孫敏

當今時代，“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為高端制造業(yè)的風向標。與過去的工業(yè)革命由單一核心技術(shù)引導不同，“工業(yè)4.0”的概念中雖然包含了很多新一代的制造工藝，但是這些工藝技術(shù)本身并不是革命性的，而是它們恰好處于這場制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)變革之中。因此，美國發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件和歐盟發(fā)布的框架計劃中都提到，數(shù)字化技術(shù)所引導的智能制造才是最終能否實現(xiàn)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵。其中，“數(shù)字孿生”技術(shù)被譽為未來有望改變航空制造業(yè)“游戲規(guī)則”的頂尖技術(shù)。

應運而生的新技術(shù)

作為高端、復雜制造業(yè)的代表，航空工業(yè)永遠走在新技術(shù)應用的前沿。

早在十幾年前，制造商們就開始應用數(shù)字化技術(shù)來設(shè)計和制造飛機。以A350XWB為例，通過使用達索3D Experience平臺，空客在虛擬的數(shù)字世界中將項目相關(guān)的4000多人聯(lián)系在一起，這其中有85%的人處于不同的供應鏈中，數(shù)字技術(shù)的應用使空客的飛機研制模式有了新的飛躍。

事實上，在A350XWB項目之前，空客的每個生產(chǎn)站點也都配有數(shù)字樣機，但由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)字平臺將各個環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，在飛機研發(fā)和生產(chǎn)過程中常常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。因此，從A350XWB項目開始，空客對其數(shù)字化工具進行了全面升級。首先，空客采用了達索系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期管理解決方案Enovia。該方案是3D Experience平臺數(shù)字化設(shè)計和模擬功能的核心，可作為A350XWB設(shè)計數(shù)據(jù)的中央存儲器和輸送裝置，能夠幫助工程師更好地進行數(shù)據(jù)管理。其次，空客還采用了達索系統(tǒng)公司的CAD虛擬設(shè)計工具CATIA，以解決A350XWB超大型組件的設(shè)計問題。例如，由于“體格”較大，A350XWB的設(shè)計會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，其中僅機翼的設(shè)計就產(chǎn)生超過7TB的數(shù)據(jù)。第三，在A350XWB的設(shè)計中，空客還大量使用了有限元分析軟件，幫助工程師了解新材料的性能和應力等問題。

此外，在A350XWB的研制過程中，空客還利用Enovia平臺的協(xié)同技術(shù)，通過耳機或沉浸式投影機系統(tǒng)Cave技術(shù)與3D虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)共同使用，工程師可以在飛機設(shè)計過程中就對機內(nèi)零件實現(xiàn)可視化，使飛機系統(tǒng)組裝可視化。如此一來，除了有助于設(shè)計工程師開展設(shè)計驗證，還能夠使從事飛機零件設(shè)計的所有工程師獲取傳輸至VR兼容模塊的三維設(shè)計數(shù)據(jù)。

在擁有了成熟的數(shù)字化設(shè)計和生產(chǎn)能力之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的興起以及虛擬建模技術(shù)的發(fā)展，制造商們開始尋求更加精準的生產(chǎn)和設(shè)計手段，于是“數(shù)字孿生”的概念應運而生。美國《航空周刊》預測，“到2035 年，當航空公司接收一架飛機的時候，將同時驗收另外一套數(shù)字模型，它就像飛機的一個忠誠的影子，伴隨一生，從不消失?！?/p>

不僅僅是海量數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最早出現(xiàn)在2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出。后來，美國國防部將數(shù)字孿生的概念引入到航天飛行器的健康維護等問題中。

數(shù)字孿生在虛擬環(huán)境中復現(xiàn)了產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)，使得產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字空間模型和物理空間模型處于實時交互中，使二者能夠及時地掌握彼此的動態(tài)變化并實時作出響應。

首先，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)快速構(gòu)思，即不僅能夠?qū)χ苯涌吹降奈锢韺ο筮M行描述，彌補思維過程中丟失的信息，而且能夠基于看到的物理產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品的信息，了解和優(yōu)化物理對象。

其次，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)對比，即數(shù)字空間與物理空間是精準映射和共同進化的，有助于不斷積累相關(guān)知識，以發(fā)現(xiàn)理想特征與實際趨勢之間的誤差，并進行定量和定性監(jiān)測。

最后，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)廣域的協(xié)同，即以數(shù)字化方式模擬物理空間的實際行為，并將其疊加到數(shù)字空間（模型）中，從而突破個體數(shù)量和地域分布的限制，實現(xiàn)遠程控制生產(chǎn)系統(tǒng)的制造執(zhí)行。

通俗來講，數(shù)字孿生是對應于物理實體的數(shù)字模型，是面向飛行器全壽命周期并采用單一數(shù)據(jù)源實現(xiàn)物理空間和信息空間的雙向連接。數(shù)字孿生的構(gòu)建基于設(shè)計階段生成的物理、功能模型，并在隨后的制造和使用階段，通過與物理實體之間的數(shù)據(jù)和信息交互，不斷提高自身的完整性和精確度，最終實現(xiàn)對飛行器物理實體的完全、精確描述。

在飛機制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應用以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。數(shù)字孿生的構(gòu)建要基于全要素、全生命周期的數(shù)據(jù)，主要包括：設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、總裝數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)、試飛數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)，甚至還包括相關(guān)研制企業(yè)的研發(fā)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)元器件原材料數(shù)據(jù)等。

從這個角度來看，數(shù)字孿生是一個對物理實體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程，集成了人工智能、機器人、傳感器數(shù)據(jù)等一系列先進技術(shù)，以建立一個可以實時更新的、現(xiàn)場感極強的“真實”模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。利用真實數(shù)據(jù)和虛擬模型相結(jié)合分析，可以提前預知可能出現(xiàn)的問題，從而實現(xiàn)對飛行器制造性、檢測性和保障性的評價與優(yōu)化，支持飛行器的生產(chǎn)、使用和維修。

未來發(fā)展?jié)摿o限

如今，一些敢于“嘗鮮”的制造商已經(jīng)意識到，如果將數(shù)字孿生技術(shù)引入生產(chǎn)線，就可以提前對生產(chǎn)進行仿真和模擬，并將真實參數(shù)傳送到實際生產(chǎn)中，從而有效減少誤差和風險。待廠房和生產(chǎn)線建成之后，日常的運行和維護再通過數(shù)字孿生進行交互，就能夠迅速找出問題所在，提高工作效率。

2011年，空客與Ubisense集團合作，通過使用其開發(fā)的“智能空間”解決方案，在A350XWB總裝生產(chǎn)線部署了數(shù)字孿生技術(shù)。這一解決方案通過將定位技術(shù)集成到單一的生產(chǎn)運行視圖中，使制造流程完全可視化，工藝裝備及其在部裝廠和總裝廠內(nèi)的分布情況也能一目了然。如今，“智能空間”解決方案已經(jīng)在包括A330、A380和A400M的生產(chǎn)線上得到了應用。