劉亞威 | 管窺美軍數字工程戰略——迎接數字時代的轉型

原標題：劉亞威 | 管窺美軍數字工程戰略——迎接數字時代的轉型

美軍系統工程部門自2016年起，在越來越多的場合中提到「數字工程」和數字工程戰略，認為第四次工業革命是數字時代，實施數字工程將成為美軍迎接數字時代、完成數字轉型的關鍵。不過，美軍始終未公開這個「數字工程戰略」的真面目，筆者將盡量從側面對其進行一次解讀，管窺該戰略的重要內容。

一、美軍數字工程的轉型背景

數字工程（Digital Engineering）是一種集成的數字化方法，使用裝備系統的可信數據源和模型源作為壽命周期中的連續統一體，支撐從概念到報廢處理的所有活動。美軍認為，傳統的建模與模擬、基於模擬的採辦、基於模型的系統工程是第三次工業革命信息技術發展的產物，當今世界處於第四次工業革命，以數字化連接的端到端複雜組織體（Digitally Connected End-to-End Enterprise）將代替基於電子和IT的自動化成為核心，數字化登上舞台中央，推進數字工程正是最佳時機。美軍推進數字工程旨在將以往線性、以文檔為中心的採辦流程轉變為動態、以數字模型為中心的數字工程生態系統，使美軍完成以模型為中心謀事做事的範式轉移。

美軍提出當今需要推行數字工程（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

未來，各國軍隊都將面臨一系列挑戰：作戰和威脅環境動態變化，裝備系統複雜度和無法接受的風險大幅增加，成本超支和能力交付延遲困擾作戰部隊；需要超越快速變化的威脅和技術進步，更快地向作戰部隊交付先進能力，同時更具經濟可承受性和持續保障性，並且培養一個創新的文化。當前，線性的採辦流程缺乏敏捷性和彈性，採辦人員使用「豎煙囪」方式建設的基礎設施、環境和孤立的數據源在壽命周期中支撐各種採辦活動，溝通、協同和決策通過靜態、不相連的文檔完成並且需要解釋，採辦實踐依賴單學科模型，並且無法跟上創新和技術進步的步伐。同時，美軍「更加購買力3.0」要求通過創新、技術優勢和質量獲取支配性的能力，提升效率、生產力和軍事能力；「第三次抵消戰略」要求擴展美國具有經濟力的技術和作戰優勢，聚焦在新能力開發和部署上更具效率，加速超過對手的創新。

美軍在這些挑戰和要求面前，認識到了自身採辦流程的問題，從2015年起決心實施數字工程轉型。2015年8月美軍成立數字工程工作組，各軍種、國防部機構、航空航天局等相關政府部門、國防工業部門、系統工程組織等共同研究討論推進事宜，並於2016年11月制定數字工程教育與培訓課程，提出了數字工程戰略目標。根據美軍數字工程路線圖，2017年12月，美軍將正式發布數字工程戰略文件，2018年6月完成政策和指南的更新，並於2019年12月開始將數字工程轉移到採辦流程中使用。

二、美軍數字工程戰略的實施現狀

2015年8月美軍成立數字工程工作組，陸海空三軍、國防信息系統局、國防後勤局、導彈防禦局等國防部成員、航空航天局等相關政府部門、國防工業部門、系統工程組織等共同研究討論推進事宜，制定了數字工程路線圖。路線圖給出了數字工程推進7個成熟度等級，分別是啟動；知曉——促進各級組織的認知；理解——推動組織內工作人員的理解；初始使用——執行試點計劃，參與各項目；內部消化——制定指令、政策和指南以促進實例化使用；採納——在工程和採辦實踐中擴展已成形的各類變化；制度化——持續保障轉型的發生。截止到2017年10月，美軍數字工程推進工作已經處於4級到5級之間，完成了若干計劃，正準備更新政策指南。根據美軍數字工程路線圖，2017年12月，美軍將正式發布數字工程戰略文件，2018年6月，完成政策和指南的更新，並且開始在項目中對數字工程應用實施評價，2019年12月，美軍開始將數字工程轉移到採辦流程中使用。

美軍數字工程路線圖（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

2016年，美軍提出了數字工程戰略目標，五大戰略目標是：規範模型的開發、集成和使用以支撐複雜組織體和計劃/項目的決策；提供一個可信的單一真相源；融入技術創新以提升工程實踐；建立支撐的基礎設施和環境以在利益相干方中實施各項活動、協同和溝通；轉型為一種文化，工作人員接受並支持跨壽命周期的數字工程。數字工程戰略將聚焦7項任務：定義、實施、政策和指南、工作人員發展、合同簽訂、衡量準則、轉型管理。同年11月美軍制定了數字工程教育與培訓課程，包括數字工程概念、為數字工程生態系統做準備、面向採辦的考慮、使用數字技術物獲得一致性、案例5門課程，為美軍各層級相關人員理解數字工程轉型提供支持。

美軍數字工程生態系統全視圖（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

2017年4月，美軍給出了數字工程支持國防部採辦的完整視圖，可以看到，數字工程生態系統涵蓋了系統工程的技術流程和技術管理流程，核心是貫穿裝備系統始終的數字系統模型、數字線索和數字孿生，支撐對成本、進度和性能、經濟可承受性、風險和風險降低策略分析，並且與工程知識管理交互，利用工程標準、需求數據、設計和製造數據、試驗數據、供應數據、使用數據、維護數據、工程能力資料庫，將組件和系統的多領域、多物理、多層級的構建於虛擬分析工具組合，可基於工程數據運行以支持採辦和保障，從而支撐成本分析、需求、經得起推敲的成本/進度/性能權衡，以及系統工程技術評審和採辦里程碑決策。

美軍數字工程支持採辦的完整視圖（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

三、美軍推進數字工程的相關計劃

在推進數字工程過程中，美軍將之前啟動並仍在實施的一些計劃納入到數字工程戰略的整體工作中來，包括了幾大前沿技術計劃，如數字系統模型計劃、工程彈性系統計劃、數字線索計劃、飛行器機體數字孿生計劃、自適應運載器製造計劃等；以及建立支撐的基礎設施和環境的計劃，如高性能計算現代化計劃的計算研究和工程採辦工具與環境項目、系統工程研究中心以模型為中心的研究和協同環境項目、國防部牽頭的數字製造與設計創新機構的數字製造社區計劃等。其中，最典型的是數字線索/飛行器機體數字孿生計劃、工程彈性系統計劃和計算研究和工程採辦工具與環境項目。

美空軍在2013年發布的《全球地平線》頂層科技規劃文件中，將數字線索（Digital Thread）和數字孿生（Digital Twin）視為「改變遊戲規則」的顛覆性機遇，並從2014財年起組織洛克希德?馬丁、波音、諾斯羅普?格魯門、通用電氣、普拉特?惠特尼等公司開展了一系列應用研究項目，已陸續取得成果。其中，諾格公司主持的F-35中機身製造數字線索項目獲得了2016年度美國國防製造技術獎。數字線索旨在通過先進的建模與模擬工具建立一種技術流程，提供訪問、綜合併分析系統壽命周期各階段數據的能力，使軍方和工業部門能夠基於高逼真度的系統模型，充分利用各類技術數據、信息和工程知識的無縫交互與集成分析，完成對項目成本、進度、性能和風險的實時分析與動態評估。數字線索的特點是「全部元素建模定義、全部數據採集分析、全部決策模擬評估」，能夠量化並減少系統壽命周期中的各種不確定性，實現需求的自動跟蹤、設計的快速迭代、生產的穩定控制和維護的實時管理。美空軍認為，系統工程將在基於模型的基礎上進一步經曆數字線索變革。美空軍計劃在E-8對地監視與攻擊指揮飛機替換、T-X高級教練機、遠程防區外空射核巡航導彈等重要採辦項目中推廣應用數字線索。

美空軍數字線索支撐飛行器壽命周期決策（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

工程彈性系統（Engineered Resilient Systems，或稱為「強韌」）是美軍7個科技優先計劃之一，由各軍種、國防高級研究計劃局負責，各軍種系統司令部、中心和研究實驗室組成了技術團隊。工程彈性系統是一個不斷發展的框架，是支持採辦所有階段的、可信的集成計算環境，致力於實現數據驅動的決策。彈性系統的4個關鍵屬性是：擊退/抵抗/吸收，恢復，適應，廣泛的功用。美軍對彈性系統的要求是：在各種任務的環境中是可信的和有效的，通過重新配置和/或更換很容易使用其它任務環境，可預測並且可緩解功能故障。目前，美軍和國防工業部門正在使用高性能計算資源，用驗證模型和模擬復現基於物理特性的交互並預測裝備系統功能，從而預測可能影響任務執行的背景環境，對這些模型和模擬生成的數據評估並形成裝備方案權衡，以確定一個系統提供所需能力的風險，以及確定系統是否可以保留並表現出足夠的彈性來保證系統的採辦和部署。工程彈性系統能夠加強需求生成和備選方案分析流程，並且在權衡過程中提供壽命周期「情報」，通過權衡分析實現有充分依據的決策，在更少時間內「可視化」更多設計的權衡。

工程彈性系統支撐數據驅動的決策（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

在數字線索和工程彈性系統計劃的背後，是美軍多年來在高性能計算現代化計劃中實施計算研究和工程採辦工具與環境項目。為刺激重大國防系統的採辦並降低成本、時間和風險，美軍啟動了該項目，目標是開發和部署基於物理特性的高性能計算軟體應用程序產品，通過高逼真度虛擬樣機的構建和分析，以設計和分析軍用飛行器、艦船、地面車輛和射頻天線系統。2016年，該產品實現商用，截止到2016年6月，美軍各軍種、國防機構、國防工業部門以及大學等有129個組織正在使用它。空軍在該產品及基於體系工程方法的「情報、監視與偵察多解析度分析器」基礎上，應用下一代加油機構型，根據流程執行了數字線索互用性研究；空軍針對高性能飛行器靜態和動態穩定性和控制特性的確定，利用該產品開發了通過試驗設計設置最少的數據點從而縮短整個風洞試驗周期的方法，並使用F-22戰鬥機驗證。

工程彈性系統架構路線圖中的計算研究工程採辦工具環境（中國航空工業發展研究中心劉亞威編譯）

四、結束語

美軍推進數字工程，打造數字工程生態系統，將使現有的工程學科提升為一個基於模型的綜合化方法，充分利用數字化的進展和技術創新，使美軍整體收益。未來，美軍的數字工程生態系統連接裝備系統的數據源和壽命周期的模型，提供可信的單一真相源；美軍將使用數字化的環境、流程、手段、工具和數字技術物，支持裝備系統的規劃、需求、設計、分析、驗證、確認、使用和持續保障，進一步支撐「更加購買力3.0」、「第三次抵消戰略」等的實現。

劉亞威先生已為《空天防務觀察》提供52篇專欄文章，如下表所示：

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（中國航空工業發展研究中心劉亞威）

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