來(lái)源:中國(guó)軍網(wǎng)-解放軍報(bào) 責(zé)任編輯:王一亙 發(fā)布:2025-07-04 07:38:49
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
不久前,國(guó)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(gè)智慧機(jī)庫(kù)整體解決方案。該項(xiàng)目融合了人工智能、數(shù)字孿生等前沿技術(shù),可將故障識(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)制作現(xiàn)實(shí)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(shí)時(shí)同步到數(shù)字空間。這個(gè)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(cè)其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。
從2021年俄羅斯發(fā)布世界首個(gè)產(chǎn)品數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn),到2024年英國(guó)專門(mén)成立數(shù)字孿生中心,再到羅羅公司通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化庫(kù)存管理的實(shí)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(jià)值。甚至可以說(shuō),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。
數(shù)字孿生技術(shù)為現(xiàn)實(shí)生活中的物體生成數(shù)字化鏡像。資料圖片
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(gè)機(jī)隊(duì)的多級(jí)應(yīng)用。這一過(guò)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(gè)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(guò)激光掃描、振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)及虛擬傳感器技術(shù),實(shí)時(shí)采集航空裝備結(jié)構(gòu)、性能和環(huán)境數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型的動(dòng)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(cè)其未來(lái)的健康狀況。2024年羅羅公司一份報(bào)告顯示,光纖采樣頻率從105赫茲提升到2兆赫茲后,渦輪盤(pán)微裂紋識(shí)別率提高了19個(gè)百分點(diǎn),高精度采集的價(jià)值可想而知。不過(guò),數(shù)據(jù)的采集和處理是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程,這些都需要高精度的傳感器和強(qiáng)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(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)框架。基于航空裝備結(jié)構(gòu)的高精度物理模型和歷史運(yùn)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(qiáng)度、氣動(dòng)性能等多維度仿真驗(yàn)證。例如,數(shù)字孿生體可模擬飛機(jī)在高海拔、低溫、強(qiáng)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(yùn)行狀態(tài),還可以預(yù)測(cè)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(yùn)行規(guī)律,實(shí)施仿真計(jì)算則需要高性能計(jì)算機(jī)支持。今年年初,復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出基于深度多模態(tài)學(xué)習(xí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷數(shù)字孿生框架,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(dòng)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(tái)。統(tǒng)一數(shù)據(jù)參考架構(gòu)的軟件平臺(tái)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(hào)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(tái)勢(shì)在必行。它通過(guò)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(tái)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(shí)借助虛擬現(xiàn)實(shí)等可視化技術(shù)幫助使用者高效處理數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)某數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)平臺(tái),為多個(gè)機(jī)場(chǎng)提供航班調(diào)度、地面優(yōu)化、航班飛行、低空經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等方面的支持。
應(yīng)用
推動(dòng)“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(yùn)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(wèn)和分析、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、故障預(yù)測(cè)能力有限等問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)能夠通過(guò)算法還原飛機(jī)損傷程度、預(yù)測(cè)零部件狀態(tài)等,指導(dǎo)更改飛行任務(wù)計(jì)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(chǎng)景,并在加速發(fā)展中實(shí)現(xiàn)對(duì)航空維修的“全流程變革”。
預(yù)測(cè)性維護(hù)與故障預(yù)警。數(shù)字孿生通過(guò)實(shí)時(shí)分析飛機(jī)的各項(xiàng)參數(shù),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障。這種預(yù)測(cè)性維護(hù)方式,不僅減少了突發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn),還降低了維修成本。利用振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,能夠有效預(yù)測(cè)飛機(jī)關(guān)鍵部位的剩余壽命,促進(jìn)維護(hù)周期的動(dòng)態(tài)調(diào)整,有效減少飛機(jī)非計(jì)劃停場(chǎng)時(shí)間。羅羅公司通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃,使發(fā)動(dòng)機(jī)在翼時(shí)間延長(zhǎng)50%,單機(jī)年維護(hù)成本節(jié)省28萬(wàn)美元。
遠(yuǎn)程維護(hù)支持。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù),維護(hù)人員可以在地面實(shí)時(shí)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(guò)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(bào)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(tái)構(gòu)建戰(zhàn)機(jī)數(shù)字孿生體,通過(guò)主權(quán)云環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了法國(guó)國(guó)防部、工程師、地勤人員的跨地域協(xié)作,顯著提升了機(jī)隊(duì)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(píng)估其對(duì)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(duì)比不同維修方案的優(yōu)缺點(diǎn),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(guò)程中,維護(hù)人員可以通過(guò)內(nèi)部傳感器實(shí)時(shí)獲得裝備全壽命周期運(yùn)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(yàn),模擬裝備在不同階段的運(yùn)行狀態(tài),得出裝備在各個(gè)時(shí)期的狀態(tài)數(shù)據(jù),從而確保裝備始終運(yùn)行良好。依據(jù)數(shù)字孿生體,維護(hù)人員可以及時(shí)作出預(yù)警、調(diào)配補(bǔ)充、給出保障建議等。
此外,數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)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(duì)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(shuō):“數(shù)字孿生以其巨大的科技優(yōu)勢(shì)、廣闊的應(yīng)用前景、深厚的發(fā)展?jié)摿?,在未?lái)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(lái),人工智能、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(kāi)展數(shù)字孿生沉浸訓(xùn)練。依托數(shù)字孿生技術(shù),融入實(shí)景三維建模、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)維修環(huán)境、保障人員、武器裝備虛擬與現(xiàn)實(shí)的有機(jī)結(jié)合,形成環(huán)境的動(dòng)態(tài)虛擬呈現(xiàn)。在虛擬與現(xiàn)實(shí)相融合的訓(xùn)練環(huán)境中,受訓(xùn)者的觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)全面沉浸,虛擬裝備的數(shù)據(jù)可及時(shí)反饋,訓(xùn)練效果大大提升。此時(shí),對(duì)于受訓(xùn)者而言,學(xué)習(xí)新知識(shí)、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(yǔ)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(dòng)識(shí)別飛機(jī)的故障模式,為存在不同問(wèn)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(gè)監(jiān)控工具,而是變成一個(gè)智能決策支持系統(tǒng)。它可以通過(guò)算法分析每架飛機(jī)的歷史故障數(shù)據(jù),識(shí)別出潛在故障,并預(yù)測(cè)未來(lái)的故障風(fēng)險(xiǎn)。它還能幫助機(jī)務(wù)人員制訂、優(yōu)化維修計(jì)劃,減少不必要的維修工作,提高效費(fèi)比。
實(shí)現(xiàn)全周期協(xié)同保障。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、剩余壽命量化評(píng)估等全生命周期健康管理,虛擬拆裝與預(yù)驗(yàn)證、遠(yuǎn)程協(xié)同維修等智能化升級(jí),借助統(tǒng)一參考架構(gòu)的軟件平臺(tái),數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)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(shí),裝備狀況結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理庫(kù)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(fèi),提高整體效率。
未來(lái),數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)“虛實(shí)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(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)再到智能自治的全面轉(zhuǎn)型??梢酝茢啵磥?lái)隨著數(shù)字孿生技術(shù)與量子計(jì)算、6G、腦機(jī)接口和分子級(jí)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(cè)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)。