數(shù)字孿生技術(shù)為航空維修搭建“平行宇宙”

　　數(shù)字孿生技術(shù)為航空維修搭建“平行宇宙”——

　　讓“鏡像飛機(jī)”先遭遇故障

　　■全 靜 鐘 娟 謝巖甫　　

數(shù)字孿生技術(shù)為現(xiàn)實生活中的物體生成數(shù)字化鏡像。資料圖片

　　不久前，國內(nèi)某航空公司聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，共同推出了全球首個智慧機(jī)庫整體解決方案。該項目融合了人工智能、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)，可將故障識別效率提升40%，人工誤判概率降低30%，標(biāo)志著航空維修領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型邁出關(guān)鍵一步。

　　所謂數(shù)字孿生，是指利用計算機(jī)技術(shù)制作現(xiàn)實世界的物體或系統(tǒng)的數(shù)字化鏡像，將物理世界發(fā)生的變化實時同步到數(shù)字空間。這個鏡像不僅保留了原始物體或系統(tǒng)的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能提供相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，并可模擬和預(yù)測其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。

　　從2021年俄羅斯發(fā)布世界首個產(chǎn)品數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)，到2024年英國專門成立數(shù)字孿生中心，再到羅羅公司通過數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化庫存管理的實踐，數(shù)字孿生技術(shù)逐步展現(xiàn)出在航空業(yè)的應(yīng)用前景和潛在價值。甚至可以說，在航空維修領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)已成為其智能化轉(zhuǎn)型的助推器。

　　前提

　　滿足關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

　　維修保障是航空裝備全壽命周期管理的重要組成部分。為保障航空裝備各設(shè)備、系統(tǒng)處于良好技術(shù)狀態(tài)，提升航空裝備維修保障水平是關(guān)鍵。目前，數(shù)字孿生已覆蓋從微小部件到整個機(jī)隊的多級應(yīng)用。這一過程并非“一蹴而就”，所形成的數(shù)字孿生體也并非“空中樓閣”。鑒于航空裝備的復(fù)雜性、綜合性和系統(tǒng)性，數(shù)字孿生技術(shù)需要首先滿足3個方面關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，才能應(yīng)用于維修保障。

　　多源數(shù)據(jù)采集與融合。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)在航空維修中發(fā)揮重要作用的基石。技術(shù)人員通過激光掃描、振動傳感器網(wǎng)絡(luò)及虛擬傳感器技術(shù)，實時采集航空裝備結(jié)構(gòu)、性能和環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理實體與虛擬模型的動態(tài)映射。這些數(shù)據(jù)包括傳感器數(shù)據(jù)、飛行記錄、維護(hù)歷史等，多源數(shù)據(jù)的融合，使得數(shù)字孿生體能夠全面反映飛機(jī)當(dāng)下的狀態(tài)，并預(yù)測其未來的健康狀況。2024年羅羅公司一份報告顯示，光纖采樣頻率從105赫茲提升到2兆赫茲后，渦輪盤微裂紋識別率提高了19個百分點，高精度采集的價值可想而知。不過，數(shù)據(jù)的采集和處理是一個復(fù)雜過程，這些都需要高精度的傳感器和強大的數(shù)據(jù)處理能力支撐。

　　物理建模與仿真。物理建模為數(shù)字孿生提供了多尺度、多物理場的數(shù)學(xué)表達(dá)框架?；诤娇昭b備結(jié)構(gòu)的高精度物理模型和歷史運維數(shù)據(jù)，可以建立起全生命周期數(shù)字孿生體，該數(shù)字孿生體能夠支持結(jié)構(gòu)強度、氣動性能等多維度仿真驗證。例如，數(shù)字孿生體可模擬飛機(jī)在高海拔、低溫、強風(fēng)等不同飛行條件下的性能表現(xiàn)，不僅可以幫助維修人員了解飛機(jī)的運行狀態(tài)，還可以預(yù)測極端條件下飛機(jī)的潛在故障，從而采取預(yù)防措施。但要構(gòu)建精確模型，需要深入理解飛機(jī)的物理特性和運行規(guī)律，實施仿真計算則需要高性能計算機(jī)支持。今年年初，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊提出基于深度多模態(tài)學(xué)習(xí)的航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷數(shù)字孿生框架，實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)實際物理數(shù)據(jù)與仿真模型信息的高效融合，顯著提高了航空發(fā)動機(jī)故障診斷模型構(gòu)建效率和診斷精度。

　　統(tǒng)一數(shù)據(jù)參考架構(gòu)的軟件平臺。統(tǒng)一數(shù)據(jù)參考架構(gòu)的軟件平臺是數(shù)字孿生技術(shù)在航空維修領(lǐng)域落地的核心基礎(chǔ)設(shè)施。航空裝備種類多、型號雜，集多學(xué)科、多物理量為一體，研發(fā)和推廣統(tǒng)一數(shù)據(jù)參考架構(gòu)的軟件平臺勢在必行。它通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和全生命周期數(shù)據(jù)治理，可以有效解決航空維修中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合難題，消除航空維修數(shù)據(jù)的“孤島現(xiàn)象”。這種平臺不僅集成了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、輔助決策等功能，具備模塊化、可擴(kuò)展、安全合規(guī)的核心特征，同時借助虛擬現(xiàn)實等可視化技術(shù)幫助使用者高效處理數(shù)據(jù)。國內(nèi)某數(shù)據(jù)仿真平臺通過構(gòu)建數(shù)字孿生機(jī)場平臺，為多個機(jī)場提供航班調(diào)度、地面優(yōu)化、航班飛行、低空經(jīng)濟(jì)活動等方面的支持。

　　應(yīng)用

　　推動“全流程變革”

　　傳統(tǒng)的航空維修依賴于定期檢查和故障后維修，在一定程度上保證了裝備的安全運行。但這種方式也存在維修成本高、維護(hù)數(shù)據(jù)難以訪問和分析、停機(jī)時間長、故障預(yù)測能力有限等問題。數(shù)字孿生技術(shù)能夠通過算法還原飛機(jī)損傷程度、預(yù)測零部件狀態(tài)等，指導(dǎo)更改飛行任務(wù)計劃、優(yōu)化維護(hù)調(diào)度，提高管理效能。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在航空維修中已經(jīng)展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用場景，并在加速發(fā)展中實現(xiàn)對航空維修的“全流程變革”。

　　預(yù)測性維護(hù)與故障預(yù)警。數(shù)字孿生通過實時分析飛機(jī)的各項參數(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在故障。這種預(yù)測性維護(hù)方式，不僅減少了突發(fā)故障的風(fēng)險，還降低了維修成本。利用振動傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠有效預(yù)測飛機(jī)關(guān)鍵部位的剩余壽命，促進(jìn)維護(hù)周期的動態(tài)調(diào)整，有效減少飛機(jī)非計劃停場時間。羅羅公司通過數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化維護(hù)計劃，使發(fā)動機(jī)在翼時間延長50%，單機(jī)年維護(hù)成本節(jié)省28萬美元。

　　遠(yuǎn)程維護(hù)支持。通過數(shù)字孿生技術(shù)，維護(hù)人員可以在地面實時監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)，提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持。這種遠(yuǎn)程維護(hù)方式，特別適用于在偏遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行任務(wù)的飛機(jī)維修。通過可視化界面，裝備操作人員可以向維護(hù)人員提供交互式故障診斷報告，協(xié)助他們快速準(zhǔn)確地確定故障根源。遠(yuǎn)程維護(hù)支持打破了地域限制，提高了偏遠(yuǎn)地區(qū)飛機(jī)的維護(hù)效率和安全性。達(dá)索航空基于達(dá)索系統(tǒng)平臺構(gòu)建戰(zhàn)機(jī)數(shù)字孿生體，通過主權(quán)云環(huán)境，實現(xiàn)了法國國防部、工程師、地勤人員的跨地域協(xié)作，顯著提升了機(jī)隊部署效率。

　　維修流程優(yōu)化。數(shù)字孿生能夠模擬不同的維修方案，評估其對飛機(jī)性能和壽命的影響，從而提供準(zhǔn)確的維修建議。這種優(yōu)化能力，使維修人員可以全面對比不同維修方案的優(yōu)缺點，從而選擇最適合的方案，使得維修決策更加科學(xué)和高效。

　　全壽命周期管理。裝備使用過程中，維護(hù)人員可以通過內(nèi)部傳感器實時獲得裝備全壽命周期運行數(shù)據(jù)。維護(hù)人員利用智能算法與裝備“數(shù)字孿生體”進(jìn)行試驗，模擬裝備在不同階段的運行狀態(tài)，得出裝備在各個時期的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而確保裝備始終運行良好。依據(jù)數(shù)字孿生體，維護(hù)人員可以及時作出預(yù)警、調(diào)配補充、給出保障建議等。

　　此外，數(shù)字孿生技術(shù)對于機(jī)務(wù)人員的技能培訓(xùn)也具有重要意義。它能夠提供仿真環(huán)境，允許維護(hù)人員在安全可控的虛擬條件下練習(xí)維護(hù)程序、進(jìn)行虛擬培訓(xùn)。這樣不僅降低了培訓(xùn)成本，還能有效減少培訓(xùn)對機(jī)型的依賴和損耗。

　　展望

　　尋求更多發(fā)展可能

　　正如一名業(yè)內(nèi)專家所說：“數(shù)字孿生以其巨大的科技優(yōu)勢、廣闊的應(yīng)用前景、深厚的發(fā)展?jié)摿?，在未來大有用武之地?！睌?shù)字孿生技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用，已成為全球航空企業(yè)提升效率、降低成本和保障安全的重要手段。近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)的發(fā)展，不僅為數(shù)字孿生技術(shù)提供了更多技術(shù)支持，也為其在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更多可能。

　　開展數(shù)字孿生沉浸訓(xùn)練。依托數(shù)字孿生技術(shù)，融入實景三維建模、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以實現(xiàn)維修環(huán)境、保障人員、武器裝備虛擬與現(xiàn)實的有機(jī)結(jié)合，形成環(huán)境的動態(tài)虛擬呈現(xiàn)。在虛擬與現(xiàn)實相融合的訓(xùn)練環(huán)境中，受訓(xùn)者的觸覺、視覺、聽覺全面沉浸，虛擬裝備的數(shù)據(jù)可及時反饋，訓(xùn)練效果大大提升。此時，對于受訓(xùn)者而言，學(xué)習(xí)新知識、新技能就像玩虛擬游戲一樣有趣。

　　構(gòu)建差異化維修系統(tǒng)。借助深度學(xué)習(xí)和自然語言處理技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)能夠滿足更復(fù)雜的維修需求，甚至可以自動識別飛機(jī)的故障模式，為存在不同問題的飛機(jī)推薦差異化的維修方案。搭載了成熟的人工智能軟件的數(shù)字孿生系統(tǒng)，不再是一個監(jiān)控工具，而是變成一個智能決策支持系統(tǒng)。它可以通過算法分析每架飛機(jī)的歷史故障數(shù)據(jù)，識別出潛在故障，并預(yù)測未來的故障風(fēng)險。它還能幫助機(jī)務(wù)人員制訂、優(yōu)化維修計劃，減少不必要的維修工作，提高效費比。

　　實現(xiàn)全周期協(xié)同保障。通過實時監(jiān)測與精準(zhǔn)預(yù)測、剩余壽命量化評估等全生命周期健康管理，虛擬拆裝與預(yù)驗證、遠(yuǎn)程協(xié)同維修等智能化升級，借助統(tǒng)一參考架構(gòu)的軟件平臺，數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)保障一線、大修廠、飛機(jī)制造廠、研究所等各方的信息共享、協(xié)同決策、精準(zhǔn)保障。同時，裝備狀況結(jié)合實時動態(tài)管理庫存、3D打印按需制造等手段，可以優(yōu)化備件與供應(yīng)鏈，減少資源浪費，提高整體效率。

　　未來，數(shù)字孿生技術(shù)通過“虛實交互、持續(xù)迭代”的特性，以及全機(jī)數(shù)字孿生、元宇宙協(xié)同保障和自主維修生態(tài)系統(tǒng)的建成，可使航空維修實現(xiàn)從經(jīng)驗驅(qū)動到數(shù)據(jù)驅(qū)動再到智能自治的全面轉(zhuǎn)型?？梢酝茢?，未來隨著數(shù)字孿生技術(shù)與量子計算、6G、腦機(jī)接口和分子級3D打印等前沿技術(shù)的深度融合，特別是數(shù)字孿生和人工智能的“雙向奔赴”，航空維修或?qū)槿藗兲峁半[形”服務(wù)——很多故障在發(fā)生前已被預(yù)測并自主消除，設(shè)備在全生命周期得到更可靠、更安全、更精準(zhǔn)的保護(hù)。