本刊編輯部 / 文

數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，模擬物理實體的現(xiàn)實行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，實現(xiàn)物理實體空間與數(shù)字虛擬空間的交互共融和智能化操作，是智能制造落地實施的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)字孿生技術(shù)最先由美國軍方組織開展應(yīng)用研究，近兩年逐漸成為軍工領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在美歐大型軍工企業(yè)裝備研制生產(chǎn)與維修保障中得以應(yīng)用，并開始取得一定實效。

加強數(shù)字孿生技術(shù)戰(zhàn)略布局

在國家戰(zhàn)略層面，美國國家數(shù)字化制造與設(shè)計創(chuàng)新機構(gòu)將數(shù)字孿生技術(shù)列為2018年戰(zhàn)略投資重點：一是研究并構(gòu)建工廠的數(shù)字孿生試點，應(yīng)用數(shù)字孿生建模方法仿真工廠實際環(huán)境，預(yù)測生產(chǎn)效率、分析時間進度或制造資源變化的影響、根據(jù)現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)流程，大幅提高工廠生產(chǎn)效率；二是研究構(gòu)建供應(yīng)鏈數(shù)字的孿生模型，權(quán)衡分析與供應(yīng)鏈相關(guān)的時間、成本、產(chǎn)品復(fù)雜性、庫存等信息，使供應(yīng)鏈效率達到最優(yōu)；三是宣傳推廣數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用。該創(chuàng)新機構(gòu)由美國國防部牽頭組建，是國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃14個創(chuàng)新機構(gòu)之一，其投資方向代表了美國政府和軍方的關(guān)注重點。

在企業(yè)戰(zhàn)略層面，2017年6月，洛馬公司提出名為“Product Digiverse”的新一代數(shù)字化技術(shù)發(fā)展理念，旨在將人員、設(shè)備、物料、環(huán)境等物理實體及制造過程與數(shù)字化模型連接，構(gòu)建物理世界的鏡像模型。這一理念的本質(zhì)即數(shù)字孿生技術(shù)。11月，洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)列為2018年度影響軍工領(lǐng)域的六大頂尖技術(shù)之首。空客公司也將數(shù)字孿生技術(shù)作為實施數(shù)字化戰(zhàn)略、構(gòu)建“未來工廠”的重要內(nèi)容。

軍工領(lǐng)域應(yīng)用取得一定實效

洛馬、諾格、空客等軍工巨頭積極推進數(shù)字孿生技術(shù)的實際應(yīng)用，涉及武器系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運行維護幾個應(yīng)用方向，代表了目前數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的先進水平。

用于武器系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)

通過建立產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，在零部件生產(chǎn)前即可預(yù)測成品質(zhì)量、識別設(shè)計缺陷，并在數(shù)字孿生模型中進行迭代設(shè)計，大幅縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。

2016年，達索系統(tǒng)公司針對復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3DExperience平臺，利用用戶交互反饋的信息不斷改進產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計模型，并反饋到物理實體產(chǎn)品中。2018年5月，達索航空公司將3DExperience平臺用于新型戰(zhàn)斗機研發(fā)，以及“陣風(fēng)”系列戰(zhàn)斗機和“隼”式商務(wù)客機的生產(chǎn)能力提升；6月，土耳其航空工業(yè)公司宣稱將在TF-X第五代戰(zhàn)斗機研制中采用該平臺。

用于武器系統(tǒng)生產(chǎn)制造

通過建立生產(chǎn)現(xiàn)場資源和環(huán)境的數(shù)字孿生模型，可優(yōu)化制造流程、合理配置制造資源、減少設(shè)備停機時間，進而提高生產(chǎn)資源利用率、降低生產(chǎn)成本。

2016年，諾格公司利用數(shù)字孿生技術(shù)改進了F-35戰(zhàn)斗機機身生產(chǎn)中劣品的處理流程。新流程可自動采集零部件數(shù)據(jù)并精準(zhǔn)映射到數(shù)字孿生模型，進行實時、快速、精確分析，使F-35戰(zhàn)斗機進氣道加工缺陷決策處理時間縮短33%。2017年12月，洛馬公司在F-35沃斯堡工廠部署基于數(shù)字孿生技術(shù)的“智能空間平臺”，將實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射到數(shù)字孿生模型中，并與制造執(zhí)行和規(guī)劃系統(tǒng)相連，提前規(guī)劃和調(diào)配制造資源，從而全面優(yōu)化生產(chǎn)過程。據(jù)估計，應(yīng)用數(shù)字孿生等新技術(shù)后，每架F-35戰(zhàn)斗機生產(chǎn)周期將從目前的22個月縮短到17個月，且在2020年前將制造成本從目前的9460萬美元（F-35A）降低到8500萬美元以下，降幅超過10%。

2016年起，空客公司為實現(xiàn)A350XWB飛機增產(chǎn)提效，開始在法國圖盧茲工廠構(gòu)建總裝線數(shù)字孿生模型?？湛凸驹陉P(guān)鍵工裝、物料、零部件上安裝無線射頻識別系統(tǒng)，建立裝配線的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對數(shù)萬平方米空間和數(shù)千個對象的實時精準(zhǔn)跟蹤、定位和監(jiān)測，并借助模型優(yōu)化運行績效。目前，A350XWB、A330、A400M 等型號裝配線不同程度地應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)。

用于武器系統(tǒng)運行維護

數(shù)字孿生技術(shù)在對產(chǎn)品運行狀態(tài)實時監(jiān)控的同時，還可利用智能算法預(yù)測產(chǎn)品在正常工作條件下的性能趨勢，進而優(yōu)化維修進度、減少計劃外停機，大幅提高運營性能。

2016年，波音公司與美國空軍合作構(gòu)建了F-15C戰(zhàn)斗機機體的數(shù)字孿生模型，用于管理機體殘余應(yīng)力、幾何結(jié)構(gòu)、有效載荷、材料微結(jié)構(gòu)等，進而預(yù)測結(jié)構(gòu)組件的使用壽命，據(jù)此調(diào)整結(jié)構(gòu)組件檢修、替換周期。同年，通用電氣公司基于Predix軟件平臺開發(fā)出數(shù)字孿生解決方案，用于對發(fā)動機進行實時監(jiān)控、及時檢查以及預(yù)測性維護。普惠、羅羅兩家公司也正在著力開發(fā)用于發(fā)動機運維和管理的數(shù)字孿生解決方案。

總體來說，目前針對數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于初級階段。美歐等發(fā)達國家軍工巨頭和達索系統(tǒng)、西門子等軟件提供商都在結(jié)合各自發(fā)展需求積極開發(fā)數(shù)字孿生解決方案?？梢灶A(yù)見，學(xué)術(shù)界、生產(chǎn)企業(yè)、軟件提供商等多方力量的聯(lián)合發(fā)力，將加快推動數(shù)字孿生技術(shù)在武器裝備設(shè)計、制造、運維等全過程獲得更大范圍、更高層級的應(yīng)用，使產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率、可靠性水平提升到新的高度。