數(shù)字工程發(fā)展綜述及啟示

王 晨，趙 博，寧偉航

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

隨著裝備功能性能要求及系統(tǒng)復雜程度的不斷提高，以及使用環(huán)境的不斷變化，傳統(tǒng)研制過程的線性流程以及分散的工具平臺已經(jīng)難以適應新的要求。為了適應新要求和不斷提升裝備能力，從2015 年起，美國國防部決定實施數(shù)字工程（Digital Engineering）戰(zhàn)略，美國以及歐洲一些國家相繼頒布了數(shù)字工程戰(zhàn)略，開展了相關應用實施。總之，歐美等發(fā)達國家均認為數(shù)字工程戰(zhàn)略的實施將成為增強工業(yè)基礎、促進研制模式變革和實現(xiàn)敏捷采辦的重要途徑，也是開啟第4次工業(yè)革命的關鍵一環(huán)［1］。

本文綜述并分析了歐美等發(fā)達國家的數(shù)字工程發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，闡述了數(shù)字工程的技術特征，對重要概念和主要軟件平臺工具進行了介紹，并結合中國航天領域發(fā)展特點，給出了數(shù)字工程發(fā)展建議。

1 國外數(shù)字工程發(fā)展概況

1.1 美國數(shù)字工程發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃

1.1.1 美國國防部

2018年6月，美國國防部積極部署數(shù)字工程，發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，其目的是推進數(shù)字工程在裝備全壽命周期管理的應用［2］，實現(xiàn)美國國防部的數(shù)字轉型，將采辦流程的線性過程轉變?yōu)閯討B(tài)過程，同時，將基于文檔轉變?yōu)榛谀Ｐ停瑯嫿ɑ谀Ｐ偷臄?shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)［1］，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心的轉移。其中列出了數(shù)字工程五大戰(zhàn)略目標［3］，分別是：

a）建立全生命周期模型的正式流程，提供決策參考信息；

b）建立一致的、完整的、權威的模型數(shù)據(jù)來源；

c）引入技術創(chuàng)新，提升工程實踐能力；

d）建立一個保障基礎設施的環(huán)境，能跨部門開展活動、協(xié)作和溝通；

e）塑造數(shù)字化文化氛圍和提高人員素養(yǎng)，以適應和支持全生命周期的數(shù)字工程。

如圖1 所示，美國數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)可以分為3層，其中底層是各種各樣的數(shù)據(jù)和工程知識，是權威真相源的來源。中間層是數(shù)字工程的核心能力生命層，數(shù)字線索、數(shù)字系統(tǒng)模型和數(shù)字孿生貫穿全生命周期數(shù)字工程活動［1］，利用技術數(shù)據(jù)和工程知識以及系統(tǒng)的權威數(shù)字化表達，對成本、進度、經(jīng)濟可承受性、風險以及風險緩解策略進行分析，支撐頂層的國防采辦。

圖1 數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)Fig.1 The digital engineering ecosystem

美國國防部認為，數(shù)字工程是數(shù)字化版本的基于模型系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）方式，利用數(shù)字環(huán)境、數(shù)字處理、數(shù)字方法、數(shù)字工具和數(shù)字工件，實現(xiàn)對計劃、需求、設計、分析、核實、驗證、運行及維持等裝備系統(tǒng)全壽命周期活動的支持。

1.1.2 美國空軍

2009 年，美國空軍提出數(shù)字線索和數(shù)字孿生概念，希望以無縫傳遞的模型和數(shù)據(jù)打通裝備生命周期流程，在論證、研制、生產(chǎn)、保障等環(huán)節(jié)做出有充分依據(jù)的決策。2020年6月，美國空軍進一步明確將在裝備采辦中全面推行數(shù)字工程方法，所有工程活動都將在共享的集成數(shù)字環(huán)境中進行。至此，美國空軍已初步具備全面實施數(shù)字工程的指導框架和支撐平臺［4］。

1.1.3 美國海軍

2020年，美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊發(fā)布《美海軍和海軍陸戰(zhàn)隊數(shù)字工程戰(zhàn)略》，總體目標是從以文件為中心轉移到以數(shù)字工程為中心，并實現(xiàn)海軍采辦系統(tǒng)有效性、互操作性和未來升級能力的提高。其中一個目標是提供一個集成建模環(huán)境，支持所有海軍和海軍陸戰(zhàn)隊系統(tǒng)司令部在工程方法、技術流程以及模型和數(shù)據(jù)格式使用方面的合作［5］。

1.1.4 美國陸軍

2021 年10 月，美國陸軍發(fā)布《美國陸軍數(shù)字化轉型戰(zhàn)略》，強調(diào)“建立一支數(shù)字使能、數(shù)據(jù)驅動型陸軍”。主要任務是通過戰(zhàn)略、政策、治理、監(jiān)督和快速能力，推動數(shù)字化轉型、創(chuàng)新和改革。3 項主要目標包括：a）現(xiàn)代化與戰(zhàn)備，通過數(shù)字化轉型推動建立一支數(shù)字賦能、數(shù)據(jù)驅動型陸軍；b）改革，優(yōu)化數(shù)字化投資，使之更加符合任務要求；c）人員與伙伴關系，與盟友、工業(yè)界和學術界建立強有力的合作關系網(wǎng)，形成高技術水平和高效的數(shù)字化勞動力。

1.1.5 美國太空軍

2021年5月，美國太空軍發(fā)布《美太空軍數(shù)字軍種愿景》，明確了數(shù)字化建設的重要性［1］，需要利用信息和數(shù)據(jù)加速開發(fā)、部署聯(lián)合太空能力；需采用現(xiàn)代技術和方法開展大規(guī)模的文化和技術變革，成為真正的數(shù)字軍種。指出了數(shù)字化太空軍目標，即一種互聯(lián)化、創(chuàng)新式、數(shù)字化主導的部隊，以創(chuàng)新式、數(shù)字化、互聯(lián)化為方向，明確了重點關注的數(shù)字作戰(zhàn)、數(shù)字總部、數(shù)字隊伍、數(shù)字工程等幾個方面［6-7］。

1.2 歐洲數(shù)字工程戰(zhàn)略與規(guī)劃

2017 年3 月，英國發(fā)布了《英國數(shù)字戰(zhàn)略》，該戰(zhàn)略詳細設定了明確途徑以幫助英國在啟動并推進數(shù)字化業(yè)務、使用新型技術或者實施先進技術研究方面占據(jù)優(yōu)勢地位。2021年5月，英國國防部發(fā)布了《國防數(shù)據(jù)戰(zhàn)略——構建數(shù)字主干，釋放國防數(shù)據(jù)的力量》，明確了英軍未來數(shù)字能力建設的詳細計劃［8］。

2020 年2 月，歐盟發(fā)布了《塑造歐洲數(shù)字未來》，闡述了數(shù)字化轉型的戰(zhàn)略、理念和行動，以成為全球數(shù)字化領導者為目標，大力發(fā)展數(shù)字化技術，將數(shù)字技術作為社會前進驅動力［9］。該戰(zhàn)略文件涵蓋了從網(wǎng)絡安全到關鍵基礎設施、數(shù)字教育到技能、民主到媒體的所有內(nèi)容。同時，作為實現(xiàn)數(shù)字戰(zhàn)略的重要行動，發(fā)布了《歐洲數(shù)據(jù)戰(zhàn)略》和《人工智能白皮書》。

2021年3月，歐盟發(fā)布了《2030數(shù)字羅盤：歐盟數(shù)字十年戰(zhàn)略》，為歐盟數(shù)字化發(fā)展提供戰(zhàn)略建議。報告指出，歐盟的數(shù)字化發(fā)展落后于美國和中國，歐盟應該積極引導企業(yè)開展數(shù)字化轉型，提高數(shù)字化基礎能力建設投資，大力培養(yǎng)數(shù)字化人才隊伍，實現(xiàn)公共服務的數(shù)字化，最終實現(xiàn)歐洲的數(shù)字化轉型［7］。

2 數(shù)字工程技術特征

2.1 相關概念

以美國數(shù)字工程戰(zhàn)略為例，其中包括4個核心概念：權威真相源、數(shù)字線索、數(shù)字孿生、數(shù)字系統(tǒng)模型［10］。數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生是縱向貫穿數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)的紐帶［11］，提供了端到端集成、權威、系統(tǒng)全壽命周期的數(shù)字表示［1］。

2.1.1 權威真相源

權威真相源起源于1997 年波音提出的單一數(shù)據(jù)源概念，2016年美國國防部將其改為權威真相源。權威真相源是項目所有技術數(shù)據(jù)以及各類模型的中央數(shù)據(jù)庫，存儲的信息來自項目所有相關工程組織的分布式數(shù)據(jù)源，包括需求、設計、制造、試驗、供應鏈、使用、維護等模型和數(shù)據(jù)的權威版本?！皺嗤奔赐暾?、有效性、一致性、及時性和精確性，代表真相源的質量，權威版本的模型和數(shù)據(jù)是經(jīng)所有利益相關方?jīng)Q策后確定的［12］。

2.1.2 數(shù)字系統(tǒng)模型

數(shù)字系統(tǒng)模型是一個樹狀結構的模型體系，是對一個裝備系統(tǒng)的數(shù)字化表達，由所有相關方生成，集成了權威的數(shù)據(jù)、信息、分析算法和系統(tǒng)工程流程，面向系統(tǒng)生命周期的各項活動，定義系統(tǒng)的所有方面。數(shù)字系統(tǒng)模型為相關方提供一個分類結構模板，即什么類型的數(shù)據(jù)應該在整個生命周期考慮，以模型、數(shù)據(jù)和文檔等多種視圖來支撐決策。

2.1.3 數(shù)字線索

2009 年，空軍在F-35 研制中提出數(shù)字線索概念。數(shù)字線索是一套具有復雜層級的分析框。它無縫利用“數(shù)據(jù)信息知識”系統(tǒng)中的權威技術數(shù)據(jù)、軟件、信息和知識并強化其可控交互，基于數(shù)字系統(tǒng)模型模板，提供訪問、集成離散數(shù)據(jù)并轉化為可執(zhí)行信息的能力，同時可擴展和可配置，在一個系統(tǒng)的全生命周期做出有充分依據(jù)的決策［13］。

數(shù)字線索是依托數(shù)字基礎設施和工具建立的溝通框架，可將歷史的與當前的數(shù)據(jù)、信息和知識集成到各層級、各領域模型中整體分析，使項目所有相關工程組織通過集成研制中的數(shù)據(jù)與知識，完成各專業(yè)的交互與分析工作，動態(tài)地進行項目管理、產(chǎn)品功能性能及存在風險預示等方面的綜合分析評估，在保護知識產(chǎn)權的同時使知識重用最優(yōu)化［14-16］。

2.1.4 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生被廣泛認可的定義是對集成多物理領域、多維度、多尺度和多分辨率的仿真過程，通過數(shù)字線索的賦能，在高逼真度模型、傳感器實時數(shù)據(jù)以及輸入信息的基礎上，在虛擬世界以鏡像和預測的方式刻畫真實物理系統(tǒng)全生命周期過程［2］。

可描述并模擬真實系統(tǒng)的在相應環(huán)境條件下的特性、屬性、行為與功能等要素，并通過虛實交互、人工智能、信息融合、模型校正、迭代優(yōu)化等技術手段，可實時地對真實物理系統(tǒng)功能性能的評估優(yōu)化、趨勢預測與智能決策等，從而實現(xiàn)真實物理系統(tǒng)的能力提升與功能擴展［2，16-18］。

2.2 軟件平臺

美國數(shù)字工程的核心支撐是通用的軟件平臺系統(tǒng)。其中兩個重要系統(tǒng)是計算機研究工程采辦工具與環(huán)境項目（Computational Research Engineering Acquisiton Tools and Environments，CREATE）和工程彈性系統(tǒng)（Engineered Resilient Systems，ERS）［19］。

2.2.1 計算研究和工程采辦工具與環(huán)境項目

CREATE是美軍高性能計算現(xiàn)代化計劃中的一個子項目，致力于開發(fā)和部署基于物理特性的高性能計算軟件，通過高逼真度虛擬樣機的構建和優(yōu)化，支撐將“設計—實物試驗—迭代”的開發(fā)過程，轉變?yōu)椤霸O計—仿真分析—迭代”的新范式。

CREATE 主要針對概念設計和工程開發(fā)。CREATE 每個子項目都有兩類軟件產(chǎn)品：第1 類是概念研發(fā)工具，利用快速但保真度較低的工具來生成概念設計方案并分析其可行性和性能；第2類是高保真度的系統(tǒng)性能精確預測工具。其主要子項目如表1 所示［20-21］。

表1 CREATE子項目及其對應軟件Tab.1 The CREATE sub projects and their corresponding software

利用CREATE工具，可在研發(fā)階段構建虛擬原型樣機并分析性能，補充物理試驗數(shù)據(jù)。對于新系統(tǒng)的概念設計，可以用基于物理特性的設計方案來取代現(xiàn)有設計的經(jīng)驗推斷，從而通過基于物理特性的分析來快速探索權衡空間，評估設計方案的可行性［21］；對于詳細設計，用虛擬樣機的高保真度分析來取代物理試驗的故障數(shù)據(jù)，以此來準確預測虛擬樣機的性能。工具分析提供了及時的決策數(shù)據(jù)，能夠及早識別設計缺陷和性能不足，在加工制造之前解決設計問題，并盡量減少由返工導致的進度拖期和成本增長問題。

CREATE 產(chǎn)品于2016 年開始實現(xiàn)商用，截至目前，包括美軍各軍種、國防機構、工業(yè)部門以及大學等超過180個組織正在使用CREATE軟件評估80多個國防部武器系統(tǒng)和平臺。未來，面向高超聲速、聯(lián)合多任務旋翼機技術演示、改進型渦輪發(fā)動機項目、服役壽命預測等具體研發(fā)項目，CREATE項目還將繼續(xù)開發(fā)和改進。

2.2.2 工程彈性系統(tǒng)

工程彈性系統(tǒng)是美國國防部應對不確定性增長的任務和環(huán)境而提出的未來國防系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略，對復雜系統(tǒng)的工程實踐與系統(tǒng)彈性理論都帶來新的挑戰(zhàn)。工程彈性系統(tǒng)是一個用于多方案分析的云平臺，實現(xiàn)了基于高性能計算的工具集成，具備需求生成、備選方案分析、虛擬樣機建模與評估等功能，支撐做出更好的采辦決策。“彈性”可以理解為在一系列背景環(huán)境中都是可靠和有效的，可通過重新配置和替換來適應許多新任務，功能降級是可預測的。面對采辦需求，ERS具有開放性、通用性和良好的拓展性，同時具有交互共享和多人協(xié)同的功能。將用戶的任務要求、需求及工具集成到通用框架下，對多個裝備方案進行擇優(yōu)比選，在全生命周期內(nèi)開展各類采辦活動，支撐彈性工程的實施［22-23］。

CREATE 軟件和工程彈性系統(tǒng)及人工智能相結合，可以快速生成海量總體方案，并完成分析。工程彈性系統(tǒng)概念框架如圖2所示［22］。

圖2 ERS彈性的概念框架Fig.2 The conceptual framework of the ERS elasticity

3 航天產(chǎn)品研制的數(shù)字工程發(fā)展建議

結合上述分析，對于航天產(chǎn)品研制而言，數(shù)字工程實質是發(fā)展數(shù)字化的生產(chǎn)力，將數(shù)字化轉型賦能產(chǎn)品研制工作，其定義為：面向產(chǎn)品研制的數(shù)字化集成方法，融合大數(shù)據(jù)技術、人工智能、軟件工程等相關技術，在產(chǎn)品研制全生命周期利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為模型和數(shù)據(jù)源，研制隊伍在專業(yè)工具的基礎上持續(xù)建立、應用并完善數(shù)字樣機模型和數(shù)據(jù)，充分開展數(shù)字空間的產(chǎn)品論證、設計、制造、試驗、應用及保障等活動，實現(xiàn)數(shù)字產(chǎn)品與實物產(chǎn)品的同步交付應用，實現(xiàn)研制工作的提質增效。與此同時，不斷積累模型、數(shù)據(jù)、知識、工具、系統(tǒng)、標準、制度及相關基礎設施，持續(xù)提升組織整體的研制能力［24］。

a）轉變思想，深刻理解建立數(shù)字思維模式。

在組織層面和個人層面均應建立數(shù)字化思維模式，數(shù)字化轉型的首要條件是意識層面，應深刻認識到數(shù)字化技術是目前研制模式轉型的重要生產(chǎn)力，是第4次工業(yè)革命的源動力。從組織層面來說，各職能部門應考慮現(xiàn)有科研生產(chǎn)業(yè)務和流程的數(shù)字模型，開展業(yè)務流程建模，將業(yè)務活動盡可能搬到線上，進而開展業(yè)務流程重構與優(yōu)化，在此過程中形成并匯聚研制業(yè)務的模型和數(shù)據(jù)，保證業(yè)務過程中數(shù)據(jù)流轉的準確和高效。從個人層面來說，首先應考慮在業(yè)務過程中“需要”“產(chǎn)生”“積累”哪些模型與數(shù)據(jù)，是否符合相關標準與制度要求，是否可以用模型與數(shù)據(jù)來優(yōu)化、取代現(xiàn)有文件和軟件系統(tǒng)。

b）模型為本，全面融合基于模型系統(tǒng)工程。

在實施層面，應與現(xiàn)有基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）全面融合。目前產(chǎn)品研制應用MBSE 技術，在全生命周期以模型作為設計協(xié)同與仿真驗證的載體。模型與數(shù)據(jù)也是數(shù)字工程的核心要素。首先應在技術上以及管理上打通跨階段、跨專業(yè)之間模型鏈路，搭建支撐模型共享、集成的統(tǒng)一協(xié)同研發(fā)環(huán)境，建設統(tǒng)一的技術標準，建立基于模型的設計要求傳遞、審查、技術狀態(tài)控制的管理制度。同時，應提高建模與仿真的水平，充分利用已有工程經(jīng)驗、知識和數(shù)據(jù)，結合大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習、模型校核驗證與確認，不斷提升模型的準確度和置信度。這些模型既包括參數(shù)類、機械、電氣、軟件、工藝制造等環(huán)節(jié)或專業(yè)的設計結果，也包括推理、計算、分析和驗證的過程。

c）集成創(chuàng)新，打造數(shù)字工程協(xié)同研發(fā)環(huán)境。

在技術層面，應建立以產(chǎn)品研制全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為代表的一系列協(xié)同研發(fā)環(huán)境。通過PLM和試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的技術狀態(tài)管理。具備與各種計算機輔助設計、分析工具集成的能力。具備從用戶研制總要求到總體方案、分系統(tǒng)設計、單機設計、生產(chǎn)制造、試驗驗證、應用保障的模型關聯(lián)追溯能力。具備從試驗方案到具體試驗實施的數(shù)據(jù)采存管用能力。具備研發(fā)流程、知識和經(jīng)驗的集成與共享能力。具備與研制主業(yè)務相融合的計劃、質量、經(jīng)費、資源等管控能力。具備與產(chǎn)品、人員、財務、物資等主題數(shù)據(jù)庫的主數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)集成能力。具備與制造現(xiàn)場、試驗現(xiàn)場甚至用戶現(xiàn)場的業(yè)務協(xié)同能力。

d）自主可控，研制航天特色工業(yè)軟件體系。

在能力層面，應組織開發(fā)面向各專業(yè)的設計工具，形成國產(chǎn)工業(yè)軟件。依托當前大量產(chǎn)品論證、研制的工程實踐，封裝各專業(yè)經(jīng)試驗驗證過的設計經(jīng)驗、算法以及模型和數(shù)據(jù)，一方面在設計階段快速生成多個方案，快速比對評價并確認方案，高效準確地分析系統(tǒng)的功能和性能，另一方面在狀態(tài)鑒定階段通過數(shù)字試驗設計，開展大規(guī)模試驗仿真，對產(chǎn)品性能進行摸邊探底。國產(chǎn)工業(yè)軟件架構設計方面，需兼顧云計算功能，既可在單機運行，也可在云容器中開展自動化的部署和運行，滿足今后大規(guī)模協(xié)同研發(fā)與并行計算的需求。

e）夯實基礎，實現(xiàn)航天強國建設。

在基礎層面，一是建立匹配科研生產(chǎn)模式的數(shù)據(jù)治理體系，按照業(yè)務領域、產(chǎn)品、專業(yè)等不同維度實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分級分類管理，實現(xiàn)產(chǎn)品、人、財、物等基礎主數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各類元數(shù)據(jù)的規(guī)范建模與管理，實現(xiàn)各類科研數(shù)據(jù)的匯聚、清洗、分析、應用與綜合呈現(xiàn)，實現(xiàn)從數(shù)字化、網(wǎng)絡化到智能化的轉變。二是建立健全符合科研生產(chǎn)模式的制度與規(guī)范，研究從文檔協(xié)同到模型協(xié)同過渡的技術狀態(tài)管理規(guī)范；研究針對模型和數(shù)據(jù)的標準，包括建模與仿真、交換與集成、校核驗證與確認、管理與應用、鑒定與保障等，研究模型數(shù)據(jù)確權、知識產(chǎn)權保護以及促進知識共享的制度機制，多方協(xié)同建設用于產(chǎn)品論證、審價、立項、轉段、鑒定、應用的數(shù)字模型規(guī)范。三是圍繞數(shù)字工程實施過程，規(guī)劃、梳理，優(yōu)化、調(diào)整相關業(yè)務管理部門的職責和流程，以基于模型的系統(tǒng)工程研制模式轉型帶動形成基于模型的企業(yè)組織變革［25］。

4 結束語

當前中國正處于由航天大國向航天強國邁進的發(fā)展階段，面臨著復雜系統(tǒng)產(chǎn)品高質量研制生產(chǎn)的要求，需要學習、理解和不斷實踐新的數(shù)字化理念和方法，探索適合中國航天產(chǎn)品的數(shù)字工程應用模式，不斷提升數(shù)字化生產(chǎn)力，賦能產(chǎn)品研制工作，逐步增強中國航天高質量發(fā)展能力，盡快實現(xiàn)航天強國建設的目標。