美国数字工程及其在装备全寿命周期管理中的运用
来源：高端装备产业研究中心
自美国陆军提出“21世纪部队”数字化建设计划以来，美国国防部一直致力于推进数字化转型。美国国防部已经从产品数字化阶段(交付数字化武器装备)过渡到过程数字化阶段(数字工程贯穿系统全寿命周期)。2018年6月，美国防部负责系统工程的助理部长办公室发布了《数字工程战略》，明确了数字工程的发展目标。2019年7月，美国国防部又发布《国防部数字现代化战略》，进一步为未来美国数字化转型指明了方向。
数字工程基本情况
2018年6月，美国国防部发布了《数字工程战略》，其目的是推进数字工程在装备全寿命周期管理的应用，实现美国国防部的数字转型，促进数字工程在武器装备全寿命周期管理中的运用。《数字工程战略》中列出了国防部数字工程倡议的五大战略目标，分别是：
建立开发、集成和使用模型的正式流程，为决策提供信息输入。
提供一个持久、权威的事实来源。
注入能够提升工程实践的技术创新。
建立一个保障基础设施的环境，能使不同部门开展活动、协作和沟通。
改造文化和人员，以适应和支持全寿期的数字工程。
美国防部认为，数字工程是数字化版本的基于模型系统工程(MBSE)方式，利用数字环境、数字处理、数字方法、数字工具和数字工件，实现对计划、需求、设计、分析、核实、验证、运行和/或维持等装备系统全寿命周期活动的支持。
国防部的数字工程战略旨在推进数字工程转型，将国防部从线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的数字工程生态系统，完成以模型和数据为核心的转移。
数字工程相关技术
在推进数字工程过程中，美军将之前启动并仍在实施的一些计划纳入到数字工程战略的整体工作中来，包括了几大前沿技术计划以及建立支撑的基础设施和环境的计划，如数字系统模型计划、工程弹性系统计划、数字线索计划、飞行器机体数字孪生计划、自适应运载器制造计划等、系统工程研究中心以模型为中心的研究和协同环境项目、数字制造与设计创新机构的数字制造社区计划等。其中，最典型的是数字线索/飞行器机体数字孪生计划、工程弹性系统计划和计算研究和工程采办工具与环境项目。
数字系统模型、数字线索和数字孪生是纵向贯穿数字工程生态系统的纽带，提供了端到端集成、权威性、系统全寿命周期的数字表示。
数字系统模型由所有的利益相关者共同提供，集成了权威的技术数据和相关的工件，定义了系统寿命周期中各个方面的具体活动。
数字线索是一种可扩展、可配置和组件化的企业级分析框架，无缝地加速了企业数据信息知识系统中的权威技术数据、软件、信息和知识的受控相互作用。在整个系统寿命周期中，数字线索基于数字系统模型的模板，向决策者提供访问、集成数据，并将分散数据转换为可操作信息的能力。
数字孪生是在数字线索支撑下，对实际制造系统多机理、多尺度概率模拟的集成，使用最佳的可用模型、传感器信息和输入数据，镜像和预测其物理孪生品系统全寿命周期中的行动与性能。
工程弹性系统计划
工程弹性系统(engineered resilient system, ERS)是美国国防部应对越来越不确定的任务和环境而提出的未来国防系统发展战略,对复杂系统的工程实践与系统弹性理论都带来新的挑战。2011年,美国国防部以武器装备采办和装备体系建设为背景,立项工程弹性系统项目作为科技优先发展项目并制定了长期发展路线图,其目标是设计、改进、制造和部署有效且适应性强的弹性系统。
工程弹性系统计划当前阶段主要的工作都集中在开发决策支持方法和权衡空间工具集的框架,其中包括备选方案分析相关方法的研究与开发,以便从不同维度去评估这些国防系统的弹性。围绕ERS框架5种基本属性和组件:权衡空间工具与分析、集成能力和工作流、需求生成、备选方案分析以及虚拟原型和评估，美国国防部提出了一个可以促进政府、工业企业、学术团体之间协同交互的ERS系统功能框架。
它是一个开放的、不断发展的框架,是支持采办所有阶段的一个通用环境,具备共享和协作的能力。通过ERS框架标准同军方现有的工具、信息与设施进行集成,获取军方对国防系统的使命任务的定义和系统需求,根据预算、使命任务与需求对备选装备方案在里程碑A之前进行评估并进行决策,然后通过框架接口与国防采办程序连接,让采办团队可以在整个系统的生命周期中利用ERS框架来实施弹性工程。
计算研究和工程采办工具与环境项目(CREATE)是美军高性能计算现代化计划(HPCMP)中的一个子项目。CREATE 项目为武器装备系统研制期望显著提高工程设计和分析环节服务，主要是针对概念设计和工程开发。CREATE 项目的目的是支持快速设计开发的软件工具集和平台，由5大类课题组成：
飞行器方面(AV)：Genesis，用于支持快速概念设计的工具;Kestrel，提供具有高用户友好性的面向固定翼飞机整体的多物理场分析的工具;Helios，提供具有高用户友好性的面向旋转翼飞机整体的多物理场分析的工具;Firebolt，集成到Kestrel和Helios中的推进模块，用于面向固定翼和旋转翼飞行器推进系统多物理场分析分析的工具。
舰船方面 (Ships)：RSDE，具有快速设计和集成能力的软件; NESM，支持舰船碰撞和损坏预测分析的软件;NAVYFOAM，支持舰船水动力性能预测分析的软件;IHDE，用于舰船设计工具集成的协同平台。
射频天线方面(RF)：SENTRI，形成支持电磁耦合天线的集成设计平台。
地面车辆(CREATE-GV)：MERCURY，车辆系统和组件高逼真度、多物理仿真工具;MAT，评估地面车辆性能指标的分析工具。
网格处理(MG)：Capstone，支持多物理场分析的快速网格及几何处理。
数字工程在全寿命周
期管理中的应用动态
美海军信息战系统司令部(NAVWAR)于2019年10月完成其首个数字孪生模型的搭建，预计于2020年底前安装在林肯号航母(CVN 72)以提高航母信息战能力。
该数字孪生模型采用基于模型的系统工程(MBSE)技术开发，使用相关的集成数据字典、架构、需求框架为林肯号上的五个互联系统开发端到端数字模型。其中，集成数据字典可为工程师开发数字模型提供所需部件清单，架构提供部件安装说明，需求框架则用于跟踪部件的连接方式和原因。
数字林肯是黑箱模型，可以从输入和输出的角度进行查看林肯号上以下五个互连系统的数字表示形式：
分布式通用地面系统-海军(DCGS-N)：该程序可提供海军的主要情报，监视，侦察和目标支持能力。无论是在海上还是在岸上，DCGS-N工具对于行动指挥官的战斗空间感知和以网络为中心的作战都是至关重要的。
下一代海军综合战术环境系统(NITES-Next)：该系统利用气象和海洋学数据帮助作战人员进行任务计划、任务执行、关键决策和态势感知。
海上战术指挥与控制(MTC2)：海军指挥与控制(C2)程序，提供作战管理辅助工具以动态计划，实现海上作战行动动态筹划、指挥、监控和评估。
海上全球指挥与控制系统(GCCS-M)：GCCS-M系统融合、关联、过滤、维护并显示友、敌、中立国陆、海、空军部队的位置和属性信息;
敏捷核心服务(ACS)：整合海上网络和企业服务(CANES)的一个元素，是CANES的基础设施，支持应用程序迁移。
为与国防部《数字化转型战略》保持一致，美海军信息战系统司令部从原有的“设计-构建-测试”法改为“建模-分析-构建”法，从而在交付前通过虚拟环境测试和评估解决方案。这一转变将提高系统的可靠性和赛博安全性，同时降低作战人员风险。除了开发这些系统的数字孪生模型，数字林肯还提供了用于开发未来数字模型的标准化格式以及未来的安装基线。
NOBLE系列程序是美国海军推进数字化转型的又一举措。NOBLE系列程序包括海军作战供应系统(NOSS)，海军航空维修系统(NAMS)和海军海上作战环境(NOME)。这些系统一起使用开放的架构框架提供所需的功能，该框架结合了业务流程再造，可以整合超过23个独立的应用程序系统。这些功能包括增强态势感知，对超过15万用户群的维护和供应物流以及业务功能进行规划、执行和管理。NOBLE系列计划将满足当前和新兴的网络，财务改善和审计准备，海军物流和海上维护需求任务要求。NOBLE系列程序将部署到岸上的海军企业数据中心，海上的Consolidated Afloat网络和Enterprise Services以及海军部的商业云计算环境。
2020年3月，Palantir公司赢得美国海军“海军作战业务后勤企业”(NOBLE)系统簇(FoS)设计的合同。Palantir将协助海军现代化和简化其现有的传统体系结构和系统。
根据该合同，Palantir将提供其商业软件以用作NOBLE的集成数据环境(IDE)，为数据提取，集成，管理和分析功能提供开放式体系结构，用于海军的补给和作战维护服务站点以及海上部署的平台上。Palantir IDE将与其他几个现代商业软件Record of Record(PoR)进行互操作：
海军作战供应系统(NOSS)：为海军作战部队(NOF)提供单一的端到端可审核财务和供应链管理(SCM)功能。
海军航空维修系统(NAMS)：为NOF提供单一企业范围的航空维修，修理和大修(MRO)功能。
海军作战维护环境(NOME)：为NOF提供单一企业范围的海上MRO能力。
2020年7月，美国空军全球打击司令部(AFGSC)该司令部的“组合体级数字工程平台”(Portfolio-level Digital Engineering Platform，PDEP)已开始下一阶段发展工作。该平台是AFGSC基于数据驱动的分析处理机。该平台将支持司令部评估和决定采用何种行动路线，然后基于数据对决策效果进行评估。例如，通过使用‘组合体级数字工程平台’，司令部可以解决飞机的可用度问题。可以根据使用数据来评估行动是否按照预期的结果进行，并根据需要进行调整。
按计划，该平台将在AFGSC的多个基地中投入运行，可增强AFGSC使用在整个司令部收集到的数据的能力，并通过组合信息和向领导层呈现数据驱动的决策机会为司令部构建高效的流程，这将支持当前和未来的部队能力、人力和预算编制工作。
结 语
因为数字工程能够使用系统的权威模型源和数据源，以在生命周期内可跨学科、跨领域连续传递的模型和数据，支撑系统从概念开发到报废处置的所有活动，进而大幅度的提高效率，所以美国国防部非常重视数字工程的推进工作。数字工程结合美军联合全域作战、网络中心站等作战概念，将进一步提高美国的军事实力。
