数字工程与美数字工程战略

数字化建设在全球掀起了一股热潮，成为了历史发展的必然趋势，我国对数字转型寄予厚望，美国也不例外。从美国国防部发布的三个文件来看，呈现出一些新的变化，国防部将过去的“国防系统工程”变为“国防系统的过程”。数字工程、任务工程、软件工程、模块化开放式系统架构（MOSA）是这种变化的典型特征。

数字工程更新了传统的系统工程实践，以充分利用计算技术、建模、分析学和数据科学，是支撑采办的必要实践。数字工程有充分依据的决策和更好的洞察力，可以增进人和人、组织与组织的沟通，提升对设计灵活性和适应性的理解，提升对能力按预期实现的信心，提升工程和采办实践的效率。

基于模型的系统工程（MBSE）是数字工程的子集，而数字工程的挑战就是将物理特性模型与MBSE集成。数字工程代表着一个组织执行系统工程方式的转型，所有的需求、技术审查、架构设计等都将在数字工程中基于模型实现。

数字工程和系统工程的最终目的是以数字采办支撑敏捷采办，国防系统的工程是支撑敏捷采办重要流程，国防系统的工程是由任务工程和系统工程组成的，数字工程就是推进任务工程、系统工程的技术流程和技术管理流程转型的重要支撑。数字系统模型、数字线索和数字孪生三者共同构成了数字工程的核心特征。

数字工程在美国的发展可以追溯到20世纪70年代，经历了四个发展阶段，从1970s的建模与仿真、1990s基于仿真的采办、2000s以F35为代表推进基于模型的系统工程、2015年以下一代飞行器研制（NGAD）为代表推行数字工程，持续投入发展超过50年。2015年是数字工程的一个转折点，美国在当年成立了数字工程工作组，并经过三年的酝酿，正式对外发布数字工程战略，启动全面转型工作。

数字工程战略分为五个目标：

1. 强化建模与仿真；

2. 统一管理数据源；

3. 充分利用数据技术快速迭代和开放式接口来实现技术创新；

4. 建立相关数字基础设施和环境；

5. 文化和人力转型。

数字生态系统可以分为三层，其底层是各种各样的数据和工程知识，是权威真相源的来源。中间层是数字工程的核心能力生命层，贯穿数字工程生态系统的纽带，核心是跨生命周期的数字系统模型、数字线索和数字孪生，利用技术数据和工程知识以及系统的权威数字化表达，对成本、进度、经济可承受性、风险以及风险缓解策略进行分析，支撑顶层的国防采办。

数字工程有几个核心概念：权威真相源（AST）、数字系统模型（Digital System Model）、数字线索（Digital Thread）、数字孪生（Digital Twin）。

权威真相源起源于1997年波音提出的单一数据源概念，2016年美国国防部将其改为权威真相源（AST）。权威真相源是项目所有技术数据以及各类模型的中央数据库，存储的信息来自项目所有相关工程组织的分布式数据源，包括需求、设计、制造、试验、供应链、使用、维护等模型和数据的权威版本。

“权威”即完整性、有效性、一致性、及时性和精确性 ，代表真相源的质量，权威版本的模型和数据是经所有利益攸关方决策后确定的。

数字系统模型不是通常所说的用SysML语言描述的系统模型，是一个树状结构的模型体系，数字系统模型是对一个装备系统的数字化表达，由所有相关方生成，集成了权威的数据、信息、分析算法和系统工程流程，面向系统生命周期的各项活动，定义系统的所有方面。国防部将系统信息分为定义、管理和产品支持信息三类。

数字系统模型为相关方提供一个分类结构模板，即什么类型的数据应该在整个生命周期考虑，三类系统信息为数字工程生态系统提供系统的工程数据、项目和系统的支持数据并且通过数字工程分析和系统工程流程，以模型、数据和文档等多种视图来支撑决策。

美国国防部希望定义一种新的数字式协同环境，国防部和工程部门共同在数字协同环境中基于权威真相源开展协同工作，所有模型都通过权威真相源相连接，它为系统各阶段状态提供可追溯性，经授权的利益攸关方在生命周期都可使用权威和连续一致的最新信息，利用共享的知识和资源协同工作。

2009年，空军在F-35研制中提出数字线索概念。数字线索是一个可扩展、可配置和复杂组织体层级的分析框架，无缝利用“数据信息 知识”系统中的权威技术数据、 软件、信息和知识并强化其可控交互，基于数字系统模型模板， 提供访问、集成离散数据并转化为可执行信息的能力，在一个系统的全生命周期做出有充分依据的决策。

数字线索是依托数字基础设施和工具建立的沟通框架，可将历史的与当前的数据、信息和知识集成到各层级、各领域模型中整体分析，使项目所有相关工程组织，充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析，完成对项目成本、进度、性能和风险的动态评估 ，在保护知识产权的同时使 知识重用最优化。

数字孪生由数字线索使能，使用最佳的可用模型 、 传感器信息以及输入数据 ，是对已建造系统的一个多物理、多尺度和概率性的集成仿真，以镜像和预测相对应的物理孪生生命周期的活动性能。

从本质上来看，数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像，创建数字孪生的过程，集成了物理特性模型、人工智能/机器学习和传感器数据，以建立一个可以实时更新的、现场感极强的“真实”模型，用来支撑物理产品生命周期各项活动的决策。

美国国防部强调数字转型的本质就是发展数字生产力，数字生态系统三个层级的跃升分别对应了数据分析学的跃升，首先就是描述性分析，以代码重构页码，其次是预测性分析，以算力代替人力，最后是规范性分析，以电脑支撑人脑。

目前数字工程在美国已经推进工作的末段进入了政策化阶段，数字工程的核心支撑就是美国国防部打造的、通用的软件平台，是在数字生态系统范畴下非常重要的统一平台，包含很多的系统。其中主要以CREATE——计算机研究工程采办工具环境和ERS——工程强韧系统是其中两个重要系统。

CREATE是美国的高性能计划下的重大项目，从2008年开始每年投入3600万美元经费，其开发基于物理特性的建模仿真软件，充分利用美军的高性能计算能力，通过高逼真度虚拟样机的构建和优化，支撑将“设计—实验试验—迭代”的开发过程，转变为“设计—仿真分析——迭代”的新范式。目前已应用于各军种、国防机构、国防工业部门以及大学等超过180个组织和大约1400个用户 。

工程人员可以在采办流程的任何阶段，利用高逼真度虚拟样机分析产品性能，作为真实试验、使用等数据的补充。CREAT支持快速开发数字产品模型，分析系统性能，识别并修正设计缺陷和性能不足；为系统完整建模，可为参数研究而快速、精确预测性能；生成许多设计方案并快速收敛，快速和高效地开发创新的系统；提供经验证和确认的数据用于工程和采办活动，高效利用高性能计算能力；构建了精通计算的国防部人力资源，融入军种学术研究和其它大学课程中。

工程强韧系统ERS是一个多方案分析的云平台，主要是开发一个基于高性能计算的工具集成平台，具备需求生成、备选方案分析、虚拟样机建模与评估等功能，支撑做出更好的采办决策。“强韧”可以理解为在一系列背景环境中都是可靠和有效的，可通过重新配置和替换来适应许多新任务，功能降级是可预测的。CREATE软件和ERS及机器学习算法相结合，可以快速生成并分析上百万种设计。空军将高超飞行器每个轨迹点的建模仿真周期从6个月降低到6天；海军“下一代空中主宰”项目分析的概念方案超过500万个；陆军将V-280倾转旋翼机的飞行动力学仿真提速2万倍；CH-47-F直升机从概念设计到低速初始生产的周期缩短到1年半以内。