數(shù)字主線與數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展及在復(fù)雜產(chǎn)品研制中的應(yīng)用

導(dǎo)語隨著數(shù)字仿真等信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字主線與數(shù)字孿生作為可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體空間與數(shù)字虛擬空間的信息智能交互的數(shù)字工程技術(shù)，已成為復(fù)雜產(chǎn)品研制與系統(tǒng)管理控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是下一代工業(yè)生產(chǎn)制造智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。為更好地理解該項技術(shù)并擴(kuò)展其在復(fù)雜產(chǎn)品研制中的應(yīng)用，介紹基于復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)全壽命周期背景下的數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)的相關(guān)基本概念，梳理數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)分析這項技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計與分析階段、生產(chǎn)與驗證階段以及管理與保障階段的制造全壽命周期中的實(shí)際應(yīng)用，以期為武器裝備數(shù)字化研制提供一定的理論參考和借鑒。

引 言

在當(dāng)今各行業(yè)復(fù)雜程度不斷加深的背景下，隨著信息技術(shù)的發(fā)展與融合應(yīng)用，以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的前沿技術(shù)與理論也在快速發(fā)展與迭代創(chuàng)新。我國已出臺了“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略，旨在利用新型技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。技術(shù)不僅帶來數(shù)字化，也將必然引導(dǎo)自動化，尤其是產(chǎn)品大規(guī)模定制和軟件組件的重要性不斷上升，給工業(yè)制造業(yè)等帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)字化技術(shù)被視為實(shí)現(xiàn)更高水平生產(chǎn)力的抓手與機(jī)遇，數(shù)字化制造技術(shù)也因此掀起了新一輪的信息革命浪潮。2013年，美國空軍開展頂層科技發(fā)展規(guī)劃，并發(fā)布文件《全球地平線》。該文件將數(shù)字主線與數(shù)字孿生兩項技術(shù)列為數(shù)字化制造發(fā)展的顛覆性技術(shù)。此后，美國波音、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼等企業(yè)紛紛開啟數(shù)字化項目的應(yīng)用研究，并取得相關(guān)成果。

1. 數(shù)字主線與數(shù)字孿生的基本概念

1.1數(shù)字主線

美國學(xué)者Kraft指出，數(shù)字主線（Digital thread）是可進(jìn)行配置以及拓展的一種分析架構(gòu)，主要應(yīng)用于企業(yè)級的復(fù)雜組織體。在整個復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)全壽命周期中，研發(fā)人員需要將整個研制過程中的零散數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，轉(zhuǎn)化成有效信息并將其傳遞給各工序管理者或負(fù)責(zé)人以便決策。數(shù)字主線可以加速這一過程中數(shù)據(jù)、信息和知識之間的可控相互作用能夠提供集成的企業(yè)級視角，利用工藝技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)與信息的無縫交互與集成分析，對復(fù)雜產(chǎn)品制造存在的問題與風(fēng)險進(jìn)行動態(tài)分析與評估，最終達(dá)到縮短復(fù)雜產(chǎn)品制造壽命周期各流程迭代時間的目的。此外，數(shù)字主線也是一種可連接數(shù)據(jù)流的通信框架，能夠為復(fù)雜產(chǎn)品全壽命周期中孤立視圖提供集成視圖，它可以使產(chǎn)品模型在獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的同時進(jìn)行雙向同步，最終實(shí)現(xiàn)模型在產(chǎn)品全壽命周期的有效傳遞、引用與反饋。

1.2 數(shù)字孿生

美國國家航空航天局在阿波羅項目中首先提出產(chǎn)品“孿生體/雙胞胎（twins）”的概念。2003年，美國密歇根大學(xué)教授Grieves首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念，即“一種與特定實(shí)體等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。隨后，美國國防部在航天產(chǎn)品健康監(jiān)測、維保等過程中引入了這一概念。數(shù)字孿生是指充分利用可用模型、感知信息以及輸入數(shù)據(jù)，建造多物理、多分辨率和多概率的系統(tǒng)集成仿真，在虛擬環(huán)境中由數(shù)字線索完成映射，并預(yù)測相對應(yīng)的物理實(shí)體壽命周期過程。

復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字孿生具備幾個特點(diǎn)。首先，數(shù)字孿生能夠?qū)?fù)雜產(chǎn)品的物理狀態(tài)進(jìn)行描述，通過快速構(gòu)想并填充缺失的碎片化信息，在生產(chǎn)制造車間現(xiàn)有實(shí)物產(chǎn)品及其虛擬產(chǎn)品信息基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對實(shí)物產(chǎn)品的優(yōu)化；其次，數(shù)字孿生通過不斷擴(kuò)展、積累相關(guān)知識，能夠及時發(fā)現(xiàn)虛擬狀態(tài)與物理狀態(tài)復(fù)雜產(chǎn)品間的差距，并根據(jù)動態(tài)變化及時調(diào)整；再次，數(shù)字孿生通過對物理空間生產(chǎn)制造系統(tǒng)行為進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，將復(fù)雜產(chǎn)品與其生產(chǎn)制造系統(tǒng)在物理空間模型與數(shù)字空間模型中進(jìn)行實(shí)時交互，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計建模建立的是靜態(tài)、理想化的產(chǎn)品信息模型，忽略了與產(chǎn)品實(shí)際加工、裝配和檢測等實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差，而數(shù)字孿生則強(qiáng)調(diào)對產(chǎn)品真實(shí)狀態(tài)的描述，它不僅可以利用高保真建模技術(shù)，同時還可以使用高實(shí)時交互反饋、高可靠分析預(yù)測等數(shù)字化手段，將產(chǎn)品的理想設(shè)計信息與其實(shí)際加工、裝配和檢測等制造信息進(jìn)行統(tǒng)一，建立基于數(shù)字孿生技術(shù)反映產(chǎn)品制造狀態(tài)的信息模型，準(zhǔn)確描述并管理每個產(chǎn)品的真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品設(shè)計信息模型的有機(jī)融合，提高整個數(shù)字孿生模型系統(tǒng)的精度。綜合上述分析，數(shù)字主線作為通道、方法和接口對數(shù)字孿生產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問、整合以及轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品在不同空間的信息雙向處理和全面追溯，進(jìn)而完成復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)全壽命周期的管理。

1.3 數(shù)字主線與數(shù)字孿生在產(chǎn)品全壽命周期中的應(yīng)用

目前，數(shù)字主線和數(shù)字孿生通過具體活動技術(shù)數(shù)據(jù)集成，為產(chǎn)品全壽命周期提供更高效和更靈活的數(shù)字化手段，為項目驗證提供更好的決策依據(jù)。數(shù)字主線由原來的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計與服務(wù)階段開始向生產(chǎn)制造階段延伸，并為數(shù)字孿生提供訪問、整合和轉(zhuǎn)換能力，實(shí)現(xiàn)貫通復(fù)雜產(chǎn)品運(yùn)行概念、解決方案和研制的全壽命周期業(yè)務(wù)過程的數(shù)字空間和物理空間信息的雙向共享/交互和全面追溯。

2. 數(shù)字主線與數(shù)字孿生的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 數(shù)字主線

隨著復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)大規(guī)模協(xié)作制造，國外國防部門以及工業(yè)巨頭正在積極研究數(shù)字主線，并推出了各自的數(shù)字主線理念，現(xiàn)已陸續(xù)取得成果。例如，2017年，美國國防部發(fā)布制造工程戰(zhàn)略，數(shù)字主線是該戰(zhàn)略的重要推進(jìn)方向。美國空軍提出了使用數(shù)字工程技術(shù)對A-10戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼進(jìn)行升級改造的計劃。該項計劃利用數(shù)字化設(shè)計將機(jī)翼零件和組件進(jìn)行模型格式統(tǒng)一，并結(jié)合產(chǎn)品壽命周期管理，構(gòu)建了維護(hù)階段的數(shù)字主線，在實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)減重的同時也大幅提高其壽命。洛克希德·馬丁公司在設(shè)計開發(fā)F-35戰(zhàn)斗機(jī)和生產(chǎn)的早期階段就采用了數(shù)字主線的思想，實(shí)現(xiàn)了F-35通用產(chǎn)品模型和圖樣的統(tǒng)一配置管理、基于工程數(shù)據(jù)的工廠自動化、數(shù)字主線對人員的直接指導(dǎo)、制造過程偏差的快速識別和糾偏等。該公司還提出名為“產(chǎn)品數(shù)字宇宙”（Product Digiverse）的新一代數(shù)字化技術(shù)發(fā)展理念，目的是實(shí)現(xiàn)整個產(chǎn)品全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性、效率和協(xié)作性的提升。除此之外，通用航空集團(tuán)、參數(shù)技術(shù)公司等也積極探索數(shù)字主線在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者在數(shù)字主線方面也進(jìn)行了一些研究。周軍華等指出數(shù)字孿生的演進(jìn)需要數(shù)字主線和數(shù)據(jù)驅(qū)動作為支撐，提出了一種面向數(shù)字孿生的武器系統(tǒng)數(shù)字主線構(gòu)建技術(shù)。王焱等針對航空產(chǎn)品制造需求，分析了智能生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及關(guān)鍵要素，并根據(jù)制造過程中信息流主線將智能生產(chǎn)過程分成兩條數(shù)據(jù)鏈路，形成生產(chǎn)系統(tǒng)的“數(shù)字主線”。劉婷等探討了將數(shù)字主線應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的可能性，提出了面向航空發(fā)動機(jī)的數(shù)字主線基本框架，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)物空間內(nèi)部、虛擬空間內(nèi)部以及實(shí)物空間和虛擬空間之間三者的互聯(lián)。此外，在民用領(lǐng)域，國內(nèi)研究人員針對煤炭智能開采有效管理，石油長輸管道設(shè)計、施工到運(yùn)維整個壽命周期的數(shù)據(jù)傳遞，變電站作業(yè)流程監(jiān)管數(shù)字化，企業(yè)生產(chǎn)過程安全預(yù)防的精準(zhǔn)化與智能化管理等領(lǐng)域需求，進(jìn)行了數(shù)字主線技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究，分析了數(shù)字主線應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)和系統(tǒng)中數(shù)字主線的作用。

2.2 數(shù)字孿生

在國外，數(shù)字孿生技術(shù)相關(guān)應(yīng)用研究發(fā)軔于國防軍工領(lǐng)域。2012年，美國國家航空航天局和美國空軍共同提出面對未來飛行器的數(shù)字孿生范例。近年來，洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼、空中客車等軍工巨頭積極推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在武器系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)等方向的應(yīng)用。例如，洛克希德·馬丁采用數(shù)字孿生技術(shù)將F-35的生產(chǎn)周期縮短了5個月，生產(chǎn)成本降低1000萬美元。達(dá)索航空公司將基于數(shù)字孿生理念建立的虛擬開發(fā)與仿真平臺用于“陣風(fēng)”系列戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計過程改進(jìn)，以降低成本、提升質(zhì)量。

由于通用電氣、西門子等公司的推廣，數(shù)字孿生技術(shù)近年來在工業(yè)制造領(lǐng)域同樣得到快速發(fā)展。通用公司利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對航空發(fā)動機(jī)的實(shí)時監(jiān)測和維護(hù)判斷，而西門子則于2017年底正式發(fā)布了完整數(shù)字孿生體的應(yīng)用模型。Stojanovic等研究了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的孿生模型的改進(jìn)方案，并提出了一種具有自我意識的數(shù)字孿生模型概念。Cecil等討論了工業(yè)4.0背景下基于物聯(lián)網(wǎng)具有促進(jìn)分布式工程伙伴之間快速、敏捷協(xié)作潛力的網(wǎng)絡(luò)物理框架的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。Kritzinger等通過對制造業(yè)數(shù)字孿生文獻(xiàn)、集成程度進(jìn)行分類綜述后，認(rèn)為數(shù)字孿生按照虛實(shí)融合程度可劃分為數(shù)字孿生、數(shù)字投影和數(shù)字模型。

國內(nèi)對數(shù)字孿生技術(shù)的研究和工具平臺研發(fā)雖然起步較晚，但也取得了一定進(jìn)展和成果。在數(shù)字孿生技術(shù)研究方面，莊存波等系統(tǒng)闡述了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵，并提出了產(chǎn)品數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全壽命周期不同階段的實(shí)施途徑。王鵬等提出面向數(shù)字孿生的動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與仿真方法，解決了信息物理系統(tǒng)中動態(tài)實(shí)體的運(yùn)行建模與仿真結(jié)果的差異問題。曹增義等提出了面向航空發(fā)動機(jī)研制過程的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)，從實(shí)際執(zhí)行層面分別對工藝、制造、裝配、維保的數(shù)字孿生模塊進(jìn)行關(guān)鍵支撐技術(shù)分析，并開展相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐，為運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)研制提供了理論和方法參考。孟松鶴等給出了數(shù)字孿生各個階段的演進(jìn)及應(yīng)用的方式方法、技術(shù)與工具，探索其模型在智能生產(chǎn)各階段的應(yīng)用?？傮w來說，目前針對數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于初級階段。

3. 數(shù)字主線與數(shù)字孿生在全壽命周期的應(yīng)用

數(shù)字主線與數(shù)字孿生技術(shù)正在被逐步應(yīng)用于產(chǎn)品全壽命周期的各個環(huán)節(jié)，即產(chǎn)品設(shè)計與分析、生產(chǎn)與驗證以及管理與保障，這對于提高復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)質(zhì)量、制造的生產(chǎn)效率、設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)具有重要意義。

3.1 設(shè)計與分析階段

從系統(tǒng)工程流程來看，在設(shè)計階段，首先要根據(jù)工程要求和條件制定一套詳細(xì)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，隨后完善設(shè)計以符合這些標(biāo)準(zhǔn)，并通過一系列分析和開發(fā)測試確認(rèn)設(shè)計是否符合這些標(biāo)準(zhǔn)。以航天某飛行器研制為例，工程與制造開發(fā)階段通常包括關(guān)鍵設(shè)計審查，之后才可以進(jìn)行開發(fā)性測試與評估之系統(tǒng)的制造。

3.1.1 在詳細(xì)設(shè)計的前期審核中的應(yīng)用

美國國防部要求研制項目在進(jìn)入工程與制造開發(fā)階段前，必須定義完整的系統(tǒng)規(guī)范和設(shè)計要求，以便進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。在詳細(xì)設(shè)計前期的審核過程中，要求呈現(xiàn)零部件的幾何尺寸和材料規(guī)格，而目前的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)方針使得詳細(xì)的設(shè)計要求、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和分析方法難以滿足系統(tǒng)化規(guī)范化等多方面的要求。

數(shù)字主線可以提供關(guān)于復(fù)雜產(chǎn)品要求和標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威數(shù)字模型，便于將裝備研制、生產(chǎn)、維修及保障等流程中的要求提前納入，及時改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計及研制，形成閉環(huán)。同時，數(shù)字主線有助于開發(fā)者重新審查不同組件要求相關(guān)的所有決策，使設(shè)計規(guī)范更容易滿足設(shè)計要求。

3.1.2在“預(yù)測式”詳細(xì)設(shè)計方面的應(yīng)用

當(dāng)前的詳細(xì)設(shè)計主要以2D文檔作為指南進(jìn)行材料和制造工藝的選擇。這種設(shè)計方法忽略了研制過程中材料性能的時時轉(zhuǎn)變，應(yīng)用設(shè)計指導(dǎo)時容易產(chǎn)生誤差以及可制造性（零部件幾何形狀和相關(guān)幾何公差要求）的變化。同時，這種誤差會限制將設(shè)計性能與生產(chǎn)相結(jié)合的能力?；跀?shù)字主線的集成計算材料工程在未來的角色越來越重要，將成為制造設(shè)計與快速制造的重要推動者。數(shù)字主線將獲取集成計算材料工程模型的權(quán)限與結(jié)果，在采購中使用集成計算材料工程模型，并與工程性能模型集成，從而保障設(shè)計質(zhì)量，這種設(shè)計方式被稱為數(shù)字化詳細(xì)設(shè)計。數(shù)字主線使詳細(xì)設(shè)計過程首次具備了分析評估體系、網(wǎng)絡(luò)、模塊化開放式架構(gòu)，使詳細(xì)設(shè)計能夠更加精確地指導(dǎo)制造。

3.2生產(chǎn)與驗證階段

在生產(chǎn)與驗證階段，數(shù)字主線可以改善優(yōu)化航天領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計制造過程。數(shù)字主線采用概率、模型降階等手段及方法對生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析，在充分了解整個生產(chǎn)在試系統(tǒng)后，將飛行試驗、風(fēng)洞試驗等試驗數(shù)量降到最低；再利用完整有效的有限元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以便支撐設(shè)計與試驗結(jié)果快速閉環(huán)。此外，數(shù)字主線與數(shù)字孿生通過構(gòu)型管理，集成各流程點(diǎn)的信息，將提升生產(chǎn)與試驗階段的能力，大幅縮短研制周期，降低成本。

3.2.1在虛實(shí)結(jié)合方面的應(yīng)用

在復(fù)雜產(chǎn)品的制造過程中，工作人員首先對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后將其對應(yīng)的數(shù)字主線模型與信息處理模型形成關(guān)聯(lián)，即物理狀態(tài)與虛擬狀態(tài)的產(chǎn)品形成一一映射與關(guān)聯(lián)，使通過有限元獲得的模型不僅可以顯示在屏幕上，同時還能夠在多方面、多維度與現(xiàn)實(shí)中的產(chǎn)品互動。例如，將設(shè)計方案數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)、虛擬狀態(tài)中顯示異常的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)以及經(jīng)過自動檢驗后續(xù)操作的可行性數(shù)據(jù)等進(jìn)行比對。通過將物理狀態(tài)的產(chǎn)品與虛擬狀態(tài)的產(chǎn)品形成互動，提高實(shí)際生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

3.2.2在產(chǎn)品構(gòu)型管理中的應(yīng)用

產(chǎn)品構(gòu)型管理通常也稱為產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)管理。在復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用過程的全壽命周期中，構(gòu)型管理是以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為組織方式，關(guān)聯(lián)并管控產(chǎn)品全過程鏈條數(shù)據(jù)，以達(dá)到控制產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性和有效性的一種數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

如前文所述，基于數(shù)字主線，利用數(shù)字孿生技術(shù)可在虛擬空間中構(gòu)建物理空間的復(fù)雜產(chǎn)品模型，將產(chǎn)品的虛擬狀態(tài)與物理狀態(tài)一一形成映射，再通過物理系統(tǒng)向虛擬空間數(shù)字化模型進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品全過程數(shù)據(jù)實(shí)時管理和控制。由于構(gòu)建全壽命周期的產(chǎn)品模型覆蓋產(chǎn)品在物理研制生產(chǎn)制造中的所有流程與要素，因此，在技術(shù)狀態(tài)驗證審核時，便能夠與其設(shè)計研制時的數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，這樣不僅可以減少技術(shù)狀態(tài)審核與技術(shù)狀態(tài)紀(jì)實(shí)中虛擬模型與實(shí)際研制數(shù)據(jù)之間的對比工作，同時還能提升審核效率以及對一致性的判斷力。此外，數(shù)字孿生模型中包含了產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)更改、修訂、刪除等的實(shí)時動態(tài)響應(yīng)，達(dá)到不同階段技術(shù)狀態(tài)協(xié)同控制的目的，為產(chǎn)品設(shè)計及生產(chǎn)制造奠定基礎(chǔ)。技術(shù)狀態(tài)項在復(fù)雜產(chǎn)品研制全壽命周期中包括圖樣設(shè)計、工藝策劃與制定、生產(chǎn)制造、試驗檢測等過程，不同過程中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)在產(chǎn)品研制過程中將得到進(jìn)一步優(yōu)化，通過與模型特征建立對應(yīng)聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬模型驅(qū)動控制下的產(chǎn)品研制。針對技術(shù)狀態(tài)管理過程中的技術(shù)狀態(tài)標(biāo)識、控制、紀(jì)實(shí)、審核與驗證項，同樣可以對所有數(shù)據(jù)的收集、傳輸和反饋的過程建立模型特征聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動。

3.3管理與保障階段

針對復(fù)雜產(chǎn)品的管理以及維修保障情況，需要對產(chǎn)品所處的環(huán)境、所在的具體空間位置、使用狀態(tài)、質(zhì)量表現(xiàn)以及其所具備的功能狀態(tài)等進(jìn)行跟蹤與監(jiān)控，這些均依托于數(shù)字主線技術(shù)來進(jìn)行。數(shù)字主線能夠?qū)a(chǎn)品的實(shí)時情況、性能表現(xiàn)以及使用維修等進(jìn)行數(shù)字化并形成數(shù)據(jù)，不僅可以直觀發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的質(zhì)量問題，還可以利用這些數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行故障分析及壽命預(yù)測。若復(fù)雜產(chǎn)品已經(jīng)存在故障與缺陷，數(shù)字主線技術(shù)能夠?qū)栴}存在的具體位置進(jìn)行快速定位，實(shí)現(xiàn)對故障問題的記錄與分析。

3.3.1在產(chǎn)品維修預(yù)測中的應(yīng)用

為了加強(qiáng)維修效能和效率、制定綜合預(yù)測性維修方法、提高裝備可靠性等，美國國防部于2012年10月頒布了DODI4151.22《增強(qiáng)型基于狀態(tài)的維修（CBM+）》指令，要求對反映設(shè)備實(shí)際狀況的各項參數(shù)進(jìn)行測量，以降低維修的停機(jī)時間與成本。通過對產(chǎn)品的使用及運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題后可及時預(yù)警并通知維修保障人員采取措施。由于對產(chǎn)品的預(yù)警監(jiān)測是實(shí)時更新的，因此維修時間并不固定，而是由保障維修負(fù)責(zé)人根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷。

為了更精準(zhǔn)地預(yù)測產(chǎn)品使用壽命，美國空軍通過數(shù)字主線構(gòu)建數(shù)字孿生體，利用數(shù)字孿生技術(shù)集成不同的物理屬性機(jī)體。此外，美國空軍還將獲得的數(shù)字孿生體樣機(jī)用于開發(fā)飛機(jī)的疲勞跟蹤流程，通過數(shù)字孿生體樣機(jī)對疲勞裂紋擴(kuò)展性能、初始裂紋尺寸、載荷等因素進(jìn)行預(yù)測，并通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)化應(yīng)用來預(yù)測裂紋尺寸的概率分布，實(shí)時更新疲勞裂紋擴(kuò)展趨勢，實(shí)現(xiàn)了維修的“可預(yù)測化”。

3.3.2在延長產(chǎn)品使用壽命方面的應(yīng)用

通過對產(chǎn)品的數(shù)字孿生體及實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以實(shí)時跟蹤產(chǎn)品服役情況，利用所獲得的有效信息（如飛行數(shù)據(jù)、貯存數(shù)據(jù)、環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)等）進(jìn)行分析，使用概率分析方法量化使用風(fēng)險，有利于提升產(chǎn)品故障診斷和壽命預(yù)測能力。美國空軍研究實(shí)驗室聯(lián)合波音公司共同開發(fā)出F-15C機(jī)體數(shù)字孿生模型及分析框架，結(jié)合一系列建模仿真工具，完成對產(chǎn)品有限元網(wǎng)格的劃分以及多數(shù)據(jù)、多維度的模擬仿真工作，對其載荷與邊界條件、殘余應(yīng)力、材料微結(jié)構(gòu)不確定性進(jìn)行管理與預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完成完整性的診斷。通過預(yù)測結(jié)構(gòu)組件的壽命期限，可對結(jié)構(gòu)檢查和維護(hù)時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步提升效率。此外，已完成的維護(hù)活動數(shù)據(jù)會存儲記錄在數(shù)字主線中，并可隨時隨地進(jìn)行提取和訪問，有利于產(chǎn)品后續(xù)的維護(hù)保障。

4. 結(jié)語

以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，數(shù)字主線和數(shù)字孿生已經(jīng)成為軍工數(shù)字工程概念的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)要素，通過采用基于數(shù)字、基于模型的方法來改進(jìn)數(shù)據(jù)和信息在產(chǎn)品整個壽命周期中的創(chuàng)建、管理和使用，加快了數(shù)據(jù)和信息之間的相互作用，使決策者能夠更高效地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為有效信息，提升決策能力。這將對航天武器裝備、復(fù)雜產(chǎn)品等在迭代更新、設(shè)計研制、生產(chǎn)過程中的缺陷規(guī)避與處理，以及維修保障工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。后續(xù)將在本研究基礎(chǔ)上，持續(xù)跟蹤并深入分析數(shù)字主線與數(shù)字孿生等相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外典型型號研制生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，并進(jìn)行相應(yīng)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，從而能夠進(jìn)一步改進(jìn)復(fù)雜產(chǎn)品研制流程，以期提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。