美军数字工程建设发展研究及启示.pdf
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1、引用格式:卫旭芳 刘彬.美军数字工程建设发展研究及启示.航空兵器 ():.():.()美军数字工程建设发展研究及启示卫旭芳 刘 彬(.中国空空导弹研究院 河南 洛阳 .陆装驻洛阳地区航空军事代表室 河南 洛阳)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
2、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:文献标识码:文章编号:():./.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 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
3、 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 数字工程的发展与现状.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
4、 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()战略.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()于 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
5、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 世纪 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()是美国国防部于 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收稿日期:作者简介:卫旭芳()女 河南孟津人 博士 高级工程师 年第 卷第 期 年 月 航空兵器 .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 技术支持采办过程 包括促进 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 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
6、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 都是 的成功应用进入 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()是系统工程()与建模仿真技术融合发展的阶段产物 提供了实施工程的方法过程和手段 建模与仿真技术是 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
7、(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)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 为代表的一系列装备项目中开展 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 年开始推行数字工程()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 数字孪生相关概念设想出现较早 年 密歇根大学 教授提出“镜像空间模型”年前后 美国国家航空航天局()和 先后书面提出“数字孪生”概念 年 和 合作共同提出了未来飞行器的数字孪生体
8、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 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()和数字孪生()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 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 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.发展现状.美国空军的数字化转型情况数字
9、工程战略正式发布后 美国空军加紧策划实施数字化转型 年 月 美国空军发布工程组织路线图()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 年 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 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 年 月 美国空军提出“数字战役”()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 年
10、月 美国空军装备司令部宣布发起“数字战役活动”(计划 月举办首次“数字战役虚拟工业交流日”)年 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 年 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 年 月 美国空军寿命周期管理中心授予雷神、通用、技术、诺斯罗普格鲁曼、洛克希德马丁等 家企业一份总金额上限高达 亿美元的不定期交付/不确定数量合同()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 预计 年 月完成 这表明未
11、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 此外 美国空军成立敏捷创新机构 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”.美国海军的数字化转型情况 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 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:()数字模型构建与应用()数字资源管理授权()融合应用创新技术()建设数字生态环境()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
12、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.美国陆军的数字化转型情况美国陆军 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 和 两卫旭芳 等:美军数字工程建设发展研究及启示个阶段的现代化目标 年 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 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
13、先级 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 数字工程的内涵探究.数字工程的定义及目标.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
14、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.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.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
15、采办复杂性的有效管理为目标具体措施包括但不限于:()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()采取敏捷实践以快速创建和部署增量解决方案 建立 工厂推动软件开发()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()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()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()以实现及时、可靠和多层次的安全访问 实现敏捷采办()开发体系架构 基于威胁和作战效果开展作战优化设计
16、.数字工程的特点基于“建模与仿真技术”“基于仿真的采办”“基于模型的系统工程”等技术基础 数字工程形成了新时期数字化技术发展的概念总结 新时期的数字工程是以数字化连接的端到端复杂组织体运行 其典型特点体现在:()数据管理端到端 装备生命周期的不同阶段工程数据交换要求也不同 数字工程通过数字新技术的应用 实现不同阶段、全寿命周期的工程数据灵活管理有效克服烟囱式问题()模型体系端到端 根据产品研制进程 遵从标准化、规范化要求 设计建立面向生命周期不同阶段的数字模型体系 并以数字模型为基础 产生权威数据源支撑采办决策()数字基础设施与工具软件端到端 围绕装备研制、工程管理等方面构建面向全寿命周期应用
17、的数字基础设施和环境()广泛吸取民用商业领域在开放式系统架构、技术标准化、系统模块化以及敏捷软件开发等先进经验并应用推广 以降低成本、促进创新()加速新技术应用以提升工程能力 如大数据分析、人机接口、数据可视化、计算机技术、基于物理的模型、数字样机、数字孪生、打印、新兴技术、人工智能、云计算、虚拟现实等.数字工程的内涵剖析数字工程是原有建模与仿真、基于模型的系统工程的新的发展阶段 数字生态的构建使基于模型的采办变为现实 敏捷开发、开放式系统架构、数字孪生等都是数字工程典型特征.数字化技术扩展 到新阶段数字工程涵盖了系统工程 最终目的是实现数字化敏捷采办 数字工程将实现物理特性模型与 集成此外
18、需求、技术审查、架构设计等都将以基于模型的方式实现 最终将以全数字化的方式执行基于模型的系统工程 可看作是 的数字化应用新阶段 国防系统的工程包括任务工程和系统工程 数字工程支撑了任务工程、系统工程的技术流程和技术管理流程转型 其次数字工程通过将物理系统模型与 集成来实现不同系统数据的互联互通 克服了传统 的烟囱问题传统的 和 基于不同平台实现 而模型和平台的耦合度、平台自身独立性 导致基于模型的工程中烟囱问题的存在 而数字工程的挑战就是通过互联互通完成数据管理数字工程更新了系统工程实践和采办实践 通过计算技术、建模、分析学和数据科学的极致运用 将增进人、组织、工作成员的沟通 增加对设计适应性
19、的理解共享设计能力预期、进度信息 提升工程效率 提供更有洞察力的决策.数字孪生与数字线索结合构建数字生态装备数字孪生来源于设计阶段产生的物理模型 在航空兵器 年第 卷第 期制造和使用阶段不断完善其完整性和精确度 最终形成数字孪生体 装备数字孪生体是对物理实体的虚拟描述面向装备全寿命周期 对应于装备物理实体数字模型同时具备从物理空间向信息空间的双向连接数字线索提供访问、综合并分析系统生命周期各阶段数据的能力 可看作是一种可扩展、可配置、复杂组织体层级的分析框架 数字线索将面向全周期组织业务数据 构建结构化业务流程 将分析方法内化形成应用工具 连接产品全生命周期各个阶段孤立功能视图 形成一个集成视
20、图 从而实现在正确时间内将正确信息传递到正确的地方 在产品生命周期各环节及时沟通关键数据 完成模型流动、重用、反馈 运用数据线索可增强产品设计商、制造商、供应商、运维服务商和用户之间的沟通 使相关成员共享业务和技术过程数据 促进项目人员对项目的理解 实现对项目进度、研制风险实时分析动态评估 数字线索的特点可概括为:“全部元素建模定义、全部数据采集分析、全部决策仿真评估”利用数据线索提供的能力可进行精准需求分析与追踪 促进设计快速迭代 保障精益生产 支持交付产品的动态维护 以量化方式减少不确定性 在系统的全生命周期做出有充分依据的决策数字线索提供数字孪生接入数字通道的方法 融入数字孪生体模型及过
21、程数据 因此需要制定相关领域框架标准 以完成接口及数据、信息在数字线索通道中流动和交换 数字线索依托数字基础设施和建模仿真工具建立沟通框架 将历史数据、当前信息甚至预测知识集成并促进领域模型的整体分析 所有利益攸关方均可参与 在保护知识产权的同时 使得知识重用最优化.数字系统模型保障数字工程权威数据源数字系统模型具备规范化和全面性 以适应数字孪生及全周期应用等需求 数字系统模型覆盖系统全生命周期 由各个研制厂商生成 数字系统模型是对一个装备系统的数字化表达 对系统进行全面定义 应涵盖需求分析、工程研制、生产制造、使用保障等各个阶段 根据产品研制进程 设计并建立面向生命周期不同阶段的数字模型体系
22、 包括使命任务模型、需求模型、系统模型、设计模型、专业工程模型、制造模型、验证与确认模型、产品保障模型以及管理模型等 需要制定标准规范约束模型开发、集成和使用 如明确模型的技术数据包规范和完善不同领域模型接口的创建与更新 统一不同厂商使用模型的视图表达基于数字系统模型进行统一数据源管理 保证数据的权威性的同时更好地支撑采办决策 研制厂商生成并保证数字系统模型的权威性 数字系统模型以系统工程流程为指导来集成产品数据、算法及信息 涵盖基线状态、当前状态 并能不断演进 通过模型迭代建立新旧版本、需求与实现间的数据链接 通过模型数据需求追踪使设计活动留存 权威数据源如图 所示数字系统模型的终极形态是数
23、字孪生 由数字线索使能 数字孪生是物理孪生体的镜像 对系统进行多物理、多尺度和概率性的集成仿真 实现生命周期活动性能预测 数字孪生继承物理模型特性 通过传感器数据建立人工智能机器学习 形成可动态演进、实时更新的知识模型 支撑物理产品全周期活动决策图 权威数据源.实施敏捷开发提升创新力数字工程中将采用敏捷开发、(开发、安全和运维一体化)来提升创新力 年 美国具有代表性的 猛禽项目就开始采用更现代化的敏捷开发方法获取软件 年 美军对 猛禽项目进行评估 发现若 采办过程采用传统 模型 改装至少需要 年才能交付 这显然无法接受 故建议 软件开发团队采用现代敏捷软件开发过程 年 月 项目办公室将 和 项
24、目重组为单一的敏捷开发流 进行敏捷开发实践 年 美国国防战略提出采取流畅、迅速、迭代的措施 提高采办体系的反应速度 年 月 美国国防科学委员会在“防务系统软件设计与采办”研究项目中 提出设立软件工厂、进行机器学习监管验证与确认等 项建议 年 在国防授权法案推动下 设立了国防部软件采办部长特别助理负责软件采办 并开始“软件采办与实践”研究 年 月“软件采办与实践”研究项目提出关于软件采办 项建议 包括要在美军全面推进 并制定了实施计划目前 美国国防部要求国防部项目的软件开发要按照 来进行 并实施基于 举措的“软件工厂”建设 美国空军也建立了多个敏捷软件项目 在新的 及 升级、数字化百系列项目中都
25、已经开始应用 美国空军成立的敏捷创新机构 广泛融合美国创新生态中的非传统力量学习和跟随民营企业 以更快地寻求解决方案、加强创新 目前 其采用形式有举办行业挑战赛、成立样机研制工作室、召集行业精英创新构想设计思维 跨工业界、学术界及政府合作 如与 等战略合作加强人工智能、增材制造、机器人、/、区块链等技术应用 提升创新能力 借鉴商业 领域的先进研发模式与敏捷开发流程 包含版本控制、持续集成、持续交付、持续部署、持续测试、持续运营、协作等要点 用建好的自动化流水线进行开发、构建、测试和部署 软件开发人员根据装备各个子系统功能需求快速生成计算机代码 对其进行测试、发布 随后立即征求反馈并改进 通过这
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