美國數字工程戰(zhàn)略實施途徑

■ 崔艷林 王巍巍 王樂 / 中國航發(fā)渦輪院

近年來，隨著外部環(huán)境和內部系統(tǒng)的復雜性和風險性增加，傳統(tǒng)的分散系統(tǒng)、工具以及線性流程使得復雜系統(tǒng)的設計、交付和保障難以跟上快速變化的作戰(zhàn)環(huán)境，并且阻礙業(yè)務模式變革及作戰(zhàn)能力提升。為解決這一問題，美國國防部決定從2015年起實施數字工程（Digital Engineering）戰(zhàn)略。

美國國防部于2018年正式發(fā)布《數字工程戰(zhàn)略》（Digital Engineering Strategy），將 數字工程（Digital Engineering）正式定義為一種集成的數字方法，使用系統(tǒng)的權威模型和數據源，以在全生命周期內跨學科、跨領域地連續(xù)傳遞模型和數據，支撐系統(tǒng)從概念開發(fā)到報廢處置的所有活動,其將融入超級計算、大數據分析、人工智能、機器學習等創(chuàng)新技術以提升工程能力，并最終建立一個完整的數字工程生態(tài)系統(tǒng)。該戰(zhàn)略旨在將以往線性的、以文檔為中心的采辦流程轉變?yōu)閯討B(tài)的、以數字模型為中心的數字工程生態(tài)系統(tǒng)，使美國軍隊完成以模型為中心的范式轉型。美國國防部認為，數字工程轉型戰(zhàn)略將是實現敏捷采辦、增加迭代、夯實工業(yè)基礎、促進制造業(yè)變革的關鍵途徑，也是美國實施“第三次抵消戰(zhàn)略”（The Third Offset Strategy ）和開啟第四次工業(yè)革命大門的關鍵一環(huán)。在其戰(zhàn)略規(guī)劃里，數字工程戰(zhàn)略實施途徑主要包括以下幾個方面：頂層牽引，聯合推進；引入創(chuàng)新技術，革新系統(tǒng)工程；基礎建設與先導驗證齊頭并進。同時，上述規(guī)劃和舉措得到了工業(yè)界積極響應，應用項目全面鋪開。

頂層牽引，聯合推進

為在數字工程轉型戰(zhàn)略的總體思路上達成共識，美國國防部和軍方聯合制訂了頂層規(guī)劃和面向全生命周期采辦的綜合解決方案；聯合軍政產學研各界力量，依托先導項目逐步推進；同時開展數字工程教育和培訓，為這種工程范式的演變和革新培養(yǎng)新生力量；待達到一定成熟度（4～5級）后，發(fā)布統(tǒng)一的數字工程戰(zhàn)略，最后在各個采辦項目中全面應用，如圖1所示。

圖1 數字工程頂層規(guī)劃及發(fā)展

在組織管理方面，美國的數字工程轉型工作由國防部抓總，海陸空三軍牽頭實施，聯合工業(yè)界和學術界優(yōu)勢力量開展研究和論證工作，并借助先導項目逐步驗證和推廣，最終實現全面應用。數字工程管理部門具體由美國國防部負責工程和研發(fā)的副部長邁克爾·格里芬（Michael D. Griffin）領導；由國防部系統(tǒng)工程司、空軍裝備科技工程辦公室、陸軍裝備系統(tǒng)工程辦公室和海軍裝備研發(fā)測評辦公室指導；由國防部系統(tǒng)工程司工程工具和環(huán)保辦公室的菲洛米娜·齊墨爾曼團隊負責實施。通過與美國國家航空航天局（NASA）、聯邦航空局（FAA）、國土安全局，以及各大高校合作提供外部資源和服務，如圖2所示。

圖2 美國數字工程管理部門

引入創(chuàng)新技術，革新系統(tǒng)工程

為徹底貫徹實施數字工程戰(zhàn)略，美國防部推出數字工程生態(tài)系統(tǒng)以支撐數字采辦。該生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了系統(tǒng)工程的技術流程和管理流程，并在此基礎上引入3項關鍵創(chuàng)新技術，即數字系統(tǒng)模型（Digital System Model）、數字主線（Digital Thread）和數字孿生（Digital Twin），以實現真正的全生命周期數字化表達，如圖3所示。

圖3 數字工程與系統(tǒng)工程的關系

作為數字工程生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，數字系統(tǒng)模型、數字主線和數字孿生提供了端到端集成、權威、系統(tǒng)的全生命周期的數字形式，實現了從產品設計、制造、試驗到維修保障全過程的數字化，將產品創(chuàng)新、制造效率和有效性水平提升到一個新的高度。

數字系統(tǒng)模型聚焦在為武器系統(tǒng)實施數字化提供政策指南和結構框架，這也是目前國防部關注的重點，而數字主線和數字孿生則更多地關注開發(fā)基于模型的技術并以此創(chuàng)建數字化系統(tǒng)。當前，美國國防部數字系統(tǒng)模型的工作集中在對數字系統(tǒng)模型的數據分類，以提供一個模型，為定義權威真相源服務。與此同時，數字系統(tǒng)模型還通過建立一個集成的分類，為利益相關方提供一個在全生命周期內需要考慮到的技術數據類型的組織結構；建立一個可以被所有項目使用的公共詞匯表。

基礎建設與先導驗證齊頭并進

截至目前，國防部經過近10年的基礎支撐技術建設，如工程彈性系統(tǒng)（ERS）、計算研究與工程采辦工具和環(huán)境（CREATE）以及數字系統(tǒng)模型（DSM）計劃等和先導項目驗證的試點應用，數字工程已經獲得美國航空航天界的戰(zhàn)略共識，并不斷推廣數字工程的應用，擬從概念研究發(fā)展成為具備顛覆功能的優(yōu)勢能力。

美國空軍的T-7A“紅鷹”教練機是最典型的數字工程應用先導項目，它從一開始便采用了數字工程的理念和方法。該型機所采用的數字工程流程、敏捷軟件開發(fā)和開放式架構任務系統(tǒng)，能更快速地集成新的概念和能力，并通過虛擬測試、快速迭代、便捷升級等實現更好的經濟可承受性。基于模型的工程和三維設計工具，使“紅鷹”在36個月內從概念設計過渡到首次飛行，首輪產品工程質量提升75%，裝配時間減少80%，軟件開發(fā)時間減少一半。2020年，“紅鷹”教練機成為第一種獲得“e”系列稱號的飛機，即eT-7A。美空軍用“e”來標明采用數字工程流程在制造樣機之前使用計算機設計、建模和測試的武器裝備。隨著eT-7A“紅鷹”先導項目的成功實施，美國多個國防項目先后宣布采用數字工程策略，其中美國第六代戰(zhàn)斗機研制計劃“下一代空中主宰”（NGAD）相應地轉型為采用數字化系列創(chuàng)新研制模式。

工業(yè)界積極響應，應用項目全面鋪開

為抓住數字工程轉型機遇，洛克希德-馬?。羼R）公司、雷神技術公司、GE公司等國防承包商積極響應，將自身的數字工程工具與軍方層面和國防部層面的平臺形成跨階段、跨流程覆蓋的數字工程系統(tǒng)，全面支持未來優(yōu)勢武器裝備的快速、低成本研發(fā)。美國空軍研究實驗室彈藥局在虛擬戰(zhàn)爭彈藥模擬器上演示了埃格林武器數字組織體“一號武器”（WeaponONE，W1）示范項目，成功演示了數字工程對作戰(zhàn)人員和產品開發(fā)的價值；洛馬公司推出驗證數字工程流程的“競速者”（Speed Racer）無人航空器研發(fā)項目，旨在驗證StartDrive數字工程工具集。通過在完全集成的數字工作環(huán)境中運行所需的文化、流程和工具，以在較短時間內滿足所有的開發(fā)需求來加速開發(fā)過程；雷神技術公司正在利用數字工程技術，快速開發(fā)下一代戰(zhàn)斗機各種新型系統(tǒng)部件，通過一個公共參數庫來完成產品設計、制造、維護和交付等整個生產流程，從而改變產品的研發(fā)方式、員工的工作方式和公司的運行方式。

截至2020年，美國空軍已經有30多個采辦項目正在落實數字工程戰(zhàn)略。種種跡象表明，美國所實施的數字工程已不再是所謂的“試點計劃”，而是已經在采辦項目中的部分階段、部分領域，甚至全生命周期大規(guī)模鋪開，并向著飛行員訓練、軟件開發(fā)、基地運行、事物工作等各個領域全面推進。

結束語

美國一直將數字化轉型視為關系國計民生的頭等大事，從總統(tǒng)、國防部等國家最頂層出發(fā)，發(fā)布面向整個經濟和社會領域的數字工程轉型規(guī)劃，明確未來的發(fā)展方向和總體目標。然后，各行業(yè)各領域根據自身行業(yè)發(fā)現現狀和特點，細化頂層規(guī)劃的要求，制定分步實施路線圖。因為數字化轉型是近幾年才提出的新型發(fā)展戰(zhàn)略，融合了大量創(chuàng)新型技術，其成熟度和可行性還有待驗證，不能立刻大規(guī)模推行。因此，美國選擇首先在航空航天領域開展試點，然后根據技術成熟情況逐步推廣。試點項目進行先期驗證，以期在驗證的過程中發(fā)現問題、解決問題。待整個實施方案和方法全部打通，新興技術得到驗證，具有一定的技術成熟度后，才會大規(guī)模推廣至其他行業(yè)和項目。同時，創(chuàng)新技術是加快數字化轉型的重要“催化劑”，美國通過成立國家級的創(chuàng)新技術研究和發(fā)展中心，劃撥資金進行專項技術攻關，不斷提升創(chuàng)新技術的可用性和成熟度。