李杰林， 劉晉飛， 鞠傳海， 曹博鴻

(1.中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所，上海 200241； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

武器裝備全天候、多地域化的作戰(zhàn)需求，對(duì)裝備的功能、性能指標(biāo)要求越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和集成的高密度化，造成裝備的內(nèi)部環(huán)境也越來(lái)越嚴(yán)酷，因此對(duì)武器裝備的可靠性提出了更高的要求，對(duì)傳統(tǒng)的裝備設(shè)計(jì)和可靠性技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

可靠性研究在我國(guó)開(kāi)展的時(shí)間比較早，最初是由電子工業(yè)部門(mén)進(jìn)行研究工作，1965年在錢(qián)學(xué)森的提議下，航天部門(mén)又組織成立了“可靠性管理研究所”，專(zhuān)門(mén)為航天工程設(shè)計(jì)研究高可靠度的元器件。2010年國(guó)務(wù)院、中央軍委根據(jù)最新質(zhì)量管理要求發(fā)布了《武器裝備質(zhì)量管理?xiàng)l例》，標(biāo)志著我國(guó)的可靠性研究進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。但是，目前裝備產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題仍然占據(jù)非常高的比例：2010年10月，俄羅斯伊爾76飛機(jī)由于襟翼故障導(dǎo)致飛機(jī)墜毀；2011年，波蘭航空公司波音767飛機(jī)起落架未放下，只能借助機(jī)腹迫降；2012年3月，某飛機(jī)在后貨艙地面試驗(yàn)中，多次出現(xiàn)艙門(mén)鎖故障，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞；2014年2月，某飛機(jī)著陸滑行過(guò)程中前起落架意外收起，導(dǎo)致機(jī)頭觸地。雖然我國(guó)在可靠性研究方面起步較早，但是與其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的同類(lèi)裝備相比可靠性還存在較大差距，尤其在產(chǎn)品自主可控和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，可靠性問(wèn)題己經(jīng)嚴(yán)重影響到了我國(guó)裝備的發(fā)展，如何提高裝備可靠性水平是亟待解決的問(wèn)題。

在數(shù)字孿生方面[1-6]，2012年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了“機(jī)體數(shù)字孿生體”的概念：機(jī)體數(shù)字孿生體作為正在制造和維護(hù)的機(jī)體的超寫(xiě)實(shí)模型，用來(lái)模擬和判斷機(jī)體是否滿足任務(wù)條件。與此同時(shí)，面對(duì)未來(lái)飛行器輕質(zhì)量、高負(fù)載以及更加極端環(huán)境下更長(zhǎng)服役時(shí)間的需求，NASA和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作并共同提出了未來(lái)飛行器的數(shù)字孿生體范例。2015年，美國(guó)通用電氣公司計(jì)劃基于數(shù)字孿生，并通過(guò)其自身搭建的云服務(wù)平臺(tái)Predix，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)檢查和預(yù)測(cè)性維護(hù)。在數(shù)字孿生具體應(yīng)用方面[7-8]，美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)了飛行器全套數(shù)字樣機(jī)——“鐵鳥(niǎo)”,用以在飛行前進(jìn)行虛擬測(cè)試。美國(guó)F35戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)就是采用數(shù)字孿生和數(shù)字紐帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)與制造的連接，設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的3D精確實(shí)體模型可以用于加工模擬、數(shù)控機(jī)床編程、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)、模具/工裝的設(shè)計(jì)和制造等。通過(guò)來(lái)自單一數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一數(shù)據(jù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的無(wú)縫連接和數(shù)據(jù)的高效組織與集成管理，而且可以實(shí)現(xiàn)上下游協(xié)同仿真和分析，從而降低工程更改次數(shù)、提高工作效率。

最近幾年來(lái)，隨著可靠性建模與評(píng)估、基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based System Engineering，MBSE)、產(chǎn)品建模與仿真等模型數(shù)字化表達(dá)技術(shù)的研究與應(yīng)用，可靠性技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)在理論層面和應(yīng)用層面均取得了快速發(fā)展[4,9-11]，數(shù)字孿生技術(shù)在飛行器機(jī)體分析、檢測(cè)維護(hù)、壽命預(yù)測(cè)等領(lǐng)域都得到應(yīng)用；在工業(yè)生產(chǎn)中[12-14]，基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)高效、敏捷的個(gè)性化產(chǎn)品制造和產(chǎn)品全生命周期管理的技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。但是在國(guó)內(nèi)外的研究中，還沒(méi)有針對(duì)裝備研制的可靠性數(shù)字孿生解決方案，目前其研究尚處于探索階段，研究成果相對(duì)較少且缺乏系統(tǒng)性。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)武器裝備研制實(shí)際，在性能數(shù)字孿生基礎(chǔ)上，研究可靠性數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵，構(gòu)建包括故障物理模型、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、健康信息感知、使用與維修映射、數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射、信息物理系統(tǒng)集成等在內(nèi)的技術(shù)框架，為武器裝備可靠性數(shù)字孿生技術(shù)落地奠定理論基礎(chǔ)。

1 可靠性數(shù)字孿生概念內(nèi)涵

武器裝備質(zhì)量管理和科學(xué)使用是一個(gè)系統(tǒng)工程，如圖1所示，從全系統(tǒng)、全特性和全過(guò)程3個(gè)維度對(duì)其進(jìn)行表述。

圖1 武器裝備體系三維度模型

① 全系統(tǒng)維度從裝備體系、武器裝備、部件/設(shè)備/分系統(tǒng)、元器件/零部件/軟件等不同層級(jí)出發(fā)，保障了產(chǎn)品的系統(tǒng)特性和過(guò)程生命周期。

② 全特性維度分為使用性能和保障性能，使用性能由射程、精度、威力、速度、重量等物理特性進(jìn)行表征，保障性能又細(xì)分為可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、任務(wù)成功性、戰(zhàn)備完好性、經(jīng)濟(jì)可承受性、電磁兼容性、標(biāo)準(zhǔn)化特性、通用化特性、易用性、可生產(chǎn)性、可處置性等。

③ 全過(guò)程維度是從產(chǎn)品論證、研制、工藝、制造、運(yùn)維、報(bào)廢等產(chǎn)品全生命周期的維度，實(shí)現(xiàn)基于使用性能和保障性能綜合因素的價(jià)值鏈集成。

以武器裝備體系三維度模型為框架，提出可靠性數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵和基本特征，界定可靠性孿生與性能孿生的關(guān)系，確定可靠性孿生內(nèi)部相關(guān)模型與數(shù)據(jù)范疇。并基于此，以產(chǎn)品數(shù)字孿生全系統(tǒng)、全特性、全過(guò)程三維框架為基準(zhǔn)，構(gòu)建包括故障物理模型、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、健康信息感知、使用與維修映射、數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射、信息物理系統(tǒng)集成等在內(nèi)的可靠性數(shù)字孿生技術(shù)框架。

1.1 可靠性數(shù)字孿生定義

在可靠性定義(GJB 451A-2005)以及數(shù)字孿生[1]定義的基礎(chǔ)上，將可靠性數(shù)字孿生定義如下：利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的可靠性特征、可靠性行為、可靠性形成過(guò)程和可靠性性能等進(jìn)行描述和建模的過(guò)程和方法。從廣義的角度，可靠性數(shù)字孿生從微觀原子級(jí)到宏觀幾何級(jí)，對(duì)潛在生產(chǎn)或?qū)嶋H制造產(chǎn)品的虛擬可靠性信息進(jìn)行全面描述。相應(yīng)地，可靠性數(shù)字孿生體是指產(chǎn)品物理實(shí)體的可靠性在虛擬空間的全要素重建及數(shù)字化映射，可用來(lái)模擬、監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、控制產(chǎn)品物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的可靠性行為。其中，上述定義中的可靠性特征、行為、形成過(guò)程和性能等滿足“三規(guī)定一能力”的可靠性定義，它包含了與可靠性密切相關(guān)的5個(gè)要點(diǎn)，即產(chǎn)品、條件、時(shí)間、功能和能力。

可靠性數(shù)字孿生是對(duì)實(shí)際世界中物理產(chǎn)品的可靠性表征，產(chǎn)品可靠性數(shù)字孿生的構(gòu)建是在虛擬空間中，對(duì)物理實(shí)體的可靠性工作狀態(tài)開(kāi)展全要素重建及數(shù)字化映射的過(guò)程[15]。因此，可靠性數(shù)字孿生是對(duì)物理產(chǎn)品可靠性的一種表征形式，而且是在虛擬空間中表征實(shí)際世界的一種形式。根據(jù)不同使用要求、不同角度、不同產(chǎn)品，可將可靠性數(shù)字孿生分成以下幾類(lèi)。

(1) 固有可靠性數(shù)字孿生和使用可靠性數(shù)字孿生。

固有可靠性數(shù)字孿生是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造中賦予的固有特性數(shù)字孿生映射，使用可靠性數(shù)字孿生是產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中表現(xiàn)的可靠性映射，它除了考慮固有可靠性數(shù)字孿生的影響因素外，還要考慮產(chǎn)品安裝、操作使用和維修保障等方面的因素對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響。

(2) 硬件可靠性數(shù)字孿生和軟件可靠性數(shù)字孿生。

軟件可靠性數(shù)字孿生是伴隨硬件可靠性數(shù)字孿生出現(xiàn)的，但是不同于硬件可靠性數(shù)字孿生。例如，軟件可靠性數(shù)字孿生不會(huì)考慮疲勞、老化等引起的故障物理模型以及對(duì)應(yīng)的數(shù)字-物理故障映射。

(3) 任務(wù)可靠性數(shù)字孿生和基本可靠性數(shù)字孿生。

任務(wù)可靠性數(shù)字孿生是產(chǎn)品在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的數(shù)字孿生映射，而基本可靠性數(shù)字孿生是產(chǎn)品在規(guī)定條件下無(wú)故障持續(xù)時(shí)間或概率的數(shù)字孿生映射，它反映了產(chǎn)品對(duì)維修人員和后勤保障等要求。

1.2 可靠性數(shù)字孿生基本特征

隨著可靠性與數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步[16]，對(duì)可靠性數(shù)字孿生提出了從零部件到系統(tǒng)的跨層級(jí)全系統(tǒng)數(shù)字孿生要求、從設(shè)計(jì)到運(yùn)維的端對(duì)端全過(guò)程數(shù)字孿生要求，并能與維修性、保障性、測(cè)試性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性等其他系統(tǒng)保障特性互補(bǔ)集成。針對(duì)上述新的需求，可靠性數(shù)字孿生具有如表1所示的基本特征。

表1 可靠性數(shù)字孿生基本特征

1.3 可靠性數(shù)字孿生與性能數(shù)字孿生的關(guān)系

可靠性數(shù)字孿生的定義隱含了可靠性數(shù)字孿生與性能數(shù)字孿生的關(guān)系，在此，借助圖2對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行顯性描述。

圖2 可靠性數(shù)字孿生與性能數(shù)字孿生的關(guān)系

性能數(shù)字孿生由使用性能孿生和保障性能孿生組成，而使用性能孿生又由功能特性孿生和使用要素組成。其中，功能特性孿生是速度、射程、功率、精度、高度等產(chǎn)品固有設(shè)計(jì)目標(biāo)的孿生映射，使用要素包含有操作人員、操作設(shè)備、操作規(guī)程等使用保障資源；保障性能孿生由保障設(shè)計(jì)特性孿生和保障要素組成，其中，保障設(shè)計(jì)特性孿生又由可靠性數(shù)字孿生、維修性數(shù)字孿生、保障性數(shù)字孿生、測(cè)試性數(shù)字孿生、環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字孿生、安全性數(shù)字孿生等組成，保障要素包含有故障物理模型、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、健康信息感知、使用與維修映射、數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射、信息物理系統(tǒng)集成等要素。保障設(shè)計(jì)特性孿生、保障要素和使用要素構(gòu)成了產(chǎn)品使用和保障要素特性數(shù)字孿生映射，是產(chǎn)品保障系統(tǒng)的主要能力體現(xiàn)。

因此，可靠性數(shù)字孿生作為技術(shù)保障數(shù)字孿生的重要組成部分，是保障性能數(shù)字孿生的一部分，同時(shí)也與功能特性數(shù)字孿生相結(jié)合，是設(shè)計(jì)性能數(shù)字孿生的主要組成。

2 可靠性數(shù)字孿生的技術(shù)框架

產(chǎn)品數(shù)字孿生的全系統(tǒng)、全特性、全過(guò)程初步三維框架如圖3所示。借助數(shù)字孿生技術(shù)，把物理實(shí)體演化為能在虛擬世界表達(dá)、通信、推理、判斷、決策的數(shù)字化映射模型，讓控制信息和業(yè)務(wù)信息實(shí)時(shí)傳遞和處理，從而使裝備承制方的各類(lèi)有形、無(wú)形資產(chǎn)都能互聯(lián)、互操作。

圖3 全系統(tǒng)、全特性、全過(guò)程三維框架

① 從系統(tǒng)層級(jí)維度(第一維度)，將物理系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)分層進(jìn)行虛擬映射，自上而下劃分為7個(gè)層級(jí)：系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)、器件級(jí)。

② 從系統(tǒng)特性維度(第二維度)，將物理系統(tǒng)按其保障特性進(jìn)行虛擬映射，主要分為可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性六性，這一維度遵循GJB 4239、GJB 368B、GJB 2547A、GJB 3872、GJB 900等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

③ 從系統(tǒng)過(guò)程維度(第三維度)，將物理系統(tǒng)按其全生命周期/端對(duì)端價(jià)值鏈進(jìn)行虛擬映射，此處的產(chǎn)品全生命周期從產(chǎn)品規(guī)劃開(kāi)始，到設(shè)計(jì)、仿真、制造，直至銷(xiāo)售、運(yùn)維服務(wù)以及報(bào)廢/回收等階段。這一維度遵循IEC 62890產(chǎn)品全生命周期管理等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

可以看出，本文所構(gòu)建的數(shù)字孿生技術(shù)框架借鑒了德國(guó)“工業(yè)4.0”的RAMI4.0(Reference Architecture Model for Industrie 4.0)參考架構(gòu)模型[17]、美國(guó)的IIRA(Industrial Internet Reference Architecture)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型[18]，以及中國(guó)的IMSA(Intelligent Manufacturing System Architecture)智造系統(tǒng)架構(gòu)模型[19]，能夠覆蓋構(gòu)建數(shù)字孿生的“全系統(tǒng)(從零部件到系統(tǒng))、全特性(可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性)、全過(guò)程(從設(shè)計(jì)到運(yùn)維)”3個(gè)維度。

2.1 可靠性數(shù)字孿生故障物理模型

武器裝備產(chǎn)品可以看成復(fù)雜的“機(jī)”和“電”混合系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性不僅與組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)可靠性相關(guān)，而且與子系統(tǒng)的組合方式和子系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用相關(guān)。為了定量定性評(píng)估系統(tǒng)可靠性各環(huán)節(jié)的薄弱點(diǎn)和產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，建立可靠性數(shù)字孿生故障物理模型，常見(jiàn)的可靠性建模手段和方法有可靠性框圖、FMECA(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，失效模式、影響及危害性分析)、FTA(Fault Tree Analysis，故障樹(shù)分析)、BN(Bayesian Networks，貝葉斯網(wǎng)絡(luò))、ANN(Artificial Neural Network，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、GO法、Petri網(wǎng)等，具體內(nèi)容在此不再贅述。

2.2 可靠性數(shù)字孿生傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集不同，面向可靠性數(shù)字孿生的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與裝備自身的物理結(jié)構(gòu)具有緊密的聯(lián)系[20]，因此，以裝備的BOM作為框架，搭建圖4所示的可靠性數(shù)字孿生數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)。按照裝備的構(gòu)型搭建裝備結(jié)構(gòu)樹(shù)，并對(duì)裝備結(jié)構(gòu)樹(shù)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，以形成基于BOM的擴(kuò)展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)。擴(kuò)展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)基本上可分為3層，第1層為裝備結(jié)構(gòu)層，用以表征裝備的結(jié)構(gòu)；第2層為監(jiān)測(cè)定義層，用以定義傳感器狀態(tài)感知運(yùn)行環(huán)境、監(jiān)測(cè)內(nèi)容和融合手段；第3層為參數(shù)層，用以存儲(chǔ)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集記錄。

圖4 BOM驅(qū)動(dòng)的可靠性數(shù)字孿生數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

2.3 可靠性數(shù)字孿生健康信息感知

武器裝備的健康信息感知是裝備現(xiàn)有狀態(tài)與期望狀態(tài)偏離情況的評(píng)估，反映了裝備良好完成任務(wù)的能力，PHM(Prognostics and Health Management，故障預(yù)測(cè)與健康管理)是裝備健康信息感知的有效手段和有力工具[21]，而可靠性數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的健康信息感知擴(kuò)展了PHM的實(shí)現(xiàn)方式和應(yīng)用范圍，是在可靠性孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，基于物理設(shè)備與虛擬設(shè)備的同步映射與實(shí)時(shí)交互，形成裝備健康管理PHM服務(wù)新模式，實(shí)現(xiàn)快速捕捉故障現(xiàn)象、準(zhǔn)確定位故障原因、合理設(shè)計(jì)并驗(yàn)證維修策略。

可靠性數(shù)字孿生健康信息感知在傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，將健康信息感知分為數(shù)據(jù)操作、狀態(tài)邏輯、健康評(píng)價(jià)、故障診斷預(yù)測(cè)、輔助決策和人機(jī)交互等層次，并在分布式計(jì)算能力和通信機(jī)制上建立模塊松散型耦合關(guān)系，如圖5所示。

圖5 可靠性數(shù)字孿生健康信息感知過(guò)程

2.4 可靠性數(shù)字孿生使用與維修映射

可靠性數(shù)字孿生使用與維修映射就是借助可靠性數(shù)字孿生技術(shù)，形成與裝備保障相匹配的保障方案，將使用與維修保障工作分解為各個(gè)子工作或工序，確定出每個(gè)子工作或工序所對(duì)應(yīng)的保障資源需求，作為確定保障資源體量的重要輸入信息。

以可靠性數(shù)字孿生為中心的使用與維修映射是一種系統(tǒng)化考慮系統(tǒng)功能、功能失效的方法，以可靠性數(shù)字孿生為中心的使用與維修只有放在整個(gè)預(yù)防維護(hù)數(shù)據(jù)鏈條中才能發(fā)揮最大功效，體現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)執(zhí)行的思想。借助可靠性數(shù)字孿生，采用先進(jìn)合理的裝備使用與維修策略，保證裝備既安全可靠地運(yùn)行，又能在裝備的使用過(guò)程中，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)等方法對(duì)裝備的成本進(jìn)行跟蹤，合理地降低使用費(fèi)用，從而真正地實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備的使用、維護(hù)綜合管理。

2.5 數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射

可靠性數(shù)字孿生數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射就是實(shí)現(xiàn)虛擬空間-實(shí)體空間的全要素對(duì)稱(chēng)性映射，如圖6所示。

圖6 可靠性數(shù)字孿生數(shù)字-物理對(duì)稱(chēng)性映射

數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射是通過(guò)武器裝備傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，將動(dòng)態(tài)環(huán)境下的海量感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)教摂M數(shù)字世界[22]，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工藝、產(chǎn)品制造/裝配、產(chǎn)品服務(wù)以及產(chǎn)品報(bào)廢/回收等多角度對(duì)裝備進(jìn)行可靠性建模，進(jìn)行可靠性評(píng)估和驗(yàn)證。在實(shí)現(xiàn)信息融合和模型融合的基礎(chǔ)上，針對(duì)這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型數(shù)據(jù)輕量化、數(shù)據(jù)聚類(lèi)與挖掘、數(shù)據(jù)演化與融合等操作，真實(shí)刻畫(huà)裝備狀態(tài)、可靠性行為等動(dòng)態(tài)演化過(guò)程和演化規(guī)律，構(gòu)建裝備全生命周期中精準(zhǔn)管控的可靠性服務(wù)能力。

2.6 可靠性數(shù)字孿生與信息物理系統(tǒng)集成

信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)[23]集成了計(jì)算、通信和儲(chǔ)存，具體來(lái)說(shuō)主要有智能連接、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)連接、認(rèn)知與決策、執(zhí)行等功能[24]。典型的信息物理系統(tǒng)包括兩個(gè)組成部分：① 可靠的連接性，確保從物理世界獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和從網(wǎng)絡(luò)空間獲得信息反饋；② 以智能數(shù)據(jù)管理、分析和計(jì)算為核心的網(wǎng)絡(luò)空間。

信息物理系統(tǒng)與可靠性數(shù)字孿生都要求虛擬世界與物理世界的實(shí)時(shí)交互和深度融合，而可靠性數(shù)字孿生體為CPS信息空間與物理空間之間的數(shù)據(jù)交互提供了清晰的思路、方法和實(shí)施途徑。以物理實(shí)體建模產(chǎn)生的可靠性模型為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成和監(jiān)控，動(dòng)態(tài)跟蹤物理實(shí)體的可靠性工作狀態(tài)和工作進(jìn)展，將物理空間中的物理實(shí)體在信息空間進(jìn)行虛擬數(shù)字化重建，形成具有感知、分析、決策、執(zhí)行能力的可靠性數(shù)字孿生體。

對(duì)于每個(gè)可靠性數(shù)字孿生CPS單元，可認(rèn)為其主要由傳感器、執(zhí)行器和決策控制單元等在內(nèi)的基本組件構(gòu)成。傳感器和執(zhí)行器通過(guò)嵌入到物理組件上實(shí)現(xiàn)對(duì)外界實(shí)時(shí)可靠性狀態(tài)的感知與監(jiān)測(cè)，同時(shí)接收決策控制單元的控制指令對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行控制，傳感器與執(zhí)行器是鏈接物理世界和計(jì)算世界的接口；決策控制單元接收傳感器感知到的可靠性信息，根據(jù)具體用戶定義的語(yǔ)義規(guī)則和控制規(guī)則生成相應(yīng)的控制邏輯，并將指令發(fā)送給執(zhí)行器對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行操控，圖7描述的是可靠性數(shù)字孿生CPS基本功能邏輯單元間的邏輯運(yùn)行過(guò)程。

圖7 可靠性數(shù)字孿生CPS邏輯運(yùn)行機(jī)制

2.7 可靠性數(shù)字孿生建模的瓶頸問(wèn)題

在應(yīng)用技術(shù)層面，可靠性數(shù)字孿生的實(shí)用化還面臨著諸多瓶頸。如何真正地將可靠性數(shù)字孿生與現(xiàn)代信息系統(tǒng)相結(jié)合并構(gòu)建高效、敏捷、全生命周期覆蓋的數(shù)字孿生系統(tǒng)，是后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

現(xiàn)有的建模技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)海量多格式數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的兼容，缺乏能將工程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品模型進(jìn)行整合的數(shù)據(jù)格式，如何將機(jī)械、電子、電氣、控制等各學(xué)科模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理是一個(gè)重要的研究方向。

而針對(duì)單個(gè)產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型在某些復(fù)雜的環(huán)境下可能不適用，Sierla等[25]提出了“過(guò)程數(shù)字孿生”的概念，強(qiáng)調(diào)將產(chǎn)品所處的所有環(huán)境數(shù)據(jù)包含到數(shù)字孿生模型中。但是目前構(gòu)建包含全生命周期環(huán)境數(shù)據(jù)的可靠性數(shù)字孿生模型的技術(shù)尚不成熟，如何利用大數(shù)據(jù)[26]、云計(jì)算[27-28]、人工智能[29-31]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下產(chǎn)品數(shù)字孿生體的精確構(gòu)建也是一個(gè)亟待研究的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

在武器裝備可靠性與數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，提出了覆蓋“全系統(tǒng)、全特性、全過(guò)程”的數(shù)字孿生體系結(jié)構(gòu)，明確了可靠性數(shù)字孿生的定義，界定了可靠性數(shù)字孿生與性能數(shù)字孿生的相互關(guān)系，補(bǔ)充完善了數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵。并且，從系統(tǒng)層級(jí)、系統(tǒng)特性、系統(tǒng)過(guò)程3個(gè)維度分析了產(chǎn)品數(shù)字孿生框架，以此為基準(zhǔn)構(gòu)建了包括故障物理模型、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、健康信息感知、使用與維修映射、數(shù)字-物理雙空間精準(zhǔn)映射、信息物理系統(tǒng)集成等使能要素在內(nèi)的可靠性數(shù)字孿生基本技術(shù)框架，進(jìn)一步指導(dǎo)未來(lái)可靠性數(shù)字孿生技術(shù)研究。