基于數字孿生技術的直升機質量管理應用方法探索

黃俊波，鹿澤倫，王 磊，趙子華

(陸軍裝備部航空軍事代表局駐天津地區航空軍事代表室，天津 300462)

0 引言

隨著計算機建模技術的迅猛發展以及軍事需求的強大推動，裝備的質量“精細化”程度越來越高，這得益于裝備質量管理體系的建設。在我國貫徹GJB9001C-2017《質量管理體系要求》的進程中，傳統的質量管控和監督工作難以實現科學、有效、迅速地掌握裝備的“實時質量”，而借助數字孿生技術在大數據、云計算、人工智能領域的發揮，將該技術應用到裝備質量管理的領域中，將獲得旺盛的生命力。

“數字孿生”的原型是2003年由美國密歇根大學Michael Grieves教授在其產品生命周期管理課程上提出的，他將產品的數字化過程定義為“與物理產品等價的虛擬數字化表達”。2011年，數字孿生概念由美國空軍研究實驗室提出并得到進一步發展[1]。2012 年，美國NASA發布“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖，首次明確定義了數字孿生的概念，作為對美國空軍研究實驗室開展數字化服務實踐的階段性總結。2016年之后，波音、羅羅、西門子、達索、洛克希德馬丁等公司組織開展了應用[2-3]。

1 數字孿生技術應用現狀

美國GE公司將數字孿生應用到其各種工業活動中。在電力領域，目前已建成先進且功能強大的發電廠數字孿生體，它集成了發電廠內各部件的分析模型，同時在實際發電廠內布置了3000至5000個傳感器，將測量的震動、溫度和壓力等參數實時上傳到數字孿生體中，以預測設備的健康狀態、磨損情況和性能。在航空領域，GE公司的多型渦扇發動機和渦槳發動機采用數字孿生技術進行預測性維修服務，根據飛行過程中傳感器收集的大量飛行數據、環境和其他數據，通過仿真可完整透視實際飛行的發動機實際運行情況，并判斷磨損時間，實現監控。與此同時，GE的數字孿生體在其開發的PREDIX工業云平臺上運行，可以獲取海量數據，同時管理和運行分析模型。洛克希德·馬丁公司生產的F-35，通過數字孿生技術設計3D精確實體模型，用于數控編程、坐標測量儀和工具制造，實現了前所未有的部件裝配首次成功率，極大地減少了返工次數[4]。法國達索公司提出了數字孿生技術未來將應用于航空、礦業、城市規劃等各種領域，在其3D Experience平臺上對復雜產品的特點和行為進行建模、模擬和可視化。西門子公司在產品的生命周期的各個階段有不同的表現形式，在產品設計、制造和運行維修階段分別使用了支撐數字孿生運行的環境。美國參數技術公司建立了工業物聯網連接平臺，可將各種工業設備連接起來，通過大數據和預測分析技術進行產品的故障診斷，提高產品實際運行時間[5]。數字孿生在航空平臺設計、制造、維修領域的模型如圖1所示。

圖1 數字孿生在航空平臺設計、制造、維修領域的模型

通過對國際上先進工業體系的學習和技術的借鑒，我國在數字孿生技術領域也逐步開始布局，使其在航空、航天、艦船、裝備等復雜工業體系中得到了初步的應用。同時，數字孿生與工業大數據、云計算、人工智能、虛擬現實等技術相互支撐、相互促進，在協助研究人員對復雜系統監測、診斷、預測、管理等領域必將得到全面的應用[4-6]。圖2為商用航空發動機生產系統數字孿生模型總體架構。

圖2 商用航空發動機生產系統數字孿生模型總體架構

中國航發商用航空發動機有限責任公司以某型發動機總裝裝配對接安裝關鍵過程為對象，采用數字孿生技術，通過對環境、工藝過程的物理對象建模，使用多傳感器進行模型與物理對象之間的數據映射與互聯，實現其與3D虛擬對接仿真過程的物理融合、模型融合、數據融合，實現真實對接過程與虛擬仿真的交互與協同，提高裝配效率及裝配過程一致性[7-9]。

中國船舶及海洋工程設計研究院基于數字孿生技術的基本理論，提出了數字艦船的總體框架，并探索了基于數字孿生的產品設計、輔助決策、健康管理等幾類應用設想，為進一步開展型號研制提供了理論和方法參考。數字化艦船具有面向艦船全生命周期，面向艦船全系統，面向多專業協同，面向上艦使用等技術特征[10]。物理艦船與數字孿生艦船的相互關系如圖3所示。

圖3 物理艦船與數字孿生艦船的相互關系

軌道交通工程信息化國家重點實驗室開展了面向數字孿生川藏鐵路的實體要素分類與編碼研究，在川藏鐵路廣域范圍內實體按照地理、地質、設施、氣象、生態、災害、人員七大類型，制定了統一編碼規則以及擴充方法，形成高維分類體系(圖4)，賦予其唯一的、無歧義的身份標識，實現川藏鐵路多維動態時空信息與實體要素之間的精確映射，為其數字孿生建設奠定了基礎[11]。

圖4 面向數字孿生的川藏鐵路實體要素分類體系圖

此外，一些國內高校也對“數字孿生”技術進行了研究和探討。哈爾濱工業大學提出數字孿生技術在復雜工業系統和復雜裝備領域的基本概念、應用前景、技術內涵以及發展趨勢，對其運行和維護領域的數字孿生體系、關鍵技術和技術挑戰等進行了探討[5]。西北工業大學提出由于航空發動機裝配工藝流程復雜、裝配精細化要求高、技術狀態多變等特點，容易造成采集數據不能夠真實、完整地反映物理現實，“文實不符”的情況難以杜絕，應通過數字孿生驅動航空發動機裝配技術[12]。北京航空航天大學提出產品創新設計中協同設計的關鍵技術包含三維標注模型的異構信息協同、基于知識推送的設計資源系統和基于數字孿生的設計信息和物理信息協同等[13]。

2 直升機裝備質量管理體系要點

2.1 直升機裝備的特點

直升機是以渦軸發動機為動力，以機電系統為能源，以航電系統為控制，以傳動系統為牽引，以健康監控系統為保障的綜合性、應用性、擴展性非常強的裝備平臺。作為典型的軍民兩用產品，可以廣泛應用在運輸、巡邏、旅行、救援、偵查、勘探、救援、防火、攻擊等多個領域。

2.2 質量管理體系

國家軍用標準GJB9001C-2017《質量管理體系要求》于2017年5月18日發布，2017年7月1日實施。該標準具有七大原則：以顧客為關注焦點，領導作用，全員積極參與，過程方法，改進，循證決策，關系管理。

直升機作為復雜的綜合系統平臺，在其論證、設計、生產、使用、維護、報廢的全壽命周期中均應該在我國質量管理體系運行機制下開展各項工作。通常按照PDCA循環以及始終基于風險的思維對其壽命周期的過程與整個體系進行管理，形成充分利用機遇并防止不良結果發生的狀態。

2.3 質量管理關鍵過程與監督過程的關系

關鍵過程一般包括形成關鍵、重要特性的過程，加工難度大、質量不穩定、易造成重大經濟損失的過程等。通過對關鍵過程的監視和測量，為生產和服務的質量提升起到重要的監督管理作用，助推產品的質量進步(圖5)。

圖5 關鍵過程的形成流程與監督關系圖

直升機裝備中機體結構、動力、旋翼系統、傳動系統和飛行操縱系統的關鍵件、重要件項目主要包括以下五大類：①槳葉、槳轂；②梁、蒙皮；③舵機和位移傳感器；④扭軸、搖臂、連桿；⑤螺栓、支座、接頭、卡環。這些部件的加工工藝過程中，原材料、機加過程、文實一致性、安裝過程均作為關鍵過程體現。同時這些過程在一定程度上代表了后續使用過程和維修過程的關鍵點。圖6為關、重件設計生產任務的數字孿生模型。

圖6 關、重件設計生產任務的數字孿生模型

3 數字孿生技術在監督管理中的應用

3.1 數字孿生技術的內涵

數字孿生的基本概念是指針對產品的生產或管理過程中的具體問題，通過仿真建模手段，實現對具體問題對象的數字化模型表達，并在數字化模型中模擬實現環境中的行為，進行數據交互，通過數據分析、預測等手段，解決具體問題的一種技術手段，其核心是模型和數據[13]。

由數字孿生在國內外裝備研制、生產、使用和保障中的研究與應用可知，數字孿生技術對提升裝備質量管理的方法、途徑是具有較強的先進性的，提出運用數字孿生技術提升我軍裝備數字化研制、生產質量管理是十分必要的。

3.2 監督過程中的數字孿生技術

數字孿生助推未來裝備科技發展有三大方向：數字集成、可視化展示、分析與預警[14]。這些發展方向將極大地支持對產品的質量監督管理工作：

1)數字集成化預示著產品不再是以實物的方式從器件、零件、組件、模塊、樣品、產品、系統堆積的過程，而往往是以全數字化的產品模型為出發點，通過組成單元的分解再組合，以數字化集成的方式進行設計和生產。如直升機重要件和關鍵件的機加過程，數字化模型的建立將極大地提高生產效率。

2)可視化展示不僅僅是為產品宣傳的附屬品，而且是將極大地在過程上協助設計師、工程師、施工人員來完成其工作的主要輔助工具。面對產品的模型可以清晰地了解產品的完成進度、質量，預測其可能的風險和缺陷。直升機裝備的關鍵過程中的可視化應用將更清晰、精確地展示部組件的壽命，狀態，磨損等指標。

3)分析與預警將在質量監督過程的風險管控中發揮極大作用，可以深度滲透到產品質量的各個方面，人、機、料、法、環、測都將需要更科學的分析決策和預測預警，減少或降低人為判斷有利于產品質量的科學管理。直升機裝備關鍵件、重要件的壽命和維修的需求將在預警功能中得以體現。

4 數字孿生在質量管理體系中的應用方向

4.1 直升機裝備全壽命周期中的數據與模型

數據的智能化，將給產業帶來靈魂和生命，這也是數字孿生的高階價值。以直升機發動機為例，航空發動機是結構復雜的鋼鐵實體，人工智能的核心是程序代碼。數字孿生技術可以將發動機裝進計算機，為航空發動機構建一個數字“雙胞胎”，再與人工智能算法結合形成“智能模型”。一方面，該模型可以輔助工程師優化航空發動機設計方案；另一方面，該模型還能夠實時預測發動機故障，優化發動機檢測頻率。

同時，直升機裝備在其隨機設備的研制和生產過程中同樣適用該數據模型的建立，特別是針對其故障率高、返修率高的產品，數據模型的挖掘和分析處理，不僅對新型號研制可以找出其薄弱環節，也可以為后期的售后服務提供有力的數據支撐。

4.2 基于數字孿生的數據與質量管理模型的開發

根據GJB9001C-2017對生產和服務中關鍵過程的控制要求，使用適宜的監視和測量資源不再是尺子、萬用表、天平等簡單工具，數字孿生的數據模型將帶領質量監督者進入到數字化的產品開發和生產一線，從基礎設施，施工環境，配備人員，原材料和輔助材料的采購存儲，計算機軟件，過程評審和批準，工藝流程，圖紙圖樣，標識，關鍵節點，溯源性等全方位提供數據接口。其信息格式、電子簽名、版本控制等數字化制造過程將成為主流(圖7)。

統計技術的應用正是數字孿生與大數據和人工智能的結合點，當質量監督者在獲取了統計技術為基礎的數字孿生模型后，可以充分使用其帶來的數字化效果和可視化效果，對全盤掌握產品全壽命流程中的風險點做到提前預判，不再是等到客戶提供返修、返工的產品，而是以更加提前的方式獲取了對產品質量的掌控，對風險的識別、分析、評定、處理將更快更合理。

圖7 質量管理體系與數字孿生技術的關系

5 結束語

數字孿生技術的出現及迅速發展為解決裝備質量管理問題提供了新的思路。盡管各大研究機構及相關企業都推出了各自的數字孿生理念，但實例化的應用尚未獲得實現，且對復雜裝備數字孿生的定義以及關鍵技術尚不完全明確，尤其是在復雜裝備狀態評估與預測領域，缺乏相應的體系支撐和關鍵技術引導。數字孿生技術體系涉及的其他關鍵技術，包括傳感器及傳感器融合技術、壽命預測技術、支撐試驗和驗證技術等，均與現實應用存在一定差距[15]。

本文通過總結數字孿生的誕生和發展，以及國內外在該技術領域的應用，以直升機裝備為對象，探討了其質量管理體系進程中的應用方向和技術應用點，探索了該技術的應用范圍的一個新方向。結合質量管理體系要求，提出了直升機裝備在執行國軍標過程中利用數字孿生技術的方法，對質量管理體系建設的“落地”進行了探討，在一定條件下可以為裝備質量提供更加科學的管理方案。