胡忠志，曹文宇，何 皚，尉艦巍，劉 凱，楊佳利，徐全勇

（清華大學航空發(fā)動機研究院，北京 100084）

航空發(fā)動機是多學科集成動力裝置，需要滿足諸多苛刻而又互相矛盾的綜合指標要求，且長期處于嚴酷的工作環(huán)境，對技術(shù)研發(fā)和工程設(shè)計挑戰(zhàn)巨大。為滿足飛機日益提升的性能需求和技術(shù)革新要求，新的航空發(fā)動機構(gòu)型和技術(shù)方案不斷涌現(xiàn)，研發(fā)周期和成本提高，對航空發(fā)動機研發(fā)全流程都帶來巨大的挑戰(zhàn)。

航空發(fā)動機研發(fā)過程已形成貫徹系統(tǒng)工程理念的全生命周期流程并制定了相關(guān)規(guī)范，如美國SAE（美國工程師協(xié)會）《ARP4754A民用飛機和系統(tǒng)開發(fā)指南》，我國《民用航空發(fā)動機產(chǎn)品發(fā)展階段管理細則（試行）》規(guī)定等。航空發(fā)動機產(chǎn)品的全生命周期階段分為需求分析與定義階段、設(shè)計階段、制造階段和運維階段等。航空發(fā)動機的協(xié)作性和多學科性質(zhì)，以及集成大量組件和相關(guān)模型的需求，亟須推進數(shù)字化進程實現(xiàn)和使用先進的系統(tǒng)工程方法和工具，有效地管理產(chǎn)品的復(fù)雜性。

目前仿真已經(jīng)成為研發(fā)流程的重要內(nèi)容，無論是在設(shè)計研發(fā)階段、制造實現(xiàn)階段，還是集成驗證階段，仿真技術(shù)的引入成為縮短航空發(fā)動機研制周期的關(guān)鍵因素[1]。隨著仿真技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的進一步發(fā)展，航空發(fā)動機設(shè)計仿真技術(shù)逐漸向綜合化、集成化和融合化方向發(fā)展，同時伴隨系統(tǒng)工程方法論的進一步完善，整個航空發(fā)動機研發(fā)體系正在發(fā)生革命性變化。所有航發(fā)利益相關(guān)方正在急切地尋找基于模型的系統(tǒng)工程 （MBSE）、數(shù)字孿生 （Digital twin）和數(shù)字主線 （Digital thread）相關(guān)的解決方案。

本文面向航空發(fā)動機領(lǐng)域數(shù)字化進程，發(fā)展了數(shù)字發(fā)動機概念，深入分析航空發(fā)動機數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、需求和關(guān)鍵技術(shù)問題，為我國趕上數(shù)字化、智能化浪潮，抓住航空發(fā)動機研發(fā)體系變革機遇提供支持。

1 數(shù)字發(fā)動機定義

由于產(chǎn)品性能的要求高、開發(fā)風險和成本控制嚴格，航空工業(yè)一直是數(shù)字化變革的策源地和先行者。航空發(fā)動機相比飛機產(chǎn)品具有更顯著的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)為大量子系統(tǒng)和零組件之間的交互作用，需要在整個生命周期中被定義、指定和驗證。另一方面，航空發(fā)動機各部分之間的動態(tài)相互作用和各種運行狀態(tài)下動態(tài)特性，特別是涉及多個部件、多種同時發(fā)生的物理現(xiàn)象相互耦合，都導(dǎo)致從物理機制上準確、完整預(yù)測這些行為存在巨大挑戰(zhàn)[2]?？紤]航空發(fā)動機的復(fù)雜性，航空發(fā)動機全生命周期必須以一致的方式處理和管理不同方式創(chuàng)建的大量數(shù)據(jù)，同時對不同級別的設(shè)計、制造和運維顆粒度，以及系統(tǒng)和子系統(tǒng)設(shè)計和集成的各種規(guī)程進行更詳細的表達和描述，只有采用系統(tǒng)工程的過程和方法才能有效地管理這些多領(lǐng)域中多參與者和多層次的問題[3]。

盡管行業(yè)在不斷推進基于系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)管理體系和基于仿真的全生命周期流程，然而，由于航空發(fā)動機的復(fù)雜性，目前的研發(fā)體系并不能夠滿足未來的航空發(fā)動機的發(fā)展要求。來自于概念、知識、行為、意圖、邏輯和關(guān)系等大量信息還沒有在系統(tǒng)里得到體現(xiàn)和控制，多源數(shù)據(jù)和跨域模型的關(guān)聯(lián)、集成和追溯性還缺乏管理，規(guī)范化和標準化的建模、驅(qū)動和重用流程尚未建立，面向需求的多學科的耦合集成仿真技術(shù)研究需加強，基于數(shù)據(jù)和智能的集成仿真與決策能力不夠充分。大量的不確定性持續(xù)進入產(chǎn)品全生命周期，研發(fā)人員被消耗在程序性和事務(wù)性工作中，無法將精力投放在創(chuàng)新上[4]?；诖?，新的相互關(guān)聯(lián)的概念和方法論不斷提出，從不同角度推動數(shù)字化范式變革。

隨著計算機和信息技術(shù)以及工程技術(shù)在各個領(lǐng)域的迅速發(fā)展，使用面向?qū)ο蟮摹⒖梢暬南到y(tǒng)建模語言描述系統(tǒng)的技術(shù)逐步成熟。MBSE以規(guī)范化的系統(tǒng)建模技術(shù)來支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證與確認活動，持續(xù)貫穿復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)，可以有效地解決基于描述性文字信息的系統(tǒng)工程在數(shù)據(jù)交互和技術(shù)狀態(tài)管理方面面臨的問題，通過語言和工具提高了系統(tǒng)全周期信息表示的一致性[5]。MBSE并不專注于解決特定學科的設(shè)計問題。系統(tǒng)建模語言實際上描述“關(guān)于數(shù)據(jù)的信息”，是一種管理數(shù)據(jù)、模型、存儲庫和模擬的工具，也能夠?qū)?shù)據(jù)互操作性、交換、集成、鏈接、可追溯性、重用、轉(zhuǎn)換、歸檔和同步進行定義。MBSE強調(diào)面向系統(tǒng)工程過程的建模，建模并形成系統(tǒng)需求、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)驗證和其他過程中所涉及的分析元素的有機聯(lián)系，在整個生命周期中保持系統(tǒng)信息的一致性和可追溯性[6]。

數(shù)字主線引入了資源可共享（如傳感器輸出、計算工具、方法和流程）的數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，將來自產(chǎn)品生命周期所有階段 （如早期概念、設(shè)計、制造、運營、后壽命和退休）的信息鏈接起來，以實現(xiàn)實時和長期決策，也可認為是產(chǎn)品的主要或“權(quán)威”數(shù)據(jù)和通信平臺[7]。從數(shù)據(jù)角度看，實現(xiàn)的手段有標準化的數(shù)據(jù)定義、系統(tǒng)的權(quán)威語義表示、數(shù)據(jù)的清洗和挖掘等。從設(shè)計工具集成角度來看待，實現(xiàn)的方法有鏈接數(shù)據(jù)、模型驅(qū)動和代碼生成、基于標準的模型和數(shù)據(jù)交換 （例如使用FMI和STEP）、基于元模型的轉(zhuǎn)換等[8]。

航空發(fā)動機幾乎在每個學科領(lǐng)域和每個系統(tǒng)級別上都進行了數(shù)值模擬，以便能夠詳細探索設(shè)計空間和實現(xiàn)顯著的性能改進。面向航空發(fā)動機仿真的關(guān)鍵是能否集成和耦合多層次、多領(lǐng)域結(jié)構(gòu)和行為來準確描述系統(tǒng)特性，數(shù)字孿生的概念希望最終能夠有一個高精度的航空發(fā)動機表達，在進入實物加工階段之前就能夠?qū)ζ溥M行虛擬的驗證，確保設(shè)計決策正確，提高模擬和測試數(shù)據(jù)的可信度并減少試驗，降低現(xiàn)場故障的數(shù)量并做出實時決策，利用高精度模型、實際使用數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，在所有工況和環(huán)境下能夠模擬現(xiàn)實世界的行為[9–10]。高精度的模型并不意味著一定是基于物理機制的模型，也不意味著更高的維度或更小的尺度，更多地考慮滿足要求的精度、分辨率、實時性和經(jīng)濟性等[11]。在當前的數(shù)字孿生建模實踐中，多數(shù)模型關(guān)注通過數(shù)據(jù)的融合降低模型的不確定性或進行決策。

以上的概念及其相關(guān)的方法論和工具對于工業(yè)產(chǎn)品具有普遍的適用性，然而，針對裝備研發(fā)體系，考慮問題不能夠單獨割裂。2018年，美國國防部正式對外發(fā)布“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”，從更高數(shù)字化維度上統(tǒng)一集成了相關(guān)概念和方法論，涵蓋了系統(tǒng)工程的技術(shù)流程和技術(shù)管理流程，以貫穿裝備系統(tǒng)始終的系統(tǒng)模型、數(shù)字主線和數(shù)字孿生為核心，構(gòu)建了以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)[12]。盡管數(shù)字工程針對了整個裝備工業(yè)體系，但具體實踐過程中會因產(chǎn)品的不同而具有顯著的差異性，數(shù)字化變革的核心是專家知識、系統(tǒng)表達和行為意圖的數(shù)字化。

在產(chǎn)品全生命周期管理概念下，數(shù)字樣機的定義 （Digital Mock-Up）被廣泛使用，即數(shù)字樣機是對機械產(chǎn)品整機或具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對象的功能和性能（GB/T 26100—2010）。雖然廣義的數(shù)字樣機也涉及產(chǎn)品的功能和性能描述，但并不強調(diào)各個版本的完備性和統(tǒng)一性。針對航空發(fā)動機特定領(lǐng)域新的數(shù)字化趨勢，我們進一步發(fā)展數(shù)字樣機概念，提出“數(shù)字發(fā)動機”，其定義為基于統(tǒng)一完備的發(fā)動機系統(tǒng)建模表達構(gòu)建的覆蓋發(fā)動機生命周期的跨層級、跨尺度、多學科模型和數(shù)據(jù)的集成，數(shù)字發(fā)動機可保證數(shù)據(jù)的可追溯性和一致性，實現(xiàn)高精度和高置信度的對發(fā)動機不同層級系統(tǒng)功能和行為的刻畫、概括和集成的能力，為決策提供支持 （圖1）。能夠支持完成數(shù)字發(fā)動機開發(fā)的數(shù)字化平臺稱為數(shù)字發(fā)動機平臺。

圖1 數(shù)字發(fā)動機概念示意圖Fig.1 Digital engine concept diagram

2 發(fā)展現(xiàn)狀

針對航空發(fā)動機領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化發(fā)展，國內(nèi)外都開展了相關(guān)實踐活動，數(shù)字化貫穿航空發(fā)動機設(shè)計研發(fā)的全生命周期，正在改變航空發(fā)動機產(chǎn)品的設(shè)計、制造、集成與驗證以及運維方式。目前基于模型的系統(tǒng)工程方法和工具正在航空發(fā)動機主流廠商中逐步得到應(yīng)用，數(shù)字主線打通的統(tǒng)一協(xié)同平臺和數(shù)據(jù)管理架構(gòu)已經(jīng)逐步形成規(guī)模，更新現(xiàn)有的仿真流程和模型庫以形成多層級多視圖一體化集成仿真能力已經(jīng)初見成效，基于數(shù)據(jù)的模型和智能化決策能力重要性正在獲得廣泛共識。數(shù)字發(fā)動機方向的應(yīng)用和案例整理在表1中。

表1 數(shù)字發(fā)動機應(yīng)用和案例總結(jié)Table 1 Summary of digital engine application and cases

通用電氣公司 （GE）基于大量的歷史數(shù)據(jù)和強大的研發(fā)經(jīng)驗，在20世紀90年代就開始了以PDM、仿真流程建設(shè)為標志的研發(fā)數(shù)字化過程，逐步形成了基于流程和應(yīng)用的全球協(xié)同設(shè)計體系，集成包括業(yè)務(wù)、使能和工程應(yīng)用近2000個，主要實現(xiàn)3個典型特征： （1）通過增加工程和供應(yīng)鏈功能之間的協(xié)作減少了周期時間； （2）由一個通用的用戶界面驅(qū)動，保證了統(tǒng)一的體驗和共享的數(shù)字參考，確保每個涉眾都在相關(guān)的上下文中處理最新的信息，優(yōu)化了客戶需求及時響應(yīng)時間； （3）以數(shù)據(jù)為中心的基本原理和直觀的搜索功能，提高了生產(chǎn)率，簡化了數(shù)據(jù)管理，促進了跨邊界的高效信息共享。在成熟的數(shù)字化設(shè)計體系基礎(chǔ)上，通用公司的發(fā)動機研發(fā)體系正在進行蓬勃的更新?lián)Q代，通過高保真MBSE技術(shù)和工具鏈工程進一步縮短設(shè)計和認證周期[13]。

通用電氣公司開工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先河推出了Predix平臺，通過Predix平臺的部署深入地開展數(shù)字發(fā)動機的相關(guān)工作。平臺提供以工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)映射、分析為主線的信息傳遞能力，形成強大的對工業(yè)應(yīng)用APP的支撐能力，發(fā)展多層級的從工業(yè)互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺到軟件及服務(wù)的云架構(gòu)，依靠全生命周期數(shù)字主線，所有數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通，因此真實物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過與智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的物理系統(tǒng)向數(shù)字化模型反饋，使生命周期各個環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型保持一致，從而能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)、實時評估系統(tǒng)的當前及未來的功能和性能。平臺通過數(shù)字化模型，可以在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)調(diào)試、試驗和優(yōu)化其運行狀態(tài),形成針對特定單個產(chǎn)品的數(shù)字孿生。在運維過程中，針對在翼發(fā)動機建立數(shù)字孿生模型，構(gòu)建了機隊監(jiān)測、診斷和健康管理的框架，實現(xiàn)了故障隔離、故障檢測和量化的功能[16–17]。

在大量的專業(yè)模型積累的基礎(chǔ)上，設(shè)計數(shù)字主線 （Digital thread for design，DT4D）是通用公司正在發(fā)展的能力，可以根據(jù)工作流程快速創(chuàng)建人工智能代理模型，同時對模型相關(guān)的數(shù)據(jù)進行協(xié)同化和線程化，該項目專注于將DT4D能力應(yīng)用于設(shè)計、模型和仿真的每個用例，使其快速地部署和搜索，同時實現(xiàn)與現(xiàn)有的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)庫 （PLM）系統(tǒng)整合，實現(xiàn)工作流和代理模型的自動化，如圖2所示。

圖2 通用公司用于設(shè)計研發(fā)的數(shù)字主線Fig.2 GE digital thread for design and development

普惠公司 （Pratt & Whitney）在成熟的研發(fā)體系的基礎(chǔ)上，使用數(shù)字工程作為連接不同工具和優(yōu)化自動化的一種方式，正在通過數(shù)字主線形成跨多個領(lǐng)域集成，同時采用基于模型的系統(tǒng)工程與上下游客戶和供應(yīng)商形成協(xié)同，成功推進體系革新，形成了數(shù)字發(fā)動機平臺的架構(gòu)，如圖3所示[15]。面對設(shè)計和制造信息的鴻溝，普惠推進了互聯(lián)工廠項目，進一步落實數(shù)字主線的落地。

圖3 普惠公司航空發(fā)動機數(shù)字化平臺架構(gòu)[15]Fig.3 Pratt & Whitney aero-engine digital platform architecture[15]

EngineWise平臺創(chuàng)建于2017年，包括先進診斷和發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)（ADEM），這是一款使用網(wǎng)絡(luò)支持、具有發(fā)動機健康管理服務(wù)的軟件工具，為其民用航空發(fā)動機的在線監(jiān)測、預(yù)測和決策提供支持。在軍用發(fā)動機方面，依托設(shè)計數(shù)據(jù)開展數(shù)字孿生建模，通過軟件更新提升使用性能、可靠性和壽命。針對航空發(fā)動機的典型部件，通過需求和系統(tǒng)架構(gòu)的MBSE建模來串聯(lián)相關(guān)領(lǐng)域模型，促進部件迭代開發(fā)。

羅·羅 （Rolls-Royce）公司發(fā)展和完善了產(chǎn)品數(shù)據(jù)在數(shù)字主線中上下傳遞的解決方案，在制造和服務(wù)階段獲得工程設(shè)計和定義的數(shù)據(jù)，希望所有用戶都可以在任何一點上看到單個設(shè)計的相同狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于其民用發(fā)動機的在線監(jiān)測、預(yù)測和決策中。在軍用發(fā)動機方面依據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)開展相應(yīng)數(shù)字孿生建模工作，提升使用性能、可靠性和壽命。羅·羅重點關(guān)注采用先進的數(shù)據(jù)分析、工業(yè)人工智能和機器學習，以加速新的數(shù)據(jù)分析和服務(wù)的發(fā)展，從數(shù)據(jù)中釋放新的價值，將最新的分析技術(shù)與行業(yè)知識和工程專業(yè)知識相結(jié)合，更好地支持客戶。羅·羅通過航發(fā)運營生成大量的數(shù)據(jù)，進行大量的數(shù)據(jù)分析，進而創(chuàng)造一個數(shù)字孿生的發(fā)動機來提供更豐富的數(shù)據(jù)集，通過專家知識和數(shù)據(jù)分析方法將其構(gòu)建、測試、決策，然后傳遞給用戶。數(shù)字孿生是羅·羅“智能引擎”愿景的一部分，該愿景將物理發(fā)動機與維護服務(wù)和數(shù)字技術(shù)無縫結(jié)合。

為加強泛企業(yè)環(huán)境下飛機多學科系統(tǒng)集成和整機數(shù)字建模協(xié)同能力，減少對物理試驗的依賴，加快產(chǎn)品研發(fā)流程，2009年由歐盟委員會資助，空客公司主導(dǎo)，來自13個國家的59個合作伙伴及科研機構(gòu)團隊跨地域協(xié)作，發(fā)起了基于仿真驅(qū)動設(shè)計優(yōu)化理念的飛行器協(xié)同設(shè)計應(yīng)用項目—— CRESCENDO（Collaborative and robust engineering using simulation capability enabling next design optimisation）和后續(xù)多個計劃，其中航空發(fā)動機作為其最重要的子系統(tǒng)開展了大量工作。賽峰（Safran）建立起一套面向行為式數(shù)字化樣機（Behavioral digital engine）技術(shù)，實現(xiàn)從初步設(shè)計到詳細驗證和驗收全生命周期的設(shè)計–分析一體化平臺，對異構(gòu)環(huán)境數(shù)據(jù)共享和交換行為的規(guī)范以及多信息系統(tǒng)的集成應(yīng)用進行開發(fā)，對設(shè)計過程中每個設(shè)計環(huán)節(jié)的輸入輸出及方法實現(xiàn)追溯和審計，從而建立起基于仿真驅(qū)動設(shè)計的協(xié)同能力[2]。

俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機公司 （UEC）一直致力于制定基于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)動機生命周期管理戰(zhàn)略，為使用數(shù)字孿生作為主要工具奠定基礎(chǔ)，通過需求管理系統(tǒng)確認在開發(fā)階段實現(xiàn)產(chǎn)品的目標參數(shù)。在聯(lián)合發(fā)動機公司的TV7–117ST 發(fā)動機、禮炮公司的 AI222–25 發(fā)動機、土星公司的船用燃氣輪機上實施了試點項目。土星公司已經(jīng)開發(fā)了產(chǎn)品需求管理模塊，對船用燃機要素進行了大量高精度數(shù)學建模，創(chuàng)建了整機動態(tài)模型，并開發(fā)了用于預(yù)測運行狀態(tài)和故障趨勢發(fā)展相關(guān)程序，如圖4所示[19]。

圖4 UEC公司航空發(fā)動機數(shù)字孿生平臺架構(gòu)[19]Fig.4 UEC aero-engine digital twin platform architecture[19]

航空航天和國防產(chǎn)品生命周期管理行動組 （AD PAG）是由空客、波音、巴西航空、通用、灣流、三菱支線、普惠、羅·羅和賽峰等組成的航空航天原始設(shè)備制造商和飛機發(fā)動機供應(yīng)商的協(xié)會組織，識別和描述當前MBSE標準和工具在支持行業(yè)數(shù)據(jù)交換方面的能力，討論數(shù)字化業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)和方法、標準的比較分析、戰(zhàn)略和路線圖，探索多視圖BOM和基于3D模型的定義等具體的實施措施。該團隊主要的業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)之一是數(shù)字化工具和基于模型的流程，通過技術(shù)數(shù)據(jù)包的雙向交換，實現(xiàn)航空行業(yè)協(xié)作。目前，由成員公司領(lǐng)域?qū)＜医M成的項目團隊已經(jīng)成立，以評估當前的數(shù)據(jù)互操作性標準，首先實現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)工程 （MBSE）概念設(shè)計過程，評估在協(xié)作產(chǎn)品開發(fā)活動中交換數(shù)字需求和系統(tǒng)架構(gòu)模型。

中國航發(fā)運營管理系統(tǒng) （AEOS）及產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)商管理和服務(wù)保障4個體系建設(shè)的全面啟動，在2022年形成一整套覆蓋產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)流程和管理規(guī)范，形成體系架構(gòu)和實踐方法論，強化協(xié)同，完成整個體系的數(shù)字化運行，推動業(yè)務(wù)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化運行。目前，國內(nèi)航空發(fā)動機行業(yè)已經(jīng)初步形成IPT團隊組織模式、以需求為牽引的研制規(guī)劃、基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心的協(xié)同研發(fā)與管控，完成了基于文檔的系統(tǒng)工程建設(shè)。與此同時，中國航發(fā)從論證開始逐步推進MBSE、數(shù)字主線、數(shù)字孿生等更先進的數(shù)字化發(fā)展方向，各發(fā)動機研究所成立系統(tǒng)工程部專門推進。

3 挑戰(zhàn)及需求

數(shù)字發(fā)動機研究希望建設(shè)先進的、滿足型號研制任務(wù)的、可應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)生命周期過程的產(chǎn)品數(shù)字化平臺，并從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式，從而大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短周期，須滿足以下需求。

（1）建設(shè)高可信度基礎(chǔ)模型庫和算法庫。

新的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是建立在原有成熟的正向研發(fā)體系之上，是對原有體系的繼承和進一步發(fā)展，是設(shè)計體系成熟的結(jié)果，我國需要梳理航空發(fā)動機基礎(chǔ)科研成果和型號設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗，建立航空發(fā)動機知識體系和知識應(yīng)用機制，開發(fā)統(tǒng)一管理、訪問、處理的知識體系平臺環(huán)境；建設(shè)系統(tǒng)全面的、規(guī)范化的、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的先進航空發(fā)動機仿真分析體系，開發(fā)面向工程設(shè)計需求集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計算工具、驗證方法為一體的專業(yè)模型庫和算法庫；建設(shè)校核、驗證與確認的標準化模型準入體系，形成模型可信度評估工作流程和規(guī)范，全面評估各階段的建模工作和成果有效性。

（2）建設(shè)即插即用互聯(lián)互通的通用仿真平臺。

數(shù)字化的所有成果都要集成在開發(fā)、運行和表達的平臺中，即插即用互聯(lián)互通平臺是基礎(chǔ)。構(gòu)建滿足航空發(fā)動機專業(yè)模塊開發(fā)和驗證所需要的通用仿真平臺，能夠進行模塊的開發(fā)和部署，支持多種開發(fā)語言和開發(fā)框架，提供彈性擴展的、高可靠的、容器化的程序運行環(huán)境；提供開放的數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)硬煌牡谌綉?yīng)用，可成為產(chǎn)品全生命周期開發(fā)平臺的子平臺；對于航空發(fā)動機專用場景，提供可視化開發(fā)套件，支持代碼和不同功能模塊的快速復(fù)用，提供模塊的API接口開放，能夠針對不同應(yīng)用場景，快速組裝并形成專業(yè)模塊；提供數(shù)據(jù)處理工作流，支持對不同應(yīng)用場景下數(shù)據(jù)處理的靈活支持；提供強大的數(shù)據(jù)存儲和管理能力，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，還要支持文件存儲和對象存儲，以及時間序列數(shù)據(jù)庫等；提供基于實時數(shù)據(jù)流的運行環(huán)境，能夠支持基于數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建的工具和算法在平臺運行，支持快速定制數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可視化，支持根據(jù)實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)診斷、評估和預(yù)測；能夠提供包括身份管理、權(quán)限管理、知識產(chǎn)權(quán)管理等在內(nèi)的管理模塊，平臺本身的功能模塊、專業(yè)模塊、可視化模塊均形成標準化集成方法和規(guī)范，可實現(xiàn)建模和仿真協(xié)同；通過統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程整合工具，提供業(yè)務(wù)流程的統(tǒng)一建模和監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上進行流程的管理和優(yōu)化；能夠整合MBSE和數(shù)字主線相關(guān)工具和數(shù)據(jù)，形成符合數(shù)字化發(fā)展趨勢的面向語義和連通性的革新平臺。數(shù)字發(fā)動機平臺的總體架構(gòu)如圖5所示，其包含平臺基礎(chǔ)建設(shè)和航空發(fā)動機模型庫、數(shù)據(jù)庫、工具庫和知識庫開發(fā)等幾部分內(nèi)容 （簡稱“四庫一平”）。

圖5 數(shù)字發(fā)動機仿真平臺總體架構(gòu)Fig.5 Overall architecture of digital engine simulation platform

（3）基于數(shù)字主線的仿真工作流管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

形成面向需求和系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)化、形式化的描述系統(tǒng)，基于系統(tǒng)模型完成不同階段產(chǎn)品信息的表達，在整個生命周期中對系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)進行持續(xù)的驗證與確認；高校、研究單位和行業(yè)通力合作，形成航空發(fā)動機需求和系統(tǒng)建模的規(guī)范，突破不同工具的數(shù)據(jù)交換及互操作性標準，建設(shè)面向不同發(fā)動機的系統(tǒng)模型用例和標準化數(shù)據(jù)庫；打通系統(tǒng)建模工具、需求管理工具和聯(lián)合仿真框架之間的業(yè)務(wù)鏈條，實現(xiàn)系統(tǒng)模型作為唯一真相源的通用化平臺架構(gòu)，可作為數(shù)字主線的一部分連接端到端的數(shù)據(jù)流。定義數(shù)字主線相關(guān)模型創(chuàng)建、信息傳遞、數(shù)據(jù)更新等標準或規(guī)范，集成數(shù)字主線工具鏈，保證全生命周期數(shù)據(jù)準入和傳遞質(zhì)量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的有效通信；完善過程數(shù)據(jù) （仿真數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等）管理能力、數(shù)據(jù)分析和異構(gòu)數(shù)據(jù)集成能力，實現(xiàn)以系統(tǒng)模型為真相源的多源數(shù)據(jù)融合；發(fā)展新的流程自動化方法，發(fā)展接口和CAD – CAE自動化、網(wǎng)格自動化工具，關(guān)注智能識別、行為決策和過程控制相關(guān)數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的追溯和快速迭代更新。

（4）發(fā)展多學科耦合整機集成仿真技術(shù)。

面向航空發(fā)動機設(shè)計需求，建設(shè)多層級 （部件或整機級等）和多學科集成仿真平臺，打通多學科工具鏈，發(fā)展多物理現(xiàn)象耦合高效算法，發(fā)展面向整機和部件系統(tǒng)級的混維仿真方法。發(fā)展高效設(shè)計空間探索和性能改進方法和工具，形成面向設(shè)計需求的多學科集成優(yōu)化工具；發(fā)展和驗證流程緊密耦合的集成驗證平臺，開發(fā)面向功能和行為、不同抽象級別的高置信度降維仿真算法和基于數(shù)據(jù)的快速仿真方法，發(fā)展全數(shù)字、半物理和虛實耦合試驗驗證體系。

（5）發(fā)展基于數(shù)據(jù)的分析和決策支持技術(shù)。

建設(shè)數(shù)據(jù)存儲、管理方法并搭建平臺，定義航空發(fā)動機異構(gòu)數(shù)據(jù)處理規(guī)則和標準，發(fā)展大規(guī)模數(shù)據(jù)自動化數(shù)據(jù)處理、標記、管理工具，發(fā)展基于規(guī)則和模型的自動化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與映射工具；發(fā)展高維仿真的人工智能降階算法，發(fā)展基于數(shù)據(jù)的智能算法、仿真分析方法，發(fā)展機理和數(shù)據(jù)融合建模、仿真分析方法，發(fā)展智能識別和決策支持方法；發(fā)展數(shù)據(jù)可視化的交互工具，對數(shù)據(jù)、算法模型進行可視化展示，支持人工決策和表達。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 學科仿真模型集成

利用基于物理的分析能力，將相關(guān)學科模型進行集成，以便獲得系統(tǒng)級功能和行為的方法，已經(jīng)被廣泛航空從業(yè)者認可。集成技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，學科模型也已經(jīng)從單一工具的集成階段，發(fā)展到協(xié)同環(huán)境下跨工具的集成階段。無論處在何種階段，學科模型之間的信息交互始終是集成的關(guān)鍵問題。學科模型的信息交互，主要包括學科知識之間的交互、異構(gòu)數(shù)據(jù)模型的交互、模型間的信息通訊等。對于航空發(fā)動機此類學科復(fù)雜度高、耦合性強的專業(yè)，如何使學科模型高效集成、重用和優(yōu)化，始終是研究的重要方向。

為了提升廠商的學科模型最終集成和驗收測試能力，及時發(fā)現(xiàn)學科模型中的缺陷，減少由于學科之間語義差異引起知識交互誤解的概率，提升多學科模型之間有效傳遞的知識與信息，德國航空航天中心 （DLR）于2005年便開始開發(fā)允許任意數(shù)量的跨學科分析能力有效互聯(lián)的技術(shù)——中心數(shù)據(jù)模型CPACS（Common parametric aircraftconfiguration scheme），該數(shù)據(jù)模型面向整個航空行業(yè)，利用通用的參數(shù)化技術(shù)對飛機構(gòu)型方案進行高保真度的描述，如圖6所示[20]。在已有CPACS及其關(guān)聯(lián)工具發(fā)展的基礎(chǔ)上，為了促進參數(shù)化飛機構(gòu)型方案 （CPACS）在發(fā)動機、空氣動力學等專業(yè)與學科的應(yīng)用，降低非標準化方式進行構(gòu)型方案數(shù)據(jù)交換的不一致風險，促進跨學科知識與模型的集成和重用，Alder等[21]開發(fā)了CPACSLibrary的軟件庫。軟件庫通過C++等基礎(chǔ)編程語言完成了方法學的實現(xiàn)、測試驅(qū)動的開發(fā)、版本的控制、Python的綁定以及數(shù)據(jù)可視化的策略等功能，進而加速CPACS生態(tài)的完善。

圖6 CPACS結(jié)構(gòu)圖[20]Fig.6 CPACS structure diagram[20]

除了CPACS此類面向行業(yè)的通用語言的研究與發(fā)展，在直接面向?qū)W科模型知識與信息傳遞方面，Sirin等[22]提出了模型識別卡 （Model identity card: MIC）的方法，通過對產(chǎn)品知識及學科模型的抽象形成標準化術(shù)語，實現(xiàn)模型不同性質(zhì)的陳述，提升學科模型集成的可靠性。

為了簡化不同學科仿真系統(tǒng)動態(tài)模型的創(chuàng)建、存儲、交換和重用，用于模型/軟件/硬件在環(huán)仿真、信息物理系統(tǒng)和其他應(yīng)用，由戴姆勒股份公司發(fā)起，在眾多工業(yè)軟件廠商、生產(chǎn)廠商及Modelica 協(xié)會的共同努力下，形成了一套學科交互接口標準——FMI（Functional mock-up interface）。FMI[23]是一個工具無關(guān)的標準，支持使用XML文件和C代碼 （或者在DLL/共享庫中編譯，或者在源代碼中編譯）的組合進行模型交換和動態(tài)模型的聯(lián)合仿真。

在各類學科模型集成技術(shù)的不斷發(fā)展中，航空業(yè)由于其工程的高度復(fù)雜性，使跨工程師、跨部門和跨廠商能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同研發(fā)的需求愈發(fā)明顯與緊迫。與之相應(yīng)的，是不同來源的、不同質(zhì)量的多學科模型協(xié)同開發(fā)的需求也亟須解決。由此，學科模型的集成也就逐步進入了協(xié)同環(huán)境下跨工具的集成階段。在此種條件下，學科模型的集成除了面臨學科本身的問題，還需要面對學科工作流程的定義，工作職責的劃分，數(shù)據(jù)的存儲、追溯、處理，學科模型的知識產(chǎn)權(quán)安全性等問題。為了緩解這些問題，歐盟通過資助的AGILE項目，提出了RCE（遠程組件環(huán)境）工具[24]——由德國航空航天中心 （DLR）開發(fā)的開源應(yīng)用程序。用戶能夠直觀地集成學科工具，通過圖形界面定義它們之間的依賴關(guān)系，并執(zhí)行由此產(chǎn)生的多學科工程工作流。產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都集中存儲，用于溯源、后續(xù)分析和后處理。在一定程度上，RCE使協(xié)作工程師可以很容易地將各自的學科工具貢獻給多學科設(shè)計或分析，簡化了工作流結(jié)果的分析。除了RCE，國內(nèi)外還形成了眾多跨工具的協(xié)同工作環(huán)境，如中船重工奧藍托的iDesigner平臺、索為公司的SYSWARE平臺等，該類平臺均以圖形化的學科模型集成為基礎(chǔ)，融入了行業(yè)研發(fā)經(jīng)驗，形成了學科模型集成平臺化、協(xié)同化、跨工具化和跨地域化的趨勢。

4.2 系統(tǒng)模型和學科模型的連通

系統(tǒng)模型可以被視為系統(tǒng)功能元素的戰(zhàn)略組織，其布局使元素之間的角色、關(guān)系、依賴關(guān)系和接口能夠被明確定義和理解[25]。目前，系統(tǒng)模型主要通過UML和SysML等系統(tǒng)建模語言以語義建模的形式，從全局視角描述產(chǎn)品的組成與關(guān)聯(lián)關(guān)系，并不包含產(chǎn)品的全部詳細定量信息，對于產(chǎn)品而言仍存在一定的不確定性，限制了系統(tǒng)模型對產(chǎn)品的預(yù)測能力[26]。為克服系統(tǒng)模型的不確定性問題，在系統(tǒng)建模過程中引入學科模型，利用定量的學科描述提升系統(tǒng)模型決策和預(yù)測的有效性，已經(jīng)成為普遍認可的解決思路。系統(tǒng)模型中融入學科模型，除了提高自身模型的能力以外，還可為學科模型提供管理媒介[27]，從跨學科關(guān)系的視角來驅(qū)動或引導(dǎo)學科模型之間的集成與優(yōu)化，為航空發(fā)動機此類學科復(fù)雜度高、耦合性強的產(chǎn)品提供新的學科模型集成思路。

要實現(xiàn)系統(tǒng)模型和學科模型的聯(lián)合應(yīng)用，模型之間信息的連通性是必須解決的關(guān)鍵問題。由于系統(tǒng)模型的語義不確定性與學科模型的描述精準性差異明顯，除了要明確交互接口規(guī)范、數(shù)據(jù)類型和通訊規(guī)則等信息以外，還需要精心設(shè)計并定義各自模型中信息交互與存儲的屬性。

當前，對于系統(tǒng)模型與學科仿真模型的連通研究，很多借鑒了學科模型之間集成的思路，如Galisson等[28]使用Arcadia方法論，利用Capella工具創(chuàng)建產(chǎn)品系統(tǒng)模型的過程中，借助模型識別卡 （MIC）的方法，在系統(tǒng)模型中引入新的Viewpoint配置用于捕獲學科仿真的需求與特征，最終形成面向?qū)W科建模與評估的MIC，實現(xiàn)系統(tǒng)模型與學科模型的交互。

對于仍以文檔管理為中心的學科幾何模型，已有很多團隊開展研究，力圖用系統(tǒng)模型來驅(qū)動和管理幾何模型，提升查詢和分析系統(tǒng)模型與學科幾何模型的能力。Bajaj等[29]在系統(tǒng)建模過程中，以參數(shù)化建模的方式將幾何模型與需求相關(guān)聯(lián)，將需求作為“種子”成為學科幾何模型的起點，將系統(tǒng)級約束編碼為幾何或參數(shù)邊界，在將系統(tǒng)需求可視化為幾何圖形的同時，也實現(xiàn)了動態(tài)計算幾何模型是否違反約束的方法。此外，通過對學科幾何模型不同階段基線模型內(nèi)系統(tǒng)屬性的提取，又實現(xiàn)了工程分析和系統(tǒng)需求的自動化驗證。經(jīng)過在數(shù)字主線方向一系列的研究與應(yīng)用，Bajaj等[30]的思想已經(jīng)在美國Intercax公司推出的Syndeia平臺中形成了系統(tǒng)生命周期處理程序 （SLH）的軟件環(huán)境，通過連接從需求和系統(tǒng)架構(gòu)到PLM/計算機輔助設(shè)計、制造和仿真模型到機器和傳感器數(shù)據(jù)流的異構(gòu)工件，提供構(gòu)建、管理、查詢和可視化數(shù)字主線的服務(wù)。Syndeia利用STEP、REST/HTTP、OSLC等開放標準，將源自各種軟件倉庫和工具的模型和數(shù)據(jù)結(jié)合起來，如SysML工具、PLM和ALM環(huán)境、數(shù)據(jù)庫、需求和項目管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和仿真工具等，并為各個倉庫、工具、模型和數(shù)據(jù)等編制產(chǎn)品/系統(tǒng)的總體系統(tǒng)模型圖提供可視化服務(wù)，在保證信息關(guān)聯(lián)性、追溯性、交互通暢性的同時，最大限度降低工程師的學習與使用成本。

Vosgien等[2]通過對學科幾何模型的深入研究，引入了多學科數(shù)字集成鏈的概念，多學科數(shù)字集成鏈是多級設(shè)計–仿真回路，將子系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù) （潛在來自多個學科）集成在一起，以預(yù)測全局系統(tǒng)行為，從而驗證系統(tǒng)性能是否符合預(yù)期。在數(shù)字化集成鏈的背景下，提出了可用作大型裝配有限元模型的數(shù)字樣機轉(zhuǎn)換方法，使系統(tǒng)模型可應(yīng)用于學科幾何模型的行為仿真中。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，歐洲資助的AGILE 4.0項目也將目光聚焦在了系統(tǒng)模型與學科模型集成上，希望可以在實現(xiàn)系統(tǒng)方案權(quán)衡和需求追溯的同時，加速系統(tǒng)模型與學科模型之間相互轉(zhuǎn)化的效率[31]。通過研究與實踐，形成了一個聯(lián)合MBSE和MDAO的開發(fā)框架[32]。在此框架下，整合了一系列系統(tǒng)模型開發(fā)與驗證工具、學科模型開發(fā)與分析工具和用于支持系統(tǒng)模型與學科模型轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)規(guī)范等成果[33]，并在某型無人機認證[34]和某型號大飛機供應(yīng)鏈管理[35]等方面開展應(yīng)用。

4.3 數(shù)字孿生的仿真建模方法

產(chǎn)品生命周期中的多個階段向數(shù)字主線提供信息，可以用來在未來的設(shè)計中做出明智的選擇，以及減少設(shè)計參數(shù)和工藝成本的不確定性。此外，這些信息可能揭示更有效的操作策略。執(zhí)行設(shè)計決策為產(chǎn)品生命周期添加了新的信息，改變了數(shù)字主線的狀態(tài)。這一過程可以用數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計方法和不確定性下的決策問題進行數(shù)學描述。如利用貝葉斯推理和決策理論的工具，對其進行數(shù)學描述[36]。

針對航空發(fā)動機數(shù)字孿生建模問題，早期主要有機理性建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模，以及機理/數(shù)據(jù)混合模型3類方法。機理性建模方法從航空發(fā)動機的機理出發(fā)，基于通用理論模型，應(yīng)用航空發(fā)動機循環(huán)的熱力學公式對進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管進行建模，考慮熱力循環(huán)過程中的流量方程、壓氣機中的壓縮方程、燃燒室中的熱平衡方程、換熱方程等建立航空發(fā)動機數(shù)字孿生模型。機理性建模的不足是缺乏與航空發(fā)動機實測數(shù)據(jù)的結(jié)合，因而難以準確描述和預(yù)測航空發(fā)動機全壽命周期性能特性。

近年來，隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動建模理論，包括支持向量回歸建模、極限學習機建模、智能辨識優(yōu)化算法以及機器學習等基本理論的發(fā)展，國外學者也發(fā)展了大量基于設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，直接辨識/訓練成高精度的數(shù)字孿生模型，例如通過NARMAX辨識方法可以在時域和頻域分別對航空發(fā)動機進行分參數(shù)分析，確定模型階數(shù)并對航空發(fā)動機進行建模，進一步提高了建模方法的精確性。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模目前主流是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類方法，因此其強大的映射能力可實現(xiàn)多變量、強耦合、非線性的系統(tǒng)建模。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模選取大量的樣本數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行訓練，可以得到更好的仿真效果，計算結(jié)果通常能夠與實測數(shù)據(jù)精確吻合。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的不足是忽略了對設(shè)備物理特性的描述，難以對結(jié)果給出機理性的解釋。

對于航空發(fā)動機數(shù)字孿生仿真建模來說，使用場景對其置信度要求極高時，單一的建模方法顯然無法在全包線、全狀態(tài)范圍內(nèi)精確反映航空發(fā)動機甚至飛機整體性能；另一方面，從整個數(shù)字孿生的高保真度要求來看，工業(yè)需求不僅追求發(fā)動機本身的熱力性能信息，同時也關(guān)注其結(jié)構(gòu)和內(nèi)部三維流動，甚至全生命周期或各類故障下的表現(xiàn)情況，傳統(tǒng)的單學科仿真難以滿足數(shù)字孿生在航空發(fā)動機上的應(yīng)用需求，多專業(yè)間匹配開始成為數(shù)字孿生的標配，因此其建模方法趨向多學科，跨專業(yè)，需要通過模型降階技術(shù)、通用接口模型設(shè)計和統(tǒng)一仿真架構(gòu)設(shè)計，將航空發(fā)動機氣動、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等各類專業(yè)模型、有限元仿真模型進行有效集成，實現(xiàn)系統(tǒng)級的多學科聯(lián)合仿真模型，涉及的建模技術(shù)包括：建模規(guī)范構(gòu)建、多學科系統(tǒng)建模、有限元模型降階、異構(gòu)模型集成、模型修正與更新、虛實交互接口開發(fā)和模型實時化等技術(shù)。

5 結(jié)論

航空發(fā)動機產(chǎn)品的難度和復(fù)雜性迫切需要數(shù)字化技術(shù)的支持。對于歐美航空強國，數(shù)字發(fā)動機仿真技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動機的研制中起到關(guān)鍵作用，數(shù)據(jù)和模型連通性工作正在穩(wěn)步推進，高精度數(shù)字化建模和動態(tài)仿真技術(shù)正在貫穿航空發(fā)動機研發(fā)和運維的全生命周期，并已經(jīng)逐步整合到正向設(shè)計研發(fā)體系中，給發(fā)動機研制帶來顯著的效率提升和成本下降。推動發(fā)動機裝備由過去長周期試制向快速迭代轉(zhuǎn)變，打造低成本可持續(xù)供給能力，構(gòu)建航空發(fā)動機數(shù)字化生態(tài)是當務(wù)之急。

通過回顧數(shù)字化概念的發(fā)展歷程和實質(zhì)內(nèi)容，本文指出了MBSE、數(shù)字孿生、數(shù)字主線等技術(shù)緊密且不可分割的關(guān)系，又認識到數(shù)字化面對的問題不是航空發(fā)動機獨有的，而解決方案卻一定是以行業(yè)特點和專家知識為主導(dǎo)，并結(jié)合數(shù)字工程概念發(fā)展了數(shù)字發(fā)動機概念。通過對國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的分析，面對數(shù)字發(fā)動機挑戰(zhàn)，總結(jié)出了建設(shè)高可信度基礎(chǔ)模型庫和算法庫、即插即用互聯(lián)互通的通用仿真平臺、基于數(shù)字主線的仿真工作流管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多學科耦合整機集成仿真技術(shù)、基于數(shù)據(jù)的分析和決策支持技術(shù)等需要開展的工作內(nèi)容。針對數(shù)字化需要建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文總結(jié)學科仿真集成方法、系統(tǒng)模型和學科模型的連通方法、數(shù)字孿生建模方法的國內(nèi)外相關(guān)研究內(nèi)容和方向，為行業(yè)開展具體技術(shù)開發(fā)工作提供支持。

開展數(shù)字發(fā)動機研究和建設(shè)航空發(fā)動機全生命周期數(shù)字化協(xié)同平臺，需要融合航空發(fā)動機設(shè)計技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)的最新成果，需要擁有顛覆性數(shù)字化、智能化理念和專精的航空發(fā)動機專業(yè)知識的研究機構(gòu)、高校、研究所和生產(chǎn)廠家等單位的廣泛和深入的合作。