這是一篇發(fā)表于2020年12月的美國航空宇航協(xié)會和美國航空工業(yè)協(xié)會的白皮書或者觀點文章（Position Paper），原題目為：數(shù)字孿生：定義和價值（DIGITALTWIN: DEFINITION & VALUE）。鑒于航空航天行業(yè)的應用是數(shù)字孿生應用的重要典范應用領域和數(shù)字孿生技術重要的起源點,本報告可能對數(shù)字孿生的應用和發(fā)展有一定的借鑒和指導作用，故將本報告進行了粗略翻譯，供大家參考。

縱覽這篇文章，其核心價值有兩點：

1）文中通過案例提出一系列的航空業(yè)界數(shù)字孿生模型和考慮方面，這對于眾多行業(yè)的數(shù)字孿生體系統(tǒng)建設具有提示和借鑒作用；

2）文中一再強調對決策的支持，這也是提醒我們在數(shù)字孿生體系統(tǒng)建設時，要有明確的目的性，不能為建而建，建而不用。

這篇文章對我國航空業(yè)數(shù)字孿生體理念的應用和系統(tǒng)建設借鑒作用尤其大，畢竟無論是AIAA還是AIA都是世界航空業(yè)界具有相當影響力的組織。

在本文中反復應用了若干個名稱和專業(yè)術語，對這些名詞在本處就個人的理解集中進行說明。

[名詞注釋]

1）AIAA（American Institute of Aeronautics andAstronautics），美國航天航空學會，1963年由美國火箭學會（成立于1930年）和航空航天科學研究所（成立于1933年）合并而成，擁有來自91個國家的近30000名個人會員和95名公司會員，是世界上最大的致力于全球航空航天行業(yè)的技術協(xié)會。

2）AIA（Aerospace Industries Association ofAmerica），美國航空航天工業(yè)協(xié)會，成立于1919年，截至2002年11月，美國航空航天工業(yè)協(xié)會有正式會員公司75家、準會員公司137家，涵蓋了美國所有重要商業(yè)、軍用和公務飛機、直升機、飛機發(fā)動機、導彈、空間飛機制造商以及部分航空材料、相關零部件和設備制造商。

3）認可過程（certification process），對于飛機的設計，尤其是民用飛機設計必須要通過適航認證，軍用飛機也存在一系列的試飛過程。本人認為本文中反復出現(xiàn)的“certification process”一詞應該是指這樣一個過程。

4）FAA（Federal Aviation Administration），美國聯(lián)邦航空管理局，美國航空業(yè)的官方管理機構。

5）MRO（Maintenance, Repair & Operations），指在實際的生產過程不直接構成產品，只用于維護、維修、運行設備的物料和服務。

6）DoD Digital Engineering Strategy，2018年6月，美國國防部發(fā)布一份報告。其中提出了5個目標和關鍵領域。

7）LOTAR（long-term archival and retrieval），一個由AIA、ASD-STAN（歐洲航空航天標準化組織）、AFNET（法國互聯(lián)網用戶聯(lián)合會）、prostep ivip（一個位于德國達姆施塔特的致力于產品數(shù)據(jù)管理和虛擬化開發(fā)的國際組織）、PDES（一個致力于STEP標準應用的公司）組織的一個航空制造者國際聯(lián)合體。主要致力于EN/NAS 9300系列標準制訂。

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摘要

傳統(tǒng)設計技術遠遠落后于航空航天系統(tǒng)復雜性增長速度，系統(tǒng)復雜性不斷增長導致飛機傳統(tǒng)工作成本也在不斷上漲，如物理原型、實物測試和外場/定期維護等。應用可以提供更高逼真度、速度和粒度的模擬物理環(huán)境的虛擬能力有望降低這些成本。數(shù)字孿生就是這樣一個虛擬技術，圖1和表1是數(shù)字孿生的定義和表示。

數(shù)字孿生概念：數(shù)字孿生是一個與物理資產相聯(lián)系的虛擬表示。

圖 1數(shù)字孿生概念表示

數(shù)字孿生體是一個與物理資產相連，并覆蓋整個產品生命周期的虛擬表示，其價值在于可飛速將工作從真實環(huán)境轉換到虛擬的能力和通過數(shù)字模型預測未來狀態(tài)、或失效時間，這將大大減少設計、生產和保持飛機良好運轉所需的資源。由學術界、工業(yè)界和政府官員共同編寫本文的主要目的包括：1）為航空業(yè)提供一個數(shù)字孿生體的通用定義；2）通過一系列的應用和示例刻畫數(shù)字孿生體的能力；3）討論國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略與航空業(yè)數(shù)字孿生體觀點之間的一致性；4）確定應用數(shù)字孿生體加速價值實現(xiàn)的未來重點領域和活動。特別是，本文建議建立一個跨學術界、工業(yè)界、美國政府和相關認證機構的數(shù)字孿生“卓越中心”，以解決識別業(yè)務、技術、文化方面的需求、差距和挑戰(zhàn)。

目的

本文的目的是介紹航空行業(yè)（包括民用、軍用和商用）的數(shù)字孿生體的觀點和巨大價值，以及加速實現(xiàn)以數(shù)字轉型為代表的第四次工業(yè)革命的基本原因。數(shù)字孿生體集成的基于模型的先進技術正在推動著數(shù)字轉型，它將大大加快先進系統(tǒng)應用的研究步伐，使航空業(yè)通過創(chuàng)新產品、服務、客戶體驗和較低的全生命周期成本在全球市場獲得競爭優(yōu)勢。

本文代表了航空業(yè)內多個組織在數(shù)字孿生體方面的共識。編寫本文的AIAA和AIA是這些機構的代表，認為除了國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略之外還有一些其他觀點，它們有助于對數(shù)字轉型的價值有一個更復雜、全面地理解。雖然國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略最初是為軍事應用而制定的，但其基本內容也完全適用于民用和商用航空。

在本文中，數(shù)字孿生體的定義主要通過其對整個航空業(yè)的潛在應用和價值來表述，并應用航空業(yè)和學術界兩個不同角度的價值映射方法討論了多個數(shù)字孿生應用，以說明數(shù)字孿生體如何幫助改進性能、經濟性、可靠性和提高組織效率。

數(shù)字孿生定義

數(shù)字孿生體的定義為：

通過應用資產全生命周期內的數(shù)據(jù)動態(tài)更新模擬單個/唯一或一組物理資產的信息結構、關聯(lián)關系和行為的虛擬信息結構，形成實現(xiàn)價值的決策。

代表航空業(yè)觀點的這一定義來源于對該領域相關文獻的廣泛和深入理解。在這一過程中，采用了一個數(shù)據(jù)驅動方法用來識別描述數(shù)字孿生體特征的最常用的關鍵詞。沿用這一方法，航空業(yè)界構造和投票選擇了這個長定義。

數(shù)字孿生體的基本要素包括：一個虛擬體（模型）、一個物理實體（資產）以及一個兩者之間的數(shù)據(jù)/信息交互（連接）。因此，數(shù)字孿生體必須有一個物理實體。

一個數(shù)字孿生體涵蓋一個物理資產的整個產品生命周期，即設計和工程階段（“設計”）、制造階段（“制造”）和運行/維護階段（“使用”和“維護”）。正因為這樣，它能夠實現(xiàn)更好的信息連接和知識連續(xù)性，并最終實現(xiàn)提高工作效率和效果，通過連續(xù)重定義設計和校準模型改進設計和制造。因此，虛擬體和物理資產的模型和數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的關鍵元素。模型確保資產正確表達，同時為產品生命周期提供分析、模擬和優(yōu)化提供媒介，這些模型可以是純數(shù)據(jù)驅動、純物理/模擬驅動或兩者的混合。數(shù)據(jù)在模型間進行交換，并通過最新的通信標準和協(xié)議及云平臺完成物理資產的實時收集，因此，這些數(shù)據(jù)可用于生命周期內各階段描述、診斷、預測和/或分析，以便進行決策。

如前所述，數(shù)字孿生體涵蓋了系統(tǒng)生命周期中的每個具有物理資產應用的階段。一個材料訂單數(shù)字孿生系統(tǒng)由關聯(lián)材料試驗的多層次材料物理模型和用于材料的增值、綜合、虛擬表示的機器學習方法組成，包括由于不完善的知識（認知不確定性）或由于固有的、不可分解的問題（固有不確定性）引起的不確定性的類型特征。組件和子系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)應包含增加有價值性能知識的物理原型和減少用于改進未來的設計所需物理原型數(shù)量。機械和電子部件的數(shù)字孿生系統(tǒng)也可以應用在硬件在環(huán)或軟件在環(huán)環(huán)境中。系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)可以應用在人-虛擬-結構一體訓練模擬器中，用于增加資產的任務價值。制造過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)可以通過已有或新增資產優(yōu)化車間或工廠的質量和經濟性。包含試飛員個體特征的試飛飛機數(shù)字孿生系統(tǒng)可以用來優(yōu)化飛行試驗點，以通過每次試飛獲得最多的知識。

通過資產狀態(tài)的定量化、提高操作性能（包括自主駕駛）、預測可持續(xù)能力和壽命、提升用戶體驗、在早期分析中獲得下一代產品的知識和反饋數(shù)據(jù)等方法，一個數(shù)字孿生體可以用來創(chuàng)造資產的最大價值。另外，數(shù)字孿生體還可用于：（i）通過建模和仿真方法，強化物理測量和試驗，同時也是減少認可過程的成本和時間的一種方法，（ii）建立更多生命周期評估，從在設、在造、在測階段移動到服務階段。因此，最終產品的數(shù)字孿生體不是一個附加功能，而是一個從初始概念、設計和開發(fā)，從組件到系統(tǒng)的連續(xù)的系統(tǒng)有機組成部分。通過數(shù)字孿生體期望獲得的價值、創(chuàng)造價值需要的傳感器和數(shù)據(jù)、為獲得最終價值而進行的數(shù)字孿生體測試和驗證等都是系統(tǒng)研發(fā)的要求。

為了使數(shù)字孿生的定義盡可能簡單明了，它應該應用基本要素來定義--模型、資產和用于增值關聯(lián)知識交互。在生命周期不同階段，數(shù)字孿生的附加屬性應伴隨資產的性質，例如訂單、組件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)、飛行試驗、制造過程、最終產品，圖1為數(shù)字孿生的概念表示。

為了形成一個每個人都能理解的清晰表達的短定義，該短定義如下：

一個數(shù)字孿生體是一個連接的資產的虛擬表達。

數(shù)字孿生的能力

數(shù)字孿生體具有的能力是很多的，為簡單起見，主要研究為兩類：（i）通過建模和仿真來降低組件和子系統(tǒng)的認證時間和成本；（ii）應用整個生命周期獲得的信息，對組件與子系統(tǒng)的當前和未來狀態(tài)做出決策和向面向未來工程的機構設計實踐和知識庫提供反饋。

建模和仿真工具方面的最新進展已經實現(xiàn)了飛機研發(fā)過程、降低了飛機研發(fā)的成本和周期的可視化。已經有一系列軟件工具可以幫助將工程圖進行可視化，包括設計、制造、材料研發(fā)和性能、空氣動力學、結構集成和性能分析等。更重要的是，這些工具可以集成在一起以加強原本就是需要的工程周期間的互連性和加快設計、分析、測試的迭代。通過將大量分析轉變?yōu)榭梢暬绞?，可以減少昂貴的物理試驗和設計迭代的次數(shù)，從而達到減少認可過程的時間和成本的目的。物理試驗的數(shù)據(jù)（如試件試驗、風洞試驗、地面試驗、飛行試驗、航線試驗等）也可以用來更新虛擬試驗的相關條件。數(shù)字孿生并不能消除物理測量和測試，只是減少了數(shù)量和對此類信息的依賴。物理和虛擬信息相融合可以提供更魯棒和更廣泛的數(shù)據(jù)集，從而可以應用機器學習和數(shù)據(jù)科學方法進行決策。

在產品生命周期中需要做出的許多決策，傳統(tǒng)上，這些決策都根據(jù)影響產品最終性能的因素憑經驗做出。結果是，產品不確定性和外部影響因素進一步擴散，形成產品當前和未來性能的不確定性。數(shù)字孿生體應用在整個生命周期收集的信息可以更新和更好地構建實物的分析和決策過程。這些信息有很多形式，包括但不限于性能數(shù)據(jù)，幾何數(shù)據(jù)、材料的微觀結構和譜系信息、服務載荷譜、部件損壞和老化等。隨著新型傳感器技術的出現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)/信息的數(shù)量和可信度將呈指數(shù)級增長。正在開發(fā)的狀態(tài)、材料和結構健康監(jiān)測和感知技術可以為單個產品或整個機隊的維護、維修和大修決策提供信息。最后，通過獲取整個產品生命周期的數(shù)據(jù)，并使其快速供設計師使用，基于從以前版本數(shù)據(jù)獲得的知識，可以改進下一版本的特性、零件或子系統(tǒng)。

數(shù)字孿生應用和價值示例

表2.1 產品數(shù)字孿生應用（設計過程）

表2.2 產品數(shù)字孿生應用（制造過程）

表2.3 支持和服務的數(shù)字孿生應用（使用和維護）

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表2.1-2.3并不是詳盡列出，只是提供了代表性的數(shù)字孿生類型、應用和可預測價值的案例。例如數(shù)字孿生體也可用于培訓應用（例如，將適當?shù)腇AA模擬系統(tǒng)與飛機數(shù)字孿生體連接，用以預測在不同操作場景下的飛行性能）。其他潛在的數(shù)字孿生應用包括可靠性、可用性、可維護性、安全預測，事故重建和庫存預測及評估。所有的數(shù)字孿生潛在應用都待將來進一步開發(fā)。