胡忠志，曹文宇，何 皚，尉艦巍，劉 凱，楊佳利，徐全勇

（清華大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 100084）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是多學(xué)科集成動(dòng)力裝置，需要滿(mǎn)足諸多苛刻而又互相矛盾的綜合指標(biāo)要求，且長(zhǎng)期處于嚴(yán)酷的工作環(huán)境，對(duì)技術(shù)研發(fā)和工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)巨大。為滿(mǎn)足飛機(jī)日益提升的性能需求和技術(shù)革新要求，新的航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型和技術(shù)方案不斷涌現(xiàn)，研發(fā)周期和成本提高，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)全流程都帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程已形成貫徹系統(tǒng)工程理念的全生命周期流程并制定了相關(guān)規(guī)范，如美國(guó)SAE（美國(guó)工程師協(xié)會(huì)）《ARP4754A民用飛機(jī)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)指南》，我國(guó)《民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展階段管理細(xì)則（試行）》規(guī)定等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的全生命周期階段分為需求分析與定義階段、設(shè)計(jì)階段、制造階段和運(yùn)維階段等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)作性和多學(xué)科性質(zhì)，以及集成大量組件和相關(guān)模型的需求，亟須推進(jìn)數(shù)字化進(jìn)程實(shí)現(xiàn)和使用先進(jìn)的系統(tǒng)工程方法和工具，有效地管理產(chǎn)品的復(fù)雜性。

目前仿真已經(jīng)成為研發(fā)流程的重要內(nèi)容，無(wú)論是在設(shè)計(jì)研發(fā)階段、制造實(shí)現(xiàn)階段，還是集成驗(yàn)證階段，仿真技術(shù)的引入成為縮短航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期的關(guān)鍵因素[1]。隨著仿真技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)逐漸向綜合化、集成化和融合化方向發(fā)展，同時(shí)伴隨系統(tǒng)工程方法論的進(jìn)一步完善，整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系正在發(fā)生革命性變化。所有航發(fā)利益相關(guān)方正在急切地尋找基于模型的系統(tǒng)工程 （MBSE）、數(shù)字孿生 （Digital twin）和數(shù)字主線(xiàn) （Digital thread）相關(guān)的解決方案。

本文面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域數(shù)字化進(jìn)程，發(fā)展了數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)概念，深入分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、需求和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為我國(guó)趕上數(shù)字化、智能化浪潮，抓住航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系變革機(jī)遇提供支持。

1 數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)定義

由于產(chǎn)品性能的要求高、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本控制嚴(yán)格，航空工業(yè)一直是數(shù)字化變革的策源地和先行者。航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比飛機(jī)產(chǎn)品具有更顯著的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)為大量子系統(tǒng)和零組件之間的交互作用，需要在整個(gè)生命周期中被定義、指定和驗(yàn)證。另一方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部分之間的動(dòng)態(tài)相互作用和各種運(yùn)行狀態(tài)下動(dòng)態(tài)特性，特別是涉及多個(gè)部件、多種同時(shí)發(fā)生的物理現(xiàn)象相互耦合，都導(dǎo)致從物理機(jī)制上準(zhǔn)確、完整預(yù)測(cè)這些行為存在巨大挑戰(zhàn)[2]?？紤]航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期必須以一致的方式處理和管理不同方式創(chuàng)建的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)不同級(jí)別的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維顆粒度，以及系統(tǒng)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的各種規(guī)程進(jìn)行更詳細(xì)的表達(dá)和描述，只有采用系統(tǒng)工程的過(guò)程和方法才能有效地管理這些多領(lǐng)域中多參與者和多層次的問(wèn)題[3]。

盡管行業(yè)在不斷推進(jìn)基于系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)管理體系和基于仿真的全生命周期流程，然而，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，目前的研發(fā)體系并不能夠滿(mǎn)足未來(lái)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展要求。來(lái)自于概念、知識(shí)、行為、意圖、邏輯和關(guān)系等大量信息還沒(méi)有在系統(tǒng)里得到體現(xiàn)和控制，多源數(shù)據(jù)和跨域模型的關(guān)聯(lián)、集成和追溯性還缺乏管理，規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的建模、驅(qū)動(dòng)和重用流程尚未建立，面向需求的多學(xué)科的耦合集成仿真技術(shù)研究需加強(qiáng)，基于數(shù)據(jù)和智能的集成仿真與決策能力不夠充分。大量的不確定性持續(xù)進(jìn)入產(chǎn)品全生命周期，研發(fā)人員被消耗在程序性和事務(wù)性工作中，無(wú)法將精力投放在創(chuàng)新上[4]?；诖耍碌南嗷リP(guān)聯(lián)的概念和方法論不斷提出，從不同角度推動(dòng)數(shù)字化范式變革。

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)以及工程技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，使用面向?qū)ο蟮?、可視化的系統(tǒng)建模語(yǔ)言描述系統(tǒng)的技術(shù)逐步成熟。MBSE以規(guī)范化的系統(tǒng)建模技術(shù)來(lái)支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證與確認(rèn)活動(dòng)，持續(xù)貫穿復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，可以有效地解決基于描述性文字信息的系統(tǒng)工程在數(shù)據(jù)交互和技術(shù)狀態(tài)管理方面面臨的問(wèn)題，通過(guò)語(yǔ)言和工具提高了系統(tǒng)全周期信息表示的一致性[5]。MBSE并不專(zhuān)注于解決特定學(xué)科的設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)建模語(yǔ)言實(shí)際上描述“關(guān)于數(shù)據(jù)的信息”，是一種管理數(shù)據(jù)、模型、存儲(chǔ)庫(kù)和模擬的工具，也能夠?qū)?shù)據(jù)互操作性、交換、集成、鏈接、可追溯性、重用、轉(zhuǎn)換、歸檔和同步進(jìn)行定義。MBSE強(qiáng)調(diào)面向系統(tǒng)工程過(guò)程的建模，建模并形成系統(tǒng)需求、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證和其他過(guò)程中所涉及的分析元素的有機(jī)聯(lián)系，在整個(gè)生命周期中保持系統(tǒng)信息的一致性和可追溯性[6]。

數(shù)字主線(xiàn)引入了資源可共享（如傳感器輸出、計(jì)算工具、方法和流程）的數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，將來(lái)自產(chǎn)品生命周期所有階段 （如早期概念、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)、后壽命和退休）的信息鏈接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期決策，也可認(rèn)為是產(chǎn)品的主要或“權(quán)威”數(shù)據(jù)和通信平臺(tái)[7]。從數(shù)據(jù)角度看，實(shí)現(xiàn)的手段有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)定義、系統(tǒng)的權(quán)威語(yǔ)義表示、數(shù)據(jù)的清洗和挖掘等。從設(shè)計(jì)工具集成角度來(lái)看待，實(shí)現(xiàn)的方法有鏈接數(shù)據(jù)、模型驅(qū)動(dòng)和代碼生成、基于標(biāo)準(zhǔn)的模型和數(shù)據(jù)交換 （例如使用FMI和STEP）、基于元模型的轉(zhuǎn)換等[8]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎在每個(gè)學(xué)科領(lǐng)域和每個(gè)系統(tǒng)級(jí)別上都進(jìn)行了數(shù)值模擬，以便能夠詳細(xì)探索設(shè)計(jì)空間和實(shí)現(xiàn)顯著的性能改進(jìn)。面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真的關(guān)鍵是能否集成和耦合多層次、多領(lǐng)域結(jié)構(gòu)和行為來(lái)準(zhǔn)確描述系統(tǒng)特性，數(shù)字孿生的概念希望最終能夠有一個(gè)高精度的航空發(fā)動(dòng)機(jī)表達(dá)，在進(jìn)入實(shí)物加工階段之前就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行虛擬的驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)決策正確，提高模擬和測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度并減少試驗(yàn)，降低現(xiàn)場(chǎng)故障的數(shù)量并做出實(shí)時(shí)決策，利用高精度模型、實(shí)際使用數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，在所有工況和環(huán)境下能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界的行為[9–10]。高精度的模型并不意味著一定是基于物理機(jī)制的模型，也不意味著更高的維度或更小的尺度，更多地考慮滿(mǎn)足要求的精度、分辨率、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性等[11]。在當(dāng)前的數(shù)字孿生建模實(shí)踐中，多數(shù)模型關(guān)注通過(guò)數(shù)據(jù)的融合降低模型的不確定性或進(jìn)行決策。

以上的概念及其相關(guān)的方法論和工具對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品具有普遍的適用性，然而，針對(duì)裝備研發(fā)體系，考慮問(wèn)題不能夠單獨(dú)割裂。2018年，美國(guó)國(guó)防部正式對(duì)外發(fā)布“國(guó)防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”，從更高數(shù)字化維度上統(tǒng)一集成了相關(guān)概念和方法論，涵蓋了系統(tǒng)工程的技術(shù)流程和技術(shù)管理流程，以貫穿裝備系統(tǒng)始終的系統(tǒng)模型、數(shù)字主線(xiàn)和數(shù)字孿生為核心，構(gòu)建了以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)[12]。盡管數(shù)字工程針對(duì)了整個(gè)裝備工業(yè)體系，但具體實(shí)踐過(guò)程中會(huì)因產(chǎn)品的不同而具有顯著的差異性，數(shù)字化變革的核心是專(zhuān)家知識(shí)、系統(tǒng)表達(dá)和行為意圖的數(shù)字化。

在產(chǎn)品全生命周期管理概念下，數(shù)字樣機(jī)的定義 （Digital Mock-Up）被廣泛使用，即數(shù)字樣機(jī)是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對(duì)象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對(duì)象的功能和性能（GB/T 26100—2010）。雖然廣義的數(shù)字樣機(jī)也涉及產(chǎn)品的功能和性能描述，但并不強(qiáng)調(diào)各個(gè)版本的完備性和統(tǒng)一性。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)特定領(lǐng)域新的數(shù)字化趨勢(shì)，我們進(jìn)一步發(fā)展數(shù)字樣機(jī)概念，提出“數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)”，其定義為基于統(tǒng)一完備的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)建模表達(dá)構(gòu)建的覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期的跨層級(jí)、跨尺度、多學(xué)科模型和數(shù)據(jù)的集成，數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)可保證數(shù)據(jù)的可追溯性和一致性，實(shí)現(xiàn)高精度和高置信度的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同層級(jí)系統(tǒng)功能和行為的刻畫(huà)、概括和集成的能力，為決策提供支持 （圖1）。能夠支持完成數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的數(shù)字化平臺(tái)稱(chēng)為數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)。

圖1 數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)概念示意圖Fig.1 Digital engine concept diagram

2 發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了相關(guān)實(shí)踐活動(dòng)，數(shù)字化貫穿航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的全生命周期，正在改變航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、集成與驗(yàn)證以及運(yùn)維方式。目前基于模型的系統(tǒng)工程方法和工具正在航空發(fā)動(dòng)機(jī)主流廠商中逐步得到應(yīng)用，數(shù)字主線(xiàn)打通的統(tǒng)一協(xié)同平臺(tái)和數(shù)據(jù)管理架構(gòu)已經(jīng)逐步形成規(guī)模，更新現(xiàn)有的仿真流程和模型庫(kù)以形成多層級(jí)多視圖一體化集成仿真能力已經(jīng)初見(jiàn)成效，基于數(shù)據(jù)的模型和智能化決策能力重要性正在獲得廣泛共識(shí)。數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)方向的應(yīng)用和案例整理在表1中。

表1 數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用和案例總結(jié)Table 1 Summary of digital engine application and cases

通用電氣公司 （GE）基于大量的歷史數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始了以PDM、仿真流程建設(shè)為標(biāo)志的研發(fā)數(shù)字化過(guò)程，逐步形成了基于流程和應(yīng)用的全球協(xié)同設(shè)計(jì)體系，集成包括業(yè)務(wù)、使能和工程應(yīng)用近2000個(gè)，主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)典型特征： （1）通過(guò)增加工程和供應(yīng)鏈功能之間的協(xié)作減少了周期時(shí)間； （2）由一個(gè)通用的用戶(hù)界面驅(qū)動(dòng)，保證了統(tǒng)一的體驗(yàn)和共享的數(shù)字參考，確保每個(gè)涉眾都在相關(guān)的上下文中處理最新的信息，優(yōu)化了客戶(hù)需求及時(shí)響應(yīng)時(shí)間； （3）以數(shù)據(jù)為中心的基本原理和直觀的搜索功能，提高了生產(chǎn)率，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)管理，促進(jìn)了跨邊界的高效信息共享。在成熟的數(shù)字化設(shè)計(jì)體系基礎(chǔ)上，通用公司的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系正在進(jìn)行蓬勃的更新?lián)Q代，通過(guò)高保真MBSE技術(shù)和工具鏈工程進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)和認(rèn)證周期[13]。

通用電氣公司開(kāi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先河推出了Predix平臺(tái)，通過(guò)Predix平臺(tái)的部署深入地開(kāi)展數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)工作。平臺(tái)提供以工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)映射、分析為主線(xiàn)的信息傳遞能力，形成強(qiáng)大的對(duì)工業(yè)應(yīng)用APP的支撐能力，發(fā)展多層級(jí)的從工業(yè)互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)到軟件及服務(wù)的云架構(gòu)，依靠全生命周期數(shù)字主線(xiàn)，所有數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通，因此真實(shí)物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過(guò)與智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的物理系統(tǒng)向數(shù)字化模型反饋，使生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型保持一致，從而能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的當(dāng)前及未來(lái)的功能和性能。平臺(tái)通過(guò)數(shù)字化模型，可以在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)調(diào)試、試驗(yàn)和優(yōu)化其運(yùn)行狀態(tài),形成針對(duì)特定單個(gè)產(chǎn)品的數(shù)字孿生。在運(yùn)維過(guò)程中，針對(duì)在翼發(fā)動(dòng)機(jī)建立數(shù)字孿生模型，構(gòu)建了機(jī)隊(duì)監(jiān)測(cè)、診斷和健康管理的框架，實(shí)現(xiàn)了故障隔離、故障檢測(cè)和量化的功能[16–17]。

在大量的專(zhuān)業(yè)模型積累的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)字主線(xiàn) （Digital thread for design，DT4D）是通用公司正在發(fā)展的能力，可以根據(jù)工作流程快速創(chuàng)建人工智能代理模型，同時(shí)對(duì)模型相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同化和線(xiàn)程化，該項(xiàng)目專(zhuān)注于將DT4D能力應(yīng)用于設(shè)計(jì)、模型和仿真的每個(gè)用例，使其快速地部署和搜索，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù) （PLM）系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)工作流和代理模型的自動(dòng)化，如圖2所示。

圖2 通用公司用于設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)字主線(xiàn)Fig.2 GE digital thread for design and development

普惠公司 （Pratt & Whitney）在成熟的研發(fā)體系的基礎(chǔ)上，使用數(shù)字工程作為連接不同工具和優(yōu)化自動(dòng)化的一種方式，正在通過(guò)數(shù)字主線(xiàn)形成跨多個(gè)領(lǐng)域集成，同時(shí)采用基于模型的系統(tǒng)工程與上下游客戶(hù)和供應(yīng)商形成協(xié)同，成功推進(jìn)體系革新，形成了數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的架構(gòu)，如圖3所示[15]。面對(duì)設(shè)計(jì)和制造信息的鴻溝，普惠推進(jìn)了互聯(lián)工廠項(xiàng)目，進(jìn)一步落實(shí)數(shù)字主線(xiàn)的落地。

圖3 普惠公司航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化平臺(tái)架構(gòu)[15]Fig.3 Pratt & Whitney aero-engine digital platform architecture[15]

EngineWise平臺(tái)創(chuàng)建于2017年，包括先進(jìn)診斷和發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ADEM），這是一款使用網(wǎng)絡(luò)支持、具有發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理服務(wù)的軟件工具，為其民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和決策提供支持。在軍用發(fā)動(dòng)機(jī)方面，依托設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)字孿生建模，通過(guò)軟件更新提升使用性能、可靠性和壽命。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型部件，通過(guò)需求和系統(tǒng)架構(gòu)的MBSE建模來(lái)串聯(lián)相關(guān)領(lǐng)域模型，促進(jìn)部件迭代開(kāi)發(fā)。

羅·羅 （Rolls-Royce）公司發(fā)展和完善了產(chǎn)品數(shù)據(jù)在數(shù)字主線(xiàn)中上下傳遞的解決方案，在制造和服務(wù)階段獲得工程設(shè)計(jì)和定義的數(shù)據(jù)，希望所有用戶(hù)都可以在任何一點(diǎn)上看到單個(gè)設(shè)計(jì)的相同狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于其民用發(fā)動(dòng)機(jī)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和決策中。在軍用發(fā)動(dòng)機(jī)方面依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)開(kāi)展相應(yīng)數(shù)字孿生建模工作，提升使用性能、可靠性和壽命。羅·羅重點(diǎn)關(guān)注采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析、工業(yè)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，以加速新的數(shù)據(jù)分析和服務(wù)的發(fā)展，從數(shù)據(jù)中釋放新的價(jià)值，將最新的分析技術(shù)與行業(yè)知識(shí)和工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，更好地支持客戶(hù)。羅·羅通過(guò)航發(fā)運(yùn)營(yíng)生成大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字孿生的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供更豐富的數(shù)據(jù)集，通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)和數(shù)據(jù)分析方法將其構(gòu)建、測(cè)試、決策，然后傳遞給用戶(hù)。數(shù)字孿生是羅·羅“智能引擎”愿景的一部分，該愿景將物理發(fā)動(dòng)機(jī)與維護(hù)服務(wù)和數(shù)字技術(shù)無(wú)縫結(jié)合。

為加強(qiáng)泛企業(yè)環(huán)境下飛機(jī)多學(xué)科系統(tǒng)集成和整機(jī)數(shù)字建模協(xié)同能力，減少對(duì)物理試驗(yàn)的依賴(lài)，加快產(chǎn)品研發(fā)流程，2009年由歐盟委員會(huì)資助，空客公司主導(dǎo)，來(lái)自13個(gè)國(guó)家的59個(gè)合作伙伴及科研機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)跨地域協(xié)作，發(fā)起了基于仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念的飛行器協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用項(xiàng)目—— CRESCENDO（Collaborative and robust engineering using simulation capability enabling next design optimisation）和后續(xù)多個(gè)計(jì)劃，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為其最重要的子系統(tǒng)開(kāi)展了大量工作。賽峰（Safran）建立起一套面向行為式數(shù)字化樣機(jī)（Behavioral digital engine）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)驗(yàn)證和驗(yàn)收全生命周期的設(shè)計(jì)–分析一體化平臺(tái)，對(duì)異構(gòu)環(huán)境數(shù)據(jù)共享和交換行為的規(guī)范以及多信息系統(tǒng)的集成應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的輸入輸出及方法實(shí)現(xiàn)追溯和審計(jì)，從而建立起基于仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的協(xié)同能力[2]。

俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司 （UEC）一直致力于制定基于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期管理戰(zhàn)略，為使用數(shù)字孿生作為主要工具奠定基礎(chǔ)，通過(guò)需求管理系統(tǒng)確認(rèn)在開(kāi)發(fā)階段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的目標(biāo)參數(shù)。在聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司的TV7–117ST 發(fā)動(dòng)機(jī)、禮炮公司的 AI222–25 發(fā)動(dòng)機(jī)、土星公司的船用燃?xì)廨啓C(jī)上實(shí)施了試點(diǎn)項(xiàng)目。土星公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了產(chǎn)品需求管理模塊，對(duì)船用燃機(jī)要素進(jìn)行了大量高精度數(shù)學(xué)建模，創(chuàng)建了整機(jī)動(dòng)態(tài)模型，并開(kāi)發(fā)了用于預(yù)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)和故障趨勢(shì)發(fā)展相關(guān)程序，如圖4所示[19]。

圖4 UEC公司航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生平臺(tái)架構(gòu)[19]Fig.4 UEC aero-engine digital twin platform architecture[19]

航空航天和國(guó)防產(chǎn)品生命周期管理行動(dòng)組 （AD PAG）是由空客、波音、巴西航空、通用、灣流、三菱支線(xiàn)、普惠、羅·羅和賽峰等組成的航空航天原始設(shè)備制造商和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商的協(xié)會(huì)組織，識(shí)別和描述當(dāng)前MBSE標(biāo)準(zhǔn)和工具在支持行業(yè)數(shù)據(jù)交換方面的能力，討論數(shù)字化業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)和方法、標(biāo)準(zhǔn)的比較分析、戰(zhàn)略和路線(xiàn)圖，探索多視圖BOM和基于3D模型的定義等具體的實(shí)施措施。該團(tuán)隊(duì)主要的業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)之一是數(shù)字化工具和基于模型的流程，通過(guò)技術(shù)數(shù)據(jù)包的雙向交換，實(shí)現(xiàn)航空行業(yè)協(xié)作。目前，由成員公司領(lǐng)域?qū)＜医M成的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立，以評(píng)估當(dāng)前的數(shù)據(jù)互操作性標(biāo)準(zhǔn)，首先實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)工程 （MBSE）概念設(shè)計(jì)過(guò)程，評(píng)估在協(xié)作產(chǎn)品開(kāi)發(fā)活動(dòng)中交換數(shù)字需求和系統(tǒng)架構(gòu)模型。

中國(guó)航發(fā)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng) （AEOS）及產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)商管理和服務(wù)保障4個(gè)體系建設(shè)的全面啟動(dòng)，在2022年形成一整套覆蓋產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)流程和管理規(guī)范，形成體系架構(gòu)和實(shí)踐方法論，強(qiáng)化協(xié)同，完成整個(gè)體系的數(shù)字化運(yùn)行，推動(dòng)業(yè)務(wù)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)已經(jīng)初步形成IPT團(tuán)隊(duì)組織模式、以需求為牽引的研制規(guī)劃、基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心的協(xié)同研發(fā)與管控，完成了基于文檔的系統(tǒng)工程建設(shè)。與此同時(shí)，中國(guó)航發(fā)從論證開(kāi)始逐步推進(jìn)MBSE、數(shù)字主線(xiàn)、數(shù)字孿生等更先進(jìn)的數(shù)字化發(fā)展方向，各發(fā)動(dòng)機(jī)研究所成立系統(tǒng)工程部專(zhuān)門(mén)推進(jìn)。

3 挑戰(zhàn)及需求

數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)研究希望建設(shè)先進(jìn)的、滿(mǎn)足型號(hào)研制任務(wù)的、可應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)生命周期過(guò)程的產(chǎn)品數(shù)字化平臺(tái)，并從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式，從而大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短周期，須滿(mǎn)足以下需求。

（1）建設(shè)高可信度基礎(chǔ)模型庫(kù)和算法庫(kù)。

新的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是建立在原有成熟的正向研發(fā)體系之上，是對(duì)原有體系的繼承和進(jìn)一步發(fā)展，是設(shè)計(jì)體系成熟的結(jié)果，我國(guó)需要梳理航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)科研成果和型號(hào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)體系和知識(shí)應(yīng)用機(jī)制，開(kāi)發(fā)統(tǒng)一管理、訪問(wèn)、處理的知識(shí)體系平臺(tái)環(huán)境；建設(shè)系統(tǒng)全面的、規(guī)范化的、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析體系，開(kāi)發(fā)面向工程設(shè)計(jì)需求集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算工具、驗(yàn)證方法為一體的專(zhuān)業(yè)模型庫(kù)和算法庫(kù)；建設(shè)校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化模型準(zhǔn)入體系，形成模型可信度評(píng)估工作流程和規(guī)范，全面評(píng)估各階段的建模工作和成果有效性。

（2）建設(shè)即插即用互聯(lián)互通的通用仿真平臺(tái)。

數(shù)字化的所有成果都要集成在開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和表達(dá)的平臺(tái)中，即插即用互聯(lián)互通平臺(tái)是基礎(chǔ)。構(gòu)建滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)模塊開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證所需要的通用仿真平臺(tái)，能夠進(jìn)行模塊的開(kāi)發(fā)和部署，支持多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)框架，提供彈性擴(kuò)展的、高可靠的、容器化的程序運(yùn)行環(huán)境；提供開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)硬煌牡谌綉?yīng)用，可成為產(chǎn)品全生命周期開(kāi)發(fā)平臺(tái)的子平臺(tái)；對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用場(chǎng)景，提供可視化開(kāi)發(fā)套件，支持代碼和不同功能模塊的快速?gòu)?fù)用，提供模塊的API接口開(kāi)放，能夠針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，快速組裝并形成專(zhuān)業(yè)模塊；提供數(shù)據(jù)處理工作流，支持對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下數(shù)據(jù)處理的靈活支持；提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，還要支持文件存儲(chǔ)和對(duì)象存儲(chǔ)，以及時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)等；提供基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的運(yùn)行環(huán)境，能夠支持基于數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建的工具和算法在平臺(tái)運(yùn)行，支持快速定制數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可視化，支持根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)；能夠提供包括身份管理、權(quán)限管理、知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理等在內(nèi)的管理模塊，平臺(tái)本身的功能模塊、專(zhuān)業(yè)模塊、可視化模塊均形成標(biāo)準(zhǔn)化集成方法和規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)建模和仿真協(xié)同；通過(guò)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程整合工具，提供業(yè)務(wù)流程的統(tǒng)一建模和監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行流程的管理和優(yōu)化；能夠整合MBSE和數(shù)字主線(xiàn)相關(guān)工具和數(shù)據(jù)，形成符合數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)的面向語(yǔ)義和連通性的革新平臺(tái)。數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖5所示，其包含平臺(tái)基礎(chǔ)建設(shè)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、工具庫(kù)和知識(shí)庫(kù)開(kāi)發(fā)等幾部分內(nèi)容 （簡(jiǎn)稱(chēng)“四庫(kù)一平”）。

圖5 數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)仿真平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.5 Overall architecture of digital engine simulation platform

（3）基于數(shù)字主線(xiàn)的仿真工作流管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

形成面向需求和系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)化、形式化的描述系統(tǒng)，基于系統(tǒng)模型完成不同階段產(chǎn)品信息的表達(dá)，在整個(gè)生命周期中對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行持續(xù)的驗(yàn)證與確認(rèn)；高校、研究單位和行業(yè)通力合作，形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求和系統(tǒng)建模的規(guī)范，突破不同工具的數(shù)據(jù)交換及互操作性標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)面向不同發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)模型用例和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)；打通系統(tǒng)建模工具、需求管理工具和聯(lián)合仿真框架之間的業(yè)務(wù)鏈條，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型作為唯一真相源的通用化平臺(tái)架構(gòu)，可作為數(shù)字主線(xiàn)的一部分連接端到端的數(shù)據(jù)流。定義數(shù)字主線(xiàn)相關(guān)模型創(chuàng)建、信息傳遞、數(shù)據(jù)更新等標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，集成數(shù)字主線(xiàn)工具鏈，保證全生命周期數(shù)據(jù)準(zhǔn)入和傳遞質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的有效通信；完善過(guò)程數(shù)據(jù) （仿真數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等）管理能力、數(shù)據(jù)分析和異構(gòu)數(shù)據(jù)集成能力，實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)模型為真相源的多源數(shù)據(jù)融合；發(fā)展新的流程自動(dòng)化方法，發(fā)展接口和CAD – CAE自動(dòng)化、網(wǎng)格自動(dòng)化工具，關(guān)注智能識(shí)別、行為決策和過(guò)程控制相關(guān)數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的追溯和快速迭代更新。

（4）發(fā)展多學(xué)科耦合整機(jī)集成仿真技術(shù)。

面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)需求，建設(shè)多層級(jí) （部件或整機(jī)級(jí)等）和多學(xué)科集成仿真平臺(tái)，打通多學(xué)科工具鏈，發(fā)展多物理現(xiàn)象耦合高效算法，發(fā)展面向整機(jī)和部件系統(tǒng)級(jí)的混維仿真方法。發(fā)展高效設(shè)計(jì)空間探索和性能改進(jìn)方法和工具，形成面向設(shè)計(jì)需求的多學(xué)科集成優(yōu)化工具；發(fā)展和驗(yàn)證流程緊密耦合的集成驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)發(fā)面向功能和行為、不同抽象級(jí)別的高置信度降維仿真算法和基于數(shù)據(jù)的快速仿真方法，發(fā)展全數(shù)字、半物理和虛實(shí)耦合試驗(yàn)驗(yàn)證體系。

（5）發(fā)展基于數(shù)據(jù)的分析和決策支持技術(shù)。

建設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理方法并搭建平臺(tái)，定義航空發(fā)動(dòng)機(jī)異構(gòu)數(shù)據(jù)處理規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展大規(guī)模數(shù)據(jù)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理、標(biāo)記、管理工具，發(fā)展基于規(guī)則和模型的自動(dòng)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與映射工具；發(fā)展高維仿真的人工智能降階算法，發(fā)展基于數(shù)據(jù)的智能算法、仿真分析方法，發(fā)展機(jī)理和數(shù)據(jù)融合建模、仿真分析方法，發(fā)展智能識(shí)別和決策支持方法；發(fā)展數(shù)據(jù)可視化的交互工具，對(duì)數(shù)據(jù)、算法模型進(jìn)行可視化展示，支持人工決策和表達(dá)。

4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

4.1 學(xué)科仿真模型集成

利用基于物理的分析能力，將相關(guān)學(xué)科模型進(jìn)行集成，以便獲得系統(tǒng)級(jí)功能和行為的方法，已經(jīng)被廣泛航空從業(yè)者認(rèn)可。集成技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，學(xué)科模型也已經(jīng)從單一工具的集成階段，發(fā)展到協(xié)同環(huán)境下跨工具的集成階段。無(wú)論處在何種階段，學(xué)科模型之間的信息交互始終是集成的關(guān)鍵問(wèn)題。學(xué)科模型的信息交互，主要包括學(xué)科知識(shí)之間的交互、異構(gòu)數(shù)據(jù)模型的交互、模型間的信息通訊等。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)此類(lèi)學(xué)科復(fù)雜度高、耦合性強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)，如何使學(xué)科模型高效集成、重用和優(yōu)化，始終是研究的重要方向。

為了提升廠商的學(xué)科模型最終集成和驗(yàn)收測(cè)試能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)科模型中的缺陷，減少由于學(xué)科之間語(yǔ)義差異引起知識(shí)交互誤解的概率，提升多學(xué)科模型之間有效傳遞的知識(shí)與信息，德國(guó)航空航天中心 （DLR）于2005年便開(kāi)始開(kāi)發(fā)允許任意數(shù)量的跨學(xué)科分析能力有效互聯(lián)的技術(shù)——中心數(shù)據(jù)模型CPACS（Common parametric aircraftconfiguration scheme），該數(shù)據(jù)模型面向整個(gè)航空行業(yè)，利用通用的參數(shù)化技術(shù)對(duì)飛機(jī)構(gòu)型方案進(jìn)行高保真度的描述，如圖6所示[20]。在已有CPACS及其關(guān)聯(lián)工具發(fā)展的基礎(chǔ)上，為了促進(jìn)參數(shù)化飛機(jī)構(gòu)型方案 （CPACS）在發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)與學(xué)科的應(yīng)用，降低非標(biāo)準(zhǔn)化方式進(jìn)行構(gòu)型方案數(shù)據(jù)交換的不一致風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)與模型的集成和重用，Alder等[21]開(kāi)發(fā)了CPACSLibrary的軟件庫(kù)。軟件庫(kù)通過(guò)C++等基礎(chǔ)編程語(yǔ)言完成了方法學(xué)的實(shí)現(xiàn)、測(cè)試驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)、版本的控制、Python的綁定以及數(shù)據(jù)可視化的策略等功能，進(jìn)而加速CPACS生態(tài)的完善。

圖6 CPACS結(jié)構(gòu)圖[20]Fig.6 CPACS structure diagram[20]

除了CPACS此類(lèi)面向行業(yè)的通用語(yǔ)言的研究與發(fā)展，在直接面向?qū)W科模型知識(shí)與信息傳遞方面，Sirin等[22]提出了模型識(shí)別卡 （Model identity card: MIC）的方法，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品知識(shí)及學(xué)科模型的抽象形成標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語(yǔ)，實(shí)現(xiàn)模型不同性質(zhì)的陳述，提升學(xué)科模型集成的可靠性。

為了簡(jiǎn)化不同學(xué)科仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的創(chuàng)建、存儲(chǔ)、交換和重用，用于模型/軟件/硬件在環(huán)仿真、信息物理系統(tǒng)和其他應(yīng)用，由戴姆勒股份公司發(fā)起，在眾多工業(yè)軟件廠商、生產(chǎn)廠商及Modelica 協(xié)會(huì)的共同努力下，形成了一套學(xué)科交互接口標(biāo)準(zhǔn)——FMI（Functional mock-up interface）。FMI[23]是一個(gè)工具無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，支持使用XML文件和C代碼 （或者在DLL/共享庫(kù)中編譯，或者在源代碼中編譯）的組合進(jìn)行模型交換和動(dòng)態(tài)模型的聯(lián)合仿真。

在各類(lèi)學(xué)科模型集成技術(shù)的不斷發(fā)展中，航空業(yè)由于其工程的高度復(fù)雜性，使跨工程師、跨部門(mén)和跨廠商能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同研發(fā)的需求愈發(fā)明顯與緊迫。與之相應(yīng)的，是不同來(lái)源的、不同質(zhì)量的多學(xué)科模型協(xié)同開(kāi)發(fā)的需求也亟須解決。由此，學(xué)科模型的集成也就逐步進(jìn)入了協(xié)同環(huán)境下跨工具的集成階段。在此種條件下，學(xué)科模型的集成除了面臨學(xué)科本身的問(wèn)題，還需要面對(duì)學(xué)科工作流程的定義，工作職責(zé)的劃分，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、追溯、處理，學(xué)科模型的知識(shí)產(chǎn)權(quán)安全性等問(wèn)題。為了緩解這些問(wèn)題，歐盟通過(guò)資助的AGILE項(xiàng)目，提出了RCE（遠(yuǎn)程組件環(huán)境）工具[24]——由德國(guó)航空航天中心 （DLR）開(kāi)發(fā)的開(kāi)源應(yīng)用程序。用戶(hù)能夠直觀地集成學(xué)科工具，通過(guò)圖形界面定義它們之間的依賴(lài)關(guān)系，并執(zhí)行由此產(chǎn)生的多學(xué)科工程工作流。產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都集中存儲(chǔ)，用于溯源、后續(xù)分析和后處理。在一定程度上，RCE使協(xié)作工程師可以很容易地將各自的學(xué)科工具貢獻(xiàn)給多學(xué)科設(shè)計(jì)或分析，簡(jiǎn)化了工作流結(jié)果的分析。除了RCE，國(guó)內(nèi)外還形成了眾多跨工具的協(xié)同工作環(huán)境，如中船重工奧藍(lán)托的iDesigner平臺(tái)、索為公司的SYSWARE平臺(tái)等，該類(lèi)平臺(tái)均以圖形化的學(xué)科模型集成為基礎(chǔ)，融入了行業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，形成了學(xué)科模型集成平臺(tái)化、協(xié)同化、跨工具化和跨地域化的趨勢(shì)。

4.2 系統(tǒng)模型和學(xué)科模型的連通

系統(tǒng)模型可以被視為系統(tǒng)功能元素的戰(zhàn)略組織，其布局使元素之間的角色、關(guān)系、依賴(lài)關(guān)系和接口能夠被明確定義和理解[25]。目前，系統(tǒng)模型主要通過(guò)UML和SysML等系統(tǒng)建模語(yǔ)言以語(yǔ)義建模的形式，從全局視角描述產(chǎn)品的組成與關(guān)聯(lián)關(guān)系，并不包含產(chǎn)品的全部詳細(xì)定量信息，對(duì)于產(chǎn)品而言仍存在一定的不確定性，限制了系統(tǒng)模型對(duì)產(chǎn)品的預(yù)測(cè)能力[26]。為克服系統(tǒng)模型的不確定性問(wèn)題，在系統(tǒng)建模過(guò)程中引入學(xué)科模型，利用定量的學(xué)科描述提升系統(tǒng)模型決策和預(yù)測(cè)的有效性，已經(jīng)成為普遍認(rèn)可的解決思路。系統(tǒng)模型中融入學(xué)科模型，除了提高自身模型的能力以外，還可為學(xué)科模型提供管理媒介[27]，從跨學(xué)科關(guān)系的視角來(lái)驅(qū)動(dòng)或引導(dǎo)學(xué)科模型之間的集成與優(yōu)化，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)此類(lèi)學(xué)科復(fù)雜度高、耦合性強(qiáng)的產(chǎn)品提供新的學(xué)科模型集成思路。

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型和學(xué)科模型的聯(lián)合應(yīng)用，模型之間信息的連通性是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于系統(tǒng)模型的語(yǔ)義不確定性與學(xué)科模型的描述精準(zhǔn)性差異明顯，除了要明確交互接口規(guī)范、數(shù)據(jù)類(lèi)型和通訊規(guī)則等信息以外，還需要精心設(shè)計(jì)并定義各自模型中信息交互與存儲(chǔ)的屬性。

當(dāng)前，對(duì)于系統(tǒng)模型與學(xué)科仿真模型的連通研究，很多借鑒了學(xué)科模型之間集成的思路，如Galisson等[28]使用Arcadia方法論，利用Capella工具創(chuàng)建產(chǎn)品系統(tǒng)模型的過(guò)程中，借助模型識(shí)別卡 （MIC）的方法，在系統(tǒng)模型中引入新的Viewpoint配置用于捕獲學(xué)科仿真的需求與特征，最終形成面向?qū)W科建模與評(píng)估的MIC，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型與學(xué)科模型的交互。

對(duì)于仍以文檔管理為中心的學(xué)科幾何模型，已有很多團(tuán)隊(duì)開(kāi)展研究，力圖用系統(tǒng)模型來(lái)驅(qū)動(dòng)和管理幾何模型，提升查詢(xún)和分析系統(tǒng)模型與學(xué)科幾何模型的能力。Bajaj等[29]在系統(tǒng)建模過(guò)程中，以參數(shù)化建模的方式將幾何模型與需求相關(guān)聯(lián)，將需求作為“種子”成為學(xué)科幾何模型的起點(diǎn)，將系統(tǒng)級(jí)約束編碼為幾何或參數(shù)邊界，在將系統(tǒng)需求可視化為幾何圖形的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)計(jì)算幾何模型是否違反約束的方法。此外，通過(guò)對(duì)學(xué)科幾何模型不同階段基線(xiàn)模型內(nèi)系統(tǒng)屬性的提取，又實(shí)現(xiàn)了工程分析和系統(tǒng)需求的自動(dòng)化驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)在數(shù)字主線(xiàn)方向一系列的研究與應(yīng)用，Bajaj等[30]的思想已經(jīng)在美國(guó)Intercax公司推出的Syndeia平臺(tái)中形成了系統(tǒng)生命周期處理程序 （SLH）的軟件環(huán)境，通過(guò)連接從需求和系統(tǒng)架構(gòu)到PLM/計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和仿真模型到機(jī)器和傳感器數(shù)據(jù)流的異構(gòu)工件，提供構(gòu)建、管理、查詢(xún)和可視化數(shù)字主線(xiàn)的服務(wù)。Syndeia利用STEP、REST/HTTP、OSLC等開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，將源自各種軟件倉(cāng)庫(kù)和工具的模型和數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，如SysML工具、PLM和ALM環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(kù)、需求和項(xiàng)目管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真工具等，并為各個(gè)倉(cāng)庫(kù)、工具、模型和數(shù)據(jù)等編制產(chǎn)品/系統(tǒng)的總體系統(tǒng)模型圖提供可視化服務(wù)，在保證信息關(guān)聯(lián)性、追溯性、交互通暢性的同時(shí)，最大限度降低工程師的學(xué)習(xí)與使用成本。

Vosgien等[2]通過(guò)對(duì)學(xué)科幾何模型的深入研究，引入了多學(xué)科數(shù)字集成鏈的概念，多學(xué)科數(shù)字集成鏈?zhǔn)嵌嗉?jí)設(shè)計(jì)–仿真回路，將子系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù) （潛在來(lái)自多個(gè)學(xué)科）集成在一起，以預(yù)測(cè)全局系統(tǒng)行為，從而驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否符合預(yù)期。在數(shù)字化集成鏈的背景下，提出了可用作大型裝配有限元模型的數(shù)字樣機(jī)轉(zhuǎn)換方法，使系統(tǒng)模型可應(yīng)用于學(xué)科幾何模型的行為仿真中。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，歐洲資助的AGILE 4.0項(xiàng)目也將目光聚焦在了系統(tǒng)模型與學(xué)科模型集成上，希望可以在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案權(quán)衡和需求追溯的同時(shí)，加速系統(tǒng)模型與學(xué)科模型之間相互轉(zhuǎn)化的效率[31]。通過(guò)研究與實(shí)踐，形成了一個(gè)聯(lián)合MBSE和MDAO的開(kāi)發(fā)框架[32]。在此框架下，整合了一系列系統(tǒng)模型開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證工具、學(xué)科模型開(kāi)發(fā)與分析工具和用于支持系統(tǒng)模型與學(xué)科模型轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)規(guī)范等成果[33]，并在某型無(wú)人機(jī)認(rèn)證[34]和某型號(hào)大飛機(jī)供應(yīng)鏈管理[35]等方面開(kāi)展應(yīng)用。

4.3 數(shù)字孿生的仿真建模方法

產(chǎn)品生命周期中的多個(gè)階段向數(shù)字主線(xiàn)提供信息，可以用來(lái)在未來(lái)的設(shè)計(jì)中做出明智的選擇，以及減少設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝成本的不確定性。此外，這些信息可能揭示更有效的操作策略。執(zhí)行設(shè)計(jì)決策為產(chǎn)品生命周期添加了新的信息，改變了數(shù)字主線(xiàn)的狀態(tài)。這一過(guò)程可以用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和不確定性下的決策問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。如利用貝葉斯推理和決策理論的工具，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述[36]。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生建模問(wèn)題，早期主要有機(jī)理性建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，以及機(jī)理/數(shù)據(jù)混合模型3類(lèi)方法。機(jī)理性建模方法從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)理出發(fā)，基于通用理論模型，應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)公式對(duì)進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管進(jìn)行建模，考慮熱力循環(huán)過(guò)程中的流量方程、壓氣機(jī)中的壓縮方程、燃燒室中的熱平衡方程、換熱方程等建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生模型。機(jī)理性建模的不足是缺乏與航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)合，因而難以準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期性能特性。

近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模理論，包括支持向量回歸建模、極限學(xué)習(xí)機(jī)建模、智能辨識(shí)優(yōu)化算法以及機(jī)器學(xué)習(xí)等基本理論的發(fā)展，國(guó)外學(xué)者也發(fā)展了大量基于設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，直接辨識(shí)/訓(xùn)練成高精度的數(shù)字孿生模型，例如通過(guò)NARMAX辨識(shí)方法可以在時(shí)域和頻域分別對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分參數(shù)分析，確定模型階數(shù)并對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，進(jìn)一步提高了建模方法的精確性。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模目前主流是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)方法，因此其強(qiáng)大的映射能力可實(shí)現(xiàn)多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的系統(tǒng)建模。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模選取大量的樣本數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行訓(xùn)練，可以得到更好的仿真效果，計(jì)算結(jié)果通常能夠與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精確吻合。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的不足是忽略了對(duì)設(shè)備物理特性的描述，難以對(duì)結(jié)果給出機(jī)理性的解釋。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生仿真建模來(lái)說(shuō)，使用場(chǎng)景對(duì)其置信度要求極高時(shí)，單一的建模方法顯然無(wú)法在全包線(xiàn)、全狀態(tài)范圍內(nèi)精確反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)甚至飛機(jī)整體性能；另一方面，從整個(gè)數(shù)字孿生的高保真度要求來(lái)看，工業(yè)需求不僅追求發(fā)動(dòng)機(jī)本身的熱力性能信息，同時(shí)也關(guān)注其結(jié)構(gòu)和內(nèi)部三維流動(dòng)，甚至全生命周期或各類(lèi)故障下的表現(xiàn)情況，傳統(tǒng)的單學(xué)科仿真難以滿(mǎn)足數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用需求，多專(zhuān)業(yè)間匹配開(kāi)始成為數(shù)字孿生的標(biāo)配，因此其建模方法趨向多學(xué)科，跨專(zhuān)業(yè)，需要通過(guò)模型降階技術(shù)、通用接口模型設(shè)計(jì)和統(tǒng)一仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等各類(lèi)專(zhuān)業(yè)模型、有限元仿真模型進(jìn)行有效集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的多學(xué)科聯(lián)合仿真模型，涉及的建模技術(shù)包括：建模規(guī)范構(gòu)建、多學(xué)科系統(tǒng)建模、有限元模型降階、異構(gòu)模型集成、模型修正與更新、虛實(shí)交互接口開(kāi)發(fā)和模型實(shí)時(shí)化等技術(shù)。

5 結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的難度和復(fù)雜性迫切需要數(shù)字化技術(shù)的支持。對(duì)于歐美航空強(qiáng)國(guó)，數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中起到關(guān)鍵作用，數(shù)據(jù)和模型連通性工作正在穩(wěn)步推進(jìn)，高精度數(shù)字化建模和動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)正在貫穿航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和運(yùn)維的全生命周期，并已經(jīng)逐步整合到正向設(shè)計(jì)研發(fā)體系中，給發(fā)動(dòng)機(jī)研制帶來(lái)顯著的效率提升和成本下降。推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝備由過(guò)去長(zhǎng)周期試制向快速迭代轉(zhuǎn)變，打造低成本可持續(xù)供給能力，構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化生態(tài)是當(dāng)務(wù)之急。

通過(guò)回顧數(shù)字化概念的發(fā)展歷程和實(shí)質(zhì)內(nèi)容，本文指出了MBSE、數(shù)字孿生、數(shù)字主線(xiàn)等技術(shù)緊密且不可分割的關(guān)系，又認(rèn)識(shí)到數(shù)字化面對(duì)的問(wèn)題不是航空發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)有的，而解決方案卻一定是以行業(yè)特點(diǎn)和專(zhuān)家知識(shí)為主導(dǎo)，并結(jié)合數(shù)字工程概念發(fā)展了數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)概念。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的分析，面對(duì)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)挑戰(zhàn)，總結(jié)出了建設(shè)高可信度基礎(chǔ)模型庫(kù)和算法庫(kù)、即插即用互聯(lián)互通的通用仿真平臺(tái)、基于數(shù)字主線(xiàn)的仿真工作流管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多學(xué)科耦合整機(jī)集成仿真技術(shù)、基于數(shù)據(jù)的分析和決策支持技術(shù)等需要開(kāi)展的工作內(nèi)容。針對(duì)數(shù)字化需要建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文總結(jié)學(xué)科仿真集成方法、系統(tǒng)模型和學(xué)科模型的連通方法、數(shù)字孿生建模方法的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)?nèi)容和方向，為行業(yè)開(kāi)展具體技術(shù)開(kāi)發(fā)工作提供支持。

開(kāi)展數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)研究和建設(shè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)，需要融合航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)的最新成果，需要擁有顛覆性數(shù)字化、智能化理念和專(zhuān)精的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的研究機(jī)構(gòu)、高校、研究所和生產(chǎn)廠家等單位的廣泛和深入的合作。