航空航天和国防领域的数字孪生

航空和防御中的数字双翼 #GetTheFutureYouWant Introduction 数字孪生技术对于航空航天和国防（A＆D）行业来说并不是一个新颖的概念 ；但是，它正在成为一个越来越重要的概念。简而言之，数字孪生是物理系统的虚拟副本，其性能可以帮助优化。由于它纯粹存在于虚拟空间中，因此可以对双胞胎进行压力测试，评估，并且可以在没有安全隐患的情况下以最佳成本对其设计进行修改，从而可以在实物资产本身之前确定所有实验和重大决策。鉴于A&D面临的众多挑战，包括供应链中断、降低总拥有成本(TCO)的必要性、熟练劳动力短缺、劳动力老化、安全和监管合规要求、 Introduction 不断减少碳足迹以实现可持续增长，在承诺采用phyiscal解决方案之前几乎解决这些问题的能力使数字孪生成为推动行业实现其目标的宝贵工具。 数字孪生使用现实世界的运营数据来运行模拟并预测可能的结果，这意味着所有结论都可以谨慎地应用于实物资产。利用其他技术，如人工智能(AI) 、互联网 物联网（IoT）和沉浸式技术，如增强现实（AR），虚拟现实（VR）和混合现实（MR）-数字孪生弥合了数字和物理世界之间的鸿沟。他们建立了 一种闭环方法来协同数据、技术和业务流程。结果可能是惊人的。 如今，大型航空航天原始设备制造商（OEM）正热切地将数字孪生应用于其制造过程的各个阶段。“我们的数字孪生使我们能够为关键利益相关者建模，模拟和扩展各种情况，包括无人机和飞机飞行员，操作员，监管机构以及UTM（无人驾驶交通管理）服务提供商本身。空客UTM模拟主管MaxEgorovNova解释道。1在国防工业中，数字孪生使武装部队能够 在一个 Introduction 现实但没有后果的“战争游戏”结构，使部队在高风险的战斗情况下做好了更好的准备。 但是，数字孪生的范围不仅限于地面事务。美国航空航天公司洛克希德·马丁公司正在与软件业务NVIDIA合作，开发人工智能（AI）驱动的“地球观测数字孪生” ，以帮助模拟全球环境条件下的潜在发展，例如极端天气事件。2 机场运营商也在利用这项技术。温哥华机场管理局推出了温哥华国际机场(YVR) 的数字孪生。该平台允许机场的客人体验团队预测和缓解乘客的需求 在2022年繁忙的旅行季节，安全检查站的拥堵。3YVR还开始使用数字孪生模型来模拟飞机运动和机场活动，从而减少温室气体（GHG）排放。4 2022年，我们启动了一项研究，以评估数字孪生在各个行业（包括A＆D）的好处，并说明该技术如何成为智能行业的核心5转型。我们最新的报告深入研究了A&D行业，研究了正在改变行业动态的数字孪生用例。在参与第二次调查的150个A&D组织中，80%的组织正在进行数字孪生计划。 本报告是我们智能行业系列的一部分，包括四个部分： Introduction 1 A&D行业如何 依靠数字孪生来提高设计和运营效率 2 数字双胞胎如何 在整个价值链中增加价值 3 数字孪生如何形成工业的中坚力量 4 A&D行业如何 可以加速其数字孪生转型 执行摘要 A&D行业已经习惯了复杂的供应链合作伙伴生态系统所固有的压力，这些生态系统受到严格的监管和认证挑战的影响。然而，这场大流行造成了额外的、剧烈的破坏，对商业航空的打击最大。18个月前，我们的数字孪生研究强调了该技术推动性能和可持续性的能力。随着A&D行业从大流行的影响中恢复过来，我们想了解它与数字孪生关系的四件事： •组织是否继续投资于数字孪生？ •如果是，是什么推动了这些投资？ •数字孪生在哪些领域增值？ •组织如何成功扩展其计划？ 我们的研究揭示了对数字孪生在A&D中的潜力的持续信任。拥有数字孪生长期路线图的组织的份额从18个月前的57%提高到现在的73%。这种 对数字孪生部署的兴趣是由顶线和底线驱动的。78%， 技术进步是数字孪生投资的主要驱动力，其次是75%的运营效率。除此之外，数字孪生还通过两种方式帮助可持续发展：减少航空的碳足迹，以及对电池和氢燃料等绿色航空替代品的设计进行虚拟验证。连接物理世界和虚拟世界，数字孪生推动设计和运营效率。A＆DOEM，供应商，太空公司和航空公司运营商都在有目的地投资数字孪生技术。总体而言，该行业计划将其收入的2.7 ％投资于数字孪生计划，比上一年增长40％。 通过各种数字孪生的组合，A＆D行业可以改善其价值链的各个方面-从设计 从生产到运营；该技术还支持生态系统内的协作，这是在新的商业环境中蓬勃发展的关键因素。 执行摘要 该研究还研究了工业隐喻，它为数字孪生增加了一个新的层次，这意味着组织可以互动 在更现实的环境中-“双胞胎互联网”。我们的研究发现，三分之一的组织已经在研究工业隐喻或计划在一年内这样做，沉浸式培训和现实生活中的测试是特别的领域 的兴趣。 虽然数字孪生有许多应用，但组织有一定的先决条件来实现其全部潜力。支持基础设施，包括数字连续性、云、 连接，以及允许数字孪生与各种系统无缝集成的技术能力是必要的基础。然后，可以从各种源类型向孪生提供数据的数字线程以及驱动敏捷文化的程序管理至关重要 。飞机OEM还可以推动互操作性，并与供应商、同行、顾问和系统集成商合作，以利用协同效应。一级供应商需要专注于构建一系列功能，如数据集成、模拟和项目管理。 与飞机OEM和二级供应商无缝合作。国防组织将需要加强其网络的安全性，同时开发其AI和ML功能。通过专注于这些，所有行业参与者都可以填充我们称为“智能工业”的新转型时代。 定义数字孪生 数字孪生是物理资产、系统或流程的虚拟复制品，可以监控、建模或模拟、分析和优化物理世界。它旨在以正确的频率和保真度弥合物理与数字之间的差距，从而持续改进性能和可持续性。它建立了一种释放隐藏价值的闭环方法，引入了数据，技术和业务流程之间的协同作用，这使其成为智能产业转型的核心。通过其回答诸如“什么是最好的？”，“如果……怎么办？”和“下一步是什么？”之类的问题的能力，数字孪生技术不仅提供了动态的，现实世界系统当前如何执行的可见性以及如何改进它们的建议，而且还可以预测不同的性能。 场景。多个数字孪生可能会应用于产品或系统，具体取决于阶段 即使在生命周期的同一阶段，数字孪生也不一定需要遵循整体模型，而是包括一组各种连接的模型，每个模型代表真实系统的不同方面（例如，流，物理）。 通常与数字孪生相关的两个其他概念是数字线程和基于模型的系统工程（MBSE）。数字线程 是连接制造公司价值链的通信框架。它将设计，制造，运营 ，质量和服务的数据集成到持续的累积流中为项目经理提供实时 有关产品和服务生命周期的信息。6虽然数字孪生提供物理系统的虚拟表示以及特定点处的所有控制和工作流,但是数字线程提供产品或系统在其生命周期内的所有状态的虚拟记录。MBSE是指模型的应用，而不是文档来支持系统开发（系统需求，设计，分析，验证，验证）。MBSE不是。 仅限于基于模型的设计。它还在需求和低级高保真技术模型之间建立了联系，充当数字孪生的推动者。 9 镜像现实：航空航天和国防领域的数字孪生 “我们的数字孪生使我们能够为关键利益相关者建模，模拟和扩展各种情况，包括无人机和飞机飞行员，操作员，监管机构以及UTM（无人驾驶交通管理）服务提供商本身。 MaxEgorovNova 空中客车UTM模拟主管 凯捷研究院2023 数字孪生的类型 对于不同的系统，有不同类型的数字孪生。在这里，我们考虑与A＆D行业相关的三大类孪生。 •产品/资产孪生：它可以用于设计和开发，以增强产品设计，缩短上市时间，并确保工程-制造的连续性。资产孪生与产品孪生相似，但与产品孪生相比，这里涉及的资产寿命更长（通常为几十年）。 •过程孪生：可以使用数字孪生 优化制造过程（制造孪生）或任何可测量和可监控的过程 。数字孪生可以通过整合资源，流程和产品来优化工业系统 ，从而增加系统输出并实现可扩展性。 •网络孪生：组织可以通过使用数字孪生模拟各种网络来提高性能，弹性和可持续性，以增强以客户为中心的能力。供应链孪生，物流孪生和运输孪生就是一些例子。 几个大型航空OEM在开发数字孪生方面取得了相当大的进展。这一系列 数字孪生允许原始设备制造商收集在制造过程和服务生命周期中产生的个人数据。例如，虽然制造孪生可以提供关于制造过程质量和速度的反馈，但资产孪生可以为新产品开发或智能售后服务或维护提供信息。 为了维护和运行其18R/36L跑道和D航站楼，达拉斯/沃思堡机场（DFW机场）创建了自己的数字孪生，其中包含40年期间收集的机场数据。 机场管理层希望基于该技术引入的实时态势感知和运营效率来增强乘客体验。7 当飓风在2018年摧毁了美国佛罗里达州廷德尔空军基地的60 ％时，基地当局与美国陆军合作创建了基地的数字孪生-物理资产，流程，人员和空间布局的完整复制品。“借助数字孪生技术，用户能够虚拟地进入基地并亲身体验施工计划。能够“走过”新施工区域，使用户有机会在实际施工开始之前提供反馈并进行更改，”现场高级科学技术经理兰斯·马拉诺说。8 12 镜像现实：航空航天和国防领域的数字孪生 随着技术信心的增长，A＆D 对数字双胞胎的投资增加了40 ％ 01凯捷研究院2023 资料来源：凯捷研究院，A&D数字孪生调查，2023年4月，N=150个A&D组织；多部门数字 双胞胎调查，2021年9月至10月，N=87个A&D组织。 图1 与18个月前相比，今天更多的组织意识到数字双胞胎的重要性 提高对数字双技术重要性的认识 73% 57% 61% 51% 我们为数字双胞胎制定了长期路线图 （5年或更长时间） 数字孪生被认为是整体数字化转型的战略部分 组织的 2021 2023 与18个月前相比，更多的组织认识到数字双胞胎的重要性 即使与18个月前相比，对数字孪生的兴趣也在升温。而在2021年，不到60％的 组织有一个长期的数字孪生使用路线图，今天，近四分之三的组织有一个 。这种发展有多个原因（见图1）。 % 61 许多组织认为数字孪生是其整体数字转型的战略部分 图2 顶部和底部的考虑都推动了数字孪生投资 组织同意以下因素是其数字双重投资的关键驱动力的范围 71%70% 75% 76% 78% 71% 72% 63% 68% 67% 58% 59% 60% 调 示 。 2021 2023 除了78％的组织提到的技术进步之外，数字双胞胎还可以帮助实现更高的运营效率，从而节省大量成本。这是数字双胞胎投资的关键驱动力，但如图2所示，还有其他重要驱动力。例如，尽管飞机模拟器已经存在了几十年，但数字双胞胎可以 用于在空战场景中扩展此概念。真实战斗机飞行员的虚拟孪生为飞行员在实际任务中的性能潜力提供了强大的洞察力，使他们能够确定在战术和执行方面需要改进的领域。9有趣的是，主要为了节省成本而投资数字双胞胎的组织份额也略有下降，这可能是由于缺乏对节省成本的用例范围的认识。 资料来源：凯捷研究所，A＆D数字孪生调查，2023年4月，N=120个正在进行数字孪生计划的A＆D组织；多部门数字孪生查，2021年9月至10月，N=85个正在进行数字孪生计划的A＆D组织。2021年的研究没有“提供高级培训环境”，因此此处没有显 数据 特别是对于A&D行业，数字孪生可以在不影响安全性的情况下提高收入。例如，虽然每架飞机都有最大起飞重量(MTOW)，但 减少时间 增加市场销 提高运营效 节约成本 技术进步 提供一个 改进 售 率 高级培训可持续性 顶级驱动程序 底线驱动程序 环境e<unk>orts Others 15 镜像现实：航空航天和国防领域的数字孪生 使用数字孪生加上天气和飞行剖面数据，可以更好地估计所需的负载 ，而不会使飞机过载（在此过程中节省燃料）。 可持续性是数字孪生投资的另一个重要驱动力；技术正在提高飞行引擎的效率，缩小行业的碳足迹。“自2014年以来，我们已经帮助一家航空公司避免了8500万公斤的燃料和超过2亿公斤的二氧化碳