刘亚威 ¦ 美国洛马公司利用数字孪生提速F-35战斗机生产

随着美国洛马航空公司提升第五代战斗机F-35的生产速度，公司正着眼于提升制造效率。当前，每架F-35飞机都需要约22个月的生产周期。洛马正考虑将其缩短至17个月。当第一批次F-35（2架）开始制造时，每架的成本是2.44亿美元。目前这一批是90架，估计每架9460万美元。洛马饱受F-35成本超支的批评，因此正试图在2020年前，将生产成本降低到8500万美元或更低，以减小与四代机的价格差。

位于德克萨斯州沃斯堡的F-35战斗机总装生产线一、工业物联网和数字孪生助力F-35生产效率提升为实现这个目标，洛马最近在沃斯堡工厂部署了Ubisense集团（UBI）“智能空间”解决方案，“智能空间”是一个工业物联网解决方案，可以通过模型和数据，将现实世界中的流程和移动资产定量化并进行衡量。“智能空间”为制造商的“工业4.0”战略提供一个基础平台。平台建立一个实时镜像现实生产环境的数字孪生（将现实数据映射到数字模型上），将现实世界中的活动与制造执行和规划系统相连接。它实时监测三维空间中的交互，使用空间事件来控制流程并使环境根据工人移动做出反应。UBI表示其“智能空间”平台将定位技术集成到一个单一的生产运行视图中，使制造流程完全可视化。对于像空客这样的客户，UBI提供了一个“室内雷达”，与德国SAP公司的企业级软件相连接，确保待装配组件及时运到，并实现实时更新的信息管理。平台能够处理高精度超宽带（UWB）、GPS、射频识别（RFID）、蓝牙和视景系统。UBI表示，该平台解决了航空航天与防务制造商面临的许多长周期和高复杂性问题。这些客户通常体量巨大，很容易忽视其工具和资产，如果这些关键物件没有能够在正确的时间位于正确的位置，将造成漫长和十分昂贵的生产延迟。

空客集团A400M飞机部装线环境的数字孪生，可建模并实时监测数万平米空间和数千个对象通过实时掌握被标记资产的精确位置，以及未来它们需要到什么位置，“智能空间”可提前谋划和调度资产，助力项目达到关键里程碑。平台不仅告诉用户资产在哪里，还可进行高水平控制，以确保不受控的或错误的工具不会在特定工作区使用。平台还提供资产和工具的电子审计功能，详细描述所有客户所配置设备的行踪，使制造商快速和高效响应突击检查，避免因未能指明而被罚款。部件制造和交付中出现问题意味着总装延迟和交付日期推迟，从而导致大量罚金。通过跨部装线的、在多家工厂中跟跟踪零件的进展情况，平台使制造商基于交付延迟而提前谋划总装计划。

二、数字孪生被洛马列为2018年顶尖技术之首数字孪生概念在2000年左右诞生，随着物联网和大数据的兴起以及虚拟建模技术的发展，数字孪生被推向了前台。2013年，美空军在《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索和数字孪生并列视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇，从2014财年起组织洛马、波音、诺格、通用电气、普惠等公司开展了一系列应用研究项目，并已陆续取得成果。从本质上来看，数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像。创建数字孪生的过程，集成了人工智能、机器学习和传感器数据，以建立一个可以实时更新的、现场感极强的“真实”模型，用来支撑物理产品生命周期各项活动的决策。利用真实数据和虚拟模型相结合分析，可以在现实问题发生前防止其出现，减少生产中断和成本，甚至通过仿真来制定未来各项活动的计划。比如，利用数字孪生，工程人员可以访问实时数据、仿真结果和解决方案，从很远的距离之外高效地执行数百项操作任务。

美空军和波音公司对F-15C创建的数字孪生模型通过数字孪生，可实现对制造性、检测性和保障性的评价与优化，支撑航空航天装备生产、使用和保障。F-35生产线的数字孪生就是一个重要应用，能够将以往生产线建成后弃之不用的模型重新利用起来，通过在感兴趣的位置添加标签采集相关数据，通过三维模型的变化实时监测生产线运行。这可比采用视频获取更多的信息，并且支持远程故障诊断。诺格公司在F-35中机身生产中建立了一个数字线索基础设施来支撑物料评审委员会进行劣品处理决策，通过数字孪生改进了多个工程流程：自动采集数据并实时验证劣品标签，将数据（图像、工艺和修理数据）精准映射到计算机辅助设计模型，使其能够在三维环境下可视化、被搜索并展示趋势。通过在三维环境中实现快速和精确的自动分析缩短处理时间，并通过制造工艺或组件设计的更改减少处理频率。通过流程改进，诺格公司处理F-35进气道加工缺陷的决策时间缩短了33%，该项目获得了2016年度美国国防制造技术奖。

F-35战斗机进气道的数字孪生通过在役飞行器的数字孪生及实时数据采集，还能够对单个机体结构进行跟踪：使用所有可用信息（如飞行数据、无损评价数据）基于物理特性（如流体动力学、结构力学、材料科学与工程）进行有充分根据的分析，使用概率分析方法量化风险，并使数据闭环流动（如自动更新概率）。美空军与波音合作构建了F-15C机体数字孪生模型，开发了分析框架：综合利用集成计算材料工程等先进手段，实现了多尺度仿真和结构完整性诊断；配合先进建模仿真工具，实现了残余应力、结构几何、载荷与边界条件、有限元分析网络尺寸以及材料微结构不确定性的管理与预测。综上，即可预测结构组件何时到达寿命期限，调整结构检查、修改、大修和替换的时间。三、空客已经在其多个工厂部署数字孪生空客集团正在与UBI进一步扩大在A350XWB飞机图卢兹总装线上应用RFID系统，以数字孪生解决方案支持工厂的数字化。在物联网和大数据的背景下，使用RFID和实时定位系统连接工业物体是空客数字化战略和“未来工厂”计划的关键组成部分，该战略将优化工业流程并使其进一步自动化，同时提升对供应链的实时感知。

空客A350WXB图卢兹总装线2011年，空客在A350XWB 总装线上部署了UBI的企业定位智能解决方案，实时连接其工业物体，使工业流程和设备应用更加透明化，尤其是工艺装备及其在部装厂和总装厂内的分布情况。从那时起，UBI解决方案的元素在空客多个装配厂和飞机项目上不断使用，包括A330、A380和A400M。目前，空客通过在关键工装、物料和零部件上安装RFID，生成了A350XWB 总装线的数字孪生，从而能够通过模型预测瓶颈、优化运行绩效。

空客A400M总装线数字孪生UBI企业定位解决方案正在扩展A350XWB总装线上已有的可视化解决方案，连接总装设备安装流程的额外区域，以支持生产提速。该系统提供对资产的实时跟踪和定位能力，自动更新ERP系统的资产位置和状态数据，提升报告的精度和时效性，以及颗粒度可视化，比如之前手动无法完成的运动路径分析。所有相关数据都在位置或图表视图中呈现，以加速日常操作。而且，该系统自动提示用户资产状态变化，并当发生特定问题时警告用户。四、结束语数字线索和数字孪生的概念已经提出超过十年，成为了美空军和洛马公司（数字织锦）的顶层战略，正以美国防部、美空军和美国航空航天局为首大力推动，并已经在美欧航空航天项目中得到实际应用。今后几年，美国国防部将大力推进实施以数字线索和数字孪生为核心元素的数字工程战略。此外，达索系统、西门子等工业软件解决方案提供商也已经开始大力推广此概念，前不久西门子刚刚以“数字孪生”获得国内某组织颁发的智能制造领域大奖。我国军方和军工行业在数字化领域整体上起步较晚，目前在基于模型的系统工程方面与美欧差距较大，对数字线索和数字孪生的概念可能还极为陌生，甚至可能认为是在炒旧概念。本公众号将持续跟踪相关领域进展，将这一“改变游戏规则”的机遇更全方位地呈献给读者。其中，有关数字线索的情况，可参见本文文末表格中，刘亚威先生于2017年9月27日在本号发表的专栏文章：“数字线索助力美空军航空装备寿命周期决策”（点击题名可直接访问）。刘亚威先生已为《空天防务观察》提供51篇专栏文章，如下表所示：序号篇名发表日期1美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造2015年2月16日2非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产2月23日3热塑性复合材料加速进入民机主承力结构2月25日4轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔2月27日5增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”3月11日62014，美国国家制造创新网络雏形初现4月8日7揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋4月22日8美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景5月27日9美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者6月1日10“数字制造”VS“智能制造”8月17日11你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构8月24日12波音采用创新技术制造NASA新概念飞机机身9月28日13无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）10月9日14你应知道的柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构10月14日15解读美国国家制造创新网络中制造创新机构的分级会员制11月23日16德国“工业4.0”之“智慧工厂”计划（上）、（中）、（下）12月18日、21日和23日17美国国家增材制造创新机构的技术路线图和项目概览（上）、（下）2016年1月8日、15日18美国国家制造创新网络计划2015年实施亮点2月15日19美国政府发布首份国家制造创新网络年度报告和战略计划2月22日20美国国家制造创新网络战略计划要点3月4日21工业互联网联盟与工业4.0平台的合作始末4月1日22航空制造领域即将发生五个变革4月6日23你应知道的革命性纤维与织物和革命性纤维与织物制造创新机构4月8日24美国国家制造创新网络的知识产权管理5月11日25十八张图说新工业革命与未来航空制造5月17日26十七张图说波音创新制造新概念飞机机身和民机主承力构件非热压罐制造5月23日27人——航空智造转型之路的核心资产5月30日28定位高端——航空增材制造技术6月6日29美空军“未来工厂”愿景与专项计划6月29日30美国政府提出先进制造业优先技术领域（上）、（下）7月5日、7月7日31美国智能制造领导力联盟——美国国家智能制造创新机构的领导者（上）、（下）7月11日、7月13日32“增强现实”助力航空智能制造9月8日33美国制造创新机构运行效果的评价10月19日34美国数字制造与设计创新机构的项目机制10月21日35美国洛马公司深度参与国家制造创新网络10月24日36飞机部装迈向智能化11月21日37新工业革命下航空智能制造的三大典型范例11月30日38航空制造改变未来制造业：再次认识制造与未来航空制造12月26日39航空制造改变未来制造业：重新定义制造业12月28日40美国防部发布增材制造路线图2017年3月1日41解读美国先进生物组织制备制造创新机构3月8日42解读美国防部先进机器人制造创新机构5月8日43英国高价值制造战略与航空制造创新5月17日44美国防部先进轻量化材料制造创新机构一览5月24日45虚拟现实／增强现实技术支撑航空智能制造转型5月31日46浅谈智慧院所／智能车间信息化能力建设需求8月30日47五大航空制造商制造创新实体9月13日48数字线索助力美空军航空装备寿命周期决策9月27日49AS6500标准将协助美军加强采办项目制造成熟度管理12月6日50美军希望扩展制造成熟度应用范围（上）、（下）12月15日、12月18日51美国洛马公司利用数字孪生提速F-35战斗机生产（即本篇）12月27日