這是一篇發(fā)表于2020年12月的美國航空宇航協(xié)會和美國航空工業(yè)協(xié)會的白皮書或者觀點(diǎn)文章（Position Paper），原題目為：數(shù)字孿生：定義和價值（DIGITALTWIN: DEFINITION & VALUE）。鑒于航空航天行業(yè)的應(yīng)用是數(shù)字孿生應(yīng)用的重要典范應(yīng)用領(lǐng)域和數(shù)字孿生技術(shù)重要的起源點(diǎn),本報告可能對數(shù)字孿生的應(yīng)用和發(fā)展有一定的借鑒和指導(dǎo)作用，故將本報告進(jìn)行了粗略翻譯，供大家參考。

縱覽這篇文章，其核心價值有兩點(diǎn)：

1）文中通過案例提出一系列的航空業(yè)界數(shù)字孿生模型和考慮方面，這對于眾多行業(yè)的數(shù)字孿生體系統(tǒng)建設(shè)具有提示和借鑒作用；

2）文中一再強(qiáng)調(diào)對決策的支持，這也是提醒我們在數(shù)字孿生體系統(tǒng)建設(shè)時，要有明確的目的性，不能為建而建，建而不用。

這篇文章對我國航空業(yè)數(shù)字孿生體理念的應(yīng)用和系統(tǒng)建設(shè)借鑒作用尤其大，畢竟無論是AIAA還是AIA都是世界航空業(yè)界具有相當(dāng)影響力的組織。

在本文中反復(fù)應(yīng)用了若干個名稱和專業(yè)術(shù)語，對這些名詞在本處就個人的理解集中進(jìn)行說明。

[名詞注釋]

1）AIAA（American Institute of Aeronautics andAstronautics），美國航天航空學(xué)會，1963年由美國火箭學(xué)會（成立于1930年）和航空航天科學(xué)研究所（成立于1933年）合并而成，擁有來自91個國家的近30000名個人會員和95名公司會員，是世界上最大的致力于全球航空航天行業(yè)的技術(shù)協(xié)會。

2）AIA（Aerospace Industries Association ofAmerica），美國航空航天工業(yè)協(xié)會，成立于1919年，截至2002年11月，美國航空航天工業(yè)協(xié)會有正式會員公司75家、準(zhǔn)會員公司137家，涵蓋了美國所有重要商業(yè)、軍用和公務(wù)飛機(jī)、直升機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)、導(dǎo)彈、空間飛機(jī)制造商以及部分航空材料、相關(guān)零部件和設(shè)備制造商。

3）認(rèn)可過程（certification process），對于飛機(jī)的設(shè)計，尤其是民用飛機(jī)設(shè)計必須要通過適航認(rèn)證，軍用飛機(jī)也存在一系列的試飛過程。本人認(rèn)為本文中反復(fù)出現(xiàn)的“certification process”一詞應(yīng)該是指這樣一個過程。

4）FAA（Federal Aviation Administration），美國聯(lián)邦航空管理局，美國航空業(yè)的官方管理機(jī)構(gòu)。

5）MRO（Maintenance, Repair & Operations），指在實(shí)際的生產(chǎn)過程不直接構(gòu)成產(chǎn)品，只用于維護(hù)、維修、運(yùn)行設(shè)備的物料和服務(wù)。

6）DoD Digital Engineering Strategy，2018年6月，美國國防部發(fā)布一份報告。其中提出了5個目標(biāo)和關(guān)鍵領(lǐng)域。

7）LOTAR（long-term archival and retrieval），一個由AIA、ASD-STAN（歐洲航空航天標(biāo)準(zhǔn)化組織）、AFNET（法國互聯(lián)網(wǎng)用戶聯(lián)合會）、prostep ivip（一個位于德國達(dá)姆施塔特的致力于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和虛擬化開發(fā)的國際組織）、PDES（一個致力于STEP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的公司）組織的一個航空制造者國際聯(lián)合體。主要致力于EN/NAS 9300系列標(biāo)準(zhǔn)制訂。

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摘要

傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于航空航天系統(tǒng)復(fù)雜性增長速度，系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增長導(dǎo)致飛機(jī)傳統(tǒng)工作成本也在不斷上漲，如物理原型、實(shí)物測試和外場/定期維護(hù)等。應(yīng)用可以提供更高逼真度、速度和粒度的模擬物理環(huán)境的虛擬能力有望降低這些成本。數(shù)字孿生就是這樣一個虛擬技術(shù)，圖1和表1是數(shù)字孿生的定義和表示。

數(shù)字孿生概念：數(shù)字孿生是一個與物理資產(chǎn)相聯(lián)系的虛擬表示。

圖 1數(shù)字孿生概念表示

數(shù)字孿生體是一個與物理資產(chǎn)相連，并覆蓋整個產(chǎn)品生命周期的虛擬表示，其價值在于可飛速將工作從真實(shí)環(huán)境轉(zhuǎn)換到虛擬的能力和通過數(shù)字模型預(yù)測未來狀態(tài)、或失效時間，這將大大減少設(shè)計、生產(chǎn)和保持飛機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)所需的資源。由學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府官員共同編寫本文的主要目的包括：1）為航空業(yè)提供一個數(shù)字孿生體的通用定義；2）通過一系列的應(yīng)用和示例刻畫數(shù)字孿生體的能力；3）討論國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略與航空業(yè)數(shù)字孿生體觀點(diǎn)之間的一致性；4）確定應(yīng)用數(shù)字孿生體加速價值實(shí)現(xiàn)的未來重點(diǎn)領(lǐng)域和活動。特別是，本文建議建立一個跨學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、美國政府和相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的數(shù)字孿生“卓越中心”，以解決識別業(yè)務(wù)、技術(shù)、文化方面的需求、差距和挑戰(zhàn)。

目的

本文的目的是介紹航空行業(yè)（包括民用、軍用和商用）的數(shù)字孿生體的觀點(diǎn)和巨大價值，以及加速實(shí)現(xiàn)以數(shù)字轉(zhuǎn)型為代表的第四次工業(yè)革命的基本原因。數(shù)字孿生體集成的基于模型的先進(jìn)技術(shù)正在推動著數(shù)字轉(zhuǎn)型，它將大大加快先進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的研究步伐，使航空業(yè)通過創(chuàng)新產(chǎn)品、服務(wù)、客戶體驗(yàn)和較低的全生命周期成本在全球市場獲得競爭優(yōu)勢。

本文代表了航空業(yè)內(nèi)多個組織在數(shù)字孿生體方面的共識。編寫本文的AIAA和AIA是這些機(jī)構(gòu)的代表，認(rèn)為除了國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略之外還有一些其他觀點(diǎn)，它們有助于對數(shù)字轉(zhuǎn)型的價值有一個更復(fù)雜、全面地理解。雖然國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略最初是為軍事應(yīng)用而制定的，但其基本內(nèi)容也完全適用于民用和商用航空。

在本文中，數(shù)字孿生體的定義主要通過其對整個航空業(yè)的潛在應(yīng)用和價值來表述，并應(yīng)用航空業(yè)和學(xué)術(shù)界兩個不同角度的價值映射方法討論了多個數(shù)字孿生應(yīng)用，以說明數(shù)字孿生體如何幫助改進(jìn)性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和提高組織效率。

數(shù)字孿生定義

數(shù)字孿生體的定義為：

通過應(yīng)用資產(chǎn)全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)動態(tài)更新模擬單個/唯一或一組物理資產(chǎn)的信息結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系和行為的虛擬信息結(jié)構(gòu)，形成實(shí)現(xiàn)價值的決策。

代表航空業(yè)觀點(diǎn)的這一定義來源于對該領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)的廣泛和深入理解。在這一過程中，采用了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動方法用來識別描述數(shù)字孿生體特征的最常用的關(guān)鍵詞。沿用這一方法，航空業(yè)界構(gòu)造和投票選擇了這個長定義。

數(shù)字孿生體的基本要素包括：一個虛擬體（模型）、一個物理實(shí)體（資產(chǎn)）以及一個兩者之間的數(shù)據(jù)/信息交互（連接）。因此，數(shù)字孿生體必須有一個物理實(shí)體。

一個數(shù)字孿生體涵蓋一個物理資產(chǎn)的整個產(chǎn)品生命周期，即設(shè)計和工程階段（“設(shè)計”）、制造階段（“制造”）和運(yùn)行/維護(hù)階段（“使用”和“維護(hù)”）。正因?yàn)檫@樣，它能夠?qū)崿F(xiàn)更好的信息連接和知識連續(xù)性，并最終實(shí)現(xiàn)提高工作效率和效果，通過連續(xù)重定義設(shè)計和校準(zhǔn)模型改進(jìn)設(shè)計和制造。因此，虛擬體和物理資產(chǎn)的模型和數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵元素。模型確保資產(chǎn)正確表達(dá)，同時為產(chǎn)品生命周期提供分析、模擬和優(yōu)化提供媒介，這些模型可以是純數(shù)據(jù)驅(qū)動、純物理/模擬驅(qū)動或兩者的混合。數(shù)據(jù)在模型間進(jìn)行交換，并通過最新的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議及云平臺完成物理資產(chǎn)的實(shí)時收集，因此，這些數(shù)據(jù)可用于生命周期內(nèi)各階段描述、診斷、預(yù)測和/或分析，以便進(jìn)行決策。

如前所述，數(shù)字孿生體涵蓋了系統(tǒng)生命周期中的每個具有物理資產(chǎn)應(yīng)用的階段。一個材料訂單數(shù)字孿生系統(tǒng)由關(guān)聯(lián)材料試驗(yàn)的多層次材料物理模型和用于材料的增值、綜合、虛擬表示的機(jī)器學(xué)習(xí)方法組成，包括由于不完善的知識（認(rèn)知不確定性）或由于固有的、不可分解的問題（固有不確定性）引起的不確定性的類型特征。組件和子系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)包含增加有價值性能知識的物理原型和減少用于改進(jìn)未來的設(shè)計所需物理原型數(shù)量。機(jī)械和電子部件的數(shù)字孿生系統(tǒng)也可以應(yīng)用在硬件在環(huán)或軟件在環(huán)環(huán)境中。系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)可以應(yīng)用在人-虛擬-結(jié)構(gòu)一體訓(xùn)練模擬器中，用于增加資產(chǎn)的任務(wù)價值。制造過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)可以通過已有或新增資產(chǎn)優(yōu)化車間或工廠的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。包含試飛員個體特征的試飛飛機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)可以用來優(yōu)化飛行試驗(yàn)點(diǎn)，以通過每次試飛獲得最多的知識。

通過資產(chǎn)狀態(tài)的定量化、提高操作性能（包括自主駕駛）、預(yù)測可持續(xù)能力和壽命、提升用戶體驗(yàn)、在早期分析中獲得下一代產(chǎn)品的知識和反饋數(shù)據(jù)等方法，一個數(shù)字孿生體可以用來創(chuàng)造資產(chǎn)的最大價值。另外，數(shù)字孿生體還可用于：（i）通過建模和仿真方法，強(qiáng)化物理測量和試驗(yàn)，同時也是減少認(rèn)可過程的成本和時間的一種方法，（ii）建立更多生命周期評估，從在設(shè)、在造、在測階段移動到服務(wù)階段。因此，最終產(chǎn)品的數(shù)字孿生體不是一個附加功能，而是一個從初始概念、設(shè)計和開發(fā)，從組件到系統(tǒng)的連續(xù)的系統(tǒng)有機(jī)組成部分。通過數(shù)字孿生體期望獲得的價值、創(chuàng)造價值需要的傳感器和數(shù)據(jù)、為獲得最終價值而進(jìn)行的數(shù)字孿生體測試和驗(yàn)證等都是系統(tǒng)研發(fā)的要求。

為了使數(shù)字孿生的定義盡可能簡單明了，它應(yīng)該應(yīng)用基本要素來定義--模型、資產(chǎn)和用于增值關(guān)聯(lián)知識交互。在生命周期不同階段，數(shù)字孿生的附加屬性應(yīng)伴隨資產(chǎn)的性質(zhì)，例如訂單、組件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)、飛行試驗(yàn)、制造過程、最終產(chǎn)品，圖1為數(shù)字孿生的概念表示。

為了形成一個每個人都能理解的清晰表達(dá)的短定義，該短定義如下：

一個數(shù)字孿生體是一個連接的資產(chǎn)的虛擬表達(dá)。

數(shù)字孿生的能力

數(shù)字孿生體具有的能力是很多的，為簡單起見，主要研究為兩類：（i）通過建模和仿真來降低組件和子系統(tǒng)的認(rèn)證時間和成本；（ii）應(yīng)用整個生命周期獲得的信息，對組件與子系統(tǒng)的當(dāng)前和未來狀態(tài)做出決策和向面向未來工程的機(jī)構(gòu)設(shè)計實(shí)踐和知識庫提供反饋。

建模和仿真工具方面的最新進(jìn)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)研發(fā)過程、降低了飛機(jī)研發(fā)的成本和周期的可視化。已經(jīng)有一系列軟件工具可以幫助將工程圖進(jìn)行可視化，包括設(shè)計、制造、材料研發(fā)和性能、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)集成和性能分析等。更重要的是，這些工具可以集成在一起以加強(qiáng)原本就是需要的工程周期間的互連性和加快設(shè)計、分析、測試的迭代。通過將大量分析轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬绞?，可以減少昂貴的物理試驗(yàn)和設(shè)計迭代的次數(shù)，從而達(dá)到減少認(rèn)可過程的時間和成本的目的。物理試驗(yàn)的數(shù)據(jù)（如試件試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)、地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、航線試驗(yàn)等）也可以用來更新虛擬試驗(yàn)的相關(guān)條件。數(shù)字孿生并不能消除物理測量和測試，只是減少了數(shù)量和對此類信息的依賴。物理和虛擬信息相融合可以提供更魯棒和更廣泛的數(shù)據(jù)集，從而可以應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)科學(xué)方法進(jìn)行決策。

在產(chǎn)品生命周期中需要做出的許多決策，傳統(tǒng)上，這些決策都根據(jù)影響產(chǎn)品最終性能的因素憑經(jīng)驗(yàn)做出。結(jié)果是，產(chǎn)品不確定性和外部影響因素進(jìn)一步擴(kuò)散，形成產(chǎn)品當(dāng)前和未來性能的不確定性。數(shù)字孿生體應(yīng)用在整個生命周期收集的信息可以更新和更好地構(gòu)建實(shí)物的分析和決策過程。這些信息有很多形式，包括但不限于性能數(shù)據(jù)，幾何數(shù)據(jù)、材料的微觀結(jié)構(gòu)和譜系信息、服務(wù)載荷譜、部件損壞和老化等。隨著新型傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)/信息的數(shù)量和可信度將呈指數(shù)級增長。正在開發(fā)的狀態(tài)、材料和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和感知技術(shù)可以為單個產(chǎn)品或整個機(jī)隊的維護(hù)、維修和大修決策提供信息。最后，通過獲取整個產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)，并使其快速供設(shè)計師使用，基于從以前版本數(shù)據(jù)獲得的知識，可以改進(jìn)下一版本的特性、零件或子系統(tǒng)。

數(shù)字孿生應(yīng)用和價值示例

表2.1 產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用（設(shè)計過程）

表2.2 產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用（制造過程）

表2.3 支持和服務(wù)的數(shù)字孿生應(yīng)用（使用和維護(hù)）

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表2.1-2.3并不是詳盡列出，只是提供了代表性的數(shù)字孿生類型、應(yīng)用和可預(yù)測價值的案例。例如數(shù)字孿生體也可用于培訓(xùn)應(yīng)用（例如，將適當(dāng)?shù)腇AA模擬系統(tǒng)與飛機(jī)數(shù)字孿生體連接，用以預(yù)測在不同操作場景下的飛行性能）。其他潛在的數(shù)字孿生應(yīng)用包括可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全預(yù)測，事故重建和庫存預(yù)測及評估。所有的數(shù)字孿生潛在應(yīng)用都待將來進(jìn)一步開發(fā)。