美國(guó)數(shù)字工程戰(zhàn)略發(fā)展分析

■ 王巍巍 王樂(lè) / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

美國(guó)國(guó)防部在2018年頒布了數(shù)字工程發(fā)展戰(zhàn)略，并將該戰(zhàn)略定義為美國(guó)軍工產(chǎn)業(yè)的“工業(yè)4.0”。美國(guó)新安全中心在數(shù)字研發(fā)策略中明確提出數(shù)字工程的發(fā)展是確保國(guó)防安全的重要策略，已經(jīng)上升到“國(guó)防安全”戰(zhàn)略的高度，被視為實(shí)現(xiàn)“第三次抵消”戰(zhàn)略，以及空軍實(shí)現(xiàn)“更好購(gòu)買(mǎi)力”構(gòu)想的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

美國(guó)國(guó)防部認(rèn)為，數(shù)字工程是在當(dāng)今復(fù)雜多變國(guó)際環(huán)境下確保國(guó)防安全的重要工程，它將以全新的認(rèn)知和數(shù)字化的技術(shù)手段保障國(guó)防安全裝備的發(fā)展。數(shù)字工程中以真實(shí)有效數(shù)據(jù)為支撐的全生命周期模型的創(chuàng)建，使決策者能夠比對(duì)手更快地做出準(zhǔn)確決策，從而贏得戰(zhàn)爭(zhēng)主導(dǎo)權(quán)。

數(shù)字工程的源起

美國(guó)國(guó)防采辦系統(tǒng)的改革是實(shí)施數(shù)字工程的最大推動(dòng)力。傳統(tǒng)研發(fā)模式的周期長(zhǎng)和費(fèi)用高一直是裝備采辦最大的痛點(diǎn)。傳統(tǒng)制造業(yè)在研發(fā)過(guò)程中存在著大量設(shè)計(jì)更改，這些更改大部分都是在設(shè)計(jì)的中晚期，特別是轉(zhuǎn)入生產(chǎn)后的更改數(shù)量明顯增加，這是造成費(fèi)用大幅增長(zhǎng)的主要因素。而先進(jìn)的制造業(yè)通過(guò)引入數(shù)字化新技術(shù)，在早期通過(guò)需求捕獲和權(quán)衡分析，在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行大量設(shè)計(jì)迭代，但轉(zhuǎn)入生產(chǎn)后的更改數(shù)量明顯降低，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)制造業(yè)與先進(jìn)制造業(yè)的對(duì)比

在產(chǎn)品研發(fā)后期的大量更改勢(shì)必會(huì)造成周期拖延和費(fèi)用上漲。例如，美國(guó)現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)F-35的研發(fā)依然沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)制造業(yè)的影響，“拖、降、漲”成為該飛機(jī)研制中的詬病。

有鑒于此，美國(guó)國(guó)防部在過(guò)去的幾十年對(duì)采辦模式進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，如圖2所示，但落后的采辦模式、復(fù)雜的采購(gòu)系統(tǒng)、成本過(guò)高的采購(gòu)方案并未得到明顯改善。

圖2 美國(guó)國(guó)防采辦系統(tǒng)改革

為了從根本上解決復(fù)雜系統(tǒng)研制中的周期和費(fèi)用問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防部推出了“更好的購(gòu)買(mǎi)力”和“擁有技術(shù)基線”等頂層戰(zhàn)略目標(biāo)。在這些目標(biāo)的牽引下，數(shù)字工程的概念和內(nèi)核開(kāi)始逐步成形，而數(shù)字工程也反過(guò)來(lái)成為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵。

數(shù)字工程的基礎(chǔ)

數(shù)字工程的推行不是一蹴而就的，美國(guó)國(guó)防部自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，相繼開(kāi)展了一系列科技計(jì)劃為實(shí)施數(shù)字工程奠定了基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 開(kāi)展數(shù)字工程的基礎(chǔ)支撐

超算能力建設(shè)與專(zhuān)業(yè)化平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)

數(shù)字工程的實(shí)施離不開(kāi)超級(jí)計(jì)算能力，美國(guó)國(guó)防部在1992年推出的高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃（HPCMP）為實(shí)現(xiàn)世界級(jí)超級(jí)計(jì)算能力提供了基礎(chǔ)。該計(jì)劃由硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成。其中，硬件方面包括4家重大資源共享中心（MSPC）和17家分布式中心（DC）。HPCMP通過(guò)國(guó)防研究與工程網(wǎng)將這些地理位置分散的高性能計(jì)算（HPC）用戶(hù)站點(diǎn)、HPC中心以及其他網(wǎng)絡(luò)中心連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算資源的共享，有力地支持了美軍重大武器系統(tǒng)的研發(fā)、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)工作。

2006年啟動(dòng)的計(jì)算研究與工程采辦工具和環(huán)境（CREATE ）計(jì)劃是美國(guó)高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃（HPCMP）的核心方向之一。其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和部署基于物理特性的高性能計(jì)算軟件，通過(guò)高逼真度虛擬樣機(jī)的構(gòu)建和改進(jìn)支撐飛行器、艦船等國(guó)防平臺(tái)的設(shè)計(jì)。CREATE在航空領(lǐng)域的實(shí)施計(jì)劃代號(hào)為CREATEAV，于2008年啟動(dòng)，旨在開(kāi)發(fā)、部署和支持一套多學(xué)科、基于物理的模擬軟件產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目的是利用新一代計(jì)算機(jī)資源和新開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)化軟件，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題和性能異常，盡量減少返工。該項(xiàng)目的實(shí)施為數(shù)字工程的數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)的推廣引用提供了專(zhuān)業(yè)化的軟件支撐。

備選方案權(quán)衡分析和虛擬化

工程彈性系統(tǒng)（ERS）計(jì)劃，旨在創(chuàng)建一個(gè)現(xiàn)代化計(jì)算工程工具的集成架構(gòu)，包括模型、仿真和相關(guān)能力，以及折中權(quán)衡評(píng)價(jià)與可視化方面的工具，支持采辦所有階段的集成計(jì)算環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策。ERS強(qiáng)化需求的生成和備選方案的分析流程，并在權(quán)衡過(guò)程中提供全生命周期所需要的“情報(bào)”，通過(guò)權(quán)衡分析實(shí)現(xiàn)有充分依據(jù)的決策，在更短時(shí)間內(nèi)“可視化”更多設(shè)計(jì)權(quán)衡，從而達(dá)到量化并降低采辦風(fēng)險(xiǎn)。利用ERS平臺(tái)，可以全面探索并識(shí)別關(guān)鍵性能參數(shù)（KPP），快速分析諸多備選方案，減少原型機(jī)制造時(shí)間和成本。目前，美國(guó)軍隊(duì)正在ERS的早期概念權(quán)衡中引入生命周期成本的分析能力，通過(guò)接入成本模型，實(shí)現(xiàn)效能、研制周期和經(jīng)濟(jì)可承受性三方面的權(quán)衡。

其他基礎(chǔ)支撐

美國(guó)國(guó)防部建模與仿真協(xié)調(diào)辦公室長(zhǎng)期以來(lái)不斷推進(jìn)建模與仿真技術(shù)的改進(jìn)升級(jí)，在2016年發(fā)布了國(guó)防建模與仿真參考架構(gòu)，為數(shù)字工程開(kāi)展跨領(lǐng)域的仿真提供了最佳途徑。世界級(jí)高性能計(jì)算能力的形成、大規(guī)模復(fù)雜工況計(jì)算環(huán)境的建設(shè)、混合現(xiàn)實(shí)和人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展也成為了發(fā)展數(shù)字工程的重要支撐。

數(shù)字工程的關(guān)鍵

數(shù)字工程的實(shí)施有三大關(guān)鍵技術(shù)要素，分別是數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生。

數(shù)字系統(tǒng)模型是系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、模型、流程等的數(shù)字化表現(xiàn)方式，該模型是由系統(tǒng)所有利益相關(guān)方生成，集成了權(quán)威的技術(shù)數(shù)據(jù)和相關(guān)工件，貫穿了整個(gè)系統(tǒng)全生命周期的具體活動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行了定義。數(shù)字系統(tǒng)模型的建立是驅(qū)動(dòng)以數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)。

數(shù)字線索是數(shù)字工程實(shí)施最重要的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)字工程的核心要素是模型，而模型建立所需要的權(quán)威數(shù)據(jù)源則來(lái)自數(shù)字線索。數(shù)字線索技術(shù)的應(yīng)用主要是為了快速生成降階模型，作為最初的單一權(quán)威數(shù)據(jù)源貫徹到系統(tǒng)全生命周期各個(gè)階段，后面各個(gè)時(shí)期都以其為基礎(chǔ)不斷改進(jìn)。通過(guò)采用數(shù)字線索，將為復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)提供訪問(wèn)數(shù)據(jù)、整合數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等重要能力。

數(shù)字孿生體是真實(shí)物理實(shí)體的虛擬拷貝，用數(shù)據(jù)的形式映射了一個(gè)真實(shí)產(chǎn)品從生到死全過(guò)程，即真實(shí)產(chǎn)品全生命周期的所有行為的真實(shí)記錄，是真實(shí)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)拷貝。數(shù)字孿生技術(shù)是一種數(shù)字技術(shù)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)收集物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，構(gòu)建起溝通物理實(shí)體和虛擬世界的橋梁，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體全生命周期過(guò)程。

上述三大支撐技術(shù)是數(shù)字工程能夠改寫(xiě)國(guó)防采辦流程、保障國(guó)防安全優(yōu)勢(shì)的重要支撐，真正實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的決策。

數(shù)字工程的實(shí)施

為確保數(shù)字工程實(shí)施，為系統(tǒng)研發(fā)決策提供支撐，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速交付，需要打造適應(yīng)數(shù)字工程的環(huán)境，美國(guó)數(shù)字工程戰(zhàn)略實(shí)施的主要思路是從五個(gè)方向著手推動(dòng)。

模型建設(shè)

數(shù)字工程的語(yǔ)言是模型，模型是產(chǎn)品全生命周期的神經(jīng)系統(tǒng)，在產(chǎn)品全生命周期各個(gè)階段的活動(dòng)都是通過(guò)模型表征。數(shù)字工程戰(zhàn)略的實(shí)施將徹底改變產(chǎn)品研發(fā)理念，將通過(guò)模型打通產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)模型把產(chǎn)品從生到死的歷史全部記錄和展示，改變過(guò)去以文件為中心的范式，過(guò)渡到以模型為中心的范式。

數(shù)據(jù)建設(shè)

數(shù)據(jù)是數(shù)字工程的實(shí)施基礎(chǔ)。要想實(shí)施數(shù)字工程，首先要對(duì)真實(shí)權(quán)威的數(shù)據(jù)源進(jìn)行定義，即什么樣的數(shù)據(jù)是真實(shí)的、權(quán)威的；其次要對(duì)真實(shí)的權(quán)威數(shù)據(jù)源進(jìn)行管理，即對(duì)該數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)進(jìn)行設(shè)置和控制；最后要在全生命周期內(nèi)使用真實(shí)的權(quán)威數(shù)據(jù)源，即利用真實(shí)的權(quán)威數(shù)據(jù)源作為技術(shù)基線，利用真實(shí)的權(quán)威數(shù)據(jù)源來(lái)創(chuàng)造數(shù)字化工件，采用真實(shí)的權(quán)威數(shù)據(jù)源來(lái)建立協(xié)作與溝通。

創(chuàng)新技術(shù)引進(jìn)

創(chuàng)新技術(shù)的引入是數(shù)字工程實(shí)施的驅(qū)動(dòng)力，虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、人機(jī)交互、數(shù)字孿生、增材制造、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)將不斷融入到數(shù)字工程應(yīng)用實(shí)踐中，為數(shù)字工程的實(shí)施提供支撐。

基礎(chǔ)條件建設(shè)

數(shù)字工程落地必須要有其實(shí)施的基礎(chǔ)條件，首先要開(kāi)發(fā)能夠?qū)嵤?shù)字工程的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，并不斷完善和持續(xù)應(yīng)用；其次要開(kāi)發(fā)、完善應(yīng)用數(shù)字工程的方法論；最后要能夠確保信息基礎(chǔ)設(shè)施的安全，其中包含知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等。

文化建設(shè)

數(shù)字工程是創(chuàng)新的工程，需要有相應(yīng)的文化來(lái)支撐。首先是認(rèn)知能力的提升，要更新與完善原有的知識(shí)體系，重新構(gòu)建適用于數(shù)字工程的知識(shí)庫(kù)。其次是認(rèn)同，要大力引導(dǎo)企業(yè)、產(chǎn)品和項(xiàng)目等向數(shù)字化轉(zhuǎn)型；最后就是要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)字工程團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)數(shù)字工程實(shí)施所需要的后備人才。

數(shù)字工程的應(yīng)用

數(shù)字工程在美國(guó)已經(jīng)得到了廣泛的推廣，政府、軍隊(duì)、工業(yè)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)等都在試點(diǎn)應(yīng)用數(shù)字工程的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括波音公司、洛克希德-馬?。羼R）公司和普惠公司等。

波音公司的eT-7A項(xiàng)目

波音公司是數(shù)字工程的重要推動(dòng)者和踐行者，一直以來(lái)積極推動(dòng)數(shù)字工程關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了從基于文檔的二維圖樣模式向基于模型的數(shù)字企業(yè)轉(zhuǎn)變。2018年波音公司通過(guò)競(jìng)標(biāo)拿到了eT-7A項(xiàng)目，該項(xiàng)目在開(kāi)展過(guò)程中貫穿了數(shù)字工程的理念，采用了數(shù)字工程的流程，應(yīng)用了數(shù)字工程的關(guān)鍵技術(shù)，最終在36個(gè)月內(nèi)完成了從工程設(shè)計(jì)到首架樣機(jī)制造，首輪產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量提升75%，裝配時(shí)間減少80%，軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間減少50%。

洛馬公司的F-35生產(chǎn)提升改造

洛馬公司作為先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)F-35的主承包商，一直以來(lái)飽受生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造費(fèi)用高的困擾。為了縮短F-35的生產(chǎn)周期，降低制造成本，洛馬公司不斷嘗試采用新技術(shù)，在F-35戰(zhàn)機(jī)的制造過(guò)程中引入數(shù)字工程理念，采用了數(shù)字線索技術(shù)。在F-35戰(zhàn)斗機(jī)的制造過(guò)程中引入三維實(shí)體模型，尤其是工裝實(shí)體模型的建設(shè)能夠提前避免加工時(shí)由于工裝干涉造成的工裝重新設(shè)計(jì)，大大提高了工作效率。洛馬公司還將數(shù)字線索技術(shù)應(yīng)用到了產(chǎn)品加工過(guò)程中，如F-35進(jìn)氣道的加工。

引入數(shù)字線索技術(shù)給F-35戰(zhàn)斗機(jī)帶來(lái)了很多益處，使其產(chǎn)量和價(jià)格得到了大幅改善，F(xiàn)-35A的價(jià)格已經(jīng)從首批次的每架成本2.44億美元，降到第11批次的8920萬(wàn)美元，這也說(shuō)明數(shù)字工程的先進(jìn)理念對(duì)降低工程成本方面的成效已經(jīng)凸顯。

普惠公司的ICME計(jì)劃

普惠公司作為F-22、F-35等先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要供應(yīng)商，也一直在嘗試應(yīng)用數(shù)字工程的先進(jìn)技術(shù)。材料是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的最關(guān)鍵要素，傳統(tǒng)的材料研發(fā)流程通常脫離實(shí)際應(yīng)用，而材料規(guī)范也往往基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著數(shù)字工程技術(shù)的不斷引進(jìn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的研發(fā)與制造流程和設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系起來(lái)。普惠公司在集成計(jì)算材料工程（ICME）計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中引入了數(shù)字線索技術(shù)，推動(dòng)新材料的研發(fā)，應(yīng)用案例如圖4所示。

圖4 普惠公司在ICME計(jì)劃中的數(shù)字線索應(yīng)用

在ICME 計(jì)劃中，普惠公司采用數(shù)字線索技術(shù)，基于模型對(duì)材料進(jìn)行定義，夠預(yù)測(cè)特定位置上材料的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展工藝分析和優(yōu)化?；谀Ｐ偷牟牧隙x將對(duì)材料的研發(fā)時(shí)間、研發(fā)成本等發(fā)生重大影響，同時(shí)能夠使工程上的虛擬制造和部件的虛擬試驗(yàn)成為可能。普惠公司正通過(guò)試點(diǎn)項(xiàng)目不斷深化應(yīng)用數(shù)字線索等數(shù)字工程的關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字工程作為研發(fā)范式轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新，將在國(guó)防科技發(fā)展中發(fā)揮重要作用。美國(guó)在全面推進(jìn)數(shù)字工程應(yīng)用的過(guò)程中，形成并堅(jiān)持了加快推動(dòng)數(shù)字工程、加速關(guān)鍵技術(shù)成熟和加強(qiáng)文化認(rèn)同的經(jīng)驗(yàn)和共識(shí)，并且已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域取得了一定的成效。