美军数字工程最新进展及趋势分析研究_陈建伟.pdf

2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期：2022-10-24；修回日期：2022-12-12 文章编号：2097-1974(2023)01-0153-04 DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20230130 美军数字工程最新进展及趋势分析研究 陈建伟，杨春雷，杨 亮，安珊珊，史旭升（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）摘要：系统研究美军数字工程战略对于企业开展数字化建设具有重要意义。从战略规划、模型构建、创新技术、支撑环境等方面对美军数字工程最新进展进行综述性分析，从理论体系、建模方法、数据应用、工具建设等维度研究提出美军推进数字工程发展趋势，并结合航天企业实际提出了具体的启示与思考。关键词：数字工程；数字模型；发展趋势 中图分类号：E7 文献标识码：A 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)Abstract: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.Key words:digital engineering;digital model;development trend 0 引 言 中国装备研制整体水平与美欧先进水平相比还存在差距，理念方法、共性基础性技术、研制手段等未能全面系统提升是重要原因之一。目前全球科技和产业竞争更趋激烈，各发达国家加紧实施数字化发展战略，抢占数字时代发展先机。美国国防部 2018 年 6 月发布数字工程战略全面推行数字工程转型，以期在装备发展模式上对他国形成代差优势。2022 年 8 月2 日至 4 日，美国空军数字化转型办公室牵头与戴顿大学、相关企业合作举办了数字化转型峰会，会议传递出美国防部正在寻求采用模型、数据、开放式架构和现代工具等“数字优先”的方法来构建武器装备全生命周期的网络-物理系统，加速推动美军数字化转型1。因此，深入研究美军数字工程的最新进展，对航天企业数字化建设具有重要借鉴意义。本文从战略规划、模型构建、创新技术、支撑环境等方面对美军数字工程进展情况进行综述性分析，从理论体系、建模方法、数据应用、工具建设等维度总结研究美军推进数字工程发展趋势，并结合航天企业实际提出了具体的启示与思考。1 美军数字工程最新进展分析 1.1 系统布局密集制定一系列战略实施规划 自美国防部发布数字工程战略以来，各军种陆续制定发布了一系列数字工程战略实施规划，系统布局加快推进实施数字工程。美国空军 2019 年 7 月发布数字空军战略白皮书，提出空军要从以平台为中心的作战转向以网络为中心的作战，将空军打造成一个利用集成数字环境，支撑装备全寿命周期活动的“数字组织”，并提出了 3条举措。美国海军 2020 年 6 月发布海军与海军陆战队数字系统工程转型战略，总体目标是实现从文档为中心的工程模式到以数字工程为中心的模式转变，提升海军装备采办系统效率、互操作性并进行升级，加快建设一支拥有数字化作战能力的综合部队，并提出了 5 条具体行动路线2。美国太空军 2021 年 5 月发布太空军数字化军种愿景，提出加快创建一支互联、创新、数字主导的太空部队，并提出对四大领域进行重点建设。美国陆军 2021 年 10 月发布了美国陆军数字化转型战略，提出加快建设一支数字赋能、数据驱动型陆军，并提出了 6 条具体行动路线。导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 154 1.2 加速构建基于模型一致连续权威传递的数字工程生态体系 美军通过高逼真度数字模型的开发、集成和使用，加速构建基于模型一致连续权威传递的数字工程生态体系，支撑装备全生命周期的工程活动和决策。2022 年 4 月 6 日，美军证实近日首次成功试射了高 超 声 速 吸 气 式 武 器 概 念 导 弹（Hypersonic Air-breathing Weapon Concept，HAWC），飞行试验创下了以超燃冲压发动机为动力的高超音速飞行记录。美军在HAWC项目每个阶段都建立了武器系统高逼真度的数字模型，所有研制流程都在数字模型中完成，飞行测试中模型性能和实际性能几乎“完全重叠在一起”。过去的设计流程是从一个模型中获取结果并将其输入到另一个模型中进行分析并逐级更新模型，这种流程交替往复且耗时。而现在将采用数字工程方法创建的机械模型、流体力学模型、热模型等所有模型都聚集在一起，实现连续传递并进行快速迭代。通过HAWC 项目验证了所有研制流程基于模型一致连续权威传递，可以将研发时间缩短 30%甚至更多，同时能够大幅简化实际飞行验证测试内容。1.3 系统开展数字工程创新技术应用 自数字工程战略发布以来，美军在装备研制各阶段开展了一系列数字工程创新技术应用，取得了一些重要进展。美军通过构建数字模型，开展基于高逼真度、多物理量、多专业的仿真分析及详细设计，提前识别装备生产、试验时可能存在的绝大部分设计缺陷和性能不足并进行迭代优化，显著加快了装备研制进程，大幅提高了产品工程质量和效率。以 T-7A 红鹰教练机为例，其研制过程充分采用数字工程技术及流程，仅用时 36 个月就完成从全新设计到验证机首飞，并将首批验证机的工程质量提高 75%、装配时间减少 80%。2022年 4 月 30 日，首架 T-7A 量产型教练机正式从波音生产基地出厂并交付，美国空军计划采购 351 架，该教练机也成为第一种获得“e”系列称号的飞机，即eT-7A3。1.4 持续投入数字工程核心支撑环境建设 近年来，美国国防部牵头持续投入并增强以计算研究与工程采办工具和环境（Computational Research and Engineering Acquisition Tools and Environments，CREATE）、工 程 弹 性 系 统（Engineered Resilient Systems，ERS）等为核心的数字工程基础支撑环境4，通过缩短周期、控制成本等不断提升装备研制综合优势。CREATE 是美国国防部 2008 年启动的一项为期 12 年的高性能计算项目，总投资 3.6 亿美元，其目标是开发基于物理特性的建模仿真软件，以支撑武器装备高效研制。目前已形成十几种软件工具，2022 年以来，美军应用 CREATE 取得了一系列重要成果，包括：采 用 CREATE 飞 行 器（CREATE Air Vehicles，CREATE-AV）工具开展未来垂直起降飞行器性能模拟及优化，采用 CREATE 舰船（CREATE Ships，CREATE-SH）工具开展了哥伦比亚级潜艇防撞建模，采用 CREATE 地面车辆（CREATE Ground Vehicles，CREATE-GV）工具开展下一代战斗车辆概念设计及评估等工作，推动数字工程重点项目更高效地决策和实施。ERS是美国国防部2010年启动的科技优先计划项目之一，它是一个不断发展的框架，支持采办各个阶段集成计算环境，实现基于数据驱动的决策5。2021年美国海军在未来水面作战舰艇项目中使用 ERS 进行成本和能力权衡分析，实现在可接受的成本范围内，达到舰艇所需具备的能力水平，减少原型制造时间和成本。2 美军数字工程发展趋势分析 2.1 注重理论体系创新和发展 美军一直注重从理论方法、工具、语言等方面成体系推动装备研制理论体系创新和发展。体系工程层面有国防部体系结构框架（Department of Defense Architecture Framework，DODAF），建 模 工 具 有Rhapsody 等，建模语言有统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）等。系统工程层面有基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE），建模工具有 MagicDraw、DOORS 等，建模语言有系统建模语言（Systems Modeling Language，SysML）等。DODAF 以“数据为中心”设计开发，主要目的是提供决策数据，强调组成产品的体系结构数据元素，而不只是体系结构产品。DODAF V2.0 中包含了全景视角、能力视角、数据和信息视角、作战视角、项目视角、服务视角、标准视角和系统视角等 8 种视图，并进一步分解为概念数据模型、逻辑数据模、物理数据模型、作战规则模型、系统规则模型、服务规则模型等 52 个模型，用于作为收集数据的模板6。MBSE 强调精确且完整的系统架构模型，通常使用 ISO/IEC42010、DODAF 进行组织，以数据、模型 陈建伟等 美军数字工程最新进展及趋势分析研究 155第1期 来驱动采办过程。MBSE 强调贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模，建立的系统模型既解决了项目经验积累和复用的问题，也通过多视角的系统顶层需求建模与系统架构建模，为复杂系统或体系的向下分解与及时验证提供了模型依据。MBSE 模型主要是系统内部运行规律的建模，对于系统与外部环境之间的交互建模，以及系统发展到体系级后，体系架构就主要采用 DODAF 标准7。2.2 高度重视建模方法研究 数字工程模型种类繁多、梳理庞大。使用基于模型的权威真相源的数字工程和一个共同的写作数据建模将使用在全生命周期的任何阶段可用的所有知识来改变系统开发。在充分利用可用的数字知识和数据分析，在设计、测试过程中引入了一种代理模型的方法。如在设计过程中引入数字代理模型进行制造和维护设计；在学习阶段，使用具有人工智能的交互式数字双胞胎进行系统的动态控制和系统知识更新，积累知识并实施到数字代理模型中，以提高下一个系统的性能。美军高度重视“代理模型”研究和应用，并形成模型成熟度评价体系。为了提供一个正式的训练方法来确保权威的数字代理模型的可信度，用于边缘与不确定度量化分析，一个成熟度等级的数字代理模型被引入。考虑到对系统工程的技术准备和系统准备水平进行量化的需求，定义了数字代理模型准备说的 9 点标度。以系统成熟度的技术准备水平来衡量权威数字代理真实模型的成熟度8。2.3 重视数据价值及应用 数据是美军进行数字现代化转型的基础，并且日益成为国防部流程、算法和武器系统的助推器。美军紧盯大数据发展机遇，出台了一系列战略文件加速军事数据建设，进而谋求以数据为中心的全方位军事优势。美国国防部发布的国防部数据战略强调将数据视为战略资产，提出要加快转变成“以数据为中心”的组织，将数据直接视为重要武器，通过快速和规模化数据应用来提升军事优势和作战效能，为美国国防战略和数字现代化战略提供重要支持9。为进一步推动美军数字化转型，改善其数据、信息技