劉 超，蔚奪魁，梁春華，潘若癡，黎 旭，孫明霞，桓明姣

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽市 110015）

0 引言

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是21 世紀(jì)誕生的新興技術(shù)體系和工作模式[1]，已經(jīng)成為包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品研制的重要手段，并發(fā)揮越來越大的作用。數(shù)字孿生定義，是數(shù)字孿生的第一性原理，是認(rèn)知數(shù)字孿生的起點(diǎn)和基礎(chǔ)。對其定義進(jìn)行追本溯源，找出并規(guī)范數(shù)字孿生的構(gòu)成要素和本質(zhì)特性，是保證數(shù)字孿生在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中生存和發(fā)展的必要條件，也是從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生理論研究與實(shí)踐應(yīng)用的學(xué)者都無法回避的問題。

作為新興的一種技術(shù)體系和工作模式，數(shù)字孿生的定義也一直向完整和全面的方向動(dòng)態(tài)完善[2-3]。來自官方研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)界以及包含高校、學(xué)會(huì)和標(biāo)準(zhǔn)化組織在內(nèi)的學(xué)術(shù)界等多個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)自身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和最終追求目的，對數(shù)字孿生定義進(jìn)行了分析和解讀，構(gòu)建了符合自身業(yè)務(wù)發(fā)展的數(shù)字孿生定義、技術(shù)框架和技術(shù)體系。但截至目前，在航空產(chǎn)品研制領(lǐng)域，還沒有清晰描述面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“數(shù)字孿生”標(biāo)準(zhǔn)定義。

本文對多個(gè)領(lǐng)域的典型定義進(jìn)行研究，剖析其中描述的數(shù)字孿生的目的、要素以及應(yīng)用特點(diǎn)等內(nèi)容。分析歸納數(shù)字孿生定義的核心要素，總結(jié)給出面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生定義模型并對其進(jìn)行解讀。在此基礎(chǔ)上具體化和特色化，構(gòu)建面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的數(shù)字孿生定義及內(nèi)涵，以期規(guī)范技術(shù)語言和統(tǒng)一認(rèn)識，為后續(xù)開展技術(shù)路線規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等工作提供定義基礎(chǔ)。

1 數(shù)字孿生的發(fā)展

數(shù)字孿生是建模與仿真技術(shù)的高度升華，充分利用模型、數(shù)據(jù)，智能集成多學(xué)科技術(shù)，非常適合復(fù)雜系統(tǒng)研制[4]。

“孿生體/雙胞胎”在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，最早可追溯到美國國家航空航天局（NASA）于20 世紀(jì)60 年代實(shí)施的阿波羅項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，NASA 需要制造2 個(gè)完全相同的空間飛行器，留在地球上的飛行器稱為孿生體，用來反映（或作鏡像）正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)/狀況。

數(shù)字孿生萌芽于2002 年密歇根大學(xué)Michael Grieves在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出的“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”[5-6]，最早出現(xiàn)在2010 年NASA在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》[7]和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》[8]的技術(shù)路線圖中。此后，美國官方研究機(jī)構(gòu)、大型制造及工業(yè)軟件企業(yè)、高校以及學(xué)會(huì)和國際標(biāo)準(zhǔn)組織等，逐漸對數(shù)字孿生進(jìn)行了廣泛的理論和應(yīng)用研究，結(jié)合自己的實(shí)際工作提出對數(shù)字孿生定義的理解。數(shù)字孿生定義發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生定義發(fā)展歷程

目前，面向復(fù)雜產(chǎn)品研制的數(shù)字孿生研究還處于百花齊放的狀態(tài)，不同行業(yè)的研究者站在不同角度，面向不同目的，對數(shù)字孿生定義和內(nèi)涵的認(rèn)識也有所差別[9]。高校、學(xué)會(huì)、標(biāo)準(zhǔn)化組織也通過各類形式的數(shù)字孿生定義文獻(xiàn)，為數(shù)字孿生定義向各維度發(fā)展提出了多方向的思考。官方機(jī)構(gòu)力圖通過數(shù)字孿生完善國家復(fù)雜裝備研制的技術(shù)體系，牽引企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。不同企業(yè)在其數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐過程中結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并對技術(shù)內(nèi)容、目的等內(nèi)涵進(jìn)行總結(jié)，提出數(shù)字孿生定義。

1.1 學(xué)術(shù)界

數(shù)字孿生定義最早誕生于美國密歇根大學(xué)，并得到國內(nèi)外一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的深入研究，也被很多企業(yè)和單位所應(yīng)用[10]。

2011 年，美國密歇根大學(xué)Michael Grieves 在《幾乎完美：通過產(chǎn)品全生命周期管理驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》中正式提出數(shù)字孿生的定義：數(shù)字孿生是1 組虛擬信息結(jié)構(gòu)，可從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面地描述現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢碇瞥善穂11]；2018 年，中國北京航空航天大學(xué)的陶飛團(tuán)隊(duì)提出，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[12]；2019 年，美國賓夕法尼亞大學(xué)的Mukherjee 等[13]提出了數(shù)字孿生是以機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，包含控制系統(tǒng)組成的機(jī)械模型，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研制時(shí)間；2019 年，美國佛羅倫薩大學(xué)的Barricelli 等[18]通過系統(tǒng)的文獻(xiàn)回顧和文獻(xiàn)檢索，針對數(shù)字孿生的定義、特征和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究，將數(shù)字孿生定義為：（實(shí)體及/或虛擬）機(jī)器或基于計(jì)算機(jī)的模型，其模擬、仿真、鏡像或“孿生”物理實(shí)體的生命，所述物理實(shí)體可為對象、過程、人或與人相關(guān)的特征；2020年，德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)的Hendrik等[15]通過對233 篇論文進(jìn)行研究，對數(shù)字孿生的核心特征和屬性進(jìn)行分類，并應(yīng)用分類學(xué)分配數(shù)字孿生的現(xiàn)有定義：典型的數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)的相同模型，由雙向數(shù)據(jù)連接組成，數(shù)字孿生自動(dòng)從多個(gè)數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)并不斷更新，處理原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù)；數(shù)字孿生通常是在其物理系統(tǒng)存在之后設(shè)計(jì)的，也建議物理系統(tǒng)存在之前設(shè)計(jì)數(shù)字孿生；2020 年，美國航空航天學(xué)會(huì)和美國航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《數(shù)字孿生：定義與價(jià)值》報(bào)告，經(jīng)對相關(guān)文獻(xiàn)的廣泛、全面的審閱后，提出數(shù)字孿生的定義。數(shù)字孿生是1 套模擬單個(gè)/唯一的實(shí)物資產(chǎn)或1 組實(shí)物資產(chǎn)的結(jié)構(gòu)、環(huán)境和行為的虛擬信息架構(gòu)，利用其全壽命周期內(nèi)的物理孿生數(shù)據(jù)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，并給出有助于實(shí)現(xiàn)價(jià)值的決策[16]；2021 年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）基于數(shù)字孿生的基本內(nèi)容，對數(shù)字孿生定義進(jìn)行了提煉總結(jié)：數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)事物（或過程）具有特定目的的數(shù)字化表達(dá)，并通過適當(dāng)頻率的同步使物理實(shí)例與數(shù)字實(shí)例之間趨向一致[17]。2021 年，俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)（ГОСТ Р）也在產(chǎn)品數(shù)字孿生總則中提出了數(shù)字孿生的定義：產(chǎn)品數(shù)字孿生是由產(chǎn)品數(shù)字模型和與產(chǎn)品（有產(chǎn)品時(shí)）和（或）其構(gòu)成部分的雙向信息鏈組成的系統(tǒng)[18]。

1.2 官方研究機(jī)構(gòu)

由于認(rèn)識到數(shù)字孿生的巨大驅(qū)動(dòng)作用，美國政府強(qiáng)力推進(jìn)數(shù)字孿生理念，特別是著手規(guī)劃其在工業(yè)界實(shí)踐應(yīng)用。

2010 年，NASA 在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》[7]和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》[8]2 處技術(shù)路線圖中直接使用了“數(shù)字孿生”這一名稱；2011 年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想了30 年長期愿景，首次提出了“機(jī)體數(shù)字孿生”的概念，以飛機(jī)實(shí)體為對象，為“數(shù)字孿生”賦予了真實(shí)性、集成性以及可計(jì)算性等特征[19-20]；2012年，美國空軍和NASA合作進(jìn)行數(shù)字孿生探索實(shí)踐，并進(jìn)行了如下定義：數(shù)字孿生體是1 個(gè)集成了多物理場、多尺度和概率仿真的數(shù)字飛行器（或系統(tǒng)），它可以通過逼真物理模型、實(shí)時(shí)傳感器和服役歷史來反映真實(shí)飛行器的實(shí)際狀況[21]；2015 年，為推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移，美國國防部成立數(shù)字工程工作組，并公布了以數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生為核心紐帶的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)初步設(shè)想[22-23]；2018 年，美國國防部正式對外發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》[24]。在對數(shù)字工程的解讀中，數(shù)字孿生有如下描述：數(shù)字孿生側(cè)重于對物理模型的動(dòng)態(tài)、高保真數(shù)字化表達(dá)，利用傳感器信息不斷更新數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對物理系統(tǒng)性能、損傷和壽命等的預(yù)測，主要覆蓋生命周期的后半段[25]。

1.3 工業(yè)界

鑒于數(shù)字孿生技術(shù)能在工業(yè)研制中產(chǎn)生巨大作用，GE、西門子等大型企業(yè)均以自身業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，展開數(shù)字孿生技術(shù)的探索應(yīng)用，力圖提高產(chǎn)品的技術(shù)水平和研制效率，減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)自身和用戶各方面效益的最大化。GE公司通過數(shù)字孿生提高決策的合理性，2017 年，其對數(shù)字孿生進(jìn)行定義：數(shù)字孿生是一種基于物理方法和先進(jìn)分析法的有組織的集合，通過數(shù)據(jù)預(yù)測動(dòng)力裝置的性能，評估不同的方案，理解折衷方案并提高效率[26]；西門子等工業(yè)軟件公司，在和大量裝備研制企業(yè)合作過程中，逐漸集成了各企業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用理念；2018 年，西門子對數(shù)字孿生的定義進(jìn)行了概括：數(shù)字孿生通常被稱為物理資產(chǎn)的虛擬副本，可以是產(chǎn)品、機(jī)器、流程，包含與管理其真實(shí)的、計(jì)劃的或已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的、以仿真為核心技術(shù)的對應(yīng)物相關(guān)的、整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息、數(shù)據(jù)以及描述性和可執(zhí)行模型[27]；Emerson 集團(tuán)在其2021 年的產(chǎn)品白皮書中提到，通過數(shù)字孿生，降低工廠運(yùn)營成本和控制工廠運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，并支持勞動(dòng)力技能提高。Emerson 集團(tuán)將數(shù)字孿生定義為：實(shí)體工廠資產(chǎn)（過程設(shè)備、儀器儀表和控制等）和在其發(fā)生的過程的表現(xiàn)，為資本項(xiàng)目執(zhí)行和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化，以及工廠生命周期運(yùn)行性能提供價(jià)值[28]。

2 面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生分析

2022 年，孫明霞等采用文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)研究與內(nèi)容聚類研究的方法，對64 個(gè)典型數(shù)字孿生定義進(jìn)行了歸納研究：采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和綜合技術(shù)對物理實(shí)體進(jìn)行多學(xué)科、多物理場、多尺度、多概率、高保真度的仿真，并建立物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的數(shù)據(jù)映射與鏡像，通過虛擬實(shí)體反映物理實(shí)體全生命周期過程，以此來支撐決策、提高效能[29]。

在此研究[29]基礎(chǔ)上，對上述典型定義進(jìn)行深入分析和研究發(fā)現(xiàn)，無論技術(shù)手段如何發(fā)展，數(shù)字孿生幾乎都在強(qiáng)調(diào)4 項(xiàng)基本內(nèi)容：物理實(shí)體、孿生模型、物理實(shí)體和虛擬模型的數(shù)據(jù)以及二者之間的交互。主要作用都集中體現(xiàn)在2 方面：一方面物理實(shí)體的改變能動(dòng)態(tài)可視化地反映在孿生模型上，保證模型能夠進(jìn)行更精準(zhǔn)的計(jì)算；另一方面，孿生模型通過感知得到的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式等對物理實(shí)體進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)優(yōu)化對物理實(shí)體的控制，將數(shù)字孿生的技術(shù)成果宏觀體現(xiàn)在物理世界中。

復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中，面臨著層次結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境不確定性越來越大的物理實(shí)體，研究者們在孿生模型上提出了多物理、多尺度、概率性、集成性等特征，對數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)加以更詳細(xì)的描述，包含了物理實(shí)體上采集的信息和孿生模型計(jì)算生成的信息[30]，以更好的實(shí)現(xiàn)孿生模型對物理實(shí)體的表達(dá)和反饋；同時(shí)，研究者提出了物理實(shí)體對孿生模型的更新，如通過高效傳感器得到的物理實(shí)體信息為基礎(chǔ)建立高保真孿生模型并不斷完善[31]；以及孿生模型對物理實(shí)體的優(yōu)化，如以物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測，用以優(yōu)化物理實(shí)體等[32-33]。因而，將文獻(xiàn)[29]形成的數(shù)字孿生定義模型特色化為面向復(fù)雜產(chǎn)品研制的定義模型，如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生定義的歸納

2.1 物理實(shí)體是研究主體

數(shù)字孿生來源于物理實(shí)體，服務(wù)于物理實(shí)體，數(shù)字孿生的最終作用和效果都將在物理實(shí)體上得以體現(xiàn)。即，物理實(shí)體是數(shù)字孿生的應(yīng)用載體，是特定物理世界下的研究主體。

一般而言，面向復(fù)雜產(chǎn)品研制的數(shù)字孿生的物理實(shí)體在層級上、研制過程上、生產(chǎn)和運(yùn)維上十分復(fù)雜，具備以下特點(diǎn)：

（1）內(nèi)部構(gòu)成：復(fù)雜產(chǎn)品的組件數(shù)量龐大，且其內(nèi)部組件與組件之間存在邏輯上和功能上的交互，不同組件運(yùn)行過程中涉及學(xué)科大量耦合；

（2）生命周期：在復(fù)雜產(chǎn)品研制的全生命周期，產(chǎn)品狀態(tài)隨時(shí)間變化，針對不同研制階段和研制領(lǐng)域，體現(xiàn)不同特點(diǎn)，需要數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)不同功能；

（3）外部環(huán)境：復(fù)雜產(chǎn)品的物理實(shí)體不僅包括最終的產(chǎn)品，也包括產(chǎn)品形成過程中涉及的資源、設(shè)備以及環(huán)境因素等。

這種物理實(shí)體的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等各個(gè)階段，難度大、周期長、成本高，面臨大量不確定因素。需要通過數(shù)字孿生的分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的優(yōu)化。

2.2 孿生模型是核心技術(shù)或手段

為發(fā)揮數(shù)字孿生的作用，需要通過孿生模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對信息進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面向物理實(shí)體的目標(biāo)操作，因而孿生模型是數(shù)字孿生技術(shù)的核心手段。孿生模型由最初的理論設(shè)計(jì)模型不斷加入實(shí)體信息、數(shù)據(jù)算法不斷發(fā)展而來，是物理實(shí)體在虛擬空間中的集成模型，也是產(chǎn)品全生命周期的真實(shí)數(shù)字化檔案。

孿生模型作為1 個(gè)反映真實(shí)物理世界的虛擬映射，其構(gòu)建十分復(fù)雜，需要對物理世界有充分的認(rèn)知并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的解讀，為此要求其具有以下核心特性：

（1）數(shù)字表達(dá)與仿真能力：具備對物理實(shí)體全面、綜合的描述能力，對系統(tǒng)內(nèi)各單元進(jìn)行多物理域、多尺度、多學(xué)科集成建模，各單元間相互獨(dú)立又相互耦合，可以根據(jù)需要對物理實(shí)體下一步狀態(tài)進(jìn)行仿真；

（2）概率與智能分析能力：基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息化手段，對故障、失效、不確定性、風(fēng)險(xiǎn)等的概率分析與仿真[34]，智能化的得出處理意見；

（3）虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能力：在準(zhǔn)確反映內(nèi)容、性質(zhì)等各方面的物理實(shí)體真實(shí)狀態(tài)的同時(shí)，依據(jù)需要疊加表達(dá)更多的數(shù)據(jù)信息、計(jì)算信息，使虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互更加深入。

2.3 孿生數(shù)據(jù)是交互媒介

對于1 個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)，其本身就可看作是海量數(shù)據(jù)的組合。物理實(shí)體的數(shù)據(jù)作為輸入，參與孿生模型的構(gòu)建、更新和計(jì)算；孿生模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，反映在物理實(shí)體上，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的優(yōu)化功能，孿生數(shù)據(jù)是物理實(shí)體和孿生模型間的交互媒介。

孿生數(shù)據(jù)涉及產(chǎn)品全生命周期，數(shù)字孿生中數(shù)據(jù)應(yīng)用的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源在全生命周期各階段的信息貫通、是一種全價(jià)值鏈的協(xié)同[35]。通過孿生數(shù)據(jù)，物理實(shí)體和孿生模型不斷發(fā)展，共同成長；同時(shí)，也可借鑒歷史數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的優(yōu)化和數(shù)字孿生能力的提升，更好的優(yōu)化物理實(shí)體。

2.4 動(dòng)態(tài)交互是推動(dòng)手段

孿生模型鏡像物理系統(tǒng)的生命歷程，其包含的不同要素，在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的互聯(lián)互通。數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)交互是雙向的，一方面物理實(shí)體的改變能動(dòng)態(tài)可視化地反映在數(shù)字孿生虛擬模型上；另一方面，通過孿生模型進(jìn)行仿真分析進(jìn)而產(chǎn)生的分析決策能夠在物理實(shí)體上得到體現(xiàn)。高實(shí)時(shí)性的動(dòng)態(tài)交互推動(dòng)物理實(shí)體和孿生模型的信息在相互映射中不斷變化，保持更新。

通過不同精度、不同抗干擾能力的傳感器，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體上面向不同功能的真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)或延時(shí)采集；利用交互媒介推動(dòng)孿生模型和物理實(shí)體的數(shù)據(jù)互聯(lián)，仿真數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)交互驗(yàn)證與優(yōu)化，保證孿生模型與物理實(shí)體動(dòng)態(tài)交互與演化，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共生。

3 面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的數(shù)字孿生

航空發(fā)動(dòng)機(jī)，是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和交變負(fù)荷等惡劣條件下包含數(shù)以萬計(jì)的零件、組件、系統(tǒng)的復(fù)雜熱力機(jī)械產(chǎn)品，涉及氣動(dòng)、燃燒、控制、傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等大量學(xué)科，包括設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、保障等多個(gè)階段，是典型的超復(fù)雜產(chǎn)品[36]。其研制呈現(xiàn)設(shè)計(jì)-試驗(yàn)驗(yàn)證-制造-優(yōu)化設(shè)計(jì)的反復(fù)；內(nèi)部多學(xué)科、多專業(yè)深度耦合；各部件間、主機(jī)與控制/潤滑等系統(tǒng)間的交聯(lián)也是特別復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致周期長，成本高、風(fēng)險(xiǎn)大[37]?？梢哉f，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的數(shù)字孿生定義，就是具象化的面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生定義。

數(shù)字孿生在發(fā)動(dòng)機(jī)研制全生命周期所有階段均有所開發(fā)和應(yīng)用，并在每個(gè)階段發(fā)生變化。數(shù)字孿生的內(nèi)容和功能取決于生命周期的內(nèi)容。實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)的形成過程，是孿生模型不斷成長的過程，也是數(shù)字孿生不斷應(yīng)用的過程。以設(shè)計(jì)域構(gòu)建的產(chǎn)品孿生模型為唯一數(shù)據(jù)源，不斷加入不同業(yè)務(wù)域的相關(guān)信息，反映發(fā)動(dòng)機(jī)研制的全生命周期。通過物理空間中發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測量、積累和反饋，精準(zhǔn)孿生模型的參數(shù)，更新孿生模型的算法，提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)；通過孿生模型的仿真、計(jì)算和數(shù)據(jù)應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行中的各項(xiàng)決策與控制，預(yù)測、分析產(chǎn)品狀態(tài)?？梢哉f，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生最終目標(biāo)作用在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體、發(fā)動(dòng)機(jī)研制的物理空間予以宏觀體現(xiàn)，即提高發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，降低研制成本，保障發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生定義模型如圖3 所示。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生定義模型

3.1 數(shù)字孿生的應(yīng)用目的

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，完整發(fā)動(dòng)機(jī)物理實(shí)體在運(yùn)維領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，數(shù)字孿生的主要目的是面向運(yùn)維領(lǐng)域。通過與實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)一一對應(yīng)的孿生模型和實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)的交互，反映實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，優(yōu)化實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)操作，保障實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，繼而通過大量發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)隊(duì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)維護(hù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)交付后才是數(shù)字孿生發(fā)揮作用的開始。以基于數(shù)字孿生的主動(dòng)運(yùn)維為牽引，需要設(shè)計(jì)域通過建模、仿真等技術(shù)手段為最終完整的發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型建設(shè)初始模型，制造域?yàn)閷\生模型賦予實(shí)體物理參數(shù)信息、構(gòu)型信息以及制造過程信息等。因此，不同業(yè)務(wù)域的數(shù)字孿生發(fā)展目標(biāo)不同，具體如下：

（1）設(shè)計(jì)域。以發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)域的主要工作內(nèi)容（設(shè)計(jì)、試制試裝以及運(yùn)行/維護(hù)）為目標(biāo)圖像，針對不同設(shè)計(jì)過程的使用需求（包括性能/功能反饋、配置管理、監(jiān)控、評估與維修、預(yù)測、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），針對性的開展技術(shù)研究，應(yīng)用于孿生模型建設(shè)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)全層級的結(jié)構(gòu)模型、表征其應(yīng)用環(huán)境和特性的模型，以及所需的支撐參數(shù)），形成發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品全生命周期唯一且權(quán)威的數(shù)字表達(dá)，支撐后續(xù)孿生模型的形成以及面向制造、運(yùn)維域一系列功能的實(shí)施。

（2）制造域。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動(dòng)識別、分析制造、裝配參數(shù)，數(shù)據(jù)快速與孿生模型集成，實(shí)現(xiàn)初始孿生模型與物理實(shí)體的快速映射，支撐后續(xù)實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)完整孿生模型的建立；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)加工過程的數(shù)字化與實(shí)時(shí)虛擬可視化，通過在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工品質(zhì)的在機(jī)快速評定，實(shí)現(xiàn)每個(gè)試件的高性能制造、高效率生產(chǎn)。

（3）運(yùn)維域。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，形成與實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)一一對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行保障系統(tǒng)，利用布置于發(fā)動(dòng)機(jī)表面和內(nèi)部傳感器，獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)與載荷變化、環(huán)境參數(shù)等信息，判讀發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及損傷；基于機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等方法驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)更新，以實(shí)現(xiàn)對關(guān)注狀態(tài)和特征的預(yù)測，結(jié)合運(yùn)行環(huán)境信息優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制，適時(shí)調(diào)整維護(hù)策略避免不必要的檢測和換件，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命，降低運(yùn)行成本。

在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)和孿生模型在不斷交互過程中共同發(fā)展、建設(shè)，包含的數(shù)據(jù)也按不同維度不斷積累、傳遞。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的數(shù)字孿生，最重要的組成部分即發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體、發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型、設(shè)計(jì)/制造/運(yùn)維數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)交互。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體是數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)載體和實(shí)現(xiàn)對象，航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體包含不同研制域面向的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，如試驗(yàn)件、部件、整機(jī)等；同時(shí)，還包括相關(guān)的設(shè)備、資源，發(fā)動(dòng)機(jī)使用的環(huán)境因素以及發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的相關(guān)信息等。

在設(shè)計(jì)域，方案論證時(shí)，尚未產(chǎn)生所對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物。在試制第1個(gè)零件、第1臺發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體主要為將要進(jìn)行試制、試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其生產(chǎn)、裝配過程中的相應(yīng)設(shè)備，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所需的試驗(yàn)環(huán)境、設(shè)施、資源等。

在制造域，面向發(fā)動(dòng)機(jī)大量生產(chǎn)的過程，實(shí)體的范圍也擴(kuò)展到車間、廠房、生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備、生產(chǎn)資源、倉儲(chǔ)設(shè)備等，制造域最終產(chǎn)生的、也是最重要的實(shí)體是實(shí)際生產(chǎn)出的批量發(fā)動(dòng)機(jī)，最終將配裝在飛機(jī)等裝備上。

在運(yùn)維域，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體主要為在役的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及其運(yùn)行時(shí)所面臨的各類環(huán)境，同時(shí)，大量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體也會(huì)裝配在飛機(jī)機(jī)隊(duì)中，不同發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體間的差異映射在對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型上，大量飛行參數(shù)、維修數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)也成為更進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型

發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型從宏觀及微觀尺度對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)近似模擬與刻畫，同時(shí)包含設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維領(lǐng)域與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體相關(guān)的其他設(shè)備、裝備及環(huán)境信息，模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、應(yīng)力、變形、疲勞等特性對外界因素的響應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)研制不同領(lǐng)域?qū)\生模型的構(gòu)建、關(guān)聯(lián)、歸納、轉(zhuǎn)換、演化、協(xié)同、融合，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生功能的核心。

在設(shè)計(jì)域，針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場景需求、采辦方案等，將總體方案、經(jīng)濟(jì)性分析等核心論證要素模型化，形成的發(fā)動(dòng)機(jī)方案模型是后續(xù)各類功能孿生模型的基礎(chǔ)和開端。伴隨單臺發(fā)動(dòng)機(jī)的試制、裝配，利用實(shí)際制造、裝配參數(shù)，形成整機(jī)實(shí)體模型，后續(xù)試驗(yàn)過程中，結(jié)合試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yōu)化試驗(yàn)過程，預(yù)測、分析試驗(yàn)結(jié)果。

在制造域，結(jié)合生產(chǎn)資源模型、生產(chǎn)車間模型，通過批量生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)交互，將設(shè)計(jì)域形成的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型演化成生產(chǎn)優(yōu)化模型；實(shí)現(xiàn)過對生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，檢測發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，形成批量產(chǎn)品的實(shí)體模型，為后續(xù)運(yùn)維構(gòu)建基礎(chǔ)。

在運(yùn)維域，以設(shè)計(jì)域構(gòu)建的數(shù)字孿生初始模型為基礎(chǔ)，結(jié)合制造域、運(yùn)維域等實(shí)體模型數(shù)據(jù)，以及對飛行數(shù)據(jù)、歷史維修報(bào)告等各類歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘，以飛機(jī)模型、運(yùn)行環(huán)境模型的相關(guān)數(shù)據(jù)為輸入，結(jié)合故障模型、性能預(yù)測模型、自適應(yīng)模型等各類服務(wù)的代理模型，服務(wù)、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

3.4 設(shè)計(jì)/制造/運(yùn)維數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的孿生數(shù)據(jù)包括規(guī)格、功能、性能、關(guān)系等的物理要素屬性數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)性能、環(huán)境參數(shù)、整機(jī)振動(dòng)等的動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)[38]，以及幾何模型相關(guān)數(shù)據(jù)，材料屬性、載荷、特征等孿生體屬性相關(guān)數(shù)據(jù)，溫度、風(fēng)速、環(huán)境變化、運(yùn)行機(jī)制等孿生體行為相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、分類、關(guān)聯(lián)、集成等相關(guān)處理，支撐數(shù)字孿生的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制有關(guān)的數(shù)據(jù)完整、一致、準(zhǔn)確、有序地存儲(chǔ)；完成孿生模型和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體從產(chǎn)品需求、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造到服務(wù)運(yùn)營的端到端的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通及共享，滿足設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等業(yè)務(wù)域?qū)?shù)據(jù)的消費(fèi)需求。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體與孿生模型的交互

發(fā)動(dòng)機(jī)研制的全生命周期均存在各項(xiàng)模型、數(shù)據(jù)間的交互行為，在數(shù)字孿生虛擬交互過程中，由實(shí)向虛的映射是建模，包括通過從物理空間提取數(shù)據(jù)用于虛擬空間的建模，以及持續(xù)的模型完善；而由虛向?qū)嵉挠成涫峭ㄟ^模型仿真，在對物理空間的精準(zhǔn)描述，同時(shí)，通過采集物理空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋到孿生模型，在此基礎(chǔ)上診斷可能出現(xiàn)的狀況，進(jìn)而預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，支撐對真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行決策。

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中數(shù)字孿生內(nèi)容如下：以數(shù)字化方式創(chuàng)建面向發(fā)動(dòng)機(jī)不同領(lǐng)域、不同視角的孿生模型，通過虛實(shí)間信息動(dòng)態(tài)交互、數(shù)據(jù)融合分析等手段，建立發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型與實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期的工作狀態(tài)鏡像，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的功能、性能和演變趨勢，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化決策。

4 總結(jié)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的數(shù)字孿生定義主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體、發(fā)動(dòng)機(jī)孿生模型、設(shè)計(jì)/制造/運(yùn)維數(shù)據(jù)以及實(shí)體與模型的交互4 方面。數(shù)字孿生主要服務(wù)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)維，即發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)交付后。通過數(shù)字孿生保障實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與維護(hù)效能，繼而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)隊(duì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)維護(hù)，以此牽引孿生模型的構(gòu)建，在線數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及交互映射的實(shí)現(xiàn)。

（2）隨著信息化算法及軟硬件水平的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將在建模仿真、數(shù)據(jù)運(yùn)用、智能決策等方面逐步成熟，更大程度上賦能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制。后續(xù)，需要以本文提出的數(shù)字孿生定義為基礎(chǔ)，分析GE、RR 等航空企業(yè)數(shù)字孿生的應(yīng)用特點(diǎn)，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)研制中數(shù)字孿生的技術(shù)框架，持續(xù)推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中數(shù)字孿生研究路線規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等相關(guān)工作。