數字孿生技術及在武器裝備工藝質量管理中的應用

孟小凈，張東生，王 瑋，楊 瑞，王文龍

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

0 引言

工藝質量技術是提高武器裝備質量的重要前提，提高武器裝備工藝質量是增強軍隊戰斗力的基本保證，是實現“能打仗、打勝仗”強軍目標的基石。在武器裝備研制、生產、使用和保障全壽命周期內通過對設計質量、工序質量、裝備質量等進行全過程工藝質量控制，建立良好的裝備工藝質量管理體系，能夠提高質量控制的有效性、經濟性，實現武器裝備質量目標。但是，目前傳統的裝備工藝質量管理方法在裝備全壽命周期的質量管理中還存在著一些問題，影響了裝備質量的提升。

為解決當前工藝質量管理在實際運用過程中存在的問題，可以將發展迅速的數字孿生技術應用到裝備工藝質量管理中來。采用數字孿生技術能夠在不同分系統單體間開展協同設計，及時發現設計問題，并提醒設計人員；在設計過程中判斷設計的正確性，在產品被實際制造出來之前預測成品質量，判斷其是否存在設計缺陷；對新技術、新材料進行分析判斷，證實其可行性預判波動，提前改善；對部分技術狀態進行控制，防止技術狀態偏離，確保產品輸出滿足輸入的要求；在驗證試驗和鑒定試驗中對裝備運行狀態進行監視，對質量問題發生時刻采集的數據進行分析，找出故障原因，并在數字孿生模型上對各糾正項進行科學評估，確定有效的解決方案；預測并快速發現質量缺陷趨勢，控制質量漏洞，預判何時出現質量問題，提出保障建議。

本文將對數字孿生的概念、國內外相關研究現狀進行介紹，對數字孿生與工藝知識的關聯進行分析，并對數字孿生在武器裝備工藝質量管理中的應用案例進行研究。

1 數字孿生的定義與內涵

關于數字孿生的定義國內外學者和研究機構根據所從事的研究領域給出了不同的定義，雖然定義的內容有所差別，但是表達的核心思想趨于統一，那就是物理模型與數字模型通過相應的技術手段實現融合。

數字孿生技術起源于歐美，隨著相關技術的發展其定義也在不斷完善。2009年AFRL(美國空軍研究實驗室)給出了機身數字孿生的定義：機身數字孿生是一個由分析工具、虛擬模型和數據組成的集成系統，可對機身進行全壽命周期的管理，并可實現故障診斷與預測；2010年NASA(美國航空航天局)在相關項目研究成果的基礎上提煉總結了數字孿生的定義：數字孿生是一個繼承了多尺度、多物理場和概率仿真的數字系統，通過高度逼真的物理模型、高效能傳感器和服役歷史來反映飛行系統的實際飛行狀態，實現虛擬模型與物理實體的互動；2017年IBM(國際商業機器公司)也給出了較為完備的數字孿生的定義：數字孿生是針對對象或系統在整個生命周期內的虛擬表達，并通過對采集到的實時數據來實現理解、學習及推理等行為。此外，USAF(美國空軍)、GE(通用電氣公司)、PTC(美國參數技術公司)、SAP(思愛普)等公司也給出了各自相應的數字孿生的定義。

國內對數字孿生的研究起步較晚，但是也取得了不錯的成績，并且學者們根據所研究的領域也給出了相應的數字孿生的定義。哈爾濱工業大學的劉大同等[1]指出數字孿生是在數字化平臺內根據具體的應用需求來建立并模擬物理實體、流程或系統，通過各種傳感器實時采集相關數據，并將相關數據反饋到統一的信息化平臺內，實現虛擬樣機隨著物理實體的變化做出相應的變化，建立虛擬樣機與物理實體之間的映射關系。北京航空航天大學的陶飛等[2]創造性地提出了數字孿生五維模型，并提出數字孿生體是一種信息與物理世界的雙向交互方式，能夠實現物理實體根據虛擬模型的優化指令進行輸出調整。北京理工大學的莊存波等[3]認為數字孿生體是物理實體在虛擬空間內的數字化映射和全要素構建，是一個多功能仿真模型。此外，北京航空航天大學的劉蔚然[4]、戴晟[5]、中科院自動化研究所的楊林瑤[6]等從數字孿生衛星、數字孿生的廣義與狹義定義、數字孿生的構成與發展等方面給出了數字孿生相應的定義。

通過對國內外數字孿生的定義進行分析，本文給出了數字孿生的定義：數字孿生是通過傳感器對物理實體與數字模型建立映射關系，通過實時測試數據、歷史數據和仿真分析來監測和預測物理實體的狀態，并可對物理實體的行為進行調控，同時將物理實體的相關參數作為數字模型的輸入，通過對參數的實時調整可實現數字模型的優化。

2 數字孿生的發展現狀與趨勢

數字孿生這一概念最早出現在2003年，由Grieves在產品全生命周期管理課程中首次提出，隨后又將其定義為2個空間之間的映射，作為一種范式進行詮釋和應用[7]。2011年，美國空軍研究室首次提出了基于概念型飛行器的數字孿生體概念，并與NASA合作將數字孿生運用到下一代戰斗機和月球車的設計當中，大大提高了設計效率和可靠性。2013年美國國防部將數字孿生技術用于航空航天飛行器的健康維護與保障中，成功實現了飛行器的結構狀態評估。2014年至2016年期間，Cerron等首次提出數字孿生有限元模型，同時Grieves首先提出數字孿生的實現模型；Rosen提出數字孿生的實現方式，即模塊化-連通性-自治-數字孿生；通用電氣為部分IT裝備制造了數字孿生器件以方便對關鍵件的狀態管理；GE開發了用于飛機起落架的數字孿生技術，以幫助預測早期故障或診斷起落架的剩余生命周期；西門子在載人和無人飛行器的電推進裝置等部件上實現了數字孿生功能；一些學者在美國空軍研究室提出概念的基礎上進行了補充和完善，例如Rios等認為數字孿生的界定不能僅限于某些特殊復雜設備，而應該面向更加廣泛的產品，Gabor等提出將專家知識等定義到數字孿生中，以實現對物理實體的精準模擬，Kraft提出將數字孿生應用于產品生命周期中的建模、知識及工具管理方面，Schroeder等使用數字孿生技術來模擬工業設備的虛擬部分，并提出一種基于網絡服務的架構，以方便訪問數據。

高德納公司于2017-2019年連續3年將數字孿生列為當年十大戰略科技發展趨勢之一。洛克希德馬丁公司在2017年11月將數字孿生列為航天工業和未來國防六大高端技術的首位。2020年5月，微軟公司、戴爾公司等宣布成立數字孿生聯盟，主要目的是制定數字孿生路線圖以及行業應用指南，并開發相關數字孿生標準[8]。

在建模、仿真、系統工程以及其他使能技術的推動下數字孿生技術得到了快速的發展，先后經歷了技術準備期(1960-2002年)、概念產生期(2002-2010年)、領先應用期(2010-2020年)，未來數字孿生將進入擴展應用期(2020-2030年)。其中，數字孿生的準備期，主要是CAD/CAE建模仿真、傳統系統工程等預先技術的準備；數字孿生的概念產生期，是指數字孿生模型的出現以及英語術語名稱的確定，這段時間的預先技術繼續成熟，出現了仿真驅動的設計、基于模型的系統工程等先進設計范式；數字孿生的領先應用期，主要指NASA、美軍方和GE等航空航天、國防軍工機構的領先應用，這段時間也是物聯網、機器學習、大數據、云計算、區塊鏈等外圍使能技術的準備期；數字孿生技術的深度開發和大規模擴展應用期，是以航空航天為代表的離散制造業，是數字孿生體概念與應用的發源地，目前數字孿生技術的開發正與外圍使能技術深度融合，其應用領域也正從智能制造等工業化領域向智慧城市、數字政府等城市化、全球化領域拓展。

國內針對數字孿生的研究和應用較晚，大規模的研究和應用始于2017年。某學者等嘗試了使用數字孿生理念對一條中空玻璃生產線的設計進行多目標優化。某研究團隊在智能制造方面提出了建立數字孿生車間的理論和應用架構，并嘗試建立了一間基于數字孿生技術的數字孿生車間，在制造工藝規劃、生產物流配送、虛擬裝配、產品測試和檢測、質量分析、故障預測與健康管理等方面進行了應用探討，并在某電廠發電機組智能健康管理中得以成功應用[9]。某設計研究院探索將數字孿生技術應用于艦船型號研制中的產品設計、輔助決策、健康管理等方面，并提出了應用思路。某研究團隊在原有數字孿生“三維模型”的基礎上，提出了“五維模型”以及十大領域應用的探討，并給出了通用的參考架構，完成了產品數字孿生體系結構的建立[10]。

2019年某公司數字孿生體實驗室發布了數字孿生體技術白皮書，首次提到完整的數字孿生需要經歷數化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程，并提出“數字孿生體是仿真應用新巔峰”這一論斷，體現出了仿真在數字孿生中具有非常重要的作用。通過對數字孿生戰場、數字孿生產業、數字孿生制造以及數字孿生城市等場景的實例化論述，為我們細致深入地了解數字孿生奠定了堅實的基礎。此外，國內的多個民營科技企業已在數字孿生領域進行了實踐，獲得了良好的效果。

目前我國發表了大量關于數字孿生的論文，但是對數字孿生的研究大都還處于理論研究階段，如何將數字孿生應用到具體的工程實踐中，還需要進行更深入的研究。歐美等發達國家對數字孿生的應用尤其是在軍工領域已經有了很好的解決方案，例如達索系統、西門子等公司都具備了數字孿生成熟解決方案的能力。所以，數字孿生是一項“前途無量”的技術，需要科研院所、高校、企業等多方聯合發力，必要時還需要國家的推動，將推動數字孿生在武器裝備全生命周期內的應用，提高武器裝備的制造效率、可靠性，實現武器裝備質的提升。

3 數字孿生與工藝知識的關聯分析

對于產品尤其是武器裝備而言，工藝是與產品質量和生產效率息息相關的專門知識，數字孿生體現了工藝知識的沉淀，能夠有效地提升核心工藝能力。如何將工藝知識發揮到最大的作用，許多學者開展了工藝知識挖掘研究，最有效的手段是借助數字孿生，可為工藝知識的挖掘提供強有力的數據與技術支持。借助產品數字孿生體和實物模型，能夠把產品在整個生命周期內的數據反饋或映射到虛擬空間中，隱含的工藝知識可以通過數據挖掘技術挖掘出來，通過數字孿生技術對產品的整個生產制造全過程進行工藝管理與指導。北京航空航天大學的于勇對面向數字孿生的工藝知識挖掘進行了較為深入的研究，基于數字孿生的工藝知識挖掘流程如圖1所示[11]。

圖1 基于數字孿生的工藝知識挖掘流程

基于數字孿生的工藝知識挖掘能夠對行業工藝設計知識和工藝設計經驗進行有效的總結和挖掘，使工藝管理的應用不斷深化。利用數字孿生可以將產品在運行維護階段的狀況(質量狀況、技術狀態、使用狀況、產品形態)等數據通過虛擬空間進行記錄，并能夠將產品在運行維護階段的相關數據追溯到相應產品的工藝過程。此外，還可以通過數字孿生手段提煉和挖掘相關工藝知識，為產品工業設計的改進和優化提供有效的知識支持。

4 某武器裝備電控系統數字孿生工藝質量管理研究

基于數字孿生的武器裝備工藝質量管理解決方案涉及到工藝管理、質量管理、生命管理、追溯管理、合規管理幾個方面，將武器裝備的各個過程信息透明化，一旦發現目標偏離則及時進行干預和處理。數字孿生技術可按照數據保障→建模計算→功能監督→沉浸式體驗的流程進行建立，從建模計算開始，每一項技術都是相互關聯的。

以某裝備電子控制系統為研究對象，通過基于過程的方法(PDCA)和基于風險的思維，對其研發設計、生產制造以及運行使用工藝過程進行研究，剖析數字孿生技術提升裝備工藝管理的方法和途徑。

4.1 研發設計階段

在電控系統研發設計階段，設計的準確性可以通過數字孿生技術來協助實現，并可以驗證電控系統在真實操作環境下的相關性能。在需求的驅動下，建立基于模型的系統工程電子控制系統研發模式，實現“需求定義-系統仿真-功能設計-邏輯設計-物理設計-設計仿真-實物驗證”的全閉環管理。

4.2 生產制造階段

在電控系統生產制造階段，數字孿生可確保電控系統生產的高效、高質量和低成本。將電控系統信息、工藝過程信息、工廠產線信息和制造資源信息通過結構化模式組織管理，達到電控系統制造過程的精細化管理，基于電控系統工藝過程模型信息進行虛擬仿真驗證，同時為制造系統提供準確輸入?；谔摂M的制造環境來驗證和評價電控系統裝配制造過程和裝配制造方法，通過電控系統的三維模型和生產車間的模型來實現。在電控系統生產之前，就可以通過虛擬生產的方式來模擬電控系統生產過程，可以對生產過程中所出現的一些問題進行預判，將生產過程中的數據進行記錄與分析，并實現對生產過程的可視化監控，對出現的問題及時發現并進行快速的調整，確保產品質量滿足實際需求。

4.3 運行使用階段

在電控系統的運行使用階段，對其工作狀態和異常情況進行判斷，及時發現電子控制系統故障，并進行故障隔離，防止故障的進一步擴散和惡化，使故障診斷率達到100%。根據電控系統架構，故障診斷主要分為芯片級、板卡級和組件級，芯片檢測實現芯片級的故障診斷功能，板級診斷單元和數字總線實現板卡級的故障診斷功能，維護測試總線和機箱診斷單元實現組件級的故障診斷功能。故障診斷過程涉及IC檢測技術、數據處理技術、通信技術、診斷算法、故障隔離、維修策略、系統重構等技術?；跀底謱\生的電子控制系統故障診斷原理如圖2所示。

圖2 基于數字孿生的電控系統故障診斷原理

通過IC檢測技術獲取芯片的特征參數，采用傳感器獲取板卡和機箱的特征數據，通過維護測試總線進行數據共享上報。根據采集的實時數據、電子控制系統的歷史數據及領域知識等可對虛擬電子控制系統的幾何-物理-行為-規則多維虛擬模型進行構建，實現對物理電子控制系統的虛擬映射，基于模糊理論和神經網絡建立綜合電控箱的數字孿生模型。在系統運行過程中，數字孿生模型通過高速網絡與綜合電控箱實體完成溫度、電壓、電流和通信等數據的實時交互，交互后數字孿生模型生成故障信息，并通過孿生機終端進行可視化三維顯示。當發生故障時，系統能夠根據當前資源完成故障隔離、系統重構、維修預警等。

5 結論

提高武器裝備的工藝管理水平，能夠提升武器裝備的質量，為“能打仗、打勝仗”提供有力的保障，因此從根源上提升武器裝備的工藝質量迫在眉睫。隨著技術的發展，數字孿生技術也日趨成熟，將在武器裝備工藝管理方面得到應用，能夠有效地解決目前裝備工藝質量管理水平不高的問題，并推動各領域核心關鍵技術的快速發展。因此，可以預見數字孿生技術將在推動裝備智能化、高效工藝管理等方面擁有巨大的應用前景。