摘要:數(shù)字孿生一詞起源于美國國防部對飛行器機體數(shù)字孿生的研究，目前已經(jīng)成為全球制造業(yè)的前沿?zé)狳c領(lǐng)域。解析了數(shù)字孿生的概念及其中的結(jié)構(gòu)健康管理元素，提出了包含生命周期維、仿真精度維、智能程度維的數(shù)字孿生成熟度模型;梳理了面向結(jié)構(gòu)健康管理的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)，特別是4項關(guān)鍵的數(shù)字工程技術(shù)能力，包括多尺度建模、多物理特性建模、模型與實驗的集成和概率性/不確定性分析;分析了數(shù)字孿生支撐的結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測的功能流程，總結(jié)了美國空軍研究實驗室和國家航空航天局支持的研究，探索了基于數(shù)字孿生的生命周期管理范式。隨著更高價值飛行器的不斷研發(fā)和使用，以及實驗的深入、機理的突破、數(shù)據(jù)的積累和算力的提升，集成了數(shù)字孿生功能的自知曉飛行器將會成為一個趨勢。

　　關(guān)鍵詞:物理特性模型;概率性分析;壽命預(yù)測;機器學(xué)習(xí);高超聲速

　　當(dāng)前，各國軍方和民航企業(yè)對于價格昂貴的飛行器的維修保障方式，絕大部分仍然是定期檢修———在作戰(zhàn)飛機或客機完成一定時間的飛行小時或在一個固定的周期性間隔之后進(jìn)行，這與汽車保養(yǎng)并無不同。然而，這樣的方式一方面可能造成過度檢修，讓飛行器的維修保障成本居高不下;另一方面可能造成失效隱患，導(dǎo)致更嚴(yán)重的機毀人亡事故。

　　航空方向論文范例：國際航空運輸中新侵權(quán)行為法律適用原則

　　美軍運營著世界上最龐大的飛行器機隊，拆解結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好戰(zhàn)機帶來的高昂的維修保障成本，以及因結(jié)構(gòu)完整性問題導(dǎo)致的低下的裝備完好性一直困擾著美軍。隨著建模仿真、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，美軍為了實現(xiàn)增強型視情維修(CBM+)，一方面開發(fā)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)和預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)，推動數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策;另一方面不斷建立、完善各類機理模型，找尋裂紋產(chǎn)生的原因和方式，希望在數(shù)字空間消滅一切問題，推動模型貫穿的決策。

　　2018年，美國國防部發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》[1]，將數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生作為支撐建立裝備全生命周期數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)的核心紐帶[2]，推動美軍以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事、做事的數(shù)字工程轉(zhuǎn)型。其中，數(shù)字孿生被美軍寄予重托，利用制造、使用和維修數(shù)據(jù)，基于數(shù)字孿生仿真實現(xiàn)機體結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測，將成為解決困擾飛行器維修保障難題的一大利器[3]。“數(shù)字孿生”一詞起源于美國國防高級研究計劃局(DARPA)、空軍研究實驗室(AFRL)以及國家航空航天局(NASA)對于飛行器機體結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測與生命周期管理的研究工作[4-10]。

　　根據(jù)美國國防部的定義[11]，數(shù)字孿生是由數(shù)字線索使能，使用最佳的可用模型、傳感器信息更新以及輸入數(shù)據(jù)，對已建造系統(tǒng)的一個多物理、多尺度和概率性的集成仿真，以鏡像和預(yù)測相對應(yīng)的物理孿生生命周期的活動/性能。自稱在2002年就提出數(shù)字孿生概念的邁克爾·葛瑞夫斯教授[12]，在2014年發(fā)表了闡述數(shù)字孿生概念的白皮書[13]，認(rèn)為數(shù)字孿生是一組虛擬的信息結(jié)構(gòu)，用于描述一個潛在的或?qū)嶋H存在的制造產(chǎn)品，描述了從微觀原子層到宏觀幾何層的、能夠從物理產(chǎn)品中探測到的所有信息。

　　筆者也提出了自己的定義[14]:從本質(zhì)上來看，數(shù)字孿生是一個對物理實體或流程的數(shù)字化鏡像，創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程，集成了物理特性模型、人工智能/機器學(xué)習(xí)和傳感器數(shù)據(jù)，以建立一個可以實時更新的、現(xiàn)場感極強的“真實”模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。2009年，AFRL啟動了飛行器“機體數(shù)字孿生”(ADT)研究[15-17]，2013年，空軍《全球地平線》頂層科技規(guī)劃將數(shù)字線索及數(shù)字孿生列為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機遇[18]。

　　同年，AFRL在前期ADT以及DARPA項目的基礎(chǔ)上，啟動了概率性和預(yù)測的單個飛行器跟蹤(P2IAT)項目[19]，分別由諾·格公司[20-22]、GE/洛·馬[23-25]領(lǐng)銜，從2013年持續(xù)到2017年，旨在進(jìn)一步探索數(shù)字孿生支撐的結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測。DARPA通過項目孵化了專門進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測的虛擬孿生軟件[26]，并用于飛行器的虛擬壽命管理[27]。NASA則進(jìn)一步研究如何通過數(shù)字孿生實現(xiàn)面向載荷控制的損傷預(yù)測[28]，甚至希望開發(fā)一種集成基于數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)健康管理功能的自知曉飛行器[29]。

　　工業(yè)界方面，GE通過其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺[30]探索數(shù)字孿生在航空發(fā)動機等渦輪機產(chǎn)品中的應(yīng)用。波音提出一個基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)寶石模型[31]，數(shù)字孿生全生命周期貫穿，強調(diào)利用“已交付”之后的數(shù)據(jù)更新數(shù)字孿生進(jìn)行虛擬運行和狀態(tài)預(yù)測，并且正在探索以低逼真度數(shù)字孿生完成高速分析[32]。洛·馬將數(shù)字孿生列為2018年的六大技術(shù)趨勢之首[33]，并且提出了名為“產(chǎn)品數(shù)字世界”的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)概念[34]，旨在建立一個集成了人員、流程、工具、物料、環(huán)境和數(shù)據(jù)的框架，將跨產(chǎn)品全生命周期和所有學(xué)科的物理域與數(shù)字域連接起來，構(gòu)建鏡像物理世界萬物的數(shù)字孿生，以更好地完成持續(xù)保障和服務(wù)。

　　中國飛機強度所提出構(gòu)建強度數(shù)字孿生[35]，正在攻克高保真度模型構(gòu)建和仿真、數(shù)字化設(shè)計與驗證、健康監(jiān)測與檢測、壽命管理四大技術(shù)群。中國空間技術(shù)研究院提出了數(shù)字孿生在可重復(fù)使用飛船的地面伴飛系統(tǒng)中的初步應(yīng)用框架[36]，用于全生命跟蹤并預(yù)示飛行器的行為狀態(tài)，以實現(xiàn)更好的管理與決策。通過數(shù)字孿生，可基于單個飛行器的使用記錄，預(yù)測結(jié)構(gòu)組件何時到達(dá)壽命期限，調(diào)整結(jié)構(gòu)檢查、修改、大修和替換的時間。NASA預(yù)計到2035年[37]，數(shù)字孿生的應(yīng)用將可使飛行器維修保障成本實現(xiàn)減半，而服役壽命總體延長10倍。

　　美國空軍下一代高教機T-7A項目中明確要求建立數(shù)字孿生[38]，波音在其方案中應(yīng)用數(shù)字孿生，僅用3年時間完成從概念到首飛的過程，擊敗了兩個基于提供現(xiàn)有機型改進(jìn)型的競爭對手，數(shù)字孿生將伴隨每架飛機的生命周期。美國有空軍人士對此提出了擔(dān)憂[39]，認(rèn)為數(shù)字孿生的相關(guān)軟件開發(fā)和維護(hù)成本可能在1～2萬億美元，并需要上百年的時間才能完成。不過，美國空軍已經(jīng)在2020年6月宣布啟動“數(shù)字戰(zhàn)役”[40]，全面建設(shè)包括數(shù)字孿生在內(nèi)的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，而且，利用數(shù)字孿生已經(jīng)寫入“下一代空中主宰”等項目的采辦策略草案中。

　　目前，數(shù)字孿生得到了國內(nèi)外各界的廣泛重視，概念內(nèi)涵愈發(fā)豐富，應(yīng)用場景也極大擴(kuò)展，但是，也存在著概念繁多的問題和片面強調(diào)資產(chǎn)互聯(lián)和數(shù)據(jù)分析而忽視建模仿真的應(yīng)用傾向，這對于依賴基于機理模型和工業(yè)知識實現(xiàn)精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)健康管理而言，顯然是不合適的。本文將回歸概念本源，分析面向結(jié)構(gòu)健康管理的數(shù)字孿生以及基于數(shù)字孿生的飛行器結(jié)構(gòu)健康管理，探討其在數(shù)字工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，以及未來基于數(shù)字孿生的飛行器生命周期管理范式。

　　1數(shù)字孿生概念中的結(jié)構(gòu)健康管理元素

　　美國國防部對于數(shù)字孿生的定義就來源于NASA和AFRL針對飛行器結(jié)構(gòu)健康管理的ADT研究。構(gòu)建ADT，氣動模型、有限元模型、損傷增長模型等是最佳的可用模型，飛行數(shù)據(jù)、材料性能狀態(tài)等是實時的傳感器信息，特定已建造裝備的尺寸、檢查與維修數(shù)據(jù)是歷史的輸入數(shù)據(jù)。ADT基于不斷演進(jìn)的物理特性模型，能夠進(jìn)行不同尺度下的結(jié)構(gòu)分析仿真，一方面可以再現(xiàn)和跟蹤特定裝備的飛行條件與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，另一方面還可以預(yù)測未來使用環(huán)境中的損傷涌現(xiàn)，輸出一個基于概率的計算結(jié)果。

　　2面向結(jié)構(gòu)健康管理的數(shù)字孿生

　　2.13個維度的數(shù)字孿生成熟度模型

　　當(dāng)前數(shù)字孿生存在著概念混亂的問題，很多應(yīng)用實際上將傳統(tǒng)的CAX模型簡單等同于數(shù)字孿生。數(shù)字孿生伴隨裝備的生命周期，面向不同的應(yīng)用可以利用不同逼真度的模型，而且應(yīng)用的自動化和智能化程度也有區(qū)別，不適宜統(tǒng)統(tǒng)稱作數(shù)字孿生。

　　智能系統(tǒng)技術(shù)公司按復(fù)雜度將數(shù)字孿生分為了4個成熟度等級[42]:孿生之前、初始孿生、自適孿生和智能孿生;安世亞太按能力成熟度模型提出了5級成熟度[43]:數(shù)化、互動、先知、先覺和共智。兩者的前4級概念基本相同。結(jié)合這兩種等級，面向結(jié)構(gòu)健康管理，作者提出3個維度的數(shù)字孿生成熟度模型———生命周期維、仿真精度維和智能程度維，每個維度都分為5級成熟度，每一種數(shù)字孿生的特性和能力，都由這3個維度共同確定。

　　(1)生命周期維。考慮裝備全壽命周期數(shù)字孿生的演進(jìn)。一級:設(shè)計級，在裝備設(shè)計過程中，理想的模型中沒有融入真實世界中特定裝備的任何數(shù)據(jù)，主要是來理解和降低結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險，以輔助設(shè)計決策。二級:制造級，在裝備開始制造到總裝下線之前，可融入實際的尺寸數(shù)據(jù)，隨時消除設(shè)計或制造缺陷。三級:試驗級，裝備下線但未交付之前，模型中融入了已建造和已試飛數(shù)據(jù)，主要是獲知裝備的交付性能，建立孿生基線。四級:服役級，裝備服役之后到退役之前，模型中不斷融入并更新健康狀態(tài)、維修歷史等數(shù)據(jù)，主要是實現(xiàn)性能跟蹤和預(yù)測性維修，每次大修后更新孿生基線，并用于分析可能未發(fā)覺的設(shè)計缺陷。

　　3基于數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)健康管理應(yīng)用

　　3.1數(shù)字孿生支撐的結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測流程設(shè)計

　　基于數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)健康管理應(yīng)用的核心是數(shù)字孿生支撐的結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測流程，諾·格實施的P2IAT項目中[21]，單個飛行器跟蹤的概念也以該流程為核心。進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測時，要將多種模型集成到單個飛行器的數(shù)字孿生中，并且綜合歷史數(shù)據(jù)庫、構(gòu)型控制、虛擬損傷傳感器等功能，通過高逼真度的材料建模(內(nèi)含原材料數(shù)據(jù)、材料工藝數(shù)據(jù)等)交互材料的歷史數(shù)據(jù)，通過高逼真度的結(jié)構(gòu)分析(內(nèi)含結(jié)構(gòu)模型和載荷歷史)交互材料狀態(tài)演進(jìn)信息。基礎(chǔ)仍然是更加集成的結(jié)構(gòu)模型和材料狀態(tài)演進(jìn)模型，前者包括壓力有限元、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、氣動彈性、聲學(xué)、熱傳導(dǎo)等，后者包括剛度、強度、疲勞、腐蝕、氧化等。

　　4結(jié)束語

　　(1)隨著更加昂貴的作戰(zhàn)飛機、多功能無人機以及可重復(fù)使用高超聲速飛行器不斷研發(fā)并使用，對其進(jìn)行實時、高效結(jié)構(gòu)健康管理的需求越來越強烈，數(shù)字孿生將無疑在這一領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，并將形成基于數(shù)字孿生的生命周期管理范式。

　　(2)建立和應(yīng)用數(shù)字孿生需要利用包括飛行數(shù)據(jù)記錄儀、無損檢測數(shù)據(jù)在內(nèi)的所有信息，使用包括流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)與工程模型等在內(nèi)的物理特性模型，建立概率性的分析手段，并且通過概率性分析的自動更新實現(xiàn)閉環(huán)。這就需要突破高精建模仿真、泛在采集傳輸、高效融合分析這三類關(guān)鍵技術(shù)，特別是多尺度建模、多物理特性建模、模型與實驗的集成這幾項高精建模仿真技術(shù)。

　　(3)建立和應(yīng)用數(shù)字孿生還將給飛行器結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計以及使用管理流程帶來變革，比如需要開發(fā)面向可靠和經(jīng)濟(jì)可承受健康監(jiān)測的設(shè)計方法、使用和狀態(tài)數(shù)據(jù)的合成及安全保護(hù)工具、基于模型降階的高速概率性仿真及確認(rèn)手段、基于機器學(xué)習(xí)的機載智能數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)、面向高效分析決策的功能定制和信息剪裁規(guī)則等。

　　(4)未來，隨著實驗的深入、機理的突破、數(shù)據(jù)的積累和算力的提升，集成了數(shù)字孿生功能的自知曉飛行器將會成為一個趨勢，這些數(shù)字孿生將在生命周期、仿真精度、智能程度這3個維度上同時達(dá)到成熟度4級，可減少這些高價值裝備的結(jié)構(gòu)風(fēng)險，更好地實現(xiàn)其使命任務(wù)目標(biāo)，降低全生命周期成本。

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　　作者：劉亞威