數字孿生技術在飛機設計驗證中的應用

陸 清* 吳 雙 趙 喆 周凡利

（1.上海飛機設計研究院，上海201210；2.蘇州同元軟控信息技術有限公司）

0 引言

數字仿真現已作為新產品開發（NPD）的關鍵使能因素，同時也是工業4.0的關鍵使能技術。近期，得益于計算機軟硬件性能提升、成本降低，加之人們對產品物理屬性有著更加深刻的理解，并更加愿意在新產品開發過程中使用新的技術與手段，數字仿真相關技術的創新不斷取得進步并對新產品前端開發起到顯著影響。相關機構對當前技術發展趨勢研究表明，仿真技術可應用于產品全生命周期管理，包括從概念提出、設計研發、加工制造一直到運營及維護。基于上述研究，我們可以預測數字仿真技術在未來的應用必將更加具有廣泛的實用性，與此同時數字孿生技術的應用也將得以實現。數字孿生技術在新產品研發過程中，可以實現：大處著眼，小處著手，逐步但迅速地進行擴展。

數字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[1]。通過對產品進行建模分析，依據曾經發生的問題，對模型進行優化升級，結合產品運行場景，模擬各種可預測的可能性，進行虛擬分析，針對產品全生命周期，提供全面的技術支持。

美國密歇根大學Michael Grieves教授，于2002年在所講授的PLM（產品生命周期管理）課程中引入了“鏡像空間模型”（后又改稱為“信息鏡像模型”）的概念。2011年，這一概念在《Virtually Perfect》一書中得到了極大地推廣，文章的合著者開始將這一概念模型稱之為“數字孿生”，“數字孿生”的概念正式誕生。自數字孿生概念提出之后，經過短短十幾年的研究探索，數字孿生技術已引起各方面的廣泛關注。數字孿生技術的發展如圖1所示。

目前，數字孿生技術已經得到各產業界的高度關注，并已開始在新產品設計、驗證、制造和市場服務等多方面進行了探索性應用。

在2010年，NASA已經開始將數字孿生運用到下一代戰斗機和NASA月球車的設計當中。美國國防部、PTC公司、西門子公司、達索公司等都在2014年接受了“Digital Twin”這個術語，并開始在市場宣傳中使用。

美國國防部提出利用Digital Twin技術，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。在數字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現與飛機真實狀態完全同步，這樣每次飛行后，根據結構現有情況和承受載荷情況，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等[2]。

圖1 數字孿生技術的發展

工業巨頭通用電氣（GE）將數字孿生這一概念推向了新的高度，借助Digital Twin這一概念，實現物理機械和分析技術的融合。以噴氣式航空發動機為例，其昂貴且扮演關鍵角色的耐高溫合金渦輪葉片，是制造推力的主要零件。每個葉片上都安裝了傳感器，這樣就可以根據要求的頻率傳輸實時數據。軟件平臺會將引擎的所有信息收集起來，使之數據化，并建立數字模型。

德國西門子公司也在積極推進包括數字孿生在內的數字化業務，數字孿生已經被應用在了西門子工業設備Nanobox PC的生產流程里。

北京航空航天大學陶飛等提出了數字孿生車間的實現模式，并明確了其系統組成、運行機制、特點和關鍵技術，為制造車間信息物理系統的實現提供了理論和方法參考[3]。

西安電子科技大學孔憲光等提出基于數字孿生的工業大數據分析論，把物理實體業務抽象成圖譜，通過問題分解，在數字孿生體內進行求解。

華龍迅達將數字孿生技術與三維虛擬仿真過程進行了有效融合，實現了實體工廠與虛擬可視化工廠的動態聯動，從全要素、全流程、全業務角度進行生產過程優化。

科大訊飛發布建設數字孿生城市計劃，使用人工智能技術，打通城市規劃、建設、運行的數據閉環。

1 數字孿生技術的特點

根據數字孿生技術的不斷應用和發展，經多方面總結，具有規模性、互操作性、可拓展性以及保真性等四方面特點，如2所示。

圖2 數字孿生體的特點

a）規模性：數字孿生體能夠提供不同規模（從細節到大型系統）對數字孿生體的洞察力，在結構上不丟失細節，盡量映射物理孿生體的細微之處。

b）互操作性：數字孿生體能夠在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性，以多樣性的數字孿生體來映射物理孿生體。

c）可擴展性：數字孿生體具有集成、添加或替換數字模型的能力，如隨時隨處添加若干擴展結構。

d）保真性：描述數字虛體模型與物理實物產品的接近性。不僅在外觀和幾何結構上相像，在質地上也要相像。

2 數字孿生技術在現代工業領域的應用

2.1 數字孿生技術對現代工業領域的影響[4-11]

Gartner公司預測，數字孿生是2019年前十位的戰略科技趨勢之一，具有廣闊的發展前景。到2021年，全球50%的大型工業公司將使用數字孿生，將使組織的效率提高10%。他們認為制造業和工程行業的公司，如果想要保持活力，就需要考慮數字孿生。

Aberdeen集團則指出，頂級公司以及機構通過使用數字孿生技術可在設計前期充分識別風險，有效提升產品質量，降低產品成本，可節約29%的研發時間以及27%的樣品開發成本。

與此同時國內外相關研究表明，數字孿生技術的發展與應用，將同時給我們帶來巨大的機遇，主要包括：

a）可以在新產品開發和新的收益渠道方面，進一步開拓市場機會；

b）可以顯著縮短上市時間；

c）可以提升產品維護及操作程序。

因此，針對特定產品，如何把握數字孿生技術及其關鍵特性，制定明確實施策略，將數字孿生技術高效地應用于產品的研發和全生命周期管理，將對產品性能、安全以及市場競爭力產生巨大的影響，同時也是保證產品研發“快、優、省”的技術基礎。

2.2 數字孿生技術在工業產品全生命周期管理中的應用

裝備制造的相關技術，從來就是貫穿產品的全生命周期，即產品的設計、生產、銷售、運行、維修保養、回收等全過程。利用數字孿生技術進行產品全生命周期管理，會大量運用到數字化制造和數據管理方面的相關技術。數字化制造的相關技術包括數控技術、CAD、CAPP、CAM、CAE、CAT、成組技術、MRP/MRPⅡ等；數據管理方面的相關技術包括大數據技術、云計算、邊緣計算，產品數據管理（PDM），產品全生命周期管理（PLM）等。

a）產品設計（研發）階段

利用基于模型定義技術（MBD），能夠實現高效、標準的產品全生命周期各階段數據定義及數字化表達，是實現數字攣生體構建的關鍵技術。MBD技術充分體現了產品的并行協同設計理念和單一數據源思想，而這也正是數字孿生體的本質之一。

產品定義模型主要包括兩類數據：一類是幾何信息，也就是產品的設計模型；另一類是非幾何信息，存放于規范樹中，與三維設計軟件配套的PDM軟件負責存儲和管理該數據[3]。

b）產品制造階段

在生產制造階段，除了實現基于產品模型的生產實測數據監控和生產過程監控外，利用數字孿生技術，還可達到基于生產實測數據的智能決策與分析，實現對實體產品生產過程的動態控制與優化，達到虛實融合、以虛控實的目的[3]。

c）產品服務階段

在產品服務階段，通過數字孿生技術，可以對產品的運行狀態進行跟蹤和監控，并可根據產品使用狀態、使用和維護等相關記錄數據，對產品的健康狀況進行預測與分析，可以實現對產品潛在質量問題進行預警。

3 數字孿生技術在飛機級設計驗證中的應用

3.1 飛機設計驗證中的集成試驗

飛機級集成試驗面向飛機產品，集成全機系統物理/模型產品，在模擬或者真實飛機系統構型條件下，支持滿足飛機飛控、液壓、起落架、高升力、電源系統單獨的研發試驗和多系統集成驗證試驗，承擔適航驗證試驗，服務于飛機產品取證、運營和系列化發展。

但是，傳統的飛機級集成試驗也面臨一些挑戰，主要有：（一）常規的物理試驗測試驗證滯后于設計過程，當設計構型凍結后才能提供合適的物理試驗環境，設計缺陷往往在物理試驗后才能發現。設計和試驗的迭代周期長、成本高，嚴重拖延項目進度，造成項目風險較高；（二）由于條件限制，物理試驗臺試驗能夠分析的問題有限，無法完全模擬飛行包線內所有的飛行環境和飛行狀態，一些安全隱患只有通過試飛甚至飛機運營后才能被發現，給飛機運營造成一定的潛在風險；（三）系統之間的交聯耦合越來越復雜，導致綜合集成測試驗證的技術難度提高，成本加大，某些極限試驗條件的試驗環境具有高危性[12]；（四）面向飛機的集成試驗系統，一般都采用一套物理試驗件，試驗樣本量偏少，構型單一，以點代面的試驗結果，對型號試飛和運行支持帶有一定的片面性。

3.2 數字孿生技術應用于飛機級集成試驗

在飛機設計驗證領域應用數字孿生技術，構建多領域、多層級的復雜系統虛擬樣機原型，據此將技術指標需求、總體方案框架、詳細設計，算法的設計與軟件代碼實現，產品實現、系統綜合測試連同圍繞產品的各層級驗證過程平滑無縫地聯系在一起，從而開展各環節彼此之間的密切合作，及早發現產品研制各階段潛在的缺陷并在產品研制的早期階段予以處置和解決，避免由此而產生的巨大成本。

由于數字孿生技術可以從項目研制之初就啟動，對比于常規的物理驗證，可以達到“早試驗、早發現問題、早優化”的目的。

另外，利用物理集成試驗平臺，辨識并修正系統虛擬樣機模型，提高飛機系統模型的置信度。虛擬和物理兩種驗證方式的并存，可以在飛機層面形成“純虛擬”、“虛-實同步”和 “虛-實融合”等三種試驗方式，這樣就讓有限的物理試驗平臺轉變成完整的飛機，可以開展基于飛行任務場景的驗證試驗，同時，通過虛擬試驗方式，可以針對飛機特定飛行環境或故障環境，完成以飛機為對象的物理試驗所不能完成的試驗任務。

“純虛擬”試驗方式：是貫穿飛機型號研制全過程，并隨著型號研制階段的向前推進，不斷升階完善的試驗方式，始終支持型號研發，為型號各階段工作帶來技術支持，可以完成需求、系統架構設計、功能接口定義、物理接口定義、物理性能/信息/能量/流體設計等驗證工作，并可以針對飛行任務場景開展集成試驗驗證和運維完善技術支持。它也是數字孿生技術在型號研發和全生命周期管理的終極目標，是實現飛機型號設計和驗證智能化的基礎。

“虛 實同步”試驗方式：是以驗證數字模型為目的的試驗方式，可以涵蓋系統附件、子系統和系統。

“虛 實融合”試驗方式：主要是以彌補物理試驗系統的局限性，即將物理試驗系統沒有的并與之相關聯的其他系統，用數字孿生體的方式進行替代并與之疊加，使有限的物理試驗系統得到更大的擴展，實現與飛機上真實使用更為逼真的試驗方式。

圖3所示，為數字孿生體、物理孿生體和飛機之間的相互關系。

圖3 數字孿生體與物理孿生體及飛機的關系

3.3 數字孿生體在飛機型號研制過程中的升階關系

飛機型號研發過程，是一個“需求捕獲→概念設計→初步定義→詳細設計→生產試制→試飛取證→交付運營”的過程，在每一個階段，都有其特征和特殊的數學描述，都可以用數字孿生技術來表達，為了降低研制風險，加快型號成熟度，飛機數字孿生體也是要伴隨著型號研制各個階段而建立、升級、轉換，以同步達到型號研制的目的。

針對不同研制階段，按照階段任務特點，其升階邏輯關系如圖4所示，具體表現在設計成熟度提升的驗證和集成成熟度提升的驗證兩個方面。

3.4 數字孿生體的總體架構

為了滿足型號研制不同階段的驗證需要，必須在型號研制之初，就著手同步建立基于數字化模型的驗證體系，形成數字孿生體的總體架構如圖5所示。

圖4 數字孿生在飛機歷程的升階關系

圖5 數字孿生體總體架構

該體系架構中，必須包括規范、知識、工具、過程、應用等五個方面。

3.5 數字孿生體的模型開發和構建

基于數字孿生技術應用的虛擬樣機模型開發，涉及虛擬樣機構建、信號處理算法快速仿真驗證、代碼生成、聯合仿真與系統綜合實驗等具體內容。飛機全系統虛擬樣機將主要分為以下三個層級進行構建：

整機級：該層級樣機主要用于對飛機整機的綜合系統行為及性能進行建模和仿真，通過調用各分系統的模型及目標模型庫和環境參數庫（用于場景標定及虛擬）中的模型。

系統級：該層級樣機主要用于對飛機的分系統進行行為及性能的建模和仿真，通過調用各分模塊的模型及目標模型庫和環境模型庫中的模型。

子系統級：該層級樣機主要用于對構成分系統的模塊進行功能及性能建模和仿真，通過調用各專業室模型庫中的現有功能及性能模型，以及各種算法庫的算法。

圖6表示了飛機數字孿生體模型和開發過程，左側從上至下為項目研發的四個階段，依次為預研及項目需求階段、總體設計階段、分系統設計與實現階段和集成測試驗證階段。各階段都基于虛擬樣機來規劃產品開發項目并指導具體工作的進行，包括以虛擬樣機描述需求、以虛擬樣機設計算法、以虛擬樣機自動生成代碼及以虛擬樣機進行系統仿真和系統綜合測試等。

圖6 基于虛擬樣機的數字孿生技術開發過程

a）項目需求階段目標

建立一套初步的可執行的飛機級虛擬樣機，使之與任務書給出的技術指標等需求逐項對應，從而保證通過各層級的虛擬樣機確保各項需求的落實。

b）虛擬樣機總體設計階段目標

進一步豐富和完善飛機級虛擬樣機，并通過仿真驗證確認在不同環境下系統總體設計結果可以滿足任務書提出的系統各項技術指標要求。根據形成的飛機級虛擬樣機，可以形成統一的從上至下的開發環境，保證模型架構和數據接口向下游專業傳遞。

c）虛擬樣機分系統設計與實現階段目標

根據飛機級虛擬樣機總體架構，開展各分系統的詳細設計工作，并形成分系統逐步細化的虛擬樣機，據此開展各分系統內部的仿真、跨系統聯合仿真和產品實現工作。

d）虛擬樣機集成測試驗證階段目標

通過各層級細化的虛擬樣機完成模型在環、軟件在環、硬件在環等各類集成驗證與測試工作，并開展基于虛擬樣機的虛擬集成試驗驗證，從而切實保證最終交付的產品能夠滿足既定性能指標要求。

在上述過程中，復雜系統虛擬樣機發揮著至關重要的作用并隨著型號研制過程的開展而逐步細化和完善，并形成對飛機最終實物產品的數字化映射，實現基于數字孿生技術的飛機級集成試驗驗證新方法。

4 需要解決的幾項關鍵技術

4.1 面向飛機級集成試驗驗證的數字孿生技術體系

建立整個基于數字孿生技術的虛擬工程樣機的應用體系，該應用體系既包括相關軟硬件工具的引入，也包括建模、驗證確認、仿真分析等業務流程及標準規范的建立。只有這樣，才能確保虛擬工程樣機的應用工作融入到整個產品的研制過程中，成為整個產品研制過程不可或缺的一個環節，并促進模型庫中模型對象的不斷豐滿、完善與成熟。

整個虛擬工程樣機體系的建立主要包括兩個方面的工作：

a）建立與實施虛擬工程樣機相適應的體制機制，包括業務流程、標準規范等的定義，組織與人員角色等的確定。

b）實施、定制、部署虛擬工程樣機應用所需的信息化軟硬件環境。包括建模與仿真工具的引入及本平臺模型驗證（VV&A）模塊定制開發等工作。

為了構建有效的虛擬工程樣機應用體系，需要建立虛擬工程樣機相關的業務流程，詳細定義各個業務流程包括的環節，各個環節之間的信息輸入輸出關系，各個業務環節的參與人員角色及需使用到的工具軟件等內容，并對這些業務流程在本平臺VV&A模塊中通過標準化模板的建立進行固化。

在上述業務流程定義的基礎上，還需要對虛擬工程樣機業務流程中開展的各環節對應活動需遵循的標準規范進行定義。需定義的標準規范包括：

a）分析模型的編號、命名及版本控制規范；

b）面向功能的產品結構節點的編號、命名及版本控制；

c）分析模型相關的描述文檔管理要求；

d）分析模型的保真度定義規范；

e）分析模型的成熟度管理規定；

f）仿真分析結果數據管理規范；

g）供應商VV&A數據包接口及交互規范；

h）適航審定標準對接管理規范；

i）適航審定仿真數據包管理及發布規范。

4.2 飛機架構模型設計

需要在既有當前系統設計所形成的寶貴經驗與知識的基礎上，結合實際組成及工作過程，分析并定義復雜系統總體架構及其各組成部分之間的數據流轉關系，參照實物接口與時序關系，通過對系統及其分系統連通關系、靜態屬性、動態特性等要素進行梳理、分析，重點解決系統總體及分系統建模、多領域建模、控制與顯控界面設計等關鍵技術問題，進而通過各部分組成的虛擬樣機反映總體需求及對應方案、系統各組成部分之間工作時序、系統總體參數等通用設計要求。

a）架構設計

按照飛機系統層級，自上而下，開展飛機/系統/分系統/附件等架構設計，定義各功能模塊及其接口形式、數據格式。在各功能模塊之間的接口保持不變的情況下，模塊內部可以根據型號研發階段的不同需求，逐步升階，進行模型替換，保證在型號研發過程中，系統架構的一致性。

b）多系統并行協同開發

多系統之間，必須基于統一的架構模型，并行開發系統模型，這樣，可以降低系統模型集成的難度，確保型號在各階段的協同仿真順利開展。

4.3 多系統模型集成

飛機機載系統的專用建模軟件種類繁多，由于使用習慣和建模軟件的特點，無法完全實現統一建模工具平臺，給模型集成帶來很大困難，需重點研究和突破模型集成技術，目前有兩種主流思路：

a）各專業仿真軟件遵守統一接口規范封裝模型。按照統一的接口標準協議進行模型封裝，如封裝為 FMU模型（Fuctional mockup unit）或 Matlab/Simulink支持的S-Function模型，以集成到統一的仿真計算環境中。

b）多專用仿真軟件的協同仿真。采用分布式聯合仿真協議，模型運行于各自的建模仿真軟件中，按照制定的數據通訊規則交互計算數據。[12]

4.4 相關模型參數辨識和驗證技術

模型仿真的計算數據與實際物理試驗測試數據的擬合度是評價數字孿生技術準確性的重要指標。計算數據是否準確，將直接影響數字孿生應用場景分析結果的可信度。因此，模型的計算結果通常必須按照特定的流程進行校驗，模型校驗流程如圖7所示。

圖7 模型校驗流程

模型校驗技術研究模型的校驗、驗證、確認方法和流程，確認已開發模型是否有效；驗證模型試驗結果是否可信。模型校驗技術需大量的試驗測試數據作為支撐，將試驗測試數據與模型計算數據對比分析，如圖8所示，紅色曲線表示試驗測試數據，藍色曲線表示仿真數據。根據誤差值的大小，確認虛擬集成試驗模型算法、參數取值、計算過程對某一特定虛擬集成試驗是否可接受。[12]

通過典型的Matlab軟件平臺，常用模型校驗方法如下：

a）單個總體N（μ，δ2）的均值μ的檢驗方法；

b）兩個正態總體均值差的檢驗；

圖8 物理試驗數據校驗虛擬試驗數據

c）分布擬合檢驗法；

d）中位數檢驗法。

5 結論

根據數字孿生技術的基本特性，考慮到飛機的系統復雜性和模型多樣性特點，可以建立能夠整合多種CAE專業仿真軟件工具平臺，通過構建統一的建模規范和標準，將各專業的模型集成起來，配和基于任務的飛機運行場景模型和環境模型，形成可以表達飛機不同研發階段目標任務的數字孿生體，可以為飛機的需求和各系統的功能、性能、架構設計、接口定義等提供驗證環境。在通過一定的物理試驗結果進行模型驗證后，數字孿生體可以和物理試驗平臺相結合，完成更為廣泛、更加復雜的飛機集成試驗任務，為民用飛機適航驗證和運維服務，提供更快、更經濟、更強有力的支持與保障。