美軍數字工程最新進展及趨勢分析研究

陳建偉，楊春雷，楊 亮，安珊珊，史旭升

美軍數字工程最新進展及趨勢分析研究

陳建偉，楊春雷，楊 亮，安珊珊，史旭升

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

系統研究美軍數字工程戰略對于企業開展數字化建設具有重要意義。從戰略規劃、模型構建、創新技術、支撐環境等方面對美軍數字工程最新進展進行綜述性分析，從理論體系、建模方法、數據應用、工具建設等維度研究提出美軍推進數字工程發展趨勢，并結合航天企業實際提出了具體的啟示與思考。

數字工程；數字模型；發展趨勢

0 引 言

中國裝備研制整體水平與美歐先進水平相比還存在差距，理念方法、共性基礎性技術、研制手段等未能全面系統提升是重要原因之一。目前全球科技和產業競爭更趨激烈，各發達國家加緊實施數字化發展戰略，搶占數字時代發展先機。美國國防部2018年6月發布《數字工程戰略》全面推行數字工程轉型，以期在裝備發展模式上對他國形成代差優勢。2022年8月2日至4日，美國空軍數字化轉型辦公室牽頭與戴頓大學、相關企業合作舉辦了數字化轉型峰會，會議傳遞出美國防部正在尋求采用模型、數據、開放式架構和現代工具等“數字優先”的方法來構建武器裝備全生命周期的網絡-物理系統，加速推動美軍數字化轉型[1]。

因此，深入研究美軍數字工程的最新進展，對航天企業數字化建設具有重要借鑒意義。本文從戰略規劃、模型構建、創新技術、支撐環境等方面對美軍數字工程進展情況進行綜述性分析，從理論體系、建模方法、數據應用、工具建設等維度總結研究美軍推進數字工程發展趨勢，并結合航天企業實際提出了具體的啟示與思考。

1 美軍數字工程最新進展分析

1.1 系統布局密集制定一系列戰略實施規劃

自美國防部發布《數字工程戰略》以來，各軍種陸續制定發布了一系列數字工程戰略實施規劃，系統布局加快推進實施數字工程。

美國空軍2019年7月發布《數字空軍》戰略白皮書，提出空軍要從以平臺為中心的作戰轉向以網絡為中心的作戰，將空軍打造成一個利用集成數字環境，支撐裝備全壽命周期活動的“數字組織”，并提出了3條舉措。美國海軍2020年6月發布《海軍與海軍陸戰隊數字系統工程轉型戰略》，總體目標是實現從文檔為中心的工程模式到以數字工程為中心的模式轉變，提升海軍裝備采辦系統效率、互操作性并進行升級，加快建設一支擁有數字化作戰能力的綜合部隊，并提出了5條具體行動路線[2]。美國太空軍2021年5月發布《太空軍數字化軍種愿景》，提出加快創建一支互聯、創新、數字主導的太空部隊，并提出對四大領域進行重點建設。美國陸軍2021年10月發布了《美國陸軍數字化轉型戰略》，提出加快建設一支數字賦能、數據驅動型陸軍，并提出了6條具體行動路線。

1.2 加速構建基于模型一致連續權威傳遞的數字工程生態體系

美軍通過高逼真度數字模型的開發、集成和使用，加速構建基于模型一致連續權威傳遞的數字工程生態體系，支撐裝備全生命周期的工程活動和決策。

2022年4月6日，美軍證實近日首次成功試射了高超聲速吸氣式武器概念導彈（Hypersonic Air-breathing Weapon Concept，HAWC），飛行試驗創下了以超燃沖壓發動機為動力的高超音速飛行記錄。美軍在HAWC項目每個階段都建立了武器系統高逼真度的數字模型，所有研制流程都在數字模型中完成，飛行測試中模型性能和實際性能幾乎“完全重疊在一起”。過去的設計流程是從一個模型中獲取結果并將其輸入到另一個模型中進行分析并逐級更新模型，這種流程交替往復且耗時。而現在將采用數字工程方法創建的機械模型、流體力學模型、熱模型等所有模型都聚集在一起，實現連續傳遞并進行快速迭代。通過HAWC項目驗證了所有研制流程基于模型一致連續權威傳遞，可以將研發時間縮短30%甚至更多，同時能夠大幅簡化實際飛行驗證測試內容。

1.3 系統開展數字工程創新技術應用

自數字工程戰略發布以來，美軍在裝備研制各階段開展了一系列數字工程創新技術應用，取得了一些重要進展。

美軍通過構建數字模型，開展基于高逼真度、多物理量、多專業的仿真分析及詳細設計，提前識別裝備生產、試驗時可能存在的絕大部分設計缺陷和性能不足并進行迭代優化，顯著加快了裝備研制進程，大幅提高了產品工程質量和效率。以T-7A紅鷹教練機為例，其研制過程充分采用數字工程技術及流程，僅用時36個月就完成從全新設計到驗證機首飛，并將首批驗證機的工程質量提高75%、裝配時間減少80%。2022年4月30日，首架T-7A量產型教練機正式從波音生產基地出廠并交付，美國空軍計劃采購351架，該教練機也成為第一種獲得“e”系列稱號的飛機，即eT-7A[3]。

1.4 持續投入數字工程核心支撐環境建設

近年來，美國國防部牽頭持續投入并增強以計算研究與工程采辦工具和環境（Computational Research and Engineering Acquisition Tools and Environments，CREATE）、工程彈性系統（Engineered Resilient Systems，ERS）等為核心的數字工程基礎支撐環境[4]，通過縮短周期、控制成本等不斷提升裝備研制綜合優勢。

CREATE是美國國防部2008年啟動的一項為期12年的高性能計算項目，總投資3.6億美元，其目標是開發基于物理特性的建模仿真軟件，以支撐武器裝備高效研制。目前已形成十幾種軟件工具，2022年以來，美軍應用CREATE取得了一系列重要成果，包括：采用CREATE飛行器（CREATE Air Vehicles，CREATE-AV）工具開展未來垂直起降飛行器性能模擬及優化，采用CREATE艦船（CREATE Ships，CREATE-SH）工具開展了哥倫比亞級潛艇防撞建模，采用CREATE地面車輛（CREATE Ground Vehicles，CREATE-GV）工具開展下一代戰斗車輛概念設計及評估等工作，推動數字工程重點項目更高效地決策和實施。

ERS是美國國防部2010年啟動的科技優先計劃項目之一，它是一個不斷發展的框架，支持采辦各個階段集成計算環境，實現基于數據驅動的決策[5]。2021年美國海軍在未來水面作戰艦艇項目中使用ERS進行成本和能力權衡分析，實現在可接受的成本范圍內，達到艦艇所需具備的能力水平，減少原型制造時間和成本。

2 美軍數字工程發展趨勢分析

2.1 注重理論體系創新和發展

美軍一直注重從理論方法、工具、語言等方面成體系推動裝備研制理論體系創新和發展。體系工程層面有國防部體系結構框架（Department of Defense Architecture Framework，DODAF），建模工具有Rhapsody等，建模語言有統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）等。系統工程層面有基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE），建模工具有MagicDraw、DOORS等，建模語言有系統建模語言（Systems Modeling Language，SysML）等。

DODAF以“數據為中心”設計開發，主要目的是提供決策數據，強調組成產品的體系結構數據元素，而不只是體系結構產品。DODAF V2.0中包含了全景視角、能力視角、數據和信息視角、作戰視角、項目視角、服務視角、標準視角和系統視角等8種視圖，并進一步分解為概念數據模型、邏輯數據模、物理數據模型、作戰規則模型、系統規則模型、服務規則模型等52個模型，用于作為收集數據的模板[6]。

MBSE強調精確且完整的系統架構模型，通常使用ISO/IEC42010、DODAF進行組織，以數據、模型來驅動采辦過程。MBSE強調貫穿于全生命周期的技術過程的形式化建模，建立的系統模型既解決了項目經驗積累和復用的問題，也通過多視角的系統頂層需求建模與系統架構建模，為復雜系統或體系的向下分解與及時驗證提供了模型依據。MBSE模型主要是系統內部運行規律的建模，對于系統與外部環境之間的交互建模，以及系統發展到體系級后，體系架構就主要采用DODAF標準[7]。

2.2 高度重視建模方法研究

數字工程模型種類繁多、梳理龐大。使用基于模型的權威真相源的數字工程和一個共同的寫作數據建模將使用在全生命周期的任何階段可用的所有知識來改變系統開發。在充分利用可用的數字知識和數據分析，在設計、測試過程中引入了一種代理模型的方法。如在設計過程中引入數字代理模型進行制造和維護設計；在學習階段，使用具有人工智能的交互式數字雙胞胎進行系統的動態控制和系統知識更新，積累知識并實施到數字代理模型中，以提高下一個系統的性能。

美軍高度重視“代理模型”研究和應用，并形成模型成熟度評價體系。為了提供一個正式的訓練方法來確保權威的數字代理模型的可信度，用于邊緣與不確定度量化分析，一個成熟度等級的數字代理模型被引入。考慮到對系統工程的技術準備和系統準備水平進行量化的需求，定義了數字代理模型準備說的9點標度。以系統成熟度的技術準備水平來衡量權威數字代理真實模型的成熟度[8]。

2.3 重視數據價值及應用

數據是美軍進行數字現代化轉型的基礎，并且日益成為國防部流程、算法和武器系統的助推器。美軍緊盯大數據發展機遇，出臺了一系列戰略文件加速軍事數據建設，進而謀求以數據為中心的全方位軍事優勢。美國國防部發布的《國防部數據戰略》強調將數據視為戰略資產，提出要加快轉變成“以數據為中心”的組織，將數據直接視為重要武器，通過快速和規模化數據應用來提升軍事優勢和作戰效能，為美國國防戰略和數字現代化戰略提供重要支持[9]。

為進一步推動美軍數字化轉型，改善其數據、信息技術和網絡能力，美國國防信息系統局首席數據官辦公室發布了《數據戰略實施計劃》，作為以上戰略的實踐，旨在建立將數據視為戰略資產的文化理念，通過開發、利用、提升數據價值賦能軍隊的數字化轉型、掌握信息域、打贏數字化戰爭。

2.4 持續開展數字化平臺工具建設

美軍及軍工企業將數字工程轉型作為最優先的戰略任務之一，從平臺工具建設等方面密集推進數字工程實施，積極開展建模仿真、數據分析與管理等工具環境研發。同時，全球各大軟件廠商西門子、達索系統等公司積極開展并提供了一系列軟件開發、能力集成服務，形成了CREATE、ERS、3DExperience平臺、Teamcenter平臺等支撐數字工程實施的平臺工具環境。

從2008年開始，美軍啟動了CREATE項目，是美軍高性能計算現代化設計（High Performance Computing Modernization Program，HPCMP）的子項目，目標是開發和部署基于物理特性的高性能計算軟件產品，通過高逼真度虛擬樣機的構建和改進，支撐飛行器、艦船、地面車輛和射頻天線系統等武器系統的設計和實現，開發了CREATE-AV、CREATE-SH、CREATE-GV等5類模塊，并進一步按照業務需求，研發了集成水力設計環境、移動性分析工具、艦船快速設計環境等十幾種軟件工具。美國國防部仍在逐年對這些軟件工具進行更新升級，直至2040年[10]。

3 啟 示

美軍在數字工程領域的探索與實踐已經取得顯著進展，加速推動美軍數字化轉型。為加速航天企業數字化轉型建設，結合產品數字化研制現狀，總結提出以下啟示。

3.1 以創新驅動為引領，加強技術融合與群智攻關

美軍注重裝備研制模式創新，發揮技術融合與戰略規劃引領作用，聯合軍政產學研各界優勢力量，開展跨組織、多學科交叉融合的群智創新攻關，有力支撐重點裝備和重大項目研制成功。創新是加快數字化轉型的重要“催化劑”，大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術正加速融合應用，不斷催生發展新模式、新業態。必須深刻認識到數字時代到來的變革性和加快數字化轉型的緊迫性，充分融合MBSE、大數據、人工智能、數字孿生等數字化新方法和新技術，通過技術融合和群智攻關研究，并制定具體實施舉措，突破航天產品共性基礎性科學與工程問題，加快推動企業數字化轉型。

3.2 以全數字化貫通為目標，加快數字模型體系和大數據中心建設

美軍已在各項采辦項目中增加了模型數據的提交和傳遞要求，正在向以模型和數據為核心的范式轉變。模型和數據是推行數字工程的核心，必須持續推進基于模型的系統工程應用，面向產品全面梳理研制全流程、全環節的輸入輸出要素，并按照統一的標準規范開發數字模型，加快構建面向產品研制全過程的完整數字模型體系，實現數字模型在數字化研制全流程的貫通和復用，支撐以模型連續傳遞為核心的產品研制新范式。

同時，立足數據思維，加快推進產品全壽命周期數據管理與建設，實現數據的采集匯聚。在此基礎上構建企業大數據中心，利用大數據技術，推進全級次、全過程的數據治理與應用，實現覆蓋產品研制全生命周期的全流程、全要素數據協同，建立完善的數據共享通道，對外提供統一的數據開發和服務能力，提升數據資產的重要性，實現基于大數據的智能決策支持。

3.3 以航天產品研制需求為導向，加大自主研發平臺工具建設力度

美國國防部已連續十幾年投入大量經費，筑牢以CREATE、ERS等為核心的數字工程基礎支撐環境，并持續更新升級。平臺工具是數字工程的核心支撐。面向科研生產領域，全面梳理各類專業及知識模型，將產品研制過程的知識、經驗、結果等規范化、結構化，進而推進以專業及知識模型為核心的自主研發平臺工具建設，形成支撐產品研制的平臺工具體系。同時，遴選數字化基礎較好的航天產品，探索開展典型階段或場景下的數字化應用試點，最終形成統一的數字化基礎支撐環境，反哺航天應用，高效賦能產品數字化研制，打造低成本、可持續發展的產品供應核心競爭力，更有效地推動企業數字化轉型。

4 結束語

本文總結分析了美軍在戰略規劃、模型構建、創新技術、支撐環境等方面推進數字工程的最新進展情況，從理論體系、建模方法、數據應用、工具建設等維度研究提出美軍推進數字工程發展趨勢，并結合航天企業實際提出了具體的啟示與思考，可為航天企業加快數字化轉型建設提供有益借鑒。

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Research on the Latest Progress and Trend of US Military Digital Engineering

Chen Jian-wei, Yang Chun-lei, Yang Liang, An Shan-shan, Shi Xu-sheng

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Systematic research on the US military digital engineering strategy has significant significance for enterprises to carry out digital construction. The latest progress of US military digital engineering is reviewed. The development trend of digital engineering promoted by the US military is summarized and studied. And specific enlightenment and suggestions are put forward based on the actual situation of aerospace enterprises.

digital engineering; digital model; development trend

2097-1974(2023)01-0153-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230130

E7

A

2022-10-24；

2022-12-12

陳建偉（1979-），男，研究員，主要研究方向為航天型號總體設計及數字化。

楊春雷（1986-），男，高級工程師，主要研究方向為數字化、信息化。

楊 亮（1983-），男，研究員，主要研究方向為數字化、信息化。

安珊珊（1988-），女，工程師，主要研究方向為數字化、信息化。

史旭升（1983-），男，工程師，主要研究方向為數字化、信息化。