数字主线与数字孪生技术发展及在复杂产品研制中的应用

随着数字仿真等信息技术的发展，数字主线与数字孪生作为可以实现物理实体空间与数字虚拟空间的信息智能交互的数字工程技术，已成为复杂产品研制与系统管理控制领域的研究热点，也是下一代工业生产制造智能化转型发展的重要方向。为更好地理解该项技术并扩展其在复杂产品研制中的应用，介绍基于复杂产品系统全寿命周期背景下的数字主线和数字孪生技术的相关基本概念，梳理数字主线和数字孪生技术的发展现状。在此基础之上，重点分析这项技术在产品设计与分析阶段、生产与验证阶段以及管理与保障阶段的制造全寿命周期中的实际应用，以期为武器装备数字化研制提供一定的理论参考和借鉴。

引言

在当今各行业复杂程度不断加深的背景下，随着信息技术的发展与融合应用，以云计算、大数据、人工智能等为代表的前沿技术与理论也在快速发展与迭代创新。我国已出台了“中国制造2025”“互联网+”等战略，旨在利用新型技术推动产业转型。技术不仅带来数字化，也将必然引导自动化，尤其是产品大规模定制和软件组件的重要性不断上升，给工业制造业等带来了新的挑战。

数字化技术被视为实现更高水平生产力的抓手与机遇，数字化制造技术也因此掀起了新一轮的信息革命浪潮。2013年，美国空军开展顶层科技发展规划，并发布文件《全球地平线》。该文件将数字主线与数字孪生两项技术列为数字化制造发展的颠覆性技术。此后，美国波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼等企业纷纷开启数字化项目的应用研究，并取得相关成果。

1.数字主线与数字孪生的基本概念

1.1  数字主线

美国学者Kraft指出，数字主线（Digital thread）是可进行配置以及拓展的一种分析架构，主要应用于企业级的复杂组织体。在整个复杂产品系统全寿命周期中，研发人员需要将整个研制过程中的零散数据进行整合，转化成有效信息并将其传递给各工序管理者或负责人以便决策。数字主线可以加速这一过程中数据、信息和知识之间的可控相互作用能够提供集成的企业级视角，利用工艺技术相关数据与信息的无缝交互与集成分析，对复杂产品制造存在的问题与风险进行动态分析与评估，最终达到缩短复杂产品制造寿命周期各流程迭代时间的目的。此外，数字主线也是一种可连接数据流的通信框架，能够为复杂产品全寿命周期中孤立视图提供集成视图，它可以使产品模型在获取关键数据的同时进行双向同步，最终实现模型在产品全寿命周期的有效传递、引用与反馈。

1.2  数字孪生

美国国家航空航天局在阿波罗项目中首先提出产品“孪生体/双胞胎（twins）”的概念。2003年，美国密歇根大学教授Grieves首次提出了数字孪生（Digital Twin）的概念，即“一种与特定实体等价的虚拟数字化表达”。随后，美国国防部在航天产品健康监测、维保等过程中引入了这一概念。数字孪生是指充分利用可用模型、感知信息以及输入数据，建造多物理、多分辨率和多概率的系统集成仿真，在虚拟环境中由数字线索完成映射，并预测相对应的物理实体寿命周期过程。

复杂产品数字孪生具备几个特点。首先，数字孪生能够对复杂产品的物理状态进行描述，通过快速构想并填充缺失的碎片化信息，在生产制造车间现有实物产品及其虚拟产品信息基础上实现对实物产品的优化；其次，数字孪生通过不断扩展、积累相关知识，能够及时发现虚拟状态与物理状态复杂产品间的差距，并根据动态变化及时调整；再次，数字孪生通过对物理空间生产制造系统行为进行模拟复现，将复杂产品与其生产制造系统在物理空间模型与数字空间模型中进行实时交互，达到远程控制的目的。传统的产品设计建模建立的是静态、理想化的产品信息模型，忽略了与产品实际加工、装配和检测等实测数据的偏差，而数字孪生则强调对产品真实状态的描述，它不仅可以利用高保真建模技术，同时还可以使用高实时交互反馈、高可靠分析预测等数字化手段，将产品的理想设计信息与其实际加工、装配和检测等制造信息进行统一，建立基于数字孪生技术反映产品制造状态的信息模型，准确描述并管理每个产品的真实数据，实现与产品设计信息模型的有机融合，提高整个数字孪生模型系统的精度。

综合上述分析，数字主线作为通道、方法和接口对数字孪生产生的模型、数据进行访问、整合以及转换，可以实现复杂产品在不同空间的信息双向处理和全面追溯，进而完成复杂产品系统全寿命周期的管理。

1.3  数字主线与数字孪生在产品全寿命周期中的应用

目前，数字主线和数字孪生通过具体活动技术数据集成，为产品全寿命周期提供更高效和更灵活的数字化手段，为项目验证提供更好的决策依据。数字主线由原来的复杂产品设计与服务阶段开始向生产制造阶段延伸，并为数字孪生提供访问、整合和转换能力，实现贯通复杂产品运行概念、解决方案和研制的全寿命周期业务过程的数字空间和物理空间信息的双向共享/交互和全面追溯。

2. 数字主线与数字孪生的发展现状

2.1  数字主线

随着复杂产品系统大规模协作制造，国外国防部门以及工业巨头正在积极研究数字主线，并推出了各自的数字主线理念，现已陆续取得成果。例如，2017年，美国国防部发布制造工程战略，数字主线是该战略的重要推进方向。美国空军提出了使用数字工程技术对A-10战斗机机翼进行升级改造的计划。该项计划利用数字化设计将机翼零件和组件进行模型格式统一，并结合产品寿命周期管理，构建了维护阶段的数字主线，在实现战斗机减重的同时也大幅提高其寿命。

洛克希德·马丁公司在设计开发F-35战斗机和生产的早期阶段就采用了数字主线的思想，实现了F-35通用产品模型和图样的统一配置管理、基于工程数据的工厂自动化、数字主线对人员的直接指导、制造过程偏差的快速识别和纠偏等。该公司还提出名为“产品数字宇宙”（Product Digiverse）的新一代数字化技术发展理念，目的是实现整个产品全寿命周期的经济性、效率和协作性的提升。除此之外，通用航空集团、参数技术公司等也积极探索数字主线在企业数字化转型中的应用。

国内学者在数字主线方面也进行了一些研究。周军华等指出数字孪生的演进需要数字主线和数据驱动作为支撑，提出了一种面向数字孪生的武器系统数字主线构建技术。王焱等针对航空产品制造需求，分析了智能生产系统的结构、组成及关键要素，并根据制造过程中信息流主线将智能生产过程分成两条数据链路，形成生产系统的“数字主线”。刘婷等探讨了将数字主线应用于航空发动机等复杂系统领域的可能性，提出了面向航空发动机的数字主线基本框架，从而实现实物空间内部、虚拟空间内部以及实物空间和虚拟空间之间三者的互联。

此外，在民用领域，国内研究人员针对煤炭智能开采有效管理，石油长输管道设计、施工到运维整个寿命周期的数据传递，变电站作业流程监管数字化，企业生产过程安全预防的精准化与智能化管理等领域需求，进行了数字主线技术的相关应用研究，分析了数字主线应用的关键点和系统中数字主线的作用。

2.2  数字孪生

在国外，数字孪生技术相关应用研究发轫于国防军工领域。2012年，美国国家航空航天局和美国空军共同提出面对未来飞行器的数字孪生范例。近年来，洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼、空中客车等军工巨头积极推进数字孪生技术在武器系统设计研发、生产制造、运行维护等方向的应用。例如，洛克希德·马丁采用数字孪生技术将F-35的生产周期缩短了5个月，生产成本降低1000万美元。达索航空公司将基于数字孪生理念建立的虚拟开发与仿真平台用于“阵风”系列战斗机的设计过程改进，以降低成本、提升质量。

由于通用电气、西门子等公司的推广，数字孪生技术近年来在工业制造领域同样得到快速发展。通用公司利用大数据、物联网等先进技术，实现了对航空发动机的实时监测和维护判断，而西门子则于2017年底正式发布了完整数字孪生体的应用模型。Stojanovic等研究了一种基于数据驱动的孪生模型的改进方案，并提出了一种具有自我意识的数字孪生模型概念。Cecil等讨论了工业4.0背景下基于物联网具有促进分布式工程伙伴之间快速、敏捷协作潜力的网络物理框架的设计和实现。Kritzinger等通过对制造业数字孪生文献、集成程度进行分类综述后，认为数字孪生按照虚实融合程度可划分为数字孪生、数字投影和数字模型。

国内对数字孪生技术的研究和工具平台研发虽然起步较晚，但也取得了一定进展和成果。在数字孪生技术研究方面，庄存波等系统阐述了产品数字孪生体的内涵，并提出了产品数字孪生体在产品全寿命周期不同阶段的实施途径。王鹏等提出面向数字孪生的动态数据驱动建模与仿真方法，解决了信息物理系统中动态实体的运行建模与仿真结果的差异问题。曹增义等提出了面向航空发动机研制过程的数字孪生技术应用架构，从实际执行层面分别对工艺、制造、装配、维保的数字孪生模块进行关键支撑技术分析，并开展相关应用实践，为运用数字孪生技术进行航空发动机研制提供了理论和方法参考。孟松鹤等给出了数字孪生各个阶段的演进及应用的方式方法、技术与工具，探索其模型在智能生产各阶段的应用。总体来说，目前针对数字孪生技术的研究和应用还处于初级阶段。