數字孿生的發(fā)展需要復雜系統(tǒng)建模、傳感與監(jiān)測、大數據、動態(tài)數據驅動分析與決策和數字孿生軟件平臺技術的支撐。

在航空航天領域，數字孿生可應用于飛行器的設計研發(fā)、制造裝配和運行維護。重點討論了應用機身數字孿生進行壽命預測與維護決策的案例，相比于周期性維護，具有檢修次數更少、維護成本更低的優(yōu)勢。最后，給出了數字孿生在空間站、可重復使用飛船的地面伴飛系統(tǒng)中的初步應用框架。

目前，實際系統(tǒng)的設計和維護策略可以總結為“安全余量設計+周期性維護”，即根據以往經驗設計系統(tǒng)型式，并使用較大的安全系數來包絡不確定性；在系統(tǒng)服役時，采用周期性的維護方式，定期對其進行檢測，并采取相應的維護措施，以此來保證系統(tǒng)長期、穩(wěn)定的運行。

然而，現代工程越來越復雜，具體表現為：

①系統(tǒng)組件越來越多，且組件與組件之間的交互會衍生出一些新的特質；

②動態(tài)特性強，系統(tǒng)狀態(tài)隨時間快速變化；

③不確定性大，系統(tǒng)材料、結構以及周圍環(huán)境存在眾多不確定因素。

在這種情況下，如果繼續(xù)用經驗安全系數包絡誤差，會使結構設計笨重、效率不高；復雜系統(tǒng)在高度不確定性環(huán)境下遭受意外損傷概率的增加，使得安全系數方法既不經濟、又難以徹底、完全保證系統(tǒng)可靠性。周期性維護在面臨復雜系統(tǒng)時，缺乏對系統(tǒng)當前狀態(tài)的準確預估，容易出現過于頻繁的檢測與維修，或未及時維護而引發(fā)系統(tǒng)提前失效的情況，導致維護成本高、且可靠性不足。

數字孿生概念的出現為解決上述問題提供了新的思路。數字孿生是一個技術體系，旨在為物理系統(tǒng)創(chuàng)造一個表達其所有知識的集合體或數字模型（也稱為數字孿生體）。通過實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，動態(tài)更新數字模型，能夠提升數字孿生體的診斷、評估與預測能力；同時在線優(yōu)化實際系統(tǒng)的操作、運行與維護，減少結構設計冗余、避免頻繁的周期性檢修與維護并保證系統(tǒng)的安全性。

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如今，數字孿生的概念得到各領域的廣泛重視，各類應用概念層出不窮：

①產品研發(fā)：Tao等、莊存波等、于勇等期望通過構建產品的數字孿生體，改變傳統(tǒng)的產品研發(fā)模式；

②智能制造：陶飛等提出了數字孿生車間的概念，期望通過物理世界和信息世界的交互與共融，實現智能制造。此外，Zhuang等、Leng等、Zhang等也提出了類似的概念；

③壽命管理：勞斯萊斯公司推出了智能發(fā)動機的概念，該發(fā)動機能夠“感知”周圍環(huán)境并進行相應的自我調整，延長使用壽命。通用電氣研究院建立了風力渦輪機的數字孿生體，能夠接收操作和環(huán)境數據并進行自我更新，保證渦輪機長期、穩(wěn)定的運行；

④智慧校園：佐治亞理工學院推出智慧校園的概念，實現了校園能耗系統(tǒng)的態(tài)勢感知、預測、優(yōu)化和虛擬試驗。劍橋大學也建立了類似的動態(tài)數字孿生演示系統(tǒng)。

在航空航天領域，數字孿生同樣具有極大的應用潛力：

1）用于飛行器的設計研發(fā)。通過建立飛行器的數字孿生體，可以在各部件被實際加工出來之前，對其進行虛擬數字測試與驗證，及時發(fā)現設計缺陷并加以修改，避免反復迭代設計所帶來的高昂成本和漫長周期。

達索航空公司將3DExperience平臺（基于數字孿生理念建立的虛擬開發(fā)與仿真平臺）用于“陣風”系列戰(zhàn)斗機和“隼”系列公務機的設計過程改進，降低浪費25%，首次質量改進提升15%以上；

2）用于飛行器的制造裝配。在進行飛行器各部件的實際生產制造時，建立飛行器及其相應生產線的數字孿生體，可以跟蹤其加工狀態(tài)，并通過合理配置資源減小停機時間，從而提高生產效率，降低生產成本。

洛克希德-馬丁公司將數字孿生應用于F-35戰(zhàn)斗機的制造過程中，期望通過生產制造數據的實時反饋，進一步提升F-35的生產速度，預計可由目前每架22個月的生產周期縮短至17個月，同時，在2020年前，將每架9460萬美元的生產成本降低至8500萬美元。

此外，諾斯羅普·格魯曼公司利用數字孿生改進了F-35機身生產中的劣品處理流程，將處理F-35進氣道加工缺陷的決策時間縮短了33%；

③用于飛行器的運行維護。利用飛行器的數字孿生體，可以實時監(jiān)測結構的損傷狀態(tài)，并結合智能算法實現模型的動態(tài)更新，提高剩余壽命的預測能力，進而指導更改任務計劃、優(yōu)化維護調度、提高管理效能。

本文聚焦于數字孿生在運行維護上的應用，具體應用案例將在后文詳細展開。

數字孿生在各個領域的快速發(fā)展彰顯了其巨大的價值，本文將從數字孿生的核心概念與內涵出發(fā)，分析數字孿生的關鍵技術，而后論述數字孿生相比當前范式的創(chuàng)新性思路，最后對數字孿生在航空航天領域的應用與展望進行分析。

數字孿生的理念

據Tao等統(tǒng)計，自2014年起，數字孿生的發(fā)展呈現出爆發(fā)趨勢，工業(yè)界和學術界對數字孿生也有著多種不同的理解。如圖1所示，數字孿生體的本質是能夠全生命跟蹤、實時反映特定物理系統(tǒng)的性能狀態(tài)，并準確模擬、預測其在真實環(huán)境下行為的數字模型。因此，構成數字孿生體首先需要建立物理系統(tǒng)的模擬模型。

傳統(tǒng)的建模方式包括：基于物理機制建模、數據驅動建模、以及基于物理機制和數據驅動的混合建模。但對于復雜系統(tǒng)而言，環(huán)境不確定性大、系統(tǒng)動態(tài)特性強，基于傳統(tǒng)建模方式得到的數字模型難以做到實時反應系統(tǒng)狀態(tài)。

因此，數字孿生體的第二個要素是強調通過布置在物理系統(tǒng)上的傳感器網絡，獲取系統(tǒng)運行中的真實行為數據，用于增強模型、消除模型中的不確定性因素，進而提升模型預測能力。

準確的預測構成了有效控制、管理等決策優(yōu)化的基礎，數字孿生體第三個要素是實現數字模型和物理系統(tǒng)的互動，將基于模型和數據的實時分析結果用于優(yōu)化物理系統(tǒng)運行。伴隨數字孿生概念，美國空軍同時提出了數字主線的概念。

數字主線可以看作覆蓋系統(tǒng)全生命周期與全價值鏈的數據流，從設計、制造到使用、維護，全部環(huán)節(jié)的關鍵數據都能夠實現雙向同步與及時溝通，并以此驅動以數字孿生體為統(tǒng)一的模型的狀態(tài)評估與任務決策。?

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分析數字孿生的內涵可以看出，數字孿生體具有如下突出特點：

1）集中性。物理系統(tǒng)生命周期內的所有數據都存儲在數字主線中，進行集中統(tǒng)一管理，使數據的雙向傳輸更高效；

2）動態(tài)性。描述物理系統(tǒng)環(huán)境或狀態(tài)的傳感數據可用于模型的動態(tài)更新，更新后的模型可以動態(tài)指導實際操作，物理系統(tǒng)和數字模型的實時交互使得模型能夠在生命周期內不斷成長與演化；

3）完整性。對于復雜系統(tǒng)而言，其數字孿生體集成了所有子系統(tǒng)，這是高精度建模的基礎；而實時監(jiān)測的數據可進一步豐富、增強模型，使模型能夠包含系統(tǒng)的所有知識。

借助于數字孿生，對于復雜系統(tǒng)的管理和運行，將能夠實現：

1）模擬系統(tǒng)運行狀態(tài)。數字孿生體可以看作物理系統(tǒng)的模擬模型，能夠在數字空間實時反映系統(tǒng)的行為、狀態(tài)，并以可視化的方式呈現；

2）監(jiān)測并診斷系統(tǒng)健康狀態(tài)。利用安裝在系統(tǒng)結構表面或嵌入結構內部的分布式傳感器網絡，獲取結構狀態(tài)與載荷變化、服役環(huán)境等信息，結合數據預處理、信號特征分析、模式識別等技術，識別系統(tǒng)當前損傷狀態(tài)；

3）預測系統(tǒng)未來狀態(tài)。通過數據鏈、數據接口等技術連接監(jiān)測數據和數字模型，結合機器智能等方法驅動模型的動態(tài)更新，基于更新后的模型，對系統(tǒng)未來的狀態(tài)進行預報；

4）優(yōu)化系統(tǒng)操作。根據預報結果，可以調整維護策略避免不必要的檢測與更換，或更改任務計劃避免結構進一步劣化等。