隨著美國洛馬航空公司提升第五代戰斗機F-35的生產速度，公司正著眼于提升制造效率。當前，每架F-35飛機都需要約22個月的生產周期。洛馬正考慮將其縮短至17個月。當第一批次F-35（2架）開始制造時，每架的成本是2.44億美元。目前這一批是90架，估計每架9460萬美元。洛馬飽受F-35成本超支的批評，因此正試圖在2020年前，將生產成本降低到8500萬美元或更低，以減小與四代機的價格差。

位于德克薩斯州沃斯堡的F-35戰斗機總裝生產線

    一、工業物聯網和數字孿生助力F-35生產效率提升

    為實現這個目標，洛馬最近在沃斯堡工廠部署了Ubisense集團（UBI）“智能空間”解決方案，“智能空間”是一個工業物聯網解決方案，可以通過模型和數據，將現實世界中的流程和移動資產定量化并進行衡量�！爸悄芸臻g”為制造商的“工業4.0”戰略提供一個基礎平臺。平臺建立一個實時鏡像現實生產環境的數字孿生（將現實數據映射到數字模型上），將現實世界中的活動與制造執行和規劃系統相連接。它實時監測三維空間中的交互，使用空間事件來控制流程并使環境根據工人移動做出反應。

    UBI表示其“智能空間”平臺將定位技術集成到一個單一的生產運行視圖中，使制造流程完全可視化。對于像空客這樣的客戶，UBI提供了一個“室內雷達”，與德國SAP公司的企業級軟件相連接，確保待裝配組件及時運到，并實現實時更新的信息管理。平臺能夠處理高精度超寬帶（UWB）、GPS、射頻識別（RFID）、藍牙和視景系統。UBI表示，該平臺解決了航空航天與防務制造商面臨的許多長周期和高復雜性問題。這些客戶通常體量巨大，很容易忽視其工具和資產，如果這些關鍵物件沒有能夠在正確的時間位于正確的位置，將造成漫長和十分昂貴的生產延遲。

    空客集團A400M飛機部裝線環境的數字孿生，可建模并實時監測數萬平米空間和數千個對象

    通過實時掌握被標記資產的精確位置，以及未來它們需要到什么位置，“智能空間”可提前謀劃和調度資產，助力項目達到關鍵里程碑。平臺不僅告訴用戶資產在哪里，還可進行高水平控制，以確保不受控的或錯誤的工具不會在特定工作區使用。平臺還提供資產和工具的電子審計功能，詳細描述所有客戶所配置設備的行蹤，使制造商快速和高效響應突擊檢查，避免因未能指明而被罰款。部件制造和交付中出現問題意味著總裝延遲和交付日期推遲，從而導致大量罰金。通過跨部裝線的、在多家工廠中跟跟蹤零件的進展情況，平臺使制造商基于交付延遲而提前謀劃總裝計劃。

二、數字孿生被洛馬列為2018年頂尖技術之首

    數字孿生概念在2000年左右誕生，隨著物聯網和大數據的興起以及虛擬建模技術的發展，數字孿生被推向了前臺。2013年，美空軍在《全球地平線》頂層科技規劃文件中，將數字線索和數字孿生并列視為“改變游戲規則”的顛覆性機遇，從2014財年起組織洛馬、波音、諾格、通用電氣、普惠等公司開展了一系列應用研究項目，并已陸續取得成果。

    從本質上來看，數字孿生是一個對物理實體或流程的數字化鏡像。創建數字孿生的過程，集成了人工智能、機器學習和傳感器數據，以建立一個可以實時更新的、現場感極強的“真實”模型，用來支撐物理產品生命周期各項活動的決策。利用真實數據和虛擬模型相結合分析，可以在現實問題發生前防止其出現，減少生產中斷和成本，甚至通過仿真來制定未來各項活動的計劃。比如，利用數字孿生，工程人員可以訪問實時數據、仿真結果和解決方案，從很遠的距離之外高效地執行數百項操作任務。

美空軍和波音公司對F-15C創建的數字孿生模型

    通過數字孿生，可實現對制造性、檢測性和保障性的評價與優化，支撐航空航天裝備生產、使用和保障。F-35生產線的數字孿生就是一個重要應用，能夠將以往生產線建成后棄之不用的模型重新利用起來，通過在感興趣的位置添加標簽采集相關數據，通過三維模型的變化實時監測生產線運行。這可比采用視頻獲取更多的信息，并且支持遠程故障診斷。諾格公司在F-35中機身生產中建立了一個數字線索基礎設施來支撐物料評審委員會進行劣品處理決策，通過數字孿生改進了多個工程流程：自動采集數據并實時驗證劣品標簽，將數據（圖像、工藝和修理數據）精準映射到計算機輔助設計模型，使其能夠在三維環境下可視化、被搜索并展示趨勢。通過在三維環境中實現快速和精確的自動分析縮短處理時間，并通過制造工藝或組件設計的更改減少處理頻率。通過流程改進，諾格公司處理F-35進氣道加工缺陷的決策時間縮短了33%，該項目獲得了2016年度美國國防制造技術獎。

F-35戰斗機進氣道的數字孿生

    通過在役飛行器的數字孿生及實時數據采集，還能夠對單個機體結構進行跟蹤：使用所有可用信息（如飛行數據、無損評價數據）基于物理特性（如流體動力學、結構力學、材料科學與工程）進行有充分根據的分析，使用概率分析方法量化風險，并使數據閉環流動（如自動更新概率）。美空軍與波音合作構建了F-15C機體數字孿生模型，開發了分析框架：綜合利用集成計算材料工程等先進手段，實現了多尺度仿真和結構完整性診斷；配合先進建模仿真工具，實現了殘余應力、結構幾何、載荷與邊界條件、有限元分析網絡尺寸以及材料微結構不確定性的管理與預測。綜上，即可預測結構組件何時到達壽命期限，調整結構檢查、修改、大修和替換的時間。

    三、空客已經在其多個工廠部署數字孿生

    空客集團正在與UBI進一步擴大在A350XWB飛機圖盧茲總裝線上應用RFID系統，以數字孿生解決方案支持工廠的數字化。在物聯網和大數據的背景下，使用RFID和實時定位系統連接工業物體是空客數字化戰略和“未來工廠”計劃的關鍵組成部分，該戰略將優化工業流程并使其進一步自動化，同時提升對供應鏈的實時感知。

空客A350WXB圖盧茲總裝線

    2011年，空客在A350XWB 總裝線上部署了UBI的企業定位智能解決方案，實時連接其工業物體，使工業流程和設備應用更加透明化，尤其是工藝裝備及其在部裝廠和總裝廠內的分布情況。從那時起，UBI解決方案的元素在空客多個裝配廠和飛機項目上不斷使用，包括A330、A380和A400M。目前，空客通過在關鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB 總裝線的數字孿生，從而能夠通過模型預測瓶頸、優化運行績效。

空客A400M總裝線數字孿生

    UBI企業定位解決方案正在擴展A350XWB總裝線上已有的可視化解決方案，連接總裝設備安裝流程的額外區域，以支持生產提速。該系統提供對資產的實時跟蹤和定位能力，自動更新ERP系統的資產位置和狀態數據，提升報告的精度和時效性，以及顆粒度可視化，比如之前手動無法完成的運動路徑分析。所有相關數據都在位置或圖表視圖中呈現，以加速日常操作。而且，該系統自動提示用戶資產狀態變化，并當發生特定問題時警告用戶。

    四、結束語

    數字線索和數字孿生的概念已經提出超過十年，成為了美空軍和洛馬公司（數字織錦）的頂層戰略，正以美國防部、美空軍和美國航空航天局為首大力推動，并已經在美歐航空航天項目中得到實際應用。今后幾年，美國國防部將大力推進實施以數字線索和數字孿生為核心元素的數字工程戰略。此外，達索系統、西門子等工業軟件解決方案提供商也已經開始大力推廣此概念，前不久西門子剛剛以“數字孿生”獲得國內某組織頒發的智能制造領域大獎。我國軍方和軍工行業在數字化領域整體上起步較晚，目前在基于模型的系統工程方面與美歐差距較大，對數字線索和數字孿生的概念可能還極為陌生，甚至可能認為是在炒舊概念。本公眾號將持續跟蹤相關領域進展，將這一“改變游戲規則”的機遇更全方位地呈獻給讀者。

    其中，有關數字線索的情況，可參見本文文末表格中，劉亞威先生于2017年9月27日在本號發表的專欄文章：“數字線索助力美空軍航空裝備壽命周期決策”（點擊題名可直接訪問）。