數字主線應用于航空發動機的初步探討

■ 劉婷 張建超 / 中國航發研究院

數字主線（Digital Thread）一詞起源于航空航天領域，用于對系統從設計、制造、組裝到交付的整個過程進行數字化管理。經過一段時期的發展，數字主線被認為是一種改變游戲規則的顛覆性技術。

美國空軍于2013年發起了兩項并行活動：一項是空軍首席科學家對未來技術趨勢進行的研究調查，得出總結報告《寰球視野》（Global Horizons）；另一項是空軍總工程師受命提高空軍工程能力，得到研究報告《空軍工程企業戰略計劃》（The Air Force Engineering Enterprise Strategic Plan）。這兩份報告的共同點是建議開發一種分析框架以支持數字工程，被稱為“美國空軍數字主線”（USAF Digital Thread），旨在擴展基于模型的工程（MBE）、行業數字主線和數字孿生的原理，以涵蓋裝備的預研、設計、制造和運維的全生命周期。

為了響應上述報告，美國空軍與國防部成立協同工作小組，以國防部的“計算研究和工程采辦工具環境項目”（CREATE）為依托，探索美國空軍數字主線的試點應用，為飛行器采辦項目的工程人員開發和部署一套支持多學科、基于物理的仿真軟件產品，其核心是使用響應面方法（response surface methodology）和現代高性能計算資源，將武器系統設計研發過程中的專用高保真工具的輸出轉換為高精度的數字代理模型，進行快速性能預測，并結合試驗或經驗數據以及統計工程來表征系統，并量化其裕度和不確定性，指導采辦人員在關鍵決策點進行決策部署，以實現對國防采辦工程工作流程的重大改進，進而提高美國空軍的敏捷開發和部署能力（如圖1所示）。

圖1 CREATE-AV試點項目中提出的減少開發測試/評估時間和成本的數字主線方法

數字主線的基本概念

美國空軍協同工作小組與工業界合作，為數字主線下了定義，指出數字主線是一個可擴展、可配置的企業級分析框架，基于數字系統模型的模板，無縫地加速企業數據—信息—知識系統中權威數據、信息和知識的相互作用，通過提供訪問、集成不同數據，并將其轉換為可操作信息的能力，來為決策者提供產品全生命周期的信息。

值得一提的是，與數字主線一并被定義的還有數字系統模型和數字孿生兩個概念。其中，數字系統模型指的是由所有利益相關者生成，集成了權威數據、信息、算法和系統工程過程的設備系統數字表示；數字孿生是指一種集成的多物理、多尺度、概率性的在建系統數值仿真，由數字主線實現，使用最佳可用模型、傳感器信息和輸入數據來鏡像和預測其相應物理系統全生命周期內的活動和性能。從上述定義可以看出，三者之間既有區別又有聯系。

圖2 數字系統模型、數字孿生和數字主線關系示意

三者區別在于：數字系統模型側重于實現設備系統數字表示的政策指導和結構，是一種體系化、模板化的指導模型；數字孿生側重于對物理模型的動態、高保真數字化表達，利用傳感器信息不斷更新數字模型，實現對物理系統性能、損傷和壽命等的預測；數字主線側重于對數據流的組織和管理，強調在正確的時間將正確的信息傳遞到正確的地方，實現數據的可追溯性。

與此同時，數字系統模型、數字孿生和數字主線之間又有著緊密的聯系（如圖2所示）。數字主線將所有數字孿生功能鏈接在一起，如設計/性能數據、產品數據以及供應鏈數據，數字主線與支撐數字孿生的工具相結合，可以將數字孿生擴展到產品的全生命周期，涵蓋了設計、性能、制造、維護等階段，支持傳遞設計、性能、可制造性和維修性等所有數據流。舉例來說，如果航空航天設備由于系統故障而發生事故，那么數字主線就可以在整個設備生命周期中進行追溯，從而能夠快速鎖定問題所在。簡言之，數字系統模型是基礎，數字主線是手段和過程，數字孿生是目標。2018年，美國空軍發布數字工程戰略，將上述數字系統模型、數字主線、數字孿生作為構建未來美國數字工程生態系統核心紐帶之一。

數字主線發展現狀

全球知名的咨詢服務公司埃森哲（Accenture）在2017年開展了關于數字主線的調研，結果表明，只有7%的航空航天與國防（A＆D）公司已經完全集成了數字主線，只有27%的A＆D公司在業務和信息技術（IT）部門之間共享了數字主線和數字孿生的所有權，其側重點仍然是利用數字孿生提高企業運營效率，這說明當時的行業似乎更關注于成本優化。然而，復雜產品系統雖然能夠自主運行，但大規模協作依賴于數字主線所提供的完整且可訪問的數據，而如果沒有全球范圍內的合作，則無法設計制造。隨著制造商運營理念從單純的成本控制向敏捷開發和基于數字化服務獲得額外收益的方向發展，當前主流的A＆D公司正在積極研究數字主線，旨在建立公司產品的“權威”數據和通信平臺，通過數據流推動客戶體驗背后的數字見解。

美國空軍是數字主線應用的先驅，致力于取得復雜系統設計、交付、維護與快速變化的使用環境、緊縮的預算、有限的開發時間之間的平衡。A-10戰斗機是在20世紀70年代使用二維圖樣設計的，為了延長飛機的服役壽命而開展了A-10機翼更換計劃（WRP），即使用數字工程技術對A-10戰斗機的機翼進行了升級改造。為了降低成本，提高質量并應用先進的制造技術，A-10 WRP項目辦公室選擇在A-10機翼零件和組件上使用基于模型的定義（MBD），以統一的Adobe 3D PDF格式生成零件的“繪圖”文檔。據悉，WRP項目產生了大約10000個不同零件的設計模型報告，這些新的3D PDF零件報告包含制造商、供應商和臨時用戶執行其支持功能所需的所有信息。此外A-10還采用了新技術NLign將維修映射到三維模型上，如圖3所示。3D MBD和產品生命周期管理（PLM）的采用，使A-10可以構建全生命周期中維護階段的數字主線，使得A-10飛機的機翼質量減輕了12%，而壽命則增加了8倍。

圖3 基于NLign技術的A-10機翼維修映射過程

洛克希德-馬丁（洛馬）公司F-35戰斗機的開發和早期生產即分階段采用了數字主線理念。在第一階段，工程部門生成了精確的三維工程模型和二維圖樣，包括合作伙伴和供應商等在內的所有分析數據均被發布到通用產品全生命周期管理系統中，以實現可訪問性和配置集成，使得工程和工裝變更數量大幅減少，提高可生產性和變化管理；在第二階段，構建了工程數據以支持工廠自動化，如自動鉆孔比手工鉆孔快4倍左右，質量近乎完美，重復性顯著；在第三階段，數字主線直接向工程師創建工作指令圖樣等產品，這些圖樣由三維實體模型提供，可直觀地指導工程師或現場維修人員；在第四階段，使用先進的非接觸測量技術（如激光掃描）識別早期制造過程的偏差，并快速糾正這些偏差，阻止缺陷向下游移動以降低成本。據悉，洛馬公司正在積極部署下一代數字工程計劃，其數字主線愿景被稱為“產品數字宇宙”（Product Digiverse），擬基于達索公司的3D Experience平臺提高整個產品全生命周期的可負擔性、效率和協作性。

在西門子公司的數字化體系中，產品全生命周期的不同階段對應有3種類型的數字孿生——產品孿生、生產過程孿生和性能孿生，而數字主線將3個數字孿生連接起來使之同時進化（如圖4所示）。換言之，數字主線將設計、生產和運行等全生命周期各階段的數據匯集在一起，實現全生命周期及整個價值鏈的反饋，通過數字主線可以追溯到產品設計的早期階段，并將豐富的數據傳播到生產、運行和維護過程中，從而為設計、制造、裝配、供應、維護和運營等全生命周期和價值鏈的各個利益相關者創造一個完整、封閉的決策環境。近期，西門子公司將數字主線理念應用到電氣系統設計和集成領域，開發了一種基于數字數據連續性原理的電氣工具套件Capital。該軟件的核心是豐富的數據建模和數據管理能力，通過其詳細的組件建模、廣泛的設計規則檢查（DRC）和數據庫穩定性，降低在集成完備性檢查、生產準備狀態評審、型號認證和投入使用等關鍵里程碑階段所面臨的風險。

圖4 西門子公司數字孿生與數字主線

此外，GE航空集團、參數技術公司（PTC）等也探討了數字主線在企業數字化轉型中的應用。GE全球研究中心技術總監弗斯托斯認為，設計師在開展新產品設計并形成零件或產品的計算機輔助設計（CAD）模型時，數字主線就開始形成了。隨后的優化設計將以數字形式傳輸到制造工廠進行建模和仿真，包括工藝流程、工廠布局、機器人和制造控件等的仿真和優化。一旦對設計和過程進行了虛擬驗證，數據便被傳輸到實際制造工廠，利用智能機器轉換數據以制造零件或產品。此外，制造工廠與供應商也通過數字主線實時通信和連接，以實現最佳的生產控制和物流。PTC在其企業數字化轉型白皮書中提到，數字主線主要是構建貫通產品設計、制造、運營和服務等各環節的數字化數據流，實現虛擬與物理之間的數物融合以及不同業務流程間的業務融合，為企業各相關方提供實時的數據分析和決策支持。

航空發動機數字主線

當前，航空發動機全生命周期中的每一個階段通常對應了一種工程實踐組織形式，各自擁有自身獨有的專業知識和基于模型的工具，由此導致各個階段之間的信息共享產生障礙，上游數據無法對下游工程活動進行支撐，而下游數據也難以流回上游指導優化，使得設計周期長、運行效率低、維護成本高，亟待探索一種新的、行業級的信息系統運行模式。針對上述現狀，基于數字主線的基本定義，同時參考國內外關于數字主線的研究和應用現狀，筆者對于數字主線在航空發動機中的應用進行了深入思考，提出了發動機數字主線的基本概念（如圖5所示）。

數字主線的目的是使用現代數據通信技術，在實物空間內部（實—實互聯）、虛擬空間內部（虛—虛互聯）以及實物空間和虛擬空間之間（虛—實互聯）建立聯系，使得發動機研發全生命周期各個階段產生的數據和模型可通過數據接口協議在適當的決策點插入到數字主線中。值得注意的是，數字主線必須保證其中的數據和模型在任何時刻是唯一且權威的，才能實現某一階段的利益相關方（政府、行業或用戶）在對模型進行完善或者修正時，其余利益相關方能同步獲得更新，且模型和數據的歷史版本需要完整可查，從而保證數據的可回溯性，以支持關鍵決策。

圖5 面向航空發動機的數字主線概念示意

在實—實互聯方面，數字主線提供的數據接口協議支撐發動機企業實現橫向和縱向整合，通過橫向整合流程可在生產現場、跨多個生產設備以及整個供應鏈中緊密集成在一起；通過縱向集成，數據可自由地從車間回流到企業各個部門，即生產與研發以及其他部門的業務流程緊密集成在一起，從而打破數據和知識孤島。此外，借助先進的傳感器技術、邊緣計算、大數據、人工智能（AI）分析、增材制造等技術，未來可實現發動機產品和生產過程的智能化，從而提高生產力，創新服務模式。

在虛—虛互聯方面，通過數字主線將發動機研制全生命周期的各個階段打通，具有訪問權限的部門可隨時從數字主線系統中提取發動機的相關模型和數據，開展相應的研究活動，并隨著其研究活動的進程而同步更新數字主線中的模型和數據，始終保持其內部數據的唯一性和權威性。對于工業部門而言，通過數字主線可以實現設計制造一體化，加速產品研發過程和優化改進；對于用戶來說，通過數字主線可以獲得發動機各類性能數據，了解其設計過程的細節，從而支撐運行性能優化、快速維修決策和問題溯源。

在實—虛互聯方面，通過使用統計工程方法，可以在發動機研制過程的每一步量化原始物理模型中的不確定性。發動機在進入生產、試驗和使用時會產生大量的實際數據，可將其與仿真數據合并從而修正數字主線中的模型，并細化不確定度預測，從而確保數字主線中的模型和數據是在實際數據本身精度范圍內的最佳可用信息。例如，壓氣機氣動特性的預測模型可以在初步設計階段開發，通過詳細設計過程得到增強，并在試驗中達到成熟。

此外，在航空發動機的數字化體系中，數字主線和數字孿生仍然遵循著前者為手段和過程，后者為目標的相互關系，即在發動機型號研制的不同階段，相關部門利用數字主線抓取當前發動機的模型和數據，并基于內部開發的設計、仿真工具進行研發活動，結合當前能夠獲得的實際試驗或使用數據，構建出該型號的發動機數字孿生體。因此，隨著研發過程的進行，在數字主線的支撐下，發動機數字孿生的形態越來越完整、功能越來越復雜，最終伴隨著實際發動機交付到用戶手中，支撐實際的使用和運行維護。

數字主線實現所面臨的挑戰分析

當前，數字主線正處于起步階段，其業務價值正在快速增長，但未來在實現數字主線方面仍面臨著相當多的挑戰。

一是信息安全保障。數字主線中承載的是行業高價值的數據和信息，涉及企業價值鏈的方方面面，需要制定并執行合理的安全保障策略，從技術、管理、工程和人員等方面提出安全保障要求，確保信息系統的保密性、完整性和可用性，降低安全風險。

二是數據管理能力。在數據組織方面，數字主線的第一步是識別數據源，提供訪問數據的能力并以各種功能可以利用該數據的方式組織數據。在數據存儲和使用方面，由于數字主線依賴于跨區域和功能的協作，因此必須建立關于大數據存儲及按需提供數據的關鍵策略。在數據維護方面，為了保證數字主線的準確性和唯一性，需要根據每一次設計變化的最新情況進行模型更新，如一個機隊需要500臺發動機，每次飛行后安裝在特定發動機上的20個部件相關的模型需要根據飛行產生的應力和應變更新，以反映其組成部件的當前狀況，那么數字主線需要同時維護超過10000個各類型模型的更新。

三是良好的合作環境。航空發動機研發流程復雜，須在大量工業軟件的支持下完成。例如，現有三維CAD設計軟件主要側重于幾何建模，而高精度的仿真分析需要借助專用的仿真軟件，不同軟件之間需要解決兼容性才能更好地支持發動機的設計研發乃至后續的使用維護。因此需要建立統一的數據標準、模型格式、框架和/或接口，使得這些模型能夠同時或迭代運行。此外，在航空航天領域，每個核心參與方都擁有知識產權，如獨特的設計工具、開發過程、制造技術等，將數字主線推向實際應用時需要在對設計方法、制造過程、物理特性和更多系統的全面認識與保護知識產權之間取得最佳平衡。

結束語

數字主線提供了一種通信框架，以幫助促進產品數據在其全生命周期中的集成和連接數據流，并支持產品全生命周期中訪問、轉換、集成和分析來自各種不同系統的數據。將數字主線概念應用于航空發動機等復雜系統的研發和應用領域，提供實—實、虛—虛和虛—實互聯的通道，有望推動設計、制造、運行和維護模式的巨大革新。