美軍數字工程建設發展研究及啟示

衛旭芳　劉彬

摘要：第四次工業革命正在推動產業數字化蓬勃發展。 面對現代裝備復雜度劇增導致的研制風險， 為了應對快速變化的威脅和推動技術進步， 保障經濟可承受性的同時提供更快的交付能力， 美軍提出數字工程戰略， 在國防工業及數字化采辦中戰略布局， 穩步推進數字化實踐。 本文研究了美軍數字工程的發展歷程及呈現特點， 剖析美軍數字工程內涵， 研究其用到的關鍵技術， 綜述典型項目中數字工程應用情況， 提出數字工程發展對武器裝備研制的啟示。

關鍵詞：數字工程； 數字孿生； 開放架構； 敏捷開發； 采辦

中圖分類號： TJ760文獻標識碼：A文章編號： 1673-5048（2023）03-0056-11

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0188

0引言

當今國際形勢紛繁復雜， 大國競爭日趨激烈， 作戰和威脅環境動態變化， 裝備系統復雜度和成本風險大幅增加， 以往線性的采辦流程已無法適應， 為了提升國防采辦的敏捷性和彈性， 美軍系統工程部門提出“數字工程”和“數字工程戰略”， 助力數字轉型［1-2］。 同時， 美軍運用數字孿生、 數字模型、 數字線索等不斷深化數字化進程， 在多個項目中推進基于數字化工程的采辦， 頒布數字工程戰略， 美國陸海空三軍也在積極響應并制定符合自身特點的指南以推動數字化轉型。 美國國防部通過推進數字工程， 打造數字生態， 基于模型和權威數據支撐采辦流程， 極大提升了生命周期各階段分析能力和決策水平， 從而支持武器系統的快速規劃、 敏捷設計、 高效制造、 精準保障， 使得美軍可應對快速變化的威脅， 保持長久的技術進步， 在考慮經濟可承受性和持續保障性的同時， 具備了更快的交付能力。 數字工程已然成為提升裝備競爭力、 塑造大國軍力的重要環節。

1數字工程的發展與現狀

1.1背景與意義

一直以來， 復雜裝備系統研制過程中出現的設計更改及延誤， 造成其成本激增、 周期增長而無法快速適應外部威脅的變化， 為了從根本上解決這個問題， 美國國防部倡導設計早期的需求捕獲與權衡分析， 同時引入數字化新技術， 并提出“更好的購買力”和“擁有技術基線”等頂層戰略目標， 在這個過程中， 數字工程的概念逐步成熟。 同時， 為了使復雜系統設計、 交付、 保障能夠適應作戰環境的快速變化， 急需變革以往分散化子系統、 多樣設計工具、 線性化工作流程等業務模式， 提升采辦效率、 促進作戰能力形成， 為此美國國防部提出實施數字工程（Digital Engineering）戰略［3-5］。

1.2形態演變歷程

早期建模與仿真技術的發展、 基于仿真的采辦等都為美軍數字工程概念的提出奠定了基礎。 建模與仿真技術（Modeling & Simulation， M&S）于1970年左右興起， 通過建立系統模型對設計系統進行研究分析與評估決策， 從實際系統的形態特征發掘其本質， 并對其行為進行預測。 建模與仿真是美軍“國防關鍵技術計劃”的重點發展項目， 軍用仿真系統在支撐軍事訓練、 裝備采辦與作戰研究中不斷發揮重要作用， 也推動了數字化轉型與創新發展。 因此在數字工程中， 模型始終是基礎， 無論是現代裝備采辦還是工業部門武器裝備設計研制中， 數字模型

的作用依然是不可替代的。

20世紀90年代， 建模仿真技術開始在裝備采辦中應用推廣。 基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition， SBA）是美國國防部于1997年前后提出的一種新型采辦模式， 主要針對傳統武器研制難以適應現代戰爭復雜多變軍事需求， 各職能部門采辦階段和采辦項目彼此孤立， 導致裝備可制造性、 可靠性、 維修性和保障性較差等問題， 提出利用M&S技術支持采辦過程， 包括促進M&S工具和資源跨功能領域、 跨采辦階段、 跨采辦項目的重用， 隨著M&S被推廣應用至前期設計、 產品開發、 測試、 制造階段， 乃至后勤保障與報廢處置等活動中， 起到縮短研發周期、 降低研制成本和風險等積極作用。 美軍“海狼”級潛艇、 美國海軍陸戰隊的高級兩棲突擊戰車AAAV， 都是SBA的成功應用。

進入21世紀后， 為了推進裝備全壽命周期管理， 美軍開始在裝備采辦中全面實行基于模型的系統工程（Model Based System Engineering， MBSE）。 MBSE是系統工程（SE）與建模仿真技術融合發展的階段產物， SE提供了實施工程的方法過程和手段， 建模與仿真技術是MBSE的基石和出發點。 基于模型的系統工程是一種形式化的建模方法學， 以模型為核心， 開展需求分析、 設計驗證和確認等全生命周期活動。 基于多視角通用系統模型框架， 將跨學科/領域的模型關聯， 實現全生命期內的跨領域模型的可追蹤、 可驗證、 可追溯， 進而驅動大型復雜系統生命周期內各階段的工程活動（包括技術過程、 技術管理過程、 協議過程和組織項目使能過程）。 2016年， 由美國國防部建模與仿真協調辦公室發布了建模與仿真參考架構， 推進基于統一模型數據驅動的采辦決策， 加強裝備全生命周期管理活動的數字化建設。 在以F-35為代表的一系列裝備項目中開展MBSE創新應用， 并取得成功。

伴隨第四次工業革命的興起， 環境與威脅變化快需求與裝備研制慢響應之間矛盾日益突出， 美國國防部于2015年開始推行數字工程（Digital Engineering， DE）， 其中數字模型、 數字孿生、 數字線索都是數字工程的典型形式［6］。 數字孿生相關概念設想出現較早， 2003年， 密歇根大學Grieves教授提出“鏡像空間模型”［7-8］。 2010年前后， 美國國家航空航天局（NASA）和AFRL先后書面提出“數字孿生”概念。 2012年， NASA和AFRL合作共同提出了未來飛行器的數字孿生體范例， 以應對高負載、 輕質量以及極端環境下未來飛行器全壽命周期需求。 2013年， 美國空軍發布頂層科技規劃文件《全球科技愿景“全球地平線”報告》， 其中提到數字線索（Digital Thread）和數字孿生（Digital Twin）將是“改變游戲規則”的顛覆性技術。 未來基于模型的系統工程將經歷數字線索變革。 2014年， 美國空軍提出數字工程生態系統的設想， 并成為國防部制訂數字工程戰略的重要參考。

隨著對數字工程應用實踐逐漸成熟， 2018年， 美國國防部發布了《數字工程戰略》， 掀起全面推進數字轉型浪潮。 數字工程戰略的五個目標包括： 強化建模與仿真； 統一管理數據源； 充分利用數據技術快速迭代和開放式接口來實現技術創新； 建立相關數字基礎設施和環境； 文化和人力轉型。

1.3發展現狀

1.3.1美國空軍的數字化轉型情況

《數字工程戰略》正式發布后， 美國空軍加緊策劃實施數字化轉型。 2018年11月， 美國空軍發布《工程組織路線圖（2018-2022）》， 要將自身建成“數字組織”， 以模型和數據為依據進行計劃和決策［9］。 2019年7月， 美國空軍發布《美國空軍白皮書： 數字空軍》， 提出以數字工程等敏捷方式變革采辦流程； 9月， 空軍裝備司令部成立數字工程組織辦公室， 領導推進數字工程相關工作。 2020年3月， 美國空軍提出“數字戰役”（Digital Campaign）計劃， 作為數字孿生體的先行者， 堅定推進數字孿生應用。 在數字戰役中， 數字孿生體作為解決權威數據源的主要手段， 是計劃推行的核心。 針對數字戰役計劃， 美國空軍提出了六項任務， 包括數字基礎設施、 模型及工具、 標準/數據/架構、 生命周期戰略及流程、 政策及指南、 工作人員及文化。 2020年6月， 美國空軍裝備司令部宣布發起“數字戰役活動”（計劃7月舉辦首次“數字戰役虛擬工業交流日”）。 2020年9月， 負責采辦的美國空軍助理部長威爾·羅珀發表《數字采辦的現實》， 呼吁通過數字工程建立顛覆性的敏捷數字采辦新范式。 2021年6月， 美國空軍設立數字轉型辦公室， 并表示未來所有工程活動都將在共享的集成數字環境中進行。 2021年9月， 美國空軍壽命周期管理中心授予雷神、 通用、 L3技術、 諾斯羅普·格魯曼、 洛克希德·馬丁等55家企業， 一份總金額上限高達460億美元的不定期交付/不確定數量合同（FA8656-21-D-A001）， 為佛羅里達州埃格林空軍基地及其任務合作伙伴提供數字工程和基于模型的系統工程、 敏捷流程、 開放系統架構、 武器和復雜組織體分析方面的工作［10］， 預計2032年9月完成。 這表明未來十年甚至更長時間內， 美軍開始全面聯合工業部門， 推進軍民協作， 成立工業聯盟， 共同進行數字空軍建設［11］。 此外， 美國空軍成立敏捷創新機構AFWerX， 加速敏捷且經濟可承受的能力生成， 形成敏捷技術創新生態， 推動“數字戰役”［12］。

1.3.2美國海軍的數字化轉型情況

2020年， 美國海軍和海軍陸戰隊發布了《美國海軍和海軍陸戰隊數字工程戰略》， 遵循美國國防部《數字工程戰略》所制定的方向， 結合美國海軍能力現狀， 制定美國海軍數字化轉型目標［13］。 并依據美國國防部《數字工程戰略》五個重點建設領域， 提出建設方案： （1）數字模型構建與應用； （2）數字資源管理授權； （3）融合應用創新技術； （4）建設數字生態環境； （5）推進數字文化與人才建設。 從美國海軍造艦計劃來看， 需要面臨在有限預算條件下， 更靈活適應快速變化作戰和威脅環境， 通過全面完善數字工程體系， 利用數字化方式來快速交付所需的作戰能力。 基于模型、 數據驅動， 不斷促進系統工程數字化變革， 增強互操作性， 提升采辦效率。

1.3.3美國陸軍的數字化轉型情況

美國陸軍2019年發布《美國陸軍現代化戰略》， 以數字化轉型推動陸軍現代化建設， 明確2028和2035兩個階段的現代化目標。 2021年10月， 美國陸軍首席信息官辦公室發布《美國陸軍數字化轉型戰略》， 推動美國陸軍數字化轉型、 創新與變革， 通過建立多域作戰部隊以適應數字化戰爭， 助力實現2028年數字化陸軍愿景。 明確了美國數字陸軍建設綜合計劃， 制定了現代化與戰備、 改革、 人員與伙伴關系的戰略目標， 確立陸軍資源優先級［14］。 將作戰文化轉變作為振興美國陸軍的催化劑； 同時強調新技術更新跟進與應用、 現代化實踐、 制度改革的重要性。

2數字工程的內涵探究

2.1數字工程的定義及目標

2.1.1數字工程定義

《數字工程戰略指南》定義， 數字工程是一種集成的數字化方法， 可在生命周期內跨學科、 跨領域連續傳遞權威模型和數據， 支撐系統從概念開發到報廢處置的所有活動。 數字工程是數字化連接的端到端復雜組織體， 在全生命周期內都以模型化的方式對所關注的系統（如體系、 系統、 流程、 設備、 產品、 零件）進行數字化， 將人員、 流程、 數據和能力無縫集成， 并融入先進計算、 大數據分析、 人工智能、 自主系統和機器人等技術提升工程能力。 在數字工程戰略牽引下， 美國國防部開始在裝備領域實施數字化轉型， 在數字化浪潮中， 裝備承包商也不得不適應國防部門的數字化需求， 開啟了全面邁向數字化時代的變革［1，15］。

2.1.2數字工程生態系統

數字工程概念下最終將圍繞技術流程和技術管理流程建立完備的數字工程生態系統。 包括國防采辦系統、 數字系統模型、 數字線索、 數字孿生及知識管理系統。 國防采辦系統， 涵蓋采辦里程碑決策、 技術評審、 成本／進度／性能權衡等技術管理流程。 數字系統模型、 數字線索和數字孿生構建全生命周期的分析工具集成， 以利用系統權威數據， 對性能、 成本、 進度、 風險等進行分析， 輔助決策。 知識管理系統， 建立涵蓋采辦全過程的數據庫， 以支撐裝備采辦［1，15］。

2.1.3數字工程目標

數字工程以加速實現整個能力開發生命周期的現代化， 實現對現代武器系統采辦復雜性的有效管理為目標， 具體措施包括但不限于： （1）建立有彈性的數字基礎設施， 以改進和加速能力開發生命周期； （2）采取敏捷實踐以快速創建和部署增量解決方案， 建立DevSecOps工廠推動軟件開發； （3）通過建立數字孿生， 加速與任務合作伙伴的密切協作， 并延伸至作戰和后勤保障； （4）充分運用大數據、 基于模型的系統工程等新技術， 通過共享建模與仿真框架， 實現從作戰人員到研發人員的需求管理； （5）以先進的、 可互操作的、 低延遲的網絡驅動， 立足基礎設施創建工具、 應用程序和接口， 支撐用戶生成和處理數據、 模型和分析報告， 構成數字工程生態系統（DEE）， 以實現及時、 可靠和多層次的安全訪問， 實現敏捷采辦； （6）開發體系架構， 基于威脅和作戰效果開展作戰優化設計［16］。

2.2數字工程的特點

基于“建模與仿真技術”“基于仿真的采辦” “基于模型的系統工程”等技術基礎， 數字工程形成了新時期數字化技術發展的概念總結， 新時期的數字工程是以數字化連接的端到端復雜組織體運行。 其典型特點體現在：

（1） 數據管理端到端。 裝備生命周期的不同階段， 工程數據交換要求也不同， 數字工程通過數字新技術的應用， 實現不同階段、 全壽命周期的工程數據靈活管理， 有效克服煙囪式問題［17］。

（2） 模型體系端到端。 根據產品研制進程， 遵從標準化、 規范化要求， 設計建立面向生命周期不同階段的數字模型體系， 并以數字模型為基礎， 產生權威數據源， 支撐采辦決策。

（3） 數字基礎設施與工具軟件端到端。 圍繞裝備研制、 工程管理等方面構建面向全壽命周期應用的數字基礎設施和環境。

（4） 廣泛吸取民用商業領域在開放式系統架構、 技術標準化、 系統模塊化以及敏捷軟件開發等先進經驗， 并應用推廣， 以降低成本、 促進創新。

（5） 加速新技術應用以提升工程能力。 如大數據分析、 人機接口、 數據可視化、 計算機技術、 基于物理的模型、 數字樣機、 數字孿生、 3D打印、 新興技術、 人工智能、 云計算、 虛擬現實等。

2.3數字工程的內涵剖析

數字工程是原有建模與仿真、 基于模型的系統工程的新的發展階段， 數字生態的構建使基于模型的采辦變為現實， 敏捷開發、 開放式系統架構、 數字孿生等都是數字工程典型特征。

2.3.1數字化技術擴展MBSE到新階段

數字工程涵蓋了系統工程， 最終目的是實現數字化敏捷采辦。 數字工程將實現物理特性模型與MBSE集成， 此外， 需求、 技術審查、 架構設計等都將以基于模型的方式實現， 最終將以全數字化的方式執行基于模型的系統工程， 可看作是MBSE的數字化應用新階段。 國防系統的工程包括任務工程和系統工程， 數字工程支撐了任務工程、 系統工程的技術流程和技術管理流程轉型。 其次， 數字工程通過將物理系統模型與MBSE集成來實現不同系統數據的互聯互通， 克服了傳統MBSE的煙囪問題。 傳統的MBSE和MBE基于不同平臺實現， 而模型和平臺的耦合度、 平臺自身獨立性， 導致基于模型的工程中煙囪問題的存在， 而數字工程的挑戰就是通過互聯互通完成數據管理［17］。

數字工程更新了系統工程實踐和采辦實踐。 通過計算技術、 建模、 分析學和數據科學的極致運用， 將增進人、 組織、 工作成員的溝通， 增加對設計適應性的理解， 共享設計能力預期、 進度信息， 提升工程效率， 提供更有洞察力的決策［6］。

2.3.2數字孿生與數字線索結合構建數字生態

裝備數字孿生來源于設計階段產生的物理模型， 在制造和使用階段不斷完善其完整性和精確度， 最終形成數字孿生體。 裝備數字孿生體是對物理實體的虛擬描述， 面向裝備全壽命周期， 對應于裝備物理實體數字模型， 同時具備從物理空間向信息空間的雙向連接。

數字線索提供訪問、 綜合并分析系統生命周期各階段數據的能力， 可看作是一種可擴展、 可配置、 復雜組織體層級的分析框架。 數字線索將面向全周期組織業務數據， 構建結構化業務流程， 將分析方法內化形成應用工具， 連接產品全生命周期各個階段孤立功能視圖， 形成一個集成視圖， 從而實現在正確時間內將正確信息傳遞到正確的地方， 在產品生命周期各環節及時溝通關鍵數據， 完成模型流動、 重用、 反饋。 運用數據線索可增強產品設計商、 制造商、 供應商、 運維服務商和用戶之間的溝通， 使相關成員共享業務和技術過程數據， 促進項目人員對項目的理解， 實現對項目進度、 研制風險實時分析動態評估。 數字線索的特點可概括為： “全部元素建模定義、 全部數據采集分析、 全部決策仿真評估”。 利用數據線索提供的能力可進行精準需求分析與追蹤， 促進設計快速迭代， 保障精益生產， 支持交付產品的動態維護， 以量化方式減少不確定性［1，6，16-21］， 在系統的全生命周期做出有充分依據的決策。

數字線索提供數字孿生接入數字通道的方法， 融入數字孿生體模型及過程數據， 因此需要制定相關領域框架標準， 以完成接口及數據、 信息在數字線索通道中流動和交換。 數字線索依托數字基礎設施和建模仿真工具建立溝通框架， 將歷史數據、 當前信息甚至預測知識集成并促進領域模型的整體分析， 所有利益攸關方均可參與， 在保護知識產權的同時， 使得知識重用最優化。

2.3.3數字系統模型保障數字工程權威數據源

數字系統模型具備規范化和全面性， 以適應數字孿生及全周期應用等需求。 數字系統模型覆蓋系統全生命周期， 由各個研制廠商生成。 數字系統模型是對一個裝備系統的數字化表達， 對系統進行全面定義， 應涵蓋需求分析、 工程研制、 生產制造、 使用保障等各個階段， 根據產品研制進程， 設計并建立面向生命周期不同階段的數字模型體系， 包括使命任務模型、 需求模型、 系統模型、 設計模型、 專業工程模型、 制造模型、 驗證與確認模型、 產品保障模型以及管理模型等。 需要制定標準規范， 約束模型開發、 集成和使用， 如明確模型的技術數據包； 規范和完善不同領域模型接口的創建與更新； 統一不同廠商使用模型的視圖表達［1，15］。

基于數字系統模型進行統一數據源管理， 保證數據的權威性的同時更好地支撐采辦決策。 研制廠商生成并保證數字系統模型的權威性， 數字系統模型以系統工程流程為指導來集成產品數據、 算法及信息， 涵蓋基線狀態、 當前狀態， 并能不斷演進， 通過模型迭代建立新舊版本、 需求與實現間的數據鏈接， 通過模型數據需求追蹤使設計活動留存［1，15］。 權威數據源如圖1所示。

數字系統模型的終極形態是數字孿生， 由數字線索使能。 數字孿生是物理孿生體的鏡像， 對系統進行多物理、 多尺度和概率性的集成仿真， 實現生命周期活動性能預測。 數字孿生繼承物理模型特性， 通過傳感器數據建立人工智能機器學習， 形成可動態演進、 實時更新的知識模型， 支撐物理產品全周期活動決策［6］。

2.3.4實施敏捷開發提升創新力

數字工程中將采用敏捷開發、 DevSecOps（開發、 安全和運維一體化）來提升創新力。 2017年， 美國具有代表性的F-22A猛禽項目就開始采用更現代化的敏捷開發方法獲取軟件［22］。 2017年， 美軍對F-22A猛禽項目進行評估， 發現若F-22采辦過程采用傳統DoDI5000模型， 改裝至少需要6年才能交付， 這顯然無法接受， 故建議F-22A軟件開發團隊采用現代敏捷軟件開發過程。 2017年11月， F-22A項目辦公室將TACLink 16和TACMAN項目重組為單一的敏捷開發流， 進行敏捷開發實踐。

2018年， 美國國防戰略提出采取流暢、 迅速、 迭代的措施， 提高采辦體系的反應速度。 2018年2月， 美國國防科學委員會在“防務系統軟件設計與采辦”研究項目中， 提出設立軟件工廠、 進行機器學習監管驗證與確認等7項建議。 2018年， 在國防授權法案推動下， 設立了國防部軟件采辦部長特別助理負責軟件采辦； 并開始“軟件采辦與實踐”研究。 2019年5月， “軟件采辦與實踐”研究項目提出關于軟件采辦10項建議， 包括要在美軍全面推進DevSecOps， 并制定了實施計劃。

目前， 美國國防部要求國防部項目的軟件開發要按照DevSecOps來進行， 并實施基于DevSecOps舉措的“軟件工廠”建設。 美國空軍也建立了多個敏捷軟件項目， 在新的B-21， F-22及F-16升級、 數字化百系列項目中都已經開始應用DevSecOps。 美國空軍成立的敏捷創新機構AFwerx， 廣泛融合美國創新生態中的非傳統力量， 學習和跟隨民營企業， 以更快地尋求解決方案、 加強創新。 目前， 其采用形式有舉辦行業挑戰賽、 成立樣機研制工作室、 召集行業精英創新構想設計思維； 跨工業界、 學術界及政府合作， 如與DIU， AFRL， ARL等戰略合作， 加強人工智能、 增材制造、 機器人、 AR/VR、 區塊鏈等技術應用， 提升創新能力［12］。 借鑒商業IT領域的先進研發模式與敏捷開發流程， DevOps包含版本控制、 持續集成、 持續交付、 持續部署、 持續測試、 持續運營、 協作［23］等要點， 用建好的自動化流水線進行開發、 構建、 測試和部署， 軟件開發人員根據裝備各個子系統功能需求快速生成計算機代碼， 對其進行測試、 發布， 隨后立即征求反饋并改進， 通過這種快迭代的方式提升研發效率、 縮短研發周期。 DevOps技術棧如圖2所示。

2.3.5開放式架構降本增效并加速新技術應用

開放式系統架構（Modular Open Systems Approach， MOSA）也是數字化、 數字工程的典型特征之一［17］。 美國國防部效仿商業開放系統應用模式（如Android智能手機、 空客380開放式集成模塊化航電設備等［24］）， 提出采用開放的標準和接口增加競爭， 從而加快新技術應用。 MOSA是美國國防部的標準計劃戰略， 愿景是實現采購產品和系統能夠更高效協同工作， 其目標為： 顯著節省或避免成本， 加速進度和快速部署新技術， 技術升級和更新， 互操作、 體系和任務集成等。 MOSA倡導以模塊化、 標準化方式整合不同來源的技術， 將給國防部采購系統帶來巨大改變［25］。 MOSA具有模塊化、 開放式、 標準化的特征。 （1）模塊化： 將復雜系統分割成松耦合的模塊， 隔離系統內更改； （2）開放式： 定義關鍵接口和架構， 在制造商之間共享， 引入競爭， 降低成本， 激勵創新， 便于集成、 測試、 升級； （3）標準化： 定義模塊化系統的接口標準， 制造商對模塊和系統接口擁有知識產權， 保障系統能夠跨系統重組［24］。

MOSA著力設計模塊化接口通用性， 呈現為一系列系統模塊化標準。 如用于軍用航空武器系統與服務的“開放式任務系統”（OMS）， 用于飛機系統軟件的“未來機載能力環境”（Future Airborne Capability Environment， FACE）， 適用廣泛的“電子硬件系統”OpenVPX/VITA， 提高射頻能力和靈活性的“模塊化開放式射頻架構”（Modular Open RF Architecture， MORA）， 網絡平臺內標準VICTORY（C4ISR/EW）， 軟件定義無線電（SDR）框架Redhawk， C5ISR/EW模塊化開發標準套件CMOSS（包括FACE， VPX/VITA， MORA， VICTORY， Redhawk， SCA等）， “彈藥開發框架”（WOSA）等。 美國陸軍的未來武裝偵察機項目FARA， 基于MOSA進行開發， 利用CMOSS標準套件， 保障后續實現可漸進的模塊化升級。 美軍未來垂直起降（FVL）計劃要為有人和無人飛機開發通用“模塊化開放系統架構”（MOSA）以適應軍方要求， 保證產品與官方標準兼容， 實現供應商組件可靈活更換［26］。

2.3.6通過數字生態實現基于模型的采辦

在數字工程時代， 基于模型的采辦取代基于仿真的采辦（SBA）。 基于模型的采辦（Model-Based Acquisition）是美軍將數字工程和數字模型應用于國防項目全壽命周期管理的一種新的采辦模式。 基于模型的采辦將以動態的數字模型為中心， 將模型和數據作為項目壽命周期中的連續統一體， 開展概念提出、 方案論證、 立項、 設計、 研制、 試驗、 簽訂合同、 生產、 部署、 后勤保障和退役處理等一系列活動的采辦過程［27］。 利用模型的優勢體現在： 可使表達想法或概念更清晰， 無歧義， 增強雙方之間的溝通； 實現對設計系統性能的預測； 分析驗證問題所在， 輔助進行系統修正； 利用數字孿生技術， 構建物理產品的虛擬鏡像“數字孿生體”， 從而精確模擬、 實時預測和精準調控物理實體全壽命周期活動， 對其進行擴展維護。 數字工程時代興起的基于模型的采辦， 動態彈性， 敏捷有效， 基于數字生態系統， 獲得了快速應對新作戰環境和新威脅的能力。

2.3.7布局研發系列化工具軟件助力數字化基礎設施建設

數字工程時代， 美軍將持續推動和構建面向全壽命周期的數字基礎設施與環境。 如美軍在2006年開始的“計算研究與工程采辦工具環境計劃”（CREATE）， 基于虛擬化及權衡分析技術， 構建超級計算能力與數字工程活動基礎設施； 2011年啟動的“工程彈性系統”（ERS）， 致力于構建基于物理模型的工程設計工具［3-5］。 CREATE是美軍“高性能計算現代化計劃”（HPCMP）的子項目， 針對概念設計和武器裝備系統研制， 通過開發和部署基于物理特性的高性能計算軟件， 顯著提高工程設計和分析環節服務。 在該計劃支持下開發了一系列支持快速設計的軟件工具集和平臺， 涵蓋飛行器設計、 射頻天線設計、 網格處理設計等方面十多種軟件工具， 可在提供具有高用戶友好性的同時輔助開展協同分析與設計工作。 CREATE開發部署了基于物理特性的工程軟件工具， 用于武器裝備設計、 測試和分析計算， 作為數字基礎設施為軍方所使用。 ERS是美軍打造的基于物理模型的工程設計工具， ERS開發了決策支持方法和權衡空間工具集的框架， 具有開放的、 不斷進化的特點， 形成了支持采辦全階段的通用環境， 具備共享和協作的能力。 通過框架接口與國防采辦程序連接， 可讓采辦團隊在整個系統的生命周期中利用ERS框架來實施彈性工程。 ERS將先進工程技術與高性能計算相結合， 為美軍提供運營決策的可靠數據。 現階段ERS系統應用于需求、 備選方案分析階段， 而未來其應用將貫穿到整個研制、 生產、 部署、 運維等全壽命周期中。 CREATE與ERS全壽命周期應用如圖3所示。

3數字工程涉及到的關鍵技術

數字工程是一系列技術的綜合運用。 其中比較關鍵的技術涉及數字系統模型構建類技術、 數字孿生體映射類技術、 數字線索生成類技術及新興信息技術等。 數字工程為這些技術在裝備研制制造領域提供了全新的應用場景； 建模與仿真、 虛擬制造、 數字仿真等傳統技術已經在行業內廣泛使用， 為數字工程提供技術基礎； 而新興信息技術是數字工程的推動力， 促進了數字工程的實現， 豐富了其內涵， 數字工程概念的提出和實施， 為新興信息技術應用提出新的場景需求， 帶動其進一步發展。

3.1數字系統模型構建技術

數字系統模型是由利益相關方生成的模型集合， 需要集成權威技術數據和工件， 形成系統全周期數據、 信息、 性能、 流程等的全面定義與數字化表達。 數字系統模型始終是基礎和出發點， 其包括數字仿真技術、 數字樣機技術等。

3.1.1數字仿真技術

建模與仿真構造現實世界實際系統模型和在計算機上進行仿真的復雜活動。 建模是用規范化表述方法， 如用數學的方法對物理系統需要反映的關鍵特征進行描述， 從而獲得實際系統的簡化近似模型， 在這個過程中需要挑選主要變量忽略次要變量， 或進行有依據的近似。 仿真則主要設計可在計算機上運行的程序來實現與模型的關系， 并對模型的狀態進行驗證與預測［28-29］。

3.1.2數字樣機技術

數字樣機以CAD/CAE/DFx技術為基礎， 以機械系統運動學、 動力學和控制理論為核心， 融合計算機圖形技術、 仿真技術以及虛擬現實技術， 將多學科的產品設計開發和分析過程集中到一起， 使產品設計者、 制造者和使用者在產品數字原型上進行設計優化、 性能測試、 制造仿真和使用仿真， 為產品的研發提供全息的數字化設計方法［28-30］。

3.2數字孿生體映射技術

數字孿生體可看作是真實物理產品的數字拷貝， 虛擬孿生體的形成需要建立物理世界與數字虛擬空間鏈接， 完成物理模型數據、 傳感器采集數據， 甚至設計過程數據到不同物理量及不同顆粒度間概率仿真過程的映射， 構建溝通物理實體和虛擬世界的橋梁。 其涉及信息物理系統（Cyber-Physical System， CPS）、 智能制造、 虛擬現實/增強現實、 人工智能等技術。

3.2.1信息物理系統

CPS是指包括物理空間和網絡空間之間的通信和協調在內的整個結構， 建立人、 機、 物、 環境、 信息要素相互映射、 實時交互、 高效協同的復雜系統， 具有數據驅動、 軟件定義、 泛在連接、 虛實映射、 異構集成、 系統自治等特征。

3.2.2智能制造

智能制造是在VR和M&S等技術的基礎上， 對產品設計、 生產過程進行數字化建模， 實現產品全壽命周期的模擬仿真， 從設計、 加工和裝配、 檢驗、 使用到回收， 無需進行物理樣品的制造， 在產品設計早期通過模擬產品性能、 虛擬制造流程， 進行生產管理和資源規劃， 達到優化產品設計質量和制造工藝的效果。

3.2.3虛擬現實/增強現實（VR/AR）

虛擬現實是在計算機仿真技術、 計算機輔助設計與實時計算技術、 傳感技術、 圖形學、 多媒體技術、 網絡技術等學科的基礎上發展起來的交叉學科。 增強現實能有效將虛擬場景和現實世界中的場景融合起來并對現實世界中的場景進行增強， 進而通過顯示器、 投影儀等呈現， 完成物理、 虛擬世界的實時交互。 數字孿生體提供海量逼真虛擬場景、 模型、 數據來源， 高實時性和可靠的數據傳輸手段及新應用， VR/AR利用虛實融合現實、 新興智能交互實現超現實、 高層次可視化呈現。

3.2.4人工智能技術

人工智能技術包括機器學習、 深度學習、 強化學習、 感官知覺和識別、 下一代人工智能、 計劃推理和決策、 安全/有保障的人工智能； 利用知識表達技術、 機器學習、 數據挖掘與知識發現， 對海量異構信息進行自動提煉知識升華， 形成智能策略； 通過自學習、 自組織（優化調整）進行知識表示與推理， 實現決策控制、 快速應變， 適應各種工況以保障運行。

3.3數字線索生成技術

數字線索是數字工程實施的關鍵技術， 為復雜產品的研發提供數據訪問、 整合和關聯等重要能力。 數字線索技術快速生成降階模型， 作為單一數據源貫穿系統全生命周期， 并持續改進。 數字線索可基于產品通用數據庫和物理模型， 采用統一、 快速、 標準、 泛在的通信和交互方式， 實現模型和數據的快速傳遞， 因此涉及到非關系型數據庫、 知識庫、 統一數字模型、 標準化數據模型等新技術， 其中新興信息技術有工業物聯網、 大數據、 云計算、 4G/5G移動通信技術等。

3.3.1統一數字模型

在數字主線中， 提供描述信息完整、 標準化、 規范化、 語義化的數字化模型表達， 以被數字系統讀取和理解。 采用基于模型的系統工程分析框架， 通過先進的建模與仿真工具建立相應技術流程， 以保障可集成性與可復用性。

3.3.2工業物聯網技術

工業物聯網建立智能設備網絡連接， 形成監控、 收集、 交換和分析數據的系統， 即通過設備、 控制系統、 信息系統、 人、 產品之間的網絡互聯， 進而運用工業大數據深度感知計算分析實現工廠智能決策動態優化。

3.3.3云計算技術

云計算運用大量在云端的計算資源進行并行計算， 涵蓋了分布式計算、 負載均衡、 并行計算、 網絡存儲、 熱備份冗雜和虛擬化等計算機技術和網絡技術通過先進網絡與計算技術提升計算能力， 整合存儲資源， 具備動態擴展性、 定制靈活性、 運行可靠性， 提升用戶體驗。

3.3.44G/5G移動通信技術

4G/5G移動通信技術， 泛指下一代先進移動通信技術， 具備高速度、 泛在、 低功耗、 低時延、 萬物互聯、 重構安全、 高可靠連接特征， 支撐大流量移動寬帶、 大規模物聯網、 工業自動化等業務開展。

4數字工程應用情況

數字工程在美國軍方主導或工業部門負責的多項項目中都得到了應用， 并取得顯著效果。

4.1“紅鷹”教練機T-7A與“NGAD”項目應用

在美國空軍主導的裝備應用項目中較為著名的有“紅鷹”教練機T-7A項目和“下一代空中主宰”項目（NGAD）。 敏捷軟件開發、 開放式架構、 基于模型的工程、 三維設計工具的運用使得T-7A從概念設計到工程首飛只用了36月， 工程質量大幅提升， 軟件研發時間減少80%。 美國空軍第六代戰機NGAD則采用“數字化百系列（Digital Century Series）”采辦策略， 通過應用敏捷軟件開發、 開放式系統架構和數字工程技術達到快速研發和螺旋升級的目的。

4.2洲際彈道導彈系統（GBSD）項目應用

諾思羅普·格魯曼公司承擔的洲際彈道導彈系統（GBSD）項目， 采用模塊化開放系統架構、 數字孿生體， 建立了軍事云平臺。 模塊化使得美國空軍僅通過升級、 更換系統模塊就可改進導彈初始設計， 而無需重新設計整個武器系統， 降低了運維成本， 保障了系統靈活性。 通過對陸基彈道導彈、 發射裝置、 指控（C2）元素等建立數字孿生體， 并引入物聯網系統， 保證相關數據能夠及時進行更新， 以便對裝備系統進行監控。 建立了軍事云平臺， 將數字孿生基礎設施與軍事云融合， 獲得數字孿生模型， 實現單一數據源目標。 引入數字孿生體三大功能（設計、 架構和開發）， GBSD實現了可持續改進的武器系統， 4年內開展了60億次不同配置的驗證， 獲得了大量關鍵數據［31］。

4.3高超聲速導彈（HAWC）項目應用

雷神技術公司的高超聲速導彈HAWC研制過程中構造了高逼真度數字系統模型。 HAWC導彈由超燃沖壓發動機提供動力， 設計保障飛行器能在高于馬赫數5的速度下飛行和機動， 高超聲速條件對應的是一種極端飛行環境。 極端環境會導致高超音速導彈飛行過程中產生變形， 因此了解其在極端環境中的飛行性能尤為重要［32］。 雷神公司利用數字工程和高保真模型， 更好地了解導彈在飛行前對環境的反應， 成功利用歷史建模與仿真數據來全面了解導彈屬性， 創造了對系統性能預知的典范。

4.4一號武器系統（WeaponOne）項目應用

WeaponOne項目構建多方合作的數字生態系統， 實現虛實結合的數字孿生體飛行實驗。 WeaponOne內涵、 架構及關鍵技術包括： 數字生態、 基于模型系統工程、 數字孿生、 權威真相、 政府參考架構等。 WeaponOne擁有多種功能， 如用于武器的權威真相源； 用于仿真的軟件工廠； 安全和運維通道， 機載飛行UR案件和基于云的技術集， 構建的數字生態系統計劃將政府、 行業、 學術界的最佳實踐和標準結合起來， 應用于武器開發； 制定基于武器模型的政府參考架構， 促進武器系統數據之間的靈活性、 模塊化、 可重用和一致性， 為政府在整個壽命周期內操作和維護武器建立技術和協作標準。 2021年1月， AFRL在虛擬戰爭模擬器上演示了WeaponOne數字組織體。 基于“灰狼”協同蜂群武器系統， 展示了從飛行中的武器收集數據， 通過先進作戰管理系統ABMS， 發送至數字孿生模型， 這些數字孿生模型運行在高性能計算系統上， 同時數字孿生模型借助人工智能、 機器學習技術， 結合戰場環境數據， 確定出最合適的行動方案后， 這些信息迅速返回戰區內物理武器， 實現虛實結合的數字孿生體飛行實驗， 降低集群武器的驗證成本［33］。

4.5防區內攻擊武器（SiAW）項目應用

SiAW也將運用數字工程實踐， 并引入多個工業部門共同參與開發實踐。 據報道， SiAW計劃的第一階段將專注于數字工程和設計。 SiAW采用虛擬設計驗證設計元素， 結合敏捷軟件、 基于模型的數字環境和OSA開展研制。 諾斯羅普·格魯曼、 L3Harris、 洛克希德·馬丁均表示了其數字工程能力目標。 諾斯羅普·格魯曼公司稱其將利用為美國海軍設計和生產先進反輻射制導增程導彈AARGM-ER并集成到F-35上的經驗。 L3Harris宣布將成立具備數字工程能力的敏捷開發小組領導SiAW項目工作。 敏捷開發小組由數千名工程師、 項目經理、 技術人員和運營專業人員組成， 可快速開發解決方案以應對新出現的威脅。 洛克希德·馬丁公司將采用全周期數字線索， 直至SiAW集成到F-35上， 之后繼續跟蹤并增加多任務能力來驗證F-35的生存能力［34-36］。

4.6防區外攻擊武器（SoAW）項目應用

美國空軍新型遠程精確打擊導彈“防區外攻擊武器”（SoAW）項目與SiAW類似， 是采用數字設計的試點， 通過在數字環境中設計、 驗證修改和升級， 顯著降低武器的研發時間和成本。 2022年8月23日， 美國空軍生命周期管理中心、 武器管理局發布信息征詢書（RFI）， 準備對SoAW項目開展研究。 公開版信息征詢書特別提到SoAW開發需要開放式系統架構（WOSA）， 以及武器政府參考體系架構（GRA）、 在整個系統設計的接口和關鍵部件的子系統設計中都需包含硬件/軟件模塊化等； 開發還需要基于模型的系統工程（MBSE）， 美軍會提供相應數據權限， 后期通過數字化設計分發給多家供應商進行生產， 如果單一設計不能滿足需求， 美軍會考慮發展導彈系統簇/系列化以最大限度提高系統配置的通用性［37］。 美軍正在以數字工程為支點， 在武器裝備研制中推廣應用開放式系統架構、 敏捷軟件開發、 數字孿生等新技術， 通過制定協議與接口標準化， 降低單彈成本， 實現武器功能解耦、 軟硬件解耦， 使武器持續快速更新。

5數字工程發展對武器裝備建設的啟示

數字工程是一種集成多學科手段和先進技術的數字化方法， 其核心是構建并運用數字模型和數據， 支撐裝備全壽命周期的所有工程和管理活動。 國外數字工程自提出后蓬勃發展， 將傳統技術與新技術融合應用， 不斷提升工程能力， 縮短了研制周期， 降低了研制成本， 促進了新技術應用， 提高了采辦效率， 為以更快速度研制可用、 好用裝備提供了巨大的便利， 其建設經驗對武器裝備建設有重大借鑒作用。

5.1不斷推進新技術應用， 為設計研發生產制造賦能

隨著各行業數字化轉型的推進， 物聯網、 大數據、 云計算、 數字主線、 人工智能等新技術的運用使得數字時代的建模與仿真在線化、 泛在化、 常態化， 通過無所不在的傳感器、 構建物聯網廣泛收集現實世界的海量數據， 運用大數據分析技術， 可實現決策與控制能力的提升［38］。 信息技術、 網絡技術、 通信技術的不斷發展， 為實現武器裝備研發設計生產制造等工業部門數字化轉型提供了技術基礎， 也將為研發生產帶來巨大的便利性。 但是， 應用和需求之間依然存在鴻溝， 存在工程應用人員不理解信息技術、 信息技術人員不清楚工程應用需求的現實問題， 因此要在推動數字化轉型的同時， 注重建立信息化人員、 研發設計人員、 生產制造人員之間的連接， 加強人員培訓， 引進來， 推下去， 加快推進新技術應用， 為設計研發生產制造賦能。

5.2重視工程軟件在工作中的應用， 塑造軟件研發應用良性生態

武器裝備是一種多學科綜合的復雜系統， 設計過程需要綜合考慮多專業、 跨學科特點， 權衡分析， 最終制定具備技術合理性和經濟可行性的總體方案， 在這個過程中需要充分利用工程軟件及專用工業軟件， 打造高性能計算能力及敏捷設計能力。 工業軟件、 計算能力是數字工程構建的技術基礎， 工業軟件產品將在數字工程建設中發揮大的支撐性作用。 以虛擬樣機為核心的物理特性優化設計技術已經成為美國數字工程戰略的關鍵支撐技術， 要持續構建基于物理特性的高性能計算軟件， 為設計研發提供足夠支持。 此外， 除了在開發和人力上投入時間和金錢外， 軟件需要足夠的機會和持續的信任， 充分認識到“軟件永無完成時”這一特點。 以Bisim公司的VBS平臺為例， 包含18 000個3D模型、 200個仿真用例和服務， 軟件由軍事用戶、 領域專家密切合作， 共同開發， 前后歷時7年［39］。

5.3結合工程實際， 規劃并持續更新構建集成開發環境

借鑒數字工程的思想， 工業部門要實現武器裝備研制過程的現代化與信息化， 需要解決因武器裝備的復雜性帶來的跨專業、 跨團隊、 跨部門的數據訪問問題。 因此， 立足工業部門業務工作實際， 制定系統工程流程， 規劃并持續構建集成開發環境， 實現研發流程的標準化、 數字化、 工程化， 對提高設計效率， 實現武器裝備的低成本具有重大意義。 以模型和工具為核心，? 將新的技術、 先進管理經驗引入到武器裝備研發生產過程中， 構建數字式協同環境-集成數字環境。 通過系統建模， 提升跨專業、 跨部門的系統功能洞察力； 增強跨團隊間標準化接口， 支持備選方案、 產品快速開發、 增強制造靈活性； 利用行業知識和最佳實踐， 構建先進數字工程和數字制造工具， 實現概念設計驗證， 產品快速試制， 樣機快速迭代， 設計生產充分溝通， 研發流程合理評估， 風險成本大幅降低。

5.4注重模型設計規范性， 支持模型框架標準及接口規范

數字孿生模型構建依賴統一的、 規范的、 標準化的數字模型。 在研發設計生產制造過程中， 對所產生模型的規范性進行管理和約束， 支持行業或自定義模型框架標準和接口規范， 亦可借鑒商業開放系統架構與管理流程， 實現工業部門內部模型規范性研發， 為系統集成驗證、 跨專業溝通奠定基礎。 建設體系架構、 調整系統與其組件以適應新架構， 整合新技術應用， 同時注意解決網絡安全問題。

5.5推進數字化的同時， 注重數字與實踐相結合

數字化雖然帶來了設計研發生產制造方面的便利， 但是不可否認， 數字化并不能完全替代實物產品。 在推進數字化的同時， 也要盡量避免數字化帶來的弊端， 如投入成本高、 缺乏實踐等。 在進行裝備研制時， 要避免流于形式， 應注重裝備本身的功能。 同時， 強調飛行任務、 訓練維護等實際工作必要性， 防止過多強調數字化而導致的實際作戰、 空中行動缺乏訓練， 無法實現重大任務、 裝備數量、 后勤維護等方面的配合與策劃等問題出現。

6結束語

數字化工程是推動領域技術進步， 建立現代化技術基礎和產生先進技術的源泉之一。? 本文對美軍提出的數字工程發展、 內涵、 技術、 應用進行研究， 提出對武器裝備研制生產的啟示。 數字化進程的推進是一個長期的工程， 需要持續投入不斷完善， 后續將持續跟進各個軍事強國在數字化轉型方面的進展， 總結其建設經驗， 為武器裝備研制提供借鑒。

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Research on the Development of US Military Digital Engineering and Its Enlightenment

Wei Xufang1， Liu Bin2

（1. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China;

（2. Military Representative Organization of the Army Aviation in Luoyang Distrcit， Luoyang 471009， China）

Abstract： The fourth industrial revolution is promoting the vigorous development of industrial digitalization. Faced with the development risk caused by the rapid increase of modern equipment complexity， in order to cope with the threat of rapid change and promote technological progress， and ensure economic affordability while providing faster delivery capability， the US military put forward the digital engineering strategy， strategically placed it in the national defense industry and digital acquisition， and steadily promoted the digital practice. This paper studies the development and characteristics of US military digital engineering， analyzes the connotation of US military digital engineering， studies the key technologies used， summarizes the application of digital engineering in typical projects， and the enlightenment of the development of digital engineering to the development and production of? weapon equipment is put forward.

Key words： digital engineering; digital twin; open system architecture; agile development; acquisition

收稿日期： 2022-09-11

*作者簡介： 衛旭芳（1983-）， 女， 河南孟津人， 博士， 高級工程師。