導語隨著數(shù)字仿真等信息技術的發(fā)展，數(shù)字主線與數(shù)字孿生作為可以實現(xiàn)物理實體空間與數(shù)字虛擬空間的信息智能交互的數(shù)字工程技術，已成為復雜產(chǎn)品研制與系統(tǒng)管理控制領域的研究熱點，也是下一代工業(yè)生產(chǎn)制造智能化轉型發(fā)展的重要方向。為更好地理解該項技術并擴展其在復雜產(chǎn)品研制中的應用，介紹基于復雜產(chǎn)品系統(tǒng)全壽命周期背景下的數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術的相關基本概念，梳理數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎之上，重點分析這項技術在產(chǎn)品設計與分析階段、生產(chǎn)與驗證階段以及管理與保障階段的制造全壽命周期中的實際應用，以期為武器裝備數(shù)字化研制提供一定的理論參考和借鑒。

引 言

在當今各行業(yè)復雜程度不斷加深的背景下，隨著信息技術的發(fā)展與融合應用，以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的前沿技術與理論也在快速發(fā)展與迭代創(chuàng)新。我國已出臺了“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略，旨在利用新型技術推動產(chǎn)業(yè)轉型。技術不僅帶來數(shù)字化，也將必然引導自動化，尤其是產(chǎn)品大規(guī)模定制和軟件組件的重要性不斷上升，給工業(yè)制造業(yè)等帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)字化技術被視為實現(xiàn)更高水平生產(chǎn)力的抓手與機遇，數(shù)字化制造技術也因此掀起了新一輪的信息革命浪潮。2013年，美國空軍開展頂層科技發(fā)展規(guī)劃，并發(fā)布文件《全球地平線》。該文件將數(shù)字主線與數(shù)字孿生兩項技術列為數(shù)字化制造發(fā)展的顛覆性技術。此后，美國波音、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼等企業(yè)紛紛開啟數(shù)字化項目的應用研究，并取得相關成果。

1. 數(shù)字主線與數(shù)字孿生的基本概念

1.1數(shù)字主線

美國學者Kraft指出，數(shù)字主線（Digital thread）是可進行配置以及拓展的一種分析架構，主要應用于企業(yè)級的復雜組織體。在整個復雜產(chǎn)品系統(tǒng)全壽命周期中，研發(fā)人員需要將整個研制過程中的零散數(shù)據(jù)進行整合，轉化成有效信息并將其傳遞給各工序管理者或負責人以便決策。數(shù)字主線可以加速這一過程中數(shù)據(jù)、信息和知識之間的可控相互作用能夠提供集成的企業(yè)級視角，利用工藝技術相關數(shù)據(jù)與信息的無縫交互與集成分析，對復雜產(chǎn)品制造存在的問題與風險進行動態(tài)分析與評估，最終達到縮短復雜產(chǎn)品制造壽命周期各流程迭代時間的目的。此外，數(shù)字主線也是一種可連接數(shù)據(jù)流的通信框架，能夠為復雜產(chǎn)品全壽命周期中孤立視圖提供集成視圖，它可以使產(chǎn)品模型在獲取關鍵數(shù)據(jù)的同時進行雙向同步，最終實現(xiàn)模型在產(chǎn)品全壽命周期的有效傳遞、引用與反饋。

1.2 數(shù)字孿生

美國國家航空航天局在阿波羅項目中首先提出產(chǎn)品“孿生體/雙胞胎（twins）”的概念。2003年，美國密歇根大學教授Grieves首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念，即“一種與特定實體等價的虛擬數(shù)字化表達”。隨后，美國國防部在航天產(chǎn)品健康監(jiān)測、維保等過程中引入了這一概念。數(shù)字孿生是指充分利用可用模型、感知信息以及輸入數(shù)據(jù)，建造多物理、多分辨率和多概率的系統(tǒng)集成仿真，在虛擬環(huán)境中由數(shù)字線索完成映射，并預測相對應的物理實體壽命周期過程。

復雜產(chǎn)品數(shù)字孿生具備幾個特點。首先，數(shù)字孿生能夠對復雜產(chǎn)品的物理狀態(tài)進行描述，通過快速構想并填充缺失的碎片化信息，在生產(chǎn)制造車間現(xiàn)有實物產(chǎn)品及其虛擬產(chǎn)品信息基礎上實現(xiàn)對實物產(chǎn)品的優(yōu)化；其次，數(shù)字孿生通過不斷擴展、積累相關知識，能夠及時發(fā)現(xiàn)虛擬狀態(tài)與物理狀態(tài)復雜產(chǎn)品間的差距，并根據(jù)動態(tài)變化及時調(diào)整；再次，數(shù)字孿生通過對物理空間生產(chǎn)制造系統(tǒng)行為進行模擬復現(xiàn)，將復雜產(chǎn)品與其生產(chǎn)制造系統(tǒng)在物理空間模型與數(shù)字空間模型中進行實時交互，達到遠程控制的目的。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計建模建立的是靜態(tài)、理想化的產(chǎn)品信息模型，忽略了與產(chǎn)品實際加工、裝配和檢測等實測數(shù)據(jù)的偏差，而數(shù)字孿生則強調(diào)對產(chǎn)品真實狀態(tài)的描述，它不僅可以利用高保真建模技術，同時還可以使用高實時交互反饋、高可靠分析預測等數(shù)字化手段，將產(chǎn)品的理想設計信息與其實際加工、裝配和檢測等制造信息進行統(tǒng)一，建立基于數(shù)字孿生技術反映產(chǎn)品制造狀態(tài)的信息模型，準確描述并管理每個產(chǎn)品的真實數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與產(chǎn)品設計信息模型的有機融合，提高整個數(shù)字孿生模型系統(tǒng)的精度。綜合上述分析，數(shù)字主線作為通道、方法和接口對數(shù)字孿生產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)進行訪問、整合以及轉換，可以實現(xiàn)復雜產(chǎn)品在不同空間的信息雙向處理和全面追溯，進而完成復雜產(chǎn)品系統(tǒng)全壽命周期的管理。

1.3 數(shù)字主線與數(shù)字孿生在產(chǎn)品全壽命周期中的應用

目前，數(shù)字主線和數(shù)字孿生通過具體活動技術數(shù)據(jù)集成，為產(chǎn)品全壽命周期提供更高效和更靈活的數(shù)字化手段，為項目驗證提供更好的決策依據(jù)。數(shù)字主線由原來的復雜產(chǎn)品設計與服務階段開始向生產(chǎn)制造階段延伸，并為數(shù)字孿生提供訪問、整合和轉換能力，實現(xiàn)貫通復雜產(chǎn)品運行概念、解決方案和研制的全壽命周期業(yè)務過程的數(shù)字空間和物理空間信息的雙向共享/交互和全面追溯。

2. 數(shù)字主線與數(shù)字孿生的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 數(shù)字主線

隨著復雜產(chǎn)品系統(tǒng)大規(guī)模協(xié)作制造，國外國防部門以及工業(yè)巨頭正在積極研究數(shù)字主線，并推出了各自的數(shù)字主線理念，現(xiàn)已陸續(xù)取得成果。例如，2017年，美國國防部發(fā)布制造工程戰(zhàn)略，數(shù)字主線是該戰(zhàn)略的重要推進方向。美國空軍提出了使用數(shù)字工程技術對A-10戰(zhàn)斗機機翼進行升級改造的計劃。該項計劃利用數(shù)字化設計將機翼零件和組件進行模型格式統(tǒng)一，并結合產(chǎn)品壽命周期管理，構建了維護階段的數(shù)字主線，在實現(xiàn)戰(zhàn)斗機減重的同時也大幅提高其壽命。洛克希德·馬丁公司在設計開發(fā)F-35戰(zhàn)斗機和生產(chǎn)的早期階段就采用了數(shù)字主線的思想，實現(xiàn)了F-35通用產(chǎn)品模型和圖樣的統(tǒng)一配置管理、基于工程數(shù)據(jù)的工廠自動化、數(shù)字主線對人員的直接指導、制造過程偏差的快速識別和糾偏等。該公司還提出名為“產(chǎn)品數(shù)字宇宙”（Product Digiverse）的新一代數(shù)字化技術發(fā)展理念，目的是實現(xiàn)整個產(chǎn)品全壽命周期的經(jīng)濟性、效率和協(xié)作性的提升。除此之外，通用航空集團、參數(shù)技術公司等也積極探索數(shù)字主線在企業(yè)數(shù)字化轉型中的應用。

國內(nèi)學者在數(shù)字主線方面也進行了一些研究。周軍華等指出數(shù)字孿生的演進需要數(shù)字主線和數(shù)據(jù)驅動作為支撐，提出了一種面向數(shù)字孿生的武器系統(tǒng)數(shù)字主線構建技術。王焱等針對航空產(chǎn)品制造需求，分析了智能生產(chǎn)系統(tǒng)的結構、組成及關鍵要素，并根據(jù)制造過程中信息流主線將智能生產(chǎn)過程分成兩條數(shù)據(jù)鏈路，形成生產(chǎn)系統(tǒng)的“數(shù)字主線”。劉婷等探討了將數(shù)字主線應用于航空發(fā)動機等復雜系統(tǒng)領域的可能性，提出了面向航空發(fā)動機的數(shù)字主線基本框架，從而實現(xiàn)實物空間內(nèi)部、虛擬空間內(nèi)部以及實物空間和虛擬空間之間三者的互聯(lián)。此外，在民用領域，國內(nèi)研究人員針對煤炭智能開采有效管理，石油長輸管道設計、施工到運維整個壽命周期的數(shù)據(jù)傳遞，變電站作業(yè)流程監(jiān)管數(shù)字化，企業(yè)生產(chǎn)過程安全預防的精準化與智能化管理等領域需求，進行了數(shù)字主線技術的相關應用研究，分析了數(shù)字主線應用的關鍵點和系統(tǒng)中數(shù)字主線的作用。

2.2 數(shù)字孿生

在國外，數(shù)字孿生技術相關應用研究發(fā)軔于國防軍工領域。2012年，美國國家航空航天局和美國空軍共同提出面對未來飛行器的數(shù)字孿生范例。近年來，洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼、空中客車等軍工巨頭積極推進數(shù)字孿生技術在武器系統(tǒng)設計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運行維護等方向的應用。例如，洛克希德·馬丁采用數(shù)字孿生技術將F-35的生產(chǎn)周期縮短了5個月，生產(chǎn)成本降低1000萬美元。達索航空公司將基于數(shù)字孿生理念建立的虛擬開發(fā)與仿真平臺用于“陣風”系列戰(zhàn)斗機的設計過程改進，以降低成本、提升質量。

由于通用電氣、西門子等公司的推廣，數(shù)字孿生技術近年來在工業(yè)制造領域同樣得到快速發(fā)展。通用公司利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術，實現(xiàn)了對航空發(fā)動機的實時監(jiān)測和維護判斷，而西門子則于2017年底正式發(fā)布了完整數(shù)字孿生體的應用模型。Stojanovic等研究了一種基于數(shù)據(jù)驅動的孿生模型的改進方案，并提出了一種具有自我意識的數(shù)字孿生模型概念。Cecil等討論了工業(yè)4.0背景下基于物聯(lián)網(wǎng)具有促進分布式工程伙伴之間快速、敏捷協(xié)作潛力的網(wǎng)絡物理框架的設計和實現(xiàn)。Kritzinger等通過對制造業(yè)數(shù)字孿生文獻、集成程度進行分類綜述后，認為數(shù)字孿生按照虛實融合程度可劃分為數(shù)字孿生、數(shù)字投影和數(shù)字模型。

國內(nèi)對數(shù)字孿生技術的研究和工具平臺研發(fā)雖然起步較晚，但也取得了一定進展和成果。在數(shù)字孿生技術研究方面，莊存波等系統(tǒng)闡述了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵，并提出了產(chǎn)品數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全壽命周期不同階段的實施途徑。王鵬等提出面向數(shù)字孿生的動態(tài)數(shù)據(jù)驅動建模與仿真方法，解決了信息物理系統(tǒng)中動態(tài)實體的運行建模與仿真結果的差異問題。曹增義等提出了面向航空發(fā)動機研制過程的數(shù)字孿生技術應用架構，從實際執(zhí)行層面分別對工藝、制造、裝配、維保的數(shù)字孿生模塊進行關鍵支撐技術分析，并開展相關應用實踐，為運用數(shù)字孿生技術進行航空發(fā)動機研制提供了理論和方法參考。孟松鶴等給出了數(shù)字孿生各個階段的演進及應用的方式方法、技術與工具，探索其模型在智能生產(chǎn)各階段的應用。總體來說，目前針對數(shù)字孿生技術的研究和應用還處于初級階段。

3. 數(shù)字主線與數(shù)字孿生在全壽命周期的應用

數(shù)字主線與數(shù)字孿生技術正在被逐步應用于產(chǎn)品全壽命周期的各個環(huán)節(jié)，即產(chǎn)品設計與分析、生產(chǎn)與驗證以及管理與保障，這對于提高復雜產(chǎn)品的研發(fā)質量、制造的生產(chǎn)效率、設備的預測性維護具有重要意義。

3.1 設計與分析階段

從系統(tǒng)工程流程來看，在設計階段，首先要根據(jù)工程要求和條件制定一套詳細的設計標準，隨后完善設計以符合這些標準，并通過一系列分析和開發(fā)測試確認設計是否符合這些標準。以航天某飛行器研制為例，工程與制造開發(fā)階段通常包括關鍵設計審查，之后才可以進行開發(fā)性測試與評估之系統(tǒng)的制造。

3.1.1 在詳細設計的前期審核中的應用

美國國防部要求研制項目在進入工程與制造開發(fā)階段前，必須定義完整的系統(tǒng)規(guī)范和設計要求，以便進行詳細設計。在詳細設計前期的審核過程中，要求呈現(xiàn)零部件的幾何尺寸和材料規(guī)格，而目前的設計標準方針使得詳細的設計要求、設計標準和分析方法難以滿足系統(tǒng)化規(guī)范化等多方面的要求。

數(shù)字主線可以提供關于復雜產(chǎn)品要求和標準的權威數(shù)字模型，便于將裝備研制、生產(chǎn)、維修及保障等流程中的要求提前納入，及時改進優(yōu)化產(chǎn)品設計及研制，形成閉環(huán)。同時，數(shù)字主線有助于開發(fā)者重新審查不同組件要求相關的所有決策，使設計規(guī)范更容易滿足設計要求。

3.1.2在“預測式”詳細設計方面的應用

當前的詳細設計主要以2D文檔作為指南進行材料和制造工藝的選擇。這種設計方法忽略了研制過程中材料性能的時時轉變，應用設計指導時容易產(chǎn)生誤差以及可制造性（零部件幾何形狀和相關幾何公差要求）的變化。同時，這種誤差會限制將設計性能與生產(chǎn)相結合的能力。基于數(shù)字主線的集成計算材料工程在未來的角色越來越重要，將成為制造設計與快速制造的重要推動者。數(shù)字主線將獲取集成計算材料工程模型的權限與結果，在采購中使用集成計算材料工程模型，并與工程性能模型集成，從而保障設計質量，這種設計方式被稱為數(shù)字化詳細設計。數(shù)字主線使詳細設計過程首次具備了分析評估體系、網(wǎng)絡、模塊化開放式架構，使詳細設計能夠更加精確地指導制造。

3.2生產(chǎn)與驗證階段

在生產(chǎn)與驗證階段，數(shù)字主線可以改善優(yōu)化航天領域復雜產(chǎn)品的設計制造過程。數(shù)字主線采用概率、模型降階等手段及方法對生產(chǎn)系統(tǒng)的設計進行分析，在充分了解整個生產(chǎn)在試系統(tǒng)后，將飛行試驗、風洞試驗等試驗數(shù)量降到最低；再利用完整有效的有限元結構進行分析，以便支撐設計與試驗結果快速閉環(huán)。此外，數(shù)字主線與數(shù)字孿生通過構型管理，集成各流程點的信息，將提升生產(chǎn)與試驗階段的能力，大幅縮短研制周期，降低成本。

3.2.1在虛實結合方面的應用

在復雜產(chǎn)品的制造過程中，工作人員首先對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行收集，然后將其對應的數(shù)字主線模型與信息處理模型形成關聯(lián)，即物理狀態(tài)與虛擬狀態(tài)的產(chǎn)品形成一一映射與關聯(lián)，使通過有限元獲得的模型不僅可以顯示在屏幕上，同時還能夠在多方面、多維度與現(xiàn)實中的產(chǎn)品互動。例如，將設計方案數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)、虛擬狀態(tài)中顯示異常的點狀數(shù)據(jù)以及經(jīng)過自動檢驗后續(xù)操作的可行性數(shù)據(jù)等進行比對。通過將物理狀態(tài)的產(chǎn)品與虛擬狀態(tài)的產(chǎn)品形成互動，提高實際生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)品的質量與生產(chǎn)效率。

3.2.2在產(chǎn)品構型管理中的應用

產(chǎn)品構型管理通常也稱為產(chǎn)品的技術狀態(tài)管理。在復雜產(chǎn)品生產(chǎn)和應用過程的全壽命周期中，構型管理是以產(chǎn)品結構為組織方式，關聯(lián)并管控產(chǎn)品全過程鏈條數(shù)據(jù)，以達到控制產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性和有效性的一種數(shù)據(jù)管理技術。

如前文所述，基于數(shù)字主線，利用數(shù)字孿生技術可在虛擬空間中構建物理空間的復雜產(chǎn)品模型，將產(chǎn)品的虛擬狀態(tài)與物理狀態(tài)一一形成映射，再通過物理系統(tǒng)向虛擬空間數(shù)字化模型進行數(shù)據(jù)反饋，最終實現(xiàn)復雜產(chǎn)品全過程數(shù)據(jù)實時管理和控制。由于構建全壽命周期的產(chǎn)品模型覆蓋產(chǎn)品在物理研制生產(chǎn)制造中的所有流程與要素，因此，在技術狀態(tài)驗證審核時，便能夠與其設計研制時的數(shù)據(jù)建立關聯(lián)，這樣不僅可以減少技術狀態(tài)審核與技術狀態(tài)紀實中虛擬模型與實際研制數(shù)據(jù)之間的對比工作，同時還能提升審核效率以及對一致性的判斷力。此外，數(shù)字孿生模型中包含了產(chǎn)品技術狀態(tài)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對產(chǎn)品技術狀態(tài)更改、修訂、刪除等的實時動態(tài)響應，達到不同階段技術狀態(tài)協(xié)同控制的目的，為產(chǎn)品設計及生產(chǎn)制造奠定基礎。技術狀態(tài)項在復雜產(chǎn)品研制全壽命周期中包括圖樣設計、工藝策劃與制定、生產(chǎn)制造、試驗檢測等過程，不同過程中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)在產(chǎn)品研制過程中將得到進一步優(yōu)化，通過與模型特征建立對應聯(lián)系，從而實現(xiàn)虛擬模型驅動控制下的產(chǎn)品研制。針對技術狀態(tài)管理過程中的技術狀態(tài)標識、控制、紀實、審核與驗證項，同樣可以對所有數(shù)據(jù)的收集、傳輸和反饋的過程建立模型特征聯(lián)系，實現(xiàn)模型驅動。

3.3管理與保障階段

針對復雜產(chǎn)品的管理以及維修保障情況，需要對產(chǎn)品所處的環(huán)境、所在的具體空間位置、使用狀態(tài)、質量表現(xiàn)以及其所具備的功能狀態(tài)等進行跟蹤與監(jiān)控，這些均依托于數(shù)字主線技術來進行。數(shù)字主線能夠將產(chǎn)品的實時情況、性能表現(xiàn)以及使用維修等進行數(shù)字化并形成數(shù)據(jù)，不僅可以直觀發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的質量問題，還可以利用這些數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行故障分析及壽命預測。若復雜產(chǎn)品已經(jīng)存在故障與缺陷，數(shù)字主線技術能夠將問題存在的具體位置進行快速定位，實現(xiàn)對故障問題的記錄與分析。

3.3.1在產(chǎn)品維修預測中的應用

為了加強維修效能和效率、制定綜合預測性維修方法、提高裝備可靠性等，美國國防部于2012年10月頒布了DODI4151.22《增強型基于狀態(tài)的維修（CBM+）》指令，要求對反映設備實際狀況的各項參數(shù)進行測量，以降低維修的停機時間與成本。通過對產(chǎn)品的使用及運行狀態(tài)等進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題后可及時預警并通知維修保障人員采取措施。由于對產(chǎn)品的預警監(jiān)測是實時更新的，因此維修時間并不固定，而是由保障維修負責人根據(jù)實際情況進行判斷。

為了更精準地預測產(chǎn)品使用壽命，美國空軍通過數(shù)字主線構建數(shù)字孿生體，利用數(shù)字孿生技術集成不同的物理屬性機體。此外，美國空軍還將獲得的數(shù)字孿生體樣機用于開發(fā)飛機的疲勞跟蹤流程，通過數(shù)字孿生體樣機對疲勞裂紋擴展性能、初始裂紋尺寸、載荷等因素進行預測，并通過貝葉斯網(wǎng)絡的結構化應用來預測裂紋尺寸的概率分布，實時更新疲勞裂紋擴展趨勢，實現(xiàn)了維修的“可預測化”。

3.3.2在延長產(chǎn)品使用壽命方面的應用

通過對產(chǎn)品的數(shù)字孿生體及實時數(shù)據(jù)進行采集，可以實時跟蹤產(chǎn)品服役情況，利用所獲得的有效信息（如飛行數(shù)據(jù)、貯存數(shù)據(jù)、環(huán)境適應性數(shù)據(jù)等）進行分析，使用概率分析方法量化使用風險，有利于提升產(chǎn)品故障診斷和壽命預測能力。美國空軍研究實驗室聯(lián)合波音公司共同開發(fā)出F-15C機體數(shù)字孿生模型及分析框架，結合一系列建模仿真工具，完成對產(chǎn)品有限元網(wǎng)格的劃分以及多數(shù)據(jù)、多維度的模擬仿真工作，對其載荷與邊界條件、殘余應力、材料微結構不確定性進行管理與預測，實現(xiàn)了對產(chǎn)品結構完成完整性的診斷。通過預測結構組件的壽命期限，可對結構檢查和維護時間進行動態(tài)調(diào)整，進一步提升效率。此外，已完成的維護活動數(shù)據(jù)會存儲記錄在數(shù)字主線中，并可隨時隨地進行提取和訪問，有利于產(chǎn)品后續(xù)的維護保障。

4. 結語

以系統(tǒng)工程為基礎，數(shù)字主線和數(shù)字孿生已經(jīng)成為軍工數(shù)字工程概念的關鍵實現(xiàn)要素，通過采用基于數(shù)字、基于模型的方法來改進數(shù)據(jù)和信息在產(chǎn)品整個壽命周期中的創(chuàng)建、管理和使用，加快了數(shù)據(jù)和信息之間的相互作用，使決策者能夠更高效地將數(shù)據(jù)轉換成為有效信息，提升決策能力。這將對航天武器裝備、復雜產(chǎn)品等在迭代更新、設計研制、生產(chǎn)過程中的缺陷規(guī)避與處理，以及維修保障工作效率和產(chǎn)品的質量產(chǎn)生很大影響。后續(xù)將在本研究基礎上，持續(xù)跟蹤并深入分析數(shù)字主線與數(shù)字孿生等相關技術在國內(nèi)外典型型號研制生產(chǎn)過程中的應用，并進行相應的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，從而能夠進一步改進復雜產(chǎn)品研制流程，以期提高產(chǎn)品的設計質量。