基于架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的方式不斷修正數(shù)字孿生模型，支撐實(shí)虛映射，高保真地描述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障精準(zhǔn)預(yù)測、可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估，達(dá)到基于模型與數(shù)據(jù)或機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測性視情維修的目標(biāo)［55-64］。

圖17 面向運(yùn)維的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生示意Fig.17 Digital twin of aero-engine operation and maintenance

為支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)物理空間、信息空間及服務(wù)系統(tǒng)的信息交互與數(shù)據(jù)融合，需發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)規(guī)范、模型驗(yàn)證與確認(rèn)的不確定性量化（Verification，Validation，and Uncertainty Quantification（modeling），VVUQ）模型庫構(gòu)建技術(shù)、輕量化建模技術(shù)、虛實(shí)融合技術(shù)等。

3.5 信息安全

基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析、決策，以及在不同的利益相關(guān)方交互傳遞數(shù)據(jù)是數(shù)字工程的基本特征。對(duì)于工業(yè)部門，研發(fā)、試驗(yàn)和管理數(shù)據(jù)需要貫通內(nèi)部網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等不同層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全策略、信息安全技術(shù)不能充分支撐數(shù)據(jù)在上述多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)間的安全、高效和連續(xù)貫通［65］。

針對(duì)以上問題，建立安全、統(tǒng)一的數(shù)字信息環(huán)境，如圖18 所示。首先，建立多利益相關(guān)方數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)安全策略，從數(shù)據(jù)的完整性、可用性、訪問控制和身份驗(yàn)證等方面構(gòu)建跨多利益相關(guān)方的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)策略；其次，更新現(xiàn)有安全保護(hù)機(jī)制，在安全保護(hù)要素、流程等方面充分考慮基于云架構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)未來數(shù)字化業(yè)務(wù)場景，探索建立適應(yīng)跨云協(xié)作的安全保護(hù)機(jī)制；再次，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)新型信息安全技術(shù)，從數(shù)據(jù)加密技術(shù)、防火墻等技術(shù)入手，開發(fā)相應(yīng)的工具軟件，部署于數(shù)字工程試點(diǎn)的工業(yè)部門［66］；最后，研究探索基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制網(wǎng)絡(luò)傳輸現(xiàn)狀的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)，以安全大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所處的環(huán)境、動(dòng)態(tài)和整體使用情況，實(shí)現(xiàn)全面系統(tǒng)對(duì)可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、分析和處理，從而有效提高模型和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用過程中的安全保障。

圖18 航空發(fā)動(dòng)機(jī)信息安全架構(gòu)示意Fig.18 Aero-engine information security architecture

為確保數(shù)據(jù)在采集、傳遞、計(jì)算和儲(chǔ)存過程的安全有效，支撐權(quán)威真相源數(shù)據(jù)在數(shù)字線索中安全流轉(zhuǎn)，需要重點(diǎn)攻關(guān)多級(jí)別身份驗(yàn)證技術(shù)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的異常檢測技術(shù)和面向高安全性的云基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)技術(shù)等。

4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程發(fā)展思考

數(shù)字工程已成為工業(yè)界實(shí)現(xiàn)敏捷研發(fā)、快速迭代和“生產(chǎn)力”模式轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。這種模式的轉(zhuǎn)變將為我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制帶來全新的發(fā)展機(jī)遇，因此需盡快開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程的先導(dǎo)試點(diǎn)應(yīng)用和建設(shè)工作，采取小步快走、邊建邊用的方式，逐步完成全行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。并通過統(tǒng)籌算力和加強(qiáng)仿真采信，建立以數(shù)字模型為中心的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程生態(tài)。

4.1 試點(diǎn)先導(dǎo)，逐步推行

數(shù)字工程建設(shè)不是一蹴而就的，選取具有一定數(shù)字化基礎(chǔ)的項(xiàng)目作為先導(dǎo)，開展全生命周期數(shù)字化業(yè)務(wù)場景和標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目應(yīng)用需求牽引和技術(shù)的推動(dòng)下，從解決問題和產(chǎn)生實(shí)效出發(fā)，開展數(shù)字工程的試點(diǎn)應(yīng)用與建設(shè)。通過小步快跑的方式，快速形成示范效應(yīng)，拉動(dòng)全業(yè)務(wù)域各相關(guān)方參與推動(dòng)數(shù)字工程變革。經(jīng)過逐步驗(yàn)證后，沉淀形成最佳實(shí)踐和通用標(biāo)準(zhǔn)，并持續(xù)應(yīng)用完善，最終建成數(shù)字工程標(biāo)準(zhǔn)體系，開展全面的推廣應(yīng)用。

4.2 構(gòu)建數(shù)字化生態(tài)

推進(jìn)數(shù)字工程政策、標(biāo)準(zhǔn)和指南發(fā)布，構(gòu)建適用于數(shù)字工程的知識(shí)庫，支撐數(shù)字文化與人才隊(duì)伍建設(shè)，建立數(shù)據(jù)思維，逐步完成從人為決策向以模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)認(rèn)識(shí)、洞察和決策的新型文化范式轉(zhuǎn)變。集智聚優(yōu)，提前布局，廣泛吸納數(shù)字化創(chuàng)新力量，逐步打造以軟硬件環(huán)境為核心的數(shù)字化生態(tài)。以國家工業(yè)體系數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃為支撐，打通研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)，突破數(shù)據(jù)安全技術(shù)，構(gòu)建行業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持與各利益相關(guān)方的數(shù)據(jù)交互、溝通協(xié)同和量化決策，最終全面建成航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字生態(tài)［67］。

4.3 統(tǒng)籌算力支撐

1998—2020 年，美國僅在國防部高性能計(jì)算現(xiàn)代化項(xiàng)目（High Performance Computing Modernization Program，HPCMP）中累計(jì)采購算力達(dá)到約230.36 千萬億次［68］，而中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的高性能算力與國外相差多個(gè)數(shù)量級(jí)。未來，復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)模式向深度數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，對(duì)算力的需求將呈幾何級(jí)數(shù)增長，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)單個(gè)組織和整體的算力不足以有效支撐模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研制范式轉(zhuǎn)變。面對(duì)這一難題，一方面提升單個(gè)科研院所的自有算力；另一方面，綜合應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、人工智能調(diào)度等技術(shù)，整合不同部門和可信社會(huì)組織之間跨地域、跨集群的高性能計(jì)算資源，系統(tǒng)提升以算力為代表的數(shù)字基礎(chǔ)能力。

4.4 加強(qiáng)仿真采信

模型和數(shù)據(jù)是數(shù)字工程的核心，仿真是基于數(shù)據(jù)對(duì)模型的實(shí)例應(yīng)用，仿真模型/軟件的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的可信度［69-70］。對(duì)仿真模型/軟件的應(yīng)用建立健全、系統(tǒng)的測試和采信機(jī)制，提升仿真結(jié)果的置信度和可靠性，是仿真驗(yàn)證最大程度代替物理驗(yàn)證的充分條件。為了建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型/軟件的采信機(jī)制，可以采取以下措施：首先，構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型庫和算例庫，并利用產(chǎn)品物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型/軟件進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而優(yōu)化與更新仿真模型/軟件。在此過程中，需要關(guān)注仿真模型/軟件的魯棒性、精確性、效率、可用性和一致性等要求，并建立相應(yīng)的仿真模型/軟件測試和質(zhì)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。其次，還需要從模型、數(shù)據(jù)、仿真系統(tǒng)等多個(gè)層面系統(tǒng)性地開展全生命周期仿真采信研究，并采用產(chǎn)學(xué)研用的模式構(gòu)建基于人工智能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真采信機(jī)制。

5 結(jié)論與展望

本文闡述了數(shù)字工程的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，結(jié)合國外數(shù)字工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程建設(shè)總體方案及其關(guān)鍵技術(shù)，給出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程的實(shí)施思路及在數(shù)字化生態(tài)建設(shè)、算力建設(shè)、仿真建設(shè)上的發(fā)展建議。

為適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化研制新模式的變革，需加快推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程建設(shè)與應(yīng)用。依托項(xiàng)目試點(diǎn)先導(dǎo)，快速形成示范效應(yīng)，拉動(dòng)全業(yè)務(wù)域各相關(guān)方參與推動(dòng)數(shù)字工程變革，推動(dòng)以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)變，建立以數(shù)字模型為中心的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程生態(tài)，牽引以高性能計(jì)算為代表的數(shù)字新基建發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)代下航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)能力的重構(gòu)和研發(fā)模式的變革，打造航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主發(fā)展的中國模式、中國速度和中國品牌。