美國洛馬公司利用數(shù)字孿生提速F-35戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)

　　隨著美國洛馬航空公司提升第五代戰(zhàn)斗機(jī)F-35的生產(chǎn)速度，公司正著眼于提升制造效率。當(dāng)前，每架F-35飛機(jī)都需要約22個月的生產(chǎn)周期。洛馬正考慮將其縮短至17個月。當(dāng)?shù)谝慌蜦-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(chǎn)成本降低到8500萬美元或更低，以減小與四代機(jī)的價格差。

位于德克薩斯州沃斯堡的F-35戰(zhàn)斗機(jī)總裝生產(chǎn)線

　　一、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生助力F-35生產(chǎn)效率提升

　　為實現(xiàn)這個目標(biāo)，洛馬最近在沃斯堡工廠部署了Ubisense集團(tuán)(UBI)“智能空間”解決方案，“智能空間”是一個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，可以通過模型和數(shù)據(jù)，將現(xiàn)實世界中的流程和移動資產(chǎn)定量化并進(jìn)行衡量。“智能空間”為制造商的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略提供一個基礎(chǔ)平臺。平臺建立一個實時鏡像現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字孿生(將現(xiàn)實數(shù)據(jù)映射到數(shù)字模型上)，將現(xiàn)實世界中的活動與制造執(zhí)行和規(guī)劃系統(tǒng)相連接。它實時監(jiān)測三維空間中的交互，使用空間事件來控制流程并使環(huán)境根據(jù)工人移動做出反應(yīng)。

　　UBI表示其“智能空間”平臺將定位技術(shù)集成到一個單一的生產(chǎn)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(nèi)雷達(dá)”，與德國SAP公司的企業(yè)級軟件相連接，確保待裝配組件及時運到，并實現(xiàn)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(lán)牙和視景系統(tǒng)。UBI表示，該平臺解決了航空航天與防務(wù)制造商面臨的許多長周期和高復(fù)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(chǎn)，如果這些關(guān)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(chǎn)延遲。

空客集團(tuán)A400M飛機(jī)部裝線環(huán)境的數(shù)字孿生，可建模并實時監(jiān)測數(shù)萬平米空間和數(shù)千個對象

　　通過實時掌握被標(biāo)記資產(chǎn)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(diào)度資產(chǎn)，助力項目達(dá)到關(guān)鍵里程碑。平臺不僅告訴用戶資產(chǎn)在哪里，還可進(jìn)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(qū)使用。平臺還提供資產(chǎn)和工具的電子審計功能，詳細(xì)描述所有客戶所配置設(shè)備的行蹤，使制造商快速和高效響應(yīng)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(xiàn)問題意味著總裝延遲和交付日期推遲，從而導(dǎo)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(jìn)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(shù)字孿生被洛馬列為2018年頂尖技術(shù)之首

　　數(shù)字孿生概念在2000年左右誕生，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的興起以及虛擬建模技術(shù)的發(fā)展，數(shù)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(guī)劃文件中，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生并列視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機(jī)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(yīng)用研究項目，并已陸續(xù)取得成果。

　　從本質(zhì)上來看，數(shù)字孿生是一個對物理實體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程，集成了人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和傳感器數(shù)據(jù)，以建立一個可以實時更新的、現(xiàn)場感極強(qiáng)的“真實”模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。利用真實數(shù)據(jù)和虛擬模型相結(jié)合分析，可以在現(xiàn)實問題發(fā)生前防止其出現(xiàn)，減少生產(chǎn)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(shù)字孿生，工程人員可以訪問實時數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果和解決方案，從很遠(yuǎn)的距離之外高效地執(zhí)行數(shù)百項操作任務(wù)。

美空軍和波音公司對F-15C創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型

　　通過數(shù)字孿生，可實現(xiàn)對制造性、檢測性和保障性的評價與優(yōu)化，支撐航空航天裝備生產(chǎn)、使用和保障。F-35生產(chǎn)線的數(shù)字孿生就是一個重要應(yīng)用，能夠?qū)⒁酝a(chǎn)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(biāo)簽采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過三維模型的變化實時監(jiān)測生產(chǎn)線運行。這可比采用視頻獲取更多的信息，并且支持遠(yuǎn)程故障診斷。諾格公司在F-35中機(jī)身生產(chǎn)中建立了一個數(shù)字線索基礎(chǔ)設(shè)施來支撐物料評審委員會進(jìn)行劣品處理決策，通過數(shù)字孿生改進(jìn)了多個工程流程：自動采集數(shù)據(jù)并實時驗證劣品標(biāo)簽，將數(shù)據(jù)(圖像、工藝和修理數(shù)據(jù))精準(zhǔn)映射到計算機(jī)輔助設(shè)計模型，使其能夠在三維環(huán)境下可視化、被搜索并展示趨勢。通過在三維環(huán)境中實現(xiàn)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(shè)計的更改減少處理頻率。通過流程改進(jìn)，諾格公司處理F-35進(jìn)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(shù)獎。

F-35戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道的數(shù)字孿生

　　通過在役飛行器的數(shù)字孿生及實時數(shù)據(jù)采集，還能夠?qū)蝹€機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤：使用所有可用信息(如飛行數(shù)據(jù)、無損評價數(shù)據(jù))基于物理特性(如流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)與工程)進(jìn)行有充分根據(jù)的分析，使用概率分析方法量化風(fēng)險，并使數(shù)據(jù)閉環(huán)流動(如自動更新概率)。美空軍與波音合作構(gòu)建了F-15C機(jī)體數(shù)字孿生模型，開發(fā)了分析框架：綜合利用集成計算材料工程等先進(jìn)手段，實現(xiàn)了多尺度仿真和結(jié)構(gòu)完整性診斷;配合先進(jìn)建模仿真工具，實現(xiàn)了殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)幾何、載荷與邊界條件、有限元分析網(wǎng)絡(luò)尺寸以及材料微結(jié)構(gòu)不確定性的管理與預(yù)測。綜上，即可預(yù)測結(jié)構(gòu)組件何時到達(dá)壽命期限，調(diào)整結(jié)構(gòu)檢查、修改、大修和替換的時間。

　　三、空客已經(jīng)在其多個工廠部署數(shù)字孿生

　　空客集團(tuán)正在與UBI進(jìn)一步擴(kuò)大在A350XWB飛機(jī)圖盧茲總裝線上應(yīng)用RFID系統(tǒng)，以數(shù)字孿生解決方案支持工廠的數(shù)字化。在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的背景下，使用RFID和實時定位系統(tǒng)連接工業(yè)物體是空客數(shù)字化戰(zhàn)略和“未來工廠”計劃的關(guān)鍵組成部分，該戰(zhàn)略將優(yōu)化工業(yè)流程并使其進(jìn)一步自動化，同時提升對供應(yīng)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(yè)定位智能解決方案，實時連接其工業(yè)物體，使工業(yè)流程和設(shè)備應(yīng)用更加透明化，尤其是工藝裝備及其在部裝廠和總裝廠內(nèi)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(jī)項目上不斷使用，包括A330、A380和A400M。目前，空客通過在關(guān)鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB 總裝線的數(shù)字孿生，從而能夠通過模型預(yù)測瓶頸、優(yōu)化運行績效。

空客A400M總裝線數(shù)字孿生

　　UBI企業(yè)定位解決方案正在擴(kuò)展A350XWB總裝線上已有的可視化解決方案，連接總裝設(shè)備安裝流程的額外區(qū)域，以支持生產(chǎn)提速。該系統(tǒng)提供對資產(chǎn)的實時跟蹤和定位能力，自動更新ERP系統(tǒng)的資產(chǎn)位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，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(guān)數(shù)據(jù)都在位置或圖表視圖中呈現(xiàn)，以加速日常操作。而且，該系統(tǒng)自動提示用戶資產(chǎn)狀態(tài)變化，并當(dāng)發(fā)生特定問題時警告用戶。

　　四、結(jié)束語

　　數(shù)字線索和數(shù)字孿生的概念已經(jīng)提出超過十年，成為了美空軍和洛馬公司(數(shù)字織錦)的頂層戰(zhàn)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(jīng)在美歐航空航天項目中得到實際應(yīng)用。今后幾年，美國國防部將大力推進(jìn)實施以數(shù)字線索和數(shù)字孿生為核心元素的數(shù)字工程戰(zhàn)略。此外，達(dá)索系統(tǒng)、西門子等工業(yè)軟件解決方案提供商也已經(jīng)開始大力推廣此概念，前不久西門子剛剛以“數(shù)字孿生”獲得國內(nèi)某組織頒發(fā)的智能制造領(lǐng)域大獎。我國軍方和軍工行業(yè)在數(shù)字化領(lǐng)域整體上起步較晚，目前在基于模型的系統(tǒng)工程方面與美歐差距較大，對數(shù)字線索和數(shù)字孿生的概念可能還極為陌生，甚至可能認(rèn)為是在炒舊概念。