孟小凈，張東生，王 瑋，楊 瑞，王文龍

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

0 引言

工藝質(zhì)量技術(shù)是提高武器裝備質(zhì)量的重要前提，提高武器裝備工藝質(zhì)量是增強(qiáng)軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的基本保證，是實(shí)現(xiàn)“能打仗、打勝仗”強(qiáng)軍目標(biāo)的基石。在武器裝備研制、生產(chǎn)、使用和保障全壽命周期內(nèi)通過對設(shè)計質(zhì)量、工序質(zhì)量、裝備質(zhì)量等進(jìn)行全過程工藝質(zhì)量控制，建立良好的裝備工藝質(zhì)量管理體系，能夠提高質(zhì)量控制的有效性、經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)武器裝備質(zhì)量目標(biāo)。但是，目前傳統(tǒng)的裝備工藝質(zhì)量管理方法在裝備全壽命周期的質(zhì)量管理中還存在著一些問題，影響了裝備質(zhì)量的提升。

為解決當(dāng)前工藝質(zhì)量管理在實(shí)際運(yùn)用過程中存在的問題，可以將發(fā)展迅速的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到裝備工藝質(zhì)量管理中來。采用數(shù)字孿生技術(shù)能夠在不同分系統(tǒng)單體間開展協(xié)同設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，并提醒設(shè)計人員；在設(shè)計過程中判斷設(shè)計的正確性，在產(chǎn)品被實(shí)際制造出來之前預(yù)測成品質(zhì)量，判斷其是否存在設(shè)計缺陷；對新技術(shù)、新材料進(jìn)行分析判斷，證實(shí)其可行性預(yù)判波動，提前改善；對部分技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行控制，防止技術(shù)狀態(tài)偏離，確保產(chǎn)品輸出滿足輸入的要求；在驗(yàn)證試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)中對裝備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對質(zhì)量問題發(fā)生時刻采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出故障原因，并在數(shù)字孿生模型上對各糾正項(xiàng)進(jìn)行科學(xué)評估，確定有效的解決方案；預(yù)測并快速發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷趨勢，控制質(zhì)量漏洞，預(yù)判何時出現(xiàn)質(zhì)量問題，提出保障建議。

本文將對數(shù)字孿生的概念、國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，對數(shù)字孿生與工藝知識的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，并對數(shù)字孿生在武器裝備工藝質(zhì)量管理中的應(yīng)用案例進(jìn)行研究。

1 數(shù)字孿生的定義與內(nèi)涵

關(guān)于數(shù)字孿生的定義國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)根據(jù)所從事的研究領(lǐng)域給出了不同的定義，雖然定義的內(nèi)容有所差別，但是表達(dá)的核心思想趨于統(tǒng)一，那就是物理模型與數(shù)字模型通過相應(yīng)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)融合。

數(shù)字孿生技術(shù)起源于歐美，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展其定義也在不斷完善。2009年AFRL(美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室)給出了機(jī)身數(shù)字孿生的定義：機(jī)身數(shù)字孿生是一個由分析工具、虛擬模型和數(shù)據(jù)組成的集成系統(tǒng)，可對機(jī)身進(jìn)行全壽命周期的管理，并可實(shí)現(xiàn)故障診斷與預(yù)測；2010年NASA(美國航空航天局)在相關(guān)項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上提煉總結(jié)了數(shù)字孿生的定義：數(shù)字孿生是一個繼承了多尺度、多物理場和概率仿真的數(shù)字系統(tǒng)，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(tǒng)的實(shí)際飛行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與物理實(shí)體的互動；2017年IBM(國際商業(yè)機(jī)器公司)也給出了較為完備的數(shù)字孿生的定義：數(shù)字孿生是針對對象或系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的虛擬表達(dá)，并通過對采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)理解、學(xué)習(xí)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(shù)技術(shù)公司)、SAP(思愛普)等公司也給出了各自相應(yīng)的數(shù)字孿生的定義。

國內(nèi)對數(shù)字孿生的研究起步較晚，但是也取得了不錯的成績，并且學(xué)者們根據(jù)所研究的領(lǐng)域也給出了相應(yīng)的數(shù)字孿生的定義。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉大同等[1]指出數(shù)字孿生是在數(shù)字化平臺內(nèi)根據(jù)具體的應(yīng)用需求來建立并模擬物理實(shí)體、流程或系統(tǒng)，通過各種傳感器實(shí)時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到統(tǒng)一的信息化平臺內(nèi)，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)隨著物理實(shí)體的變化做出相應(yīng)的變化，建立虛擬樣機(jī)與物理實(shí)體之間的映射關(guān)系。北京航空航天大學(xué)的陶飛等[2]創(chuàng)造性地提出了數(shù)字孿生五維模型，并提出數(shù)字孿生體是一種信息與物理世界的雙向交互方式，能夠?qū)崿F(xiàn)物理實(shí)體根據(jù)虛擬模型的優(yōu)化指令進(jìn)行輸出調(diào)整。北京理工大學(xué)的莊存波等[3]認(rèn)為數(shù)字孿生體是物理實(shí)體在虛擬空間內(nèi)的數(shù)字化映射和全要素構(gòu)建，是一個多功能仿真模型。此外，北京航空航天大學(xué)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(shù)字孿生衛(wèi)星、數(shù)字孿生的廣義與狹義定義、數(shù)字孿生的構(gòu)成與發(fā)展等方面給出了數(shù)字孿生相應(yīng)的定義。

通過對國內(nèi)外數(shù)字孿生的定義進(jìn)行分析，本文給出了數(shù)字孿生的定義：數(shù)字孿生是通過傳感器對物理實(shí)體與數(shù)字模型建立映射關(guān)系，通過實(shí)時測試數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和仿真分析來監(jiān)測和預(yù)測物理實(shí)體的狀態(tài)，并可對物理實(shí)體的行為進(jìn)行調(diào)控，同時將物理實(shí)體的相關(guān)參數(shù)作為數(shù)字模型的輸入，通過對參數(shù)的實(shí)時調(diào)整可實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型的優(yōu)化。

2 數(shù)字孿生的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

數(shù)字孿生這一概念最早出現(xiàn)在2003年，由Grieves在產(chǎn)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(jìn)行詮釋和應(yīng)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(shù)字孿生體概念，并與NASA合作將數(shù)字孿生運(yùn)用到下一代戰(zhàn)斗機(jī)和月球車的設(shè)計當(dāng)中，大大提高了設(shè)計效率和可靠性。2013年美國國防部將數(shù)字孿生技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障中，成功實(shí)現(xiàn)了飛行器的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估。2014年至2016年期間，Cerron等首次提出數(shù)字孿生有限元模型，同時Grieves首先提出數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)模型；Rosen提出數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)方式，即模塊化-連通性-自治-數(shù)字孿生；通用電氣為部分IT裝備制造了數(shù)字孿生器件以方便對關(guān)鍵件的狀態(tài)管理；GE開發(fā)了用于飛機(jī)起落架的數(shù)字孿生技術(shù)，以幫助預(yù)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(jìn)裝置等部件上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生功能；一些學(xué)者在美國空軍研究室提出概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，例如Rios等認(rèn)為數(shù)字孿生的界定不能僅限于某些特殊復(fù)雜設(shè)備，而應(yīng)該面向更加廣泛的產(chǎn)品，Gabor等提出將專家知識等定義到數(shù)字孿生中，以實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的精準(zhǔn)模擬，Kraft提出將數(shù)字孿生應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期中的建模、知識及工具管理方面，Schroeder等使用數(shù)字孿生技術(shù)來模擬工業(yè)設(shè)備的虛擬部分，并提出一種基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的架構(gòu)，以方便訪問數(shù)據(jù)。

高德納公司于2017-2019年連續(xù)3年將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。洛克希德馬丁公司在2017年11月將數(shù)字孿生列為航天工業(yè)和未來國防六大高端技術(shù)的首位。2020年5月，微軟公司、戴爾公司等宣布成立數(shù)字孿生聯(lián)盟，主要目的是制定數(shù)字孿生路線圖以及行業(yè)應(yīng)用指南，并開發(fā)相關(guān)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)[8]。

在建模、仿真、系統(tǒng)工程以及其他使能技術(shù)的推動下數(shù)字孿生技術(shù)得到了快速的發(fā)展，先后經(jīng)歷了技術(shù)準(zhǔn)備期(1960-2002年)、概念產(chǎn)生期(2002-2010年)、領(lǐng)先應(yīng)用期(2010-2020年)，未來數(shù)字孿生將進(jìn)入擴(kuò)展應(yīng)用期(2020-2030年)。其中，數(shù)字孿生的準(zhǔn)備期，主要是CAD/CAE建模仿真、傳統(tǒng)系統(tǒng)工程等預(yù)先技術(shù)的準(zhǔn)備；數(shù)字孿生的概念產(chǎn)生期，是指數(shù)字孿生模型的出現(xiàn)以及英語術(shù)語名稱的確定，這段時間的預(yù)先技術(shù)繼續(xù)成熟，出現(xiàn)了仿真驅(qū)動的設(shè)計、基于模型的系統(tǒng)工程等先進(jìn)設(shè)計范式；數(shù)字孿生的領(lǐng)先應(yīng)用期，主要指NASA、美軍方和GE等航空航天、國防軍工機(jī)構(gòu)的領(lǐng)先應(yīng)用，這段時間也是物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等外圍使能技術(shù)的準(zhǔn)備期；數(shù)字孿生技術(shù)的深度開發(fā)和大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用期，是以航空航天為代表的離散制造業(yè)，是數(shù)字孿生體概念與應(yīng)用的發(fā)源地，目前數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)正與外圍使能技術(shù)深度融合，其應(yīng)用領(lǐng)域也正從智能制造等工業(yè)化領(lǐng)域向智慧城市、數(shù)字政府等城市化、全球化領(lǐng)域拓展。

國內(nèi)針對數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用較晚，大規(guī)模的研究和應(yīng)用始于2017年。某學(xué)者等嘗試了使用數(shù)字孿生理念對一條中空玻璃生產(chǎn)線的設(shè)計進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。某研究團(tuán)隊(duì)在智能制造方面提出了建立數(shù)字孿生車間的理論和應(yīng)用架構(gòu)，并嘗試建立了一間基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字孿生車間，在制造工藝規(guī)劃、生產(chǎn)物流配送、虛擬裝配、產(chǎn)品測試和檢測、質(zhì)量分析、故障預(yù)測與健康管理等方面進(jìn)行了應(yīng)用探討，并在某電廠發(fā)電機(jī)組智能健康管理中得以成功應(yīng)用[9]。某設(shè)計研究院探索將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于艦船型號研制中的產(chǎn)品設(shè)計、輔助決策、健康管理等方面，并提出了應(yīng)用思路。某研究團(tuán)隊(duì)在原有數(shù)字孿生“三維模型”的基礎(chǔ)上，提出了“五維模型”以及十大領(lǐng)域應(yīng)用的探討，并給出了通用的參考架構(gòu)，完成了產(chǎn)品數(shù)字孿生體系結(jié)構(gòu)的建立[10]。

2019年某公司數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書，首次提到完整的數(shù)字孿生需要經(jīng)歷數(shù)化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程，并提出“數(shù)字孿生體是仿真應(yīng)用新巔峰”這一論斷，體現(xiàn)出了仿真在數(shù)字孿生中具有非常重要的作用。通過對數(shù)字孿生戰(zhàn)場、數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)、數(shù)字孿生制造以及數(shù)字孿生城市等場景的實(shí)例化論述，為我們細(xì)致深入地了解數(shù)字孿生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，國內(nèi)的多個民營科技企業(yè)已在數(shù)字孿生領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐，獲得了良好的效果。

目前我國發(fā)表了大量關(guān)于數(shù)字孿生的論文，但是對數(shù)字孿生的研究大都還處于理論研究階段，如何將數(shù)字孿生應(yīng)用到具體的工程實(shí)踐中，還需要進(jìn)行更深入的研究。歐美等發(fā)達(dá)國家對數(shù)字孿生的應(yīng)用尤其是在軍工領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的解決方案，例如達(dá)索系統(tǒng)、西門子等公司都具備了數(shù)字孿生成熟解決方案的能力。所以，數(shù)字孿生是一項(xiàng)“前途無量”的技術(shù)，需要科研院所、高校、企業(yè)等多方聯(lián)合發(fā)力，必要時還需要國家的推動，將推動數(shù)字孿生在武器裝備全生命周期內(nèi)的應(yīng)用，提高武器裝備的制造效率、可靠性，實(shí)現(xiàn)武器裝備質(zhì)的提升。

3 數(shù)字孿生與工藝知識的關(guān)聯(lián)分析

對于產(chǎn)品尤其是武器裝備而言，工藝是與產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率息息相關(guān)的專門知識，數(shù)字孿生體現(xiàn)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(fā)揮到最大的作用，許多學(xué)者開展了工藝知識挖掘研究，最有效的手段是借助數(shù)字孿生，可為工藝知識的挖掘提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。借助產(chǎn)品數(shù)字孿生體和實(shí)物模型，能夠把產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)反饋或映射到虛擬空間中，隱含的工藝知識可以通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)挖掘出來，通過數(shù)字孿生技術(shù)對產(chǎn)品的整個生產(chǎn)制造全過程進(jìn)行工藝管理與指導(dǎo)。北京航空航天大學(xué)的于勇對面向數(shù)字孿生的工藝知識挖掘進(jìn)行了較為深入的研究，基于數(shù)字孿生的工藝知識挖掘流程如圖1所示[11]。

圖1 基于數(shù)字孿生的工藝知識挖掘流程

基于數(shù)字孿生的工藝知識挖掘能夠?qū)π袠I(yè)工藝設(shè)計知識和工藝設(shè)計經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的總結(jié)和挖掘，使工藝管理的應(yīng)用不斷深化。利用數(shù)字孿生可以將產(chǎn)品在運(yùn)行維護(hù)階段的狀況(質(zhì)量狀況、技術(shù)狀態(tài)、使用狀況、產(chǎn)品形態(tài))等數(shù)據(jù)通過虛擬空間進(jìn)行記錄，并能夠?qū)a(chǎn)品在運(yùn)行維護(hù)階段的相關(guān)數(shù)據(jù)追溯到相應(yīng)產(chǎn)品的工藝過程。此外，還可以通過數(shù)字孿生手段提煉和挖掘相關(guān)工藝知識，為產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計的改進(jìn)和優(yōu)化提供有效的知識支持。

4 某武器裝備電控系統(tǒng)數(shù)字孿生工藝質(zhì)量管理研究

基于數(shù)字孿生的武器裝備工藝質(zhì)量管理解決方案涉及到工藝管理、質(zhì)量管理、生命管理、追溯管理、合規(guī)管理幾個方面，將武器裝備的各個過程信息透明化，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)偏離則及時進(jìn)行干預(yù)和處理。數(shù)字孿生技術(shù)可按照數(shù)據(jù)保障→建模計算→功能監(jiān)督→沉浸式體驗(yàn)的流程進(jìn)行建立，從建模計算開始，每一項(xiàng)技術(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的。

以某裝備電子控制系統(tǒng)為研究對象，通過基于過程的方法(PDCA)和基于風(fēng)險的思維，對其研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造以及運(yùn)行使用工藝過程進(jìn)行研究，剖析數(shù)字孿生技術(shù)提升裝備工藝管理的方法和途徑。

4.1 研發(fā)設(shè)計階段

在電控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計階段，設(shè)計的準(zhǔn)確性可以通過數(shù)字孿生技術(shù)來協(xié)助實(shí)現(xiàn)，并可以驗(yàn)證電控系統(tǒng)在真實(shí)操作環(huán)境下的相關(guān)性能。在需求的驅(qū)動下，建立基于模型的系統(tǒng)工程電子控制系統(tǒng)研發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)“需求定義-系統(tǒng)仿真-功能設(shè)計-邏輯設(shè)計-物理設(shè)計-設(shè)計仿真-實(shí)物驗(yàn)證”的全閉環(huán)管理。

4.2 生產(chǎn)制造階段

在電控系統(tǒng)生產(chǎn)制造階段，數(shù)字孿生可確保電控系統(tǒng)生產(chǎn)的高效、高質(zhì)量和低成本。將電控系統(tǒng)信息、工藝過程信息、工廠產(chǎn)線信息和制造資源信息通過結(jié)構(gòu)化模式組織管理，達(dá)到電控系統(tǒng)制造過程的精細(xì)化管理，基于電控系統(tǒng)工藝過程模型信息進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，同時為制造系統(tǒng)提供準(zhǔn)確輸入。基于虛擬的制造環(huán)境來驗(yàn)證和評價電控系統(tǒng)裝配制造過程和裝配制造方法，通過電控系統(tǒng)的三維模型和生產(chǎn)車間的模型來實(shí)現(xiàn)。在電控系統(tǒng)生產(chǎn)之前，就可以通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬電控系統(tǒng)生產(chǎn)過程，可以對生產(chǎn)過程中所出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行預(yù)判，將生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，并實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控，對出現(xiàn)的問題及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行快速的調(diào)整，確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足實(shí)際需求。

4.3 運(yùn)行使用階段

在電控系統(tǒng)的運(yùn)行使用階段，對其工作狀態(tài)和異常情況進(jìn)行判斷，及時發(fā)現(xiàn)電子控制系統(tǒng)故障，并進(jìn)行故障隔離，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)散和惡化，使故障診斷率達(dá)到100%。根據(jù)電控系統(tǒng)架構(gòu)，故障診斷主要分為芯片級、板卡級和組件級，芯片檢測實(shí)現(xiàn)芯片級的故障診斷功能，板級診斷單元和數(shù)字總線實(shí)現(xiàn)板卡級的故障診斷功能，維護(hù)測試總線和機(jī)箱診斷單元實(shí)現(xiàn)組件級的故障診斷功能。故障診斷過程涉及IC檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、通信技術(shù)、診斷算法、故障隔離、維修策略、系統(tǒng)重構(gòu)等技術(shù)?；跀?shù)字孿生的電子控制系統(tǒng)故障診斷原理如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生的電控系統(tǒng)故障診斷原理

通過IC檢測技術(shù)獲取芯片的特征參數(shù)，采用傳感器獲取板卡和機(jī)箱的特征數(shù)據(jù)，通過維護(hù)測試總線進(jìn)行數(shù)據(jù)共享上報。根據(jù)采集的實(shí)時數(shù)據(jù)、電子控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及領(lǐng)域知識等可對虛擬電子控制系統(tǒng)的幾何-物理-行為-規(guī)則多維虛擬模型進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對物理電子控制系統(tǒng)的虛擬映射，基于模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立綜合電控箱的數(shù)字孿生模型。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，數(shù)字孿生模型通過高速網(wǎng)絡(luò)與綜合電控箱實(shí)體完成溫度、電壓、電流和通信等數(shù)據(jù)的實(shí)時交互，交互后數(shù)字孿生模型生成故障信息，并通過孿生機(jī)終端進(jìn)行可視化三維顯示。當(dāng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前資源完成故障隔離、系統(tǒng)重構(gòu)、維修預(yù)警等。

5 結(jié)論

提高武器裝備的工藝管理水平，能夠提升武器裝備的質(zhì)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(zhì)量迫在眉睫。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)也日趨成熟，將在武器裝備工藝管理方面得到應(yīng)用，能夠有效地解決目前裝備工藝質(zhì)量管理水平不高的問題，并推動各領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展。因此，可以預(yù)見數(shù)字孿生技術(shù)將在推動裝備智能化、高效工藝管理等方面擁有巨大的應(yīng)用前景。