李富強(qiáng)

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 四川成都 610091）

目前，數(shù)據(jù)科學(xué)正在對(duì)工程實(shí)踐中的前沿技術(shù)進(jìn)行大范圍重構(gòu)，而且這一重構(gòu)很可能是跨科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的。數(shù)據(jù)科學(xué)與20 世紀(jì)60年代的科學(xué)計(jì)算革命十分相似，后者造就了革命性的工程范式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜工程系統(tǒng)的精確仿真。實(shí)際上，科學(xué)計(jì)算通過(guò)基于物理的模擬器實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的原型設(shè)計(jì)，為航空制造業(yè)節(jié)約了大量成本［1］。

通過(guò)近年在數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)能力上的大幅提升，工程領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)據(jù)已不再新鮮，很多領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)據(jù)密集型分析的新時(shí)代。作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的航空制造業(yè)，是典型的數(shù)據(jù)密集型領(lǐng)域，通過(guò)科學(xué)地應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，可在很多方面進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型分析，幫助實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化，便于進(jìn)一步應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)。

1 數(shù)據(jù)科學(xué)與航空制造業(yè)

對(duì)于數(shù)據(jù)科學(xué)和航空制造業(yè)的融合發(fā)展來(lái)說(shuō)，能夠產(chǎn)生巨大影響的因素主要包括：（1）正在不斷增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)；（2）高性能計(jì)算的進(jìn)步；（3）傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)步；（4）統(tǒng)計(jì)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域中可擴(kuò)展性算法的進(jìn)步；（5）對(duì)開(kāi)源軟件和基礎(chǔ)研究的大量投入［2］。相較于其他領(lǐng)域，航空制造業(yè)更具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)步的機(jī)會(huì)，因?yàn)楹娇罩圃鞓I(yè)不僅積累有大量數(shù)據(jù)而且工程實(shí)踐往往已經(jīng)建立在有約束的多目標(biāo)優(yōu)化框架上，非常適合基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析。現(xiàn)代航空制造的每個(gè)階段都是數(shù)據(jù)密集型的，包括制造、測(cè)試和服務(wù)。

通常，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)模式被稱為第四范式，第四范式并非要扮演取代者的角色，它實(shí)際上是對(duì)所建立的理論、試驗(yàn)和數(shù)值研究模式進(jìn)行補(bǔ)充。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，第四范式同計(jì)算科學(xué)的出現(xiàn)有著顯著的平行關(guān)系，不是取代，而是對(duì)理論和試驗(yàn)的增強(qiáng)。就像現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)的計(jì)算能力水平一樣，將來(lái)數(shù)據(jù)科學(xué)也會(huì)達(dá)到預(yù)期的水平。航空制造業(yè)的數(shù)據(jù)密集型轉(zhuǎn)型可以從過(guò)去數(shù)十年的數(shù)字化轉(zhuǎn)型中吸取經(jīng)驗(yàn)［3］。在轉(zhuǎn)型過(guò)程中，可能最明顯的變化就是研究人員和工程師團(tuán)隊(duì)會(huì)形成專業(yè)知識(shí)和基本的數(shù)據(jù)科學(xué)能力。與此同時(shí)，航空制造業(yè)研究和開(kāi)發(fā)周期也將發(fā)生改變。

2 數(shù)據(jù)科學(xué)的應(yīng)用與分析

隨著數(shù)據(jù)科學(xué)的不斷發(fā)展，尤其是在端到端數(shù)據(jù)庫(kù)管理和操作上的不斷改進(jìn)，在設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試整個(gè)過(guò)程中創(chuàng)建數(shù)字線程就成為可能，進(jìn)而可能顯著優(yōu)化航空設(shè)計(jì)和制造流程。國(guó)外已經(jīng)在飛機(jī)設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)性裝配等方面進(jìn)行了有益探索，有的已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成功。

2.1 應(yīng)用案例

2.1.1 飛機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試

V-22是一種多用途傾旋翼作戰(zhàn)飛機(jī)，設(shè)計(jì)初衷是能像直升機(jī)一樣起降，同時(shí)又具有固定翼飛機(jī)的航程和速度。要實(shí)現(xiàn)這些能力會(huì)有相當(dāng)大的工程挑戰(zhàn)，如傾轉(zhuǎn)旋翼的工作機(jī)制、空氣動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)。V-22的研發(fā)和測(cè)試一度因工程延誤、成本超支和安全事故而陷入困境。為此，有研究嘗試使用數(shù)據(jù)科學(xué)和數(shù)字孿生來(lái)幫助V-22的設(shè)計(jì)和測(cè)試。研究的結(jié)論是，數(shù)字孿生技術(shù)不但有助于安全問(wèn)題的解決，而且有助于按計(jì)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)。

V-22的評(píng)審組在2001年建議“擴(kuò)展高下降率測(cè)試和編隊(duì)試飛，目的是在所有適當(dāng)?shù)娘w行條件下充分確定和了解飛行包線的高風(fēng)險(xiǎn)部分”。評(píng)審組進(jìn)一步建議使用高風(fēng)險(xiǎn)、高下降率的測(cè)試結(jié)果來(lái)更新飛機(jī)的限制邊界并將其應(yīng)用于飛行模擬器。此外，由于2004年4月發(fā)生了一起涉及高下降率和編隊(duì)飛行的事故，按要求進(jìn)行了額外的高下降率測(cè)試。調(diào)查的結(jié)果是，事故由一種被稱作渦環(huán)狀態(tài)的氣動(dòng)條件引起。渦環(huán)狀態(tài)是旋翼飛機(jī)在低速前進(jìn)和高速下降時(shí)發(fā)生的一種非定常氣動(dòng)條件，在這種氣動(dòng)條件下，由于旋翼飛機(jī)無(wú)法飛離旋翼尾流，導(dǎo)致了高度不穩(wěn)定氣流的產(chǎn)生。對(duì)于直升機(jī)來(lái)說(shuō)，這種情況通常會(huì)導(dǎo)致高下降率；而對(duì)于傾旋翼飛機(jī)而言，則通常會(huì)導(dǎo)致滾降。這兩種情況都很危險(xiǎn)，尤其是在離地面很近的地方。所以，渦環(huán)狀態(tài)仍然是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。

數(shù)字孿生的目標(biāo)是架起一座溝通物理世界和虛擬世界的橋梁。相較于傳統(tǒng)的建模而言，數(shù)字孿生有兩大不同點(diǎn)：（1）通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)不斷學(xué)習(xí)并更新內(nèi)部模型；（2）跨系統(tǒng)集成一個(gè)或多個(gè)物理模型的數(shù)據(jù)［4］。為了讓數(shù)字孿生不斷學(xué)習(xí)，需要進(jìn)行測(cè)試、更新和再測(cè)試。以V-22為例，數(shù)字孿生可以從渦環(huán)狀態(tài)的建模開(kāi)始，然后加入試飛數(shù)據(jù)。離散建?？梢宰鳛橐环N數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法來(lái)解釋和更新模型的散度。在編隊(duì)飛行期間，V-22的飛行員至少經(jīng)歷了兩次嚴(yán)重的非指令性滾轉(zhuǎn)。鑒于此，V-22進(jìn)行了大量的編隊(duì)飛行和高下降率試飛。對(duì)于跨系統(tǒng)綜合多模型來(lái)說(shuō)，將渦環(huán)狀態(tài)模型和編隊(duì)飛行模型結(jié)合起來(lái)是一種較為理想的做法。在有數(shù)據(jù)可用的情況下，綜合的目標(biāo)就是模型收斂，或是連接物理和虛擬狀態(tài)，使數(shù)字模型可以精確表示物理環(huán)境。集成非定常、非線性、多物理模型并非易事，使用實(shí)時(shí)降階模型有助于發(fā)現(xiàn)和探索試飛中有顯著模型差異的部分。當(dāng)將兩個(gè)模型合并形成一個(gè)數(shù)字孿生體時(shí)，在機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化中，使用物理知識(shí)學(xué)習(xí)和自定義正則化有助于維持物理約束條件［5］。利用這種增強(qiáng)模型，從大量的模擬中學(xué)習(xí)是有好處的，飛行測(cè)試可以被減少至幾個(gè)關(guān)鍵的試驗(yàn)條件：安全、關(guān)鍵任務(wù)和模型確認(rèn)。

2.1.2 預(yù)測(cè)性裝配與填隙

在飛機(jī)制造中，由于飛機(jī)組件來(lái)自全球各地，因此公差會(huì)很高。即使零件是按照規(guī)范生產(chǎn)的，但是由于制造公差會(huì)疊加在大型結(jié)構(gòu)上，所以組裝時(shí)結(jié)構(gòu)件之間很可能會(huì)有明顯的間隙。在零件與零件組裝中，其中一項(xiàng)最費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的工作就是按照飛機(jī)的工程標(biāo)稱形狀進(jìn)行填隙?，F(xiàn)代飛機(jī)可能需要數(shù)以千計(jì)的定制墊片來(lái)填充飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之間的間隙。在飛機(jī)制造中，為了獲得最佳氣動(dòng)效率，需要嚴(yán)格按照工程標(biāo)稱構(gòu)型來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。工程標(biāo)稱構(gòu)型要求不僅要消除間隙，同時(shí)，還要保持結(jié)構(gòu)性能和最小化下拉力，而這些都需要用到墊片。

以前，需要人工測(cè)量間隙，制造并塞入定制墊片，通常還會(huì)涉及拆卸和重新組裝。近年來(lái)，三維掃描技術(shù)的進(jìn)步使組裝前進(jìn)行表面測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)，也就是預(yù)測(cè)性填隙。間隙填充是一個(gè)很耗時(shí)的過(guò)程，需要成本很高的人工檢測(cè)，而且隨著計(jì)量設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行計(jì)算。這兩種情況，無(wú)論是哪一種，都會(huì)造成工期大幅延誤。

針對(duì)預(yù)測(cè)性裝配與填隙，有研究者提出了一種基于數(shù)據(jù)科學(xué)的預(yù)測(cè)性填隙策略，目的是從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)間隙分布，然后設(shè)計(jì)出優(yōu)化后的稀疏感知策略，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集和處理。新的方法基于以下假設(shè)，即飛機(jī)上的墊片分布存在一定的模式，而這些模式可以從歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)中挖掘出來(lái)，并可以用于減輕未來(lái)飛機(jī)的數(shù)據(jù)收集和處理負(fù)擔(dān)。具體而言，就是利用魯棒性主成分分析法（RPCA）來(lái)抽取間隙測(cè)量中的低維模式，同時(shí)，將離群值排除掉。魯棒性主成分分析法基于計(jì)算有效的奇異值分解（SVD），能夠在飛機(jī)測(cè)量中生成絕大多數(shù)相關(guān)的空間結(jié)構(gòu)，識(shí)別出不同飛機(jī)的高方差區(qū)域［6］。接下來(lái)，就是獲得優(yōu)化后的稀疏傳感器。這種方法在波音公司內(nèi)部被稱作“在傳感器存在不確定性情況下的像素識(shí)別技術(shù)”（PIXI-DUST）。該方法通過(guò)54 架典型的波音商用飛機(jī)的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了成功的演示驗(yàn)證，驗(yàn)證中，僅使用通常所需激光掃描點(diǎn)的3%，就成功預(yù)測(cè)了在期望測(cè)量公差范圍內(nèi)99%的墊片間隙，而且所有結(jié)果都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的交叉驗(yàn)證。

這一方法在對(duì)填隙的預(yù)測(cè)上結(jié)合了魯棒性降維和稀疏傳感器優(yōu)化算法，大大減少了對(duì)飛機(jī)進(jìn)行填隙所需的測(cè)量次數(shù)，尤其是使用魯棒性主成分分析法從飛機(jī)的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)中提取到了相干模式。因此，魯棒性主成分分析法被用于生成高維飛機(jī)計(jì)量數(shù)據(jù)的低維表示。

2.2 航空制造業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)科學(xué)的機(jī)會(huì)

隨著數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展，航空制造業(yè)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)同數(shù)據(jù)密集型分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的融合，屆時(shí)，航空制造業(yè)將在方方面面感受到數(shù)據(jù)科學(xué)所帶來(lái)的變革性影響。

2.2.1 制造工廠

工藝設(shè)計(jì)、再利用與標(biāo)準(zhǔn)化、過(guò)程控制、安全性、生產(chǎn)能力、再生產(chǎn)能力、檢驗(yàn)、自動(dòng)化、鉆孔及填隙等。

2.2.2 測(cè)試與評(píng)估

流水線測(cè)試、認(rèn)證、異常檢測(cè)及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模等。

2.2.3 飛機(jī)

檢查、設(shè)計(jì)與性能、材料、維護(hù)、預(yù)研產(chǎn)品研發(fā)。

2.2.4 人機(jī)交互

高級(jí)設(shè)計(jì)界面、交互可視化、自然語(yǔ)言交互。

2.2.5 業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)

供應(yīng)鏈、銷售、人力資源及市場(chǎng)。

如圖1所示，除了這些工程實(shí)踐上的改進(jìn)外，數(shù)據(jù)密集型分析的進(jìn)步也正在推動(dòng)航空關(guān)鍵領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的發(fā)展，如流體力學(xué)和材料科學(xué)。尤為重要的是，通過(guò)將數(shù)據(jù)科學(xué)同現(xiàn)有方法和工作流程相結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性分析的重大變革，還能直接從數(shù)據(jù)中獲得設(shè)計(jì)見(jiàn)解。

圖1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的航空制造業(yè)

2.3 航空制造業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

盡管在航空制造業(yè)中通過(guò)融合數(shù)據(jù)科學(xué)有著巨大的潛在收益，但同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，安全在航空制造業(yè)中是十分重要的一個(gè)方面，因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型必須是可認(rèn)證和可驗(yàn)證的，必須能夠基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行泛化，能夠進(jìn)行解釋和說(shuō)明。另外，收集海量數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)抵押，只是簡(jiǎn)單地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和維護(hù)，其成本就高得令人卻步，更不要說(shuō)這些數(shù)據(jù)對(duì)下游分析來(lái)說(shuō)還非常麻煩。在航空領(lǐng)域，客戶多樣性極高，通常需要很多公司和機(jī)構(gòu)來(lái)分別完成培訓(xùn)與認(rèn)證，其行業(yè)穩(wěn)健程度遠(yuǎn)高于其他行業(yè)。此外，工業(yè)部門和國(guó)防部門之間也存在著根本性的差異，限制了設(shè)計(jì)共享、技術(shù)轉(zhuǎn)讓和聯(lián)合測(cè)試。實(shí)際上，就拿波音公司來(lái)說(shuō)，對(duì)商用和軍用飛行器的測(cè)試與評(píng)估也是近年才納入一個(gè)部門，而且很多工作仍然是分開(kāi)來(lái)做。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)科學(xué)的迅速發(fā)展已在很多前沿關(guān)鍵技術(shù)的突破上起到了積極作用。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)展越來(lái)越大的作用，很有可能會(huì)發(fā)展成為未來(lái)工程領(lǐng)域的核心能力。在數(shù)據(jù)科學(xué)的垂直應(yīng)用領(lǐng)域中，航空制造業(yè)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。航空制造業(yè)本身就是一個(gè)數(shù)據(jù)密集型領(lǐng)域，在過(guò)去的發(fā)展中積累了大量的數(shù)據(jù)，尤其是在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和產(chǎn)品支持方面，這方面的特點(diǎn)尤其明顯，可作為應(yīng)用數(shù)據(jù)科學(xué)的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。從美國(guó)在這方面的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，數(shù)據(jù)科學(xué)能夠通過(guò)技術(shù)優(yōu)化來(lái)為航空制造業(yè)提質(zhì)增效。未來(lái)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)科學(xué)為航空制造業(yè)帶來(lái)的價(jià)值將會(huì)更加凸顯。