袁 剛,劉曉軍

(東南大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 211189)

0 引言

數(shù)字工程是面向裝備系統(tǒng)設(shè)計、制造、運維等階段需求,以基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering, MBSE)、數(shù)字線索(Digital Thread)、數(shù)字孿生(Digital Twin)等技術(shù)為基礎(chǔ)的體系工程,實現(xiàn)全生命周期內(nèi)數(shù)字生態(tài)體系的工程實踐數(shù)字化范式[1-3]。美國國防部2018年發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》,首次將數(shù)字工程定義為一種集成的數(shù)字方法,使用權(quán)威的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和模型作為跨學(xué)科的連續(xù)體,以支持從概念到報廢的生命周期活動[4]。以文本和模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)煙囪式產(chǎn)品全周期生產(chǎn)難以適應(yīng)定制化、小批量、快速化的生產(chǎn)需求,作為MBSE在數(shù)字化時代的延伸,數(shù)字工程相關(guān)研究得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注[5-6]。當(dāng)前數(shù)字工程的應(yīng)用主要集中在復(fù)雜裝備研制和航天裝備、武器裝備數(shù)字化改造等方面。美國國防部2019～2021年連續(xù)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》、《美國陸軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略》、《美國太空軍數(shù)字軍種愿景》等戰(zhàn)略指導(dǎo)文件,持續(xù)投入以裝備工程采辦、工程防御系統(tǒng)、數(shù)字化作戰(zhàn)模式等為核心的數(shù)字工程基礎(chǔ)支撐環(huán)境,期望實現(xiàn)從基于文本的工程模式到基于數(shù)字工程的模式轉(zhuǎn)變[7-8]。

總的來說,數(shù)字工程雖然在設(shè)計、制造、運維等階段得到應(yīng)用,但仍存在多技術(shù)多學(xué)科多系統(tǒng)的集成困難,物理模擬仿真難以反映物理實體細節(jié)等不足[9-11],還將面臨許多功能需求與技術(shù)挑戰(zhàn)。文獻計量方法可以從宏觀到微觀分析某一領(lǐng)域的主題發(fā)展概況,進而能夠從各個視角全面審視某學(xué)科的結(jié)構(gòu)和研究熱點、發(fā)展動態(tài)等信息[12-13]。為全面系統(tǒng)地分析數(shù)字工程現(xiàn)有的研究進展與趨勢,本文主要通過文獻計量法比較分析數(shù)字工程的時間線程,利用WOS(Web of Science)數(shù)據(jù)庫檢索論文信息進行可視化分析,挖掘數(shù)字工程研究的內(nèi)在價值,追蹤數(shù)字工程研究熱點及其未來發(fā)展趨勢,為未來數(shù)字工程的相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源直接影響文獻計量分析的可靠性和質(zhì)量。WOS數(shù)據(jù)庫是全學(xué)科覆蓋的綜合性學(xué)術(shù)信息資源庫,具有學(xué)術(shù)研究的全面性和可擴展性。因此,本研究選擇WOS數(shù)據(jù)庫文獻檢索平臺,以“Digital Engineering”為主題進行高級數(shù)據(jù)檢索,檢索時間范圍設(shè)置為2000.01.01～2023.06.20,最終入選的分析文獻為362份,經(jīng)過對文獻數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗后,最終入選的分析文獻為316份,所得文獻數(shù)據(jù)記錄均包含文獻作者、標(biāo)題、摘要、參考文獻等完整信息。

1.2 研究方法

文獻計量學(xué)方法具有定量測量、過程透明、可擴展性強等優(yōu)點,有助于剖析領(lǐng)域或行業(yè)的演化路徑和發(fā)展趨勢,為信息管理、科技管理、工程研究等領(lǐng)域提供了新的思路[14-15]。CiteSpace是多維動態(tài)可視化知識圖譜分析工具,用于分析科學(xué)知識的結(jié)構(gòu)、規(guī)律和分布特征,依據(jù)關(guān)鍵詞時間序列的聚類、共現(xiàn)、頻次分析結(jié)果,可視化顯示知識領(lǐng)域結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、密度結(jié)構(gòu)、演化與合作[16-17]。本研究使用文獻計量法與知識圖譜相結(jié)合的分析方法,對數(shù)字工程領(lǐng)域的文獻進行時間線程、多元呈現(xiàn)的文本挖掘與引文分析,結(jié)合可視化知識圖譜進行網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)和聚類分析,探尋數(shù)字工程領(lǐng)域的研究熱點和前沿動態(tài)。

2 文獻計量結(jié)果分析

2.1 發(fā)文量時間分布

論文發(fā)表數(shù)量的時間分布反映數(shù)字工程的研究進展和發(fā)展趨勢。如圖1所示為2000～2023年數(shù)字工程研究的總體發(fā)展態(tài)勢,年度發(fā)文量增長勢頭迅猛,但發(fā)文總量依舊不足,表明數(shù)字工程研究處于起步階段?？偟膩砜?數(shù)字工程發(fā)文量大致分為3個階段,2000～2015年發(fā)文量僅維持個位數(shù)的小幅增加,文章發(fā)表數(shù)量為101篇,占發(fā)文總量的32.27%,年均增速2.02個百分點;2016～2020年,數(shù)字工程的研究開始引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注,年發(fā)文量突破個位數(shù)進入緩慢增長階段,文章發(fā)表數(shù)為71篇,占發(fā)文總數(shù)的22.68%,年均增速4.54個百分點;2020年之后發(fā)文量迅速攀升,2022年達到發(fā)文頂峰57篇,預(yù)計2023年發(fā)文量將達到新的頂峰。

2.2 研究領(lǐng)域與期刊分布

從文獻所屬的研究領(lǐng)域看, 根據(jù)WOS文獻庫所提供的數(shù)據(jù),數(shù)字工程研究領(lǐng)域分布如圖2所示。結(jié)合圖2中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,工程學(xué)領(lǐng)域文獻數(shù)位居首位,達260篇。計算機科學(xué)和儀器儀表學(xué)科緊隨其后,發(fā)文分別為178篇和52篇。此外,數(shù)字工程的研究還涉及經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)、自動化控制、通信、建筑、數(shù)學(xué)、材料等多種學(xué)科方向。以上統(tǒng)計結(jié)果表明,隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字工程的研究具有多學(xué)科、跨領(lǐng)域的交叉特性。

圖2 研究領(lǐng)域分布

從文獻出版類型來看,數(shù)字工程316篇文獻發(fā)表在193種出版物上,且文獻的分布較為疏散。如表1所示為發(fā)文量前18的期刊,Annual IEEE Systems Conference 會議期刊以10篇的發(fā)文量位居第一,占總文獻的3.17%。 Applied Sciences Basel、Systems Engineering期刊均以7篇的發(fā)文量并列第二。Applied Sciences、IFIP Advances in Information and Communication Technology、Recent Trends and Advances in Model Based Systems Engineering三種期刊以6篇的發(fā)文量并列第三。

表1 研究領(lǐng)域與期刊分布統(tǒng)計信息

2.3 國家與所屬機構(gòu)分布

從文獻發(fā)表的所屬國家分析,如表2所示,美國以57篇發(fā)文量高居首位,德國和英國分別以35篇、32篇緊隨其后,而中國、日本、澳大利亞等國家的發(fā)文量次之。從以上統(tǒng)計可以看出,數(shù)字工程研究的第一梯隊集中在歐美發(fā)達國家,其中美國占據(jù)絕對優(yōu)勢。中國、日本等國家位居數(shù)字工程研究的第二梯隊,距歐美國家仍有追趕距離。從文獻所屬機構(gòu)分析,美國國防部和美國能源部發(fā)文量位居前兩位,分別發(fā)表文獻19篇和15篇,Deakin University和Stevens Institute of Technology發(fā)文量次之。國內(nèi)機構(gòu)僅吉林大學(xué)進入前15名,發(fā)文量為4篇。總體來看,發(fā)文量前四的構(gòu)均在美國,而發(fā)文量前十的機構(gòu)中,美國占據(jù)7個,德國2個,英國1個。

表2 國家與所屬機構(gòu)統(tǒng)計信息

從文獻基金資助情況分析,總資助機構(gòu)為119,排名前五的資助機構(gòu)如表3所示,美國國防部資助數(shù)為9,占總資助機構(gòu)的7.56%,位居第一;其次,美國自然基金資助數(shù)為8,占總資助機構(gòu)的6.72%,位居第二;UK Research Innovation和Engineering Physical Sciences Research Council機構(gòu)文獻資助數(shù)量均為7,并列第三;European Commission緊隨其后,資助數(shù)量為5。Japan Society for the Promotion of Science、NASA等7個機構(gòu)均資助數(shù)均為3?？偟膩碚f,數(shù)字工程的基金資助機構(gòu)分布比較分散,但主要集中在美國、英國、日本、歐盟和德國等國家。

表3 文獻基金資助機構(gòu)統(tǒng)計信息

3 共現(xiàn)知識圖譜分析

通過主題詞共現(xiàn)知識圖譜分析,可以清晰顯示出研究領(lǐng)域內(nèi)主題之間的相互合作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。CiteSpace軟件參數(shù)閾值設(shè)置為:時區(qū)為2000～2023年,時間切片1年;分析對象分別選擇作者、機構(gòu)和文獻,節(jié)點閾值選擇每一時間片段中出現(xiàn)頻次最高的值。圖譜中節(jié)點大小與發(fā)文量成正比,節(jié)點連線粗細與合作強度成正比,節(jié)點的年輪表示發(fā)文時間順序。

3.1 作者共現(xiàn)知識圖譜

作者共現(xiàn)知識圖譜顯示了文獻中作者與共同作者之間的相互聯(lián)系,構(gòu)建作者共現(xiàn)圖譜可以分析數(shù)字工程研究領(lǐng)域的重點團隊,揭示研究演變的認識論模式。本研究利用檢索文獻作者數(shù)據(jù),得到作者共現(xiàn)知識圖譜如圖3所示,圖譜中的節(jié)點總數(shù)為262,邊數(shù)為600。由圖3可知,節(jié)點間存在多種共現(xiàn)關(guān)系,說明目前已初步形成了多個數(shù)字工程研究團隊,且部分團隊之間存在一定的合作關(guān)系。基于WOS的關(guān)鍵詞檢索結(jié)果,在作者共現(xiàn)知識圖譜中,節(jié)點最大的作者為ANONYMOUS[18],共發(fā)表文獻46篇,主要研究方向為數(shù)字工程語義集成,同團隊作者還有REYMONDET、ALBER 、ANSOATEGULL、BRODD 等人[19]。發(fā)文量第二的作者為MADNI[20],共發(fā)表文獻11篇,該團隊關(guān)注數(shù)字工程集成與驅(qū)動方面的研究,同團隊作者還有FRIEDENTHAL[21]、MAIER[22]、ZIMMERMAN[23]、COLLOPY[24]、HUANG[25]等人。總的來說,核心作者在數(shù)字工程方面進行了大量研究,其研究動態(tài)表征了數(shù)字工程領(lǐng)域的研究重點與前沿。

圖3 作者共現(xiàn)知識圖譜

3.2 機構(gòu)共現(xiàn)知識圖譜

為反映各機構(gòu)間開展合作研究的密切程度,繪制數(shù)字工程研究機構(gòu)共現(xiàn)知識圖譜如圖4所示,圖譜中節(jié)點總數(shù)為150,邊數(shù)為145。由圖4可知,節(jié)點分布較為分散,少部分節(jié)點分布密集且機構(gòu)間存在一定合作關(guān)系。機構(gòu)間的合作有利于知識成果的共享,也有助于數(shù)字孿生領(lǐng)域研究向廣度和縱深推進。值得關(guān)注的是,圖譜的邊緣分布多個單獨節(jié)點,暗示了目前數(shù)字工程的研究已經(jīng)具備了一定的熱度,呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢,因此,數(shù)字工程后續(xù)研究的持續(xù)度可期。

圖4 機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

發(fā)文量最多的研究機構(gòu)為史蒂文理工學(xué)院(Steven Institute of Technology),共發(fā)表文獻10篇,且與美國國防部(United States Department of Defence)、美國海軍(United States Navy)、喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute Technology)等5所機構(gòu)保持合作關(guān)系。出現(xiàn)頻次第二高的機構(gòu)為Dekin University,發(fā)表文獻7篇,僅與伊朗科技大學(xué)(Iron University Science &Technology)保持合作。此外,出現(xiàn)頻次較高的機構(gòu)有德國的弗勞恩霍夫協(xié)會(Fraunhofer Gesellschaft),美國能源部(United States Department of Energy)、美國愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)。以上分析表明,美國在數(shù)字工程領(lǐng)域的研究機構(gòu)布局廣,重點部署航空航天、空軍、海軍、武器裝備等系統(tǒng)數(shù)字工程研究。

3.3 文獻共被引知識圖譜

文獻共被引是指兩篇參考文獻被同一篇文獻引用的現(xiàn)象,是衡量學(xué)術(shù)影響力的關(guān)鍵指標(biāo)之一,據(jù)此可通過追溯文獻知識圖譜揭示與主題相關(guān)的文獻演變歷程[26]。通過對文獻共被引知識圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點以及高被引文獻的分析,進一步聚類分析,梳理出重要的研究主題。文獻共被引知識圖譜如圖5所示,圖中節(jié)點大小與被引頻次成正比,節(jié)點之間的連接表明共引強度。表4列出了圖5中被引頻次高的文獻。結(jié)合圖5可視化分析,數(shù)字工程研究的被引文獻總體分布比較渙散,時間分布主要集中在2017～2021年,被引文獻大致分為基于系統(tǒng)工程(System Engineering)和基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)兩個主題?；谙到y(tǒng)工程研究主要包括:2019年BONE 發(fā)表的文獻[28]和2019年DULLEN發(fā)表的文獻[30]。在MBSE研究中,2018年MADNI 發(fā)表的文獻[27]被引頻次最高,其次為2019年MADNI發(fā)表的文獻[29],以及2021年HENDERSO發(fā)表的文獻[32],旨在描述數(shù)字工程解決具體技術(shù)問題的實現(xiàn)途徑。

表4 文獻被引統(tǒng)計表

圖5 文獻被引網(wǎng)絡(luò)圖譜

4 數(shù)字工程研究演進

4.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜

關(guān)鍵詞是文獻研究內(nèi)容的高度濃縮,代表著研究的前沿?zé)狳c主題,因此通過對關(guān)鍵詞的詞頻進行統(tǒng)計和分析,可以得到該研究領(lǐng)域的熱點主題。通過CiteSpace進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,選擇分析對象Keyword,關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜如圖6所示。對數(shù)字工程研究的高頻詞以及重要共現(xiàn)詞進行統(tǒng)計,結(jié)果如表5所示,其中,出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞有Digital Engineering、Design、Digital Twin、MBSE、Model、Augmented reality、System、Adoption等。以上表明數(shù)字工程研究的重點聚焦于MBSE、System Engineering、Digital Twin等方向,與共被引研究主題聚類圖譜中的分析結(jié)果相一致。重要共現(xiàn)詞有Framework,表明數(shù)字工程在模型框架及設(shè)計等方面也有一定的研究。此外,Augmented Reality詞出現(xiàn)的頻次也較高,且與Digital Twin、Augmented Digital Engineering、Virtual Reality等關(guān)鍵詞都存在重要共現(xiàn)關(guān)系,表明虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字工程研究中的作用也得到了廣泛的關(guān)注。

表5 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)信息

圖6 關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜

4.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)分析

運用CiteSpace時區(qū)圖功能,得到數(shù)字工程研究的時間進程,如圖7所示。根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間設(shè)置不同時區(qū),所處位置隨時間軸依次向右,且關(guān)鍵詞字體的大小代表了頻次高低。由圖7可知,2000年左右數(shù)字工程研究有一波浪潮,但領(lǐng)域的發(fā)文僅局限于基于計算機輔助的的文本設(shè)計。2010年出現(xiàn)Knowledge、Framework等關(guān)鍵詞,數(shù)字工程的研究逐漸轉(zhuǎn)向基于知識的框架模型研究。2015～2020年出現(xiàn)Model-Based Engineering、Artificial Intelligence、Integrated Design、Industry 4.0等關(guān)鍵詞,表明數(shù)字工程在基于模型設(shè)計、集成設(shè)計等方面的研究得到學(xué)者的關(guān)注。2020年之后出現(xiàn)MBSE、Digital Twin、Knowledge Reuse、Machine Learning等關(guān)鍵詞,數(shù)字工程進入新階段的研究浪潮,關(guān)鍵詞明顯增多且廣泛,研究熱度持續(xù)上升,數(shù)字工程研究逐漸與數(shù)字孿生、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合,以及涉及基于增強現(xiàn)實的交互設(shè)計研究。

圖7 關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖

5 結(jié)束語

數(shù)字工程集成數(shù)字技術(shù)和模型化方法對工程進行數(shù)字化改造,實現(xiàn)從基于傳統(tǒng)工程模式到數(shù)字工程的范式升級,有助于工程領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級。本文以WOS數(shù)據(jù)庫檢索的數(shù)字工程領(lǐng)域的文獻為來源數(shù)據(jù),對數(shù)字工程的研究進展、文獻信息挖掘、文獻主題共現(xiàn)以及研究演進趨勢等方面進行了可視化圖譜分析,主要結(jié)論如下:

(1)研究進展方面,數(shù)字工程的研究大致可分為3個階段:第一階段為萌芽期(2000～2015年),計算機輔助設(shè)計、三維建模與仿真技術(shù)以及系統(tǒng)工程等理論技術(shù),加速了數(shù)字工程理論的形成;第二階段為起步期(2016～2020年),基于模型的工程、人工智能、集成設(shè)計、工業(yè) 4.0等新興技術(shù)的引入,發(fā)文量逐漸增多但研究領(lǐng)域比較分散;第三階段為加速增長期(2020年至今),發(fā)文量迅速攀升且研究熱度逐年遞增,借助MBSE、數(shù)字孿生、機械學(xué)習(xí)、增強現(xiàn)實等技術(shù),不斷深入和延展數(shù)字工程研究領(lǐng)域。

(2)文獻信息挖掘方面,數(shù)字工程領(lǐng)域文獻主要分布于涉及工程學(xué)、計算機科學(xué)、管理學(xué)等20個學(xué)科方向,發(fā)表期刊涵蓋193種出版物;美國發(fā)文量高居首位,德國、英國次之,中國、日本、澳大利亞等國家位列其后。分析表明,數(shù)字工程具有多學(xué)科交叉特性,歐美國家投入的研究資助力度大,且取得的研究成果豐碩。

(3)主題共現(xiàn)方面,核心作者比較分散,初步形成多個數(shù)字工程研究團隊,少部分機構(gòu)間存在一定合作關(guān)系,但文獻被引頻次差距不明顯,表明目前數(shù)字工程的研究已經(jīng)具備了一定的熱度和參與度。

(4)演進趨勢方面,數(shù)字工程研究所觸及的領(lǐng)域正逐步拓寬,數(shù)字工程與MBSE、Digital Twin等技術(shù)的融合已成為未來的發(fā)展趨勢。此外,鑒于目前數(shù)字工程研究仍處在起步期,尚缺乏模型標(biāo)準(zhǔn)化與跨學(xué)科模型集成的理論體系,數(shù)模精度難以滿足數(shù)字工件需求,以及數(shù)字工程在產(chǎn)品生命周期的數(shù)模傳遞一致性失衡等一系列問題。

為提升工程實踐水平和優(yōu)化工程理論體系,數(shù)字工程在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級起到關(guān)鍵作用,結(jié)合上述文獻計量分析,數(shù)字工程未來的研究重點將集中在以下方面:

(1)以集群創(chuàng)新模式為引擎,推動產(chǎn)品全信息數(shù)智融合

新一代信息技術(shù)正加速數(shù)字變革和數(shù)字轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新融合新模式,需要聯(lián)合軍政產(chǎn)學(xué)研各界優(yōu)勢力量,融合MBSE、數(shù)字孿生、數(shù)字線索等數(shù)字化前沿技術(shù)[35],開展多群體、多學(xué)科、多業(yè)態(tài)交叉互融的集群創(chuàng)新研制模式,推進全級次、全過程的數(shù)據(jù)治理與服務(wù)應(yīng)用,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)高效處理與深度融合的全信息匯聚融合。

(2)以數(shù)字化采辦為目標(biāo),指導(dǎo)數(shù)字模型體系構(gòu)建

傳統(tǒng)煙囪式采辦模式正向以模型-數(shù)據(jù)為核心的新采辦范式轉(zhuǎn)變[36]。基于模型的系統(tǒng)工程是推行數(shù)字工程的核心,加快構(gòu)建設(shè)計-制造-交付-運維等數(shù)字樣機/數(shù)字裝備模型體系,實現(xiàn)數(shù)字模型在數(shù)字化研制全流程、全環(huán)節(jié)的貫通和可重用,支持以數(shù)字模型系統(tǒng)工程為核心的裝備采辦新范式。

(3)以數(shù)字化需求為導(dǎo)向,強化服務(wù)平臺研發(fā)能力

平臺工具是實現(xiàn)數(shù)字工程的核心支撐,研究面向產(chǎn)品需求的系統(tǒng)功能動態(tài)重構(gòu)、軟件定義與語義封裝,實現(xiàn)跨平臺、跨階段、跨語言的集成服務(wù)平臺,形成以數(shù)據(jù)模型為核心的規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品自主研制平臺工具體系。