為探索數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費(fèi)用管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景,分析了數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)概念和特點(diǎn),以及將其引入裝備全壽命費(fèi)用管理的動(dòng)因。從降低研發(fā)費(fèi)用、優(yōu)化生產(chǎn)制造成本、提高運(yùn)行維護(hù)效益、構(gòu)建全壽命費(fèi)用管理閉環(huán)等方面,闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命周期費(fèi)用管理領(lǐng)域應(yīng)用的基本構(gòu)想。在此基礎(chǔ)上,給出了數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費(fèi)用管理應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和對(duì)策。研究成果可為促進(jìn)裝備全壽命費(fèi)用管理工作信息化、智能化發(fā)展,以及提高裝備經(jīng)費(fèi)使用效益提供思路借鑒。

數(shù)字孿生是一種以大數(shù)據(jù)、人工智能和仿真建模等為基礎(chǔ)的多學(xué)科集成技術(shù),它采用數(shù)字化方法建立表征物理實(shí)體的虛擬模型,并通過(guò)仿真分析模擬物理實(shí)體的現(xiàn)實(shí)活動(dòng),綜合運(yùn)用虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策過(guò)程迭代優(yōu)化等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)從物理實(shí)體到虛擬數(shù)字模型之間的交互融合和智能控制。作為一個(gè)連通物理環(huán)境和虛擬世界之間的紐帶技術(shù),近年來(lái),數(shù)字孿生日益引起各界重視,尤其是在軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用,呈現(xiàn)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭,波音、諾格、達(dá)索、空客等國(guó)外軍工巨頭紛紛積極推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的落地運(yùn)用,在武器裝備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)試制、運(yùn)行保障等方面,都獲得了一定進(jìn)展,代表了目前數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新前沿。數(shù)字孿生技術(shù)作為有效解決方案,能夠在產(chǎn)品壽命周期的全過(guò)程中,提供更為及時(shí)、快捷、智能的信息服務(wù),因此,其在裝備全壽命費(fèi)用管理領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。為了充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)越性,并賦能武器裝備全壽命費(fèi)用管理工作向信息化、智能化方向發(fā)展,本文從數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)入手,深入探討分析其在裝備全壽命費(fèi)用管理領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用前景,為促進(jìn)武器裝備高質(zhì)量、低成本發(fā)展,提出了新的思路。

1 數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)

1.1

數(shù)字孿生概念演進(jìn)

1992年,耶魯大學(xué)教授Gelernter在其著作《鏡像世界》中,描繪了一種完全以軟件定義的虛擬世界。盡管當(dāng)時(shí)還未明確提出數(shù)字孿生這一名詞,但其含義和后來(lái)對(duì)數(shù)字孿生的定義已經(jīng)相當(dāng)相似。作者在書中指出的鏡像世界,是由大量代表真實(shí)世界實(shí)體和運(yùn)動(dòng)的軟件所組成的龐大模擬系統(tǒng),它運(yùn)行于虛擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境中,利用海量數(shù)據(jù)源源不斷地涌入模型,模擬了真實(shí)世界中每時(shí)每刻的運(yùn)動(dòng)。

2002年,美國(guó)學(xué)者Grieves在密歇根大學(xué)和國(guó)家宇航局的講座上,第一次明確提出了數(shù)字孿生(Digital Twin)概念,并指出,針對(duì)日益增多的復(fù)雜實(shí)體系統(tǒng),為了預(yù)測(cè)并優(yōu)化其系統(tǒng)特性,可以在虛擬空間建立一種與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型,并利用動(dòng)態(tài)信號(hào)使之和產(chǎn)品物理實(shí)體聯(lián)系在一起,以幫助人們更好地認(rèn)識(shí)產(chǎn)品實(shí)體與其背后包含的復(fù)雜信息之間的關(guān)聯(lián)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科技條件以及數(shù)據(jù)收集能力的限制,數(shù)字孿生在早期僅作為一種顛覆性的概念。在接下來(lái)的十幾年中,隨著大批虛擬開(kāi)發(fā)工具的不斷涌現(xiàn),產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和維修等過(guò)程都受益于信息技術(shù)發(fā)展,不僅實(shí)現(xiàn)了用超現(xiàn)實(shí)的方式描繪物理實(shí)體的幾何細(xì)節(jié),還可以利用模擬仿真預(yù)測(cè)其特性。與此同時(shí),隨著大量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的使用,增加了對(duì)產(chǎn)品中運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集,也給數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新契機(jī)。2012年,在第53屆美國(guó)宇航協(xié)會(huì)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上,由美國(guó)宇航局的Glaessgen與美國(guó)空軍的Stargel共同發(fā)表文章,從學(xué)術(shù)上對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了定義。此后,美國(guó)空軍持續(xù)探索基于數(shù)字孿生的裝備研發(fā)/采購(gòu)模式,目的是改善復(fù)雜裝備研發(fā)效率和采購(gòu)經(jīng)濟(jì)性。西門子工業(yè)軟件公司也從2016年開(kāi)始,嘗試在工業(yè)4.0框架下使用數(shù)字孿生技術(shù),并在2017年底,成功推出了一整套數(shù)字孿生應(yīng)用模型,成了該技術(shù)的重要倡導(dǎo)和實(shí)踐者。

總的來(lái)說(shuō),在過(guò)去的近30年時(shí)間里,隨著摩爾定律導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)成本指數(shù)降低,數(shù)字化方法日益發(fā)展,從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)到基于模型的系統(tǒng)工程,模型設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)越來(lái)越可靠,應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛,工程師們一直在探索和追求一種以數(shù)字技術(shù)全面取代物理實(shí)體的全新開(kāi)發(fā)模式,數(shù)字孿生技術(shù)在此過(guò)程中得到了迅速發(fā)展。

1.2

數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)

數(shù)字孿生是對(duì)實(shí)體對(duì)象及流程的數(shù)字化復(fù)制,在復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行保障等全壽命周期過(guò)程中,可以實(shí)現(xiàn)信息在數(shù)字空間與物理空間之間的雙向共享交換與全面追溯,如

圖1 裝備數(shù)字孿生概念

1) 實(shí)時(shí)同步。數(shù)字孿生技術(shù)能通過(guò)三維數(shù)字模型將產(chǎn)品與其全壽命周期中的數(shù)字鏡像相互映射,最終達(dá)到虛擬世界與現(xiàn)實(shí)物理世界之間的同步與統(tǒng)一。孿生體和物理實(shí)體并存于物理和虛擬兩大空間。物理空間中產(chǎn)品不同階段形成的數(shù)據(jù)都能夠在虛擬空間中反映,并能夠保證二者的高度同步性與保真度,以便于人們利用虛擬世界發(fā)掘潛在問(wèn)題、啟迪新思路、持續(xù)尋求優(yōu)化提升。

2) 全面測(cè)量。通過(guò)分析測(cè)量結(jié)果逐步改進(jìn)改善,是工業(yè)領(lǐng)域的常用做法。無(wú)論是設(shè)計(jì)、制造還是服務(wù),都需要精確地測(cè)量物理實(shí)體的各種屬性、參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過(guò)物理傳感器反饋收集有限的直接數(shù)據(jù),然后使用大樣本庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法推理出某些原本無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)據(jù),從而達(dá)到全面測(cè)量的效果。

3) 便捷操作。數(shù)字孿生技術(shù)借助物聯(lián)網(wǎng)測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)和建模開(kāi)發(fā)等數(shù)字化手段,將現(xiàn)實(shí)物理設(shè)備的所有屬性都投射到虛擬計(jì)算機(jī)環(huán)境中,因而產(chǎn)生了便于拆解、復(fù)制、遷移、更改、刪除和反復(fù)使用的數(shù)字鏡像產(chǎn)品,這最大限度地拓展了使用者對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的認(rèn)識(shí)和操作空間,可以利用數(shù)字鏡像進(jìn)行模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬組裝,使許多受現(xiàn)實(shí)條件制約在物理實(shí)體上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作,都能在數(shù)字鏡像產(chǎn)品上得到實(shí)現(xiàn),從而為人們探索創(chuàng)新路徑、優(yōu)化產(chǎn)品功能帶來(lái)了極大便利。

4) 分析預(yù)測(cè)。目前使用的產(chǎn)品壽命周期管理方法,要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)和判斷難度很大,尤其是對(duì)隱藏在產(chǎn)品表面之下的各種問(wèn)題,要及早做出預(yù)判更是難上加難。而數(shù)字孿生方法通過(guò)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理和建模分析,并據(jù)此做出對(duì)產(chǎn)品歷史故障的診斷、當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)價(jià)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè),進(jìn)而將分析結(jié)果和各種可能性提供給決策者,全方位地支持管理決策。

5) 經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化。在傳統(tǒng)的制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理與服務(wù)保障過(guò)程中,經(jīng)驗(yàn)往往是一個(gè)模糊不清且很難掌握的知識(shí)形態(tài),人們很難將它當(dāng)作精準(zhǔn)判斷的理論基礎(chǔ)。數(shù)字孿生的另一個(gè)重要進(jìn)步就是可以利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段,將之前無(wú)法存儲(chǔ)的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化處理,從而提高了存儲(chǔ)、復(fù)制、編輯和遷移的能力。比如,可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法,針對(duì)大型儀器設(shè)備不同故障特點(diǎn)訓(xùn)練出數(shù)字化特征模型,再配以專家解決方案,使之成為一套在未來(lái)精確判斷和解決設(shè)備故障的基本理論,為自治化的智能檢測(cè)和故障處理奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費(fèi)用管理中的應(yīng)用動(dòng)因

軍事需求、技術(shù)應(yīng)用和經(jīng)費(fèi)投入是武器裝備發(fā)展需要反復(fù)權(quán)衡的三要素,隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)樣式的不斷豐富,其對(duì)武器裝備的軍事需求也在不斷拓展。大量的高新技術(shù)的應(yīng)用,使裝備復(fù)雜程度日益提高,裝備發(fā)展所需的費(fèi)用也在不斷上漲。全面提高裝備經(jīng)濟(jì)性水平,實(shí)現(xiàn)以較低的壽命周期費(fèi)用滿足裝備建設(shè)需要,是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高速度、可持續(xù)發(fā)展的必由之路,也是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)軍目標(biāo)的必然要求。裝備壽命周期費(fèi)用管理是對(duì)裝備建設(shè)全過(guò)程進(jìn)行整體運(yùn)籌和科學(xué)決策的一種管理方法,為我們實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了理論支撐。然而,在管理實(shí)踐中,人們逐漸發(fā)現(xiàn),實(shí)施全面控制和預(yù)測(cè)是全壽命費(fèi)用管理的基本特征和根本保證,而全面控制需要全面的測(cè)量、準(zhǔn)確的分析和及時(shí)的反饋,全面預(yù)測(cè)需要全面的數(shù)據(jù)采集、科學(xué)的建模和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的積累。傳統(tǒng)壽命周期費(fèi)用管理在成本設(shè)計(jì)與優(yōu)化、成本消耗過(guò)程監(jiān)控與評(píng)估等方面面臨一定的挑戰(zhàn),亟待引入新的技術(shù)進(jìn)行解決,數(shù)字孿生技術(shù)獨(dú)特的實(shí)時(shí)同步、全面測(cè)量、便捷操作、分析預(yù)測(cè)以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化等特點(diǎn),能夠與裝備全壽命費(fèi)用管理需求相吻合,將其應(yīng)用于裝備全壽命費(fèi)用管理領(lǐng)域特定場(chǎng)景,將有望豐富管理方法手段,大幅提升管理效益。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費(fèi)用管理中的應(yīng)用構(gòu)想

3.1

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)降低武器裝備設(shè)計(jì)研發(fā)費(fèi)用

設(shè)計(jì)研發(fā)是根據(jù)研制要求,通過(guò)論證、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,形成裝備解決方案的過(guò)程。根據(jù)全壽命費(fèi)用管理理論,設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程將決定裝備全壽命費(fèi)用的85%左右。同時(shí),在武器研制的后期以及實(shí)際應(yīng)用階段,糾正在設(shè)計(jì)階段工作缺點(diǎn)的總成本也將以指數(shù)級(jí)別上升。因此,該階段無(wú)疑是武器裝備壽命周期費(fèi)用管理的黃金時(shí)期,從裝備設(shè)計(jì)源頭入手控制壽命周期費(fèi)用,能夠達(dá)到事半功倍的效果。設(shè)計(jì)與研發(fā)階段的全壽命費(fèi)用管理,重點(diǎn)包括兩個(gè)方面:一是在方案論證和技術(shù)分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)各種備選方案進(jìn)行全壽命費(fèi)用的評(píng)估和比較,在多方案之間進(jìn)行需求、性能、進(jìn)度、費(fèi)用之間的多維度權(quán)衡分析,進(jìn)而做出性價(jià)比最優(yōu)的決策;二是不斷加強(qiáng)對(duì)研發(fā)過(guò)程成本的跟蹤和管控,合理優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證方案,降低研發(fā)成本。

裝備的設(shè)計(jì)與研制是一個(gè)典型的復(fù)雜的系統(tǒng)工程,存在技術(shù)研發(fā)要求復(fù)雜、生產(chǎn)體系構(gòu)造復(fù)雜、應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)條件復(fù)雜、生產(chǎn)流程復(fù)雜、測(cè)試與維修過(guò)程復(fù)雜、質(zhì)量管理復(fù)雜、生產(chǎn)工作環(huán)境復(fù)雜等問(wèn)題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式以文檔為主導(dǎo),設(shè)計(jì)師通過(guò)文檔編寫、歸類、整理,完成思考和決策。由于這種模式無(wú)法全方位展示裝備的功能與性能特點(diǎn),難以完整反映裝備壽命周期過(guò)程中時(shí)間、空間、行為和資源經(jīng)費(fèi)等各種要素之間的關(guān)系,導(dǎo)致壽命周期費(fèi)用的預(yù)測(cè)評(píng)估與技術(shù)方案的耦合不夠緊密。在新的基于模型的系統(tǒng)工程架構(gòu)下,通過(guò)在設(shè)計(jì)研發(fā)階段構(gòu)建裝備數(shù)字孿生體,全面逼真地呈現(xiàn)裝備功能、特性,使設(shè)計(jì)人員可以數(shù)字孿生體為基準(zhǔn),進(jìn)行多學(xué)科數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同仿真與優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)從需求到性能再到經(jīng)濟(jì)性的全方位設(shè)計(jì),特別是能夠及時(shí)掌握技術(shù)變化導(dǎo)致的費(fèi)用成本差異,充分開(kāi)展費(fèi)用敏感性分析,有效促進(jìn)技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)同步管控,初步技術(shù)方案如

圖2 設(shè)計(jì)研發(fā)階段基于數(shù)字孿生的裝備壽命周期成本分析技術(shù)方案

在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中,傳統(tǒng)方式需要對(duì)試驗(yàn)方案、產(chǎn)品工況進(jìn)行長(zhǎng)期摸索,有時(shí)還需要根據(jù)極端工況要求建設(shè)新的試驗(yàn)條件,導(dǎo)致研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)和成本高昂?；跀?shù)字孿生技術(shù),裝備設(shè)計(jì)者可以將檢驗(yàn)方式從樣機(jī)測(cè)試、全物理樣機(jī)聯(lián)調(diào)轉(zhuǎn)換為高逼真度的模擬檢驗(yàn),還可以構(gòu)建滿足特殊要求的虛擬試驗(yàn)環(huán)境,利用數(shù)字化技術(shù)手段,不斷修改設(shè)計(jì)、診斷潛在風(fēng)險(xiǎn),從而極大地提高新型武器設(shè)計(jì)方案的可行性,并迅速驗(yàn)證新型武器的設(shè)計(jì)功能,縮短研發(fā)周期、有效降低研發(fā)費(fèi)用。在美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)過(guò)程中,構(gòu)建了結(jié)冰試驗(yàn)的虛擬試驗(yàn)環(huán)境,如

圖3 美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)冰虛擬試驗(yàn)環(huán)境

3.2

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化裝備生產(chǎn)制造成本

產(chǎn)品制造是企業(yè)整合相關(guān)資源,按照預(yù)定目標(biāo)從設(shè)計(jì)方案到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的物化過(guò)程。裝備全壽命費(fèi)用管理在生產(chǎn)制造階段的核心目標(biāo)是在訂購(gòu)目標(biāo)價(jià)格指標(biāo)內(nèi)完成產(chǎn)品生產(chǎn),并盡可能采取措施,優(yōu)化工藝、改進(jìn)流程、控制能耗、提升質(zhì)量,進(jìn)而全面提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,循序漸進(jìn)直到找到成本最優(yōu)的解決方案。

在重大裝備生產(chǎn)制造階段,基于設(shè)計(jì)研發(fā)階段的數(shù)字孿生模型,綜合利用仿真模型、實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和人工智能算法。如

圖4 基于數(shù)字孿生的裝備生產(chǎn)制造成本優(yōu)化方案構(gòu)想

一是建立產(chǎn)品數(shù)字孿生模型,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)零件加工狀態(tài)、預(yù)測(cè)成品質(zhì)量、識(shí)別設(shè)計(jì)缺陷,通過(guò)智能生產(chǎn)決策模型,根據(jù)上述預(yù)測(cè)與大數(shù)據(jù)分析結(jié)果更新相應(yīng)的生產(chǎn)解決方案并反映給實(shí)物生產(chǎn),進(jìn)而完成對(duì)實(shí)物生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制和優(yōu)化,以達(dá)到在虛擬空間中實(shí)時(shí)控制實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的目的。

二是構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)資源和環(huán)境的模型,將真實(shí)世界中檢測(cè)、生產(chǎn)進(jìn)度、物流情況等多方面的實(shí)際數(shù)據(jù),不斷傳輸至計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中,加以可視化處理,并進(jìn)行測(cè)量值與設(shè)定參數(shù)值、實(shí)際使用材料與設(shè)計(jì)物料、實(shí)際完工時(shí)間與預(yù)計(jì)完工時(shí)間等的多維度對(duì)比,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造流程、資源消耗的實(shí)施監(jiān)控和分析優(yōu)化。

良品率的不斷提高、材料利用率的不斷提升、工藝流程的不斷優(yōu)化都將有效降低裝備生產(chǎn)制造成本,為裝備全壽命費(fèi)用控制做出貢獻(xiàn)。

3.3

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提升裝備運(yùn)行維護(hù)效益

裝備運(yùn)行維護(hù)階段消耗的使用保障費(fèi)用,在整個(gè)壽命周期費(fèi)用中所占比重最大,是壽命周期費(fèi)用的主要組成部分,也是壽命周期費(fèi)用管理的關(guān)鍵點(diǎn)。盡管該部分有一定的“先天性”,但并不是說(shuō)在使用保障過(guò)程中這部分費(fèi)用是一成不變的,相反,由于裝備使用保障費(fèi)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律是內(nèi)在的,因此,需要在實(shí)踐中不斷加強(qiáng)分析和研究,并科學(xué)規(guī)劃、合理組織、加強(qiáng)管理才能在滿足裝備作戰(zhàn)需求的條件下,不斷提高裝備使用和保障的經(jīng)濟(jì)性。

在裝備運(yùn)行維護(hù)階段,構(gòu)建數(shù)字孿生體,在物理空間,對(duì)其位置、使用環(huán)境、設(shè)備健康狀況、功能履行情況、資源消耗等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控,獲取全方位的使用及保障數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)映射至虛擬空間;在虛擬空間,采用模型可視化技術(shù)實(shí)時(shí)模擬物理實(shí)體的使用流程,并結(jié)合本裝備及同類型裝備的使用、維護(hù)、維修保障歷史數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備性能、健康狀況、壽命期限的分析預(yù)判,針對(duì)可能發(fā)生的故障和質(zhì)量問(wèn)題發(fā)出預(yù)警,再綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理和技術(shù)方法整合維修資源、管控優(yōu)化維修計(jì)劃,以獲得最佳維修效果和經(jīng)濟(jì)效益。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視為例,通過(guò)構(gòu)建運(yùn)行維護(hù)階段發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷,并以離線方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)性化保障和視情維修,提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)隊(duì)完好率,降低運(yùn)行維護(hù)成本。

圖5 運(yùn)行維護(hù)階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)字孿生模型

3.4

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建全壽命費(fèi)用管理閉環(huán)

在退役報(bào)廢階段,裝備全壽命費(fèi)用管理的主要工作是整理和積累裝備各系統(tǒng)、全壽命各階段的經(jīng)費(fèi)數(shù)據(jù)資料,匯總計(jì)算裝備全壽命周期費(fèi)用的實(shí)際值,確定裝備殘值,控制報(bào)廢費(fèi)用。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以構(gòu)建裝備全壽命費(fèi)用數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù),這些都將為新裝備的建設(shè)提供直接支撐,形成了全壽命費(fèi)用管理的完整閉環(huán)。

4 挑戰(zhàn)與建議

通過(guò)上述應(yīng)用場(chǎng)景分析可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)在裝備全壽命費(fèi)用管理領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),將會(huì)面臨以下挑戰(zhàn),值得引起我們的重視。

一是組織管理方面的挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用本身就是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要進(jìn)行頂層規(guī)劃,階段推進(jìn),才能實(shí)現(xiàn)逐步落地并發(fā)揮作用。從國(guó)外推進(jìn)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,必須加強(qiáng)頂層的組織籌劃,搭建整體架構(gòu),從戰(zhàn)略層面制定明確的數(shù)字孿生應(yīng)用目標(biāo),統(tǒng)一可行的工作要求和工作標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件工具平臺(tái),整合集成共享的數(shù)字環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)。

二是數(shù)據(jù)獲取方面的挑戰(zhàn)。要發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在裝備全壽命費(fèi)用管理領(lǐng)域的潛能,數(shù)據(jù)是核心要素之一。目前為了獲得裝備整體或內(nèi)部的數(shù)據(jù),可以借助傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量,開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作。盡管隨著傳感器成本的下降,獲得數(shù)據(jù)變得容易,但考慮數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)、分析都要耗費(fèi)大量資源,因此必須進(jìn)行取舍,選取業(yè)務(wù)和經(jīng)濟(jì)性分析最需要的數(shù)據(jù),收集適量但足夠精確的有用信息是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的一大挑戰(zhàn),需要根據(jù)每個(gè)實(shí)際應(yīng)用的需求,確定數(shù)據(jù)收集的原則,進(jìn)行數(shù)據(jù)的取舍。

三是模型建立方面的挑戰(zhàn)。在虛擬世界運(yùn)行的其實(shí)是數(shù)字孿生的數(shù)學(xué)模型。要實(shí)現(xiàn)高逼真度的建模與仿真能力,需要構(gòu)建與裝備相關(guān)的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型,需要綜合應(yīng)用高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段,打通需求分析、裝備研制、使用保障各個(gè)環(huán)節(jié),充分運(yùn)用好當(dāng)前裝備科研生產(chǎn)過(guò)程中形成的大量數(shù)字資源或模型成果;在裝備的全壽命周期內(nèi)推動(dòng)建立基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析與管理方法,圍繞覆蓋裝備論證、研發(fā)、制造、維護(hù)過(guò)程中的系統(tǒng)工程活動(dòng),實(shí)現(xiàn)各類技術(shù)開(kāi)發(fā)和管理過(guò)程的可視化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)不僅能夠運(yùn)用人類現(xiàn)有理解與認(rèn)識(shí)創(chuàng)建虛擬模型,還能夠運(yùn)用仿真技術(shù)研究和預(yù)測(cè)未知世界,不斷啟迪人們的創(chuàng)造思維,發(fā)掘與尋求更好的解決方案。美歐一些軍工巨頭和軟件供應(yīng)商正根據(jù)各自發(fā)展需要積極開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生解決方案,盡管國(guó)內(nèi)在裝備建設(shè)領(lǐng)域針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于起步階段,但學(xué)界和工業(yè)部門正加速推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在武器裝備全壽命周期管理過(guò)程中的運(yùn)用。數(shù)字孿生技術(shù)為我們提供了一種實(shí)施裝備全壽命費(fèi)用管理的新途徑,具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值,我們應(yīng)抓住機(jī)遇,加快發(fā)展步伐,搶占有利先機(jī)。

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作者丨張大維

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