數字孿生技術在航空發動機智能生產線中的應用

崔一輝 ，楊濱濤，方 義 ，徐 新

（1.中國航空發動機集團有限公司，北京100097；2.中國航發貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽550014）

0 引言

隨著物聯網、大數據和人工智能等新一代信息技術的廣泛應用，傳統制造業的運營、生產和商業模式都在發生快速轉變，催生了眾創眾包、協同設計、智能制造及預測式服務等多種新制造業態。以波音和GE為代表的國外先進航空制造企業先后啟動了數字化工程，將基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）、數字孿生、物聯網及大數據等技術融入產品研制全生命周期[1]，為實現產品創新發展和全球化的資源優化配置提供了基礎保障。

國外航空制造企業在工業化、自動化、數字化、網絡化和智能化循序發展過程中已經具備了堅實的工業基礎和綜合發展優勢，技術跨越相對平滑。與國外同行相比，國內航空發動機產業正處于關鍵技術攻關、數字化深化應用、網絡化和智能化起步等3期疊加突破時期，技術“補課”與技術“探索”同等重要。在現有數字化基礎條件下，航空發動機研制各關鍵環節的數字化應用已經初見成效[2]，正在向流程和數據驅動的產品協同研發模式轉型升級，數字孿生技術逐漸成為研究和應用的熱點。

本文從數字孿生的概念內涵入手，分析了航空發動機研制各階段的典型應用場景，通過應用實例驗證了數字孿生技術在智能生產線上的實現途徑。

1 數字孿生概念及內涵

2012年，美國NASA發布“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖，首次明確定義了數字孿生（Digital Twin）的概念，作為對美國空軍研究實驗室開展數字化服務實踐的階段性總結。之后，數字孿生的概念迅速受到高度關注，達索、GE、西門子等公司將其納入工業軟件產品的構建理念加以大力推廣，并被Gartner公司列為十大戰略科技發展趨勢之一。國內學術界和工業界對數字孿生等技術的發展及應用進行了長期跟蹤[3-7]，對不同的概念定義進行歸納和提煉，基本達成了共識：數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備全生命周期過程。

從上述數字孿生的概念可知，其本質是基于數據的、高置信度的復雜仿真過程，同時，具備虛實交互和優化擴展的能力，其內涵可以概括為：

（1）虛實2個空間的孿生體在研究范圍內是高度一致的，虛擬系統能夠有效反映實體系統的真實構成及狀態。

（2）實體系統能夠被量化，可通過穩定、可靠的模型和算法復現。

（3）虛實2個空間的交互是通過狀態感知和數據傳遞來實現的，實體系統具有異構數據的集成和融合處理能力。

（4）虛擬系統存在潛在的價值增值，能夠驗證、預測和優化實體系統。

數字孿生技術實現的關鍵在于模型和算法，能夠影響虛實2個孿生體之間的映射關系和可控性，目前在數字孿生建模、異構數據融合和實時交互等方面技術難度較大，限制了數字孿生技術的擴展應用，只能在有限的領域開展應用。隨著物聯網、虛擬現實、大數據、人工智能等技術的逐漸成熟，數字孿生技術在工業領域具有廣闊的應用前景。

2 數字孿生技術應用場景

航空發動機是典型的復雜產品，需要在高溫、高壓、高轉速環境下長期反復使用，結構復雜、技術難度大、研發周期長。長期以來，航空發動機的設計主要是依賴于各種物理試驗，使得航空發動機的研制周期長、耗資多、風險高[8]。數字孿生技術在產品設計、試驗驗證、生產制造和運行保障環節的應用，能夠有效提高產品研制效率，減少物理樣機數量及試驗時數，節約研發成本和縮短研發周期，對推動航空發動機研制和產品創新具有重要作用。

在產品設計階段，數字樣機和設計需求形成1對虛實孿生體。通過各種仿真軟件對整機、子系統和零件的設計模型進行結構強度和性能分析[9-12]，包含產品外形、功能、特性、可加工性、可裝配性、可維護性等內容，分析結果與設計需求的功能和性能指標進行比對，驗證設計方案的合理性，進而進行設計方案比選和優化迭代，縮短設計周期。

在試驗驗證階段，物理試驗和虛擬試驗是對應的1對虛實孿生體。物理試驗比較直觀、結果相對確定，但試驗成本比較高、準備周期長，受到傳感器數量和安裝位置的限制，能夠獲取的試驗信息有限。通過虛擬試驗，能夠對各種應用工況進行試驗驗證，避免過試驗或欠試驗問題，獲取更全面的測量信息，彌補物理試驗技術缺點和局限。物理試驗和虛擬試驗相互驗證，能夠迭代提升虛擬試驗的置信度，有效減少物理試驗數量和試驗費用。

在生產制造階段，物理車間和虛擬車間是1對虛實孿生體。目前能夠對生產線的布局設計、生產節拍、生產工藝、裝配工藝等關鍵參數進行實時動態模擬與分析，并將物理車間的實際運行狀態傳遞到虛擬車間系統[13-15]。二者相互結合，能夠開展生產線規劃設計，對生產線現場進行資源合理配置、優化生產結構和業務流程，為車間運行決策和動態調整提供決策建議。

在運行保障階段，航空發動機物理產品和虛擬產品是1對虛實孿生體。國外航空發動機企業通過傳感器數據對航空發動機的實時運行狀態進行監控和分析，并根據航空發動機的歷史維護記錄及相關使用數據，不斷預測產品的健康狀況和剩余使用壽命，為故障診斷和預測性維修提供數據支持。

3 智能生產線數字孿生技術實踐

自動化和數字化是實現智能制造的重要基礎。在傳統工藝下，某航空發動機零組件有64道機械加工工序，采用數控機床和普通機床混合加工模式，精加工工序通過數控設備的精度和工人現場編程保障；生產過程不透明，規范性差，產能計算不準確；生產現場尚未建立工控網和數據采集設備，依據人工經驗對生產過程進行控制，問題發現不及時，且誤檢問題嚴重；質量數據無法及時采集和分析，可追溯性差。

為提升生產現場的數字化協同和智能管控能力，提高產品機械加工質量，縮短生產周期，某制造廠對生產線進行數字化和網絡化改造，通過數字孿生技術對工藝設計過程和生產制造過程進行優化改進，取得了很好的應用效果。

3.1 數字孿生系統組成

模型是數字孿生的基礎，為反映實際智能生產線的物理狀態，搭建了智能生產線的虛擬系統和物理系統，如圖1所示。其中，虛擬系統中包含了產品和生產線數字孿生。產品數字孿生以設計3維模型為單一數據源，通過工藝設計和工藝仿真軟件對零組件的機械加工過程進行分析，確定工藝技術路線和工藝操作要求。智能生產線的虛擬分析引入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）虛擬調試、虛擬現實、數據交互等技術手段，對制造過程進行動態分析和調整，滿足柔性生產的需求。虛擬系統與物理系統之間通過數據集成的方式實時交互。

圖1 智能生產線數字孿生系統組成

3.2 技術實現途徑

產品數字孿生主要通過產品數據管理和3維設計軟件來實現，在設計3維模型的基礎上，進行了物料清單轉換、工藝路線設計、工藝模型定義、工藝仿真等工藝活動，如圖2所示，形成生產現場的制造執行數據，發布到制造執行系統，推送到車間加工工位。

整個設計、工藝、制造信息流以3維模型為媒介，實現了從設計、工藝、制造三者之間的無縫銜接。產品模型數據傳遞到生產現場，與加工完成后采集的實作數據進行對比，形成產品質量信息，通過條碼技術的應用，可實現全生命周期范圍內的數據追溯。

生產線數字孿生的意義在于對制造現場的實時監控和快速調試。在智能生產線的基礎上，增加虛擬調試平臺（Virtual Commissioning，VC）、（Virtual Reality，VR）系統、工廠仿真軟件等工藝設備，如圖3所示。通過工廠仿真軟件從幾何、物理、行為及規則等多維度對生產線建模，完成物理生產線到虛擬生產線的真實完整映射。生產線實際運行動作通過PLC傳遞到虛擬調試平臺，從而實現與虛擬生產線的數據交互。

圖2 主要工藝過程流程

VC虛擬調試平臺的系統架構如圖4所示。該平臺集成了生產線控制單元、人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）、安全光幕、I/O 模塊等，通過基于TCP/IP協議的以太網絡將硬件系統與虛擬調試平臺連接，通過平臺內部的用于過程控制的對象連接與嵌入技術（Object linking and embedding for Process Control，OPC）軟件服務器實現與工廠仿真軟件的信息交換。通過平臺集成的HMI界面，能夠快速采集現場設備作業信息，反饋信號驅動虛擬生產線數字模型同步展示設備動作，實現與物理生產線的動作同步。

圖3 基于數字孿生的生產線現場

圖4 虛擬調試平臺的系統架構

虛擬現實展示系統與VC虛擬調試系統集成，并與工廠仿真軟件連接，可通過VR眼鏡沉浸式觀看虛擬生產線狀態，對虛擬生產線進行設備移動、測距和移動機器人關節等操作，從而直觀感受和評價工藝方案的合理性。

3.3 應用效果

通過智能生產線建設和數字孿生技術應用，實現了某組合零件的柔性化和數字化生產。加工過程無人值守，使工序減少到原來的1/10，產能提升到原來的2倍，產品合格率達到98%以上。通過應用數字孿生技術，形成最優布局及最佳產能節拍，大大縮短了物理生產線的建設和調試周期，保證了生產線的建設質量。在制造過程中應用數字孿生技術，實現了在物理生產線正常運行的情況下，對新產品的制造過程進行工藝分析和生產調試，虛擬生產線設備的運行時間準確度大于85%，虛擬生產線和物理生產線機器人的動作延遲小于1 s，大大縮短新產品的上線周期。

4 結束語

數字孿生技術是實現智能制造的核心技術，與MBD建模、數字線索、虛擬仿真、數據融合等技術緊密關聯。數字孿生技術在制造業中深入應用，能夠評估制造工藝的合理性，統籌規劃制造資源和生產計劃；基于虛擬模型仿真和驗證物理生產系統中各組成部分的數據交互及運行情況，對生產過程進行準實時控制，減少傳統試錯法帶來的返工和資源浪費，有利于提高產品生產質量和生產效率，達到進一步降低工程成本、風險和能耗的目的。