数字孪生-F-35生产系统

毋庸置疑，F-35是有史以来最复杂的项目之一，该项目研发投入高达几百亿美元，涉及多个领域的技术攻关。作为F-35的主承包商，洛克希德·马丁投入了主要研发力量启动相关工作，诺思罗普·格鲁曼和BAE是其主要合作方。在F-35项目的研制过程中，美国国防部相关部门引入了数字孪生体及数字线程，有效保证了F-35项目的正常进行。由于采用了数据驱动的制造模式，该生产系统被称为“F-35生产系统”（FPS，F-35 Fighter Production System），这个名称由洛克希德·马丁的唐·基纳德在2010年的一篇文章中首次提出。
之所以称之为F-35生产系统，是因为它与过去所有的制造模式都不同，例如大家所熟悉的“丰田生产系统”（TPS，Toyota Production System）。前者的工业哲学是数据驱动，追求的目标是数据自动化；后者则为看板驱动和准时化（JIT，Just-In-Time），要求通过人的精益管理，实现产业链的一致性和协同效果。
丰田生产系统由日本丰田汽车公司副社长大野耐一创建，包括经营理念、生产组织、物流控制、质量管理、成本控制、库存管理、现场管理和现场改善等制造体系，它要求准时化和人员自主化，并通过不断改善来达到目标。在这个体系中，对工人和管理者的要求都比较高，这与年轻劳动力越来越不愿意到工厂工作的趋势形成了矛盾。不过，丰田生产系统的精益生产理念影响了全球制造业的发展，通过不断从制造流程中寻找可以改进的地方，“榨取”质量潜力和成本，是它受到制造业追捧的根本原因。

虽然美国学者总结了日本制造的不少理念，包括丰田生产系统所采用的精益生产等理念，另外还有来自美国麻省理工学院于1989年和1990年出版的《美国制造业的衰退及对策——夺回生产优势》和《改造世界的机器》两本专著中所提出的概念，但美国的制造企业并没有从中获得多大的收益，反而加快了其去工业化进程。为什么会出现这样的现象呢？笔者认为，对于一心希望改变世界的美国人来说，改善的目标不具有太大的吸引力，只有提出颠覆性创新的理念，才会真正吸引美国人才进入该领域。
制造世界上数字程度最高的战斗机，吸引了大量创新企业进入该领域。研制F-35战斗机具有巨大的挑战，它与前一代战斗机相比，具有多方位的优势。

（1）强劲和定制化的动力系统

。F119-PW-100也是人类历史上第一型推重比超过10的航空动力系统。STOVL型F135-PW-600为了满足垂直起降的要求，设计了“升力风扇+发动机喷管下偏+调姿喷管”的垂直起降动力方案。

（2）廉价耐用的隐身技术。

通过创新研制，F-35具有最先进的隐身技术，它不仅减小了被发现的距离，还使全机雷达散射及红外辐射中心发生改变，导致来袭导弹的脱靶率增大。

（3）综合的航电设备与感应器融合。

F-35有四大关键航空电子系统，包括诺思罗普·格鲁曼公司的AN/APG-81有源相控阵雷达和光电分布孔径系统（EODAS）、英航宇系统公司的综合电子战系统及洛克希德·马丁公司的光电瞄准系统（EOTS）。

（4）具有现代气息的仪表盘。

F-35的仪表板与F-22的多功能显示器不同，它采用了一个尺寸为8英寸×20英寸（1英寸=2.54厘米）的大型全景多功能显示器（MFDS），展示效果超出预想效果。

与过去所有机型不同，F-35大量使用电子和软件技术，其数字化程度远超以往任何一种机型。这样做的好处显而易见，因为大量采用软件技术，使得F-35的智能化程度非常高，可以实现过去任何机型实现不了的功能，这对于美国有重要的支撑作用；但是，这样做的挑战也比较突出，那就是软件大量使用导致F-35战斗机格外复杂，其消耗的研发时间和成本达到了难以承受的水平。如图4-2所示，软件的源代码行数（SLOC，Source Lines of Code）可以用来预计开放程序需要的人力及时间，同时还可以用来估计程序开发效率。

国空军仔细统计了F-35和F-22两代战斗机的软件代码数，F-22仅为200万行代码，但F-35却有800万行代码，是F-22的4倍。源代码行数不仅意味着开发难度和工作量，还意味着代码维护的难度，这给美国国防部各个机构带来了极大的挑战，促使美国国防部提出了“数字工程战略”（Digital Engineering Strategy），数字孪生体和数字线程就是其中的主要内容之一。
为了控制和管理这样复杂的数字系统，采用传统的文档方式显然不能奏效，必须让相关模块之间建立直接的通道，使数据自由流动，实现所谓的数据自动化。这么复杂的数字系统，显然不是某个或某几个专家可以控制和管理的，必须通过一套系统工程方法来实现，这就是基于模型的系统工程（MBSE，Model-Based Systems Engineering）在过去20年日益受到重视的缘由。
研制F-35是一个系统工程，除了产品自身的研制，还包括生产系统的创新。数字孪生体对于F-35产品自身有较为明显的效果，数字线程成为“F-35生产系统”的核心概念。通过数字孪生体和数字线程两个概念的组合，美国国防部研究单位和军工企业紧密配合，实现了产品研制方法的革命，也对生产制造方法实现了创新。
2013年美国空军研究实验室为了验证DARPA在2009年提出的数字孪生体概念，邀请各军工企业参与机身数字孪生体项目，该项目的目标是实现对战斗机群的每架飞机个性化的维护方案。在选择改造机型方面，美国空军选择了F-15来完成数字孪生体应用验证工作，因为F-35在设计之初，就充分考虑了数字孪生体和数字线程的集成应用。
洛克希德·马丁与通用电气合作，获得了“SAFER预测及概率单战机跟踪”项目，双方充分发挥各自的优势，共同完成了该项目，分别从中获得了不菲的收益。
通用电气全球研究中心在复杂系统数字化方面做了长期研究，已经形成了数字孪生体的一些应用，通过应用在自身发动机上的预测性维护，通用电气早在2012年就提出了工业互联网的概念，希望把航空领域的数字化经验推广到更广泛的领域。虽然通用电气设立了专门的数字技术部门负责工业互联网应用，但由于数字孪生体相关研究还不充分，在一些复杂度较低的领域推广起来，并未获得预想的效果，成本效益不突出，所谓新的工业互联网市场迄今尚未形成，加上遇到了早期进入金融领域遗留的各种问题，最终它只得收缩其经营范围。在新的战略驱使下，通用电气下属数字公司（GE Digital）开始聚焦到数字孪生体应用方面。
从唐·基纳德最近几年分享的内容来看，洛克希德·马丁在参与机身数字孪生体项目过程中，对数字孪生体的认识更加深刻，同时利用这些经验，丰富了原有数字线程解决方案。正如唐·基纳德在数字线程演进五阶段所说，除了把原有的数字技术应用纳入前四个阶段，他还展望了所谓工业4.0的更大范畴的数据自动化。
美国国防部通过研制F-35战斗机，推进了数字孪生体和数字线程的专业化分工，促进了美国数字孪生体产业的发展。美国国防部帮助通用电气商业化其预测性维护的服务，为物联网技术找到了一个关键应用场景，形成了工业互联网市场。同时，随着数字孪生体产业的成熟，数字孪生制造等范式逐步形成，为传统制造业数字化转型提供了新的方法和工具，有助于解决制造业存在的生产力困境。

数字孪生体和数字线程相辅相成，构成了数字孪生体系统，为第四次工业革命的通用目的技术提供了丰富的工具，有