美國(guó)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(guó)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(gè)月的生產(chǎn)周期。洛馬正考慮將其縮短至17個(gè)月。當(dāng)?shù)谝慌�次F-35（2架）開始制造時(shí)，每架的成本是2.44億美元。目前這一批是90架，估計(jì)每架9460萬(wàn)美元。洛馬飽受F-35成本超支的批評(píng)，因此正試圖在2020年前，將生產(chǎn)成本降低到8500萬(wàn)美元或更低，以減小與四代機(jī)的價(jià)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(shí)現(xiàn)這個(gè)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(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，可以通過(guò)模型和數(shù)據(jù)，將現(xiàn)實(shí)世界中的流程和移動(dòng)資產(chǎn)定量化并進(jìn)行衡量�！爸悄芸臻g”為制造商的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。平臺(tái)建立一個(gè)實(shí)時(shí)鏡像現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字孿生（將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)映射到數(shù)字模型上），將現(xiàn)實(shí)世界中的活動(dòng)與制造執(zhí)行和規(guī)劃系統(tǒng)相連接。它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三維空間中的交互，使用空間事件來(lái)控制流程并使環(huán)境根據(jù)工人移動(dòng)做出反應(yīng)。

    UBI表示其“智能空間”平臺(tái)將定位技術(shù)集成到一個(gè)單一的生產(chǎn)運(yùn)行視圖中，使制造流程完全可視化。對(duì)于像空客這樣的客戶，UBI提供了一個(gè)“室內(nèi)雷達(dá)”，與德國(guó)SAP公司的企業(yè)級(jí)軟件相連接，確保待裝配組件及時(shí)運(yùn)到，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新的信息管理。平臺(tái)能夠處理高精度超寬帶（UWB）、GPS、射頻識(shí)別（RFID）、藍(lán)牙和視景系統(tǒng)。UBI表示，該平臺(tái)解決了航空航天與防務(wù)制造商面臨的許多長(zhǎng)周期和高復(fù)雜性問(wèn)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(shí)間位于正確的位置，將造成漫長(zhǎng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)萬(wàn)平米空間和數(shù)千個(gè)對(duì)象

    通過(guò)實(shí)時(shí)掌握被標(biāo)記資產(chǎn)的精確位置，以及未來(lái)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(xiàng)目達(dá)到關(guān)鍵里程碑。平臺(tái)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(cuò)誤的工具不會(huì)在特定工作區(qū)使用。平臺(tái)還提供資產(chǎn)和工具的電子審計(jì)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(wèn)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(guò)跨部裝線的、在多家工廠中跟跟蹤零件的進(jìn)展情況，平臺(tái)使制造商基于交付延遲而提前謀劃總裝計(jì)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(tái)。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(cái)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(xiàng)目，并已陸續(xù)取得成果。

    從本質(zhì)上來(lái)看，數(shù)字孿生是一個(gè)對(duì)物理實(shí)體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過(guò)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(gè)可以實(shí)時(shí)更新的、現(xiàn)場(chǎng)感極強(qiáng)的“真實(shí)”模型，用來(lái)支撐物理產(chǎn)品生命周期各項(xiàng)活動(dòng)的決策。利用真實(shí)數(shù)據(jù)和虛擬模型相結(jié)合分析，可以在現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(guò)仿真來(lái)制定未來(lái)各項(xiàng)活動(dòng)的計(jì)劃。比如，利用數(shù)字孿生，工程人員可以訪問(wèn)實(shí)時(shí)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(xiàng)操作任務(wù)。

美空軍和波音公司對(duì)F-15C創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型

    通過(guò)數(shù)字孿生，可實(shí)現(xiàn)對(duì)制造性、檢測(cè)性和保障性的評(píng)價(jià)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(gè)重要應(yīng)用，能夠?qū)⒁酝�生產(chǎn)線建成后棄之不用的模型重新利用起來(lái)，通過(guò)在感興趣的位置添加標(biāo)簽采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)三維模型的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線運(yùn)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(gè)數(shù)字線索基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)支撐物料評(píng)審委員會(huì)進(jìn)行劣品處理決策，通過(guò)數(shù)字孿生改進(jìn)了多個(gè)工程流程：自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，使其能夠在三維環(huán)境下可視化、被搜索并展示趨勢(shì)。通過(guò)在三維環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速和精確的自動(dòng)分析縮短處理時(shí)間，并通過(guò)制造工藝或組件設(shè)計(jì)的更改減少處理頻率。通過(guò)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(shí)間縮短了33%，該項(xiàng)目獲得了2016年度美國(guó)國(guó)防制造技術(shù)獎(jiǎng)。

F-35戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道的數(shù)字孿生

    通過(guò)在役飛行器的數(shù)字孿生及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，還能夠?qū)�單個(gè)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(wú)損評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)）基于物理特性（如流體動(dòng)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(xiǎn)，并使數(shù)據(jù)閉環(huán)流動(dòng)（如自動(dòng)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(jì)算材料工程等先進(jìn)手段，實(shí)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(shí)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(cè)。綜上，即可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)組件何時(shí)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(shí)間。

    三、空客已經(jīng)在其多個(gè)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(shí)時(shí)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(lái)工廠”計(jì)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(dòng)化，同時(shí)提升對(duì)供應(yīng)鏈的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)起，UBI解決方案的元素在空客多個(gè)裝配廠和飛機(jī)項(xiàng)目上不斷使用，包括A330、A380和A400M。目前，空客通過(guò)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(guò)模型預(yù)測(cè)瓶頸、優(yōu)化運(yùn)行績(jī)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(duì)資產(chǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤和定位能力，自動(dòng)更新ERP系統(tǒng)的資產(chǎn)位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，提升報(bào)告的精度和時(shí)效性，以及顆粒度可視化，比如之前手動(dòng)無(wú)法完成的運(yùn)動(dòng)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(dòng)提示用戶資產(chǎn)狀態(tài)變化，并當(dāng)發(fā)生特定問(wèn)題時(shí)警告用戶。

    四、結(jié)束語(yǔ)

    數(shù)字線索和數(shù)字孿生的概念已經(jīng)提出超過(guò)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(guó)防部、美空軍和美國(guó)航空航天局為首大力推動(dòng)，并已經(jīng)在美歐航空航天項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。今后幾年，美國(guó)國(guó)防部將大力推進(jìn)實(shí)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(guó)內(nèi)某組織頒發(fā)的智能制造領(lǐng)域大獎(jiǎng)。我國(guó)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(duì)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。本公眾號(hào)將持續(xù)跟蹤相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)展，將這一“改變游戲規(guī)則”的機(jī)遇更全方位地呈獻(xiàn)給讀者。

    其中，有關(guān)數(shù)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(hào)發(fā)表的專欄文章：“數(shù)字線索助力美空軍航空裝備壽命周期決策”（點(diǎn)擊題名可直接訪問(wèn)）。