數(shù)字孿生 影子飛機(jī)

戴晟

十九大報(bào)告指出：“要促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈中高端，培育若干世界級(jí)先進(jìn)制造業(yè)集群。”

“想象一下，未來，當(dāng)人類的宇航員在遙遠(yuǎn)的外太空要執(zhí)行一項(xiàng)緊急的艙外修復(fù)任務(wù)，沒有時(shí)間空間進(jìn)行實(shí)際預(yù)演，也沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可資借鑒。環(huán)境極度危險(xiǎn)，機(jī)會(huì)只有一次。怎么辦？這時(shí)，我們的宇航員卻不慌不忙，他將操作涉及的各種參數(shù)、包括外部環(huán)境、時(shí)間、溫度等等整合在一起，完全模擬出一個(gè)和現(xiàn)實(shí)一模一樣的虛擬環(huán)境，進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，直到找出最佳的操作方式和流程。將這套最佳方案輸入到要執(zhí)行任務(wù)的太空機(jī)器人程序中，用最精確合理的操作在規(guī)定時(shí)間完成艙外修復(fù)任務(wù)，將危險(xiǎn)和失誤降到了最低。

“再想象一下，未來，當(dāng)你需要建造一個(gè)大型的工廠，施工精密、流程復(fù)雜，但資金有限。怎么辦？這時(shí)，負(fù)責(zé)施工的工程師在沒有建造之前，就對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，虛擬出建造工廠的最佳流程，再將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)。這樣，不僅有效減少誤差和風(fēng)險(xiǎn)，還能最大限度地節(jié)省成本，減少損耗。甚至，當(dāng)廠房和生產(chǎn)線建成之后，日常的運(yùn)行和維護(hù)也可以不斷進(jìn)行虛擬交互，迅速找出問題所在，提高工作效率。

“甚而，未來，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)制造任何產(chǎn)品時(shí)，你不必先制造出實(shí)體零部件，然后才能對(duì)設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量和可制造性進(jìn)行評(píng)估。你可以預(yù)先模擬真實(shí)環(huán)境，在產(chǎn)品被實(shí)際制造出來之前，就可以預(yù)測(cè)其成品質(zhì)量，識(shí)別是否存在設(shè)計(jì)缺陷?！?/p>

這是微軟企業(yè)服務(wù)制造項(xiàng)目經(jīng)理Simon Floyd曾描繪的數(shù)字化制造業(yè)的前景。將現(xiàn)實(shí)與虛擬無縫連接，靠的是“數(shù)字孿生”（Digital Twin）技術(shù)。

近年來，我所在的團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)師趙罡的帶領(lǐng)下，圍繞“數(shù)字孿生”技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的理論探索進(jìn)行攻關(guān)。

長(zhǎng)久以來，如何高效、準(zhǔn)確地管理產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)信息，是航空制造業(yè)面臨的共性問題。在諸多新興技術(shù)思想之中，數(shù)字孿生技術(shù)被認(rèn)為能對(duì)物理產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化描述，并有效地管控產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)信息，引起了國內(nèi)航空制造業(yè)的關(guān)注。美國《航空周報(bào)》曾做出這樣的預(yù)測(cè)：“到了2035年，當(dāng)航空公司接收一架飛機(jī)的時(shí)候，將同時(shí)驗(yàn)收另外一套數(shù)字模型。每一架飛機(jī)都伴隨著它自身對(duì)應(yīng)的一套高度詳細(xì)的數(shù)字模型?！泵恳患芙桓兜娘w機(jī)都不再是單獨(dú)存在的，因?yàn)樗鼡碛辛艘粋€(gè)如實(shí)反映它的“影子”，且永不消失，這便是數(shù)字孿生的本意。

借助“數(shù)字孿生”技術(shù)對(duì)操作流程進(jìn)行數(shù)字化虛擬，模擬一個(gè)和“現(xiàn)實(shí)世界”完全一致的孿生的“虛擬世界”，讓我們?cè)诔霈F(xiàn)問題之前就解決問題。實(shí)現(xiàn)這樣的愿景，其實(shí)任重道遠(yuǎn)。

一個(gè)描述飛機(jī)飛行軌跡的方程式通過編程形成模型后，是一個(gè)飛機(jī)的數(shù)字孿生嗎？不是。因?yàn)樗幻枋隽孙w機(jī)飛行時(shí)的理想模型（例如不考慮空氣阻力等因素），卻沒有記錄飛機(jī)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。只有把飛機(jī)的真實(shí)飛行參數(shù)、表面氣流的分布等情況通過傳感器和數(shù)據(jù)反饋實(shí)時(shí)輸入到模型后，這個(gè)新模型才真正成為了數(shù)字孿生。數(shù)字孿生技術(shù)的最終目的，簡(jiǎn)單說，就是把每一架造好的飛機(jī)重新在計(jì)算機(jī)中建模，通過賦予其各種實(shí)際的數(shù)據(jù)來模仿真實(shí)飛機(jī)。

當(dāng)我們真正擁有某架飛機(jī)的數(shù)字孿生之后，我們甚至不需要它飛上天空去開展各種危險(xiǎn)的試驗(yàn)，而是在計(jì)算機(jī)里模擬仿真這架飛機(jī)的飛行。這樣一來，我們就可以利用飛機(jī)的數(shù)字孿生來排除使用故障和隱患風(fēng)險(xiǎn)，降低飛行事故的發(fā)生，提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)的效率，最終降低成本。就像擁有了高德地圖等導(dǎo)航軟件，我們就不需要自己先開車走一遍某條路才可以準(zhǔn)確到達(dá)目的地，因?yàn)槌鞘械缆?、建筑分布等信息已?jīng)完成了數(shù)字化建模，再結(jié)合其他用戶手機(jī)返回的實(shí)時(shí)道路情況，在每次開車以前就可以收到擁堵預(yù)報(bào)、推薦道路、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等。

目前國內(nèi)外對(duì)于數(shù)字孿生的研究還處于非常初級(jí)的階段，對(duì)于如何構(gòu)建數(shù)字孿生尚無定論。構(gòu)建一架飛機(jī)的數(shù)字孿生，涉及到幾何建模、空氣動(dòng)力學(xué)、疲勞損傷理論等多方面的數(shù)據(jù)和信息融合。數(shù)據(jù)量龐大，專業(yè)知識(shí)復(fù)雜，真實(shí)數(shù)據(jù)難以采集，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不足等，這些都決定了數(shù)字孿生目前只能是一個(gè)愿景，難以完全實(shí)現(xiàn)。

因此，我所在的課題組結(jié)合某型飛機(jī)的關(guān)鍵零部件，持續(xù)開展相關(guān)的具體研究，并將近期工作集中在如何打通航空制造全流程的數(shù)據(jù)流，為下一步構(gòu)建數(shù)字孿生提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)字孿生的誕生伴隨著一架真實(shí)飛機(jī)的誕生，而一架真實(shí)飛機(jī)是由千千萬萬飛機(jī)零部件組成的。以導(dǎo)航軟件類比，也就是要把城市里每一條道路的長(zhǎng)度和走向、每一棟建筑的位置、名稱、樓層等信息，在高德地圖里準(zhǔn)確地表達(dá)出來，這樣導(dǎo)航功能才不會(huì)有數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。