孫敏

當(dāng)今時(shí)代，“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為高端制造業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。與過(guò)去的工業(yè)革命由單一核心技術(shù)引導(dǎo)不同，“工業(yè)4.0”的概念中雖然包含了很多新一代的制造工藝，但是這些工藝技術(shù)本身并不是革命性的，而是它們恰好處于這場(chǎng)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)變革之中。因此，美國(guó)發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件和歐盟發(fā)布的框架計(jì)劃中都提到，數(shù)字化技術(shù)所引導(dǎo)的智能制造才是最終能否實(shí)現(xiàn)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵。其中，“數(shù)字孿生”技術(shù)被譽(yù)為未來(lái)有望改變航空制造業(yè)“游戲規(guī)則”的頂尖技術(shù)。

應(yīng)運(yùn)而生的新技術(shù)

作為高端、復(fù)雜制造業(yè)的代表，航空工業(yè)永遠(yuǎn)走在新技術(shù)應(yīng)用的前沿。

早在十幾年前，制造商們就開(kāi)始應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)。以A350XWB為例，通過(guò)使用達(dá)索3D Experience平臺(tái)，空客在虛擬的數(shù)字世界中將項(xiàng)目相關(guān)的4000多人聯(lián)系在一起，這其中有85%的人處于不同的供應(yīng)鏈中，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用使空客的飛機(jī)研制模式有了新的飛躍。

事實(shí)上，在A350XWB項(xiàng)目之前，空客的每個(gè)生產(chǎn)站點(diǎn)也都配有數(shù)字樣機(jī)，但由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)字平臺(tái)將各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)系起來(lái)，在飛機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中常常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。因此，從A350XWB項(xiàng)目開(kāi)始，空客對(duì)其數(shù)字化工具進(jìn)行了全面升級(jí)。首先，空客采用了達(dá)索系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期管理解決方案Enovia。該方案是3D Experience平臺(tái)數(shù)字化設(shè)計(jì)和模擬功能的核心，可作為A350XWB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的中央存儲(chǔ)器和輸送裝置，能夠幫助工程師更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。其次，空客還采用了達(dá)索系統(tǒng)公司的CAD虛擬設(shè)計(jì)工具CATIA，以解決A350XWB超大型組件的設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如，由于“體格”較大，A350XWB的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，其中僅機(jī)翼的設(shè)計(jì)就產(chǎn)生超過(guò)7TB的數(shù)據(jù)。第三，在A350XWB的設(shè)計(jì)中，空客還大量使用了有限元分析軟件，幫助工程師了解新材料的性能和應(yīng)力等問(wèn)題。

此外，在A350XWB的研制過(guò)程中，空客還利用Enovia平臺(tái)的協(xié)同技術(shù)，通過(guò)耳機(jī)或沉浸式投影機(jī)系統(tǒng)Cave技術(shù)與3D虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)共同使用，工程師可以在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中就對(duì)機(jī)內(nèi)零件實(shí)現(xiàn)可視化，使飛機(jī)系統(tǒng)組裝可視化。如此一來(lái)，除了有助于設(shè)計(jì)工程師開(kāi)展設(shè)計(jì)驗(yàn)證，還能夠使從事飛機(jī)零件設(shè)計(jì)的所有工程師獲取傳輸至VR兼容模塊的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

在擁有了成熟的數(shù)字化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的興起以及虛擬建模技術(shù)的發(fā)展，制造商們開(kāi)始尋求更加精準(zhǔn)的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)手段，于是“數(shù)字孿生”的概念應(yīng)運(yùn)而生。美國(guó)《航空周刊》預(yù)測(cè)，“到2035 年，當(dāng)航空公司接收一架飛機(jī)的時(shí)候，將同時(shí)驗(yàn)收另外一套數(shù)字模型，它就像飛機(jī)的一個(gè)忠誠(chéng)的影子，伴隨一生，從不消失?！?/p>

不僅僅是海量數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最早出現(xiàn)在2003年，由Grieves教授在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出。后來(lái)，美國(guó)國(guó)防部將數(shù)字孿生的概念引入到航天飛行器的健康維護(hù)等問(wèn)題中。

數(shù)字孿生在虛擬環(huán)境中復(fù)現(xiàn)了產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)，使得產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字空間模型和物理空間模型處于實(shí)時(shí)交互中，使二者能夠及時(shí)地掌握彼此的動(dòng)態(tài)變化并實(shí)時(shí)作出響應(yīng)。

首先，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)快速構(gòu)思，即不僅能夠?qū)χ苯涌吹降奈锢韺?duì)象進(jìn)行描述，彌補(bǔ)思維過(guò)程中丟失的信息，而且能夠基于看到的物理產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品的信息，了解和優(yōu)化物理對(duì)象。

其次，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)比，即數(shù)字空間與物理空間是精準(zhǔn)映射和共同進(jìn)化的，有助于不斷積累相關(guān)知識(shí)，以發(fā)現(xiàn)理想特征與實(shí)際趨勢(shì)之間的誤差，并進(jìn)行定量和定性監(jiān)測(cè)。

最后，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)廣域的協(xié)同，即以數(shù)字化方式模擬物理空間的實(shí)際行為，并將其疊加到數(shù)字空間（模型）中，從而突破個(gè)體數(shù)量和地域分布的限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)系統(tǒng)的制造執(zhí)行。

通俗來(lái)講，數(shù)字孿生是對(duì)應(yīng)于物理實(shí)體的數(shù)字模型，是面向飛行器全壽命周期并采用單一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的雙向連接。數(shù)字孿生的構(gòu)建基于設(shè)計(jì)階段生成的物理、功能模型，并在隨后的制造和使用階段，通過(guò)與物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)和信息交互，不斷提高自身的完整性和精確度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器物理實(shí)體的完全、精確描述。

在飛機(jī)制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。數(shù)字孿生的構(gòu)建要基于全要素、全生命周期的數(shù)據(jù)，主要包括：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、總裝數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、試飛數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)，甚至還包括相關(guān)研制企業(yè)的研發(fā)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)元器件原材料數(shù)據(jù)等。

從這個(gè)角度來(lái)看，數(shù)字孿生是一個(gè)對(duì)物理實(shí)體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過(guò)程，集成了人工智能、機(jī)器人、傳感器數(shù)據(jù)等一系列先進(jìn)技術(shù)，以建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)更新的、現(xiàn)場(chǎng)感極強(qiáng)的“真實(shí)”模型，用來(lái)支撐物理產(chǎn)品生命周期各項(xiàng)活動(dòng)的決策。利用真實(shí)數(shù)據(jù)和虛擬模型相結(jié)合分析，可以提前預(yù)知可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器制造性、檢測(cè)性和保障性的評(píng)價(jià)與優(yōu)化，支持飛行器的生產(chǎn)、使用和維修。

未來(lái)發(fā)展?jié)摿o(wú)限

如今，一些敢于“嘗鮮”的制造商已經(jīng)意識(shí)到，如果將數(shù)字孿生技術(shù)引入生產(chǎn)線，就可以提前對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳送到實(shí)際生產(chǎn)中，從而有效減少誤差和風(fēng)險(xiǎn)。待廠房和生產(chǎn)線建成之后，日常的運(yùn)行和維護(hù)再通過(guò)數(shù)字孿生進(jìn)行交互，就能夠迅速找出問(wèn)題所在，提高工作效率。

2011年，空客與Ubisense集團(tuán)合作，通過(guò)使用其開(kāi)發(fā)的“智能空間”解決方案，在A350XWB總裝生產(chǎn)線部署了數(shù)字孿生技術(shù)。這一解決方案通過(guò)將定位技術(shù)集成到單一的生產(chǎn)運(yùn)行視圖中，使制造流程完全可視化，工藝裝備及其在部裝廠和總裝廠內(nèi)的分布情況也能一目了然。如今，“智能空間”解決方案已經(jīng)在包括A330、A380和A400M的生產(chǎn)線上得到了應(yīng)用。