二十一世纪初以来，飞机制造围绕数字化主题进行了创新性的发展和促进，随着大数据、物联网和云计算等信息技术的快速推进，在释放出巨大发展动力的数字化转型和智能化升级的大趋势下，飞机制造技术呈跃进式进步，其中数字孪生技术是实现数字化转型和智能制造的关键技术，飞机制造工业界对这项关键技术进行了研究和探索，取得了不少的成果，本文就这项技术在飞机制造业的发展和运用情况进行一下分析，从而找出飞机制造数字化在“以虚映实”和“以虚控实”两方面的发展思路。
一、数字孪生的定义：
数字孪生（Digital Twin）是一种通过数字化手段创建物理实体或过程的虚拟模型的技术。该概念最早是由密歇根大学的Grieves教授在2003年提出的，当时被称为“镜像空间模型”（Mirrored spaces model,MSM）,其定义是一个物体和它的数字化镜像及两者之间的连接。后来在文献中被定义为数字孪生。到目前，数字孪生的定义在不同的行业领域里有自己不同的定义。
以下是数字孪生的几个核心定义和特点：
# 定义
- 标准化组织：数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，确保物理状态和虚拟状态之间的同步收敛，提供整个生命周期的集成视图，以优化整体性能。
- 学术界：数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，利用历史数据、实时数据和算法模型，模拟、验证、预测和控制物理实体的全生命周期过程。
- 企业：数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效，以改善业务成果。它由数据模型、分析或算法，以及知识三部分组成。
# 特点
- 互操作性：物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接。
- 多维度模型：涉及几何、物理、行为、规则等多维多时空多尺度的模型，具有高保真、高可靠、高精度特征，实时更新与动态演化。
- 数据驱动：数据是核心驱动力，包括贯穿产品全生命周期的全要素、全流程、全业务的相关数据，强调数据的融合、实时动态更新、实时交互和及时响应。
- 全面连接：支持跨接口、跨协议、跨平台的互联互通，实现不同维度间的双向连接、双向交互、双向驱动，形成信息物理闭环系统。
- 服务/功能多元化：提供仿真、虚拟验证、可视化、运行监测、能耗优化、智能管控、故障预测与诊断、设备健康管理、循环与再利用等功能与服务。
综上所述，数字孪生通过集成多学科、多物理量的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理实体的映射，实现虚实融合，优化业务绩效。
这篇微文只讲有关飞机制造方面的数字孪生。
二、飞机工程里的数字孪生
数字孪生技术在飞机制造中发挥着重要作用，它通过创建物理飞机的虚拟模型，实现设计优化、制造过程仿真、预测性维护等，从而提高效率、降低成本，并提升飞机的安全性和性能。
• 数字孪生的概念
数字孪生是物理对象的虚拟副本，整合了飞机设计、制造和运行数据，实现实时更新和预测分析。
• 在飞机设计中的应用
设计优化：通过模拟和分析虚拟模型，优化飞机的空气动力学性能、结构稳定性和燃油效率。
虚拟验证：在数字环境中进行设计验证，减少物理测试，提高验证效率和准确性。
• 在制造中的应用
制造过程仿真优化：模拟生产活动，识别并优化效率瓶颈，提高质量控制。
供应链管理集成：优化供应链，确保部件按时交付，降低成本。
• 在维护中的应用
预测性维护：监控飞机状态，预测潜在故障，实现主动维护，减少停机时间。
优化维护计划：分析数据，优化维护策略，提高运营效率。
• 技术挑战与发展趋势
挑战：包括数据采集与建模、数据处理与传输、信息安全等。
趋势：与人工智能、物联网融合，实现更高级别的自动化和优化。
三、飞机制造中的“以虚映实”与“以虚控实”
数字孪生是将物理环境与虚拟环境相连，一方面，通过虚拟环境的孪生模型实时反映和分析物理制造系统的状态和行为，称为“以虚映实”；另一方面，通过通过反馈信息，来控制并实现飞机制造系统的渐进、优化和管理，这里称为“以虚控实”。
具体来说，以虚映实是通过数字化手段实时监测飞机制造过程中的各种数据，如生产设备的运行状态、零部件的加工精度、装配过程中的位置偏差等，并以三维实景的方式将这些数据组织起来，形成虚拟模型来映射实际的制造过程。例如，在制造车间，数字孪生技术可以实时反映设备的运行状态和生产进度，帮助管理人员直观地了解生产情况。其优势是，这种单向映射能够动态地呈现飞机制造过程的实时状态，使相关人员能够及时发现问题并采取措施，一定程度上解除了时空和环境约束条件对目标实体监测的制约。
而以虚控实应用情况：目前在飞机制造中，数字孪生技术已经在部分环节实现了以虚控实的功能。例如，通过数字孪生模型对生产设备进行远程参数调整和优化控制，减少人工干预，提高生产效率和产品质量。在产线级数字孪生系统中，包括产线多单元耦合分析、产线布局优化、产线状态监控与预测和产线调度与优化等方面，数字孪生技术能够实现对生产过程的实时监测与管控。其优势在于，以虚控实能够将经验固化到算法之中，直接下发参数包，代替手工单点控制，使控制更加立体化和精准化，从而提高生产效率和产品质量。
就飞机制造来说，通过事先的制造模拟仿真来预测飞机加工过程中各个零组件的工艺流程关系，设定相关参数，实施工艺设计，这种以虚映实通过二十年的不断努力，还是逐步实现了人们的要求。
但是，对于飞机这种产品来说，外形复杂，构造复杂，零件数目多，尺寸大，刚度小，在制造过程中会出现通过仿真都难以再现的变形状况，并且，每批次，每架次都会出现批架次各异的变形状态，很难用统一的数学模型来成熟地表示其变化情况。这样的话，数字孪生中的以虚控实就很难取得理想效果。
四、飞机制造中逼近实现“以虚控实”的技术路线
飞机制造中，容易实现“以虚控实”的制造流程一般是刚体紧固件的机械加工工艺，这样的智能化数控加工中心在各个航空制造工厂都已经建立，无论是制造车间级、还是产线级和单元级的制造工艺已经很成熟了，这里不予赘述。
目前存在大量虚控实缺失问题的，公认为是飞机钣金生产工艺和飞机装配工艺。
比如钣金制造。
• 飞机钣金零件生产的特点：品种多、数量大、批量小、制造方法多样；
• 飞机钣金零件的特点：尺寸大、厚度薄、刚度小、形状复杂、精度要求高；
• 典型的飞机钣金零件：蒙皮、隔框、壁板、翼肋、导管、桁条；
• 主要的钣金成形工艺：冲裁、拉深、压弯、滚弯、拉弯、橡皮成形、拉形、旋压、落压、喷丸成形、时效成形、胀形、冷挤压、高能成形、超塑成形。
目前钣金成型的精度和回弹变形仍然是一道难题，不解决精密钣金生产，在钣金工艺流程中，“以虚控实”就是纸上谈兵，无实际意义。因此，要对钣金生产中的现象孪生（另外两种是对象孪生和工艺孪生）进行深入的研究。
现象孪生属于制造单元级孪生，其主要表现在钣金件的成型应力、应变、表面质量和工刀量模具的物理量数据，这些数据目前多数是以数据形式或以二维曲线形式孪生，三维映射的难度还是很大，需进一步研究物理量数据在虚拟环境与几何模型的融合与映射技术。
对于飞机装配来说，孪生也是从对象孪生和工艺孪生上来说，可以通过各种仿真技术来研究实施，但对于根据工作环境场所的温度、运输、季节气候、单位时间环境应力释放变化的现象孪生，无论是波音空客还中国军民机航空工业来说，目前都在摸索和探索之中，虽然大量使用了数字自动化的先进生产线，看似自动化铆接和对接，但连接过程中的无差别压紧定位，无差别应力铆接，就是说从理论上来讲，还无法准确地实现数字孪生的“以虚控实”目标。
还有，对于飞机内部系统按照，比如电缆敷设，管路安装等，由于飞机机体内部结构精度存在着很大的不确定性，在电脑里可以实现无误差装配，但现实中千变万化的空间现象，也无法实现“以虚控实”目标。
五、微文结语
数字孪生目前还存在着下面几点不足：
• 技术集成与协同不足：飞机制造是一个复杂的系统工程，涉及多个环节和多种设备，目前数字孪生技术在各环节之间的集成和协同方面还存在不足。例如，各信息化系统平台接口集成、交叉互联、虚实联动非常复杂，难以支撑飞机制造全生命周期的数字孪生实施应用。
• 数据质量和实时性问题：以虚映实和以虚控实都需要高质量的实时数据作为支撑，但在实际应用中，数据的采集、传输和处理过程中可能会出现延迟、丢失或不准确等问题，影响数字孪生模型的准确性和可靠性。
• 行业标准与规范不完善：目前数字孪生在飞机制造领域的行业标准和相关规范还不够完善，缺乏统一的指导和规范，导致不同企业和项目之间的数字孪生应用难以实现互操作和协同。
• 安全性和可靠性问题：以虚控实涉及到对生产设备的远程控制，这就需要确保系统的安全性，防止数据泄露和恶意攻击。同时，数字孪生系统的可靠性和稳定性也需要进一步提高，以确保在复杂环境下的稳定运行。
从以上分析可以看出，对于飞机产品来说，其制造流程实现全数字化覆盖是由很大难度的，数字孪生仅能够在有规律可循的领域实现，还需要花大力气去研究、攻关和创新突破，才能突破，未来结合智能制造技术，结合云计算，超速算法等技术，力争早日实现飞机制造数智化，相信这样的前景已经离我们不远啦！
本微文参考文献：
1、陈 燕等《数字孪生在制造业中实现的关键技术及典型应用综述》（《航空制造技术》2024年第67卷第11期）
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