数字工程（2）：1.0到5.0

目录

数字工程（1）：从何而来

数字工程（2）：1.0到5.0

数字工程（3）：思考与理解

数字工程（4）：需求与挑战

数字工程（5）：概念内涵

数字工程（6）：体系架构

数字工程（7）：技术体系

数字工程（8）：核电厂数字工程

数字工程（9）：航空发动机数字工程

数字工程（10）：卫星互联网数字工程

数字工程（11）：海洋系统与海洋装备数字工程

数字工程（12）：风洞数字工程

数字工程（13）：未来战场数字工程

数字工程（14）：城市数字工程

数字工程（15）：高档数控机床数字工程

数字工程（16）：能源数字工程

数字工程（17）：车辆数字工程

         

计算机的诞生标志着信息空间的出现，能够将原先必须在物理世界中依赖纸质化作业方式完成的任务的部分信息录入计算机，进而依靠计算机算力和存储能力，实现海量数据的高效计算处理和各类信息的快速安全存储，减轻相关人员的工作压力。随着计算机基本应用功能的实现和信息化技术的应用，写文档、制表格、算数据、画图纸、录信息、归档案等工程活动开始从物理空间大规模转移至信息空间，使工程技术不仅能够在物理域中发挥作用，还能利用信息域中的计算、存储、分析等信息化优势，为相关人员提供便利，并大幅提高工程建设，特别是设计与验证阶段的效率。

以飞机研制过程为例，信息空间的产生对于提升飞机设计阶段的工程实践效率具有重要意义。研发人员基于历史经验知识分解飞机的研发需求，设计飞机的整体结构和功能。在此过程中，可以利用计算机辅助计算飞机的结构、性能、使用寿命、可靠性等的重要参数，并信息化存储相应的设计文档数据，有效提升飞机的设计效率，缩短飞机研制周期。

然而，由于早期高性能计算、存储、软件等相关技术的不成熟，信息化的文档、数据、图纸等仅能在一定程度上为人类的工程建设过程提供便利性支持，数字工程1.0并不能在信息空间中复刻物理世界中的要素特征、要素功能和相关过程，因此无法从本质上帮助人类分析复杂产品或系统的局部特性与基于复杂耦合关系的全局特征，进而赋能工程实践过程，实现产品或系统增值增质和体系优化。

随着计算机硬件性能的提升，以及各类建模仿真软件的出现，深化和拓展了数字工程在信息域和过程域的作用范围。①二维建模软件的诞生，使产品或系统生命周期部分阶段内的过程和单一学科领域的局部特性能够基于降维解耦的思想进行数字化描述，标志着产品或系统部分要素及过程开始向数字空间进行投影和映射。②三维建模软件和多领域建模软件的诞生，不仅实现了模型升维，丰富了模型所蕴含的信息，提高了研究、设计、验证等过程的可视化水平，提升了模型可信度和保真度，还为产品、系统及其组件多领域统一建模、多物理耦合仿真和数字化交付奠定了基础。③仿真技术及相关分析软件的出现，使产品或系统具备了基于数模联动在过程域中回溯分析和推演预测的能力，帮助人类深入认知和分析复杂产品及系统的局部特性，进而大幅提高产品及系统研究、组织和管理的质量。

仍以飞机复杂产品为例，利用AutoCAD、3dMAX、Simulink、ANSYS、EDA等建模仿真软件构建飞机的数字空间，并在其中对飞机的几何结构、材料强度、电磁热力多场和控制等多方面进行建模仿真分析，再利用NASTRAN、CATIA、Advanced Aircraft Analysis等飞机设计与分析专用软件进行优化管理，利用Matlab、SQL等软件进行辅助支持，为高性能、高可靠的飞机研制过程提供多场耦合分析、多模态仿真、性能预测、问题追溯等多种数字化手段，开创软硬一体化、设计验证一体化、多学科协同化、细节过程可视化的设计验证新模式，相较数字工程1.0，进一步提高设计验证的效率和质量，提升相关人员的工作体验，并为更基础、更细节、更复杂、更隐蔽的系统性问题分析和优化过程提供支持。

数字工程2.0在物理、信息双域并行的基础上进一步覆盖了过程域，能够在数字空间中形成产品或系统某一时段和某些学科领域的局部模型，帮助人类深入认知和分析复杂产品及系统的局部特性，并在一定程度上支持产品或系统全生命周期跨阶段的研究和优化。但由于该成熟度等级下数字工程实践过程中的产品或系统的模型、数据与其物理部分的交互过程依赖人力，难以保障全要素状态实时更新和全信息同步共享，导致虚实一致性差、基于产品或系统模型的决策方案时效性弱、针对需求变更和外界环境扰动进行及时响应的难度大。

传感、通信、物联网等技术的出现及应用为数字工程发展带来了新的契机。数据的高效采集、传输和管理，打通了模型更新和要素管控的数据通道，有效提升了模型和数据的时效性。在此基础上，结合虚拟现实和增强现实等交互技术，扩展了系统要素间互联的方式及规模，使产品或系统的远程在线管控和高效协同作业成为可能，同时也促进了数字工程物理域、信息域、过程域的三域融合。随着信息物理系统和数字孪生理论的发展，产品或系统的物理部分、虚拟模型、数据和功能服务等多维度通过连接交互进行整合统一，加速了信息物理融合进程，使产品或系统在研制、运维、优化等过程中相关决策和功能的整体性、全局性、时效性跃升，并大幅提升相关人员在产品或系统的研发、制造、测试、使用等过程中的参与体验。

如在飞机的设计、研制、交付、使用和维护等阶段，可基于传感器、5G网络、虚拟现实、增强现实等技术，HoloLens、Virtools、Vuforia、ARToolKit等交互软硬件，以及CATIA、Unity3D、MultiGen Vega、Open Scene Graph等软件工具，为飞机设计方案优化、飞机试制试飞、飞行员虚拟实训、飞机状态监测和远程管控等提供实时交互、远程可视的虚拟环境，增强人机交互体验，促进飞机信息物理融合，确保数实空间中飞机模型和数据与实际飞机状态的一致性，并进一步保证相关决策和方案的时效性，为飞机及其子系统实现动态持续优化和对环境扰动的及时响应提供支撑。

尽管数字工程3.0基于交互和网络化技术初步实现了产品或系统的信息物理融合，并有效支持多个物理对象的协同与交互，但由于软件功能兼容集成能力不足，异构接口整合不充分，服务平台规模较小，以及数据处理和智能化技术不够成熟，该成熟度等级下的数字工程仍无法支持产品或系统全要素、全信息、全业务、全功能、全过程的整体关联分析和体系优化，仍难以有效挖掘和利用海量数据蕴含的隐含知识和潜在规律提高产品及系统的性能和智能决策能力。

大数据、知识工程、人工智能等智能化技术的迅速发展，ChatGPT的横空出世，以及硬件算力的飞速提升，为数据处理、知识挖掘、智能决策等增值服务奠定了基础。通过从海量一致性时效数据中挖掘、表示和积累相关知识，固化历史经验，拓展数字工程知识域，逐步在系统某发展阶段内形成具有感知、认知、预知、决策和优化能力的数智空间，使产品或系统能够面向动态环境和频繁多变的业务需求，实现智能决策或决策辅助，并借助可配置、可重构、可扩展的功能组件实现产品或系统的自适应、自组织和自优化，从而提升复杂产品或系统的适应性、灵活性、自主性和智能性。

数字工程4.0对于飞机全生命周期各阶段相关功能的智能化升级起到关键性作用。以飞机使用阶段的主动维护为例，基于大数据和知识挖掘技术对海量飞机飞行和维护历史数据进行分析处理，发现飞机零部件退化规律并构建飞机安全保障知识图谱。在飞行过程中，通过实时感知飞机运行数据，利用深度神经网络对其进行模式识别，准确认知飞机运行状态和健康水平，通过搜索匹配飞机安全保障知识图谱，实现飞机零部件故障的动态可信预测，进而在数智空间中生成多套维护方案并进行预演分析，最终优选出最合适的预测性维护方案，指导物理世界中飞机的维护管理全流程，实现飞机的智能维护。

知识域的开拓为产品或系统启智，数字工程的意义从此不再局限于为相关人员提供便利、提高效率、优化体验和保证工作效果，而是为机智辅人、人机共智和智能自治开辟了道路。但受限于数字工程在该成熟度等级的平台资源整合能力、软件功能兼容能力和更大规模的异构实时数据处理能力，数字工程4.0的数智空间仍被局限于单系统部分阶段的部分功能，难以实现复杂巨系统全生命周期的体系优化。

数字孪生、人工智能、元宇宙等数智化技术的成熟，数字工程知识域的进一步完善，以及全生命周期各阶段的一体化融合，使数字工程可面向不同应用需求和物理对象，建立功能丰富、性能优良、运维智能、响应快速的复杂巨系统，进而形成数字经济、数字政府、数字城市乃至数字地球、数字宇宙等不同规模和功能的数智生态空间。数字工程5.0在数智生态空间中，通过对复杂产品或巨系统全信息汇聚融合和全要素精准刻画，基于物理域、信息域、过程域、知识域的多域融合，赋予复杂产品或巨系统全功能智能进化、全业务软件定义、全过程高效协作和全生命周期可回溯可推演的强大能力，支持复杂产品或巨系统的自治运行和体系优化，以及其全要素的群体智能，实现复杂产品或巨系统全生命周期科学组织与高效管理，进而满足各类应用需求。

数字工程5.0，不仅能够基于信息物理融合和智能化手段实现飞机设计、制造、试验、运维、报废全生命周期科学组织与管理，提升飞机系统性能、减少飞机物理实验成本、提高飞机智能运维水平、保证飞机飞行安全，还能够通过互联飞机、人员、仓库、车辆、高铁、轮船等，形成海陆空立体化物流运输巨系统，并基于虚实一致性 交互，通过对业务需求、环境扰动、态势变化等的实时感知和认知，从全局视角实时优化调度和控制策略，并通过分布式控制组织各单位协同作业，实现物流巨系统的智能自治和体系优化，进而自主、灵活、智能的解决各种物流运输问题，满足动态变化的各类物流运输需求。