其它相似观点

 

虽然国防部数字工程战略最初是为应用于军事项目制定的，但基本战略也完全适用于民用和商用航空行业。事实上，非国防组织已经将其完全融入了第四次工业革命。除了国防价值外，还有公司的利益。最主要的好处是能够具有将生命周期后期活动提前的能力，那时生产比维护更便宜(例如软件和硬件修复)。在降低生命周期后期的修改方面，国防和商业具有相似的利益。这要求大量的建模方法和对模型开发的信任度。就像George E.P.Box的名言所说，“所有模型都是错的，实际问题是它们错到不能用的程度”。所以，你有多大程度相信不完美的模型?第四次工业革命强调的是从应用模型确认过去的经验转化为应用模型做出决策。那么，为什么多年的经验不能满足需要呢?系统变得越来越相互依赖，一个系统不仅会影响另一个系统，而且其行为的改变导致不可预测的紧急事件(该系统会改变另一个系统，导致级联效应)。经验的作用是有限的，因为没有一个人或一群人可以知道一切。这就像让一个知识渊博的人处在一个非常大的相互联通的房间里，并预测每一个场景是不现实的。为开发出能够应付不断地增加的相似产品验证的快速适应外部变化的产品快速做出决策，这对国防和商业同样重要，它将帮助确立在市场和战场的统治地位。

 

建议和下一步工作

 

本文提出了航空业统一的数字孪生体的定义和价值观点，旨在为促进跨行业、学术界和政府的合作提供一个基线和理解。企业从识别的数字孪生应用中获得更大利益要求在以下通过数字孪生体应用加速价值实现的重点领域和方向开展合作：

 

1.业务和交易(例如向客户“交付”什么和如何交付?)

数字孪生体的价值仍没有在促进和激励“双赢”商业模式中得到清晰的理解或表达，没有形成跨行业和政府的最佳实践。

• 经济影响：在确保航空工业基地的经济健康和福祉的同时，需要对数字孪生方法能够在产品开发、生产和维护方面形成更好决策的影响和经济性方面进行审查。特别是，需要将开发和维护数字孪生体的预投入与其预期的经济影响/投资回报进行权衡。

• 知识产权和网络安全战略：为了确保跨生命周期和跨供应链的数字孪生体的数据应用价值的实现，需要对如何管理知识产权及其保护(如数据所有权和访问权)，网络安全(例如潜在恶意软件检测)的战略进行调整。

• 开发语言：随着对价值、经济影响和知识产权方面的理解和一致性的提升，必须对开发语言进行重新讨论，以建立合适的词汇、条件，及通过数字孪生能力加快价值实现的激励措施。

在这一领域，许多政府和专业组织正在开展至关重要的工作，但由于各自观点，工作经常孤立和不协调。

 

2.技术和分析(例如：最佳实践、学习课程和加快价值实现的技术投资需求?)

虽然一些航空行业单位已经在应用数字孪生方面取得了实质性进展，但数字孪生的推广和应用依然受到一些技术挑战。

• 标准：需要制定标准和/或方法，以便数字孪生体能够与跨生命周期和供应链的其它数字孪生体交互。许多专业协会正在致力于制订跨行业标准，但依然受到协调和认知方面的限制。在数字孪生应用的最佳案例中，大多数商业部分都是保密的。通过建立基础开放标准(如数据和模型)和生命周期框架，可以实现巨大价值和增强协作。因此，在开放的要素方面还应给予更多的关注和努力。

• 工具和方法：为了改进数字孪生体在航空领域广泛应用的质量和实践，还需要进一步开展一系列工具和方法的开发和改进，包括但不限于多物理建模、概率框架开发、配置管理方面的人工智能和机器学习，以减轻人工负担，增加数字孪生体的连通性、验证/确认/认可、认证和不确定性的定量化。此外，为加快行业的理解、适用和应用，还需要一个可信的工程工具和最佳实践方法清单。

• 数据管理：鉴于数字孪生模型在安全性、输出和知识产权方面的敏感性，关于数字孪生模型怎么存贮和维护需要有一个业界认可的解决方案，以满足适航局关于长期存档和检索(LOTAR)方法的要求。除了模型和仿真的存储和维护外，对“孪生数据”的接收和维护，如性能、可靠性和故障数据也很重要，就像没有连接的物理实体，数字孪生就不存在一样。

• 基础设施：尽管大型企业和政府合作者已经内部建成了大量的信息技术平台，用于支持数字孪生体和数字企业的实现，但航空行业的中小型企业普遍还没有实现。需求进一步强调的是不断出现网络安全(如恶意数据)威胁和相关需求，这就要求定义能够支持实时接收来自客户、供应商的权威来源的可信数据的集成数字环境(IDE)的相关需求，与此同时，保护知识产权、支持向后兼容、防止跨多供应链数据恶意破坏。

尽管许多专业团体和政府为应对上述挑战都做出了努力，但还没有一个航空业组织参与跨行业和政府组织的关于数字孪生体效益在企业中实现的鲁棒和透明性讨论。

 

3.文化(例如：工业界如何为实全面价值现转变心态?)

在新概念普及早期，惯性思维很常见。虽然数字孪生体概念已被主流接受，但它尚未展现出其全部价值，主要挑战如下：

• 术语：尽管本文已建立了数字孪生体的统一定义，但许多组织对与数字企业相关的数字孪生体仍然有自己的理解。为了支持整个航空业的一致性和通信，需要建立通用的零件分类方法(例如：手、轮胎、尾灯)，每个零件的本体概念(例如：旋转、失速、飞行高层)，并将美国英语命名所有信息和相关数据。数据既包含数字(即度量)也包含词汇(即语义)。每个数字孪生体针对每种飞机类型都有一组相关且有限的语义词汇。数字孪生体的术语、定义、分类和本体的语言必须标准化，以确保普遍理解和互操作性，这保证数字孪生体的互操作性设计，避免创建不可互操作的专有孪生体(例如：词汇和表达不匹配，任意假设)。

• 劳动力发展：通过对劳动力的适当教育和培训，形成、培养和发展劳动力的关键技能。数字孪生体的开发需要多学科交叉技能，包括但不限于：系统工程、系统思维和架构、数据分析、机器学习/人工智能、统计/概率、建模和仿真、不确定性量化和决策科学，这些知识很少在课程中教授。为了保证未来劳动力的相关能力，应当按行业和政府组织的需求和计划，启动包含上述学科的新多学科教育计划。

• 分析认证：尽管通过增加使用建模和仿真加速设计和制造认证/资质的好处是巨大的，但当前的监管要求、政策和环境限制了这一利益的完全实现。仍然需要工业和适航局的合作进行从传统的“设计-建造-测试”过渡到“模型-分析-建造” 方法的合适转化，以加速产品和过程认证/鉴定。在这种情况下，并不会完全删除试验，相反，将需要更多的针对性的物理试验：1)验证、确认、校准和/或模型与模拟不确定性的定量化;2)弥合知识鸿沟。AIAA正在编写一份分析认证实践手册，提供该领域的机遇、挑战和指导。

 

鉴于上述挑战、差距和需求，航空业界建议建立一个跨学术、工业、政府和相关认证机构的数字孪生“卓越中心”，用于：

-对数字孪生体价值进行清晰定义和协调;

-致力于解决和弥合上述的业务、技术和文化鸿沟;

-为政府采购和基于共同的价值和差距评估的投资提供指导;

-形成一个权威服务机构，建立和分享经验、最佳实践和标准化;

-作为一个权威服务机构为应用就绪程度质量管理建立数字孪生体的验证、确认、认可和成熟度水平认证;

-支撑劳力发展和教育课程;

-在基于分析的认证工作中，促使行业和适航机构在适当采用数字孪生体方面进行合作。

 

建立航空工业数字孪生卓越协作中心的初步构想离不开当前学术界、工业界和政府的经验和实践，包括：

 

-AIAA数字工程集成委员会(DEIC)

-AIAA分析认证协会(CbA)

-AIA互操作业务技术委员会(BTIC)

-美国国防部长办公室资助的数字工程工作组(DEWG)

-美国空军企业数字工程办公室(DEEO)

-国际系统工程协会(INCOSE)

-对象管理组织数字孪生联盟

 

此外，应有目的有意识吸收其他专业团体参与相关工作，以确保最佳实践在其他团体中的应用。上述提及的专业协会和政府项目已经部分地利用了数字孪生能力，但没有形成更广泛的产业合作路径。本文中涉及的数字线程、数字生态系统和数字系统模型还有待开发，还应探索这些数字工程主题的合作案例。事实上，本文的下一步工作是研究数字孪生现象的合作案例。现在是航空工业加速从这一变革中获益的时候了。

 

附件：国防部数字工程战略同盟

国防部对基于巨大互联系统国家安全问题特别感兴趣。图2描述了国防部数字工程战略的五个目标，它与工业数字孪生体相似。例如，国防部数字工程战略的第一个目标(图2中部紫色顶矩形)是“为形成企业和项目的决策，规范化模型的开发、集成和使用”。数字孪生原则中与此目标相对应的目标如右上紫色矩形所示。其余四个原则具有类似的对称性。

国防部数字工程战略与行业数字孪生体的观点之间的一致性来源于人们研究协作。这需要国防部和工业界建立伙伴关系，双方都能实现各自的价值。为确保这种伙伴关系，本文的支持组织代表的是行业的声音，并将持续与国防部的合作。这种伙伴关系涉及许多不同的关系：直接的(国防部和特定组织)，协作的(国防部和工作组)，间接的(国防部和专业协会)。