為探索數字孿生技術在裝備全壽命費用管理領域的應用前景,分析了數字孿生技術的基礎概念和特點,以及將其引入裝備全壽命費用管理的動因。從降低研發費用、優化生產制造成本、提高運行維護效益、構建全壽命費用管理閉環等方面,闡述了數字孿生技術在裝備全壽命周期費用管理領域應用的基本構想。在此基礎上,給出了數字孿生技術在裝備全壽命費用管理應用中的挑戰和對策。研究成果可為促進裝備全壽命費用管理工作信息化、智能化發展,以及提高裝備經費使用效益提供思路借鑒。

數字孿生是一種以大數據、人工智能和仿真建模等為基礎的多學科集成技術,它采用數字化方法建立表征物理實體的虛擬模型,并通過仿真分析模擬物理實體的現實活動,綜合運用虛實交互反饋、數據融合分析、決策過程迭代優化等技術手段,實現從物理實體到虛擬數字模型之間的交互融合和智能控制。作為一個連通物理環境和虛擬世界之間的紐帶技術,近年來,數字孿生日益引起各界重視,尤其是在軍事裝備領域的應用,呈現強勁的發展勢頭,波音、諾格、達索、空客等國外軍工巨頭紛紛積極推進這項技術的落地運用,在武器裝備的設計開發、生產試制、運行保障等方面,都獲得了一定進展,代表了目前數字孿生技術發展的創新前沿。數字孿生技術作為有效解決方案,能夠在產品壽命周期的全過程中,提供更為及時、快捷、智能的信息服務,因此,其在裝備全壽命費用管理領域具有巨大的應用潛力。為了充分發揮數字孿生技術的優越性,并賦能武器裝備全壽命費用管理工作向信息化、智能化方向發展,本文從數字孿生技術基礎知識入手,深入探討分析其在裝備全壽命費用管理領域的發展和應用前景,為促進武器裝備高質量、低成本發展,提出了新的思路。

1 數字孿生技術基礎

1.1

數字孿生概念演進

1992年,耶魯大學教授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。盡管當時還未明確提出數字孿生這一名詞,但其含義和后來對數字孿生的定義已經相當相似。作者在書中指出的鏡像世界,是由大量代表真實世界實體和運動的軟件所組成的龐大模擬系統,它運行于虛擬的計算機環境中,利用海量數據源源不斷地涌入模型,模擬了真實世界中每時每刻的運動。

2002年,美國學者Grieves在密歇根大學和國家宇航局的講座上,第一次明確提出了數字孿生(Digital Twin)概念,并指出,針對日益增多的復雜實體系統,為了預測并優化其系統特性,可以在虛擬空間建立一種與之相對應的數字化模型,并利用動態信號使之和產品物理實體聯系在一起,以幫助人們更好地認識產品實體與其背后包含的復雜信息之間的關聯。因為當時的科技條件以及數據收集能力的限制,數字孿生在早期僅作為一種顛覆性的概念。在接下來的十幾年中,隨著大批虛擬開發工具的不斷涌現,產品的設計、制造和維修等過程都受益于信息技術發展,不僅實現了用超現實的方式描繪物理實體的幾何細節,還可以利用模擬仿真預測其特性。與此同時,隨著大量無損檢測技術的使用,增加了對產品中運行數據的采集,也給數字孿生技術的發展帶來了新契機。2012年,在第53屆美國宇航協會國際學術會議上,由美國宇航局的Glaessgen與美國空軍的Stargel共同發表文章,從學術上對數字孿生進行了定義。此后,美國空軍持續探索基于數字孿生的裝備研發/采購模式,目的是改善復雜裝備研發效率和采購經濟性。西門子工業軟件公司也從2016年開始,嘗試在工業4.0框架下使用數字孿生技術,并在2017年底,成功推出了一整套數字孿生應用模型,成了該技術的重要倡導和實踐者。

總的來說,在過去的近30年時間里,隨著摩爾定律導致的計算機成本指數降低,數字化方法日益發展,從計算機輔助設計到基于模型的系統工程,模型設計與仿真技術越來越可靠,應用范圍也越來越廣泛,工程師們一直在探索和追求一種以數字技術全面取代物理實體的全新開發模式,數字孿生技術在此過程中得到了迅速發展。

1.2

數字孿生技術的特點

數字孿生是對實體對象及流程的數字化復制,在復雜裝備設計、生產、運行保障等全壽命周期過程中,可以實現信息在數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 裝備數字孿生概念

1) 實時同步。數字孿生技術能通過三維數字模型將產品與其全壽命周期中的數字鏡像相互映射,最終達到虛擬世界與現實物理世界之間的同步與統一。孿生體和物理實體并存于物理和虛擬兩大空間。物理空間中產品不同階段形成的數據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掘潛在問題、啟迪新思路、持續尋求優化提升。

2) 全面測量。通過分析測量結果逐步改進改善,是工業領域的常用做法。無論是設計、制造還是服務,都需要精確地測量物理實體的各種屬性、參數和運行狀態,以實現精準的分析和優化。數字孿生技術可以利用物聯網技術,通過物理傳感器反饋收集有限的直接數據,然后使用大樣本庫進行數據分析,利用機器學習的方法推理出某些原本無法進行檢測的數據,從而達到全面測量的效果。

3) 便捷操作。數字孿生技術借助物聯網測量、虛擬現實和建模開發等數字化手段,將現實物理設備的所有屬性都投射到虛擬計算機環境中,因而產生了便于拆解、復制、遷移、更改、刪除和反復使用的數字鏡像產品,這最大限度地拓展了使用者對現實物理實體的認識和操作空間,可以利用數字鏡像進行模擬仿真、批量復制、虛擬組裝,使許多受現實條件制約在物理實體上無法實現的操作,都能在數字鏡像產品上得到實現,從而為人們探索創新路徑、優化產品功能帶來了極大便利。

4) 分析預測。目前使用的產品壽命周期管理方法,要實現精準的預測和判斷難度很大,尤其是對隱藏在產品表面之下的各種問題,要及早做出預判更是難上加難。而數字孿生方法通過綜合運用物聯網、大數據以及人工智能等技術手段,實現數據采集、管理和建模分析,并據此做出對產品歷史故障的診斷、當前狀態的評價以及未來發展趨勢的預測,進而將分析結果和各種可能性提供給決策者,全方位地支持管理決策。

5) 經驗數字化。在傳統的制造業產品設計、生產管理與服務保障過程中,經驗往往是一個模糊不清且很難掌握的知識形態,人們很難將它當作精準判斷的理論基礎。數字孿生的另一個重要進步就是可以利用現代化的技術手段,將之前無法存儲的專家經驗進行數字化處理,從而提高了存儲、復制、編輯和遷移的能力。比如,可以通過機器學習方法,針對大型儀器設備不同故障特點訓練出數字化特征模型,再配以專家解決方案,使之成為一套在未來精確判斷和解決設備故障的基本理論,為自治化的智能檢測和故障處理奠定基礎。

2 數字孿生技術在裝備全壽命費用管理中的應用動因

軍事需求、技術應用和經費投入是武器裝備發展需要反復權衡的三要素,隨著現代戰爭作戰樣式的不斷豐富,其對武器裝備的軍事需求也在不斷拓展。大量的高新技術的應用,使裝備復雜程度日益提高,裝備發展所需的費用也在不斷上漲。全面提高裝備經濟性水平,實現以較低的壽命周期費用滿足裝備建設需要,是實現高質量、高速度、可持續發展的必由之路,也是實現強軍目標的必然要求。裝備壽命周期費用管理是對裝備建設全過程進行整體運籌和科學決策的一種管理方法,為我們實現上述目標提供了理論支撐。然而,在管理實踐中,人們逐漸發現,實施全面控制和預測是全壽命費用管理的基本特征和根本保證,而全面控制需要全面的測量、準確的分析和及時的反饋,全面預測需要全面的數據采集、科學的建模和經驗知識的積累。傳統壽命周期費用管理在成本設計與優化、成本消耗過程監控與評估等方面面臨一定的挑戰,亟待引入新的技術進行解決,數字孿生技術獨特的實時同步、全面測量、便捷操作、分析預測以及經驗數字化等特點,能夠與裝備全壽命費用管理需求相吻合,將其應用于裝備全壽命費用管理領域特定場景,將有望豐富管理方法手段,大幅提升管理效益。

3 數字孿生技術在裝備全壽命費用管理中的應用構想

3.1

應用數字孿生技術降低武器裝備設計研發費用

設計研發是根據研制要求,通過論證、分析、設計和驗證,形成裝備解決方案的過程。根據全壽命費用管理理論,設計和研發過程將決定裝備全壽命費用的85%左右。同時,在武器研制的后期以及實際應用階段,糾正在設計階段工作缺點的總成本也將以指數級別上升。因此,該階段無疑是武器裝備壽命周期費用管理的黃金時期,從裝備設計源頭入手控制壽命周期費用,能夠達到事半功倍的效果。設計與研發階段的全壽命費用管理,重點包括兩個方面:一是在方案論證和技術分析的基礎上,針對各種備選方案進行全壽命費用的評估和比較,在多方案之間進行需求、性能、進度、費用之間的多維度權衡分析,進而做出性價比最優的決策;二是不斷加強對研發過程成本的跟蹤和管控,合理優化試驗驗證方案,降低研發成本。

裝備的設計與研制是一個典型的復雜的系統工程,存在技術研發要求復雜、生產體系構造復雜、應用技術開發條件復雜、生產流程復雜、測試與維修過程復雜、質量管理復雜、生產工作環境復雜等問題。傳統設計模式以文檔為主導,設計師通過文檔編寫、歸類、整理,完成思考和決策。由于這種模式無法全方位展示裝備的功能與性能特點,難以完整反映裝備壽命周期過程中時間、空間、行為和資源經費等各種要素之間的關系,導致壽命周期費用的預測評估與技術方案的耦合不夠緊密。在新的基于模型的系統工程架構下,通過在設計研發階段構建裝備數字孿生體,全面逼真地呈現裝備功能、特性,使設計人員可以數字孿生體為基準,進行多學科數字樣機的協同仿真與優化,實現從需求到性能再到經濟性的全方位設計,特別是能夠及時掌握技術變化導致的費用成本差異,充分開展費用敏感性分析,有效促進技術指標和經濟指標同步管控,初步技術方案如

圖2 設計研發階段基于數字孿生的裝備壽命周期成本分析技術方案

在試驗驗證過程中,傳統方式需要對試驗方案、產品工況進行長期摸索,有時還需要根據極端工況要求建設新的試驗條件,導致研發時間長和成本高昂。基于數字孿生技術,裝備設計者可以將檢驗方式從樣機測試、全物理樣機聯調轉換為高逼真度的模擬檢驗,還可以構建滿足特殊要求的虛擬試驗環境,利用數字化技術手段,不斷修改設計、診斷潛在風險,從而極大地提高新型武器設計方案的可行性,并迅速驗證新型武器的設計功能,縮短研發周期、有效降低研發費用。在美國F-35戰斗機研發過程中,構建了結冰試驗的虛擬試驗環境,如

圖3 美國F-35戰斗機結冰虛擬試驗環境

3.2

應用數字孿生技術優化裝備生產制造成本

產品制造是企業整合相關資源,按照預定目標從設計方案到產品實現的物化過程。裝備全壽命費用管理在生產制造階段的核心目標是在訂購目標價格指標內完成產品生產,并盡可能采取措施,優化工藝、改進流程、控制能耗、提升質量,進而全面提高生產效率,降低生產成本,循序漸進直到找到成本最優的解決方案。

在重大裝備生產制造階段,基于設計研發階段的數字孿生模型,綜合利用仿真模型、實際生產數據和人工智能算法。如

圖4 基于數字孿生的裝備生產制造成本優化方案構想

一是建立產品數字孿生模型,實時監測零件加工狀態、預測成品質量、識別設計缺陷,通過智能生產決策模型,根據上述預測與大數據分析結果更新相應的生產解決方案并反映給實物生產,進而完成對實物生產過程的動態控制和優化,以達到在虛擬空間中實時控制實際生產過程的目的。

二是構建生產現場資源和環境的模型,將真實世界中檢測、生產進度、物流情況等多方面的實際數據,不斷傳輸至計算機虛擬環境中,加以可視化處理,并進行測量值與設定參數值、實際使用材料與設計物料、實際完工時間與預計完工時間等的多維度對比,實現產品制造流程、資源消耗的實施監控和分析優化。

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

3.3

應用數字孿生技術提升裝備運行維護效益

裝備運行維護階段消耗的使用保障費用,在整個壽命周期費用中所占比重最大,是壽命周期費用的主要組成部分,也是壽命周期費用管理的關鍵點。盡管該部分有一定的“先天性”,但并不是說在使用保障過程中這部分費用是一成不變的,相反,由于裝備使用保障費的發生和發展規律是內在的,因此,需要在實踐中不斷加強分析和研究,并科學規劃、合理組織、加強管理才能在滿足裝備作戰需求的條件下,不斷提高裝備使用和保障的經濟性。

在裝備運行維護階段,構建數字孿生體,在物理空間,對其位置、使用環境、設備健康狀況、功能履行情況、資源消耗等信息進行實時測控,獲取全方位的使用及保障數據,并將這些數據關聯映射至虛擬空間;在虛擬空間,采用模型可視化技術實時模擬物理實體的使用流程,并結合本裝備及同類型裝備的使用、維護、維修保障歷史數據,實現對裝備性能、健康狀況、壽命期限的分析預判,針對可能發生的故障和質量問題發出預警,再綜合運用現代管理和技術方法整合維修資源、管控優化維修計劃,以獲得最佳維修效果和經濟效益。

以航空發動機健康監視為例,通過構建運行維護階段發動機數字孿生體,對發動機進行實時監控和故障診斷,并以離線方式對發動機性能趨勢進行預測,實現發動機個性化保障和視情維修,提高發動機機隊完好率,降低運行維護成本。

圖5 運行維護階段航空發動機性能數字孿生模型

3.4

應用數字孿生技術構建全壽命費用管理閉環

在退役報廢階段,裝備全壽命費用管理的主要工作是整理和積累裝備各系統、全壽命各階段的經費數據資料,匯總計算裝備全壽命周期費用的實際值,確定裝備殘值,控制報廢費用。應用數字孿生技術可以構建裝備全壽命費用數據庫、模型庫和知識庫,這些都將為新裝備的建設提供直接支撐,形成了全壽命費用管理的完整閉環。

4 挑戰與建議

通過上述應用場景分析可以預見,未來在裝備全壽命費用管理領域應用數字孿生技術,將會面臨以下挑戰,值得引起我們的重視。

一是組織管理方面的挑戰。數字孿生技術應用本身就是一項龐大而復雜的系統工程,需要進行頂層規劃,階段推進,才能實現逐步落地并發揮作用。從國外推進數字技術應用的發展經驗來看,必須加強頂層的組織籌劃,搭建整體架構,從戰略層面制定明確的數字孿生應用目標,統一可行的工作要求和工作標準,開發相應的軟件工具平臺,整合集成共享的數字環境和生態系統。

二是數據獲取方面的挑戰。要發揮數字孿生技術在裝備全壽命費用管理領域的潛能,數據是核心要素之一。目前為了獲得裝備整體或內部的數據,可以借助傳感器來進行測量,開展數據采集工作。盡管隨著傳感器成本的下降,獲得數據變得容易,但考慮數據的傳輸、存儲、分析都要耗費大量資源,因此必須進行取舍,選取業務和經濟性分析最需要的數據,收集適量但足夠精確的有用信息是實現數字孿生的一大挑戰,需要根據每個實際應用的需求,確定數據收集的原則,進行數據的取舍。

三是模型建立方面的挑戰。在虛擬世界運行的其實是數字孿生的數學模型。要實現高逼真度的建模與仿真能力,需要構建與裝備相關的幾何模型、物理模型、行為模型、規則模型,需要綜合應用高性能計算、大數據、人工智能等技術手段,打通需求分析、裝備研制、使用保障各個環節,充分運用好當前裝備科研生產過程中形成的大量數字資源或模型成果;在裝備的全壽命周期內推動建立基于模型、數據驅動的分析與管理方法,圍繞覆蓋裝備論證、研發、制造、維護過程中的系統工程活動,實現各類技術開發和管理過程的可視化、自動化、精準化。

5 結束語

數字孿生技術不僅能夠運用人類現有理解與認識創建虛擬模型,還能夠運用仿真技術研究和預測未知世界,不斷啟迪人們的創造思維,發掘與尋求更好的解決方案。美歐一些軍工巨頭和軟件供應商正根據各自發展需要積極開發數字孿生解決方案,盡管國內在裝備建設領域針對數字孿生技術的研究和應用還處于起步階段,但學界和工業部門正加速推進數字孿生技術在武器裝備全壽命周期管理過程中的運用。數字孿生技術為我們提供了一種實施裝備全壽命費用管理的新途徑,具有十分重要的應用價值,我們應抓住機遇,加快發展步伐,搶占有利先機。

免責聲明：本文轉自智匯杰瑞，原作者張大維。文章內容系原作者個人觀點，本公眾號編譯/轉載僅為分享、傳達不同觀點，如有任何異議，歡迎聯系我們！

轉自丨智匯杰瑞

作者丨張大維

編輯丨鄭實

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