數字孿生技術在“忠誠僚機”項目中的應用

梁浩聰，紀紅霞，姚軍，熊世忠

95894部隊

“忠誠僚機”項目是波音公司全面應用數字孿生技術的項目之一。該技術不僅降低了系統研制的風險，而且大幅縮短了開發周期。本文圍繞“忠誠僚機”的全生命周期，分析數字孿生技術在設計過程中的模型驗證、制造裝配過程中的零件檢測、運行過程中的輔助決策等階段中的應用。

數字孿生思想最早由美國密歇根大學邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授提出，當時被命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變為“數字孿生”（Digital Twin,DT）。

數字孿生技術是指，利用科學技術為現實世界中的物體構建一個數字實體，借此來了解物理實體，進而對實體進行分析和優化。

作為理論技術體系，數字孿生技術在航空、航天、電力、汽車、石油天然氣、醫療、船舶與航運、城市管理、智慧農業、建筑、環境保護等行業廣泛應場。在航空領域，數字孿生技術可應用在產品全生命周期的各個階段。例如，設計過程中的模型驗證，制造裝配過程中的零件檢測，運行過程中的輔助決策等環節。

近年來，以數字孿生技術為核心構建的數字線程（Digital Thread），實現了航空產品全生命周期中的閉環管理和關鍵點智能仿真決策。波音公司在2019年啟動數字孿生體系建設任務，并發布《波音數字系統模型和數字孿生體系白皮書》。波音公司在數字孿生體系建設過程中，結合傳統V工程方法，設計了系統工程鉆石模型，希望借助數字孿生體系和數字線程，解決基于模型的系統工程(MBSE)在實施過程中遇到的問題。

數字孿生技術在“忠誠僚機”項目中的應用

“忠誠僚機”（Loyal Wingman）項目由美國空軍研究實驗室（AFRL）發起，具體研究內容包括無人機編隊系統、有人機/無人機編隊系統、系統在復雜對抗環境下的作戰。美國和澳大利亞兩國聯合研制的“空中力量編隊系統”(ATS)是“忠誠僚機”項目的重要組成部分。從2019年2月澳大利亞國防部宣布為波音公司澳大利亞分公司撥預算款，到2021年3月澳大利亞皇家空軍成功完成首架“空中力量編隊系統”首飛。

圖1 數字孿生技術在航空領域的應用。

“忠誠僚機”項目應用了基于模型的系統工程方法，是波音公司全面應用數字孿生技術的項目之一。波音公司利用數字孿生技術對系統的全生命周期的各個環節進行建模，前期對設計、生產、總裝測試等環節實施大量的計算機模擬，不僅降低了系統研制風險，而且大幅縮短了驗證機的開發周期。

在設計方案驗證階段的應用

數字實體系統可實現高效仿真驗證。根據“忠誠僚機”的技術指標、總體方案、詳細設計方案等需求，技術人員采用數字孿生技術，在數字實體系統中創建高精度、多系統、高復雜度的“忠誠僚機”數字化樣機用于仿真試驗。建模和仿真工具可提供數字化和可視化工程圖、分析數據以及試驗環境，從而減少物理試驗和設計迭代的次數，節省時間和節約成本。在“忠誠僚機”設計之初，技術人員在數字化空間進行試驗，可實現“邊設計，邊試驗，邊修正”流程，相較以往的“設計—樣品—試驗—修改”的流程，前者能提高仿真驗證效率。

在智能制造階段中的應用

數字孿生技術可搭建智能生產線，實時調控生產過程。在“忠誠僚機”的生產過程中，技術人員利用數字孿生技術，一是實時監測零件加工狀態，及時處理次品零件，降低次品零件進入裝配階段的概率；二是實時控制產品質量，將質量監控數據與歷史經驗數據進行比對，及時調整工藝參數；三是實時監控備件數量，準確預測生產環節中的需求，合理配置資源從而保證穩定生產。

數字孿生技術對生產制造過程進行優化，有效提高了“忠誠僚機”的生產速度。

在飛行測試階段中的應用

數字孿生技術可迭代數字仿真試驗，優化實際飛行操作。根據地面、飛行、航線飛行等試驗得到的實際數據，數字孿生技術可以對“忠誠僚機”孿生體進行更新迭代。數字孿生技術運用并不是取代實際測量和測試，而是對實際和數字信息進行高度融合，得到更準確的飛行測試數據，并利用機器學習和數據科學方法進行飛行決策。澳大利亞皇家空軍已開展“空中力量編隊系統”驗證機的地面測試、滑跑和飛行等試驗，在整個飛行測試任務中，波音公司澳大利亞分公司收集無人僚機的測試數據，并利用實飛數據對數字孿生系統進行升級改造，大大縮短了“空中力量編隊系統”從首飛到進入部隊服役的周期。

圖2 “空中力量編隊系統”無人僚機的研制采用了數字孿生技術。

表1 澳大利亞“忠誠僚機”項目的發展進程。

圖3 波音公司澳大利亞分公司“忠誠僚機”的仿真模型。

在維修階段中的應用

首先，數字孿生健康監測模型可實現精準而高效的維修。無人機機體疲勞預測利用概率分析方法分析各種不確定性來源，該概率分析方法主要通過融合使用數據和檢查數據，來更新和減少這些不確定性因素；二是減少無人機認證測試的次數和持續時間，消除意外因素導致的裂紋和故障，減少結構維修的次數和頻率；三是利用歷史經驗數據，構建無人機健康監測模型以預測關鍵組件的壽命，輔助工程人員進行預測性維修工作。數字孿生體可以有效降低維修時間與成本，提高無人僚機的作戰效能。

關鍵作用分析

目前，數字孿生技術在“忠誠僚機”項目研制與測試階段的應用取得了實質性進展。未來，針對“忠誠僚機”的作戰場景及特點，波音公司澳大利亞分公司將把數字孿生技術與大數據、人工智能等技術結合起來，解決無人機編隊協同、有人機/無人機編隊協同以及復雜對抗環境下作戰等方面遇到的難題。

為無人機編隊提供最優任務協同執行方案

圖4 數字孿生技術在“忠誠僚機”全生命周期各階段的應用示意圖。

隨著編隊中無人機數量的增加，傳統算法已無法提供最優解?；跀底謱\生模型的智能協同框架能有效地將資源密集型操作轉化為數字模型，為無人機編隊協同飛行提供最優解決方案。在編隊數字實體中加載任務規劃航線進行仿真計算，將各種突發情況添加到算法中進行預演，從而提高任務規劃方法的可信度。任務執行人員在數字實體內實時監測無人機編隊的飛行狀態，可以在實際任務執行過程中對任務航線進行實時修正，對無人機進行實時指揮與控制，使無人機編隊更好地執行任務。

驗證有人機/無人機編隊的自主能力

“忠誠僚機”編隊系統執行任務時，由空中有人機進行控制。在編隊飛行中，無人僚機的飛行速度、飛行高度等關鍵參數必須與有人機基本匹配，這樣才能有效開展編隊協同飛行、集結等一系列戰術動作。在數字孿生模型中，有人機和無人機之間建立信息反饋和映射等級，可驗證編隊的自主協同控制能力。有人機/無人機編隊共享關鍵戰術信息，有人長機準確掌握虛擬戰場態勢，演練實際作戰任務。

為復雜環境下作戰提供支撐

在大數據、人工智能、數字孿生等技術支撐下，無人裝備在未來復雜和危險的戰場中將扮演重要角色。打造數字孿生戰場，并將無人機、無人車、無人船作為前沿傳感器，發揮無人節點間的通信中繼功能，建立網絡化戰場體系，最終達到分布式作戰目標。 ■

AR-20變距多旋翼無人機開展換裝氫動力試驗

3月13日，中國直升機設計所研制的變距多旋翼無人機AR-20順利完成換裝氫動力試飛試驗，驗證了氫動力電池應用于變距多旋翼無人機的可行性。試驗科目包括功能性檢查試飛試驗、不同起飛重量適應性試飛試驗、典型飛行狀態適應性試飛試驗、長航時懸停試飛試驗。

據悉，AR-20多旋翼無人機采用高效變距旋翼系統、超低長徑比低速大扭矩電機及一體化復合材料機體結構設計，具有部署快、噪聲低、抗風性能強、高原適應性好、作業效率高等特點。