《数字工程战略》| 美空军积极推进试验领域数字化转型

来源：空天防务观察

作者：刘亚威

2023年12月底，美国防部发布《数字工程》指示，强调数字工程要充分赋能试验鉴定活动。作为数字工程的先进者，近年来，美空军在试验鉴定领域的数字化方面进行了积极探索、建设与实践，在先进建模与仿真、虚拟试验设施以及数实结合试验等方面加大转型力度。

2018年6月，美国防部发布《数字工程战略》，要求采办项目建立权威的模型和数据源，通过综合的数字化方法支撑各项采办活动和决策，以做到依模型和数据谋事做事的转型，以数字工程支撑试验鉴定是其中的重要环节。2018年11月，美空军发布《工程组织路线图（2018-2022）》，谋求在采办工程组织内实现权威数据的共享、流程的数据驱动、基础设施的安全互连；2019年5月，空军发布《数字空军白 皮书》，进一步明确要建立现代化的IT基础设施，构建数据驱动决策的力量以及提升管理效率和效能。这些愿景都是美空军试验鉴定领域数字化转型的指导方针和建设目标，引导着试验组织在数字化方面的诸多举措。

2020年6月，空军装备司令部启动“数字战役”，旨在构筑军地高度协同的集成数字环境，支撑快速应对作战域动态需求的能力的设计、维持和现代化，简化武器系统的生命周期流程。为更好地在试验鉴定方面支撑以模型为中心的采办，空军改进了试验策略，强调在系统模型中包含所有必要的试验规划信息，并对试验鉴定主计划模板进行了修订。新模板中的试验鉴定策略部分，要说明试验项目要如何实施数字工程，包括和主承包商计划在多大程度上开展协同，如何使用基于模型的工程开展试验规划、试验就绪评审和试验执行，如何使用集成数字环境高效共享试验规划和独立鉴定试验结果的数据。

2021年5月，空军发布《数字建造法典》，其中规定：

1）要开发系统的数字模型，将包括试验鉴定在内的所有必要元素封装在模型中，以便清晰关联需求与技术评审、试验、认证等验证活动，并且系统模型应具备在模拟环境下预测作战性能并量化模型不确定性的能力；

2）要利用定制的数字化策略与工业部门订立合同，明确应考虑的关键数字化特征，包括可要求承包商输出包含需求、设计和试验等信息的模型数据，确保试验鉴定等信息在权威模型和数据源中的双向追溯性，并且开发和维持支撑验证流程的模型，用于研制和作战试验过程中以直接支持系统需求的验证；

3）要实施数字采办流程，试验鉴定主计划以及相关技术评审、试验和认证流程应尽可能地转向基于模型或数字式制品，研制试验与作战试验团队应尽早参与，以确定采用基于模型的试验鉴定活动的策略和规划，包括模型的验证和确认。

满足这些数字采办要求的项目，空军将授予“e项目”或“e系列项目”的称谓，“陆基战略威慑”和F-15EX战斗机属于前者，“下一代空中主宰”和T-7A高教机属于后者，这说明这些项目的试验鉴定活动或多或少已经做到了《数字建造法典》中所规定的事项。

2022年5月，美空军试验中心举办了首届数字工程试验鉴定峰会，与会专家的一项重要任务是合作起草该中心的首份“数字现代化战略”。战略愿景是：建立一个不受现实世界的时间、风险和成本等因素的影响，可对系统生命周期各方面进行数字建模和大规模迭代的虚拟环境。战略愿景的实现基础，在于真实数据支撑的模型，这些数据既可以来自原始的实验室环境，也可以来自复杂的露天靶场。战略提出了三大目标，分别是：与外部合作伙伴实现数字工程集成、针对内部流程改进实施数字工程、利用大数据分析进行知识管理。

空军试验中心的领导层强调，利用数字工程可革新空军的试验鉴定范式，通过数字孪生技术，在系统模型创建后的第一时间启动评价（evalution）工作。目前，空军试验鉴定界正在转变观念，由过去的为决策提供支持数据，转向提供一个知识库作为权威数据源，在系统生命周期对其持续演进的数字孪生进行确认和更新。这样，试验鉴定工作将由现行的“大爆炸”模式转变为持续演进的模式，从而以更加增量式的方法不断交付和部署更好的产品。伴随每个增量的将是新确认的模型，用于开展额外的评价并为后续增量提供规划。

2022年9月，作为“数字现代化战略”的一部分，空军试验中心与Ansys公司合作启动了三项数字工程工作，通过权威数据源将系统设计和性能相连接，创建数据驱动的模型，以评估武器系统的数字化试验方法，推动降低物理试验（地面和飞行）基础设施的使用频次、在研制试验早期识别故障根源、压缩大型试验项目的进度、减少高敏感度项目的公开飞行试验，从而帮助项目在系统开始建造之前做出优化决策。

第一项工作中，阿诺德工程发展组织将多逼真度数据源与数字模型综合在一起，利用不确定性量化技术，为项目提供性能预测、对这些预测准确性的评估，以及通过额外的试验和建模工作来改进这些预测的计划。该工作还可以帮助空军试验中心克服地理和气象条件的限制，更好地支持早期设计过程。

第二项工作中，第 412 试验联队将提供仿真能力并开发工作流程，以对在飞行试验中提出独特挑战的红外搜索和跟踪系统进行虚拟试验。这些系统原本是禁止开展飞行试验的，而先进建模与仿真扩展了这些系统的性能预测，有助于确定仿真如何在模型交付过程中对物理试验起到增强的作用。

第三项工作中，第 96 作战大队将带头开展旨在提高试验点密度、重飞率和快速分析的建模工作，以支持项目生命周期早期进行高效的采办规划。在灵活的特定建模环境中，动态和交互式的试验规划和飞行后分析将大大有助于试验鉴定团队更快地提供数据，并获得对系统性能的更多洞察力。

2019年1月，空军投资3800万美元开建占地5500平方米的虚拟试验训练中心，预计在2027年全面投入使用。2028财年之前，空军每年将投入2000万美元开发软件，并配备F-15EX、F-35、F-22等全套战斗机模拟器以及战术指挥与控制模拟器，模拟器可以与在内华达试验训练靶场飞行的真实飞机参与相同的场景，或者在全球某个地方参与完全不同的场景。

空军还在2023财年开始将虚拟试验训练中心与其“联合仿真环境（JSE）”系统对接，为作战人员提供关键能力，从而可通过实况-虚拟-构造（LVC）仿真环境的组合，让来自不同平台和领域的操作人员将能够在一个地点共同规划、飞行前简报、执行和飞行后汇报。该中心将开启空军新的“通用合成环境”范式，即创造非专有、可互换的训练设备和环境，在一个虚拟环境中训练、执行使命任务演习，甚至试验新型武器和其它能力，这标志着美军试验训练方式的代际飞跃。

2022年6月，空军研究实验室定向能部门授出了一份为期10年、总金额8000万美元的合同，支撑空军对定向能武器的模拟兵器推演，并建立专门用于定向能武器建模与仿真的虚拟靶场。虚拟靶场将针对定向能武器的使用概念开展活动，通过在虚拟环境中为联合作战人员提供直面敌手的机会，让其熟悉定向能武器。这些活动及其它使用概念分析研究，将给空军研究实验室提供填补能力空白的必要工具，并且聚焦将所需系统带入作战活动的工作。

2023年9月，美国防部F-35联合项目办公室宣布完成了“联合仿真环境（JSE）”试验，对其系统开展了充分校核。JSE是一种可扩展、高保真、通用化的仿真环境，结合真实、虚拟和构造（LVC）技术对第五代飞机系统在作战体系中进行试验。本次试验在海军帕塔克森特河海军航空站进行，获得的数据已提交美国防部作战试验鉴定局，分析结果将支撑F-35项目是否进入全速生产决策。2023年3月，在空军爱德华兹空军基地建造的6680平方米（JSE-E）的数字试验训练靶场启用，而内利斯空军基地4740平方米（JSE-N）的设施也将在2024年开张，届时将极大增强美空军的任务效能评估、战术开发、大规模训练、多平台作战能力评估能力以及新能力的研究与设计。

2021年1月，空军研究实验室弹药管理局在虚拟作战弹药模拟器上进行了“一号武器”项目的首个演示验证，该演示基于24小时空中任务指令的协同蜂群武器系统原型——“灰狼”。虚拟演示集成了包括数字孪生实验室在内的项目成果，以快速增强“灰狼”的能力。演示过程展示了如何从飞行中的武器系统采集数据，与战场环境传回的各类数据融合，然后通过先进作战管理系统向数字孪生系统回传。数字孪生系统在人工智能/机器学习辅助下运行在高性能计算系统上，实现硬件在环/软件在环下的基于模型的作战试验鉴定与软件定义的武器能力。在数字孪生系统确定最优作战方案后，决策信息将迅速传递给战场中的物理武器系统，可实时或在下一个24小时周期改善武器系统的性能。

“一号武器”项目是“数字战役”的探路者项目，建立了一个全面数字化、敏捷开放的生态系统，通过基于模型的武器政府参考架构，实现武器系统数据之间的灵活性、模块化、可复用和一致性。该项目采用了数字工程赋能的LVC试验台，可通过权威数据源和先进作战管理系统，实时连接人、设施、工具、数据和LVC系统。2022年，该项目进一步开发其数字孪生原型，从而可与其物理孪生双向交换数据。项目与先进作战管理系统的接入、硬件在环与系统集成实验室的试验，建模仿真与分析部门的集成都在持续进行，通过数据驱动的决策方式支撑新能力的开发，包括利用数字孪生和数字线索集成技术、增强效能并快速评价科学技术概念。

2019年3月，空军研究实验室启动“金帐汗国”项目，设计并试验组网、协同、自主式武器系统，可以在无需实时人工干预的情况下快速响应其战场态势。2021年3月，项目进入下一阶段——罗马竞技场，利用“一号武器”项目的技术，创建一个把多种武器的数字孪生完全集成的虚拟环境，作为代理试验台，在将新型武器概念于作战平台上集成和试验之前，快速、低成本地开展试验。“罗马竞技场”由国防高级研究计划局“阿尔法狗飞行竞技试验”的支撑团队开发，基础的工具包括软件在环和硬件在环仿真能力，以及代理无人机以快速实施算法飞行试验，最终将形成用于武器研发的新型LVC能力。

2021年12月，项目在国防部创新单元的支持下完成了首次“竞技”，共有包括洛·马、L3哈里斯在内的6个参赛者，采用了与“阿尔法狗飞行竞技试验”类似的流程。由于需要多方同台竞技，“罗马竞技场”的软件架构开发必须允许不同的参赛者及其构建的自主算法能够轻松地与仿真的挑战难题场景交互。后续的3次竞技在2022年完成，竞技场景将逐渐变得更加逼真和复杂，最终的项目目标是：将获胜的技术从仿真环境转移到真实世界。

在美军推进数字工程的过程中，试验鉴定是受到格外重视的环节，国防部数字工程工作组专门成立了基础设施团队来解决基于数字工程的试验鉴定自动化问题。空军未来还将大力推进试验领域数字化，预计有三点：

一是进一步改进试验策略与开发流程，包括探索模型数据驱动的试验规划，通过合同及采办文件要求开展更多的数字化试验，压缩物理试验周期和成本；

二是进一步提升建模仿真与虚拟试验能力，包括利用大数据形成模型验证、确认与校核知识库，构建更多先进的综合性虚拟试验场和专业性虚拟靶场，支撑开展更多复杂任务和极端条件下的仿真试验；

三是进一步在前沿科技项目与武器采办项目中开展数字化试验，特别是利用代理无人机等技术开展虚实结合的LVC试验，减少物理样机、节约试验资源，同时强化试验数据采集、分析、处理的自动化水平，更高效的完成模型数据驱动的试验鉴定活动和采办决策。

值得注意的是，试验鉴定同时也是确保诸多数字工程活动能够使用更高置信度模型的前提，通过更科学的试验鉴定活动开展模型的验证、确认和校核，不断积累数据并更新所需模型及数字孪生，同样不可忽视。