美國數(shù)字工程戰(zhàn)略實(shí)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(nèi)部系統(tǒng)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性增加，傳統(tǒng)的分散系統(tǒng)、工具以及線性流程使得復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(wù)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(shí)施數(shù)字工程（Digital Engineering）戰(zhàn)略。

美國國防部于2018年正式發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》（Digital Engineering Strategy），將 數(shù)字工程（Digital Engineering）正式定義為一種集成的數(shù)字方法，使用系統(tǒng)的權(quán)威模型和數(shù)據(jù)源，以在全生命周期內(nèi)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域地連續(xù)傳遞模型和數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)從概念開發(fā)到報(bào)廢處置的所有活動(dòng),其將融入超級(jí)計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等創(chuàng)新技術(shù)以提升工程能力，并最終建立一個(gè)完整的數(shù)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(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，使美國軍隊(duì)完成以模型為中心的范式轉(zhuǎn)型。美國國防部認(rèn)為，數(shù)字工程轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略將是實(shí)現(xiàn)敏捷采辦、增加迭代、夯實(shí)工業(yè)基礎(chǔ)、促進(jìn)制造業(yè)變革的關(guān)鍵途徑，也是美國實(shí)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(guān)鍵一環(huán)。在其戰(zhàn)略規(guī)劃里，數(shù)字工程戰(zhàn)略實(shí)施途徑主要包括以下幾個(gè)方面：頂層牽引，聯(lián)合推進(jìn)；引入創(chuàng)新技術(shù)，革新系統(tǒng)工程；基礎(chǔ)建設(shè)與先導(dǎo)驗(yàn)證齊頭并進(jìn)。同時(shí)，上述規(guī)劃和舉措得到了工業(yè)界積極響應(yīng)，應(yīng)用項(xiàng)目全面鋪開。

頂層牽引，聯(lián)合推進(jìn)

為在數(shù)字工程轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的總體思路上達(dá)成共識(shí)，美國國防部和軍方聯(lián)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(lián)合軍政產(chǎn)學(xué)研各界力量，依托先導(dǎo)項(xiàng)目逐步推進(jìn)；同時(shí)開展數(shù)字工程教育和培訓(xùn)，為這種工程范式的演變和革新培養(yǎng)新生力量；待達(dá)到一定成熟度（4～5級(jí)）后，發(fā)布統(tǒng)一的數(shù)字工程戰(zhàn)略，最后在各個(gè)采辦項(xiàng)目中全面應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 數(shù)字工程頂層規(guī)劃及發(fā)展

在組織管理方面，美國的數(shù)字工程轉(zhuǎn)型工作由國防部抓總，海陸空三軍牽頭實(shí)施，聯(lián)合工業(yè)界和學(xué)術(shù)界優(yōu)勢(shì)力量開展研究和論證工作，并借助先導(dǎo)項(xiàng)目逐步驗(yàn)證和推廣，最終實(shí)現(xiàn)全面應(yīng)用。數(shù)字工程管理部門具體由美國國防部負(fù)責(zé)工程和研發(fā)的副部長(zhǎng)邁克爾·格里芬（Michael D. Griffin）領(lǐng)導(dǎo)；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(cè)評(píng)辦公室指導(dǎo)；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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)施。通過與美國國家航空航天局（NASA）、聯(lián)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(wù)，如圖2所示。

圖2 美國數(shù)字工程管理部門

引入創(chuàng)新技術(shù)，革新系統(tǒng)工程

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

圖3 數(shù)字工程與系統(tǒng)工程的關(guān)系

作為數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字主線和數(shù)字孿生提供了端到端集成、權(quán)威、系統(tǒng)的全生命周期的數(shù)字形式，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)到維修保障全過程的數(shù)字化，將產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率和有效性水平提升到一個(gè)新的高度。

數(shù)字系統(tǒng)模型聚焦在為武器系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化提供政策指南和結(jié)構(gòu)框架，這也是目前國防部關(guān)注的重點(diǎn)，而數(shù)字主線和數(shù)字孿生則更多地關(guān)注開發(fā)基于模型的技術(shù)并以此創(chuàng)建數(shù)字化系統(tǒng)。當(dāng)前，美國國防部數(shù)字系統(tǒng)模型的工作集中在對(duì)數(shù)字系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)分類，以提供一個(gè)模型，為定義權(quán)威真相源服務(wù)。與此同時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)模型還通過建立一個(gè)集成的分類，為利益相關(guān)方提供一個(gè)在全生命周期內(nèi)需要考慮到的技術(shù)數(shù)據(jù)類型的組織結(jié)構(gòu)；建立一個(gè)可以被所有項(xiàng)目使用的公共詞匯表。

基礎(chǔ)建設(shè)與先導(dǎo)驗(yàn)證齊頭并進(jìn)

截至目前，國防部經(jīng)過近10年的基礎(chǔ)支撐技術(shù)建設(shè)，如工程彈性系統(tǒng)（ERS）、計(jì)算研究與工程采辦工具和環(huán)境（CREATE）以及數(shù)字系統(tǒng)模型（DSM）計(jì)劃等和先導(dǎo)項(xiàng)目驗(yàn)證的試點(diǎn)應(yīng)用，數(shù)字工程已經(jīng)獲得美國航空航天界的戰(zhàn)略共識(shí)，并不斷推廣數(shù)字工程的應(yīng)用，擬從概念研究發(fā)展成為具備顛覆功能的優(yōu)勢(shì)能力。

美國空軍的T-7A“紅鷹”教練機(jī)是最典型的數(shù)字工程應(yīng)用先導(dǎo)項(xiàng)目，它從一開始便采用了數(shù)字工程的理念和方法。該型機(jī)所采用的數(shù)字工程流程、敏捷軟件開發(fā)和開放式架構(gòu)任務(wù)系統(tǒng)，能更快速地集成新的概念和能力，并通過虛擬測(cè)試、快速迭代、便捷升級(jí)等實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)可承受性?；谀Ｐ偷墓こ毯腿S設(shè)計(jì)工具，使“紅鷹”在36個(gè)月內(nèi)從概念設(shè)計(jì)過渡到首次飛行，首輪產(chǎn)品工程質(zhì)量提升75%，裝配時(shí)間減少80%，軟件開發(fā)時(shí)間減少一半。2020年，“紅鷹”教練機(jī)成為第一種獲得“e”系列稱號(hào)的飛機(jī)，即eT-7A。美空軍用“e”來標(biāo)明采用數(shù)字工程流程在制造樣機(jī)之前使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、建模和測(cè)試的武器裝備。隨著eT-7A“紅鷹”先導(dǎo)項(xiàng)目的成功實(shí)施，美國多個(gè)國防項(xiàng)目先后宣布采用數(shù)字工程策略，其中美國第六代戰(zhàn)斗機(jī)研制計(jì)劃“下一代空中主宰”（NGAD）相應(yīng)地轉(zhuǎn)型為采用數(shù)字化系列創(chuàng)新研制模式。

工業(yè)界積極響應(yīng)，應(yīng)用項(xiàng)目全面鋪開

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

截至2020年，美國空軍已經(jīng)有30多個(gè)采辦項(xiàng)目正在落實(shí)數(shù)字工程戰(zhàn)略。種種跡象表明，美國所實(shí)施的數(shù)字工程已不再是所謂的“試點(diǎn)計(jì)劃”，而是已經(jīng)在采辦項(xiàng)目中的部分階段、部分領(lǐng)域，甚至全生命周期大規(guī)模鋪開，并向著飛行員訓(xùn)練、軟件開發(fā)、基地運(yùn)行、事物工作等各個(gè)領(lǐng)域全面推進(jìn)。

結(jié)束語

美國一直將數(shù)字化轉(zhuǎn)型視為關(guān)系國計(jì)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(gè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)領(lǐng)域的數(shù)字工程轉(zhuǎn)型規(guī)劃，明確未來的發(fā)展方向和總體目標(biāo)。然后，各行業(yè)各領(lǐng)域根據(jù)自身行業(yè)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀和特點(diǎn)，細(xì)化頂層規(guī)劃的要求，制定分步實(shí)施路線圖。因?yàn)閿?shù)字化轉(zhuǎn)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(shù)，其成熟度和可行性還有待驗(yàn)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(lǐng)域開展試點(diǎn)，然后根據(jù)技術(shù)成熟情況逐步推廣。試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行先期驗(yàn)證，以期在驗(yàn)證的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。待整個(gè)實(shí)施方案和方法全部打通，新興技術(shù)得到驗(yàn)證，具有一定的技術(shù)成熟度后，才會(huì)大規(guī)模推廣至其他行業(yè)和項(xiàng)目。同時(shí)，創(chuàng)新技術(shù)是加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要“催化劑”，美國通過成立國家級(jí)的創(chuàng)新技術(shù)研究和發(fā)展中心，劃撥資金進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，不斷提升創(chuàng)新技術(shù)的可用性和成熟度。