陳建偉，楊春雷，楊 亮，安珊珊，史旭升

美軍數(shù)字工程最新進展及趨勢分析研究

陳建偉，楊春雷，楊 亮，安珊珊，史旭升

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

系統(tǒng)研究美軍數(shù)字工程戰(zhàn)略對于企業(yè)開展數(shù)字化建設具有重要意義。從戰(zhàn)略規(guī)劃、模型構(gòu)建、創(chuàng)新技術(shù)、支撐環(huán)境等方面對美軍數(shù)字工程最新進展進行綜述性分析，從理論體系、建模方法、數(shù)據(jù)應用、工具建設等維度研究提出美軍推進數(shù)字工程發(fā)展趨勢，并結(jié)合航天企業(yè)實際提出了具體的啟示與思考。

數(shù)字工程；數(shù)字模型；發(fā)展趨勢

0 引 言

中國裝備研制整體水平與美歐先進水平相比還存在差距，理念方法、共性基礎性技術(shù)、研制手段等未能全面系統(tǒng)提升是重要原因之一。目前全球科技和產(chǎn)業(yè)競爭更趨激烈，各發(fā)達國家加緊實施數(shù)字化發(fā)展戰(zhàn)略，搶占數(shù)字時代發(fā)展先機。美國國防部2018年6月發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》全面推行數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，以期在裝備發(fā)展模式上對他國形成代差優(yōu)勢。2022年8月2日至4日，美國空軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型辦公室牽頭與戴頓大學、相關(guān)企業(yè)合作舉辦了數(shù)字化轉(zhuǎn)型峰會，會議傳遞出美國防部正在尋求采用模型、數(shù)據(jù)、開放式架構(gòu)和現(xiàn)代工具等“數(shù)字優(yōu)先”的方法來構(gòu)建武器裝備全生命周期的網(wǎng)絡-物理系統(tǒng)，加速推動美軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]。

因此，深入研究美軍數(shù)字工程的最新進展，對航天企業(yè)數(shù)字化建設具有重要借鑒意義。本文從戰(zhàn)略規(guī)劃、模型構(gòu)建、創(chuàng)新技術(shù)、支撐環(huán)境等方面對美軍數(shù)字工程進展情況進行綜述性分析，從理論體系、建模方法、數(shù)據(jù)應用、工具建設等維度總結(jié)研究美軍推進數(shù)字工程發(fā)展趨勢，并結(jié)合航天企業(yè)實際提出了具體的啟示與思考。

1 美軍數(shù)字工程最新進展分析

1.1 系統(tǒng)布局密集制定一系列戰(zhàn)略實施規(guī)劃

自美國防部發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》以來，各軍種陸續(xù)制定發(fā)布了一系列數(shù)字工程戰(zhàn)略實施規(guī)劃，系統(tǒng)布局加快推進實施數(shù)字工程。

美國空軍2019年7月發(fā)布《數(shù)字空軍》戰(zhàn)略白皮書，提出空軍要從以平臺為中心的作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向以網(wǎng)絡為中心的作戰(zhàn)，將空軍打造成一個利用集成數(shù)字環(huán)境，支撐裝備全壽命周期活動的“數(shù)字組織”，并提出了3條舉措。美國海軍2020年6月發(fā)布《海軍與海軍陸戰(zhàn)隊數(shù)字系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略》，總體目標是實現(xiàn)從文檔為中心的工程模式到以數(shù)字工程為中心的模式轉(zhuǎn)變，提升海軍裝備采辦系統(tǒng)效率、互操作性并進行升級，加快建設一支擁有數(shù)字化作戰(zhàn)能力的綜合部隊，并提出了5條具體行動路線[2]。美國太空軍2021年5月發(fā)布《太空軍數(shù)字化軍種愿景》，提出加快創(chuàng)建一支互聯(lián)、創(chuàng)新、數(shù)字主導的太空部隊，并提出對四大領域進行重點建設。美國陸軍2021年10月發(fā)布了《美國陸軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略》，提出加快建設一支數(shù)字賦能、數(shù)據(jù)驅(qū)動型陸軍，并提出了6條具體行動路線。

1.2 加速構(gòu)建基于模型一致連續(xù)權(quán)威傳遞的數(shù)字工程生態(tài)體系

美軍通過高逼真度數(shù)字模型的開發(fā)、集成和使用，加速構(gòu)建基于模型一致連續(xù)權(quán)威傳遞的數(shù)字工程生態(tài)體系，支撐裝備全生命周期的工程活動和決策。

2022年4月6日，美軍證實近日首次成功試射了高超聲速吸氣式武器概念導彈（Hypersonic Air-breathing Weapon Concept，HAWC），飛行試驗創(chuàng)下了以超燃沖壓發(fā)動機為動力的高超音速飛行記錄。美軍在HAWC項目每個階段都建立了武器系統(tǒng)高逼真度的數(shù)字模型，所有研制流程都在數(shù)字模型中完成，飛行測試中模型性能和實際性能幾乎“完全重疊在一起”。過去的設計流程是從一個模型中獲取結(jié)果并將其輸入到另一個模型中進行分析并逐級更新模型，這種流程交替往復且耗時。而現(xiàn)在將采用數(shù)字工程方法創(chuàng)建的機械模型、流體力學模型、熱模型等所有模型都聚集在一起，實現(xiàn)連續(xù)傳遞并進行快速迭代。通過HAWC項目驗證了所有研制流程基于模型一致連續(xù)權(quán)威傳遞，可以將研發(fā)時間縮短30%甚至更多，同時能夠大幅簡化實際飛行驗證測試內(nèi)容。

1.3 系統(tǒng)開展數(shù)字工程創(chuàng)新技術(shù)應用

自數(shù)字工程戰(zhàn)略發(fā)布以來，美軍在裝備研制各階段開展了一系列數(shù)字工程創(chuàng)新技術(shù)應用，取得了一些重要進展。

美軍通過構(gòu)建數(shù)字模型，開展基于高逼真度、多物理量、多專業(yè)的仿真分析及詳細設計，提前識別裝備生產(chǎn)、試驗時可能存在的絕大部分設計缺陷和性能不足并進行迭代優(yōu)化，顯著加快了裝備研制進程，大幅提高了產(chǎn)品工程質(zhì)量和效率。以T-7A紅鷹教練機為例，其研制過程充分采用數(shù)字工程技術(shù)及流程，僅用時36個月就完成從全新設計到驗證機首飛，并將首批驗證機的工程質(zhì)量提高75%、裝配時間減少80%。2022年4月30日，首架T-7A量產(chǎn)型教練機正式從波音生產(chǎn)基地出廠并交付，美國空軍計劃采購351架，該教練機也成為第一種獲得“e”系列稱號的飛機，即eT-7A[3]。

1.4 持續(xù)投入數(shù)字工程核心支撐環(huán)境建設

近年來，美國國防部牽頭持續(xù)投入并增強以計算研究與工程采辦工具和環(huán)境（Computational Research and Engineering Acquisition Tools and Environments，CREATE）、工程彈性系統(tǒng)（Engineered Resilient Systems，ERS）等為核心的數(shù)字工程基礎支撐環(huán)境[4]，通過縮短周期、控制成本等不斷提升裝備研制綜合優(yōu)勢。

CREATE是美國國防部2008年啟動的一項為期12年的高性能計算項目，總投資3.6億美元，其目標是開發(fā)基于物理特性的建模仿真軟件，以支撐武器裝備高效研制。目前已形成十幾種軟件工具，2022年以來，美軍應用CREATE取得了一系列重要成果，包括：采用CREATE飛行器（CREATE Air Vehicles，CREATE-AV）工具開展未來垂直起降飛行器性能模擬及優(yōu)化，采用CREATE艦船（CREATE Ships，CREATE-SH）工具開展了哥倫比亞級潛艇防撞建模，采用CREATE地面車輛（CREATE Ground Vehicles，CREATE-GV）工具開展下一代戰(zhàn)斗車輛概念設計及評估等工作，推動數(shù)字工程重點項目更高效地決策和實施。

ERS是美國國防部2010年啟動的科技優(yōu)先計劃項目之一，它是一個不斷發(fā)展的框架，支持采辦各個階段集成計算環(huán)境，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策[5]。2021年美國海軍在未來水面作戰(zhàn)艦艇項目中使用ERS進行成本和能力權(quán)衡分析，實現(xiàn)在可接受的成本范圍內(nèi)，達到艦艇所需具備的能力水平，減少原型制造時間和成本。

2 美軍數(shù)字工程發(fā)展趨勢分析

2.1 注重理論體系創(chuàng)新和發(fā)展

美軍一直注重從理論方法、工具、語言等方面成體系推動裝備研制理論體系創(chuàng)新和發(fā)展。體系工程層面有國防部體系結(jié)構(gòu)框架（Department of Defense Architecture Framework，DODAF），建模工具有Rhapsody等，建模語言有統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）等。系統(tǒng)工程層面有基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE），建模工具有MagicDraw、DOORS等，建模語言有系統(tǒng)建模語言（Systems Modeling Language，SysML）等。

DODAF以“數(shù)據(jù)為中心”設計開發(fā)，主要目的是提供決策數(shù)據(jù)，強調(diào)組成產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)元素，而不只是體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。DODAF V2.0中包含了全景視角、能力視角、數(shù)據(jù)和信息視角、作戰(zhàn)視角、項目視角、服務視角、標準視角和系統(tǒng)視角等8種視圖，并進一步分解為概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模、物理數(shù)據(jù)模型、作戰(zhàn)規(guī)則模型、系統(tǒng)規(guī)則模型、服務規(guī)則模型等52個模型，用于作為收集數(shù)據(jù)的模板[6]。

MBSE強調(diào)精確且完整的系統(tǒng)架構(gòu)模型，通常使用ISO/IEC42010、DODAF進行組織，以數(shù)據(jù)、模型來驅(qū)動采辦過程。MBSE強調(diào)貫穿于全生命周期的技術(shù)過程的形式化建模，建立的系統(tǒng)模型既解決了項目經(jīng)驗積累和復用的問題，也通過多視角的系統(tǒng)頂層需求建模與系統(tǒng)架構(gòu)建模，為復雜系統(tǒng)或體系的向下分解與及時驗證提供了模型依據(jù)。MBSE模型主要是系統(tǒng)內(nèi)部運行規(guī)律的建模，對于系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的交互建模，以及系統(tǒng)發(fā)展到體系級后，體系架構(gòu)就主要采用DODAF標準[7]。

2.2 高度重視建模方法研究

數(shù)字工程模型種類繁多、梳理龐大。使用基于模型的權(quán)威真相源的數(shù)字工程和一個共同的寫作數(shù)據(jù)建模將使用在全生命周期的任何階段可用的所有知識來改變系統(tǒng)開發(fā)。在充分利用可用的數(shù)字知識和數(shù)據(jù)分析，在設計、測試過程中引入了一種代理模型的方法。如在設計過程中引入數(shù)字代理模型進行制造和維護設計；在學習階段，使用具有人工智能的交互式數(shù)字雙胞胎進行系統(tǒng)的動態(tài)控制和系統(tǒng)知識更新，積累知識并實施到數(shù)字代理模型中，以提高下一個系統(tǒng)的性能。

美軍高度重視“代理模型”研究和應用，并形成模型成熟度評價體系。為了提供一個正式的訓練方法來確保權(quán)威的數(shù)字代理模型的可信度，用于邊緣與不確定度量化分析，一個成熟度等級的數(shù)字代理模型被引入?？紤]到對系統(tǒng)工程的技術(shù)準備和系統(tǒng)準備水平進行量化的需求，定義了數(shù)字代理模型準備說的9點標度。以系統(tǒng)成熟度的技術(shù)準備水平來衡量權(quán)威數(shù)字代理真實模型的成熟度[8]。

2.3 重視數(shù)據(jù)價值及應用

數(shù)據(jù)是美軍進行數(shù)字現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的基礎，并且日益成為國防部流程、算法和武器系統(tǒng)的助推器。美軍緊盯大數(shù)據(jù)發(fā)展機遇，出臺了一系列戰(zhàn)略文件加速軍事數(shù)據(jù)建設，進而謀求以數(shù)據(jù)為中心的全方位軍事優(yōu)勢。美國國防部發(fā)布的《國防部數(shù)據(jù)戰(zhàn)略》強調(diào)將數(shù)據(jù)視為戰(zhàn)略資產(chǎn)，提出要加快轉(zhuǎn)變成“以數(shù)據(jù)為中心”的組織，將數(shù)據(jù)直接視為重要武器，通過快速和規(guī)模化數(shù)據(jù)應用來提升軍事優(yōu)勢和作戰(zhàn)效能，為美國國防戰(zhàn)略和數(shù)字現(xiàn)代化戰(zhàn)略提供重要支持[9]。

為進一步推動美軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型，改善其數(shù)據(jù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡能力，美國國防信息系統(tǒng)局首席數(shù)據(jù)官辦公室發(fā)布了《數(shù)據(jù)戰(zhàn)略實施計劃》，作為以上戰(zhàn)略的實踐，旨在建立將數(shù)據(jù)視為戰(zhàn)略資產(chǎn)的文化理念，通過開發(fā)、利用、提升數(shù)據(jù)價值賦能軍隊的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、掌握信息域、打贏數(shù)字化戰(zhàn)爭。

2.4 持續(xù)開展數(shù)字化平臺工具建設

美軍及軍工企業(yè)將數(shù)字工程轉(zhuǎn)型作為最優(yōu)先的戰(zhàn)略任務之一，從平臺工具建設等方面密集推進數(shù)字工程實施，積極開展建模仿真、數(shù)據(jù)分析與管理等工具環(huán)境研發(fā)。同時，全球各大軟件廠商西門子、達索系統(tǒng)等公司積極開展并提供了一系列軟件開發(fā)、能力集成服務，形成了CREATE、ERS、3DExperience平臺、Teamcenter平臺等支撐數(shù)字工程實施的平臺工具環(huán)境。

從2008年開始，美軍啟動了CREATE項目，是美軍高性能計算現(xiàn)代化設計（High Performance Computing Modernization Program，HPCMP）的子項目，目標是開發(fā)和部署基于物理特性的高性能計算軟件產(chǎn)品，通過高逼真度虛擬樣機的構(gòu)建和改進，支撐飛行器、艦船、地面車輛和射頻天線系統(tǒng)等武器系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，開發(fā)了CREATE-AV、CREATE-SH、CREATE-GV等5類模塊，并進一步按照業(yè)務需求，研發(fā)了集成水力設計環(huán)境、移動性分析工具、艦船快速設計環(huán)境等十幾種軟件工具。美國國防部仍在逐年對這些軟件工具進行更新升級，直至2040年[10]。

3 啟 示

美軍在數(shù)字工程領域的探索與實踐已經(jīng)取得顯著進展，加速推動美軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型。為加速航天企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設，結(jié)合產(chǎn)品數(shù)字化研制現(xiàn)狀，總結(jié)提出以下啟示。

3.1 以創(chuàng)新驅(qū)動為引領，加強技術(shù)融合與群智攻關(guān)

美軍注重裝備研制模式創(chuàng)新，發(fā)揮技術(shù)融合與戰(zhàn)略規(guī)劃引領作用，聯(lián)合軍政產(chǎn)學研各界優(yōu)勢力量，開展跨組織、多學科交叉融合的群智創(chuàng)新攻關(guān)，有力支撐重點裝備和重大項目研制成功。創(chuàng)新是加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要“催化劑”，大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)正加速融合應用，不斷催生發(fā)展新模式、新業(yè)態(tài)。必須深刻認識到數(shù)字時代到來的變革性和加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的緊迫性，充分融合MBSE、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等數(shù)字化新方法和新技術(shù)，通過技術(shù)融合和群智攻關(guān)研究，并制定具體實施舉措，突破航天產(chǎn)品共性基礎性科學與工程問題，加快推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3.2 以全數(shù)字化貫通為目標，加快數(shù)字模型體系和大數(shù)據(jù)中心建設

美軍已在各項采辦項目中增加了模型數(shù)據(jù)的提交和傳遞要求，正在向以模型和數(shù)據(jù)為核心的范式轉(zhuǎn)變。模型和數(shù)據(jù)是推行數(shù)字工程的核心，必須持續(xù)推進基于模型的系統(tǒng)工程應用，面向產(chǎn)品全面梳理研制全流程、全環(huán)節(jié)的輸入輸出要素，并按照統(tǒng)一的標準規(guī)范開發(fā)數(shù)字模型，加快構(gòu)建面向產(chǎn)品研制全過程的完整數(shù)字模型體系，實現(xiàn)數(shù)字模型在數(shù)字化研制全流程的貫通和復用，支撐以模型連續(xù)傳遞為核心的產(chǎn)品研制新范式。

同時，立足數(shù)據(jù)思維，加快推進產(chǎn)品全壽命周期數(shù)據(jù)管理與建設，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集匯聚。在此基礎上構(gòu)建企業(yè)大數(shù)據(jù)中心，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，推進全級次、全過程的數(shù)據(jù)治理與應用，實現(xiàn)覆蓋產(chǎn)品研制全生命周期的全流程、全要素數(shù)據(jù)協(xié)同，建立完善的數(shù)據(jù)共享通道，對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)開發(fā)和服務能力，提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)的重要性，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的智能決策支持。

3.3 以航天產(chǎn)品研制需求為導向，加大自主研發(fā)平臺工具建設力度

美國國防部已連續(xù)十幾年投入大量經(jīng)費，筑牢以CREATE、ERS等為核心的數(shù)字工程基礎支撐環(huán)境，并持續(xù)更新升級。平臺工具是數(shù)字工程的核心支撐。面向科研生產(chǎn)領域，全面梳理各類專業(yè)及知識模型，將產(chǎn)品研制過程的知識、經(jīng)驗、結(jié)果等規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化，進而推進以專業(yè)及知識模型為核心的自主研發(fā)平臺工具建設，形成支撐產(chǎn)品研制的平臺工具體系。同時，遴選數(shù)字化基礎較好的航天產(chǎn)品，探索開展典型階段或場景下的數(shù)字化應用試點，最終形成統(tǒng)一的數(shù)字化基礎支撐環(huán)境，反哺航天應用，高效賦能產(chǎn)品數(shù)字化研制，打造低成本、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品供應核心競爭力，更有效地推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)分析了美軍在戰(zhàn)略規(guī)劃、模型構(gòu)建、創(chuàng)新技術(shù)、支撐環(huán)境等方面推進數(shù)字工程的最新進展情況，從理論體系、建模方法、數(shù)據(jù)應用、工具建設等維度研究提出美軍推進數(shù)字工程發(fā)展趨勢，并結(jié)合航天企業(yè)實際提出了具體的啟示與思考，可為航天企業(yè)加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設提供有益借鑒。

[1] 陰艷鵬. 美空軍部數(shù)字轉(zhuǎn)型辦公室舉辦數(shù)字轉(zhuǎn)型峰會[N]. 空天防務觀察, 2022-09-03, 1.

Yin Yanpeng. Digital transformation summit held by the digital transformation office of the US air force department[N]. Aerospace Defense Observation, 2022-09-03, 1.

[2] 王瑋, 等. 美國海軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略綜述[J]. 艦船科學技術(shù), 2021, 43(12): 170-175.

Wang Wei, et al. Review on US navy digital transformation strategy[J]. Ship Science and Technology, 2021, 43(12): 170-175.

[3] 崔艷林, 等. 美國數(shù)字工程戰(zhàn)略實施途徑[J]. 航空動力, 2021(4): 84-86.

Cui Yanlin, et al. US digital engineering implementation strategy[J]. Aerospace Power, 2021(4): 84-86.

[4] 劉亞威. 管窺美軍數(shù)字工程戰(zhàn)略——迎接數(shù)字時代的轉(zhuǎn)型[J]. 科技中國, 2018(3): 30-33.

Liu Yawei. A review of US DOD digital engineering strategy[J]. Scitech in China, 2018(3): 30-33.

[5] Goerger S R, et al. Engineered resilient systems: a DoD perspective[J]. Procedia Computer Science, 2014(28): 865-872.

[6] 呂衛(wèi)民, 等. DoDAF建模與效能評估綜述[J]. 兵器裝備工程學報, 2021, 42(9): 26-33.

Lyu Weimin, et al. Research progress on DoDAF modeling and effectiveness evaluation[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2021, 42(9): 26-33.

[7] 張兵, 等. 基于模型的系統(tǒng)工程在航天產(chǎn)品研發(fā)中的研究與實踐[J]. 宇航總體技術(shù), 2021, 5(1): 1-7.

Zhang Bing, et al. Research and practice of model-based systems engineering in aerospace products[J]. Astronautical Systems Engineering Technology, 2021, 5(1): 1-7.

[8] Kraft E M. Digital engineering enabled systems engineering performance measures[J]. AIAA Scitech Forum, 2020(10): 1-24.

[9] 王耀, 等. 2020年《美國國防部數(shù)據(jù)戰(zhàn)略》淺析[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2022(3): 9-14.

Wang Yao, et al. Analysis of the data strategy of the US department of defense in 2020[J]. Military and Civilian Use Technologies & Products, 2022(3): 9-14.

[10] Arevalo S, et al. A new DoD initiative: the computational research and engineering acquisition tools and environments(CREATE) program[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2008(125): 1-11.

Research on the Latest Progress and Trend of US Military Digital Engineering

Chen Jian-wei, Yang Chun-lei, Yang Liang, An Shan-shan, Shi Xu-sheng

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Systematic research on the US military digital engineering strategy has significant significance for enterprises to carry out digital construction. The latest progress of US military digital engineering is reviewed. The development trend of digital engineering promoted by the US military is summarized and studied. And specific enlightenment and suggestions are put forward based on the actual situation of aerospace enterprises.

digital engineering; digital model; development trend

2097-1974(2023)01-0153-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230130

E7

A

2022-10-24；

2022-12-12

陳建偉（1979-），男，研究員，主要研究方向為航天型號總體設計及數(shù)字化。

楊春雷（1986-），男，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字化、信息化。

楊 亮（1983-），男，研究員，主要研究方向為數(shù)字化、信息化。

安珊珊（1988-），女，工程師，主要研究方向為數(shù)字化、信息化。

史旭升（1983-），男，工程師，主要研究方向為數(shù)字化、信息化。