美欧军工领域发力数字孪生技术应用

本刊编辑部 / 文

数字孪生技术以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，模拟物理实体的现实行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现物理实体空间与数字虚拟空间的交互共融和智能化操作，是智能制造落地实施的关键技术之一。数字孪生技术最先由美国军方组织开展应用研究，近两年逐渐成为军工领域的重要发展方向，在美欧大型军工企业装备研制生产与维修保障中得以应用，并开始取得一定实效。

加强数字孪生技术战略布局

在国家战略层面，美国国家数字化制造与设计创新机构将数字孪生技术列为2018年战略投资重点：一是研究并构建工厂的数字孪生试点，应用数字孪生建模方法仿真工厂实际环境，预测生产效率、分析时间进度或制造资源变化的影响、根据现场工艺数据优化生产流程，大幅提高工厂生产效率；二是研究构建供应链数字的孪生模型，权衡分析与供应链相关的时间、成本、产品复杂性、库存等信息，使供应链效率达到最优；三是宣传推广数字孪生技术应用。该创新机构由美国国防部牵头组建，是国家制造创新网络计划14个创新机构之一，其投资方向代表了美国政府和军方的关注重点。

在企业战略层面，2017年6月，洛马公司提出名为“Product Digiverse”的新一代数字化技术发展理念，旨在将人员、设备、物料、环境等物理实体及制造过程与数字化模型连接，构建物理世界的镜像模型。这一理念的本质即数字孪生技术。11月，洛马公司将数字孪生技术列为2018年度影响军工领域的六大顶尖技术之首。空客公司也将数字孪生技术作为实施数字化战略、构建“未来工厂”的重要内容。

军工领域应用取得一定实效

洛马、诺格、空客等军工巨头积极推进数字孪生技术的实际应用，涉及武器系统设计研发、生产制造、运行维护几个应用方向，代表了目前数字孪生技术发展的先进水平。

用于武器系统设计研发

通过建立产品数字孪生模型，在零部件生产前即可预测成品质量、识别设计缺陷，并在数字孪生模型中进行迭代设计，大幅缩短研发周期、降低研发成本。

2016年，达索系统公司针对复杂产品创新设计，建立了基于数字孪生技术的3DExperience平台，利用用户交互反馈的信息不断改进产品的数字化设计模型，并反馈到物理实体产品中。2018年5月，达索航空公司将3DExperience平台用于新型战斗机研发，以及“阵风”系列战斗机和“隼”式商务客机的生产能力提升；6月，土耳其航空工业公司宣称将在TF-X第五代战斗机研制中采用该平台。

用于武器系统生产制造

通过建立生产现场资源和环境的数字孪生模型，可优化制造流程、合理配置制造资源、减少设备停机时间，进而提高生产资源利用率、降低生产成本。

2016年，诺格公司利用数字孪生技术改进了F-35战斗机机身生产中劣品的处理流程。新流程可自动采集零部件数据并精准映射到数字孪生模型，进行实时、快速、精确分析，使F-35战斗机进气道加工缺陷决策处理时间缩短33%。2017年12月，洛马公司在F-35沃斯堡工厂部署基于数字孪生技术的“智能空间平台”，将实际生产数据映射到数字孪生模型中，并与制造执行和规划系统相连，提前规划和调配制造资源，从而全面优化生产过程。据估计，应用数字孪生等新技术后，每架F-35战斗机生产周期将从目前的22个月缩短到17个月，且在2020年前将制造成本从目前的9460万美元（F-35A）降低到8500万美元以下，降幅超过10%。

2016年起，空客公司为实现A350XWB飞机增产提效，开始在法国图卢兹工厂构建总装线数字孪生模型。空客公司在关键工装、物料、零部件上安装无线射频识别系统，建立装配线的数字孪生模型，实现对数万平方米空间和数千个对象的实时精准跟踪、定位和监测，并借助模型优化运行绩效。目前，A350XWB、A330、A400M 等型号装配线不同程度地应用了数字孪生技术。

用于武器系统运行维护

数字孪生技术在对产品运行状态实时监控的同时，还可利用智能算法预测产品在正常工作条件下的性能趋势，进而优化维修进度、减少计划外停机，大幅提高运营性能。

2016年，波音公司与美国空军合作构建了F-15C战斗机机体的数字孪生模型，用于管理机体残余应力、几何结构、有效载荷、材料微结构等，进而预测结构组件的使用寿命，据此调整结构组件检修、替换周期。同年，通用电气公司基于Predix软件平台开发出数字孪生解决方案，用于对发动机进行实时监控、及时检查以及预测性维护。普惠、罗罗两家公司也正在着力开发用于发动机运维和管理的数字孪生解决方案。

总体来说，目前针对数字孪生技术的研究和应用还处于初级阶段。美欧等发达国家军工巨头和达索系统、西门子等软件提供商都在结合各自发展需求积极开发数字孪生解决方案。可以预见，学术界、生产企业、软件提供商等多方力量的联合发力，将加快推动数字孪生技术在武器装备设计、制造、运维等全过程获得更大范围、更高层级的应用，使产品创新、制造效率、可靠性水平提升到新的高度。