转载 | 数字线索助力美空军航空装备寿命周期决策

（本文改编自刘亚威先生于2017年9月在中国航空科技大会会议上发表的稿件）

美空军在2013年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索（Digital Thread）和数字孪生（Digital Twin）视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇，并从2014财年起组织洛克希德·马丁（下称洛马）、波音、诺斯罗普·格鲁门（下称诺格）、通用电气、普拉特·惠特尼（下称普惠）等公司开展了一系列应用研究项目，已陆续取得成果。其中，诺格公司主持的F-35中机身制造数字线索项目获得了2016年度美国国防制造技术奖。美空军计划在E-8对地监视与攻击指挥飞机替换、T-X高级教练机、远程防区外空射核巡航导弹等重要采办项目中推广应用数字线索。

一、数字线索具有颠覆性意义

1．数字线索是基于模型的系统工程分析框架

数字线索旨在通过先进的建模与仿真工具建立一种技术流程，提供访问、综合并分析系统寿命周期各阶段数据的能力，使军方和工业部门能够基于高逼真度的系统模型，充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析，完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。

数字线索的特点是“全部元素建模定义、全部数据采集分析、全部决策仿真评估”，能够量化并减少系统寿命周期中的各种不确定性，实现需求的自动跟踪、设计的快速迭代、生产的稳定控制和维护的实时管理。美空军认为，系统工程将在基于模型的基础上进一步经历数字线索变革。

图1  支撑国防部采办的数字工程的完整视图

2．数字线索将变革传统研制模式与产品寿命周期管理

数字线索的应用，将大大提高基于模型系统工程的实施水平，实现“建造前飞行”，颠覆传统“设计－制造－试验”模式，在数字空间中高效完成大部分分析试验，实现向“设计－虚拟综合－数字制造－物理制造”的新模式转变。

数字线索的应用，可创造每个物理实体的数字孪生模型，将使航空装备实现个体化、综合化、可预测和预防性的“使用前保障”。单个产品的历史数据对操作、维修和工程人员开放，针对每个产品定制预先维修／翻新方案。维修将基于对损伤和损伤先兆的早期分析识别，大部分保障工作转变为寿命周期中的损伤预测、预防和管理。

图2  数字线索支撑飞行器生命周期决策

二、数字线索将提升航空装备寿命周期的研发能力

1．在概念开发阶段提升分析评估各要素对方案影响的能力

数字线索构建可与体系（SoS）工程方法、作战模型、物理特性模型和真实－虚拟－构造仿真模型交互的跨领域“公共”模型，在系统权衡中将装备解决方案、航电架构和体系互用性彼此连通，对作战效能／军事价值与需求增量成本和风险进行比较，支撑在能力规划与分析早期阶段形成技术可行、经济可承受、可互用的装备解决方案，并大大减少需求迭代时间。

美空军在“飞行器计算研究工程采办工具环境”（CREATE-AV）及基于体系工程方法的“情报、监视与侦察多解析度分析器”基础上，应用下一代加油机构型，根据流程执行了一项数字线索互用性研究。空军研究后认为：数字线索使其首次具备了在早期需求设定阶段，分析评估体系、网络、模块化开放式架构、非装备备选方案等要素对飞行系统平台互用性和互依赖性影响的能力。

图3  将数字线索公共模型综合到ISR-MRA中

2．在设计（含试验与评价）阶段大幅降低研制周期和成本

数字线索可从宏观和微观上改善飞行器设计过程：利用响应面、模型降阶和概率分析等方法对系统设计进行评价、分析，更好地理解在试系统，减少风洞试验和飞行试验的数量；实施完整的有限元结构分析，支持设计和重量管理的快速闭合；通过对组件耐久性和损伤容限的工程分析，建立疲劳裂纹起始和增长的模型，进行设计特征几何迭代直到满足设计寿命指标。

美空军针对高性能飞行器静态和动态稳定性和控制特性的确定，提出了利用CREATE-AV、通过试验设计设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法，并使用F-22战斗机的外模线和风洞试验数据库，执行了数字线索试验研究，确认了该方法的有效性。

图4  数字线索方法减少研制试验与评价时间和成本

数字线索还可将材料工艺活动集成到系统工程活动前期：建立有充分材料工艺依据的、成本／重量／性能等方面的概率参数模型，建立有充分物理特性依据的材料工艺概率模型，将这些材料与工艺模型和详细设计分析模型连接，并自动更新模型。这将改变从初步设计向详细设计过程中需求单向流动的现状，通过探索设计和制造的权衡、量化系统性能的界限和不确定性、优化研制流程并尽量减少在后期发现缺陷，大大降低研制周期和成本。

3．在生产阶段提升零件合格率和生产效率

数字线索完整采集供应链中每个零件数据，通过提供保证质量、可重复性和高水平过程控制所需的数据，以及各流程点的信息集成，将提升设计、生产、试验和交付合格零件的能力。普惠公司仅在两个发动机组件制造中使用数字线索，通过量化不确定性和面向波动的设计实现基于性能的产品定义，减少了废品和返工，每年预计可节省高达4200万美元的成本。

诺格公司在F-35中机身生产中建立了一个数字线索基础设施来支撑物料评审委员会决策劣品处理，通过数字孪生改进了多个工程流程：自动采集数据并实时验证劣品标签，将数据（图像、工艺和修理数据）精准地映射到设计模型，使其能在三维环境下可视化、被搜索并展示趋势。通过在三维环境中实现快速和精确的自动分析，缩短了处理时间，并通过制造工艺或组件设计使更改减少。通过流程改进，公司处理F-35进气道加工缺陷的时间缩短了33%。

图5  普惠公司数字线索基础设施

4．在使用和保障阶段提升健康诊断和优化维修保障能力

数字线索能够更好地实现使用和保障之间的数据双向传递，提升健康诊断和寿命预测能力。通过在役飞行器的数字孪生及实时数据采集，能够对单个机体结构进行跟踪：使用所有的可用信息（如飞行数据、无损评价数据）并基于物理特性（如流体动力学、结构力学、材料科学与工程），进行有充分根据的分析；使用概率分析方法量化风险，并使数据闭环流动（如自动更新概率）。

美空军与波音公司合作构建了F-15C机体数字孪生模型，开发了分析框架；综合利用集成计算材料工程等先进手段，实现了多尺度仿真和结构完整性诊断；配合先进建模仿真工具，实现了残余应力、结构几何、载荷与边界条件、有限元分析网络尺寸以及材料微结构不确定性的管理与预测。综上所述，即可预测结构组件何时到达寿命期限，调整结构检查、修改、大修和替换的时间。

图6  数字孪生将数据与工程模型集成

结合增强现实等智能技术，数字线索还将进一步提升现场实时维护能力。通过数字线索提供实时的数据、检查清单和反馈，F-22和F-35维护人员的活动被记录并添加到数字线索中，未来的维护人员可在任何地点及时看到一架飞机己完成的相关活动流，以优化持续保障活动。

三、数字线索实施需要大幅提升数字化、信息化基础能力

在项目中实施数字线索需要大幅提升以下三方面的基础能力：

1．多学科、多物理、多逼真度建模与仿真能力

数字线索中使用的系统模型，能够在数字空间全面表达装备系统的功能和性能，相当于全方位的数字样机，应具备多学科、多物理、多逼真度仿真能力。在这方面，美国防部开发的CREATE-AV，通过数字线索导入其中的飞行系统模型架构，可构建支持气动、动态稳定性和控制以及结构仿真的高逼真物理特性模型，高效执行分析优化，支撑航空装备概念开发和设计。

2．数据在寿命周期双向流动的组织方式创新能力

数字线索改变了以往数据只能正向流动的局面，可将历史的与当前的数据、信息和知识集成到各层级、各领域模型中整体分析，在保护项目知识产权（如私有工具、内部实践）的同时使知识利用最优化。通过数字线索在系统模型中映射物理实体的基本要素，还可对已建造系统进行精准**形成数字孪生模型，从而实现对制造性、检测性和保障性的评价与优化，支撑航空装备的生产、使用和保障。这些功能的实现对数据双向流动的组织管理提出了很高要求。

3．数据模型高效集成分析的信息化能力

数字线索首要的技术挑战是跨阶段、跨组织、跨领域的互用性问题，这需要研究并建立数据和模型的交换标准并开发本体论，同时还要实现顶层信息技术架构的集成，并按项目定制开发信息技术解决方案和工程工具，特别是需要提升高性能计算能力和网络安全防护能力。

四、结束语

总之，数字线索已经成为美空军及军工巨头的顶层战略，对提升航空装备需求迭代、产品研制、制造缺陷处理、维修的效率和产品质量产生了显著成效。我国目前尚缺乏多物理联合仿真、高性能计算工具、工艺在线检测分析、使用保障数据反馈等手段和条件，影响了航空装备高效、高质量研制。因此，我国应围绕数字线索的研究与实践，应进一步完善体系框架，开发建模与仿真工具，打通信息孤岛，建立安全防护和知识产权保护措施，提升数字化、信息化基础能力，推动航空工业全面迈向基于模型的系统工程和智能制造时代。

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