“数字世界”的发展方向（以及今天可以节省大量资金的地方）

如果制造业是一系列轰动一时的电影，那么最新的影院字幕可能会写成“即将来到您附近的供应链：数字线程”。约翰维克斯将是第一个买票的人。作为华盛顿特区 NASA 总部空间技术任务理事会的首席技术专家，他在整个机构范围内负责其先进制造活动，并在帮助指导该组织在日益数字化的世界中向前发展方面发挥着关键作用。

然而，维克斯很少使用“数字线程”这个词。相反，他更喜欢“数字孪生”这个更全面的词组，他说这个词是任何数字化转型的核心。

“数字主线只是美国宇航局和整个制造界其他地方正在进行的数字化转型的一小部分，”他说。 “其中大部分都围绕着数字双胞胎的使用，或者更广泛地说，我们称之为‘基于模型的一切’的概念。”

正如他最近在剑桥集团的一次演讲中解释的那样，数字孪生通过“参与数字融合、重塑任务和任务支持流程、产品和能力”，极大地增强了 NASA 的任务影响。不过，在这里，他对数字孪生和其他行业标准术语的定义并不总是与他的同事一致。

“似乎每个人都试图用非常规范的术语来定义数字双胞胎，但我拒绝这样做，”维克斯说。 “例如，我建议它不需要实物资产，我在 AIAA [美国航空航天研究所] 的一些朋友（最近发表了一篇关于数字双胞胎的论文）不同意这一观点。它也不是其他技术的代名词，例如 MBSE [基于模型的系统工程]，或者，正如我已经提到的，数字线程，即使它包含每种技术的元素。”

按设计、按建造、按操作

他解释说，数字双胞胎是一种跨学科方法，它允许制造商分析、综合和协调学科之间的联系，将其整合为一个协调一致的整体。

它具有“协作性、预测性、描述性、调查性、认知性和纠正性”。

虽然 Vickers 的数字双胞胎版本确实是基于模型的，但正是第一部分——协作性——阻止了用户像传统的多学科模型一样“将其扔到墙上”，这些模型倾向于将信息保存在自己孤立的环境中。

这意味着今天在设计和制造阶段使用的数字双胞胎有朝一日将推动整个企业的发展。这包括营销、管理、生产和财务部门，以及最终产品的最终用户，在 NASA 的情况下，他们可能会将这些产品带到月球或更远的地方。

双胞胎的诞生

Vickers 指出，他和 NASA 顾问 Michael Grieves（现任佛罗里达理工学院先进制造首席科学家）在 2010 年创造了“数字双胞胎”一词。虽然它还不是青少年，但那个时代的数字双胞胎已经在过去的十年里发生了很大的变化。

例如，今天有更先进的模拟和分析系统，以及机器学习和人工智能。

现在，所有这些都在任何数字化转型计划中发挥着重要作用。

增强、混合和虚拟现实工具也是如此。这些可以帮助人类可视化和测试虚拟产品，然后在部署后教他们如何操作物理版本。

当然，还有增材制造，对于 NASA 和许多其他机构来说，它是更快、更具成本效益的产品设计的关键推动力。

Don Kinard 是洛克希德马丁公司在德克萨斯州沃思堡的航空生产业务的高级研究员。他还在基于模型的工程方面拥有数十年的经验，这一趋势在 F-35 联合攻击战斗机计划的早期就开始了。

“F-35 标志着我们数字化转型的开始，”他说。

“与它的前身 F-22 不同，它仍然是纸质的，它是第一个完全数字化的工程飞机项目。我们对所有东西都有可靠的模型。”

打破范式

那是在 2004 年。从那时起，数字化为洛克希德马丁公司带来了无数好处。

除了显而易见的方面，例如更高效的设计和工程流程之外，它还可以显着改善制造车间。

这包括自动钻孔和紧固件安装、改进的加工工艺、保护涂层的机器人喷涂、计算机控制的管子激光切割以及最近的非接触式计量——所有这些都由数字数据驱动。

Kinard 指出，非接触式计量在许多方面都很重要。通过将 3D 实体模型与飞机结构和部件的结构光扫描进行比较，制造商发现可以更快、更轻松地回答有关设计与建造的任何问题。

“作为技术团队，我们的工作是确定生产车间需要什么以及存在自动化机会的地方，然后找出如何经济高效地实施它们并获得可靠的投资回报，”他说。 “在很多情况下，解决方案是数字化的。”

他补充说，这些都不是新的。改变的是当今制造商可以使用的大量工具，无论是刚刚提到的结构和激光扫描仪，还是用于分析飞机设计的高级分析软件工具和系统。

“进入 F-35 项目几年后，我可以非常清楚地看到基于模型的工程有多大的不同，从飞机的初始设计一直到我们如何在现场提供支持。”

输入矩阵

它还影响着飞机零部件和材料的采购方式。

Kinard 提到了负责采购、技术和后勤的空军助理部长 Will Roper 的工作。罗珀在他的“弯曲勺子”论文中写道，“尽管我们的冷战进程确实产生了世界领先的军事系统，但它正在不断升级的时间表和成本是不可持续的副产品。与商业行业的鲜明对比使我们的军队处于兔子洞的“无奇”尽头。”

根据 Roper 的说法，摆脱这个兔子洞的出路是通过数字工程，这是一套技术，导致美国空军为完全在数字基础上设计和制造的飞机、卫星和武器系统指定“e 系列”。

这个快速发展的俱乐部的第一个成员？ eT-7A Red Hawk 是一架喷气式教练机，仅用了 36 个月就设计和制造了——并以塔斯基吉飞行员的名字命名。

“在开发阶段早期开发虚拟原型的能力降低了生产风险，因为它让我们在实际开始切割金属和铺设复合材料之前就知道设计是否能满足客户的要求，更不用说花费数年的飞行和结构测试”Kinard 说。 “所以这确实是今天的重点，其中大部分都围绕着仿真建模。随着这些技术变得越来越复杂以及我们 3D 模型的保真度提高，我们的世界将在未来十年左右发生巨大变化。”

Paul Oldroyd 是 Bell（德事隆的一个部门）的制造和工艺开发的技术研究员和主要技术资源，他对此表示同意，但有一个警告：即使考虑到其非凡的成功和对数字化转型的拥抱，该行业仍然拥有一条路要走。

“‘转型’这个词暗示了一个动态的环境，这意味着我们必须继续前进，”他说。 “不过，我们都在迈向全数字化架构方面取得了进展。”

你什么都没看到

他解释说，自从第一架 FBW（电传飞行）飞机 V-22 推出以来，贝尔无疑已经走了很长一段路。

此外，525 Relentless 将是完全 FBW 商用旋翼机。包括 FLRAA（未来远程攻击机）和 FARA（未来攻击侦察机）在内的联合多用途 (JMR) 飞机正在使用数字双胞胎进行开发，并已从数字线程的结合中获得显着收益。

“作为优势的一个离散示例，与 V-22 上的类似系统相比，JMR Valor V-280 机舱液压系统实现了 90% 的工程人工减少，同时为制造团队，同样减少了工厂开发时间和劳动力。”

这并不意味着他们已经完成了。他指出，基于模型的工程在不断改进，数字线程需要在整个生命周期中保持连续和稳健。

“它不仅可以管理和传达车辆性能，还可以通过整个供应链转化回制造、维护和维持指标。数字化企业代表了飞行器通过基于物理的分析、设计、虚拟验证、制造、准备、健康监测、维持和机队意识的持续反馈。”

Oldroyd 解释说，“下一代航空”将享受产品和流程的持续同步成熟。

“我们将利用一个开放架构的数字双胞胎来交换实时数据，”他说。 “这种能力将为所有利益相关者——项目经理、内部团队成员、我们的合作伙伴和客户——提供近乎实时的访问相同信息的能力，包括工程分析、性能特征和其他相关指标。”

高度交互的企业级数字孪生的一个优势是制造空间可以与设计和分析空间同时发展——实质上是实现数字线程。

为了实现这一目标，贝尔创建了一个专门的制造技术中心，Oldroyd 称该中心是“建立在以物联网为中心的数字理念之上的制造创新环境”。

为此，该公司正在探索从 CNC 设备和工作单元捕获基于传感器的制造数据的方法，以告知和完善数字孪生。

这将提供有关制造过程本身的反馈，帮助公司优化生产力，避免潜在的质量问题，并为包括运营团队在内的互联企业创建每个飞机部件的制造历史。

“我们会这样做的。”奥德罗伊德说。 “数字双胞胎必须是一个活的有机体——一个能够适应不断变化的环境的有机体。这样一来，制造过程将变得越来越强大。

“最终，工作单元可以是无所不知的元素：它们会自我评估。当他们不健康时，他们会通知我们。他们最终甚至会采取行动在环境层面变得健康。我们还没有完成进化，但这就是‘数字宇宙’的发展方向。”