曹增義，單繼東，王昭陽，陳賀利

（中國航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710021）

在新產(chǎn)品研制周期不斷縮短，制造成本壓力不斷增加，全球疫情和能源危機(jī)延續(xù)等背景下，數(shù)字孿生成為提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與性能，降低研制成本的一種有效解決途徑，特別是在航空航天、深海下潛等領(lǐng)域具有不可替代的作用。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(jì)劃中都提到，“數(shù)字孿生”技術(shù)被譽(yù)為未來有望改變航空制造業(yè)“游戲規(guī)則”的頂尖技術(shù)[1]。美國國家航空航天局在太空技術(shù)路線圖中首次引入了數(shù)字孿生的概念，以期采用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)飛行系統(tǒng)的全面診斷維護(hù)；通用電氣公司計(jì)劃基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)[2]；歐共體Horizon 2020框架計(jì)劃提出名為“雙胞胎控制 （Twincontrol）”的一個(gè)關(guān)于未來機(jī)床和加工過程的項(xiàng)目，是數(shù)字雙胞胎概念的具體應(yīng)用[3]。我國航空航天領(lǐng)域也已開展了一些有關(guān)數(shù)字孿生的探索性研究與應(yīng)用，如面向航天器在軌裝配[4]、基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體對(duì)接等[5]，同時(shí)正快速向城市服務(wù)、智慧交通、醫(yī)療服務(wù)等其他領(lǐng)域擴(kuò)展。航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)作為“中國制造2025”大力推動(dòng)突破發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一[6]，近年來加快了數(shù)字轉(zhuǎn)型速度以適應(yīng)自身發(fā)展需要，針對(duì)數(shù)字孿生已在某些點(diǎn)上開展了探索應(yīng)用，但面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制全過程可執(zhí)行的數(shù)字孿生解決方案較少，如何落地實(shí)施缺少明確的架構(gòu)指引。結(jié)合這一現(xiàn)狀，本文開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)及關(guān)鍵支撐技術(shù)的探索與實(shí)踐。

1 對(duì)數(shù)字孿生的理解

1.1 概念理解

數(shù)字孿生 （Digital twin）這一概念最早出現(xiàn)在2003年，由Michacl Grieces教授在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，其描述為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”[7]，后續(xù)數(shù)字孿生的概念被許多國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和專家進(jìn)行解讀和擴(kuò)展。埃森哲提出數(shù)字孿生是物理產(chǎn)品在虛擬空間的數(shù)字模型，包含了從產(chǎn)品構(gòu)思到產(chǎn)品退市全生命周期的產(chǎn)品信息；美國國防采辦大學(xué)關(guān)于數(shù)字孿生的定義為充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成仿真過程在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程；國內(nèi)行業(yè)專家寧振波提出數(shù)字孿生是將物理對(duì)象以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)，模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征；林詩萬提出數(shù)字孿生是實(shí)體或邏輯對(duì)象在數(shù)字空間的動(dòng)態(tài)復(fù)制體，可基于歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、先進(jìn)的算法模型實(shí)現(xiàn)對(duì)象狀態(tài)和行為的數(shù)字化表征、模擬和預(yù)測(cè)[8]。

由數(shù)字孿生的概念可以看出，數(shù)字孿生體由數(shù)字化、可視化的實(shí)體模型和能夠模擬、預(yù)測(cè)行為及結(jié)果的仿真算法模型組成。國內(nèi)目前成熟的應(yīng)用主要是以實(shí)體模型為載體的三維可視化展示與監(jiān)控，而實(shí)體模型和仿真算法模型共同作用的數(shù)字孿生案例很少。首先，數(shù)字孿生是一種理念，一種思想，是企業(yè)的業(yè)務(wù)流程、管理模式、技術(shù)手段在數(shù)字化條件下的轉(zhuǎn)變和升級(jí)，甚至是大的變革。其次，數(shù)字孿生是一種技術(shù)平臺(tái)，面對(duì)復(fù)雜的多物理對(duì)象及其業(yè)務(wù)過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生需要成熟的行業(yè)生態(tài)資源和技術(shù)能力支撐，單單通過某一獨(dú)立系統(tǒng)無法完成多專業(yè)、多領(lǐng)域體系級(jí)的數(shù)字孿生。下文結(jié)合工作實(shí)踐闡述對(duì)現(xiàn)階段數(shù)字孿生概念的理解。

（1）數(shù)據(jù)映射是紐帶。數(shù)據(jù)映射是確保虛擬對(duì)象與物理對(duì)象狀態(tài)和行為實(shí)時(shí)同步的紐帶，數(shù)據(jù)交互頻率、數(shù)據(jù)量級(jí)可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，以免提高模型設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，陷入為數(shù)據(jù)采集而采集的誤區(qū)。

（2）仿真技術(shù)是關(guān)鍵。數(shù)字孿生發(fā)源于仿真，數(shù)字孿生本質(zhì)上需要一套完整的仿真計(jì)算模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象特征和行為的模擬，提前對(duì)問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有前瞻性和可重復(fù)性特點(diǎn)。對(duì)物理對(duì)象的數(shù)據(jù)采集能夠優(yōu)化仿真模型及其算法。

（3）智能化是方向。針對(duì)業(yè)務(wù)執(zhí)行過程，以各類知識(shí)庫、規(guī)則庫等為支撐，通過特征識(shí)別、大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、裝配、維護(hù)過程的智能化。

（4）系統(tǒng)平臺(tái)是途徑。數(shù)字孿生需依靠一套系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，但不一定要求搭建一個(gè)全新的系統(tǒng)平臺(tái)，可以以企業(yè)現(xiàn)有工程化軟件和信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)、仿真、系統(tǒng)集成、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)為支撐，將數(shù)字孿生的理念融入數(shù)字轉(zhuǎn)型并通過系統(tǒng)功能落地實(shí)現(xiàn)。

通過上述對(duì)數(shù)字孿生的理解，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有數(shù)字化建設(shè)水平，這一概念如何在實(shí)際執(zhí)行層面得到落地應(yīng)用是企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.2 面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的數(shù)字孿生功能架構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造孿生是在虛擬環(huán)境中預(yù)先開展工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品裝配、維護(hù)維修整個(gè)研制過程的模擬與分析，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的可制造性分析、工藝方案驗(yàn)證與優(yōu)化、制造過程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、實(shí)物狀態(tài)信息同步及預(yù)測(cè)，最終以發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程孿生體和制造結(jié)果孿生體兩類形態(tài)存在，覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、制造資源數(shù)據(jù)和物理對(duì)象采集數(shù)據(jù)等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程涉及多種專業(yè)協(xié)同，零部件加工精度要求高，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)字孿生是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前無法通過某一系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)研制過程的數(shù)字孿生。結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和現(xiàn)有數(shù)字化建設(shè)條件，采取先模塊化后體系化的思想推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制數(shù)字孿生功能平臺(tái)建設(shè)，以工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品裝配、維護(hù)維修4個(gè)業(yè)務(wù)為對(duì)象，分別定義其數(shù)字孿生模塊功能，以BOM、MD（Master data，主數(shù)據(jù)）、MBD模型為數(shù)字線索，實(shí)現(xiàn)各模塊之間信息的互聯(lián)互通。以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基本保障條件，以仿真技術(shù)和數(shù)據(jù)映射為核心實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)研制過程的數(shù)字孿生，其功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造數(shù)字孿生功能架構(gòu)Fig.1 Digital twin functional architecture for aero-engine manufacturing

（1）物理層。指物理工廠中涉及物理存在的對(duì)象，如各種設(shè)備、工具工裝、生產(chǎn)廠房、操作工人等，還包括物理存在的制度、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定等技術(shù)與遵循管理要求而產(chǎn)生的邏輯對(duì)象。

（2）鏈接層。指連接物理對(duì)象和虛擬對(duì)象之間的各種通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，負(fù)責(zé)模型層和物理層之間信息的交互與映射，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、5G技術(shù)等。

（3）數(shù)據(jù)層。物理對(duì)象時(shí)刻都產(chǎn)生大量狀態(tài)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、過濾和處理，將有效的數(shù)據(jù)映射給虛擬對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新。相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)也需反饋至虛擬對(duì)象，以便支撐其計(jì)算邏輯。數(shù)據(jù)層涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、云計(jì)算與存儲(chǔ)技術(shù)等。

（4）模型層。是數(shù)字孿生的核心層，以復(fù)雜算法和仿真技術(shù)為核心，以各種資源庫為支撐，將實(shí)物對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化、模型化轉(zhuǎn)換，在虛擬空間對(duì)物理對(duì)象的形態(tài)、狀態(tài)、功能等物理特征進(jìn)行模擬、感知和識(shí)別，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)不斷完善自身計(jì)算模型。模型層涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括MBD技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、AI技術(shù)和VR/AR技術(shù)等。

（5）功能層。按照業(yè)務(wù)模塊劃分實(shí)現(xiàn)各子模塊的數(shù)字孿生功能，通過將結(jié)果在不同數(shù)字孿生模塊之間進(jìn)行數(shù)字傳遞和功能組合，以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的數(shù)字孿生體功能。

（6）應(yīng)用層。構(gòu)建企業(yè)級(jí)數(shù)字孿生門戶，在統(tǒng)一的虛擬環(huán)境中根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造全生命周期的各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)、狀態(tài)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)分析以及預(yù)測(cè)。

2 工藝孿生

工藝孿生是在虛擬環(huán)境中進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和工藝參數(shù)優(yōu)化，以多專業(yè)工藝仿真技術(shù)為核心引擎，以工藝資源庫和知識(shí)庫為支撐，并通過接收物理對(duì)象采集數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬環(huán)境的修正和完善。MBD是一種先進(jìn)的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法，改變了傳統(tǒng)以二維工程圖為主的制造方式[9]。通過構(gòu)建基于MBD的工藝設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)全要素?cái)?shù)字化、模型化、知識(shí)化，為工藝孿生提供準(zhǔn)確的模型輸入，通過工藝設(shè)計(jì)流程貫通多專業(yè)協(xié)同仿真環(huán)境及各類工藝設(shè)計(jì)資源庫，從而實(shí)現(xiàn)工藝孿生的識(shí)別、運(yùn)行及反饋，其功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 工藝孿生模塊功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of process twin module

2.1 基于MBD的可制造性預(yù)先驗(yàn)證

設(shè)計(jì)院所和制造廠物理分離是航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)一個(gè)特點(diǎn)，上游設(shè)計(jì)院所在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，將設(shè)計(jì)結(jié)果傳遞給制造廠進(jìn)行加工制造，最終由制造廠交付物理產(chǎn)品。由于分工不同導(dǎo)致設(shè)計(jì)院所無法掌握零件的可制造性及加工工藝可行性，在初步方案設(shè)計(jì)完成后需要經(jīng)過制造廠初步驗(yàn)證，以確定設(shè)計(jì)方案的可制造性、制造成本等綜合情況，避免在實(shí)際加工過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致制造資源浪費(fèi)，影響產(chǎn)品交付。

在接收到上游設(shè)計(jì)院所MBD模型文件后，基于工藝數(shù)字孿生模塊的可制造性分析功能，通過特征自動(dòng)識(shí)別，系統(tǒng)基于已有規(guī)則庫、知識(shí)庫對(duì)零件的制造精度、加工規(guī)格、特征尺寸進(jìn)行自動(dòng)分析，并給出可制造性評(píng)價(jià)報(bào)告，其實(shí)現(xiàn)邏輯如圖3所示。對(duì)于結(jié)構(gòu)和制造工藝特別復(fù)雜的零件，需進(jìn)一步通過工藝仿真技術(shù)進(jìn)行預(yù)先模擬驗(yàn)證，最終將結(jié)果反饋至上游設(shè)計(jì)院所對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和優(yōu)化。

圖3 可制造性自動(dòng)審查實(shí)現(xiàn)邏輯圖Fig.3 Logic diagram for automated review of manufacturability

2.2 基于MBD的智能工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)方式、過程、結(jié)果的數(shù)字化和模型化是實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)字孿生的基本保障。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化管理，但顆粒度細(xì)化程度不夠，對(duì)工步信息、加工參數(shù)等內(nèi)容結(jié)構(gòu)化還不夠徹底，仍然存在表格、文本形式的工藝表達(dá)。在數(shù)字孿生環(huán)境中執(zhí)行終端大部分是系統(tǒng)和機(jī)器，而不是人，只有精準(zhǔn)的數(shù)字化工藝信息才能被系統(tǒng)和機(jī)器識(shí)別和執(zhí)行。

以工序?qū)ο鬄檩d體，通過工序三維模型、工具模型、刀具模型、設(shè)備模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)字化、結(jié)構(gòu)化管理，對(duì)數(shù)控加工程序、工藝參數(shù)卡、刀具信息、工裝信息進(jìn)行深度結(jié)構(gòu)化改造，使得工藝設(shè)計(jì)結(jié)果全面數(shù)字化。工藝知識(shí)庫是實(shí)現(xiàn)工藝孿生的重要數(shù)據(jù)支撐，將典型工藝、加工參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、刀具參數(shù)、材料參數(shù)等與工藝設(shè)計(jì)過程緊密關(guān)聯(lián)的知識(shí)納入工藝知識(shí)庫管理，同時(shí)確保工藝知識(shí)庫能夠得到現(xiàn)場(chǎng)物理層采集數(shù)據(jù)的連續(xù)更新。在此基礎(chǔ)上通過基于MBD的特征識(shí)別，以工藝知識(shí)庫和規(guī)則庫為支撐，通過知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)面向知識(shí)驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)，自動(dòng)輸出對(duì)應(yīng)的工藝規(guī)范、數(shù)控程序等工藝設(shè)計(jì)文件及參數(shù)，提高工藝設(shè)計(jì)的智能化程度，其實(shí)現(xiàn)邏輯如圖4所示。

圖4 智能工藝設(shè)計(jì)邏輯圖Fig.4 Logic diagram for intelligent process design

2.3 面向數(shù)字孿生的工藝仿真

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造主要的工藝類型已具備對(duì)應(yīng)的工藝仿真能力，單項(xiàng)仿真水平已達(dá)到工程化應(yīng)用成熟度，正向多專業(yè)耦合、全過程鏈?zhǔn)椒抡娣较虬l(fā)展。專業(yè)仿真工具封裝了針對(duì)物理對(duì)象的計(jì)算模型、邊界約束模型、工藝模型、材料模型等大量仿真計(jì)算模型，如熱處理仿真中的熱源模型、數(shù)控加工仿真中的機(jī)床抽象模型[10]、鍛造仿真中材料變形的有限元模型等，這些模型是模擬與預(yù)測(cè)物理對(duì)象特征的關(guān)鍵。

以數(shù)控機(jī)床加工仿真為例，工藝人員在完成數(shù)控程序編程后，經(jīng)常需通過現(xiàn)場(chǎng)試切方式驗(yàn)證加工刀路、參數(shù)的合理性，影響加工周期和成本。通過引入數(shù)字孿生概念，工藝人員可以在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一臺(tái)與車間現(xiàn)場(chǎng)物理機(jī)床一樣的孿生機(jī)床，包括機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床參數(shù)、機(jī)床控制系統(tǒng)等。通過加載零件模型、刀具模型、工裝模型、NC程序等信息，設(shè)置對(duì)應(yīng)的加工坐標(biāo)系和加工零點(diǎn)，完成數(shù)字孿生機(jī)床構(gòu)建 （圖5）。通過孿生機(jī)床加工過程可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)零件切削過程中的干涉、碰撞、過切、欠切等問題，甚至可以分析一些在物理機(jī)床上難以獲取的參數(shù)信息，如每一刀的切削力、切削溫度、功率等，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程深度模擬和參數(shù)優(yōu)化。

圖5 數(shù)字孿生機(jī)床Fig.5 Digital twin machine

3 制造孿生

制造孿生是在虛擬環(huán)境中復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品的制造過程，通過制造系統(tǒng)、制造仿真和物理對(duì)象的數(shù)據(jù)映射，使得產(chǎn)品及其制造環(huán)境的數(shù)字空間模型和物理空間模型處于實(shí)時(shí)交互中。特別是對(duì)于多訂單、小批量混線生產(chǎn)的復(fù)雜工況，人工無法對(duì)生產(chǎn)周期、所需資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，而通過制造孿生可快速實(shí)現(xiàn)訂單的模擬生產(chǎn)，加快產(chǎn)品導(dǎo)入時(shí)間，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品交付速度[11]。制造孿生以MBOM為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過ERP生成虛擬訂單，將虛擬訂單下達(dá)至虛擬的生產(chǎn)制造環(huán)境，模擬整個(gè)訂單的生產(chǎn)制造過程，分析訂單的完成周期和制造資源匹配度，以及制造車間的生產(chǎn)能力。同時(shí)，通過與現(xiàn)場(chǎng)MES、MDC、安燈等系統(tǒng)采集的物理對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程的虛擬展示和狀態(tài)監(jiān)控，其應(yīng)用架構(gòu)如圖6所示。

圖6 制造孿生模塊應(yīng)用架構(gòu)Fig.6 Application architecture of manufacturing twin module

3.1 虛擬訂單生成

（1）數(shù)字線索。面向產(chǎn)品制造過程的數(shù)字線索主要包括MD、MBD及BOM 3類數(shù)據(jù)。產(chǎn)品主數(shù)據(jù)是貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、裝配等全生命周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及零件的編號(hào)、材料牌號(hào)、材料標(biāo)準(zhǔn)、毛坯狀態(tài)、工藝路線等多種信息；MBD模型是產(chǎn)品制造的依據(jù)，需在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行貫徹執(zhí)行；BOM是以樹狀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)及配比關(guān)系的一種數(shù)據(jù)組織形式，其中MBOM是形成虛擬訂單的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是落實(shí)ERP管理思想的基石[12]。

制造廠在接收到上游設(shè)計(jì)院所的EBOM數(shù)據(jù)后，根據(jù)制造能力評(píng)估和制造工藝要求，對(duì)從原材料、毛坯件到零件的成品過程進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃，同步形成PBOM。在制造階段，考慮技術(shù)變更、制造能力、交付形式等因素需基于PBOM對(duì)結(jié)構(gòu)和對(duì)象進(jìn)一步調(diào)整，從而形成MBOM。從EBOM到MBOM結(jié)構(gòu)層面擴(kuò)充毛坯、原材料、工藝件對(duì)象，在關(guān)系層面擴(kuò)充零件與原材料、零件與毛坯、毛坯與原材料的關(guān)系對(duì)象。

如圖7所示，通過采用遺傳映射、聚合映射和衍生映射[13]視圖的復(fù)合表達(dá)方式實(shí)現(xiàn)EBOM到MBOM轉(zhuǎn)換。采用遺傳映射算法復(fù)制EBOM視圖的結(jié)構(gòu)、屬性；然后根據(jù)工藝規(guī)劃形成虛擬件、工藝件等基礎(chǔ)單元，采用聚合映射算法對(duì)零組件裝配關(guān)系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以確定PBOM下零組件的結(jié)構(gòu)層次和裝配關(guān)系；采用衍生映射算法對(duì)零件生產(chǎn)所需配套的鍛鑄件、原材料信息進(jìn)行定義，形成包括零組件、鍛鑄件、原材料的PBOM結(jié)構(gòu)；采用遺傳映射算法復(fù)制PBOM視圖的結(jié)構(gòu)、屬性，并結(jié)合交付、試驗(yàn)等因素采用聚合算法對(duì)結(jié)構(gòu)做部分調(diào)整形成MBOM。

圖7 EBOM至MBOM轉(zhuǎn)換過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of conversion process from EBOM to MBOM

（2）虛擬訂單。結(jié)合MBOM數(shù)據(jù)、已有庫存數(shù)據(jù)、在制品數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源，通過ERP的MRP算法生成生產(chǎn)訂單并傳遞給MES系統(tǒng)，經(jīng)過APS排產(chǎn)后形成最終的班產(chǎn)執(zhí)行工單，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)訂單周期、資源、成本的模擬計(jì)算。通過將采集的設(shè)備狀態(tài)、利用率等實(shí)際數(shù)據(jù)納入APS計(jì)算約束條件，使得虛擬訂單準(zhǔn)確性更加接近實(shí)際。

3.2 虛擬制造

為實(shí)現(xiàn)虛擬制造首先需要構(gòu)建一個(gè)與實(shí)際物理車間一樣的虛擬加工環(huán)境，包括1∶1的廠房布局模型、加工/運(yùn)輸/測(cè)量設(shè)備模型、立體倉庫等三維空間模型。其次按照零件的加工路線進(jìn)行設(shè)備之間的邏輯模型設(shè)計(jì)，包括物料在設(shè)備之間的傳遞順序、設(shè)備加工時(shí)間、物料運(yùn)輸時(shí)間、物料進(jìn)出設(shè)備邏輯等。最后，通過對(duì)產(chǎn)品、工位、工藝路線、生產(chǎn)任務(wù)、產(chǎn)能配置等生產(chǎn)基本屬性進(jìn)行參數(shù)化定義，以數(shù)字化的形式完成對(duì)產(chǎn)品、工藝等生產(chǎn)線基本要素的描述，構(gòu)建生產(chǎn)運(yùn)行仿真的數(shù)據(jù)模型。在虛擬車間模型完成構(gòu)建后，按照數(shù)據(jù)模型對(duì)各個(gè)實(shí)體要素的定義生成實(shí)體模型并進(jìn)行屬性賦值，采用基于事件驅(qū)動(dòng)的仿真控制方法，通過輸入虛擬訂單作為驅(qū)動(dòng)指令，虛擬訂單按照既定的控制邏輯在各個(gè)設(shè)備之間流轉(zhuǎn)，同時(shí)通過與物理設(shè)備采集信息關(guān)聯(lián)，同步在虛擬環(huán)境中監(jiān)控整個(gè)車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和零件流轉(zhuǎn)狀態(tài)。

通過制造孿生，在虛擬車間環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)結(jié)果等過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)各制造單元加工能力、生產(chǎn)瓶頸、廠房/設(shè)備/資源布局規(guī)劃與配置合理性預(yù)先評(píng)估。通過與物理設(shè)備的數(shù)字映射，與現(xiàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，使得管理者能夠在虛擬車間對(duì)物理車間的各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，虛擬化巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理。如圖8所示，以某車間高渦導(dǎo)向工位的人力資源能力配置評(píng)估為例，通過生產(chǎn)運(yùn)行仿真模擬輸出的工人利用率圖表可知，當(dāng)工人池中的工人總數(shù)為8人時(shí)，運(yùn)行仿真模型輸出該工位人員利用率維持在60%~70%之間，比較合理；當(dāng)工人總數(shù)為6人時(shí)，該工位人員利用率上升到90%左右，存在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 人力資源利用情況模擬對(duì)比圖Fig.8 Simulation comparison chart of human resource utilization

3.3 制造過程可視化

數(shù)據(jù)采集與映射是連接虛擬對(duì)象和物理對(duì)象之間的重要紐帶，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的重要支撐技術(shù)之一。通過終端傳感器、即時(shí)通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的全面感知、傳遞、數(shù)字化處理、反饋。數(shù)據(jù)采集類型包括設(shè)備信息、檢測(cè)信息、工時(shí)信息、實(shí)際加工參數(shù)等信息。數(shù)據(jù)的傳遞過程是將設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過邊緣計(jì)算獲取有效的信息，然后通過物聯(lián)網(wǎng)將其傳遞給虛擬對(duì)象，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘優(yōu)化虛擬對(duì)象邏輯算法。經(jīng)過多輪迭代，虛擬對(duì)象的控制邏輯、模擬算法日益趨于物理對(duì)象，形成虛實(shí)互補(bǔ)的良性循環(huán)模式。

另一方面，通過對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況、設(shè)備利用情況、零件的加工狀態(tài)信息進(jìn)行全鏈條獲取，將物理對(duì)象的執(zhí)行信息反饋至虛擬的全要素生產(chǎn)制造模型當(dāng)中，基于虛擬車間中的虛擬大屏對(duì)班產(chǎn)計(jì)劃完成率、零件加工的合格率、設(shè)備利用率、廢品波動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與展示，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖9所示。

圖9 制造孿生場(chǎng)景圖Fig.9 Scene diagram of manufacturing twin

4 裝配孿生

裝配是發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的質(zhì)量。通過物理裝配過程與數(shù)字孿生模型的交互與共融，實(shí)現(xiàn)物理裝配過程和狀態(tài)的高置信仿真和高精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，提高裝配管控的智能性、主動(dòng)性、預(yù)測(cè)性，進(jìn)而基于監(jiān)測(cè)、仿真、預(yù)測(cè)結(jié)果的優(yōu)化和控制，提高一次裝配成功率和質(zhì)量一致性，其實(shí)現(xiàn)思路為基于裝配BOM和裝配仿真技術(shù)開展裝配工藝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，通過實(shí)物信息采集技術(shù)和優(yōu)選、優(yōu)配技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝配零件自動(dòng)配套，在虛擬車間完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配過程驗(yàn)證，形成與物理發(fā)動(dòng)機(jī)一一對(duì)應(yīng)的裝配技術(shù)狀態(tài)信息，隨物理發(fā)動(dòng)機(jī)一起交付用戶，其功能架構(gòu)如圖10所示。

圖10 裝配孿生模塊功能架構(gòu)Fig.10 Functional architecture of assembly twin module

4.1 基于MBD的虛擬裝配

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)二維圖形加文字描述的表達(dá)方式已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)需求。通過構(gòu)建三維可視化的工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)裝配工藝設(shè)計(jì)過程流程化、結(jié)果可視化、應(yīng)用現(xiàn)性化，其結(jié)果也是仿真技術(shù)、VR/AR、AI等技術(shù)應(yīng)用的前提條件。基于MBD的裝配工藝設(shè)計(jì)過程如圖11所示。

圖11 三維裝配工藝設(shè)計(jì)流程Fig.11 3D assembly process design flow

虛擬裝配車間既是物理裝配車間的數(shù)字化鏡像，又是信息流、物料流、控制流與物理車間相融合的虛擬體[14]。通過產(chǎn)品裝配過程仿真，對(duì)零部件裝配順序、路徑、方法、資源進(jìn)行全過程預(yù)先驗(yàn)證，對(duì)裝配的干涉情況、可達(dá)性、人機(jī)工程進(jìn)行模擬，對(duì)裝配車間設(shè)備資源能力、生產(chǎn)能力、車間布局進(jìn)行評(píng)估。特別是在新的產(chǎn)品、新的裝配工人、新的安裝設(shè)備情況下，基于三維可視化引導(dǎo)的裝配工藝能夠使其在一個(gè)動(dòng)態(tài)的三維空間中準(zhǔn)確掌握零件的安裝位置及技術(shù)要求，降低物理發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配過程中錯(cuò)裝漏裝現(xiàn)象的發(fā)生。如圖12所示，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為例，通過對(duì)轉(zhuǎn)子工位進(jìn)行裝配過程仿真，在三維可視化環(huán)境下進(jìn)行裝配順序的規(guī)劃，分析裝配路徑及人機(jī)交互情況，驗(yàn)證工裝的適用性，對(duì)裝配工藝的可行性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備及試制周期。最終將裝配過程以三維可視化工藝文件的形式輸出，為裝配現(xiàn)場(chǎng)提供可視化的作業(yè)指導(dǎo)，并基于VR/AR技術(shù)通過多視覺、全流程、浸入式方式實(shí)現(xiàn)裝配運(yùn)行過程的三維展示。

圖12 轉(zhuǎn)子零件裝配工藝仿真場(chǎng)景Fig.12 Simulation scene of rotor assembly process

4.2 基于實(shí)測(cè)值的優(yōu)選優(yōu)配

裝配精度控制是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)由成千上萬個(gè)零件組成，雖然零件單體質(zhì)量特征全部合格，但整機(jī)質(zhì)量的高低需要精準(zhǔn)的裝配技術(shù)來保障。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件為例，其工作一直處于高壓、高速狀態(tài)，如果轉(zhuǎn)子的同心度不合格，會(huì)造成轉(zhuǎn)子不平衡，在運(yùn)行過程中導(dǎo)致振動(dòng)、碰磨狀況的發(fā)生，輕則降低推進(jìn)效率，重則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件涉及多個(gè)零件，一次性裝配成功率不高，需要多次調(diào)試才能滿足要求[15]，以組成轉(zhuǎn)子部件的葉片零件為例，每個(gè)葉片自身的質(zhì)量、尺寸、頻率等參數(shù)存在一定差異，致使整個(gè)轉(zhuǎn)子部件的不同心度和不平衡量累計(jì)結(jié)果很難預(yù)測(cè)。

通過對(duì)影響轉(zhuǎn)子不平衡量的關(guān)鍵參數(shù)梳理，研究公差帶大小、概率分布類型、裝配基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)、裝配順序等因素對(duì)轉(zhuǎn)子部件裝配質(zhì)量的影響規(guī)律，構(gòu)建轉(zhuǎn)子不平衡量影響計(jì)算模型。通過檢測(cè)系統(tǒng)獲取物理零件對(duì)應(yīng)特征的檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算模型在有限樣本空間確定零件如何成組，什么裝配順序才能確保不平衡量最佳，其原理如圖13所示。這里涉及兩個(gè)層面的內(nèi)容：一是物理零部件關(guān)鍵尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)的采集,并與庫存和集配系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，作為樣本空間數(shù)據(jù)源頭；二是開展基于實(shí)體數(shù)據(jù)多參數(shù)多因素耦合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性模型，基于實(shí)際零件及裝配大數(shù)據(jù)樣本對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡分布特性影響模型等關(guān)鍵技術(shù)研究，為仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性提供理論依據(jù)。

圖13 零件公差裝配結(jié)果影響原理圖Fig.13 Schematic diagram of the eあect of tolerance assembly result on part

4.3 基于實(shí)物BOM的虛擬交付

通過系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)獲取，以實(shí)物BOM為載體匯聚每個(gè)零部件的實(shí)物信息，包括設(shè)計(jì)、工藝、制造、質(zhì)量、檢驗(yàn)、供應(yīng)商等信息，形成基于實(shí)物BOM的數(shù)字孿生發(fā)動(dòng)機(jī)。在物理發(fā)動(dòng)機(jī)交付的同時(shí)，為用戶提供一個(gè)與物理產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的孿生發(fā)動(dòng)機(jī)，以便用戶在使用過程中更加準(zhǔn)確地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀態(tài)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品，數(shù)字孿生交付物對(duì)其后期產(chǎn)品維護(hù)、維修、培訓(xùn)等工作都有非常重要的意義。

基于實(shí)物BOM的孿生發(fā)動(dòng)機(jī)需要各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效支撐，涉及PDM、MES、ERP、QMS等信息系統(tǒng)。在產(chǎn)品的最后裝配階段，每一個(gè)零件對(duì)應(yīng)的實(shí)物數(shù)字信息包自動(dòng)完成歸集，并以物料號(hào)為唯一性區(qū)分，包括零件設(shè)計(jì)、工藝、毛坯、制造、質(zhì)量等信息，其詳細(xì)內(nèi)容如圖14所示。

圖14 面向?qū)嵨顱OM的零件數(shù)字包信息組成Fig.14 Part digital information package composition based on BBOM

5 維護(hù)孿生

精湛的維護(hù)和維修能力是航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要保障。通過構(gòu)建基于實(shí)物BOM和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)復(fù)合的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修孿生體，對(duì)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理、特征提取、監(jiān)控評(píng)估和健康預(yù)測(cè)[16]，時(shí)刻反映物理發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，分析、預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)潛在故障，同步給出準(zhǔn)確的維護(hù)和維修方案，確保飛行使用安全。維護(hù)孿生以交付的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，以物理發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)為輸入，以仿真技術(shù)和知識(shí)庫為支撐，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、性能、壽命的監(jiān)控、預(yù)測(cè)及診斷，其功能架構(gòu)如圖15所示。

圖15 維護(hù)孿生模塊功能架構(gòu)Fig.15 Functional architecture of maintenance twin module

5.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷

在發(fā)動(dòng)機(jī)交付使用后，為及時(shí)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提升維護(hù)和維修服務(wù)水平，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用情況進(jìn)行信息采集，包括使用時(shí)間、狀態(tài)、溫度/壓力等參數(shù)信息。通過物聯(lián)網(wǎng)、5G等通信技術(shù)將采集到的信息與工廠內(nèi)基于實(shí)物交付的孿生發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行信息映射，在虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)孿生體上實(shí)時(shí)再現(xiàn)物理發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)信息，以便實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，通過人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行深度挖掘，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)易損零件壽命做出準(zhǔn)確預(yù)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減情況、可能故障點(diǎn)、使用壽命的預(yù)測(cè)、預(yù)警；另一方面，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)分析，為設(shè)計(jì)優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量追溯提供數(shù)據(jù)支撐。

維護(hù)孿生在實(shí)現(xiàn)各種信息統(tǒng)一可視化展示與監(jiān)控的同時(shí)，通過將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行仿真模型，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)生命健康模型進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)不同要素的觸發(fā)時(shí)機(jī)，實(shí)時(shí)給管理者、運(yùn)維者提供即時(shí)信息推送，如某零部件可能存在故障，并給出解決方案；某易損件已經(jīng)到壽命，需要更換，并關(guān)聯(lián)該零件的批次狀態(tài)信息，與工廠已有庫存進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的運(yùn)維服務(wù)。

5.2 遠(yuǎn)程維護(hù)與指導(dǎo)

通過維護(hù)孿生可高保真模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，從而改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的維修模式，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)維修停機(jī)時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)出現(xiàn)維護(hù)需求時(shí)，遠(yuǎn)程技術(shù)專家可基于VR/AR技術(shù)在虛擬環(huán)境下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，分析故障原因，并與物理發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行模型匹配，對(duì)異常部位進(jìn)行提醒，如圖16所示。結(jié)合已有的故障知識(shí)庫，以發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行過程仿真為核心，維護(hù)數(shù)字孿生系統(tǒng)通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析、診斷，在模擬預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的非常規(guī)運(yùn)行模式及其可能成因后，給出具有預(yù)見性的智能化決策建議，并由數(shù)字孿生系統(tǒng)自主決策實(shí)施。

圖16 基于VR/AR技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)場(chǎng)景圖Fig.16 Engine maintenance scene based on VR/AR technology

另一方面，通過維護(hù)孿生可為最終用戶搭建一個(gè)虛擬的維護(hù)操作培訓(xùn)平臺(tái)，通過VR/AR技術(shù)在虛擬空間開展發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)操作培訓(xùn)，并將三維可視化的產(chǎn)品安裝與維護(hù)手冊(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，自動(dòng)識(shí)別零件并展示三維動(dòng)畫安裝說明，提高維護(hù)過程的智能化程度。

6 結(jié)論

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)已初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品裝配過程的數(shù)字化，建立了較為完整的信息化支撐體系，端到端的數(shù)字線索也在逐步打通，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)零部件制造、整機(jī)裝配的數(shù)字化單元/產(chǎn)線的建設(shè)探索，積累了較為豐富的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)數(shù)字孿生奠定了良好的基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，依賴整個(gè)數(shù)字化生態(tài)和數(shù)字孿生支撐技術(shù)的成熟發(fā)展。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)雖然在部分業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字孿生的雛形，但由于物理對(duì)象及其研制過程的模型構(gòu)建能力、動(dòng)態(tài)信息采集與處理能力還比較弱，距離實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字孿生還有較大差距。本文從實(shí)際執(zhí)行層面對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程數(shù)字孿生的應(yīng)用架構(gòu)和核心內(nèi)容進(jìn)行了探索，并對(duì)工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過程及數(shù)控機(jī)床、裝配單元等物理對(duì)象開展應(yīng)用實(shí)踐，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)開展數(shù)字孿生建設(shè)提供借鑒。