数字试验测试验证：理论、关键技术及应用探索

doi:10.3901/JME.2024.15.227

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (15): 227-254.doi: 10.3901/JME.2024.15.227

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数字试验测试验证：理论、关键技术及应用探索

陶飞^1,2, 高鹏飞², 张辰源², 易航³, 邹孝付⁴, 王琰隆², 张建康², 张贺^1,2, 刘蔚然², 王凯旋^2,5, 杨春霞⁶

1. 北京航空航天大学国际交叉科学研究院数字孪生国际研究中心北京 100191;
2. 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京 100191;
3. 北京航天万源科技有限公司北京 100076;
4. 北京航空航天大学人工智能研究院北京 100191;
5. 中国运载火箭技术研究院北京 100076;
6. 中国商飞民用飞机试飞中心上海 201323

收稿日期:2024-03-01 修回日期:2024-05-07 出版日期:2024-08-05 发布日期:2024-09-24
作者简介:陶飞(通信作者)，男，1981年出生，博士，博士研究生导师。主要研究方向为数字孪生、数字工程、智能制造、制造工业软件。E-mail：ftao@buaa.edu.cn
高鹏飞，男，1994年出生，博士研究生。主要研究方向为数字孪生、数字试验。
张辰源，男，1995年出生，博士研究生。主要研究方向为数字孪生、车间及装备运行优化。E-mail：zhangchenyuan@buaa.edu.cn
易航，男，1981年出生，博士，研究员。主要研究方向为指挥控制，人工智能，数字试验仿真等。
邹孝付，男，1987年出生，博士，硕士研究生导师。主要研究方向为数字孪生、软硬一体化、数字测试。
王琰隆，男，1999年出生，博士研究生。主要研究方向为数字孪生，数字试验测试验证，FPGA。
张建康，男，1998年出生，博士研究生。主要研究方向为数字孪生、智能制造、数字测试。
张贺，男，1995年出生，博士。主要研究方向为数字孪生模型、智能制造。
刘蔚然，男，1991年出生，博士研究生。主要研究方向为数字孪生、数字孪生卫星工程及应用。
王凯旋，男，1989年出生，硕士研究生。主要研究方向为数字化试验，系统仿真，软件工程。
杨春霞，女，1977年出生，硕士，研究员。主要研究方向为飞行试验，测试改装，数字化。
基金资助:
北京市自然科学基金(24JL002)、北京市卓越青年科学家计划和科学探索奖资助项目。

D-ETV：Digital Experiment, Testing and Verification

TAO Fei^1,2, GAO Pengfei², ZHANG Chenyuan², YI Hang³, ZOU Xiaofu⁴, WANG Yanlong², ZHANG Jiankang², ZHANG He^1,2, LIU Weiran², WANG Kaixuan^2,5, YANG Chunxia⁶

1. Digital Twin International Research Center, International Research Institute for Multidisciplinary Science, Beihang University, Beijing 100191;
2. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191;
3. Beijing Aerospace Wanyuan Technology Co. Ltd., Beijing 100076;
4. Institute of Artificial Intelligence, Beihang University, Beijing 100191;
5. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076;
6. COMAC Flight Test Center, Shanghai 201323

Received:2024-03-01 Revised:2024-05-07 Online:2024-08-05 Published:2024-09-24

摘要/Abstract

摘要： 试验测试验证(ETV)是了解产品级、系统级、复杂巨系统级物理对象的基本属性和性能特征的一般性方法，ETV结果能为物理对象的论证规划、研发设计、生产制造、运维服役等全生命周期各阶段的相关决策提供重要参考，对于物理对象的迭代优化和性能管控具有重要意义。结合不同阶段产品和系统的典型特征与ETV需求，从实施手段、可实现种类和发展增速等角度，总结分析给出了ETV的五个发展阶段，包括物理ETV、物理数字ETV、数字物理ETV、数实融合ETV、数字ETV (D-ETV)。从“结果准、速度快、内容全、成本低、风险小”五大核心需求出发，分析了D-ETV未来发展面临的挑战。探讨了数字ETV的概念内涵，提出了D-ETV“指南针”体系架构、成熟度模型、通用流程“D”模型、技术体系和应用系统架构，并阐述了D-ETV的理想能力。基于所提D-ETV理论体系，面向重大装备和复杂系统试验测试验证需求，对数字试飞、数字风洞试验、发动机数字测试、数字战场决策验证、高档数控机床数字验证、卫星制造数字验证、数字空间站性能测试、可回收火箭数字验证、核电站安全数字测试、水下装备性能数字验证十个领域应用进行探索。期望相关工作对发展D-ETV理论与技术，更好地满足物理对象和系统在全生命周期各阶段的ETV需求提供启发和参考。

关键词: 数字化, 试验, 测试, 验证, 数字工程, 数字物理融合

Abstract: Experiment, testing and verification (ETV) is a general method to understand the fundamental properties and performance of physical objects. ETV results are capable of providing significant reference for decision-making in various stages of the physical objects’ lifecycle. The five phases for the development of ETV is summarized firstly according to the characteristics of typical products and systems, including physical ETV, physical-digital ETV, digital-physical ETV, digital-physical fusion ETV, and digital ETV(D-ETV). Then, the challenges for future development of D-ETV are analyzed, based on the requirements of D-ETV such as accuracy, efficiency, full-coverage, low costs and security. The concept of D-ETV is further explored, the architecture, maturity model, common application process, technology architecture and application system framework of D-ETV are also proposed. Finally, the ten application prospects are introduced according to the proposed architecture and technologies, including digital flight testing, digital wind tunnel experiment, aircraft engine digital testing, digital battlefield decision verification, high-end CNC machine tool digital verification, satellite manufacturing digital verification, digital space station performance testing, recyclable rocket digital verification, nuclear power plant safety digital testing, underwater equipment performance digital verification. The work of this study is expected to provide inspiration and reference for the development of D-ETV, and better meet the requirements on ETV of physical objects during the whole lifecycle.

Key words: digitization, experiment, testing, verification, digital engineering, digital-physical fusion

中图分类号:

I253

陶飞, 高鹏飞, 张辰源, 易航, 邹孝付, 王琰隆, 张建康, 张贺, 刘蔚然, 王凯旋, 杨春霞. 数字试验测试验证：理论、关键技术及应用探索[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 227-254.

TAO Fei, GAO Pengfei, ZHANG Chenyuan, YI Hang, ZOU Xiaofu, WANG Yanlong, ZHANG Jiankang, ZHANG He, LIU Weiran, WANG Kaixuan, YANG Chunxia. D-ETV：Digital Experiment, Testing and Verification[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(15): 227-254.

参考文献

[1] 陶飞，张辰源，刘蔚然，等.数字工程及十个领域应用展望[J].机械工程学报，2023，59(13):193-215. TAO Fei，ZHANG Chenyuan，LIU Weiran，et al.Digital engineering and its ten application outlooks[J].Journal of Mechanical Engineering，2023，59(13):193-215.
[2] LIMON S，YADAV O P，LIAO H.A literature review on planning and analysis of accelerated testing for reliability assessment[J].Quality and Reliability Engineering International，2017，33(8):2361-2383.
[3] BOLTON W.Instrumentation and control systems[M].Newnes:Elsevier Ltd.，2021.
[4] MIELOSZYK J，TARNOWSKI A，TOMASZEWSKI A，et al.Validation of flight dynamic stability optimization constraints with flight tests[J].Aerospace Science and Technology，2020，106:106193.
[5] SINHA，RAJARISHI，et al.Modeling and simulation methods for design of engineering systems[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering，2001，1(1):84-91.
[6] 陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25(1):1-18. TAO Fei，LIU Weiran，ZHANG Meng，et al.Five-dimension digital twin model and its ten applications[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2019，25(1) :1-18.
[7] CERMAK J E.Wind-tunnel development and trends in applications to civil engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003，91(3):355-370.
[8] JAGOTA V，SETHI A P S，KUMAR K.Finite element method:An overview[J].Walailak Journal of Science and Technology (WJST)，2013，10(1):1-8.
[9] PORE T，THORAT S G，NEMA A A.Review of contact modelling in nonlinear finite element analysis[J].Materials Today:Proceedings，2021，47:2436-2440.
[10] HEIMBS S.Virtual testing of sandwich core structures using dynamic finite element simulations[J].Computational Materials Science，2009，45(2):205-216.
[11] OSTERGAARD M G，IBBOTSON A R，ROUX O L，et al.Virtual testing of aircraft structures[J].CEAS Aeronautical Journal，2011，1:83-103.
[12] MIHALIČ F，TRUNTIČ M，HREN A.Hardware-in- the-loop simulations:A historical overview of engineering challenges[J].Electronics，2022，11(15):2462.
[13] TAO F，QI Q.Make more digital twins[J].Nature，2019，573(7775):490-491.
[14] ROSE J B R，JINU G R，BRINDHA C J.A numerical optimization of high altitude testing facility for wind tunnel experiments[J].Chinese Journal of Aeronautics，2015，28(3):636-648.
[15] HUYNH-THE T，PHAM Q V，PHAM X Q，et al.Artificial intelligence for the metaverse:A survey[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence，2023，117:105581.
[16] BÉCUE A，PRAÇA I，GAMA J.Artificial intelligence，cyber-threats and Industry 4.0:Challenges and opportunities[J].Artificial Intelligence Review，2021，54(5):3849-3886.
[17] ELSAADY W，OYADIJI S O，NASSER A.A review on multi-physics numerical modelling in different applications of magnetorheological fluids[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2020，31(16):1855-1897.
[18] 陶飞，张贺，戚庆林，等.数字孪生模型构建理论及应用[J].计算机集成制造系统，2021，27(1):1-15. TAO Fei，ZHANG He，QI Qinglin，et al.Theory of digital twin modeling and its application[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2021，27(1):1-15.
[19] SARFRAZ M S，HONG H，KIM S S.Recent developments in the manufacturing technologies of composite components and their cost-effectiveness in the automotive industry:A review study[J].Composite Structures，2021，266:113864.
[20] FILIPENKO M，KÜHN L，GLEIXNER T，et al.Concept design of a high power superconducting generator for future hybrid-electric aircraft[J].Superconductor Science and Technology，2020，33(5):054002.
[21] TAO F，CHENG J，QI Q，et al.Digital twin-driven product design，manufacturing and service with big data[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，94:3563-3576.
[22] TAO F，ZHANG H，ZHANG C.Advancements and challenges of digital twins in industry[J].Nature Computational Science，2024，4(3):169-177.
[23] PAGLIUCA P，MILANO N，NOLFI S.Efficacy of modern neuro-evolutionary strategies for continuous control optimization[J].Frontiers in Robotics and AI，2020，7:98.
[24] 陶飞，张辰源，张贺，等.未来装备探索:数字孪生装备[J].计算机集成制造系统，2022，28(1):1-16. TAO F，ZHANG Chenyuan，ZHANG He，et al.Future equipment exploration:Digital twin equipment[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2022，28(1):1-16.
[25] 杨宏，张昊，周昊澄.中国空间站工程技术与管理创新[J].工程管理科技前沿，2022，41(3):1-6. YANG Hong，ZHANG Hao，ZHOU Haocheng.Engineering technology and management innovation of china space station[J].Frontiers of Science and Technology of Engineering Management，2022，41(3):1-6.
[26] 人民网.中国航天“地面空间站”通过验收[EB/OL].[2024-02-29].http://sc.people.com.cn/BIG5/n2/2024/0229/c345167-40760312.html. People's Daily Online.China's space station on the ground has passed acceptance inspection[EB/OL].[2024-02-29].http://sc.people.com.cn/BIG5/n2/2024/0229/c345167-40760312.html.

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[1]	邹晓龙, 杨广雪, 张波, 李国顺, 张义超, 陈璨, 张书郡. 高速动车组转向架构架动应力特征研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 212-223.
[2]	陶亮, 唐钰, 李元强, 张大山, 张小龙. 多胎内传感器智能轮胎开发平台设计与侧偏试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 245-255.
[3]	王方, 胡盛辉, 胡林, 彭柯, 石亮亮, 武和全, 邹铁方, ZHOU Zhou. 典型公路自行车赛事故场景中头盔损伤防护性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 256-270.
[4]	周晨, 徐飞翔. 四轮独立转向车辆转向模式切换轨迹多目标优化方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 306-320.
[5]	张风利, 张荣荣, 罗秋丽, 张亚东, 李兵, 郭慧. 某SUV镂空扰流板气动噪声机理分析及降噪研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 398-408.
[6]	孟原, 史宝军, 张德权. Kriging-高维代理模型建模方法研究与改进[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 249-263.
[7]	宋国荣, 宋协宏, 吕炎, 刘兵, 何存富, 吴斌. 基于超声透射特性的复合材料粘接结构粘接质量预测[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 230-238.
[8]	周甜, 蔡力勋, 韩光照. 用于延性材料力学性能测定的圆柱平面-小冲杆试验新方法与应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 316-325.
[9]	谢超, 张恩杰, 严飙, 高峰, 杨金平, 房光强, 王治易. 空间可展薄膜阵列天线构型设计与验证[J]. 机械工程学报, 2024, 60(3): 11-27.
[10]	吕利叶, 鲁玉军, 王硕, 刘印, 李昆鹏, 宋学官. 代理模型技术及其应用：现状与展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(3): 254-281.
[11]	汪群生, 曾京, 魏来, 蒋雪松, 陈绍强. 有轨电车车体垂向异常振动特性及成因分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 208-216.
[12]	吴越, 胡晓依, 王佳诺, 金学松, 成棣, 肖新标, 侯茂锐. 基于全尺寸轮轨滚动试验台的高速车轮多边形磨耗再现试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 229-239.
[13]	王旭, 姜兴宇, 杨国哲, 孙猛, 于沈弘, 毕凯航, 赵日铮, 刘伟军. 基于PSO-SSA的激光清洗装备人机界面布局优化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 372-387.
[14]	叶青, 姜笑, 张垚, 汪若尘, 丁仁凯, 蔡英凤. 考虑响应时滞的磁流变半主动悬架H_∞控制与试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 276-287.
[15]	张军, 孟桐衣, 闫硕, 邹小春, 马贺. 第三介质对列车轮轨间摩擦因数影响的试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 310-317.