基于數(shù)字孿生技術(shù)的直升機(jī)質(zhì)量管理應(yīng)用方法探索

黃俊波，鹿?jié)蓚悾?磊，趙子華

(陸軍裝備部航空軍事代表局駐天津地區(qū)航空軍事代表室，天津 300462)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的迅猛發(fā)展以及軍事需求的強(qiáng)大推動，裝備的質(zhì)量“精細(xì)化”程度越來越高，這得益于裝備質(zhì)量管理體系的建設(shè)。在我國貫徹GJB9001C-2017《質(zhì)量管理體系要求》的進(jìn)程中，傳統(tǒng)的質(zhì)量管控和監(jiān)督工作難以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效、迅速地掌握裝備的“實(shí)時(shí)質(zhì)量”，而借助數(shù)字孿生技術(shù)在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能領(lǐng)域的發(fā)揮，將該技術(shù)應(yīng)用到裝備質(zhì)量管理的領(lǐng)域中，將獲得旺盛的生命力。

“數(shù)字孿生”的原型是2003年由美國密歇根大學(xué)Michael Grieves教授在其產(chǎn)品生命周期管理課程上提出的，他將產(chǎn)品的數(shù)字化過程定義為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。2011年，數(shù)字孿生概念由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出并得到進(jìn)一步發(fā)展[1]。2012 年，美國NASA發(fā)布“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖，首次明確定義了數(shù)字孿生的概念，作為對美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室開展數(shù)字化服務(wù)實(shí)踐的階段性總結(jié)。2016年之后，波音、羅羅、西門子、達(dá)索、洛克希德馬丁等公司組織開展了應(yīng)用[2-3]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

美國GE公司將數(shù)字孿生應(yīng)用到其各種工業(yè)活動中。在電力領(lǐng)域，目前已建成先進(jìn)且功能強(qiáng)大的發(fā)電廠數(shù)字孿生體，它集成了發(fā)電廠內(nèi)各部件的分析模型，同時(shí)在實(shí)際發(fā)電廠內(nèi)布置了3000至5000個(gè)傳感器，將測量的震動、溫度和壓力等參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)字孿生體中，以預(yù)測設(shè)備的健康狀態(tài)、磨損情況和性能。在航空領(lǐng)域，GE公司的多型渦扇發(fā)動機(jī)和渦槳發(fā)動機(jī)采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行預(yù)測性維修服務(wù)，根據(jù)飛行過程中傳感器收集的大量飛行數(shù)據(jù)、環(huán)境和其他數(shù)據(jù)，通過仿真可完整透視實(shí)際飛行的發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，并判斷磨損時(shí)間，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。與此同時(shí)，GE的數(shù)字孿生體在其開發(fā)的PREDIX工業(yè)云平臺上運(yùn)行，可以獲取海量數(shù)據(jù)，同時(shí)管理和運(yùn)行分析模型。洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的F-35，通過數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計(jì)3D精確實(shí)體模型，用于數(shù)控編程、坐標(biāo)測量儀和工具制造，實(shí)現(xiàn)了前所未有的部件裝配首次成功率，極大地減少了返工次數(shù)[4]。法國達(dá)索公司提出了數(shù)字孿生技術(shù)未來將應(yīng)用于航空、礦業(yè)、城市規(guī)劃等各種領(lǐng)域，在其3D Experience平臺上對復(fù)雜產(chǎn)品的特點(diǎn)和行為進(jìn)行建模、模擬和可視化。西門子公司在產(chǎn)品的生命周期的各個(gè)階段有不同的表現(xiàn)形式，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維修階段分別使用了支撐數(shù)字孿生運(yùn)行的環(huán)境。美國參數(shù)技術(shù)公司建立了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接平臺，可將各種工業(yè)設(shè)備連接起來，通過大數(shù)據(jù)和預(yù)測分析技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的故障診斷，提高產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時(shí)間[5]。數(shù)字孿生在航空平臺設(shè)計(jì)、制造、維修領(lǐng)域的模型如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生在航空平臺設(shè)計(jì)、制造、維修領(lǐng)域的模型

通過對國際上先進(jìn)工業(yè)體系的學(xué)習(xí)和技術(shù)的借鑒，我國在數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域也逐步開始布局，使其在航空、航天、艦船、裝備等復(fù)雜工業(yè)體系中得到了初步的應(yīng)用。同時(shí)，數(shù)字孿生與工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相互支撐、相互促進(jìn)，在協(xié)助研究人員對復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)測、診斷、預(yù)測、管理等領(lǐng)域必將得到全面的應(yīng)用[4-6]。圖2為商用航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)。

圖2 商用航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司以某型發(fā)動機(jī)總裝裝配對接安裝關(guān)鍵過程為對象，采用數(shù)字孿生技術(shù)，通過對環(huán)境、工藝過程的物理對象建模，使用多傳感器進(jìn)行模型與物理對象之間的數(shù)據(jù)映射與互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)其與3D虛擬對接仿真過程的物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)真實(shí)對接過程與虛擬仿真的交互與協(xié)同，提高裝配效率及裝配過程一致性[7-9]。

中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院基于數(shù)字孿生技術(shù)的基本理論，提出了數(shù)字艦船的總體框架，并探索了基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、輔助決策、健康管理等幾類應(yīng)用設(shè)想，為進(jìn)一步開展型號研制提供了理論和方法參考。數(shù)字化艦船具有面向艦船全生命周期，面向艦船全系統(tǒng)，面向多專業(yè)協(xié)同，面向上艦使用等技術(shù)特征[10]。物理艦船與數(shù)字孿生艦船的相互關(guān)系如圖3所示。

圖3 物理艦船與數(shù)字孿生艦船的相互關(guān)系

軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了面向數(shù)字孿生川藏鐵路的實(shí)體要素分類與編碼研究，在川藏鐵路廣域范圍內(nèi)實(shí)體按照地理、地質(zhì)、設(shè)施、氣象、生態(tài)、災(zāi)害、人員七大類型，制定了統(tǒng)一編碼規(guī)則以及擴(kuò)充方法，形成高維分類體系(圖4)，賦予其唯一的、無歧義的身份標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)川藏鐵路多維動態(tài)時(shí)空信息與實(shí)體要素之間的精確映射，為其數(shù)字孿生建設(shè)奠定了基礎(chǔ)[11]。

圖4 面向數(shù)字孿生的川藏鐵路實(shí)體要素分類體系圖

此外，一些國內(nèi)高校也對“數(shù)字孿生”技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出數(shù)字孿生技術(shù)在復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)和復(fù)雜裝備領(lǐng)域的基本概念、應(yīng)用前景、技術(shù)內(nèi)涵以及發(fā)展趨勢，對其運(yùn)行和維護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生體系、關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)挑戰(zhàn)等進(jìn)行了探討[5]。西北工業(yè)大學(xué)提出由于航空發(fā)動機(jī)裝配工藝流程復(fù)雜、裝配精細(xì)化要求高、技術(shù)狀態(tài)多變等特點(diǎn)，容易造成采集數(shù)據(jù)不能夠真實(shí)、完整地反映物理現(xiàn)實(shí)，“文實(shí)不符”的情況難以杜絕，應(yīng)通過數(shù)字孿生驅(qū)動航空發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)[12]。北京航空航天大學(xué)提出產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包含三維標(biāo)注模型的異構(gòu)信息協(xié)同、基于知識推送的設(shè)計(jì)資源系統(tǒng)和基于數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)信息和物理信息協(xié)同等[13]。

2 直升機(jī)裝備質(zhì)量管理體系要點(diǎn)

2.1 直升機(jī)裝備的特點(diǎn)

直升機(jī)是以渦軸發(fā)動機(jī)為動力，以機(jī)電系統(tǒng)為能源，以航電系統(tǒng)為控制，以傳動系統(tǒng)為牽引，以健康監(jiān)控系統(tǒng)為保障的綜合性、應(yīng)用性、擴(kuò)展性非常強(qiáng)的裝備平臺。作為典型的軍民兩用產(chǎn)品，可以廣泛應(yīng)用在運(yùn)輸、巡邏、旅行、救援、偵查、勘探、救援、防火、攻擊等多個(gè)領(lǐng)域。

2.2 質(zhì)量管理體系

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB9001C-2017《質(zhì)量管理體系要求》于2017年5月18日發(fā)布，2017年7月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)具有七大原則：以顧客為關(guān)注焦點(diǎn)，領(lǐng)導(dǎo)作用，全員積極參與，過程方法，改進(jìn)，循證決策，關(guān)系管理。

直升機(jī)作為復(fù)雜的綜合系統(tǒng)平臺，在其論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)、報(bào)廢的全壽命周期中均應(yīng)該在我國質(zhì)量管理體系運(yùn)行機(jī)制下開展各項(xiàng)工作。通常按照PDCA循環(huán)以及始終基于風(fēng)險(xiǎn)的思維對其壽命周期的過程與整個(gè)體系進(jìn)行管理，形成充分利用機(jī)遇并防止不良結(jié)果發(fā)生的狀態(tài)。

2.3 質(zhì)量管理關(guān)鍵過程與監(jiān)督過程的關(guān)系

關(guān)鍵過程一般包括形成關(guān)鍵、重要特性的過程，加工難度大、質(zhì)量不穩(wěn)定、易造成重大經(jīng)濟(jì)損失的過程等。通過對關(guān)鍵過程的監(jiān)視和測量，為生產(chǎn)和服務(wù)的質(zhì)量提升起到重要的監(jiān)督管理作用，助推產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)步(圖5)。

圖5 關(guān)鍵過程的形成流程與監(jiān)督關(guān)系圖

直升機(jī)裝備中機(jī)體結(jié)構(gòu)、動力、旋翼系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和飛行操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵件、重要件項(xiàng)目主要包括以下五大類：①槳葉、槳轂；②梁、蒙皮；③舵機(jī)和位移傳感器；④扭軸、搖臂、連桿；⑤螺栓、支座、接頭、卡環(huán)。這些部件的加工工藝過程中，原材料、機(jī)加過程、文實(shí)一致性、安裝過程均作為關(guān)鍵過程體現(xiàn)。同時(shí)這些過程在一定程度上代表了后續(xù)使用過程和維修過程的關(guān)鍵點(diǎn)。圖6為關(guān)、重件設(shè)計(jì)生產(chǎn)任務(wù)的數(shù)字孿生模型。

圖6 關(guān)、重件設(shè)計(jì)生產(chǎn)任務(wù)的數(shù)字孿生模型

3 數(shù)字孿生技術(shù)在監(jiān)督管理中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵

數(shù)字孿生的基本概念是指針對產(chǎn)品的生產(chǎn)或管理過程中的具體問題，通過仿真建模手段，實(shí)現(xiàn)對具體問題對象的數(shù)字化模型表達(dá)，并在數(shù)字化模型中模擬實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的行為，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過數(shù)據(jù)分析、預(yù)測等手段，解決具體問題的一種技術(shù)手段，其核心是模型和數(shù)據(jù)[13]。

由數(shù)字孿生在國內(nèi)外裝備研制、生產(chǎn)、使用和保障中的研究與應(yīng)用可知，數(shù)字孿生技術(shù)對提升裝備質(zhì)量管理的方法、途徑是具有較強(qiáng)的先進(jìn)性的，提出運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)提升我軍裝備數(shù)字化研制、生產(chǎn)質(zhì)量管理是十分必要的。

3.2 監(jiān)督過程中的數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生助推未來裝備科技發(fā)展有三大方向：數(shù)字集成、可視化展示、分析與預(yù)警[14]。這些發(fā)展方向?qū)O大地支持對產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督管理工作：

1)數(shù)字集成化預(yù)示著產(chǎn)品不再是以實(shí)物的方式從器件、零件、組件、模塊、樣品、產(chǎn)品、系統(tǒng)堆積的過程，而往往是以全數(shù)字化的產(chǎn)品模型為出發(fā)點(diǎn)，通過組成單元的分解再組合，以數(shù)字化集成的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。如直升機(jī)重要件和關(guān)鍵件的機(jī)加過程，數(shù)字化模型的建立將極大地提高生產(chǎn)效率。

2)可視化展示不僅僅是為產(chǎn)品宣傳的附屬品，而且是將極大地在過程上協(xié)助設(shè)計(jì)師、工程師、施工人員來完成其工作的主要輔助工具。面對產(chǎn)品的模型可以清晰地了解產(chǎn)品的完成進(jìn)度、質(zhì)量，預(yù)測其可能的風(fēng)險(xiǎn)和缺陷。直升機(jī)裝備的關(guān)鍵過程中的可視化應(yīng)用將更清晰、精確地展示部組件的壽命，狀態(tài)，磨損等指標(biāo)。

3)分析與預(yù)警將在質(zhì)量監(jiān)督過程的風(fēng)險(xiǎn)管控中發(fā)揮極大作用，可以深度滲透到產(chǎn)品質(zhì)量的各個(gè)方面，人、機(jī)、料、法、環(huán)、測都將需要更科學(xué)的分析決策和預(yù)測預(yù)警，減少或降低人為判斷有利于產(chǎn)品質(zhì)量的科學(xué)管理。直升機(jī)裝備關(guān)鍵件、重要件的壽命和維修的需求將在預(yù)警功能中得以體現(xiàn)。

4 數(shù)字孿生在質(zhì)量管理體系中的應(yīng)用方向

4.1 直升機(jī)裝備全壽命周期中的數(shù)據(jù)與模型

數(shù)據(jù)的智能化，將給產(chǎn)業(yè)帶來靈魂和生命，這也是數(shù)字孿生的高階價(jià)值。以直升機(jī)發(fā)動機(jī)為例，航空發(fā)動機(jī)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼鐵實(shí)體，人工智能的核心是程序代碼。數(shù)字孿生技術(shù)可以將發(fā)動機(jī)裝進(jìn)計(jì)算機(jī)，為航空發(fā)動機(jī)構(gòu)建一個(gè)數(shù)字“雙胞胎”，再與人工智能算法結(jié)合形成“智能模型”。一方面，該模型可以輔助工程師優(yōu)化航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方案；另一方面，該模型還能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測發(fā)動機(jī)故障，優(yōu)化發(fā)動機(jī)檢測頻率。

同時(shí)，直升機(jī)裝備在其隨機(jī)設(shè)備的研制和生產(chǎn)過程中同樣適用該數(shù)據(jù)模型的建立，特別是針對其故障率高、返修率高的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)模型的挖掘和分析處理，不僅對新型號研制可以找出其薄弱環(huán)節(jié)，也可以為后期的售后服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 基于數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)與質(zhì)量管理模型的開發(fā)

根據(jù)GJB9001C-2017對生產(chǎn)和服務(wù)中關(guān)鍵過程的控制要求，使用適宜的監(jiān)視和測量資源不再是尺子、萬用表、天平等簡單工具，數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)模型將帶領(lǐng)質(zhì)量監(jiān)督者進(jìn)入到數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)一線，從基礎(chǔ)設(shè)施，施工環(huán)境，配備人員，原材料和輔助材料的采購存儲，計(jì)算機(jī)軟件，過程評審和批準(zhǔn)，工藝流程，圖紙圖樣，標(biāo)識，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，溯源性等全方位提供數(shù)據(jù)接口。其信息格式、電子簽名、版本控制等數(shù)字化制造過程將成為主流(圖7)。

統(tǒng)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用正是數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)和人工智能的結(jié)合點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)量監(jiān)督者在獲取了統(tǒng)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生模型后，可以充分使用其帶來的數(shù)字化效果和可視化效果，對全盤掌握產(chǎn)品全壽命流程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)做到提前預(yù)判，不再是等到客戶提供返修、返工的產(chǎn)品，而是以更加提前的方式獲取了對產(chǎn)品質(zhì)量的掌控，對風(fēng)險(xiǎn)的識別、分析、評定、處理將更快更合理。

圖7 質(zhì)量管理體系與數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)系

5 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)及迅速發(fā)展為解決裝備質(zhì)量管理問題提供了新的思路。盡管各大研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)都推出了各自的數(shù)字孿生理念，但實(shí)例化的應(yīng)用尚未獲得實(shí)現(xiàn)，且對復(fù)雜裝備數(shù)字孿生的定義以及關(guān)鍵技術(shù)尚不完全明確，尤其是在復(fù)雜裝備狀態(tài)評估與預(yù)測領(lǐng)域，缺乏相應(yīng)的體系支撐和關(guān)鍵技術(shù)引導(dǎo)。數(shù)字孿生技術(shù)體系涉及的其他關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器及傳感器融合技術(shù)、壽命預(yù)測技術(shù)、支撐試驗(yàn)和驗(yàn)證技術(shù)等，均與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用存在一定差距[15]。

本文通過總結(jié)數(shù)字孿生的誕生和發(fā)展，以及國內(nèi)外在該技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，以直升機(jī)裝備為對象，探討了其質(zhì)量管理體系進(jìn)程中的應(yīng)用方向和技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)，探索了該技術(shù)的應(yīng)用范圍的一個(gè)新方向。結(jié)合質(zhì)量管理體系要求，提出了直升機(jī)裝備在執(zhí)行國軍標(biāo)過程中利用數(shù)字孿生技術(shù)的方法，對質(zhì)量管理體系建設(shè)的“落地”進(jìn)行了探討，在一定條件下可以為裝備質(zhì)量提供更加科學(xué)的管理方案。