美軍數(shù)字工程建設(shè)發(fā)展研究及啟示

衛(wèi)旭芳　劉彬

摘要：第四次工業(yè)革命正在推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化蓬勃發(fā)展。 面對(duì)現(xiàn)代裝備復(fù)雜度劇增導(dǎo)致的研制風(fēng)險(xiǎn)， 為了應(yīng)對(duì)快速變化的威脅和推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步， 保障經(jīng)濟(jì)可承受性的同時(shí)提供更快的交付能力， 美軍提出數(shù)字工程戰(zhàn)略， 在國(guó)防工業(yè)及數(shù)字化采辦中戰(zhàn)略布局， 穩(wěn)步推進(jìn)數(shù)字化實(shí)踐。 本文研究了美軍數(shù)字工程的發(fā)展歷程及呈現(xiàn)特點(diǎn)， 剖析美軍數(shù)字工程內(nèi)涵， 研究其用到的關(guān)鍵技術(shù)， 綜述典型項(xiàng)目中數(shù)字工程應(yīng)用情況， 提出數(shù)字工程發(fā)展對(duì)武器裝備研制的啟示。

關(guān)鍵詞：數(shù)字工程； 數(shù)字孿生； 開放架構(gòu)； 敏捷開發(fā)； 采辦

中圖分類號(hào)： TJ760文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 1673-5048（2023）03-0056-11

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0188

0引言

當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)紛繁復(fù)雜， 大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈， 作戰(zhàn)和威脅環(huán)境動(dòng)態(tài)變化， 裝備系統(tǒng)復(fù)雜度和成本風(fēng)險(xiǎn)大幅增加， 以往線性的采辦流程已無法適應(yīng)， 為了提升國(guó)防采辦的敏捷性和彈性， 美軍系統(tǒng)工程部門提出“數(shù)字工程”和“數(shù)字工程戰(zhàn)略”， 助力數(shù)字轉(zhuǎn)型［1-2］。 同時(shí)， 美軍運(yùn)用數(shù)字孿生、 數(shù)字模型、 數(shù)字線索等不斷深化數(shù)字化進(jìn)程， 在多個(gè)項(xiàng)目中推進(jìn)基于數(shù)字化工程的采辦， 頒布數(shù)字工程戰(zhàn)略， 美國(guó)陸?？杖娨苍诜e極響應(yīng)并制定符合自身特點(diǎn)的指南以推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。 美國(guó)國(guó)防部通過推進(jìn)數(shù)字工程， 打造數(shù)字生態(tài)， 基于模型和權(quán)威數(shù)據(jù)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(tǒng)的快速規(guī)劃、 敏捷設(shè)計(jì)、 高效制造、 精準(zhǔn)保障， 使得美軍可應(yīng)對(duì)快速變化的威脅， 保持長(zhǎng)久的技術(shù)進(jìn)步， 在考慮經(jīng)濟(jì)可承受性和持續(xù)保障性的同時(shí)， 具備了更快的交付能力。 數(shù)字工程已然成為提升裝備競(jìng)爭(zhēng)力、 塑造大國(guó)軍力的重要環(huán)節(jié)。

1數(shù)字工程的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1背景與意義

一直以來， 復(fù)雜裝備系統(tǒng)研制過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)更改及延誤， 造成其成本激增、 周期增長(zhǎng)而無法快速適應(yīng)外部威脅的變化， 為了從根本上解決這個(gè)問題， 美國(guó)國(guó)防部倡導(dǎo)設(shè)計(jì)早期的需求捕獲與權(quán)衡分析， 同時(shí)引入數(shù)字化新技術(shù)， 并提出“更好的購(gòu)買力”和“擁有技術(shù)基線”等頂層戰(zhàn)略目標(biāo)， 在這個(gè)過程中， 數(shù)字工程的概念逐步成熟。 同時(shí)， 為了使復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 交付、 保障能夠適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境的快速變化， 急需變革以往分散化子系統(tǒng)、 多樣設(shè)計(jì)工具、 線性化工作流程等業(yè)務(wù)模式， 提升采辦效率、 促進(jìn)作戰(zhàn)能力形成， 為此美國(guó)國(guó)防部提出實(shí)施數(shù)字工程（Digital Engineering）戰(zhàn)略［3-5］。

1.2形態(tài)演變歷程

早期建模與仿真技術(shù)的發(fā)展、 基于仿真的采辦等都為美軍數(shù)字工程概念的提出奠定了基礎(chǔ)。 建模與仿真技術(shù)（Modeling & Simulation， M&S）于1970年左右興起， 通過建立系統(tǒng)模型對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析與評(píng)估決策， 從實(shí)際系統(tǒng)的形態(tài)特征發(fā)掘其本質(zhì)， 并對(duì)其行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。 建模與仿真是美軍“國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃”的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目， 軍用仿真系統(tǒng)在支撐軍事訓(xùn)練、 裝備采辦與作戰(zhàn)研究中不斷發(fā)揮重要作用， 也推動(dòng)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新發(fā)展。 因此在數(shù)字工程中， 模型始終是基礎(chǔ)， 無論是現(xiàn)代裝備采辦還是工業(yè)部門武器裝備設(shè)計(jì)研制中， 數(shù)字模型

的作用依然是不可替代的。

20世紀(jì)90年代， 建模仿真技術(shù)開始在裝備采辦中應(yīng)用推廣。 基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition， SBA）是美國(guó)國(guó)防部于1997年前后提出的一種新型采辦模式， 主要針對(duì)傳統(tǒng)武器研制難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜多變軍事需求， 各職能部門采辦階段和采辦項(xiàng)目彼此孤立， 導(dǎo)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(shù)支持采辦過程， 包括促進(jìn)M&S工具和資源跨功能領(lǐng)域、 跨采辦階段、 跨采辦項(xiàng)目的重用， 隨著M&S被推廣應(yīng)用至前期設(shè)計(jì)、 產(chǎn)品開發(fā)、 測(cè)試、 制造階段， 乃至后勤保障與報(bào)廢處置等活動(dòng)中， 起到縮短研發(fā)周期、 降低研制成本和風(fēng)險(xiǎn)等積極作用。 美軍“海狼”級(jí)潛艇、 美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的高級(jí)兩棲突擊戰(zhàn)車AAAV， 都是SBA的成功應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)后， 為了推進(jìn)裝備全壽命周期管理， 美軍開始在裝備采辦中全面實(shí)行基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering， MBSE）。 MBSE是系統(tǒng)工程（SE）與建模仿真技術(shù)融合發(fā)展的階段產(chǎn)物， SE提供了實(shí)施工程的方法過程和手段， 建模與仿真技術(shù)是MBSE的基石和出發(fā)點(diǎn)。 基于模型的系統(tǒng)工程是一種形式化的建模方法學(xué)， 以模型為核心， 開展需求分析、 設(shè)計(jì)驗(yàn)證和確認(rèn)等全生命周期活動(dòng)。 基于多視角通用系統(tǒng)模型框架， 將跨學(xué)科/領(lǐng)域的模型關(guān)聯(lián)， 實(shí)現(xiàn)全生命期內(nèi)的跨領(lǐng)域模型的可追蹤、 可驗(yàn)證、 可追溯， 進(jìn)而驅(qū)動(dòng)大型復(fù)雜系統(tǒng)生命周期內(nèi)各階段的工程活動(dòng)（包括技術(shù)過程、 技術(shù)管理過程、 協(xié)議過程和組織項(xiàng)目使能過程）。 2016年， 由美國(guó)國(guó)防部建模與仿真協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布了建模與仿真參考架構(gòu)， 推進(jìn)基于統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的采辦決策， 加強(qiáng)裝備全生命周期管理活動(dòng)的數(shù)字化建設(shè)。 在以F-35為代表的一系列裝備項(xiàng)目中開展MBSE創(chuàng)新應(yīng)用， 并取得成功。

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

隨著對(duì)數(shù)字工程應(yīng)用實(shí)踐逐漸成熟， 2018年， 美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》， 掀起全面推進(jìn)數(shù)字轉(zhuǎn)型浪潮。 數(shù)字工程戰(zhàn)略的五個(gè)目標(biāo)包括： 強(qiáng)化建模與仿真； 統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)源； 充分利用數(shù)據(jù)技術(shù)快速迭代和開放式接口來實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新； 建立相關(guān)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境； 文化和人力轉(zhuǎn)型。

1.3發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1美國(guó)空軍的數(shù)字化轉(zhuǎn)型情況

《數(shù)字工程戰(zhàn)略》正式發(fā)布后， 美國(guó)空軍加緊策劃實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型。 2018年11月， 美國(guó)空軍發(fā)布《工程組織路線圖（2018-2022）》， 要將自身建成“數(shù)字組織”， 以模型和數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)劃和決策［9］。 2019年7月， 美國(guó)空軍發(fā)布《美國(guó)空軍白皮書： 數(shù)字空軍》， 提出以數(shù)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(shù)字工程組織辦公室， 領(lǐng)導(dǎo)推進(jìn)數(shù)字工程相關(guān)工作。 2020年3月， 美國(guó)空軍提出“數(shù)字戰(zhàn)役”（Digital Campaign）計(jì)劃， 作為數(shù)字孿生體的先行者， 堅(jiān)定推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用。 在數(shù)字戰(zhàn)役中， 數(shù)字孿生體作為解決權(quán)威數(shù)據(jù)源的主要手段， 是計(jì)劃推行的核心。 針對(duì)數(shù)字戰(zhàn)役計(jì)劃， 美國(guó)空軍提出了六項(xiàng)任務(wù)， 包括數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、 模型及工具、 標(biāo)準(zhǔn)/數(shù)據(jù)/架構(gòu)、 生命周期戰(zhàn)略及流程、 政策及指南、 工作人員及文化。 2020年6月， 美國(guó)空軍裝備司令部宣布發(fā)起“數(shù)字戰(zhàn)役活動(dòng)”（計(jì)劃7月舉辦首次“數(shù)字戰(zhàn)役虛擬工業(yè)交流日”）。 2020年9月， 負(fù)責(zé)采辦的美國(guó)空軍助理部長(zhǎng)威爾·羅珀發(fā)表《數(shù)字采辦的現(xiàn)實(shí)》， 呼吁通過數(shù)字工程建立顛覆性的敏捷數(shù)字采辦新范式。 2021年6月， 美國(guó)空軍設(shè)立數(shù)字轉(zhuǎn)型辦公室， 并表示未來所有工程活動(dòng)都將在共享的集成數(shù)字環(huán)境中進(jìn)行。 2021年9月， 美國(guó)空軍壽命周期管理中心授予雷神、 通用、 L3技術(shù)、 諾斯羅普·格魯曼、 洛克希德·馬丁等55家企業(yè)， 一份總金額上限高達(dá)460億美元的不定期交付/不確定數(shù)量合同（FA8656-21-D-A001）， 為佛羅里達(dá)州埃格林空軍基地及其任務(wù)合作伙伴提供數(shù)字工程和基于模型的系統(tǒng)工程、 敏捷流程、 開放系統(tǒng)架構(gòu)、 武器和復(fù)雜組織體分析方面的工作［10］， 預(yù)計(jì)2032年9月完成。 這表明未來十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)， 美軍開始全面聯(lián)合工業(yè)部門， 推進(jìn)軍民協(xié)作， 成立工業(yè)聯(lián)盟， 共同進(jìn)行數(shù)字空軍建設(shè)［11］。 此外， 美國(guó)空軍成立敏捷創(chuàng)新機(jī)構(gòu)AFWerX， 加速敏捷且經(jīng)濟(jì)可承受的能力生成， 形成敏捷技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)， 推動(dòng)“數(shù)字戰(zhàn)役”［12］。

1.3.2美國(guó)海軍的數(shù)字化轉(zhuǎn)型情況

2020年， 美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)發(fā)布了《美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)數(shù)字工程戰(zhàn)略》， 遵循美國(guó)國(guó)防部《數(shù)字工程戰(zhàn)略》所制定的方向， 結(jié)合美國(guó)海軍能力現(xiàn)狀， 制定美國(guó)海軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)［13］。 并依據(jù)美國(guó)國(guó)防部《數(shù)字工程戰(zhàn)略》五個(gè)重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域， 提出建設(shè)方案： （1）數(shù)字模型構(gòu)建與應(yīng)用； （2）數(shù)字資源管理授權(quán)； （3）融合應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)； （4）建設(shè)數(shù)字生態(tài)環(huán)境； （5）推進(jìn)數(shù)字文化與人才建設(shè)。 從美國(guó)海軍造艦計(jì)劃來看， 需要面臨在有限預(yù)算條件下， 更靈活適應(yīng)快速變化作戰(zhàn)和威脅環(huán)境， 通過全面完善數(shù)字工程體系， 利用數(shù)字化方式來快速交付所需的作戰(zhàn)能力。 基于模型、 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)， 不斷促進(jìn)系統(tǒng)工程數(shù)字化變革， 增強(qiáng)互操作性， 提升采辦效率。

1.3.3美國(guó)陸軍的數(shù)字化轉(zhuǎn)型情況

美國(guó)陸軍2019年發(fā)布《美國(guó)陸軍現(xiàn)代化戰(zhàn)略》， 以數(shù)字化轉(zhuǎn)型推動(dòng)陸軍現(xiàn)代化建設(shè)， 明確2028和2035兩個(gè)階段的現(xiàn)代化目標(biāo)。 2021年10月， 美國(guó)陸軍首席信息官辦公室發(fā)布《美國(guó)陸軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略》， 推動(dòng)美國(guó)陸軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型、 創(chuàng)新與變革， 通過建立多域作戰(zhàn)部隊(duì)以適應(yīng)數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)， 助力實(shí)現(xiàn)2028年數(shù)字化陸軍愿景。 明確了美國(guó)數(shù)字陸軍建設(shè)綜合計(jì)劃， 制定了現(xiàn)代化與戰(zhàn)備、 改革、 人員與伙伴關(guān)系的戰(zhàn)略目標(biāo)， 確立陸軍資源優(yōu)先級(jí)［14］。 將作戰(zhàn)文化轉(zhuǎn)變作為振興美國(guó)陸軍的催化劑； 同時(shí)強(qiáng)調(diào)新技術(shù)更新跟進(jìn)與應(yīng)用、 現(xiàn)代化實(shí)踐、 制度改革的重要性。

2數(shù)字工程的內(nèi)涵探究

2.1數(shù)字工程的定義及目標(biāo)

2.1.1數(shù)字工程定義

《數(shù)字工程戰(zhàn)略指南》定義， 數(shù)字工程是一種集成的數(shù)字化方法， 可在生命周期內(nèi)跨學(xué)科、 跨領(lǐng)域連續(xù)傳遞權(quán)威模型和數(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)。 數(shù)字工程是數(shù)字化連接的端到端復(fù)雜組織體， 在全生命周期內(nèi)都以模型化的方式對(duì)所關(guān)注的系統(tǒng)（如體系、 系統(tǒng)、 流程、 設(shè)備、 產(chǎn)品、 零件）進(jìn)行數(shù)字化， 將人員、 流程、 數(shù)據(jù)和能力無縫集成， 并融入先進(jìn)計(jì)算、 大數(shù)據(jù)分析、 人工智能、 自主系統(tǒng)和機(jī)器人等技術(shù)提升工程能力。 在數(shù)字工程戰(zhàn)略牽引下， 美國(guó)國(guó)防部開始在裝備領(lǐng)域?qū)嵤?shù)字化轉(zhuǎn)型， 在數(shù)字化浪潮中， 裝備承包商也不得不適應(yīng)國(guó)防部門的數(shù)字化需求， 開啟了全面邁向數(shù)字化時(shí)代的變革［1，15］。

2.1.2數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)

數(shù)字工程概念下最終將圍繞技術(shù)流程和技術(shù)管理流程建立完備的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)。 包括國(guó)防采辦系統(tǒng)、 數(shù)字系統(tǒng)模型、 數(shù)字線索、 數(shù)字孿生及知識(shí)管理系統(tǒng)。 國(guó)防采辦系統(tǒng)， 涵蓋采辦里程碑決策、 技術(shù)評(píng)審、 成本／進(jìn)度／性能權(quán)衡等技術(shù)管理流程。 數(shù)字系統(tǒng)模型、 數(shù)字線索和數(shù)字孿生構(gòu)建全生命周期的分析工具集成， 以利用系統(tǒng)權(quán)威數(shù)據(jù)， 對(duì)性能、 成本、 進(jìn)度、 風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行分析， 輔助決策。 知識(shí)管理系統(tǒng)， 建立涵蓋采辦全過程的數(shù)據(jù)庫(kù)， 以支撐裝備采辦［1，15］。

2.1.3數(shù)字工程目標(biāo)

數(shù)字工程以加速實(shí)現(xiàn)整個(gè)能力開發(fā)生命周期的現(xiàn)代化， 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代武器系統(tǒng)采辦復(fù)雜性的有效管理為目標(biāo)， 具體措施包括但不限于： （1）建立有彈性的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施， 以改進(jìn)和加速能力開發(fā)生命周期； （2）采取敏捷實(shí)踐以快速創(chuàng)建和部署增量解決方案， 建立DevSecOps工廠推動(dòng)軟件開發(fā)； （3）通過建立數(shù)字孿生， 加速與任務(wù)合作伙伴的密切協(xié)作， 并延伸至作戰(zhàn)和后勤保障； （4）充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、 基于模型的系統(tǒng)工程等新技術(shù)， 通過共享建模與仿真框架， 實(shí)現(xiàn)從作戰(zhàn)人員到研發(fā)人員的需求管理； （5）以先進(jìn)的、 可互操作的、 低延遲的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)， 立足基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建工具、 應(yīng)用程序和接口， 支撐用戶生成和處理數(shù)據(jù)、 模型和分析報(bào)告， 構(gòu)成數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)（DEE）， 以實(shí)現(xiàn)及時(shí)、 可靠和多層次的安全訪問， 實(shí)現(xiàn)敏捷采辦； （6）開發(fā)體系架構(gòu)， 基于威脅和作戰(zhàn)效果開展作戰(zhàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)［16］。

2.2數(shù)字工程的特點(diǎn)

基于“建模與仿真技術(shù)”“基于仿真的采辦” “基于模型的系統(tǒng)工程”等技術(shù)基礎(chǔ)， 數(shù)字工程形成了新時(shí)期數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的概念總結(jié)， 新時(shí)期的數(shù)字工程是以數(shù)字化連接的端到端復(fù)雜組織體運(yùn)行。 其典型特點(diǎn)體現(xiàn)在：

（1） 數(shù)據(jù)管理端到端。 裝備生命周期的不同階段， 工程數(shù)據(jù)交換要求也不同， 數(shù)字工程通過數(shù)字新技術(shù)的應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)不同階段、 全壽命周期的工程數(shù)據(jù)靈活管理， 有效克服煙囪式問題［17］。

（2） 模型體系端到端。 根據(jù)產(chǎn)品研制進(jìn)程， 遵從標(biāo)準(zhǔn)化、 規(guī)范化要求， 設(shè)計(jì)建立面向生命周期不同階段的數(shù)字模型體系， 并以數(shù)字模型為基礎(chǔ)， 產(chǎn)生權(quán)威數(shù)據(jù)源， 支撐采辦決策。

（3） 數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施與工具軟件端到端。 圍繞裝備研制、 工程管理等方面構(gòu)建面向全壽命周期應(yīng)用的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境。

（4） 廣泛吸取民用商業(yè)領(lǐng)域在開放式系統(tǒng)架構(gòu)、 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、 系統(tǒng)模塊化以及敏捷軟件開發(fā)等先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)， 并應(yīng)用推廣， 以降低成本、 促進(jìn)創(chuàng)新。

（5） 加速新技術(shù)應(yīng)用以提升工程能力。 如大數(shù)據(jù)分析、 人機(jī)接口、 數(shù)據(jù)可視化、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 基于物理的模型、 數(shù)字樣機(jī)、 數(shù)字孿生、 3D打印、 新興技術(shù)、 人工智能、 云計(jì)算、 虛擬現(xiàn)實(shí)等。

2.3數(shù)字工程的內(nèi)涵剖析

數(shù)字工程是原有建模與仿真、 基于模型的系統(tǒng)工程的新的發(fā)展階段， 數(shù)字生態(tài)的構(gòu)建使基于模型的采辦變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)， 敏捷開發(fā)、 開放式系統(tǒng)架構(gòu)、 數(shù)字孿生等都是數(shù)字工程典型特征。

2.3.1數(shù)字化技術(shù)擴(kuò)展MBSE到新階段

數(shù)字工程涵蓋了系統(tǒng)工程， 最終目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化敏捷采辦。 數(shù)字工程將實(shí)現(xiàn)物理特性模型與MBSE集成， 此外， 需求、 技術(shù)審查、 架構(gòu)設(shè)計(jì)等都將以基于模型的方式實(shí)現(xiàn)， 最終將以全數(shù)字化的方式執(zhí)行基于模型的系統(tǒng)工程， 可看作是MBSE的數(shù)字化應(yīng)用新階段。 國(guó)防系統(tǒng)的工程包括任務(wù)工程和系統(tǒng)工程， 數(shù)字工程支撐了任務(wù)工程、 系統(tǒng)工程的技術(shù)流程和技術(shù)管理流程轉(zhuǎn)型。 其次， 數(shù)字工程通過將物理系統(tǒng)模型與MBSE集成來實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通， 克服了傳統(tǒng)MBSE的煙囪問題。 傳統(tǒng)的MBSE和MBE基于不同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)， 而模型和平臺(tái)的耦合度、 平臺(tái)自身獨(dú)立性， 導(dǎo)致基于模型的工程中煙囪問題的存在， 而數(shù)字工程的挑戰(zhàn)就是通過互聯(lián)互通完成數(shù)據(jù)管理［17］。

數(shù)字工程更新了系統(tǒng)工程實(shí)踐和采辦實(shí)踐。 通過計(jì)算技術(shù)、 建模、 分析學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的極致運(yùn)用， 將增進(jìn)人、 組織、 工作成員的溝通， 增加對(duì)設(shè)計(jì)適應(yīng)性的理解， 共享設(shè)計(jì)能力預(yù)期、 進(jìn)度信息， 提升工程效率， 提供更有洞察力的決策［6］。

2.3.2數(shù)字孿生與數(shù)字線索結(jié)合構(gòu)建數(shù)字生態(tài)

裝備數(shù)字孿生來源于設(shè)計(jì)階段產(chǎn)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(shù)字孿生體。 裝備數(shù)字孿生體是對(duì)物理實(shí)體的虛擬描述， 面向裝備全壽命周期， 對(duì)應(yīng)于裝備物理實(shí)體數(shù)字模型， 同時(shí)具備從物理空間向信息空間的雙向連接。

數(shù)字線索提供訪問、 綜合并分析系統(tǒng)生命周期各階段數(shù)據(jù)的能力， 可看作是一種可擴(kuò)展、 可配置、 復(fù)雜組織體層級(jí)的分析框架。 數(shù)字線索將面向全周期組織業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)， 構(gòu)建結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)流程， 將分析方法內(nèi)化形成應(yīng)用工具， 連接產(chǎn)品全生命周期各個(gè)階段孤立功能視圖， 形成一個(gè)集成視圖， 從而實(shí)現(xiàn)在正確時(shí)間內(nèi)將正確信息傳遞到正確的地方， 在產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)及時(shí)溝通關(guān)鍵數(shù)據(jù)， 完成模型流動(dòng)、 重用、 反饋。 運(yùn)用數(shù)據(jù)線索可增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)商、 制造商、 供應(yīng)商、 運(yùn)維服務(wù)商和用戶之間的溝通， 使相關(guān)成員共享業(yè)務(wù)和技術(shù)過程數(shù)據(jù)， 促進(jìn)項(xiàng)目人員對(duì)項(xiàng)目的理解， 實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度、 研制風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析動(dòng)態(tài)評(píng)估。 數(shù)字線索的特點(diǎn)可概括為： “全部元素建模定義、 全部數(shù)據(jù)采集分析、 全部決策仿真評(píng)估”。 利用數(shù)據(jù)線索提供的能力可進(jìn)行精準(zhǔn)需求分析與追蹤， 促進(jìn)設(shè)計(jì)快速迭代， 保障精益生產(chǎn)， 支持交付產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)維護(hù)， 以量化方式減少不確定性［1，6，16-21］， 在系統(tǒng)的全生命周期做出有充分依據(jù)的決策。

數(shù)字線索提供數(shù)字孿生接入數(shù)字通道的方法， 融入數(shù)字孿生體模型及過程數(shù)據(jù)， 因此需要制定相關(guān)領(lǐng)域框架標(biāo)準(zhǔn)， 以完成接口及數(shù)據(jù)、 信息在數(shù)字線索通道中流動(dòng)和交換。 數(shù)字線索依托數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和建模仿真工具建立溝通框架， 將歷史數(shù)據(jù)、 當(dāng)前信息甚至預(yù)測(cè)知識(shí)集成并促進(jìn)領(lǐng)域模型的整體分析， 所有利益攸關(guān)方均可參與， 在保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同時(shí)， 使得知識(shí)重用最優(yōu)化。

2.3.3數(shù)字系統(tǒng)模型保障數(shù)字工程權(quán)威數(shù)據(jù)源

數(shù)字系統(tǒng)模型具備規(guī)范化和全面性， 以適應(yīng)數(shù)字孿生及全周期應(yīng)用等需求。 數(shù)字系統(tǒng)模型覆蓋系統(tǒng)全生命周期， 由各個(gè)研制廠商生成。 數(shù)字系統(tǒng)模型是對(duì)一個(gè)裝備系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面定義， 應(yīng)涵蓋需求分析、 工程研制、 生產(chǎn)制造、 使用保障等各個(gè)階段， 根據(jù)產(chǎn)品研制進(jìn)程， 設(shè)計(jì)并建立面向生命周期不同階段的數(shù)字模型體系， 包括使命任務(wù)模型、 需求模型、 系統(tǒng)模型、 設(shè)計(jì)模型、 專業(yè)工程模型、 制造模型、 驗(yàn)證與確認(rèn)模型、 產(chǎn)品保障模型以及管理模型等。 需要制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 約束模型開發(fā)、 集成和使用， 如明確模型的技術(shù)數(shù)據(jù)包； 規(guī)范和完善不同領(lǐng)域模型接口的創(chuàng)建與更新； 統(tǒng)一不同廠商使用模型的視圖表達(dá)［1，15］。

基于數(shù)字系統(tǒng)模型進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)源管理， 保證數(shù)據(jù)的權(quán)威性的同時(shí)更好地支撐采辦決策。 研制廠商生成并保證數(shù)字系統(tǒng)模型的權(quán)威性， 數(shù)字系統(tǒng)模型以系統(tǒng)工程流程為指導(dǎo)來集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)、 算法及信息， 涵蓋基線狀態(tài)、 當(dāng)前狀態(tài)， 并能不斷演進(jìn)， 通過模型迭代建立新舊版本、 需求與實(shí)現(xiàn)間的數(shù)據(jù)鏈接， 通過模型數(shù)據(jù)需求追蹤使設(shè)計(jì)活動(dòng)留存［1，15］。 權(quán)威數(shù)據(jù)源如圖1所示。

數(shù)字系統(tǒng)模型的終極形態(tài)是數(shù)字孿生， 由數(shù)字線索使能。 數(shù)字孿生是物理孿生體的鏡像， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多物理、 多尺度和概率性的集成仿真， 實(shí)現(xiàn)生命周期活動(dòng)性能預(yù)測(cè)。 數(shù)字孿生繼承物理模型特性， 通過傳感器數(shù)據(jù)建立人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)， 形成可動(dòng)態(tài)演進(jìn)、 實(shí)時(shí)更新的知識(shí)模型， 支撐物理產(chǎn)品全周期活動(dòng)決策［6］。

2.3.4實(shí)施敏捷開發(fā)提升創(chuàng)新力

數(shù)字工程中將采用敏捷開發(fā)、 DevSecOps（開發(fā)、 安全和運(yùn)維一體化）來提升創(chuàng)新力。 2017年， 美國(guó)具有代表性的F-22A猛禽項(xiàng)目就開始采用更現(xiàn)代化的敏捷開發(fā)方法獲取軟件［22］。 2017年， 美軍對(duì)F-22A猛禽項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估， 發(fā)現(xiàn)若F-22采辦過程采用傳統(tǒng)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(fā)團(tuán)隊(duì)采用現(xiàn)代敏捷軟件開發(fā)過程。 2017年11月， F-22A項(xiàng)目辦公室將TACLink 16和TACMAN項(xiàng)目重組為單一的敏捷開發(fā)流， 進(jìn)行敏捷開發(fā)實(shí)踐。

2018年， 美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略提出采取流暢、 迅速、 迭代的措施， 提高采辦體系的反應(yīng)速度。 2018年2月， 美國(guó)國(guó)防科學(xué)委員會(huì)在“防務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與采辦”研究項(xiàng)目中， 提出設(shè)立軟件工廠、 進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)監(jiān)管驗(yàn)證與確認(rèn)等7項(xiàng)建議。 2018年， 在國(guó)防授權(quán)法案推動(dòng)下， 設(shè)立了國(guó)防部軟件采辦部長(zhǎng)特別助理負(fù)責(zé)軟件采辦； 并開始“軟件采辦與實(shí)踐”研究。 2019年5月， “軟件采辦與實(shí)踐”研究項(xiàng)目提出關(guān)于軟件采辦10項(xiàng)建議， 包括要在美軍全面推進(jìn)DevSecOps， 并制定了實(shí)施計(jì)劃。

目前， 美國(guó)國(guó)防部要求國(guó)防部項(xiàng)目的軟件開發(fā)要按照DevSecOps來進(jìn)行， 并實(shí)施基于DevSecOps舉措的“軟件工廠”建設(shè)。 美國(guó)空軍也建立了多個(gè)敏捷軟件項(xiàng)目， 在新的B-21， F-22及F-16升級(jí)、 數(shù)字化百系列項(xiàng)目中都已經(jīng)開始應(yīng)用DevSecOps。 美國(guó)空軍成立的敏捷創(chuàng)新機(jī)構(gòu)AFwerx， 廣泛融合美國(guó)創(chuàng)新生態(tài)中的非傳統(tǒng)力量， 學(xué)習(xí)和跟隨民營(yíng)企業(yè)， 以更快地尋求解決方案、 加強(qiáng)創(chuàng)新。 目前， 其采用形式有舉辦行業(yè)挑戰(zhàn)賽、 成立樣機(jī)研制工作室、 召集行業(yè)精英創(chuàng)新構(gòu)想設(shè)計(jì)思維； 跨工業(yè)界、 學(xué)術(shù)界及政府合作， 如與DIU， AFRL， ARL等戰(zhàn)略合作， 加強(qiáng)人工智能、 增材制造、 機(jī)器人、 AR/VR、 區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用， 提升創(chuàng)新能力［12］。 借鑒商業(yè)IT領(lǐng)域的先進(jìn)研發(fā)模式與敏捷開發(fā)流程， DevOps包含版本控制、 持續(xù)集成、 持續(xù)交付、 持續(xù)部署、 持續(xù)測(cè)試、 持續(xù)運(yùn)營(yíng)、 協(xié)作［23］等要點(diǎn)， 用建好的自動(dòng)化流水線進(jìn)行開發(fā)、 構(gòu)建、 測(cè)試和部署， 軟件開發(fā)人員根據(jù)裝備各個(gè)子系統(tǒng)功能需求快速生成計(jì)算機(jī)代碼， 對(duì)其進(jìn)行測(cè)試、 發(fā)布， 隨后立即征求反饋并改進(jìn)， 通過這種快迭代的方式提升研發(fā)效率、 縮短研發(fā)周期。 DevOps技術(shù)棧如圖2所示。

2.3.5開放式架構(gòu)降本增效并加速新技術(shù)應(yīng)用

開放式系統(tǒng)架構(gòu)（Modular Open Systems Approach， MOSA）也是數(shù)字化、 數(shù)字工程的典型特征之一［17］。 美國(guó)國(guó)防部效仿商業(yè)開放系統(tǒng)應(yīng)用模式（如Android智能手機(jī)、 空客380開放式集成模塊化航電設(shè)備等［24］）， 提出采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和接口增加競(jìng)爭(zhēng)， 從而加快新技術(shù)應(yīng)用。 MOSA是美國(guó)國(guó)防部的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃戰(zhàn)略， 愿景是實(shí)現(xiàn)采購(gòu)產(chǎn)品和系統(tǒng)能夠更高效協(xié)同工作， 其目標(biāo)為： 顯著節(jié)省或避免成本， 加速進(jìn)度和快速部署新技術(shù)， 技術(shù)升級(jí)和更新， 互操作、 體系和任務(wù)集成等。 MOSA倡導(dǎo)以模塊化、 標(biāo)準(zhǔn)化方式整合不同來源的技術(shù)， 將給國(guó)防部采購(gòu)系統(tǒng)帶來巨大改變［25］。 MOSA具有模塊化、 開放式、 標(biāo)準(zhǔn)化的特征。 （1）模塊化： 將復(fù)雜系統(tǒng)分割成松耦合的模塊， 隔離系統(tǒng)內(nèi)更改； （2）開放式： 定義關(guān)鍵接口和架構(gòu)， 在制造商之間共享， 引入競(jìng)爭(zhēng)， 降低成本， 激勵(lì)創(chuàng)新， 便于集成、 測(cè)試、 升級(jí)； （3）標(biāo)準(zhǔn)化： 定義模塊化系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)， 制造商對(duì)模塊和系統(tǒng)接口擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 保障系統(tǒng)能夠跨系統(tǒng)重組［24］。

MOSA著力設(shè)計(jì)模塊化接口通用性， 呈現(xiàn)為一系列系統(tǒng)模塊化標(biāo)準(zhǔn)。 如用于軍用航空武器系統(tǒng)與服務(wù)的“開放式任務(wù)系統(tǒng)”（OMS）， 用于飛機(jī)系統(tǒng)軟件的“未來機(jī)載能力環(huán)境”（Future Airborne Capability Environment， FACE）， 適用廣泛的“電子硬件系統(tǒng)”O(jiān)penVPX/VITA， 提高射頻能力和靈活性的“模塊化開放式射頻架構(gòu)”（Modular Open RF Architecture， MORA）， 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)VICTORY（C4ISR/EW）， 軟件定義無線電（SDR）框架Redhawk， C5ISR/EW模塊化開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)套件CMOSS（包括FACE， VPX/VITA， MORA， VICTORY， Redhawk， SCA等）， “彈藥開發(fā)框架”（WOSA）等。 美國(guó)陸軍的未來武裝偵察機(jī)項(xiàng)目FARA， 基于MOSA進(jìn)行開發(fā)， 利用CMOSS標(biāo)準(zhǔn)套件， 保障后續(xù)實(shí)現(xiàn)可漸進(jìn)的模塊化升級(jí)。 美軍未來垂直起降（FVL）計(jì)劃要為有人和無人飛機(jī)開發(fā)通用“模塊化開放系統(tǒng)架構(gòu)”（MOSA）以適應(yīng)軍方要求， 保證產(chǎn)品與官方標(biāo)準(zhǔn)兼容， 實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商組件可靈活更換［26］。

2.3.6通過數(shù)字生態(tài)實(shí)現(xiàn)基于模型的采辦

在數(shù)字工程時(shí)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(shù)字工程和數(shù)字模型應(yīng)用于國(guó)防項(xiàng)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(dòng)態(tài)的數(shù)字模型為中心， 將模型和數(shù)據(jù)作為項(xiàng)目壽命周期中的連續(xù)統(tǒng)一體， 開展概念提出、 方案論證、 立項(xiàng)、 設(shè)計(jì)、 研制、 試驗(yàn)、 簽訂合同、 生產(chǎn)、 部署、 后勤保障和退役處理等一系列活動(dòng)的采辦過程［27］。 利用模型的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在： 可使表達(dá)想法或概念更清晰， 無歧義， 增強(qiáng)雙方之間的溝通； 實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)； 分析驗(yàn)證問題所在， 輔助進(jìn)行系統(tǒng)修正； 利用數(shù)字孿生技術(shù)， 構(gòu)建物理產(chǎn)品的虛擬鏡像“數(shù)字孿生體”， 從而精確模擬、 實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控物理實(shí)體全壽命周期活動(dòng)， 對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展維護(hù)。 數(shù)字工程時(shí)代興起的基于模型的采辦， 動(dòng)態(tài)彈性， 敏捷有效， 基于數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)， 獲得了快速應(yīng)對(duì)新作戰(zhàn)環(huán)境和新威脅的能力。

2.3.7布局研發(fā)系列化工具軟件助力數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

數(shù)字工程時(shí)代， 美軍將持續(xù)推動(dòng)和構(gòu)建面向全壽命周期的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境。 如美軍在2006年開始的“計(jì)算研究與工程采辦工具環(huán)境計(jì)劃”（CREATE）， 基于虛擬化及權(quán)衡分析技術(shù)， 構(gòu)建超級(jí)計(jì)算能力與數(shù)字工程活動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施； 2011年啟動(dòng)的“工程彈性系統(tǒng)”（ERS）， 致力于構(gòu)建基于物理模型的工程設(shè)計(jì)工具［3-5］。 CREATE是美軍“高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃”（HPCMP）的子項(xiàng)目， 針對(duì)概念設(shè)計(jì)和武器裝備系統(tǒng)研制， 通過開發(fā)和部署基于物理特性的高性能計(jì)算軟件， 顯著提高工程設(shè)計(jì)和分析環(huán)節(jié)服務(wù)。 在該計(jì)劃支持下開發(fā)了一系列支持快速設(shè)計(jì)的軟件工具集和平臺(tái)， 涵蓋飛行器設(shè)計(jì)、 射頻天線設(shè)計(jì)、 網(wǎng)格處理設(shè)計(jì)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(shí)輔助開展協(xié)同分析與設(shè)計(jì)工作。 CREATE開發(fā)部署了基于物理特性的工程軟件工具， 用于武器裝備設(shè)計(jì)、 測(cè)試和分析計(jì)算， 作為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施為軍方所使用。 ERS是美軍打造的基于物理模型的工程設(shè)計(jì)工具， ERS開發(fā)了決策支持方法和權(quán)衡空間工具集的框架， 具有開放的、 不斷進(jìn)化的特點(diǎn)， 形成了支持采辦全階段的通用環(huán)境， 具備共享和協(xié)作的能力。 通過框架接口與國(guó)防采辦程序連接， 可讓采辦團(tuán)隊(duì)在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期中利用ERS框架來實(shí)施彈性工程。 ERS將先進(jìn)工程技術(shù)與高性能計(jì)算相結(jié)合， 為美軍提供運(yùn)營(yíng)決策的可靠數(shù)據(jù)。 現(xiàn)階段ERS系統(tǒng)應(yīng)用于需求、 備選方案分析階段， 而未來其應(yīng)用將貫穿到整個(gè)研制、 生產(chǎn)、 部署、 運(yùn)維等全壽命周期中。 CREATE與ERS全壽命周期應(yīng)用如圖3所示。

3數(shù)字工程涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字工程是一系列技術(shù)的綜合運(yùn)用。 其中比較關(guān)鍵的技術(shù)涉及數(shù)字系統(tǒng)模型構(gòu)建類技術(shù)、 數(shù)字孿生體映射類技術(shù)、 數(shù)字線索生成類技術(shù)及新興信息技術(shù)等。 數(shù)字工程為這些技術(shù)在裝備研制制造領(lǐng)域提供了全新的應(yīng)用場(chǎng)景； 建模與仿真、 虛擬制造、 數(shù)字仿真等傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)廣泛使用， 為數(shù)字工程提供技術(shù)基礎(chǔ)； 而新興信息技術(shù)是數(shù)字工程的推動(dòng)力， 促進(jìn)了數(shù)字工程的實(shí)現(xiàn)， 豐富了其內(nèi)涵， 數(shù)字工程概念的提出和實(shí)施， 為新興信息技術(shù)應(yīng)用提出新的場(chǎng)景需求， 帶動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展。

3.1數(shù)字系統(tǒng)模型構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字系統(tǒng)模型是由利益相關(guān)方生成的模型集合， 需要集成權(quán)威技術(shù)數(shù)據(jù)和工件， 形成系統(tǒng)全周期數(shù)據(jù)、 信息、 性能、 流程等的全面定義與數(shù)字化表達(dá)。 數(shù)字系統(tǒng)模型始終是基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)， 其包括數(shù)字仿真技術(shù)、 數(shù)字樣機(jī)技術(shù)等。

3.1.1數(shù)字仿真技術(shù)

建模與仿真構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界實(shí)際系統(tǒng)模型和在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真的復(fù)雜活動(dòng)。 建模是用規(guī)范化表述方法， 如用數(shù)學(xué)的方法對(duì)物理系統(tǒng)需要反映的關(guān)鍵特征進(jìn)行描述， 從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型， 在這個(gè)過程中需要挑選主要變量忽略次要變量， 或進(jìn)行有依據(jù)的近似。 仿真則主要設(shè)計(jì)可在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序來實(shí)現(xiàn)與模型的關(guān)系， 并對(duì)模型的狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證與預(yù)測(cè)［28-29］。

3.1.2數(shù)字樣機(jī)技術(shù)

數(shù)字樣機(jī)以CAD/CAE/DFx技術(shù)為基礎(chǔ)， 以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、 動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心， 融合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、 仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 將多學(xué)科的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過程集中到一起， 使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、 制造者和使用者在產(chǎn)品數(shù)字原型上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、 性能測(cè)試、 制造仿真和使用仿真， 為產(chǎn)品的研發(fā)提供全息的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法［28-30］。

3.2數(shù)字孿生體映射技術(shù)

數(shù)字孿生體可看作是真實(shí)物理產(chǎn)品的數(shù)字拷貝， 虛擬孿生體的形成需要建立物理世界與數(shù)字虛擬空間鏈接， 完成物理模型數(shù)據(jù)、 傳感器采集數(shù)據(jù)， 甚至設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)到不同物理量及不同顆粒度間概率仿真過程的映射， 構(gòu)建溝通物理實(shí)體和虛擬世界的橋梁。 其涉及信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System， CPS）、 智能制造、 虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、 人工智能等技術(shù)。

3.2.1信息物理系統(tǒng)

CPS是指包括物理空間和網(wǎng)絡(luò)空間之間的通信和協(xié)調(diào)在內(nèi)的整個(gè)結(jié)構(gòu)， 建立人、 機(jī)、 物、 環(huán)境、 信息要素相互映射、 實(shí)時(shí)交互、 高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)， 具有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、 軟件定義、 泛在連接、 虛實(shí)映射、 異構(gòu)集成、 系統(tǒng)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(shù)的基礎(chǔ)上， 對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化建模， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全壽命周期的模擬仿真， 從設(shè)計(jì)、 加工和裝配、 檢驗(yàn)、 使用到回收， 無需進(jìn)行物理樣品的制造， 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期通過模擬產(chǎn)品性能、 虛擬制造流程， 進(jìn)行生產(chǎn)管理和資源規(guī)劃， 達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造工藝的效果。

3.2.3虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）

虛擬現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、 傳感技術(shù)、 圖形學(xué)、 多媒體技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能有效將虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景融合起來并對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景進(jìn)行增強(qiáng)， 進(jìn)而通過顯示器、 投影儀等呈現(xiàn)， 完成物理、 虛擬世界的實(shí)時(shí)交互。 數(shù)字孿生體提供海量逼真虛擬場(chǎng)景、 模型、 數(shù)據(jù)來源， 高實(shí)時(shí)性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段及新應(yīng)用， VR/AR利用虛實(shí)融合現(xiàn)實(shí)、 新興智能交互實(shí)現(xiàn)超現(xiàn)實(shí)、 高層次可視化呈現(xiàn)。

3.2.4人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、 深度學(xué)習(xí)、 強(qiáng)化學(xué)習(xí)、 感官知覺和識(shí)別、 下一代人工智能、 計(jì)劃推理和決策、 安全/有保障的人工智能； 利用知識(shí)表達(dá)技術(shù)、 機(jī)器學(xué)習(xí)、 數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)， 對(duì)海量異構(gòu)信息進(jìn)行自動(dòng)提煉知識(shí)升華， 形成智能策略； 通過自學(xué)習(xí)、 自組織（優(yōu)化調(diào)整）進(jìn)行知識(shí)表示與推理， 實(shí)現(xiàn)決策控制、 快速應(yīng)變， 適應(yīng)各種工況以保障運(yùn)行。

3.3數(shù)字線索生成技術(shù)

數(shù)字線索是數(shù)字工程實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)， 為復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)提供數(shù)據(jù)訪問、 整合和關(guān)聯(lián)等重要能力。 數(shù)字線索技術(shù)快速生成降階模型， 作為單一數(shù)據(jù)源貫穿系統(tǒng)全生命周期， 并持續(xù)改進(jìn)。 數(shù)字線索可基于產(chǎn)品通用數(shù)據(jù)庫(kù)和物理模型， 采用統(tǒng)一、 快速、 標(biāo)準(zhǔn)、 泛在的通信和交互方式， 實(shí)現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的快速傳遞， 因此涉及到非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、 知識(shí)庫(kù)、 統(tǒng)一數(shù)字模型、 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型等新技術(shù)， 其中新興信息技術(shù)有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、 大數(shù)據(jù)、 云計(jì)算、 4G/5G移動(dòng)通信技術(shù)等。

3.3.1統(tǒng)一數(shù)字模型

在數(shù)字主線中， 提供描述信息完整、 標(biāo)準(zhǔn)化、 規(guī)范化、 語(yǔ)義化的數(shù)字化模型表達(dá)， 以被數(shù)字系統(tǒng)讀取和理解。 采用基于模型的系統(tǒng)工程分析框架， 通過先進(jìn)的建模與仿真工具建立相應(yīng)技術(shù)流程， 以保障可集成性與可復(fù)用性。

3.3.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建立智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接， 形成監(jiān)控、 收集、 交換和分析數(shù)據(jù)的系統(tǒng)， 即通過設(shè)備、 控制系統(tǒng)、 信息系統(tǒng)、 人、 產(chǎn)品之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)， 進(jìn)而運(yùn)用工業(yè)大數(shù)據(jù)深度感知計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)工廠智能決策動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

3.3.3云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算運(yùn)用大量在云端的計(jì)算資源進(jìn)行并行計(jì)算， 涵蓋了分布式計(jì)算、 負(fù)載均衡、 并行計(jì)算、 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、 熱備份冗雜和虛擬化等計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算技術(shù)提升計(jì)算能力， 整合存儲(chǔ)資源， 具備動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性、 定制靈活性、 運(yùn)行可靠性， 提升用戶體驗(yàn)。

3.3.44G/5G移動(dòng)通信技術(shù)

4G/5G移動(dòng)通信技術(shù)， 泛指下一代先進(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)， 具備高速度、 泛在、 低功耗、 低時(shí)延、 萬(wàn)物互聯(lián)、 重構(gòu)安全、 高可靠連接特征， 支撐大流量移動(dòng)寬帶、 大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、 工業(yè)自動(dòng)化等業(yè)務(wù)開展。

4數(shù)字工程應(yīng)用情況

數(shù)字工程在美國(guó)軍方主導(dǎo)或工業(yè)部門負(fù)責(zé)的多項(xiàng)項(xiàng)目中都得到了應(yīng)用， 并取得顯著效果。

4.1“紅鷹”教練機(jī)T-7A與“NGAD”項(xiàng)目應(yīng)用

在美國(guó)空軍主導(dǎo)的裝備應(yīng)用項(xiàng)目中較為著名的有“紅鷹”教練機(jī)T-7A項(xiàng)目和“下一代空中主宰”項(xiàng)目（NGAD）。 敏捷軟件開發(fā)、 開放式架構(gòu)、 基于模型的工程、 三維設(shè)計(jì)工具的運(yùn)用使得T-7A從概念設(shè)計(jì)到工程首飛只用了36月， 工程質(zhì)量大幅提升， 軟件研發(fā)時(shí)間減少80%。 美國(guó)空軍第六代戰(zhàn)機(jī)NGAD則采用“數(shù)字化百系列（Digital Century Series）”采辦策略， 通過應(yīng)用敏捷軟件開發(fā)、 開放式系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)字工程技術(shù)達(dá)到快速研發(fā)和螺旋升級(jí)的目的。

4.2洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)（GBSD）項(xiàng)目應(yīng)用

諾思羅普·格魯曼公司承擔(dān)的洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)（GBSD）項(xiàng)目， 采用模塊化開放系統(tǒng)架構(gòu)、 數(shù)字孿生體， 建立了軍事云平臺(tái)。 模塊化使得美國(guó)空軍僅通過升級(jí)、 更換系統(tǒng)模塊就可改進(jìn)導(dǎo)彈初始設(shè)計(jì)， 而無需重新設(shè)計(jì)整個(gè)武器系統(tǒng)， 降低了運(yùn)維成本， 保障了系統(tǒng)靈活性。 通過對(duì)陸基彈道導(dǎo)彈、 發(fā)射裝置、 指控（C2）元素等建立數(shù)字孿生體， 并引入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)， 保證相關(guān)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)進(jìn)行更新， 以便對(duì)裝備系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 建立了軍事云平臺(tái)， 將數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施與軍事云融合， 獲得數(shù)字孿生模型， 實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源目標(biāo)。 引入數(shù)字孿生體三大功能（設(shè)計(jì)、 架構(gòu)和開發(fā)）， GBSD實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)改進(jìn)的武器系統(tǒng)， 4年內(nèi)開展了60億次不同配置的驗(yàn)證， 獲得了大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)［31］。

4.3高超聲速導(dǎo)彈（HAWC）項(xiàng)目應(yīng)用

雷神技術(shù)公司的高超聲速導(dǎo)彈HAWC研制過程中構(gòu)造了高逼真度數(shù)字系統(tǒng)模型。 HAWC導(dǎo)彈由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力， 設(shè)計(jì)保障飛行器能在高于馬赫數(shù)5的速度下飛行和機(jī)動(dòng)， 高超聲速條件對(duì)應(yīng)的是一種極端飛行環(huán)境。 極端環(huán)境會(huì)導(dǎo)致高超音速導(dǎo)彈飛行過程中產(chǎn)生變形， 因此了解其在極端環(huán)境中的飛行性能尤為重要［32］。 雷神公司利用數(shù)字工程和高保真模型， 更好地了解導(dǎo)彈在飛行前對(duì)環(huán)境的反應(yīng)， 成功利用歷史建模與仿真數(shù)據(jù)來全面了解導(dǎo)彈屬性， 創(chuàng)造了對(duì)系統(tǒng)性能預(yù)知的典范。

4.4一號(hào)武器系統(tǒng)（WeaponOne）項(xiàng)目應(yīng)用

WeaponOne項(xiàng)目構(gòu)建多方合作的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生體飛行實(shí)驗(yàn)。 WeaponOne內(nèi)涵、 架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)包括： 數(shù)字生態(tài)、 基于模型系統(tǒng)工程、 數(shù)字孿生、 權(quán)威真相、 政府參考架構(gòu)等。 WeaponOne擁有多種功能， 如用于武器的權(quán)威真相源； 用于仿真的軟件工廠； 安全和運(yùn)維通道， 機(jī)載飛行UR案件和基于云的技術(shù)集， 構(gòu)建的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)計(jì)劃將政府、 行業(yè)、 學(xué)術(shù)界的最佳實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來， 應(yīng)用于武器開發(fā)； 制定基于武器模型的政府參考架構(gòu)， 促進(jìn)武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的靈活性、 模塊化、 可重用和一致性， 為政府在整個(gè)壽命周期內(nèi)操作和維護(hù)武器建立技術(shù)和協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)。 2021年1月， AFRL在虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)模擬器上演示了WeaponOne數(shù)字組織體。 基于“灰狼”協(xié)同蜂群武器系統(tǒng)， 展示了從飛行中的武器收集數(shù)據(jù)， 通過先進(jìn)作戰(zhàn)管理系統(tǒng)ABMS， 發(fā)送至數(shù)字孿生模型， 這些數(shù)字孿生模型運(yùn)行在高性能計(jì)算系統(tǒng)上， 同時(shí)數(shù)字孿生模型借助人工智能、 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)， 結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)， 確定出最合適的行動(dòng)方案后， 這些信息迅速返回戰(zhàn)區(qū)內(nèi)物理武器， 實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生體飛行實(shí)驗(yàn)， 降低集群武器的驗(yàn)證成本［33］。

4.5防區(qū)內(nèi)攻擊武器（SiAW）項(xiàng)目應(yīng)用

SiAW也將運(yùn)用數(shù)字工程實(shí)踐， 并引入多個(gè)工業(yè)部門共同參與開發(fā)實(shí)踐。 據(jù)報(bào)道， SiAW計(jì)劃的第一階段將專注于數(shù)字工程和設(shè)計(jì)。 SiAW采用虛擬設(shè)計(jì)驗(yàn)證設(shè)計(jì)元素， 結(jié)合敏捷軟件、 基于模型的數(shù)字環(huán)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(shù)字工程能力目標(biāo)。 諾斯羅普·格魯曼公司稱其將利用為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)和生產(chǎn)先進(jìn)反輻射制導(dǎo)增程導(dǎo)彈AARGM-ER并集成到F-35上的經(jīng)驗(yàn)。 L3Harris宣布將成立具備數(shù)字工程能力的敏捷開發(fā)小組領(lǐng)導(dǎo)SiAW項(xiàng)目工作。 敏捷開發(fā)小組由數(shù)千名工程師、 項(xiàng)目經(jīng)理、 技術(shù)人員和運(yùn)營(yíng)專業(yè)人員組成， 可快速開發(fā)解決方案以應(yīng)對(duì)新出現(xiàn)的威脅。 洛克希德·馬丁公司將采用全周期數(shù)字線索， 直至SiAW集成到F-35上， 之后繼續(xù)跟蹤并增加多任務(wù)能力來驗(yàn)證F-35的生存能力［34-36］。

4.6防區(qū)外攻擊武器（SoAW）項(xiàng)目應(yīng)用

美國(guó)空軍新型遠(yuǎn)程精確打擊導(dǎo)彈“防區(qū)外攻擊武器”（SoAW）項(xiàng)目與SiAW類似， 是采用數(shù)字設(shè)計(jì)的試點(diǎn)， 通過在數(shù)字環(huán)境中設(shè)計(jì)、 驗(yàn)證修改和升級(jí)， 顯著降低武器的研發(fā)時(shí)間和成本。 2022年8月23日， 美國(guó)空軍生命周期管理中心、 武器管理局發(fā)布信息征詢書（RFI）， 準(zhǔn)備對(duì)SoAW項(xiàng)目開展研究。 公開版信息征詢書特別提到SoAW開發(fā)需要開放式系統(tǒng)架構(gòu)（WOSA）， 以及武器政府參考體系架構(gòu)（GRA）、 在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口和關(guān)鍵部件的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都需包含硬件/軟件模塊化等； 開發(fā)還需要基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）， 美軍會(huì)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)權(quán)限， 后期通過數(shù)字化設(shè)計(jì)分發(fā)給多家供應(yīng)商進(jìn)行生產(chǎn)， 如果單一設(shè)計(jì)不能滿足需求， 美軍會(huì)考慮發(fā)展導(dǎo)彈系統(tǒng)簇/系列化以最大限度提高系統(tǒng)配置的通用性［37］。 美軍正在以數(shù)字工程為支點(diǎn)， 在武器裝備研制中推廣應(yīng)用開放式系統(tǒng)架構(gòu)、 敏捷軟件開發(fā)、 數(shù)字孿生等新技術(shù)， 通過制定協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)化， 降低單彈成本， 實(shí)現(xiàn)武器功能解耦、 軟硬件解耦， 使武器持續(xù)快速更新。

5數(shù)字工程發(fā)展對(duì)武器裝備建設(shè)的啟示

數(shù)字工程是一種集成多學(xué)科手段和先進(jìn)技術(shù)的數(shù)字化方法， 其核心是構(gòu)建并運(yùn)用數(shù)字模型和數(shù)據(jù)， 支撐裝備全壽命周期的所有工程和管理活動(dòng)。 國(guó)外數(shù)字工程自提出后蓬勃發(fā)展， 將傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)融合應(yīng)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(jìn)了新技術(shù)應(yīng)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(shè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)武器裝備建設(shè)有重大借鑒作用。

5.1不斷推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用， 為設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)制造賦能

隨著各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)， 物聯(lián)網(wǎng)、 大數(shù)據(jù)、 云計(jì)算、 數(shù)字主線、 人工智能等新技術(shù)的運(yùn)用使得數(shù)字時(shí)代的建模與仿真在線化、 泛在化、 常態(tài)化， 通過無所不在的傳感器、 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)廣泛收集現(xiàn)實(shí)世界的海量數(shù)據(jù)， 運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)， 可實(shí)現(xiàn)決策與控制能力的提升［38］。 信息技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 通信技術(shù)的不斷發(fā)展， 為實(shí)現(xiàn)武器裝備研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造等工業(yè)部門數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)基礎(chǔ)， 也將為研發(fā)生產(chǎn)帶來巨大的便利性。 但是， 應(yīng)用和需求之間依然存在鴻溝， 存在工程應(yīng)用人員不理解信息技術(shù)、 信息技術(shù)人員不清楚工程應(yīng)用需求的現(xiàn)實(shí)問題， 因此要在推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的同時(shí)， 注重建立信息化人員、 研發(fā)設(shè)計(jì)人員、 生產(chǎn)制造人員之間的連接， 加強(qiáng)人員培訓(xùn)， 引進(jìn)來， 推下去， 加快推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用， 為設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)制造賦能。

5.2重視工程軟件在工作中的應(yīng)用， 塑造軟件研發(fā)應(yīng)用良性生態(tài)

武器裝備是一種多學(xué)科綜合的復(fù)雜系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)過程需要綜合考慮多專業(yè)、 跨學(xué)科特點(diǎn)， 權(quán)衡分析， 最終制定具備技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)可行性的總體方案， 在這個(gè)過程中需要充分利用工程軟件及專用工業(yè)軟件， 打造高性能計(jì)算能力及敏捷設(shè)計(jì)能力。 工業(yè)軟件、 計(jì)算能力是數(shù)字工程構(gòu)建的技術(shù)基礎(chǔ)， 工業(yè)軟件產(chǎn)品將在數(shù)字工程建設(shè)中發(fā)揮大的支撐性作用。 以虛擬樣機(jī)為核心的物理特性優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為美國(guó)數(shù)字工程戰(zhàn)略的關(guān)鍵支撐技術(shù)， 要持續(xù)構(gòu)建基于物理特性的高性能計(jì)算軟件， 為設(shè)計(jì)研發(fā)提供足夠支持。 此外， 除了在開發(fā)和人力上投入時(shí)間和金錢外， 軟件需要足夠的機(jī)會(huì)和持續(xù)的信任， 充分認(rèn)識(shí)到“軟件永無完成時(shí)”這一特點(diǎn)。 以Bisim公司的VBS平臺(tái)為例， 包含18 000個(gè)3D模型、 200個(gè)仿真用例和服務(wù)， 軟件由軍事用戶、 領(lǐng)域?qū)＜颐芮泻献鳎?共同開發(fā)， 前后歷時(shí)7年［39］。

5.3結(jié)合工程實(shí)際， 規(guī)劃并持續(xù)更新構(gòu)建集成開發(fā)環(huán)境

借鑒數(shù)字工程的思想， 工業(yè)部門要實(shí)現(xiàn)武器裝備研制過程的現(xiàn)代化與信息化， 需要解決因武器裝備的復(fù)雜性帶來的跨專業(yè)、 跨團(tuán)隊(duì)、 跨部門的數(shù)據(jù)訪問問題。 因此， 立足工業(yè)部門業(yè)務(wù)工作實(shí)際， 制定系統(tǒng)工程流程， 規(guī)劃并持續(xù)構(gòu)建集成開發(fā)環(huán)境， 實(shí)現(xiàn)研發(fā)流程的標(biāo)準(zhǔn)化、 數(shù)字化、 工程化， 對(duì)提高設(shè)計(jì)效率， 實(shí)現(xiàn)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(shù)、 先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)引入到武器裝備研發(fā)生產(chǎn)過程中， 構(gòu)建數(shù)字式協(xié)同環(huán)境-集成數(shù)字環(huán)境。 通過系統(tǒng)建模， 提升跨專業(yè)、 跨部門的系統(tǒng)功能洞察力； 增強(qiáng)跨團(tuán)隊(duì)間標(biāo)準(zhǔn)化接口， 支持備選方案、 產(chǎn)品快速開發(fā)、 增強(qiáng)制造靈活性； 利用行業(yè)知識(shí)和最佳實(shí)踐， 構(gòu)建先進(jìn)數(shù)字工程和數(shù)字制造工具， 實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)驗(yàn)證， 產(chǎn)品快速試制， 樣機(jī)快速迭代， 設(shè)計(jì)生產(chǎn)充分溝通， 研發(fā)流程合理評(píng)估， 風(fēng)險(xiǎn)成本大幅降低。

5.4注重模型設(shè)計(jì)規(guī)范性， 支持模型框架標(biāo)準(zhǔn)及接口規(guī)范

數(shù)字孿生模型構(gòu)建依賴統(tǒng)一的、 規(guī)范的、 標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字模型。 在研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中， 對(duì)所產(chǎn)生模型的規(guī)范性進(jìn)行管理和約束， 支持行業(yè)或自定義模型框架標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范， 亦可借鑒商業(yè)開放系統(tǒng)架構(gòu)與管理流程， 實(shí)現(xiàn)工業(yè)部門內(nèi)部模型規(guī)范性研發(fā)， 為系統(tǒng)集成驗(yàn)證、 跨專業(yè)溝通奠定基礎(chǔ)。 建設(shè)體系架構(gòu)、 調(diào)整系統(tǒng)與其組件以適應(yīng)新架構(gòu)， 整合新技術(shù)應(yīng)用， 同時(shí)注意解決網(wǎng)絡(luò)安全問題。

5.5推進(jìn)數(shù)字化的同時(shí)， 注重?cái)?shù)字與實(shí)踐相結(jié)合

數(shù)字化雖然帶來了設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)制造方面的便利， 但是不可否認(rèn)， 數(shù)字化并不能完全替代實(shí)物產(chǎn)品。 在推進(jìn)數(shù)字化的同時(shí)， 也要盡量避免數(shù)字化帶來的弊端， 如投入成本高、 缺乏實(shí)踐等。 在進(jìn)行裝備研制時(shí)， 要避免流于形式， 應(yīng)注重裝備本身的功能。 同時(shí)， 強(qiáng)調(diào)飛行任務(wù)、 訓(xùn)練維護(hù)等實(shí)際工作必要性， 防止過多強(qiáng)調(diào)數(shù)字化而導(dǎo)致的實(shí)際作戰(zhàn)、 空中行動(dòng)缺乏訓(xùn)練， 無法實(shí)現(xiàn)重大任務(wù)、 裝備數(shù)量、 后勤維護(hù)等方面的配合與策劃等問題出現(xiàn)。

6結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化工程是推動(dòng)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步， 建立現(xiàn)代化技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)生先進(jìn)技術(shù)的源泉之一。? 本文對(duì)美軍提出的數(shù)字工程發(fā)展、 內(nèi)涵、 技術(shù)、 應(yīng)用進(jìn)行研究， 提出對(duì)武器裝備研制生產(chǎn)的啟示。 數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn)是一個(gè)長(zhǎng)期的工程， 需要持續(xù)投入不斷完善， 后續(xù)將持續(xù)跟進(jìn)各個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面的進(jìn)展， 總結(jié)其建設(shè)經(jīng)驗(yàn)， 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(jiǎn)介： 衛(wèi)旭芳（1983-）， 女， 河南孟津人， 博士， 高級(jí)工程師。