數(shù)字孿生及其在航空航天中的應(yīng)用

來源：《航空學(xué)報》，作者孟松鶴等

摘要: 數(shù)字孿生已引起國內(nèi)外的廣泛重視，可看作是連接物理世界和數(shù)字世界的紐帶。其通過建立物理系統(tǒng)的數(shù)字模型、實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并驅(qū)動模型動態(tài)更新實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)行為更準(zhǔn)確的描述與預(yù)報，從而在線優(yōu)化決策與反饋控制。本文分析表明數(shù)字孿生體相比一般的模擬模型，具有集中性、動態(tài)性和完整性的突出特點(diǎn)。數(shù)字孿生的發(fā)展需要復(fù)雜系統(tǒng)建模、傳感與監(jiān)測、大數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動分析與決策和數(shù)字孿生軟件平臺技術(shù)的支撐。在航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生可應(yīng)用于飛行器的設(shè)計研發(fā)、制造裝配和運(yùn)行維護(hù)。重點(diǎn)討論了應(yīng)用機(jī)身數(shù)字孿生進(jìn)行壽命預(yù)測與維護(hù)決策的案例，相比于周期性維護(hù)，具有檢修次數(shù)更少、維護(hù)成本更低的優(yōu)勢。最后，給出了數(shù)字孿生在空間站、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。

目前，實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計和維護(hù)策略可以總結(jié)為“安全余量設(shè)計+周期性維護(hù)”，即根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計系統(tǒng)型式，并使用較大的安全系數(shù)來包絡(luò)不確定性；在系統(tǒng)服役時，采用周期性的維護(hù)方式，定期對其進(jìn)行檢測，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，以此來保證系統(tǒng)長期、穩(wěn)定的運(yùn)行。

然而，現(xiàn)代工程越來越復(fù)雜，具體表現(xiàn)為[1]：①系統(tǒng)組件越來越多，且組件與組件之間的交互會衍生出一些新的特質(zhì)；②動態(tài)特性強(qiáng)，系統(tǒng)狀態(tài)隨時間快速變化；③不確定性大，系統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)以及周圍環(huán)境存在眾多不確定因素。在這種情況下，如果繼續(xù)用經(jīng)驗安全系數(shù)包絡(luò)誤差，會使結(jié)構(gòu)設(shè)計笨重、效率不高；復(fù)雜系統(tǒng)在高度不確定性環(huán)境下遭受意外損傷概率的增加，使得安全系數(shù)方法既不經(jīng)濟(jì)、又難以徹底、完全保證系統(tǒng)可靠性。周期性維護(hù)在面臨復(fù)雜系統(tǒng)時，缺乏對系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)估，容易出現(xiàn)過于頻繁的檢測與維修，或未及時維護(hù)而引發(fā)系統(tǒng)提前失效的情況，導(dǎo)致維護(hù)成本高、且可靠性不足[2]。

數(shù)字孿生概念[3]的出現(xiàn)為解決上述問題提供了新的思路。數(shù)字孿生是一個技術(shù)體系[4]，旨在為物理系統(tǒng)創(chuàng)造一個表達(dá)其所有知識的集合體或數(shù)字模型(也稱為數(shù)字孿生體[5])。通過實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，動態(tài)更新數(shù)字模型，能夠提升數(shù)字孿生體的診斷、評估與預(yù)測能力；同時在線優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)的操作、運(yùn)行與維護(hù)，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余、避免頻繁的周期性檢修與維護(hù)并保證系統(tǒng)的安全性。

從根源上分析，孿生的概念起源于美國阿波羅任務(wù)時代[6]：建造一個與實(shí)際飛行飛船大小比例1:1的地面飛船，在地面的飛船中進(jìn)行實(shí)際飛行經(jīng)歷的“所有”操作，以此來反映實(shí)際飛行中的飛船的狀態(tài)，并為飛船的維護(hù)提供參考。這種方式也可以被稱為物理伴飛。

數(shù)字孿生概念的提出可以追溯到2002年，美國密歇根大學(xué)Grieves教授[3]在向工業(yè)界展示如何進(jìn)行產(chǎn)品生命周期管理時提出的兩個系統(tǒng)，即真實(shí)系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)。虛擬系統(tǒng)接收從真實(shí)空間傳來的數(shù)據(jù)，鏡像(Mirroring)真實(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)；真實(shí)系統(tǒng)接收虛擬空間傳來的指導(dǎo)信息，做出相應(yīng)響應(yīng)。這一理念中提及的真實(shí)空間、虛擬空間、從真實(shí)空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流和從虛擬空間到真實(shí)空間的信息流被認(rèn)為是數(shù)字孿生的3個基本要素。

美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)[7]在2010年發(fā)布的“建模、仿真、信息技術(shù)和過程”路線圖中明確了數(shù)字孿生的發(fā)展愿景，認(rèn)為數(shù)字孿生是：“一個集成多物理場、多尺度的非確定性分析框架，能夠聯(lián)合高精度物理模型、傳感器測量數(shù)據(jù)、飛行歷史數(shù)據(jù)等，鏡像相應(yīng)孿生飛行器的生命歷程”。這一愿景對NASA和美國空軍具有重要意義，兩者擁有大量的機(jī)隊需要周期性檢測和維護(hù)，不僅耗費(fèi)巨大成本，而且面臨針對性不強(qiáng)、響應(yīng)速度慢的問題。數(shù)字孿生利用模型指導(dǎo)決策的思想正好能夠彌補(bǔ)這一能力短缺。通過真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生體更新，響應(yīng)實(shí)際飛行器結(jié)構(gòu)變化，并對實(shí)際飛行器的操作、運(yùn)維進(jìn)行優(yōu)化，從而降低維護(hù)成本、延長使用壽命[8]。

在工業(yè)界，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用，如何將工業(yè)過程、狀態(tài)的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為決策、增加實(shí)際價值成為主要問題，數(shù)字孿生為解決這一問題提供了基本范式[9-11]。美國Gartner公司自2016年起連續(xù)4年將“數(shù)字孿生”列為未來十大戰(zhàn)略技術(shù)之一，Gartner[12]認(rèn)為數(shù)字孿生體是：“物理世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字代表，在物聯(lián)網(wǎng)背景下連接物理世界實(shí)體，提供相應(yīng)實(shí)體狀態(tài)信息，對變化做出響應(yīng)，改進(jìn)操作，增加價值”。世間萬物都將擁有其數(shù)字孿生體，并且通過物聯(lián)網(wǎng)彼此關(guān)聯(lián)，創(chuàng)造出巨大的價值。PTC(Parametric Technology Corporation)[13]推出了ThingWorx物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以將獲取的傳感數(shù)據(jù)連接至ANSYS仿真軟件，并通過建立泵的數(shù)字孿生體展示了該平臺的價值[14]；通用電氣研究院[13]推出了Predix云計算平臺，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的管理、加工與分析，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的掌控和預(yù)測；西門子[13]構(gòu)建了MindSphere開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，將實(shí)際物體連接到數(shù)字世界，以推動閉環(huán)式創(chuàng)新；此外還有Kongsberg推出的KognifAI、MapleSoft的產(chǎn)品MapleSim等都可用于建立系統(tǒng)的數(shù)字孿生體。

如今，數(shù)字孿生的概念得到各領(lǐng)域的廣泛重視，各類應(yīng)用概念層出不窮：①產(chǎn)品研發(fā)：Tao[15]、莊存波[5]、于勇[16]等期望通過構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式；②智能制造：陶飛等[10,?17]提出了數(shù)字孿生車間的概念，期望通過物理世界和信息世界的交互與共融，實(shí)現(xiàn)智能制造。此外，Zhuang[18]、Leng[19]、Zhang[20]等也提出了類似的概念；③壽命管理：勞斯萊斯公司[21]推出了智能發(fā)動機(jī)的概念，該發(fā)動機(jī)能夠“感知”周圍環(huán)境并進(jìn)行相應(yīng)的自我調(diào)整，延長使用壽命。通用電氣研究院[22]建立了風(fēng)力渦輪機(jī)的數(shù)字孿生體，能夠接收操作和環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行自我更新，保證渦輪機(jī)長期、穩(wěn)定的運(yùn)行；④智慧校園：佐治亞理工學(xué)院[23]推出智慧校園的概念，實(shí)現(xiàn)了校園能耗系統(tǒng)的態(tài)勢感知、預(yù)測、優(yōu)化和虛擬試驗。劍橋大學(xué)[24]也建立了類似的動態(tài)數(shù)字孿生演示系統(tǒng)。

在航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生同樣具有極大的應(yīng)用潛力：①用于飛行器的設(shè)計研發(fā)。通過建立飛行器的數(shù)字孿生體，可以在各部件被實(shí)際加工出來之前，對其進(jìn)行虛擬數(shù)字測試與驗證，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并加以修改，避免反復(fù)迭代設(shè)計所帶來的高昂成本和漫長周期。達(dá)索航空公司[25]將3DExperience平臺(基于數(shù)字孿生理念建立的虛擬開發(fā)與仿真平臺)用于“陣風(fēng)”系列戰(zhàn)斗機(jī)和“隼”系列公務(wù)機(jī)的設(shè)計過程改進(jìn)，降低浪費(fèi)25%，首次質(zhì)量改進(jìn)提升15%以上；②用于飛行器的制造裝配。在進(jìn)行飛行器各部件的實(shí)際生產(chǎn)制造時，建立飛行器及其相應(yīng)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，可以跟蹤其加工狀態(tài)，并通過合理配置資源減小停機(jī)時間，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。洛克希德·馬丁公司[25]將數(shù)字孿生應(yīng)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)的制造過程中，期望通過生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的實(shí)時反饋，進(jìn)一步提升F-35的生產(chǎn)速度，預(yù)計可將目前每架22個月的生產(chǎn)周期縮短至17個月，同時，在2020年前，將每架9 460萬美元的生產(chǎn)成本降低至8 500萬美元。此外，諾斯羅普·格魯曼公司[26]利用數(shù)字孿生改進(jìn)了F-35機(jī)身生產(chǎn)中的劣品處理流程，將處理F-35進(jìn)氣道加工缺陷的決策時間縮短了33%；③用于飛行器的運(yùn)行維護(hù)。利用飛行器的數(shù)字孿生體，可以實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，并結(jié)合智能算法實(shí)現(xiàn)模型的動態(tài)更新，提高剩余壽命的預(yù)測能力，進(jìn)而指導(dǎo)更改任務(wù)計劃、優(yōu)化維護(hù)調(diào)度、提高管理效能。本文聚焦于數(shù)字孿生在運(yùn)行維護(hù)上的應(yīng)用，具體應(yīng)用案例將在后文詳細(xì)展開。

數(shù)字孿生在各個領(lǐng)域的快速發(fā)展彰顯了其巨大的價值，本文將從數(shù)字孿生的核心概念與內(nèi)涵出發(fā)，分析數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)，而后論述數(shù)字孿生相比當(dāng)前范式的創(chuàng)新性思路，最后對數(shù)字孿生在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望進(jìn)行分析。

1 數(shù)字孿生的理念

據(jù)Tao等[27]統(tǒng)計，自2014年起，數(shù)字孿生的發(fā)展呈現(xiàn)出爆發(fā)趨勢，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生也有著多種不同的理解[10-12]。如圖 1所示，數(shù)字孿生體的本質(zhì)是能夠全生命跟蹤、實(shí)時反映特定物理系統(tǒng)的性能狀態(tài)，并準(zhǔn)確模擬、預(yù)測其在真實(shí)環(huán)境下行為的數(shù)字模型。因此，構(gòu)成數(shù)字孿生體首先需要建立物理系統(tǒng)的模擬模型。傳統(tǒng)的建模方式包括：基于物理機(jī)制建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、以及基于物理機(jī)制和數(shù)據(jù)驅(qū)動的混合建模。但對于復(fù)雜系統(tǒng)而言，環(huán)境不確定性大、系統(tǒng)動態(tài)特性強(qiáng)，基于傳統(tǒng)建模方式得到的數(shù)字模型難以做到實(shí)時反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)。因此，數(shù)字孿生體的第2個要素是強(qiáng)調(diào)通過布置在物理系統(tǒng)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲取系統(tǒng)運(yùn)行中的真實(shí)行為數(shù)據(jù)，用于增強(qiáng)模型、消除模型中的不確定性因素，進(jìn)而提升模型預(yù)測能力。準(zhǔn)確的預(yù)測構(gòu)成了有效控制、管理等決策優(yōu)化的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生體第3個要素是實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型和物理系統(tǒng)的互動，將基于模型和數(shù)據(jù)的實(shí)時分析結(jié)果用于優(yōu)化物理系統(tǒng)運(yùn)行。伴隨數(shù)字孿生概念，美國空軍[28-29]同時提出了數(shù)字主線的概念。數(shù)字主線可以看作覆蓋系統(tǒng)全生命周期與全價值鏈的數(shù)據(jù)流，從設(shè)計、制造到使用、維護(hù)，全部環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)都能夠?qū)崿F(xiàn)雙向同步與及時溝通，并以此驅(qū)動以數(shù)字孿生體為統(tǒng)一的模型的狀態(tài)評估與任務(wù)決策。

分析數(shù)字孿生的內(nèi)涵可以看出，數(shù)字孿生體具有如下突出特點(diǎn)：

1) 集中性。物理系統(tǒng)生命周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)字主線中，進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，使數(shù)據(jù)的雙向傳輸更高效。

2) 動態(tài)性。描述物理系統(tǒng)環(huán)境或狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)可用于模型的動態(tài)更新，更新后的模型可以動態(tài)指導(dǎo)實(shí)際操作，物理系統(tǒng)和數(shù)字模型的實(shí)時交互使得模型能夠在生命周期內(nèi)不斷成長與演化。

3) 完整性。對于復(fù)雜系統(tǒng)而言，其數(shù)字孿生體集成了所有子系統(tǒng)，這是高精度建模的基礎(chǔ)；而實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可進(jìn)一步豐富、增強(qiáng)模型，使模型能夠包含系統(tǒng)的所有知識。

借助于數(shù)字孿生，對于復(fù)雜系統(tǒng)的管理和運(yùn)行，將能夠?qū)崿F(xiàn)：

1) 模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字孿生體可以看作物理系統(tǒng)的模擬模型，能夠在數(shù)字空間實(shí)時反映系統(tǒng)的行為、狀態(tài)，并以可視化的方式呈現(xiàn)。

2) 監(jiān)測并診斷系統(tǒng)健康狀態(tài)。利用安裝在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)與載荷變化、服役環(huán)境等信息，結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理、信號特征分析、模式識別等技術(shù)，識別系統(tǒng)當(dāng)前損傷狀態(tài)。

3) 預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)接口等技術(shù)連接監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，結(jié)合機(jī)器智能等方法驅(qū)動模型的動態(tài)更新，基于更新后的模型，對系統(tǒng)未來的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報。

4) 優(yōu)化系統(tǒng)操作。根據(jù)預(yù)報結(jié)果，可以調(diào)整維護(hù)策略避免不必要的檢測與更換，或更改任務(wù)計劃避免結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化等。

2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

如圖 2所示，數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)用實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)消除模型的不確定性，用精確的模擬代替真實(shí)場景，從而優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)的操作和運(yùn)維，其實(shí)現(xiàn)需要依賴的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1) 復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)。數(shù)字孿生體是由傳統(tǒng)模型發(fā)展而來，因此建立高精度的復(fù)雜系統(tǒng)模型是首要前提，現(xiàn)在建模依然面臨著環(huán)境、載荷、材料性能等眾多不確定因素，力、熱、電等不同物理場之間的強(qiáng)耦合作用等各類問題，這些復(fù)雜性都將導(dǎo)致模型無法準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的真實(shí)情況，需要借助于多物理場耦合建模、多尺度損傷分析方法提升模型精度。

2) 傳感與監(jiān)測技術(shù)。數(shù)字孿生體鏡像物理系統(tǒng)的生命歷程的基礎(chǔ)在于：能夠?qū)崟r感知系統(tǒng)性能狀態(tài)并收集系統(tǒng)周圍的環(huán)境信息，這就需要借助傳感與監(jiān)測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過安裝在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)與載荷變化、操作以及服役環(huán)境等信息[30]，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的生產(chǎn)、制造、服役以及維護(hù)過程。持續(xù)獲取的傳感數(shù)據(jù)不僅能夠用于監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，還能借助大數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動分析與決策等技術(shù)用于預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)。

3) 大數(shù)據(jù)技術(shù)。對于一個大型復(fù)雜系統(tǒng)，其基本幾何和組件裝配本身就已經(jīng)囊括了海量的數(shù)據(jù)，而服役過程中不斷加入的載荷、環(huán)境、維修等數(shù)據(jù)，最終將生成現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析技術(shù)無法處理的大數(shù)據(jù)[31]，這就需要利用數(shù)字主線技術(shù)對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從這些規(guī)模巨大、種類繁多、生成迅速、不斷變化的數(shù)據(jù)集中挖掘價值[31]。從數(shù)據(jù)出發(fā)增強(qiáng)對問題的認(rèn)識，發(fā)掘多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間潛藏的相關(guān)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)更好地診斷、預(yù)報并指導(dǎo)決策。

4) 動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動分析與決策技術(shù)。實(shí)時交互性與動態(tài)演化性是數(shù)字孿生體的兩個重要特性，而動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用系統(tǒng)(Dynamic Data Driven Application Systems，DDDAS)[32]這種全新的仿真應(yīng)用模式，能夠?qū)⒛Ｐ团c物理系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，在實(shí)際服役過程中，利用實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)動態(tài)更新模型，更新后的模型可以得到許多測量無法直接輸出的數(shù)據(jù)，從而驅(qū)動更準(zhǔn)確地分析與預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)，以及更有效地指導(dǎo)決策者實(shí)施對系統(tǒng)的動態(tài)控制。

5) 數(shù)字孿生軟件平臺技術(shù)。數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)需要發(fā)展新的工具平臺，集成多物理場仿真、數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)分析、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動決策等多個功能模塊，同時借助虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)等可視化技術(shù)，使決策者能夠快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)，從而指導(dǎo)對系統(tǒng)的操作，實(shí)現(xiàn)效能更高的控制與優(yōu)化。

3 “范式”革命

Grieves教授和NASA在定義數(shù)字孿生時，都將其視為一種“范式”革命[33-34]。所謂“范式”(Paradigm)，是指“從事某一科學(xué)的研究者群體所共同遵從的世界觀和行為方式[11]”。

在上述關(guān)鍵技術(shù)的支撐下，數(shù)字孿生可以改變現(xiàn)有范式的設(shè)計、驗證和運(yùn)維方式，具體表現(xiàn)為：

1) 從多部門的設(shè)計迭代到多部門的協(xié)同設(shè)計

傳統(tǒng)方法中，系統(tǒng)的一般設(shè)計流程為：總體部門提設(shè)計要求—設(shè)計部門制定設(shè)計方案—生產(chǎn)部門加工樣機(jī)模型—測試部門進(jìn)行樣機(jī)性能試驗—如性能不合理再修改設(shè)計，重新生產(chǎn)、試驗。這種串行迭代的方式很難實(shí)現(xiàn)不同部門之間信息的有效交互，導(dǎo)致設(shè)計周期長、效率低。

數(shù)字孿生將改變當(dāng)前系統(tǒng)工程中的多部門工作方式，以數(shù)字孿生為中心的系統(tǒng)工程，在數(shù)字主線技術(shù)的支撐下，將能夠?qū)崿F(xiàn)各類信息來源的統(tǒng)一管理，不同部門可以隨時訪問或補(bǔ)充數(shù)字主線中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的有效交互。通過不同部門橫向之間、及不同系統(tǒng)級別縱向之間的協(xié)同管理，使得部分工作可以并行開展，同時最小化串行迭代中的等待時間，加速設(shè)計進(jìn)程。

2) 從先生產(chǎn)后驗證到快速的先行集成驗證

傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計完成后需要進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、振動等試驗來驗證設(shè)計的可靠性，但是存在如下不足：①物理試驗需要專門的試驗場地、設(shè)備、工裝等，耗資巨大；②需要等樣件全部生產(chǎn)出后才能進(jìn)行試驗，周期較長；③如果試驗結(jié)果不理想，需要重新設(shè)計、生產(chǎn)、再試驗，如此反復(fù)迭代對時間、成本、人工造成極大浪費(fèi)。

利用數(shù)字孿生的虛擬仿真可視化技術(shù)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)驗證基線提前，在設(shè)計完成后就可以在虛擬空間對系統(tǒng)進(jìn)行“早期集成”和虛擬測試驗證。借助VR或AR技術(shù)，可以方便地測試不同試驗策略所帶來的工作量、周期和成本的差異，從而更有效地指導(dǎo)后續(xù)的物理試驗。虛擬試驗技術(shù)允許在設(shè)計早期邊試驗邊學(xué)習(xí)，越早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，修正問題的成本就越低，且不會因原型機(jī)不到位或者提前破壞而影響整個測試驗證的周期。

3) 從關(guān)鍵位置監(jiān)測到全面跟蹤

目前，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，往往需要在容易發(fā)生損傷或破壞的位置布置傳感器，監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，其中，對潛在損傷位置的判斷通常需要依賴工程經(jīng)驗。對于未來不斷更新的結(jié)構(gòu)型式、越來越復(fù)雜的載荷環(huán)境，真實(shí)系統(tǒng)在服役時可能面臨大量的不可預(yù)期的問題，從而在未布置傳感器的位置處發(fā)生破壞，引發(fā)系統(tǒng)提前失效。

基于數(shù)字孿生中的傳感與監(jiān)測技術(shù)，可以全面跟蹤真實(shí)系統(tǒng)狀態(tài)；同時借助DDDAS技術(shù)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)修正數(shù)字孿生體，持續(xù)更新的模型可以獲取某些測量無法直接輸出的量以更好地輔助決策。在大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的支撐下，有望從這些全面跟蹤的數(shù)據(jù)中挖掘隱含的物理規(guī)律、甚至是機(jī)理模型，從而完善現(xiàn)有的理論或方法。

4) 從歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動到動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動建模

傳統(tǒng)的建模方式是在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，預(yù)設(shè)系統(tǒng)將來可能會經(jīng)歷的載荷、環(huán)境、邊界等來建立合理的模型，并以此模型指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)、裝配以及運(yùn)行中的操作。然而由于實(shí)際加工中存在的生產(chǎn)、制造誤差，以及服役中面臨的載荷環(huán)境的復(fù)雜性、動態(tài)性和不確定性，在設(shè)計階段完成的模型很難真實(shí)地反映實(shí)際系統(tǒng)在后續(xù)階段的狀態(tài)和行為，難以對系統(tǒng)的動態(tài)演化做出準(zhǔn)確預(yù)示。

基于數(shù)字孿生中的DDDAS技術(shù)，在物理系統(tǒng)的全生命周期內(nèi)，利用實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型動態(tài)更新，使得模型不僅能夠反映真實(shí)的制造、裝配和維護(hù)情況，還能跟蹤在復(fù)雜環(huán)境下不斷演化的系統(tǒng)行為。數(shù)據(jù)與模型的融合能夠減少不確定性帶來的影響，增加對系統(tǒng)行為的認(rèn)知，進(jìn)而做出更準(zhǔn)確的模擬與預(yù)示。

5) 從預(yù)先制定策略到動態(tài)優(yōu)化決策

目前，實(shí)際系統(tǒng)服役時的任務(wù)參數(shù)一般是提前規(guī)劃的，一旦發(fā)生意外，系統(tǒng)將面臨故障甚至提前失效的風(fēng)險。同時，廣泛采用的周期性的維護(hù)方式更適用于復(fù)雜性和不確定性都較低的系統(tǒng)，對于復(fù)雜性或不確定性較高的系統(tǒng)而言，該維護(hù)方式容易出現(xiàn)過于頻繁的檢修導(dǎo)致的成本高，或未及時維護(hù)導(dǎo)致的可靠性不足的問題。

聯(lián)合數(shù)字孿生中的DDDAS和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)模型的動態(tài)更新，還能夠?qū)ο到y(tǒng)的性能狀態(tài)開展在線的風(fēng)險評估，即量化不確定輸入(載荷、邊界、材料參數(shù)等)對飛行可靠性的影響。而后通過虛擬仿真平臺，預(yù)演不同任務(wù)參數(shù)下的飛行場景，并量化不同參數(shù)下的飛行可靠性，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)中的各類智能算法，動態(tài)優(yōu)化操作以應(yīng)對突發(fā)工況。通過對系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時管理，能夠提高響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)效能更高的控制與優(yōu)化。同時，在系統(tǒng)性能出現(xiàn)顯著下降、維修成本不經(jīng)濟(jì)之前，進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，避免周期性維護(hù)的高成本和響應(yīng)慢的問題，既能夠提升系統(tǒng)的可用性、又可以保證安全性和經(jīng)濟(jì)性，如圖 3所示[35]

4 數(shù)字孿生在航空航天中的應(yīng)用

2010年，美國NASA發(fā)布了《NASA空間技術(shù)路線圖》，提出了在2027年前后實(shí)現(xiàn)NASA數(shù)字孿生體的目標(biāo)[7]。該報告同時給出了數(shù)字孿生技術(shù)的4個應(yīng)用場景：①用于飛行器發(fā)射前的“試飛”。分析不同任務(wù)參數(shù)的影響，并針對各種異常現(xiàn)象，研究和驗證相應(yīng)的處理策略；②用于鏡像飛行器的實(shí)際飛行。實(shí)時監(jiān)測載荷、溫度以及結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，反映真實(shí)飛行狀況；③用于故障或損傷發(fā)生后的評估。當(dāng)傳感器指示結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)出現(xiàn)退化時，診斷引發(fā)異常的原因，分析失效后應(yīng)對措施；④作為設(shè)計修正分析的平臺。模擬某些部件失效后的運(yùn)行狀況，從而決定是否需要做設(shè)計上的改進(jìn)，避免了不必要的修改和調(diào)整。NASA[36]預(yù)計到2035年，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器維護(hù)成本減半，服役壽命水平延長至目前的10倍。自此之后，數(shù)字孿生在航空航天中的應(yīng)用一直受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

美國空軍[7]在2010年提出了一個機(jī)身數(shù)字孿生(Airframe Digital Twin，ADT)的概念，認(rèn)為它是一個覆蓋飛機(jī)全生命周期的數(shù)字模型。通過集成氣動分析、有限元等結(jié)構(gòu)模型，以及疲勞、腐蝕等材料狀態(tài)演化模型，同時利用機(jī)身特定幾何、材料性能參數(shù)、飛行歷史以及檢測維修等數(shù)據(jù)動態(tài)更新模型，ADT可以準(zhǔn)確預(yù)報飛機(jī)未來行為，并指導(dǎo)決策者為每架飛機(jī)定制個性化管理方案，以期延長飛機(jī)使用壽命并降低維護(hù)成本。基于這一概念，機(jī)身壽命預(yù)測流程[37]如圖 4所示。

相比于傳統(tǒng)的壽命預(yù)測過程，基于數(shù)字孿生的壽命預(yù)測有如下優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)分析不再只是在某些工程經(jīng)驗判斷的關(guān)鍵點(diǎn)上開展，避免了誤判導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)提前失效；②實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力和損傷預(yù)測的雙向耦合，提高了剩余壽命的預(yù)測精度；③實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)用來動態(tài)更新模型，進(jìn)一步提高分析可靠性。

為實(shí)現(xiàn)ADT，美國空軍將這一先導(dǎo)性項目的第1階段合同分別授予了通用電氣研究院和諾斯羅普·格魯曼公司。其中，通用電氣研究院[38-40]演示了數(shù)字孿生能夠?qū)⑹褂梅治觥⑼廨d荷分析、內(nèi)應(yīng)力分析、裂紋擴(kuò)展分析以及檢測方法和檢測結(jié)果分析放在一個框架中進(jìn)行，顯式地展示它們之間的聯(lián)系，并依次量化其中的不確定因素，清楚地了解這些分析是如何影響決策，且所有的分析都可以利用檢測數(shù)據(jù)來更新和減少不確定性；而后將該框架用于某戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼的疲勞裂紋擴(kuò)展分析，通過檢測數(shù)據(jù)與模型的融合，實(shí)現(xiàn)對裂紋擴(kuò)展行為更準(zhǔn)確的診斷和預(yù)測，并優(yōu)化維護(hù)調(diào)度。圖 5所示為采取不同的檢修策略[38]：每200次飛行檢查一次裂紋和每當(dāng)單次飛行失敗率(Single-Flight Probability of Failure，SFPOF)超過10-7時檢查一次裂紋，所預(yù)測的SFPOF的均值及其不確定分布，可以發(fā)現(xiàn)，基于可靠性分析開展的維護(hù)方式相比周期性維護(hù)，能在保證飛行任務(wù)成功率的同時明顯減少檢修次數(shù)，降低維護(hù)成本。

諾斯羅普·格魯曼公司[41-42]開發(fā)了一種自動生成飛行載荷譜的方法，能夠得到關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力序列，為疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測提供輸入；同時，利用檢測數(shù)據(jù)和相應(yīng)的檢測概率函數(shù)更新裂紋尺寸的概率分布，通過減少預(yù)測的不確定性，更有效地指導(dǎo)何時進(jìn)行檢查，圖 6展示了預(yù)測的維護(hù)時刻的不確定性降低后，期望維護(hù)成本的最小值也相應(yīng)降低，即基于更新后的預(yù)測可以通過調(diào)整維護(hù)時間降低維護(hù)成本[41]。最后，諾斯羅普·格魯曼公司在ModelCenter中將所有方法集成為一個數(shù)字孿生流程模型，其模塊化的特性允許隨時對現(xiàn)有代碼進(jìn)行改進(jìn)，并整合更多的不確定來源，提升模型的跟蹤、預(yù)測和優(yōu)化能力。

在中國航天事業(yè)中，數(shù)字孿生概念同樣具有巨大的應(yīng)用潛力。預(yù)計在2020年前后，中國將建成近地空間站，并進(jìn)入運(yùn)營和管理階段[43]。對于空間站這類長期在軌的航天器而言，傳統(tǒng)的管理模式是建立相應(yīng)的地面物理伴飛系統(tǒng)，并使地面系統(tǒng)經(jīng)歷與實(shí)際飛行相同的載荷、環(huán)境和操作，從而模擬航天器的在軌運(yùn)行狀態(tài)，通過監(jiān)測地面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，根據(jù)需要進(jìn)行在軌檢測、維護(hù)或更換，但這種方式存在以下不足：①需要建立一個與真實(shí)空間站完全相同的地面物理系統(tǒng)，建造周期長且成本極高；②地面試驗對空間環(huán)境的模擬能力有限。

與此同時，為保證空間站能夠長期、持續(xù)地開展載人航天、空間科學(xué)研究、空間應(yīng)用與技術(shù)試驗等活動[43]，需要大量的天地往返任務(wù)來運(yùn)輸人員和貨物，運(yùn)輸成本成為其中的關(guān)鍵問題之一，這就對發(fā)展可重復(fù)使用飛船提出了需求。在飛船每次飛行結(jié)束后，需要對艙體結(jié)構(gòu)的完整性、未來飛行的適用性進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的評估。目前通常采用的方式是定期對艙體進(jìn)行檢測，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，但這種方式存在兩方面問題[7]：①檢測的位置是基于工程經(jīng)驗判斷的，容易發(fā)生漏檢；②冗余的檢測會延長飛行間隔、降低使用率，以及增加維護(hù)成本，反復(fù)地拆卸再組裝甚至?xí)茐慕Y(jié)構(gòu)原有的完整性[2]。

針對上述在發(fā)展空間站和可重復(fù)使用飛船中現(xiàn)有范式存在的不足，本文作者設(shè)想建立如圖 7所示的數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)框架，用于全生命跟蹤并預(yù)示空間站和飛船的行為狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)更好地管理與決策。該框架是一個通用框架，其中包括飛行器端、地面端和應(yīng)用端：在飛行器端，基于各類傳感器，可以收集反映飛行器周圍環(huán)境與自身狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)鏈將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回地面伴飛系統(tǒng)；地面系統(tǒng)將數(shù)據(jù)引入到飛行器的功能模型中，進(jìn)行模型的動態(tài)更新，從而實(shí)現(xiàn)對飛行器狀態(tài)更準(zhǔn)確的診斷與評估；結(jié)合應(yīng)用端的人機(jī)接口，通過未來任務(wù)預(yù)演，對結(jié)構(gòu)未來行為和剩余壽命進(jìn)行預(yù)報，進(jìn)一步結(jié)合智能決策優(yōu)化設(shè)計、制造、維護(hù)等操作。

圖 7所示的數(shù)字孿生應(yīng)用框架的核心是數(shù)字孿生建模與分析模塊，具體途徑如圖 8所示。該架構(gòu)分為離線和在線兩部分。其中，離線部分的核心為高精度建模和知識庫的構(gòu)建。在高精度幾何模型的基礎(chǔ)上，借助復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)，如多物理場建模、多系統(tǒng)仿真等，建立飛行器系統(tǒng)的行為模型和演化模型，同時基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提取降階或代理模型，用于在線分析；結(jié)合數(shù)字主線中存儲的歷史數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗確定可能故障，通過故障注入的方式，分析已知故障下系統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建故障模式庫，并保存在數(shù)字主線中。該模式庫可作為診斷模塊的故障識別基礎(chǔ)。
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在線部分包括結(jié)構(gòu)監(jiān)測、故障診斷、動態(tài)演化分析以及功能預(yù)示。基于傳感與監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)崟r獲取反映飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上，由診斷模塊識別系統(tǒng)是否存在故障、進(jìn)行故障定位，并量化結(jié)構(gòu)損傷。其中，采用解析冗余方法，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的檢測，采用模式識別方法進(jìn)行故障模式分析，進(jìn)一步，如屬于新故障模式，則采用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行故障歸類，這些都需要大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的支撐；而后，將故障模式與損傷狀態(tài)傳遞給動態(tài)演化分析模塊，借助不確定性建模、動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[40]、DDDAS等技術(shù)，進(jìn)行演化、行為模型以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的更新。更新后的模型結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在虛擬仿真平臺上開展系統(tǒng)的性能退化、剩余壽命及飛行可靠性的預(yù)測，為后續(xù)的任務(wù)規(guī)劃、維護(hù)調(diào)度提供決策參考。

離線部分收集的傳感器歷史數(shù)據(jù)、各類模型數(shù)據(jù)，以及在線部分產(chǎn)生的傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)、實(shí)時狀態(tài)/功能參數(shù)等都存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并由數(shù)字主線統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)庫允許其他模塊隨時訪問、補(bǔ)充，且支持?jǐn)?shù)據(jù)共享。

數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的物理伴飛有如下優(yōu)點(diǎn)：①無需建造地面物理系統(tǒng)，極大地節(jié)省了運(yùn)營成本；②不受地面試驗的限制，可以模擬任意空間環(huán)境和載荷，相比物理伴飛系統(tǒng)模擬能力更強(qiáng)；③通過近實(shí)時地開展結(jié)構(gòu)損傷分析，能夠快速指示受損區(qū)域，加速檢修進(jìn)程；④能夠利用各類監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)模型的動態(tài)更新，從而準(zhǔn)確獲取所有位置的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，這樣既不會出現(xiàn)漏檢也不會帶來冗余檢測；⑤持續(xù)更新的模型能夠不斷提高剩余壽命的預(yù)測精度和未來飛行評價的可靠性，從而更有效地指導(dǎo)決策；⑥在指導(dǎo)決策時，不再只是依賴傳統(tǒng)的優(yōu)化算法，而是結(jié)合了高精度仿真模型，通過反復(fù)預(yù)演、驗證，確定最優(yōu)操作，進(jìn)一步提高運(yùn)行可靠性、優(yōu)化維護(hù)效能。

如圖 9所示，在未來，數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)將完成更多的功能：在設(shè)計和驗證階段，利用任務(wù)預(yù)演與虛擬試驗，對各部件可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)先分析和改進(jìn)，減少設(shè)計迭代；在制造與裝配階段，通過生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理，加速生產(chǎn)、減少缺陷，并獲取成品信息；在測試與運(yùn)行階段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時診斷與鏡像；在此基礎(chǔ)上，通過任務(wù)預(yù)演與虛擬試驗，分析未來系統(tǒng)狀態(tài)以及任務(wù)成功率，以便制定飛行器維護(hù)、更換、擴(kuò)展或退役等計劃；模型與數(shù)據(jù)等信息將實(shí)現(xiàn)任務(wù)周期內(nèi)的統(tǒng)一管理，以便模型在每個階段都得以被豐富和完善，且可以隨時隨地被調(diào)用；以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫為接口，結(jié)合分析、決策智能助理與可視化技術(shù)，可以幫助專家進(jìn)行飛行器設(shè)計、維護(hù)、任務(wù)計劃的決策制定等；通過人機(jī)交互接口與可視化技術(shù)，幫助航天員進(jìn)行任務(wù)預(yù)演與培訓(xùn)、在軌維護(hù)，建設(shè)航天體驗館等各類飛行器的模擬、可視化應(yīng)用。

實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字孿生可以看作物理世界與數(shù)字世界的連接紐帶。在未來，數(shù)字孿生技術(shù)將能夠推動各類空天飛行器的智能化，如智能發(fā)動機(jī)、智能飛機(jī)、智能空間站等等。通過傳感器收集到的飛行器自身及周圍環(huán)境信息，進(jìn)行自身狀態(tài)感知、環(huán)境感知與態(tài)勢感知，自主規(guī)劃未來任務(wù)路徑并開展自我維護(hù)，將能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)成功率更高、服役壽命更長、運(yùn)營成本更低的目標(biāo)。

目前，數(shù)字孿生在航空航天中的應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn):①數(shù)字孿生是一個涉及多領(lǐng)域的綜合技術(shù)體系，這本身就顯示了其實(shí)現(xiàn)難度，數(shù)字孿生技術(shù)框架、數(shù)字孿生體的模型結(jié)構(gòu)定義尚不成熟，如何基于數(shù)字孿生進(jìn)行知識推理、發(fā)現(xiàn)以達(dá)到智能化的最終目的，還有待研究；②在數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)方面，基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷、不確定性下復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)建模、在線實(shí)時分析計算數(shù)學(xué)方法、適用于航空航天環(huán)境耐極端條件輕量化、分布式傳感監(jiān)測技術(shù)是目前研究的前沿問題；③在數(shù)字孿生工具層面，仍需要發(fā)展完善自主化數(shù)字孿生的開發(fā)、運(yùn)行集成平臺。

5 結(jié)論

1) 數(shù)字孿生可為物理系統(tǒng)創(chuàng)造包含其所有知識的數(shù)字模型，使得能夠在不確定性環(huán)境下，利用真實(shí)數(shù)據(jù)、分析模型等多元信息融合，增強(qiáng)對復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)演化行為更準(zhǔn)確的描述與預(yù)報，以指導(dǎo)更好的決策、控制與優(yōu)化。

2) 數(shù)字孿生可看作連接智能與實(shí)物的紐帶，使得各類機(jī)器智能方法得以用于實(shí)物管理，從而加速設(shè)計驗證進(jìn)程、降低運(yùn)營維護(hù)成本、提高服役可靠性、延長使用壽命。

3) 數(shù)字孿生已引起國內(nèi)外廣泛重視，但其全面應(yīng)用還需要突破復(fù)雜系統(tǒng)建模、傳感與監(jiān)測、大數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動分析與決策和數(shù)字孿生軟件平臺等關(guān)鍵技術(shù)。