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(cè)、大數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析與決策和數(shù)字孿生軟件平臺(tái)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(jì)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(cè)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(shì)。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(jì)和維護(hù)策略可以總結(jié)為“安全余量設(shè)計(jì)+周期性維護(hù)”，即根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)型式，并使用較大的安全系數(shù)來(lái)包絡(luò)不確定性；在系統(tǒng)服役時(shí)，采用周期性的維護(hù)方式，定期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，以此來(lái)保證系統(tǒng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行。

然而，現(xiàn)代工程越來(lái)越復(fù)雜，具體表現(xiàn)為：

①系統(tǒng)組件越來(lái)越多，且組件與組件之間的交互會(huì)衍生出一些新的特質(zhì)；

②動(dòng)態(tài)特性強(qiáng)，系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間快速變化；

③不確定性大，系統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)以及周?chē)h(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(yàn)安全系數(shù)包絡(luò)誤差，會(huì)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，缺乏對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)估，容易出現(xiàn)過(guò)于頻繁的檢測(cè)與維修，或未及時(shí)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。

數(shù)字孿生概念的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新的思路。數(shù)字孿生是一個(gè)技術(shù)體系，旨在為物理系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)表達(dá)其所有知識(shí)的集合體或數(shù)字模型（也稱(chēng)為數(shù)字孿生體）。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)更新數(shù)字模型，能夠提升數(shù)字孿生體的診斷、評(píng)估與預(yù)測(cè)能力；同時(shí)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(jì)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。

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如今，數(shù)字孿生的概念得到各領(lǐng)域的廣泛重視，各類(lèi)應(yīng)用概念層出不窮：

①產(chǎn)品研發(fā)：Tao等、莊存波等、于勇等期望通過(guò)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：陶飛等提出了數(shù)字孿生車(chē)間的概念，期望通過(guò)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等、Leng等、Zhang等也提出了類(lèi)似的概念；

③壽命管理：勞斯萊斯公司推出了智能發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠“感知”周?chē)h(huán)境并進(jìn)行相應(yīng)的自我調(diào)整，延長(zhǎng)使用壽命。通用電氣研究院建立了風(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(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行；

④智慧校園：佐治亞理工學(xué)院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(shì)感知、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和虛擬試驗(yàn)。劍橋大學(xué)也建立了類(lèi)似的動(dòng)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(jì)研發(fā)。通過(guò)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(lái)之前，對(duì)其進(jìn)行虛擬數(shù)字測(cè)試與驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并加以修改，避免反復(fù)迭代設(shè)計(jì)所帶來(lái)的高昂成本和漫長(zhǎng)周期。

達(dá)索航空公司將3DExperience平臺(tái)（基于數(shù)字孿生理念建立的虛擬開(kāi)發(fā)與仿真平臺(tái)）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(jì)過(guò)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(shí)，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(guò)合理配置資源減小停機(jī)時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

洛克希德-馬丁公司將數(shù)字孿生應(yīng)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)的制造過(guò)程中，期望通過(guò)生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)一步提升F-35的生產(chǎn)速度，預(yù)計(jì)可由目前每架22個(gè)月的生產(chǎn)周期縮短至17個(gè)月，同時(shí)，在2020年前，將每架9460萬(wàn)美元的生產(chǎn)成本降低至8500萬(wàn)美元。

此外，諾斯羅普·格魯曼公司利用數(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(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)更新，提高剩余壽命的預(yù)測(cè)能力，進(jìn)而指導(dǎo)更改任務(wù)計(jì)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(kāi)。

數(shù)字孿生在各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展彰顯了其巨大的價(jià)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(duì)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。

數(shù)字孿生的理念

據(jù)Tao等統(tǒng)計(jì)，自2014年起，數(shù)字孿生的發(fā)展呈現(xiàn)出爆發(fā)趨勢(shì)，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生也有著多種不同的理解。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(shí)反映特定物理系統(tǒng)的性能狀態(tài)，并準(zhǔn)確模擬、預(yù)測(cè)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(dòng)建模、以及基于物理機(jī)制和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混合建模。但對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言，環(huán)境不確定性大、系統(tǒng)動(dòng)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(shí)反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)。

因此，數(shù)字孿生體的第二個(gè)要素是強(qiáng)調(diào)通過(guò)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(cè)能力。

準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)構(gòu)成了有效控制、管理等決策優(yōu)化的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生體第三個(gè)要素是實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型和物理系統(tǒng)的互動(dòng)，將基于模型和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(guó)空軍同時(shí)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(jià)值鏈的數(shù)據(jù)流，從設(shè)計(jì)、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(shí)溝通，并以此驅(qū)動(dòng)以數(shù)字孿生體為統(tǒng)一的模型的狀態(tài)評(píng)估與任務(wù)決策。?

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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(chǔ)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(dòng)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(dòng)態(tài)更新，更新后的模型可以動(dòng)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(shí)交互使得模型能夠在生命周期內(nèi)不斷成長(zhǎng)與演化；

3）完整性。對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)。

借助于數(shù)字孿生，對(duì)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(shí)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(cè)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(hào)特征分析、模式識(shí)別等技術(shù)，識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)前損傷狀態(tài)；

3）預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)。通過(guò)數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)接口等技術(shù)連接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，結(jié)合機(jī)器智能等方法驅(qū)動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)更新，基于更新后的模型，對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)；

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