美军数字工程建设发展研究及启示

摘 要：第四次工业革命正在推动产业数字化蓬勃发展。 面对现代装备复杂度剧增导致的研制风险， 为了应对快速变化的威胁和推动技术进步， 保障经济可承受性的同时提供更快的交付能力， 美军提出数字工程战略， 在国防工业及数字化采办中战略布局， 稳步推进数字化实践。 本文研究了美军数字工程的发展历程及呈现特点， 剖析美军数字工程内涵， 研究其用到的关键技术， 综述典型项目中数字工程应用情况， 提出数字工程发展对武器装备研制的启示。

关键词：数字工程； 数字孪生； 开放架构； 敏捷开发； 采办

中图分类号： TJ760文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2023）03-0056-11

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0188

0 引言

当今国际形势纷繁复杂， 大国竞争日趋激烈， 作战和威胁环境动态变化， 装备系统复杂度和成本风险大幅增加， 以往线性的采办流程已无法适应， 为了提升国防采办的敏捷性和弹性， 美军系统工程部门提出“数字工程”和“数字工程战略”， 助力数字转型［1-2］。 同时， 美军运用数字孪生、 数字模型、 数字线索等不断深化数字化进程， 在多个项目中推进基于数字化工程的采办， 颁布数字工程战略， 美国陆海空三军也在积极响应并制定符合自身特点的指南以推动数字化转型。 美国国防部通过推进数字工程， 打造数字生态， 基于模型和权威数据支撑采办流程， 极大提升了生命周期各阶段分析能力和决策水平， 从而支持武器系统的快速规划、 敏捷设计、 高效制造、 精准保障， 使得美军可应对快速变化的威胁， 保持长久的技术进步， 在考虑经济可承受性和持续保障性的同时， 具备了更快的交付能力。 数字工程已然成为提升装备竞争力、 塑造大国军力的重要环节。

1 数字工程的发展与现状

1.1 背景与意义

一直以来， 复杂装备系统研制过程中出现的设计更改及延误， 造成其成本激增、 周期增长而无法快速适应外部威胁的变化， 为了从根本上解决这个问题， 美国国防部倡导设计早期的需求捕获与权衡分析， 同时引入数字化新技术， 并提出“更好的购买力”和“拥有技术基线”等顶层战略目标， 在这个过程中， 数字工程的概念逐步成熟。 同时， 为了使复杂系统设计、 交付、 保障能够适应作战环境的快速变化， 急需变革以往分散化子系统、 多样设计工具、 线性化工作流程等业务模式， 提升采办效率、 促进作战能力形成， 为此美国国防部提出实施数字工程（Digital Engineering）战略［3-5］。

1.2 形态演变历程

早期建模与仿真技术的发展、 基于仿真的采办等都为美军数字工程概念的提出奠定了基础。 建模与仿真技术（Modeling & Simulation， M&S）于1970年左右兴起， 通过建立系统模型对设计系统进行研究分析与评估决策， 从实际系统的形态特征发掘其本质， 并对其行为进行预测。 建模与仿真是美军“国防关键技术计划”的重点发展项目， 军用仿真系统在支撑军事训练、 装备采办与作战研究中不断发挥重要作用， 也推动了数字化转型与创新发展。 因此在数字工程中， 模型始终是基础， 无论是现代装备采办还是工业部门武器装备设计研制中， 数字模型

的作用依然是不可替代的。

20世纪90年代， 建模仿真技术开始在装备采办中应用推广。 基于仿真的采办（Simulation Based Acquisition， SBA）是美国国防部于1997年前后提出的一种新型采办模式， 主要针对传统武器研制难以适应现代战争复杂多变军事需求， 各职能部门采办阶段和采办项目彼此孤立， 导致装备可制造性、 可靠性、 维修性和保障性较差等问题， 提出利用M&S技术支持采办过程， 包括促进M&S工具和资源跨功能领域、 跨采办阶段、 跨采办项目的重用， 随着M&S被推广应用至前期设计、 产品开发、 测试、 制造阶段， 乃至后勤保障与报废处置等活动中， 起到缩短研发周期、 降低研制成本和风险等积极作用。 美军“海狼”级潜艇、 美国海军陆战队的高级两栖突击战车AAAV， 都是SBA的成功应用。

进入21世纪后， 为了推进装备全寿命周期管理， 美军开始在装备采办中全面实行基于模型的系统工程（Model Based System Engineering， MBSE）。 MBSE是系统工程（SE）与建模仿真技术融合发展的阶段产物， SE提供了实施工程的方法过程和手段， 建模与仿真技术是MBSE的基石和出发点。 基于模型的系统工程是一种形式化的建模方法学， 以模型为核心， 开展需求分析、 设计验证和确认等全生命周期活动。 基于多视角通用系统模型框架， 将跨学科/领域的模型关联， 实现全生命期内的跨领域模型的可追踪、 可验证、 可追溯， 进而驱动大型复杂系统生命周期内各阶段的工程活动（包括技术过程、 技术管理过程、 协议过程和组织项目使能过程）。 2016年， 由美国国防部建模与仿真协调办公室发布了建模与仿真参考架构， 推进基于统一模型数据驱动的采办决策， 加强装备全生命周期管理活动的数字化建设。 在以F-35为代表的一系列装备项目中开展MBSE创新应用， 并取得成功。

伴随第四次工业革命的兴起， 环境与威胁变化快需求与装备研制慢响应之间矛盾日益突出， 美国国防部于2015年开始推行数字工程（Digital Engineering， DE）， 其中数字模型、 数字孪生、 数字线索都是数字工程的典型形式［6］。 数字孪生相关概念设想出现较早， 2003年， 密歇根大学Grieves教授提出“镜像空间模型”［7-8］。 2010年前后， 美国国家航空航天局（NASA）和AFRL先后书面提出“数字孪生”概念。 2012年， NASA和AFRL合作共同提出了未来飞行器的数字孪生体范例， 以应对高负载、 轻质量以及极端环境下未来飞行器全寿命周期需求。 2013年， 美国空军发布顶层科技规划文件《全球科技愿景“全球地平线”报告》， 其中提到数字线索（Digital Thread）和数字孪生（Digital Twin）将是“改变游戏规则”的颠覆性技术。 未来基于模型的系统工程将经历数字线索变革。 2014年， 美国空军提出数字工程生态系统的设想， 并成为国防部制订数字工程战略的重要参考。

随着对数字工程应用实践逐渐成熟， 2018年， 美国国防部发布了《数字工程战略》， 掀起全面推进数字转型浪潮。 数字工程战略的五个目标包括： 强化建模与仿真； 统一管理数据源； 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； 建立相关数字基础设施和环境； 文化和人力转型。

1.3 发展现状

1.3.1 美国空军的数字化转型情况

《数字工程战略》正式发布后， 美国空军加紧策划实施数字化转型。 2018年11月， 美国空军发布《工程组织路线图（2018-2022）》， 要将自身建成“数字组织”， 以模型和数据为依据进行计划和决策［9］。 2019年7月， 美国空军发布《美国空军白皮书： 数字空军》， 提出以数字工程等敏捷方式变革采办流程； 9月， 空军装备司令部成立数字工程组织办公室， 领导推进数字工程相关工作。 2020年3月， 美国空军提出“数字战役”（Digital Campaign）计划， 作为数字孪生体的先行者， 坚定推进数字孪生应用。 在数字战役中， 数字孪生体作为解决权威数据源的主要手段， 是计划推行的核心。 针对数字战役计划， 美国空军提出了六项任务， 包括数字基础设施、 模型及工具、 标准/数据/架构、 生命周期战略及流程、 政策及指南、 工作人员及文化。 2020年6月， 美国空军装备司令部宣布发起“数字战役活动”（计划7月举办首次“数字战役虚拟工业交流日”）。 2020年9月， 负责采办的美国空军助理部长威尔·罗珀发表《数字采办的现实》， 呼吁通过数字工程建立颠覆性的敏捷数字采办新范式。 2021年6月， 美国空军设立数字转型办公室， 并表示未来所有工程活动都将在共享的集成数字环境中进行。 2021年9月， 美国空军寿命周期管理中心授予雷神、 通用、 L3技术、 诺斯罗普·格鲁曼、 洛克希德·马丁等55家企业， 一份总金额上限高达460亿美元的不定期交付/不确定数量合同（FA8656-21-D-A001）， 为佛罗里达州埃格林空军基地及其任务合作伙伴提供数字工程和基于模型的系统工程、 敏捷流程、 开放系统架构、 武器和复杂组织体分析方面的工作［10］， 预计2032年9月完成。 这表明未来十年甚至更长时间内， 美军开始全面联合工业部门， 推进军民协作， 成立工业联盟， 共同进行数字空军建设［11］。 此外， 美国空军成立敏捷创新机构AFWerX， 加速敏捷且经济可承受的能力生成， 形成敏捷技术创新生态， 推动“数字战役”［12］。

1.3.2 美国海军的数字化转型情况

2020年， 美国海军和海军陆战队发布了《美国海军和海军陆战队数字工程战略》， 遵循美国国防部《数字工程战略》所制定的方向， 结合美国海军能力现状， 制定美国海军数字化转型目标［13］。 并依据美国国防部《数字工程战略》五个重点建设领域， 提出建设方案： （1）数字模型构建与应用； （2）数字资源管理授权； （3）融合应用创新技术； （4）建设数字生态环境； （5）推进数字文化与人才建设。 从美国海军造舰计划来看， 需要面临在有限预算条件下， 更灵活适应快速变化作战和威胁环境， 通过全面完善数字工程体系， 利用数字化方式来快速交付所需的作战能力。 基于模型、 数据驱动， 不断促进系统工程数字化变革， 增强互操作性， 提升采办效率。

1.3.3 美国陆军的数字化转型情况

美国陆军2019年发布《美国陆军现代化战略》， 以数字化转型推动陆军现代化建设， 明确2028和2035两个阶段的现代化目标。 2021年10月， 美国陆军首席信息官办公室发布《美国陆军数字化转型战略》， 推动美国陆军数字化转型、 创新与变革， 通过建立多域作战部队以适应数字化战争， 助力实现2028年数字化陆军愿景。 明确了美国数字陆军建设综合计划， 制定了现代化与战备、 改革、 人员与伙伴关系的战略目标， 确立陆军资源优先级［14］。 将作战文化转变作为振兴美国陆军的催化剂； 同时强调新技术更新跟进与应用、 现代化实践、 制度改革的重要性。

2 数字工程的内涵探究

2.1 数字工程的定义及目标

2.1.1 数字工程定义

《数字工程战略指南》定义， 数字工程是一种集成的数字化方法， 可在生命周期内跨学科、 跨领域连续传递权威模型和数据， 支撑系统从概念开发到报废处置的所有活动。 数字工程是数字化连接的端到端复杂组织体， 在全生命周期内都以模型化的方式对所关注的系统（如体系、 系统、 流程、 设备、 产品、 零件）进行数字化， 将人员、 流程、 数据和能力无缝集成， 并融入先进计算、 大数据分析、 人工智能、 自主系统和机器人等技术提升工程能力。 在数字工程战略牵引下， 美国国防部开始在装备领域实施数字化转型， 在数字化浪潮中， 装备承包商也不得不适应国防部门的数字化需求， 开启了全面迈向数字化时代的变革［1，15］。

2.1.2 数字工程生态系统

数字工程概念下最终将围绕技术流程和技术管理流程建立完备的数字工程生态系统。 包括国防采办系统、 数字系统模型、 数字线索、 数字孪生及知识管理系统。 国防采办系统， 涵盖采办里程碑决策、 技术评审、 成本／进度／性能权衡等技术管理流程。 数字系统模型、 数字线索和数字孪生构建全生命周期的分析工具集成， 以利用系统权威数据， 对性能、 成本、 进度、 风险等进行分析， 辅助决策。 知识管理系统， 建立涵盖采办全过程的数据库， 以支撑装备采办［1，15］。

2.1.3 数字工程目标

数字工程以加速实现整个能力开发生命周期的现代化， 实现对现代武器系统采办复杂性的有效管理为目标， 具体措施包括但不限于： （1）建立有弹性的数字基础设施， 以改进和加速能力开发生命周期； （2）采取敏捷实践以快速创建和部署增量解决方案， 建立DevSecOps工厂推动软件开发； （3）通过建立数字孪生， 加速与任务合作伙伴的密切协作， 并延伸至作战和后勤保障； （4）充分运用大数据、 基于模型的系统工程等新技术， 通过共享建模与仿真框架， 实现从作战人员到研发人员的需求管理； （5）以先进的、 可互操作的、 低延迟的网络驱动， 立足基础设施创建工具、 应用程序和接口， 支撑用户生成和处理数据、 模型和分析报告， 构成数字工程生态系统（DEE）， 以实现及时、 可靠和多层次的安全访问， 实现敏捷采办； （6）开发体系架构， 基于威胁和作战效果开展作战优化设计［16］。