数字孪生驱动下的装备适航性和安全性设计与验证技术研究.docx

数字孪生驱动下的装备适航性和安全性设计与验证技术研究

作者：苏多柳鑫

来源：《航空科学技术》2021年第11期

????????摘要：未来军事需求发展推动着战争形态向网络化、信息化、智能化转变，多技术跨领域融合的常态化将重构人与武器装备的关系，带来多学科技术发展应用机遇的同时，也带来装备复杂度的不断提升。结合全球数字战略发展趋势，分析了未来航空装备基于模型的系统工程（MBSE）研发过程中数字孪生技术应用的难点和挑战，提出了在多域大数据下开展装备适航性与安全性设计与验证的关键技术。

????????关键词：数字工程；数字战略；数字孪生；大数据；适航性；安全性

????????中图分类号：V219文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.004

????????未来军事需求发展推动着战争形态向网络化、信息化、智能化转变，武器装备必须应对协同作战日常化和多任务复杂场景，装备使用从“人在回路”逐渐将发展到高度自主，未来有人驾驶、远程操控、自主无人驾驶装备将长期并存，这些多技术跨领域融合的常态化将重构人与武器装备的关系，带来多学科技术发展应用机遇的同时，也带来装备复杂度的不断提升，使武器装备功能结构组成高度复杂化和高度耦合化。本文结合全球数字战略发展趋势，分析了未来航空装备基于模型的系统工程（MBSE）研发过程中数字孪生技术应用的难点和挑战，提出了基于多域数据开展装备适航性与安全性设计与验证的关键技术。

????????1国内外数字孪生技术发展现状与趋势

????????数字工程（digitalengineering）作为一种数字集成方法，在装备系统全生命周期中将数据源和模型源融合为连续体和统一体，并贯穿了其从概念设计、批量生产到退役报废全生命周期的各项活动内容。数字工程推进的核心目标，是针对过去简单线性且以文档为中心的采办流程，通过数字化方式，将其升级为全新的数字工程生态系统，该系统具备动态性且以数字模型为中心。

????????1.1数字孪生技术对装备研制和使用模式的影响

????????装备数字孪生对应于装备物理实体的数字模型，是面向装备全生命周期，采用单一数据源实现物理空间和虚拟空间的映射和链接。装备数字孪生的构建基于物理或功能模型，该模型一般在设计阶段产生和生成，并在后续的制造阶段和使用阶段，通过数字虚拟空间与物理实体之间大量的数据交换和互动，使得该模型在完整性、精确度和一致性不断优化提升，实现其对物理实体的行为特征等属性的精准映射和描述。目前，国外欧美国家正积极开展数字孪生相关技术体系的开发和配套标准指南规范的编制工作。

????????近10年来，美国空军正在开展从建设到作战的整体数字转型[1]，其主要节点见表1。美军认为，传统的建模与仿真、基于仿真的采办、基于模型的系统工程是第三次工业革命信息技术发展的产物，当今世界处于第四次工业革命，以数字化连接的端到端复杂组织体将代替基于电子和IT的自动化成为核心[2]。美军推进数字工程旨在将以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的数字工程生态系统，使美军完成以模型为中心谋事做事的范式转移。

????????未来，各国军队都将面临一系列挑战：（1）作战和威胁环境动态变化，装备系统复杂度和无法接受的风险大幅增加，成本超支和能力交付延迟问题；（2）需要超越快速变化的威胁和技术进步，更快地向作战部队交付先进能力，同时更具经济可承受性和持续保障性。当前，线性的采办流程缺乏敏捷性和弹性，依靠孤立的数据源在生命周期中支撑各种采办活动，沟通、协同和决策只能通过静态、不相连的文档传递，采办实践依赖单学科模型，无法满足未来数字空军建设的需求[3]。

????????1.2数字孪生技术对装备适航性安全性的影响

????????在方案阶段，根据装备性能和任务要求，基于历史数据，建立装备运行场景需求模型进行计算和仿真，对作战效能、适航性、安全性、装备性能和费用进行综合分析权衡，可大大减少需求迭代时间。

????????在设计阶段，以适航性安全性要求为目标并分解传递至各层级，瞄准产品研制薄弱环节确定产品适航性安全性提升措施，通过开展产品适航性安全性改进工作策划与实施，引入多学科协同优化分析，以装备大数据为支撑，确保整个工程项目研制项目能及时、协调和全面地开展，使装备最终满足顶层适航性安全性要求并得到验证。

????????在生产与使用阶段，可对装备进行风险预测，支持装备的任务规划，并通过数据及信息交互，不断修正提升适航性安全性评价模型的精确性，并为程序适航和定制化的维修和保障方案实施提供支撑和保障。

????????2数字孪生技术对装备研制和使用模式的影响

????????美国新一代武器装备的设计与生产采用数字孪生和数字线索技术，实现了工