中国航空工业发展研究中心 刘亚威
美军系统工程部门自2016年起，在越来越多的场合中提到“数字工程”和数字工程战略，认为第四次工业革命是数字时代，实施数字工程将成为美军迎接数字时代、完成数字转型的关键。不过，美军始终未公开这个“数字工程战略”的真面目，笔者将尽量从侧面对其进行一次解读，管窥该战略的重要内容。
一、美军数字工程的转型背景
数字工程（Digital Engineering）是一种集成的数字化方法，使用装备系统的可信数据源和模型源作为寿命周期中的连续统一体，支撑从概念到报废处理的所有活动。美军认为，传统的建模与仿真、基于仿真的采办、基于模型的系统工程是第三次工业革命信息技术发展的产物，当今世界处于第四次工业革命，以数字化连接的端到端复杂组织体（Digitally Connected End-to-End Enterprise）将代替基于电子和IT的自动化成为核心，数字化登上舞台中央，推进数字工程正是最佳时机。美军推进数字工程旨在将以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的数字工程生态系统，使美军完成以模型为中心谋事做事的范式转移。
美军提出当今需要推行数字工程（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
未来，各国军队都将面临一系列挑战：作战和威胁环境动态变化，装备系统复杂度和无法接受的风险大幅增加，成本超支和能力交付延迟困扰作战部队；需要超越快速变化的威胁和技术进步，更快地向作战部队交付先进能力，同时更具经济可承受性和持续保障性，并且培养一个创新的文化。当前，线性的采办流程缺乏敏捷性和弹性，采办人员使用“竖烟囱”方式建设的基础设施、环境和孤立的数据源在寿命周期中支撑各种采办活动，沟通、协同和决策通过静态、不相连的文档完成并且需要解释，采办实践依赖单学科模型，并且无法跟上创新和技术进步的步伐。同时，美军“更加购买力3.0”要求通过创新、技术优势和质量获取支配性的能力，提升效率、生产力和军事能力；“第三次抵消战略”要求扩展美国具有经济力的技术和作战优势，聚焦在新能力开发和部署上更具效率，加速超过对手的创新。
美军在这些挑战和要求面前，认识到了自身采办流程的问题，从2015年起决心实施数字工程转型。2015年8月美军成立数字工程工作组，各军种、国防部机构、航空航天局等相关政府部门、国防工业部门、系统工程组织等共同研究讨论推进事宜，并于2016年11月制定数字工程教育与培训课程，提出了数字工程战略目标。根据美军数字工程路线图，2017年12月，美军将正式发布数字工程战略文件，2018年6月完成政策和指南的更新，并于2019年12月开始将数字工程转移到采办流程中使用。
二、美军数字工程战略的实施现状
2015年8月美军成立数字工程工作组，陆海空三军、国防信息系统局、国防后勤局、导弹防御局等国防部成员、航空航天局等相关政府部门、国防工业部门、系统工程组织等共同研究讨论推进事宜，制定了数字工程路线图。路线图给出了数字工程推进7个成熟度等级，分别是启动；知晓——促进各级组织的认知；理解——推动组织内工作人员的理解；初始使用——执行试点计划，参与各项目；内部消化——制定指令、政策和指南以促进实例化使用；采纳——在工程和采办实践中扩展已成形的各类变化；制度化——持续保障转型的发生。截止到2017年10月，美军数字工程推进工作已经处于4级到5级之间，完成了若干计划，正准备更新政策指南。根据美军数字工程路线图，2017年12月，美军将正式发布数字工程战略文件，2018年6月，完成政策和指南的更新，并且开始在项目中对数字工程应用实施评价，2019年12月，美军开始将数字工程转移到采办流程中使用。
美军数字工程路线图（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
2016年，美军提出了数字工程战略目标，五大战略目标是：规范模型的开发、集成和使用以支撑复杂组织体和计划/项目的决策；提供一个可信的单一真相源；融入技术创新以提升工程实践；建立支撑的基础设施和环境以在利益相干方中实施各项活动、协同和沟通；转型为一种文化，工作人员接受并支持跨寿命周期的数字工程。数字工程战略将聚焦7项任务：定义、实施、政策和指南、工作人员发展、合同签订、衡量准则、转型管理。同年11月美军制定了数字工程教育与培训课程，包括数字工程概念、为数字工程生态系统做准备、面向采办的考虑、使用数字技术物获得一致性、案例5门课程，为美军各层级相关人员理解数字工程转型提供支持。
美军数字工程生态系统全视图（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
2017年4月，美军给出了数字工程支持国防部采办的完整视图，可以看到，数字工程生态系统涵盖了系统工程的技术流程和技术管理流程，核心是贯穿装备系统始终的数字系统模型、数字线索和数字孪生，支撑对成本、进度和性能、经济可承受性、风险和风险降低策略分析，并且与工程知识管理交互，利用工程标准、需求数据、设计和制造数据、试验数据、供应数据、使用数据、维护数据、工程能力数据库，将组件和系统的多领域、多物理、多层级的构建于虚拟分析工具组合，可基于工程数据运行以支持采办和保障，从而支撑成本分析、需求、经得起推敲的成本/进度/性能权衡，以及系统工程技术评审和采办里程碑决策。
美军数字工程支持采办的完整视图（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
三、美军推进数字工程的相关计划
在推进数字工程过程中，美军将之前启动并仍在实施的一些计划纳入到数字工程战略的整体工作中来，包括了几大前沿技术计划，如数字系统模型计划、工程弹性系统计划、数字线索计划、飞行器机体数字孪生计划、自适应运载器制造计划等；以及建立支撑的基础设施和环境的计划，如高性能计算现代化计划的计算研究和工程采办工具与环境项目、系统工程研究中心以模型为中心的研究和协同环境项目、国防部牵头的数字制造与设计创新机构的数字制造社区计划等。其中，最典型的是数字线索/飞行器机体数字孪生计划、工程弹性系统计划和计算研究和工程采办工具与环境项目。
美空军在2013年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索（Digital Thread）和数字孪生（Digital Twin）视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇，并从2014财年起组织洛克希德•马丁、波音、诺斯罗普•格鲁门、通用电气、普拉特•惠特尼等公司开展了一系列应用研究项目，已陆续取得成果。其中，诺格公司主持的F-35中机身制造数字线索项目获得了2016年度美国国防制造技术奖。数字线索旨在通过先进的建模与仿真工具建立一种技术流程，提供访问、综合并分析系统寿命周期各阶段数据的能力，使军方和工业部门能够基于高逼真度的系统模型，充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析，完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。数字线索的特点是“全部元素建模定义、全部数据采集分析、全部决策仿真评估”，能够量化并减少系统寿命周期中的各种不确定性，实现需求的自动跟踪、设计的快速迭代、生产的稳定控制和维护的实时管理。美空军认为，系统工程将在基于模型的基础上进一步经历数字线索变革。美空军计划在E-8对地监视与攻击指挥飞机替换、T-X高级教练机、远程防区外空射核巡航导弹等重要采办项目中推广应用数字线索。
美空军数字线索支撑飞行器寿命周期决策（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
工程弹性系统（Engineered Resilient Systems，或称为“强韧”）是美军7个科技优先计划之一，由各军种、国防高级研究计划局负责，各军种系统司令部、中心和研究实验室组成了技术团队。工程弹性系统是一个不断发展的框架，是支持采办所有阶段的、可信的集成计算环境，致力于实现数据驱动的决策。弹性系统的4个关键属性是：击退/抵抗/吸收，恢复，适应，广泛的功用。美军对弹性系统的要求是：在各种任务的环境中是可信的和有效的，通过重新配置和/或更换很容易适应其它任务环境，可预测并且可缓解功能故障。目前，美军和国防工业部门正在使用高性能计算资源，用验证模型和仿真复现基于物理特性的交互并预测装备系统功能，从而预测可能影响任务执行的背景环境，对这些模型和仿真生成的数据评估并形成装备方案权衡，以确定一个系统提供所需能力的风险，以及确定系统是否可以保留并表现出足够的弹性来保证系统的采办和部署。工程弹性系统能够加强需求生成和备选方案分析流程，并且在权衡过程中提供寿命周期“情报”，通过权衡分析实现有充分依据的决策，在更少时间内“可视化”更多设计的权衡。
工程弹性系统支撑数据驱动的决策（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
在数字线索和工程弹性系统计划的背后，是美军多年来在高性能计算现代化计划中实施计算研究和工程采办工具与环境项目。为刺激重大国防系统的采办并降低成本、时间和风险，美军启动了该项目，目标是开发和部署基于物理特性的高性能计算软件应用程序产品，通过高逼真度虚拟样机的构建和分析，以设计和分析军用飞行器、舰船、地面车辆和射频天线系统。2016年，该产品实现商用，截止到2016年6月，美军各军种、国防机构、国防工业部门以及大学等有129个组织正在使用它。空军在该产品及基于体系工程方法的“情报、监视与侦察多解析度分析器”基础上，应用下一代加油机构型，根据流程执行了数字线索互用性研究；空军针对高性能飞行器静态和动态稳定性和控制特性的确定，利用该产品开发了通过试验设计设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法，并使用F-22战斗机验证。
工程弹性系统架构路线图中的计算研究工程采办工具环境（中国航空工业发展研究中心 刘亚威编译）
四、结束语
美军推进数字工程，打造数字工程生态系统，将使现有的工程学科提升为一个基于模型的综合化方法，充分利用数字化的进展和技术创新，使美军整体收益。未来，美军的数字工程生态系统连接装备系统的数据源和寿命周期的模型，提供可信的单一真相源；美军将使用数字化的环境、流程、手段、工具和数字技术物，支持装备系统的规划、需求、设计、分析、验证、确认、使用和持续保障，进一步支撑“更加购买力3.0”、“第三次抵消战略”等的实现。
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