北航陶飞教授：数字工程及十个领域应用展望

数字工程是一种面向产品或系统在设计、制造、运维等阶段的需求，从物理世界出发，通过利用新一代信息技术、数字技术、人工智能技术等开发利用“数力”和“智力”，逐步构建和完善数字世界，进而实现并提升体系化解决问题和满足需求“能力”的工程范式。

实现从主要依赖物理手段的传统工程方式到数字工程的范式升级，对于满足日益提升的生产生活需求具有重要意义。

北航陶飞教授团队的这篇文章对数字工程的概念内涵、成熟度模型、体系架构，关键技术，以及应用领域等方面进行了详细的研究和论述。

1. 数字工程：1.0-5.0

计算机的出现为工程实践带来了新的变革与发展机遇。随着纸质化的文字、图样材料逐渐被信息化的文档、表格、CAD 图纸取代，工程实践逐步从仅凭借纯物理手段的传统方式，转变为基于信息化和数字化等先进技术提升解决问题和满足需求能力的数字工程模式。

1.1 数字工程：五级成熟度模型

通过总结分析当前各产业领域数字化转型相关研究与应用实践，结合信息化、数字化、网络化、智能化、体系化发展趋势，依据数字工程在物理域、信息域、过程域、知识域四域中的作用范围，四域开发利用与融合程度，以及数字工程能够赋予产品或系统不同程度的各种能力，提出数字工程五级成熟度模型：

• 基于信息空间提速增效（数字工程1.0），

• 基于数字空间仿真分析（数字工程2.0），

• 基于数实空间虚实交互（数字工程3.0），

• 基于数智空间智能决策（数字工程4.0），

• 基于数智生态体系优化（数字工程5.0）。

2. 数字工程：思考与理解

为持续、健康、快速的发展数字工程，提升数字工程成熟度等级，最终达到理想的数字工程 5.0，基于中国近 20 年数字化探索实践，针对各产业数字化转型现状，结合数字工程未来数字化、网络化、智能化、体系化发展趋势，从能力、性能、技术和发展过程等角度，提出对数字工程的思考与理解，以期为数字工程高质量可持续发展，从而利用数字工程更好地解决实际应用问题提供参考。

（1）数字工程不是简单的物理对象数字化，而是全要素、全过程、全功能、全业务数字化，进而不断形成“数力”。

(2) 数字工程不仅关注数字空间，还关注实际物理空间，更关注数实空间交互融合。

(3) 数字工程不仅需要“数力”和虚实融合，更需“智力”。

(4) 数字工程不是为了数智化而数智化，而是通过开发和利用“数力”与“智力”，提升体系化解决问题和满足需求的“能力”。

(5) 数字工程不是聚焦局部的单元工程，而是放眼全局的系统工程。

(6) 数字工程不仅强调全局优化，更强调通过数智化手段，缩小预期与实际的性能差距

(7) 单一技术无法实现数字工程，需综合运用多种技术。

(8) 数字工程不能一蹴而就，需长时间积累和沉淀。

(9) 数字工程不是面子工程，而是统揽全局的一把手工程。

综上所述，数字工程需要通过开发利用“数力”和“智力”，提升系统性解决问题和满足应用需求的“能力”，是助力各产业领域数字化转型与智能化升级的有效途径。

3 数字工程：需求与挑战

为实现 “数力”与“智力”的开发和利用，进而实现并提升“控全局、破孤岛、聚能力、跨时空、强智能、深协同”数字工程六大能力，数字工程面临以下需求和挑战。

(1) 全信息汇聚融合。

(2) 全要素、全过程、全功能、全业务精准刻画。

(3) 全过程交互协作。

(4) 全功能智能优化。

(5) 全业务软件定义。

(6) 全生命周期可推演、可回溯。

4 数字工程：内涵与技术体系

4.1 数字工程：概念内涵

数字工程是一种面向产品或系统在设计、制造、运维等阶段的需求，从物理世界出发，通过利用新一代信息技术、数字技术、人工智能技术等开发利用“数力”和“智力”，逐步构建和完善数字世界，进而实现并提升体系化解决问题和满足需求“能力”的工程范式，如图 2 所示。

数字工程的目标是通过充分利用“控全局、破孤岛、聚能力、跨时空、强智能、深协同”六大“能力”，从全生命周期、体系、智能、时效等角度，综合考虑与满足需求相关的全要素、全过程、全功能和全业务，科学组织和管理各种可支配资源，统筹产品或系统全生命周期，实现所需产品研制和所需系统建设，并在其全生命周期内有效管控产品或系统的性能，使其在运行使用时能够发挥预期性能，从而满足应用需求。

由于实现上述目标过程的时间跨度大且各阶段所需功能不同，涉及要素种类多且协作关系和耦合关系复杂，不同要素间存在时空距离，不同时段、不同要素、不同业务所产生的数据和信息具有局限性，且应用需求和运行环境具有动态性和不确定性，仅凭物理手段难以实现上述目标。因此，数字工程需基于模型、数据等构建“数力”，基于算力、算法、网络、存储等开发“智力”，充分利用“数力”和“智力”，实现并提升体系化解决问题和满足需求的六大“能力”，从而赋能复杂产品或复杂巨系统，使其能够面向动态多变环境与需求及时提供所需优质服务。

4.2 数字工程：体系架构

为实现数字工程“控全局、破孤岛、跨时空、聚能力、强智能、深协同”六大能力，赋能物理产品或系统，进而满足各类应用需求，提出以“智能中枢”为核心，以“物理线程、模型线程、数据线程、服务线程”四大线程为主线的数字工程体系架构，如式(13)所示

式中，TP 表示物理线程，TM 表示模型线程，TD 表示数据线程，TS 表示服务线程，IC 表示智能中枢。数字工程体系架构如图 3 所示。

4.3 数字工程：技术体系

数字工程的实现需要综合运用多种先进技术，为促进相关支撑技术集成融合应用，助力数字工程快速发展成熟，分析八类数字工程关键技术，提出数字工程技术体系，如图 4 所示。主要包括感控协同技术、数据融合技术、建模仿真技术、通信交互技术、软件服务技术、系统工程技术、人工智能技术、基础支撑技术。

5 数字工程：应用展望

面向海陆空天复杂产品与装备研制使用，以及城市、医疗、能源等复杂巨系统的建设运行等重大需求，对核电厂数字工程、航空发动机数字工程、卫星互联网数字工程、海洋系统及海洋装备数字工程、风洞数字工程、未来战场数字工程、城市数字工程、高档数控机床数字工程、能源数字工程、车辆数字工程等重大领域进行应用展望。

6 结论

数字工程的实践与优化：未来将进一步研究完善所提数字工程理论体系，深入研究数字工程相关技术，并面向实际应用需求，结合具体的产品或系统进行应用实践，解决目标领域的工程实践难题，提升目标产品或系统的功能和性能。

数字工程的全局性：数字工程不是聚焦局部的单元工程，而是放眼全局的系统工程，强调从更高的层次、更全的角度面向需求和问题综合考虑全要素和全信息，力求通过产品或系统全过程、全生命周期的系统性组织与统筹规划，实现产品或系统全功能的全局最优化。

数字工程的持续发展：数字工程涉及的概念、技术和问题多且复杂，需要围绕具体对象、具体需求和具体环境进行落地实践，期望为工程实践水平提升和工程理论体系优化起到抛砖引玉的作用。

2023年7月，发表于机械工程学报期刊。

DOI：https://doi.org/10.1016/j.dte.2024.100001

论文链接：

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20230807.1540.026‍.html

引用本文：

陶飞, 张辰源, 刘蔚然, 张贺, 马昕, 高鹏飞, 张建康. 数字工程及十个领域应用展望[J/OL]. 机械工程学报, 2023, 59(13): 193-215 [2023-08-09]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20230807.1540.026.html.

TAO Fei, ZHANG Chenyuan, LIU Weiran, ZHANG He, MA Xin, GAO Pengfei, ZHANG Jiankang. Digital Engineering and Its Ten Application Outlooks[J/OL]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(13): 193-215 [2023-08-09].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20230807.1540.026.html.