蘇多 柳鑫

摘要：未來軍事需求發(fā)展推動著戰(zhàn)爭形態(tài)向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化轉(zhuǎn)變，多技術(shù)跨領(lǐng)域融合的常態(tài)化將重構(gòu)人與武器裝備的關(guān)系，帶來多學(xué)科技術(shù)發(fā)展應(yīng)用機(jī)遇的同時，也帶來裝備復(fù)雜度的不斷提升。結(jié)合全球數(shù)字戰(zhàn)略發(fā)展趨勢，分析了未來航空裝備基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）研發(fā)過程中數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，提出了在多域大數(shù)據(jù)下開展裝備適航性與安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字工程；數(shù)字戰(zhàn)略；數(shù)字孿生；大數(shù)據(jù)；適航性；安全性

中圖分類號：V219文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.004

未來軍事需求發(fā)展推動著戰(zhàn)爭形態(tài)向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化轉(zhuǎn)變，武器裝備必須應(yīng)對協(xié)同作戰(zhàn)日?；投嗳蝿?wù)復(fù)雜場景，裝備使用從“人在回路”逐漸將發(fā)展到高度自主，未來有人駕駛、遠(yuǎn)程操控、自主無人駕駛裝備將長期并存，這些多技術(shù)跨領(lǐng)域融合的常態(tài)化將重構(gòu)人與武器裝備的關(guān)系，帶來多學(xué)科技術(shù)發(fā)展應(yīng)用機(jī)遇的同時，也帶來裝備復(fù)雜度的不斷提升，使武器裝備功能結(jié)構(gòu)組成高度復(fù)雜化和高度耦合化。本文結(jié)合全球數(shù)字戰(zhàn)略發(fā)展趨勢，分析了未來航空裝備基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）研發(fā)過程中數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，提出了基于多域數(shù)據(jù)開展裝備適航性與安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)。

1國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

數(shù)字工程（digital engineering）作為一種數(shù)字集成方法，在裝備系統(tǒng)全生命周期中將數(shù)據(jù)源和模型源融合為連續(xù)體和統(tǒng)一體，并貫穿了其從概念設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)到退役報廢全生命周期的各項(xiàng)活動內(nèi)容。數(shù)字工程推進(jìn)的核心目標(biāo)，是針對過去簡單線性且以文檔為中心的采辦流程，通過數(shù)字化方式，將其升級為全新的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備動態(tài)性且以數(shù)字模型為中心。

1.1數(shù)字孿生技術(shù)對裝備研制和使用模式的影響

裝備數(shù)字孿生對應(yīng)于裝備物理實(shí)體的數(shù)字模型，是面向裝備全生命周期，采用單一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的映射和鏈接。裝備數(shù)字孿生的構(gòu)建基于物理或功能模型，該模型一般在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生和生成，并在后續(xù)的制造階段和使用階段，通過數(shù)字虛擬空間與物理實(shí)體之間大量的數(shù)據(jù)交換和互動，使得該模型在完整性、精確度和一致性不斷優(yōu)化提升，實(shí)現(xiàn)其對物理實(shí)體的行為特征等屬性的精準(zhǔn)映射和描述。目前，國外歐美國家正積極開展數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)體系的開發(fā)和配套標(biāo)準(zhǔn)指南規(guī)范的編制工作。

近10年來，美國空軍正在開展從建設(shè)到作戰(zhàn)的整體數(shù)字轉(zhuǎn)型[1]，其主要節(jié)點(diǎn)見表1。美軍認(rèn)為，傳統(tǒng)的建模與仿真、基于仿真的采辦、基于模型的系統(tǒng)工程是第三次工業(yè)革命信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，當(dāng)今世界處于第四次工業(yè)革命，以數(shù)字化連接的端到端復(fù)雜組織體將代替基于電子和IT的自動化成為核心[2]。美軍推進(jìn)數(shù)字工程旨在將以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，使美軍完成以模型為中心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移。

未來，各國軍隊(duì)都將面臨一系列挑戰(zhàn)：（1）作戰(zhàn)和威脅環(huán)境動態(tài)變化，裝備系統(tǒng)復(fù)雜度和無法接受的風(fēng)險大幅增加，成本超支和能力交付延遲問題；（2）需要超越快速變化的威脅和技術(shù)進(jìn)步，更快地向作戰(zhàn)部隊(duì)交付先進(jìn)能力，同時更具經(jīng)濟(jì)可承受性和持續(xù)保障性。當(dāng)前，線性的采辦流程缺乏敏捷性和彈性，依靠孤立的數(shù)據(jù)源在生命周期中支撐各種采辦活動，溝通、協(xié)同和決策只能通過靜態(tài)、不相連的文檔傳遞，采辦實(shí)踐依賴單學(xué)科模型，無法滿足未來數(shù)字空軍建設(shè)的需求[3]。

1.2數(shù)字孿生技術(shù)對裝備適航性安全性的影響

在方案階段，根據(jù)裝備性能和任務(wù)要求，基于歷史數(shù)據(jù)，建立裝備運(yùn)行場景需求模型進(jìn)行計(jì)算和仿真，對作戰(zhàn)效能、適航性、安全性、裝備性能和費(fèi)用進(jìn)行綜合分析權(quán)衡，可大大減少需求迭代時間。

在設(shè)計(jì)階段，以適航性安全性要求為目標(biāo)并分解傳遞至各層級，瞄準(zhǔn)產(chǎn)品研制薄弱環(huán)節(jié)確定產(chǎn)品適航性安全性提升措施，通過開展產(chǎn)品適航性安全性改進(jìn)工作策劃與實(shí)施，引入多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化分析，以裝備大數(shù)據(jù)為支撐，確保整個工程項(xiàng)目研制項(xiàng)目能及時、協(xié)調(diào)和全面地開展，使裝備最終滿足頂層適航性安全性要求并得到驗(yàn)證。

在生產(chǎn)與使用階段，可對裝備進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，支持裝備的任務(wù)規(guī)劃，并通過數(shù)據(jù)及信息交互，不斷修正提升適航性安全性評價模型的精確性，并為程序適航和定制化的維修和保障方案實(shí)施提供支撐和保障。

2數(shù)字孿生技術(shù)對裝備研制和使用模式的影響

美國新一代武器裝備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)采用數(shù)字孿生和數(shù)字線索技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)與制造的連接。國外航空企業(yè)均全面推行了產(chǎn)品數(shù)字化研制模式。

美軍于2019年12月開始將數(shù)字工程轉(zhuǎn)移到采辦流程中使用。美軍給出了數(shù)字工程支持國防部采辦的完整視圖，將數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了系統(tǒng)工程的技術(shù)流程和技術(shù)管理流程，核心是貫穿裝備系統(tǒng)始終的數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生，支撐對成本、進(jìn)度和性能、經(jīng)濟(jì)可承受性、風(fēng)險和風(fēng)險降低策略分析，并且與工程知識管理交互，利用工程標(biāo)準(zhǔn)、需求數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)和制造數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、供應(yīng)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、工程能力數(shù)據(jù)庫，結(jié)合各層次產(chǎn)品研制中用到的多領(lǐng)域、多物理、多層級虛擬分析工具，可基于工程數(shù)據(jù)運(yùn)行以支持采辦和保障，從而支撐成本和需求分析，并進(jìn)行成本、進(jìn)度和性能綜合權(quán)衡，以及系統(tǒng)工程技術(shù)評審和采辦里程碑決策。在推進(jìn)數(shù)字工程過程中，美軍將之前啟動并仍在實(shí)施的一些計(jì)劃納入到數(shù)字工程戰(zhàn)略的整體工作中來，包括了幾大前沿技術(shù)計(jì)劃，如數(shù)字系統(tǒng)模型計(jì)劃、數(shù)字線索計(jì)劃、飛行器機(jī)體數(shù)字孿生計(jì)劃等，并計(jì)劃建立支撐的基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境[2]。

2019年9月，美國空軍提出了依托敏捷化開發(fā)、開放式系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)字工程技術(shù)等先進(jìn)工業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備研制周期大幅縮短和快速迭代，改變現(xiàn)有裝備研制模式。目前，國外已經(jīng)開展了大量基于數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)品適航安全性預(yù)測和預(yù)防性維修應(yīng)用，如通用電氣公司（GE）和空客等公司開發(fā)數(shù)字孿生體并與物理實(shí)體同步交付，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化管理，同時依托現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與數(shù)字孿生體分析，提供產(chǎn)品故障分析、壽命預(yù)測、風(fēng)險預(yù)警等服務(wù)，提升了用戶體驗(yàn)，降低了運(yùn)維成本[4]。數(shù)字戰(zhàn)略下工業(yè)要素、全價值鏈與產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)如圖1所示。

國內(nèi)面對未來數(shù)字孿生技術(shù)背景下裝備研制和使用模式和技術(shù)體系的深刻變革，我國跟蹤式發(fā)展模式將徹底失效。國內(nèi)裝備研制和使用在數(shù)字化建設(shè)方面與國外先進(jìn)水平仍存在很大差距。我國數(shù)字孿生和數(shù)字線索技術(shù)的研究和應(yīng)用才剛剛起步，以需求為引導(dǎo)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的數(shù)字化工具鏈、流程鏈尚未健全，缺乏面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)、制造、應(yīng)用的數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)綜合利用水平仍舊較低，在裝備適航性安全性工作模式上仍停留在以設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)模式，缺乏系統(tǒng)的數(shù)字化綜合設(shè)計(jì)與評估配套能力，缺乏完整的復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字化設(shè)計(jì)與評估的理論、方法、數(shù)據(jù)和工具鏈等配套能力。數(shù)字孿生技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與方向如圖2所示。

3數(shù)字孿生技術(shù)給裝備適航性和安全性帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

3.1需求分析

3.1.1裝備型號高質(zhì)量發(fā)展需求

根據(jù)《航空工業(yè)集團(tuán)“十四五”及2035年中長期發(fā)展規(guī)劃綱要》，高質(zhì)量發(fā)展對航空工業(yè)集團(tuán)發(fā)展提出新要求，集團(tuán)公司著力建設(shè)適航驗(yàn)證/試飛能力，持續(xù)補(bǔ)強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)短板；建設(shè)適航研發(fā)和驗(yàn)證條件，持續(xù)提升技術(shù)基礎(chǔ)能力，增強(qiáng)基礎(chǔ)支撐能力，提升航空工業(yè)體系安全性；深化建設(shè)質(zhì)量安全管理體系，建立健全航空裝備全生命周期適航體系，提升研制階段適航計(jì)劃能力，加強(qiáng)持續(xù)適航階段客戶服務(wù)與保障能力。

3.1.2軍民機(jī)型號融合發(fā)展需求

航空工業(yè)集團(tuán)公司以軍機(jī)業(yè)務(wù)為主，同時兼顧民機(jī)發(fā)展，由于軍民機(jī)研制程序、管理方式和標(biāo)準(zhǔn)要求等存在差異，如何保證在集團(tuán)公司一套產(chǎn)業(yè)體系下既能研制出滿足軍機(jī)高安全要求的航空裝備，又能研制出取得適航證的民用航空產(chǎn)品。這一目標(biāo)已成為困擾集團(tuán)公司軍民機(jī)型號研制與發(fā)展的關(guān)鍵難題。

3.1.3航空全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控需求

目前，國內(nèi)在研軍民機(jī)型號對國外核心技術(shù)依賴嚴(yán)重，主要材料、發(fā)動機(jī)和重要機(jī)載設(shè)備都是采用國外供應(yīng)商的產(chǎn)品，適航工程應(yīng)用技術(shù)體系沒有覆蓋航空全產(chǎn)業(yè)鏈，這導(dǎo)致民機(jī)型號存在較大產(chǎn)業(yè)風(fēng)險。從長遠(yuǎn)看，國產(chǎn)飛機(jī)使用國產(chǎn)核心材料、發(fā)動機(jī)和機(jī)載設(shè)備也是大勢所趨，需要以適航能力提升帶動航空核心產(chǎn)品發(fā)展，提升國際競爭力。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求我們把現(xiàn)實(shí)世界的所有要素，以盡可能多的方式在數(shù)字化的世界里重建一套，構(gòu)建全要素的數(shù)字孿生體，才能將沉淀在組織里的知識，分布在成千上萬名裝備型號設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)等領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處燁^腦中的適航性和安全性知識和經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化。數(shù)字航空背景下裝備研制和使用模式的變化如圖3所示。

3.2機(jī)遇與挑戰(zhàn)

適航性與安全性要求是以生命和鮮血為代價積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)。數(shù)字化可以把企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)最大程度地固化和傳承下去。知識和經(jīng)驗(yàn)是可以萃取的，知識萃取上的專業(yè)程度不僅是簡單的消化、吸收、理解，而且還要賦能。簡單的知識和經(jīng)驗(yàn)可通過各種標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序（SOP），把摸索出來的經(jīng)驗(yàn)固定下來。復(fù)雜的知識和經(jīng)驗(yàn)無法通過簡單的抽象、簡化、總結(jié)、提煉的方法來萃取，必須依靠數(shù)字化手段。通過數(shù)字化構(gòu)建適航知識資產(chǎn)，就是為了得到脫離了與人綁定關(guān)系的知識財(cái)富。讓隱性知識和經(jīng)驗(yàn)得到充分的顯性化、固化和傳承。把事故經(jīng)驗(yàn)變成適航知識資產(chǎn)的方法，不是“濃縮”，而是“還原”。通過適航要求的案例性，將人類百年航空各類多發(fā)重復(fù)事故積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)總結(jié)，還原到當(dāng)時的技術(shù)背景下去反思，而不是簡單地生搬硬套，全量全要素地挖掘出發(fā)生問題的根原因和主邏輯，才能“避免過去犯過的錯誤，避免別人犯過的錯誤，從原則上和程序上避免自己將來犯同樣的錯誤”。所以，數(shù)字工程和數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為適航性和安全性工作的開展，提供了一個從局部到全局、從個體到整體、從被動到主動、從事后到事前的革新式轉(zhuǎn)變的機(jī)遇?；跀?shù)字孿生的適航性和安全性技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)方法對比如圖4所示。

軍民機(jī)適航工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)表明，適航性和安全性實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于對設(shè)計(jì)、制造、使用等過程中的各種技術(shù)和管理因素的控制。適航性取決于全系統(tǒng)、全過程和全要素以及全方位的保證。任何要素管控的缺失都會成為適航性的短板。以民機(jī)適航要求為例，F(xiàn)AR-25部近400條要求及配套咨詢通告（AC），直接引用各類標(biāo)準(zhǔn)271份，間接引用二層標(biāo)準(zhǔn)8000多份。以民機(jī)為例，僅僅A到B點(diǎn)運(yùn)輸頂層功能點(diǎn)，分解后有300個二級正常場景，還沒有考慮維修、應(yīng)急處置、故障等場景。

傳統(tǒng)適航符合性驗(yàn)證存在諸多困境，主要表現(xiàn)在符合性驗(yàn)證試驗(yàn)作為表明和保證產(chǎn)品適航性的重要支撐和控制手段，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和充分性取決于對產(chǎn)品全生命周期過程中各種因素的完整、準(zhǔn)確模擬。目前，基于物理樣機(jī)的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)樣機(jī)、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)時間和試驗(yàn)成本等限制，不能做到對試驗(yàn)影響因素全面綜合考慮，造成符合性驗(yàn)證試驗(yàn)考核結(jié)果存疑，也是目前符合性驗(yàn)證試驗(yàn)和外場實(shí)際差距大的根本原因?，F(xiàn)有的適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)無法充分考慮各類不確定性因素影響，以及模擬產(chǎn)品的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)和失效狀態(tài)，還無法滿足試驗(yàn)所需的真實(shí)、準(zhǔn)確和全面的驗(yàn)證要求。如研制早期對各種制造和使用過程各類不確定性因素影響；對于設(shè)計(jì)/制造/維修保證體系中管理相關(guān)不確定性因素的充分考慮等問題。

面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型，由于缺乏系統(tǒng)性的知識體系支撐，航空產(chǎn)品適航性與安全性工作面臨如下挑戰(zhàn)：（1）應(yīng)用場景復(fù)雜，存在海量多源異構(gòu)的構(gòu)型域、能力域和使用域等數(shù)據(jù)，多樣性、復(fù)雜性的多域數(shù)據(jù)，造成各場景信息孤島化，數(shù)據(jù)利用價值低；（2）不同場景中，存在大量顯性知識與隱性知識，各種結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化知識，知識關(guān)聯(lián)性弱；（3）人工智能正在逐步成為大數(shù)據(jù)分析的重要技術(shù)，但是傳統(tǒng)AI訓(xùn)練過度依賴人工開發(fā)算法，無法關(guān)聯(lián)自然語言所對應(yīng)的概念、屬性、關(guān)聯(lián)性等；（4）隨著工業(yè)數(shù)字化普及，海量的CAX文件以及數(shù)字化的各種文檔、手冊、模型、數(shù)據(jù)等，信息量暴增，給大數(shù)據(jù)清洗帶來挑戰(zhàn)，并讓用戶決策出現(xiàn)新痛點(diǎn)；（5）工業(yè)知識專業(yè)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域廣。零散化的知識晦澀難懂，工業(yè)術(shù)語解釋專業(yè)性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)知識傳播、傳承困難。

4數(shù)字孿生技術(shù)在裝備適航性和安全性中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

要想實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)下的適航性安全性設(shè)計(jì)分析，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，模型是核心，軟件是載體，其中必須解決的重大瓶頸問題包括數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型支撐、軟件定義、精準(zhǔn)映射和智能決策。

4.1數(shù)據(jù)驅(qū)動問題分析

裝備系統(tǒng)的數(shù)字孿生體的構(gòu)建以及適航性安全性工作開展的輸入和依據(jù)離不開全要素、全過程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的來源包括但不限于以下場景和過程：設(shè)計(jì)、工藝、制造、總裝、檢驗(yàn)檢測、試驗(yàn)試飛、使用維護(hù)、維修改裝等。另外，還須覆蓋制造企業(yè)的質(zhì)量能力、基礎(chǔ)件、元器件、原材料等方面?；诤Ａ繗v史和實(shí)時數(shù)據(jù)，通過多維度、多尺度、多學(xué)科專業(yè)、多物理量、多隨機(jī)概率的多域數(shù)據(jù)挖掘、清洗、識別、捕獲和優(yōu)化等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)多向流動和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的各類資源和各項(xiàng)屬性的整體優(yōu)化。

（1）構(gòu)建產(chǎn)品研制和使用過程適航性安全性影響因素?cái)?shù)據(jù)集?；诋a(chǎn)品研制和使用過程要求以及歷史數(shù)據(jù)分析，確定產(chǎn)品過程中的設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝參數(shù)、產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測、原材料元器件等數(shù)據(jù)的采集需求，并借助數(shù)字化和信息化手段，實(shí)現(xiàn)對大批量數(shù)據(jù)采集的自動化和便捷化，為開展基于數(shù)據(jù)的適航性安全性分析奠定基礎(chǔ)。

（2）開展產(chǎn)品研制和使用過程中，針對影響適航性安全性要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，開展定量化識別、分析和優(yōu)化。借助人工智能、深度挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，面向多層次產(chǎn)品（整機(jī)、系統(tǒng)、設(shè)備、零部件等）信息數(shù)據(jù)源，開展產(chǎn)品研制與使用內(nèi)外因風(fēng)險與影響因素分析模型構(gòu)建和分析工作，并且通過關(guān)鍵影響要素的識別和確認(rèn)，持續(xù)開展改進(jìn)和迭代優(yōu)化工作。

數(shù)字孿生生命周期過程與系統(tǒng)工程生命周期過程對比如圖5所示。

4.2模型支撐問題分析

為了徹底改變傳統(tǒng)研制過程中需求信息流、構(gòu)型信息流、功能信息流的單向傳遞態(tài)，須利用各產(chǎn)品數(shù)字孿生的幾何物理特性、功能特性以及制造工藝特性，建立成本、重量、性能等方面的多參數(shù)模型，再將這些功能化參數(shù)模型和適航性安全性設(shè)計(jì)分析模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并且實(shí)現(xiàn)其相互之間的參數(shù)化自動關(guān)聯(lián)和動態(tài)化鏈接，通過模型自動重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向更新和迭代[6]。通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)、制造、使用等關(guān)鍵目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行綜合權(quán)衡，并將各類影響因素進(jìn)行量化約束，并且能充分考慮各個變量的隨機(jī)不確定性、固有不確定性和認(rèn)知不確定性。通過基于多概率、多學(xué)科、多參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化過程，可以在研制早期最大化識別出相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險和潛在問題，從而最大化地降低整體研制周期和成本。這就需要面向物理實(shí)體和邏輯對象建立機(jī)理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，形成物理空間與數(shù)字空間的動態(tài)交互，構(gòu)建動態(tài)調(diào)整和自我學(xué)習(xí)特征的高精度動態(tài)虛擬數(shù)字模型來仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中和各種失效場景下的屬性、行為和規(guī)則等。

（1）多因素多特性耦合狀態(tài)下復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字孿生模型構(gòu)建。包括復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字孿生模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建；復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字孿生模型各組成要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型構(gòu)建。

（2）復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字孿生模型在多空間域下時變機(jī)理模型構(gòu)建。包括復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字孿生模型的時空演化路徑和機(jī)理模型構(gòu)建；復(fù)雜裝備適航性安全性數(shù)字孿生模型隨時間變化的驅(qū)動模型機(jī)制構(gòu)建。

正向研制過程中各層次需求與流程模型的數(shù)字化構(gòu)建如圖6所示。

4.3軟件定義問題分析

研制方須通過先進(jìn)算法模型實(shí)現(xiàn)對物理空間和對象狀態(tài)和行為高保真度的數(shù)字化表征描述、模擬試驗(yàn)、診斷預(yù)測和智能決策。必須突破數(shù)字孿生技術(shù)下復(fù)雜裝備適航性安全性多學(xué)科模型快速實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)。將模型代碼化、標(biāo)準(zhǔn)化，以軟件的形式動態(tài)模擬或檢測物理空間的真實(shí)狀態(tài)、行為和規(guī)則，實(shí)現(xiàn)模型算法化、算法代碼化和代碼軟件化。要想實(shí)現(xiàn)裝備軟件定義問題分析，核心是突破以下關(guān)鍵技術(shù)。（1）實(shí)現(xiàn)構(gòu)架：適航性安全性多目標(biāo)、多概率解耦與綜合軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）數(shù)字化方法工具：多維度、多物理特性下多學(xué)科模型的快速建模與集成方法，敏捷建模與快速迭代接口工具開發(fā)?；跀?shù)字孿生的應(yīng)用場景仿真分析與符合性驗(yàn)證平臺如圖7所示。

4.4精準(zhǔn)映射問題分析

設(shè)計(jì)人員須通過感知、建模、軟件等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理空間在數(shù)字空間的全面呈現(xiàn)、精準(zhǔn)表達(dá)和動態(tài)檢測。裝備數(shù)字孿生可以在裝備適航性安全性工作過程中建立與相關(guān)研制數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，相對于過去主要靠設(shè)計(jì)人員通過純腦力開展適航性安全性模型和研制數(shù)據(jù)比對工作，可以將評估工作的準(zhǔn)確性、一致性和效率大大提升。同時，產(chǎn)品數(shù)字孿生模型中包含了產(chǎn)品的構(gòu)型狀態(tài)數(shù)據(jù)，為研制或構(gòu)型更改控制過程中實(shí)現(xiàn)適航性安全性設(shè)計(jì)分析的快速動態(tài)響應(yīng)，預(yù)見產(chǎn)品質(zhì)量和制造過程風(fēng)險因素，高效協(xié)同地推進(jìn)研制工作和適航性安全性工作，從而保障設(shè)計(jì)活動和制造活動的準(zhǔn)確執(zhí)行。在裝備使用階段，通過數(shù)字線索實(shí)時掌握裝備的任務(wù)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的裝備全生命周期適航性安全性狀態(tài)監(jiān)管。

2020年9月，歐洲科學(xué)計(jì)算研究中心（CERFACS）利用歐洲高級計(jì)算合作伙伴計(jì)劃（PRACE）自主的3000多萬核時的超算資源完成了飛機(jī)發(fā)動機(jī)整機(jī)的高保真模擬，通過超過20億網(wǎng)格單元的空間分辨率，高精度地解析了發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒過程。在世界上首次耦合了不同的發(fā)動機(jī)部件，進(jìn)行了飛機(jī)發(fā)動機(jī)整機(jī)的全三維仿真。隨著建模網(wǎng)格規(guī)模的提升，模擬仿真范圍將大幅增加，計(jì)算過程也更加復(fù)雜，需要克服發(fā)動機(jī)多個復(fù)雜物理過程以及成千上萬個變量之間的關(guān)聯(lián)和映射挑戰(zhàn)，多學(xué)科仿真中各類求解參數(shù)和算法的不確定性，以及求解不穩(wěn)定和發(fā)散等難題，最終才能真實(shí)且準(zhǔn)確地反映真實(shí)的物理過程。要突破上述挑戰(zhàn)，只有通過數(shù)字空間和物理空間的精準(zhǔn)映射，才能為智能算法提供一個具備全數(shù)據(jù)域、多評價維度的數(shù)字化空間來進(jìn)行快速迭代試驗(yàn)。在提升飛行器的智能化程度的同時，為智能算法提供一個融合數(shù)據(jù)模型和物理模型的數(shù)字化空間，進(jìn)行多維度、全方位、高效率的仿真驗(yàn)證[7]。全數(shù)據(jù)域、多評價維度的雙向映射數(shù)字化空間如圖8所示。

4.5智能決策問題分析

融合人工智能和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理空間和數(shù)字空間的虛實(shí)互動、輔助決策和持續(xù)優(yōu)化。以數(shù)字孿生和數(shù)字線索促進(jìn)航空裝備適航性安全性實(shí)現(xiàn)從“事后向事前”“從局部到整體”“從被動到主動”的整體轉(zhuǎn)變。

（1）裝備適航性安全性影響關(guān)鍵因素分析

通過收集和積累裝備使用過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，還可以分析不同場景下各類因素對裝備適航性安全性的影響，如裝備構(gòu)型、使用強(qiáng)度、氣候環(huán)境、海拔高度、維護(hù)修理方式等，并且從中提出關(guān)鍵共性要素，為開展裝備安全性預(yù)測提供支撐。

（2）航空裝備安全性預(yù)測

通過上述關(guān)鍵因素分析，結(jié)合基于大數(shù)據(jù)人工智能算法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可構(gòu)建裝備安全性的預(yù)測和預(yù)警模型，并且采用真實(shí)使用數(shù)據(jù)對預(yù)測模型進(jìn)行強(qiáng)度學(xué)習(xí)和深度訓(xùn)練，從而提高其輸出精度和執(zhí)行度，從而實(shí)現(xiàn)裝備安全性預(yù)測和預(yù)警[8]。

（3）數(shù)字孿生技術(shù)下適航性安全性一體化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法

復(fù)雜裝備適航性安全性一體化設(shè)計(jì)與優(yōu)化的核心問題在于：在一定的經(jīng)濟(jì)可承受性和功能品質(zhì)的約束下，使復(fù)雜裝備建立和持續(xù)滿足其適航性安全性需求。一是如何將復(fù)雜裝備的適航性安全性需求解耦分解到產(chǎn)品各層級；二是開展適航性安全性與功能品質(zhì)等各要素之間的協(xié)同設(shè)計(jì)分析與評估驗(yàn)證。

5結(jié)論

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，使得在適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)過程中全面考慮設(shè)計(jì)、制造、使用和管理不確定性的影響成為可能。在物理試驗(yàn)時間越來越長、試驗(yàn)代價越來越大的今天，數(shù)字適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)勢必成為未來軍民機(jī)適航工作的必然選擇。國外軍民機(jī)適航性工作已經(jīng)在開展基于大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)融合的適航符合性驗(yàn)證評價技術(shù)研究。針對裝備數(shù)字化研制模式下適航符合性驗(yàn)證技術(shù)單一，驗(yàn)證過程無法有效結(jié)合全生命周期各階段數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果無法對適航安全性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確評價的問題，為了更好地適應(yīng)航空裝備MBSE的研發(fā)流程，全面考慮裝備全生命周期內(nèi)多域數(shù)據(jù)的各種影響適航安全性的不確定性因素，本文研究了多域數(shù)據(jù)對適航性和安全性設(shè)計(jì)分析工作的影響，提出了需要構(gòu)建面向適航安全性的設(shè)計(jì)故障數(shù)字模型、制造影響因素?cái)?shù)字模型、使用環(huán)境和維修保障的數(shù)字模型的技術(shù)框架；綜合利用多學(xué)科聯(lián)合仿真和模型集成技術(shù)，構(gòu)建基于三域模型集成的裝備綜合適航安全性評價模型，并開展裝備基于多域數(shù)據(jù)的適航安全性設(shè)計(jì)與協(xié)同驗(yàn)證的技術(shù)思路。

為了進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字孿生下適航性與安全性設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)，全面推進(jìn)數(shù)字航空研制模式，后續(xù)工作難點(diǎn)和重點(diǎn)如下。

通過解決裝備數(shù)字化研制模式下適航符合性驗(yàn)證技術(shù)單一，驗(yàn)證過程無法有效結(jié)合全生命周期各階段數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果無法對適航安全性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確評價等問題，更好地適應(yīng)航空裝備MBSE的研發(fā)流程，為構(gòu)建統(tǒng)一的云服務(wù)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的使能平臺，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合的環(huán)境、聯(lián)合的模型、聯(lián)合的數(shù)據(jù)、聯(lián)合的定義、聯(lián)合的功能以及聯(lián)合的體系奠定基礎(chǔ)。

（1）多域數(shù)據(jù)驅(qū)動下的裝備數(shù)字化適航安全性需求確認(rèn)與驗(yàn)證技術(shù)研究。全面推行基于模型的系統(tǒng)工程正向設(shè)計(jì)研發(fā)體系，基于裝備的構(gòu)型域、能力域和使用域數(shù)據(jù)，全面考慮裝備全生命周期內(nèi)多域數(shù)據(jù)的各種影響適航安全性的不確定性因素，研究三域因素對適航安全性的影響規(guī)律。開展復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行場景建模理論與分析技術(shù)研究，開展裝備功能流模塊圖分析技術(shù)研究，開展適航安全性頂層需求信息的捕獲、識別與確認(rèn)技術(shù)研究，開展適航安全性需求的分配與傳遞技術(shù)研究，開展適航安全性需求的驗(yàn)證技術(shù)研究。通過上述研究解決面向復(fù)雜運(yùn)行場景中裝備適航安全性需求構(gòu)建、傳遞和驗(yàn)證問題。

（2）基于多域模型的適航安全性設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證技術(shù)研究。構(gòu)建面向適航安全性的設(shè)計(jì)故障數(shù)字模型、制造影響因素?cái)?shù)字模型、使用環(huán)境和維修保障的數(shù)字模型。開展基于模型的裝備適航安全性虛擬映射機(jī)制和一體化綜合模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究，開展基于多學(xué)科模型的適航安全性自動化集成仿真分析與驗(yàn)證技術(shù)研究，通過上述研究實(shí)x現(xiàn)打通基于模型的裝備適航安全性多參數(shù)模型構(gòu)建、集成仿真和綜合分析等核心技術(shù)。綜合利用多學(xué)科聯(lián)合仿真和模型集成技術(shù)，構(gòu)建基于多域模型集成的裝備綜合適航安全性評價模型。構(gòu)建完整整機(jī)級、系統(tǒng)級、設(shè)備級、零件級數(shù)字工程應(yīng)用相關(guān)元數(shù)據(jù)庫，建立不同層級的半實(shí)物半虛擬、全虛擬樣機(jī)庫，打通不同數(shù)字模型之間的關(guān)聯(lián)和總體集成技術(shù)，構(gòu)建高還原度的雙向映射數(shù)字孿生體。并且通過充分挖掘全生命周期各類設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)數(shù)據(jù)價值，實(shí)現(xiàn)數(shù)字試驗(yàn)與物理試驗(yàn)的相互采信和驗(yàn)證，提高數(shù)字孿生的精確度和置信度。

（3）復(fù)雜裝備運(yùn)行場景下基于模型適航安全性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證一體化平臺開發(fā)。面向裝備研制需求，以數(shù)字化工程構(gòu)建為核心，面向配套資源分散、實(shí)施不規(guī)范，以及配置不合理等問題，充分利用人工智能、量子計(jì)算、區(qū)塊鏈技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘、知識工程等新興資源與方法，整合開展復(fù)雜裝備運(yùn)行場景下基于模型適航安全性一體化綜合建模工具開發(fā)，開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于多學(xué)科模型的適航安全性自動化仿真分析環(huán)境與驗(yàn)證工具開發(fā)，開發(fā)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的跨地域數(shù)字化協(xié)同研發(fā)與安全性仿真平臺，開展裝備適航安全性公共數(shù)據(jù)庫方案研究及原型構(gòu)建，提供專業(yè)化的適航性安全性數(shù)字化工程服務(wù)，降低仿真時間和成本，提升研制效率。

（4）裝備適航安全性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作過程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)模版研究。開展適航安全性需求的確認(rèn)與驗(yàn)證過程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)模版研究，開展基于模型形式化的裝備適航安全性建模、分析與驗(yàn)證過程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)模版研究，開展裝備適航安全性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)模版研究，通過上述研究為裝備研制提供配套的適航安全性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作過程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)模版。

（5）探索開展裝備基于多域數(shù)據(jù)的適航安全性第三方設(shè)計(jì)與協(xié)同驗(yàn)證工作機(jī)制。學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建立基于數(shù)字試驗(yàn)和物理試驗(yàn)相結(jié)合的適航性安全性鑒定與評估第三方機(jī)構(gòu)、人才隊(duì)伍和運(yùn)行機(jī)制，將專業(yè)的事情交給專業(yè)隊(duì)伍，實(shí)現(xiàn)科研、驗(yàn)證、工程服務(wù)等行業(yè)資源的最大化整合的共享，從而提高基于模型適航安全性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作的公正性、權(quán)威性、科學(xué)性、高效性和工程適用性。

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Research on Design and Verification Technology of Equipment Airworthiness and Safety Driven by Digital Twins

Su Duo1，Liu Xin2

1. AVIC China Aero-Polytechnical Establishment，Beijing 100028，China

2. The 93128 Troops，Beijing 100000，China

Abstract： The development of military needs in the future will promote the transformation of war form to network， information and intelligence. The normalization of multi-technology and cross-field integration will reconstruct the relationship between human beings and weapons and equipment， bring opportunities for multi-disciplinary technology development and application， and also bring the continuous improvement of equipment complexity. Based on the development trend of global digital strategy， this paper analyzes the difficulties and challenges of digital twin technology application in the future aviation equipment model-based system engineering （MBSE） research and development process， and proposes to carry out equipment airworthiness and safety design under multi-domain big data and the key technology of verification.

Key Words： digital engineering； digital strategy； digital twin； big data； airworthiness； safety