美军数字工程建设发展研究及启示.pdf

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 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 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(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 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.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 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 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 通过这种快迭代的方式提升研发效率、缩短研发周期 技术栈如图 所示卫旭芳 等:美军数字工程建设发展研究及启示图 技术栈.开放式架构降本增效并加速新技术应用开放式系统架构()也是数字化、数字工程的典型特征之一 美国国防部效仿商业开放系统应用模式(如 智能手机、空客 开放式集成模块化航电设备等)提出采用开放的标准和接口增加竞争 从而加快新技术应用 是美国国防部的标准计划战略 愿景是实现采购产品和系统能够更高效协同工作 其目标为:显著节省或避免成本 加速进度和快速部署新技术 技术升级和更新 互操作、体系和任务集成等 倡导以模块化、标准化方式整合不同来源的技术 将给国防部采购系统带来巨大改变 具有模块化、开放式、标准化的特征()模块化:将复杂系统分割成松耦合的模块 隔离系统内更改()开放式:定义关键接口和架构 在制造商之间共享 引入竞争 降低成本 激励创新 便于集成、测试、升级()标准化:定义模块化系统的接口标准 制造商对模块和系统接口拥有知识产权保障系统能够跨系统重组 着力设计模块化接口通用性 呈现为一系列系统模块化标准 如用于军用航空武器系统与服务的“开放式任务系统”()用于飞机系统软件的“未来机载能力环境”()适用广泛的“电子硬件系统”/提高射频能力和灵活性的“模块化开放式射频架构”()网络平台内标准(/)软件定义无线电()框架/模块化开发标准套件(包括/等)“弹药开发框架”()等 美国陆军的未来武装侦察机项目 基于 进行开发 利用 标准套件 保障后续实现可渐进的模块化升级 美军未来垂直起降()计划要为有人和无人飞机开发通用“模块化开放系统架构”()以适应军方要求 保证产品与官方标准兼容 实现供应商组件可灵活更换.通过数字生态实现基于模型的采办在数字工程时代 基于模型的采办取代基于仿真的采办()基于模型的采办()是美军将数字工程和数字模型应用于国防项目全寿命周期管理的一种新的采办模式 基于模型的采办将以动态的数字模型为中心 将模型和数据作为项目寿命周期中的连续统一体 开展概念提出、方案论证、立项、设计、研制、试验、签订合同、生产、部署、后勤保障和退役处理等一系列活动的采办过程 利用模型的优势体现在:可使表达想法或概念更清晰 无歧义 增强双方之间的沟通 实现对设计系统性能的预测 分析验证问题所在 辅助进行系统修正 利用数字孪生技术 构建物理产品的虚拟镜像“数字孪生体”从而精确模拟、实时预测和精准调控物理实体全寿命周期活动 对其进行扩展维护 数字工程时代兴起的基于模型的采办 动态弹性敏捷有效 基于数字生态系统 获得了快速应对新作战环境和新威胁的能力.布局研发系列化工具软件助力数字化基础设施建设数字工程时代 美军将持续推动和构建面向全寿命周期的数字基础设施与环境 如美军在 年开始的“计算研究与工程采办工具环境计划”()基于虚拟化及权衡分析技术 构建超级计算能力与数字工程活动基础设施 年启动的“工程弹性系统”()致力于构建基于物理模型的工程设计工具 是美军“高性能计算现代化计划”()的子项目 针对概念设计和武器装备系统研制 通过开发和部署基于物理特性的高性能计算软件 显著提高工程设计和分析环节服务 在该计划支持下开发了一系列支持快速设计的软件工具集和平台 涵盖飞行器设计、射频天线设计、网格处理设计等方面十多种软件工具 可在提供具有高用户友好性的同时辅助开展协同分析与设计工作 开发部署了基于物理特性的工程软件工具 用于武器装备设计、测试和分析计算 作为数字基础设施为军方所使用 是美军打造的基于物理模型的工程设计工具 开发了决策支持方法和权衡空间工具集的框架 具有开放的、不断进化的特点 形成了支持采办全阶段的通用环境 具备共享和协作的能力 通过框架接口与国防采办程序连接 可让采办团队在整个系统的生命周期中利用 框架来实施弹性工程 将先进工程技术与高性能计算相结合 为美军提供运营决策的可靠数据现阶段 系统应用于需求、备选方案分析阶段 而未来其应用将贯穿到整个研制、生产、部署、运维等全寿命周期中 与 全寿命周期应用如图 所示图 全寿命周期应用.数字工程涉及到的关键技术数字工程是一系列技术的综合运用 其中比较关键的技术涉及数字系统模型构建类技术、数字孪生体映射类技术、数字线索生成类技术及新兴信息技术等 数字工程为这些技术在装备研制制造领域提供了全新的应用场景 建模与仿真、虚拟制造、数字仿真等传统技术已经在行业内广泛使用 为数字工程提供技术基础 而新兴航空兵器 年第 卷第 期信息技术是数字工程的推动力 促进了数字工程的实现丰富了其内涵 数字工程概念的提出和实施 为新兴信息技术应用提出新的场景需求 带动其进一步发展.数字系统模型构建技术数字系统模型是由利益相关方生成的模型集合 需要集成权威技术数据和工件 形成系统全周期数据、信息、性能、流程等的全面定义与数字化表达 数字系统模型始终是基础和出发点 其包括数字仿真技术、数字样机技术等.数字仿真技术建模与仿真构造现实世界实际系统模型和在计算机上进行仿真的复杂活动 建模是用规范化表述方法 如用数学的方法对物理系统需要反映的关键特征进行描述 从而获得实际系统的简化近似模型 在这个过程中需要挑选主要变量忽略次要变量 或进行有依据的近似仿真则主要设计可在计算机上运行的程序来实现与模型的关系 并对模型的状态进行验证与预测.数字样机技术数字样机以/技术为基础 以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心 融合计算机图形技术、仿真技术以及虚拟现实技术 将多学科的产品设计开发和分析过程集中到一起 使产品设计者、制造者和使用者在产品数字原型上进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真 为产品的研发提供全息的数字化设计方法.数字孪生体映射技术数字孪生体可看作是真实物理产品的数字拷贝 虚拟孪生体的形成需要建立物理世界与数字虚拟空间链接 完成物理模型数据、传感器采集数据 甚至设计过程数据到不同物理量及不同颗粒度间概率仿真过程的映射 构建沟通物理实体和虚拟世界的桥梁 其涉及信息物理系统()、智能制造、虚拟现实/增强现实、人工智能等技术.信息物理系统 是指包括物理空间和网络空间之间的通信和协调在内的整个结构 建立人、机、物、环境、信息要素相互映射、实时交互、高效协同的复杂系统 具有数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治等特征.智能制造智能制造是在 和 等技术的基础上 对产品设计、生产过程进行数字化建模 实现产品全寿命周期的模拟仿真 从设计、加工和装配、检验、使用到回收无需进行物理样品的制造 在产品设计早期通过模拟产品性能、虚拟制造流程 进行生产管理和资源规划 达到优化产品设计质量和制造工艺的效果.虚拟现实/增强现实(/)虚拟现实是在计算机仿真技术、计算机辅助设计与实时计算技术、传感技术、图形学、多媒体技术、网络技术等学科的基础上发展起来的交叉学科 增强现实能有效将虚拟场景和现实世界中的场景融合起来并对现实世界中的场景进行增强 进而通过显示器、投影仪等呈现完成物理、虚拟世界的实时交互 数字孪生体提供海量逼真虚拟场景、模型、数据来源 高实时性和可靠的数据传输手段及新应用/利用虚实融合现实、新兴智能交互实现超现实、高层次可视化呈现.人工智能技术人工智能技术包括机器学习、深度学习、强化学习、感官知觉和识别、下一代人工智能、计划推理和决策、安全/有保障的人工智能 利用知识表达技术、机器学习、数据挖掘与知识发现 对海量异构信息进行自动提炼知识升华 形成智能策略 通过自学习、自组织(优化调整)进行知识表示与推理 实现决策控制、快速应变 适应各种工况以保障运行.数字线索生成技术数字线索是数字工程实施的关键技术 为复杂产品的研发提供数据访问、整合和关联等重要能力 数字线索技术快速生成降阶模型 作为单一数据源贯穿系统全生命周期 并持续改进 数字线索可基于产品通用数据库和物理模型 采用统一、快速、标准、泛在的通信和交互方式 实现模型和数据的快速传递 因此涉及到非关系型数据库、知识库、统一数字模型、标准化数据模型等新技术 其中新兴信息技术有工业物联网、大数据、云计算、/移动通信技术等.统一数字模型在数字主线中 提供描述信息完整、标准化、规范化、语义化的数字化模型表达 以被数字系统读取和理解 采用基于模型的系统工程分析框架 通过先进的建模与仿真工具建立相应技术流程 以保障可集成性与可复用性.工业物联网技术工业物联网建立智能设备网络连接 形成监控、收集、交换和分析数据的系统 即通过设备、控制系统、信息系统、人、产品之间的网络互联 进而运用工业大数据深度感知计算分析实现工厂智能决策动态优化.云计算技术云计算运用大量在云端的计算资源进行并行计算涵盖了分布式计算、负载均衡、并行计算、网络存储、热备份冗杂和虚拟化等计算机技术和网络技术通过先进网络与计算技术提升计算能力 整合存储资源 具备动态扩展性、定制灵活性、运行可靠性 提升用户体验./移动通信技术/移动通信技术 泛指下一代先进移动通信技术 具备高速度、泛在、低功耗、低时延、万物互联、重构安全、高可靠连接特征 支撑大流量移动宽带、大规模物联网、工业自动化等业务开展 数字工程应用情况数字工程在美国军方主导或工业部门负责的多项项目中都得到了应用 并取得显著效果卫旭芳 等:美军数字工程建设发展研究及启示.“红鹰”教练机 与“”项目应用在美国空军主导的装备应用项目中较为著名的有“红鹰”教练机 项目和“下一代空中主宰”项目()敏捷软件开发、开放式架构、基于模型的工程、三维设计工具的运用使得 从概念设计到工程首飞只用了 月 工程质量大幅提升 软件研发时间减少 美国空军第六代战机 则采用“数字化百系列()”采办策略 通过应用敏捷软件开发、开放式系统架构和数字工程技术达到快速研发和螺旋升级的目的.洲际弹道导弹系统()项目应用诺思罗普格鲁曼公司承担的洲际弹道导弹系统()项目 采用模块化开放系统架构、数字孪生体建立了军事云平台 模块化使得美国空军仅通过升级、更换系统模块就可改进导弹初始设计 而无需重新设计整个武器系统 降低了运维成本 保障了系统灵活性 通过对陆基弹道导弹、发射装置、指控()元素等建立数字孪生体 并引入物联网系统 保证相关数据能够及时进行更新 以便对装备系统进行监控 建立了军事云平台 将数字孪生基础设施与军事云融合 获得数字孪生模型 实现单一数据源目标 引入数字孪生体三大功能(设计、架构和开发)实现了可持续改进的武器系统 年内开展了 亿次不同配置的验证 获得了大量关键数据.高超声速导弹()项目应用雷神技术公司的高超声速导弹 研制过程中构造了高逼真度数字系统模型 导弹由超燃冲压发动机提供动力 设计保障飞行器能在高于马赫数 的速度下飞行和机动 高超声速条件对应的是一种极端飞行环境 极端环境会导致高超音速导弹飞行过程中产生变形 因此了解其在极端环境中的飞行性能尤为重要雷神公司利用数字工程和高保真模型 更好地了解导弹在飞行前对环境的反应 成功利用历史建模与仿真数据来全面了解导弹属性 创造了对系统性能预知的典范.一号武器系统()项目应用 项目构建多方合作的数字生态系统 实现虚实结合的数字孪生体飞行实验 内涵、架构及关键技术包括:数字生态、基于模型系统工程、数字孪生、权威真相、政府参考架构等 拥有多种功能 如用于武器的权威真相源 用于仿真的软件工厂 安全和运维通道 机载飞行 案件和基于云的技术集 构建的数字生态系统计划将政府、行业、学术界的最佳实践和标准结合起来 应用于武器开发 制定基于武器模型的政府参考架构 促进武器系统数据之间的灵活性、模块化、可重用和一致性 为政府在整个寿命周期内操作和维护武器建立技术和协作标准 年 月 在虚拟战争模拟器上演示了 数字组织体 基于“灰狼”协同蜂群武器系统 展示了从飞行中的武器收集数据 通过先进作战管理系统 发送至数字孪生模型 这些数字孪生模型运行在高性能计算系统上 同时数字孪生模型借助人工智能、机器学习技术 结合战场环境数据 确定出最合适的行动方案后 这些信息迅速返回战区内物理武器 实现虚实结合的数字孪生体飞行实验 降低集群武器的验证成本.防区内攻击武器()项目应用 也将运用数字工程实践 并引入多个工业部门共同参与开发实践 据报道 计划的第一阶段将专注于数字工程和设计 采用虚拟设计验证设计元素 结合敏捷软件、基于模型的数字环境和 开展研制 诺斯罗普格鲁曼、洛克希德马丁均表示了其数字工程能力目标 诺斯罗普格鲁曼公司称其将利用为美国海军设计和生产先进反辐射制导增程导弹 并集成到 上的经验 宣布将成立具备数字工程能力的敏捷开发小组领导 项目工作 敏捷开发小组由数千名工程师、项目经理、技术人员和运营专业人员组成 可快速开发解决方案以应对新出现的威胁 洛克希德马丁公司将采用全周期数字线索 直至 集成到 上 之后继续跟踪并增加多任务能力来验证 的生存能力.防区外攻击武器()项目应用美国空军新型远程精确打击导弹“防区外攻击武器”()项目与 类似 是采用数字设计的试点 通过在数字环境中设计、验证修改和升级 显著降低武器的研发时间和成本 年 月 日 美国空军生命周期管理中心、武器管理局发布信息征询书()准备对 项目开展研究 公开版信息征询书特别提到 开发需要开放式系统架构()以及武器政府参考体系架构()、在整个系统设计的接口和关键部件的子系统设计中都需包含硬件/软件模块化等 开发还需要基于模型的系统工程()美军会提供相应数据权限 后期通过数字化设计分发给多家供应商进行生产如果单一设计不能满足需求 美军会考虑发展导弹系统簇/系列化以最大限度提高系统配置的通用性 美军正在以数字工程为支点 在武器装备研制中推广应用开放式系统架构、敏捷软件开发、数字孪生等新技术 通过制定协议与接口标准化 降低单弹成本 实现武器功能解耦、软硬件解耦 使武器持续快速更新 数字工程发展对武器装备建设的启示数字工程是一种集成多学科手段和先进技术的数字化方法 其核心是构建并运用数字模型和数据 支撑装备全寿命周期的所有工程和管理活动 国外数字工程自提出后蓬勃发展 将传统技术与新技术融合应用 不断提升工程能力 缩短了研制周期 降低了研制成本 促进了新技术应用 提高了采办效率 为以更快速度研制可用、好用装备提供了巨大的便利 其建设经验对武器装备建设有重大借鉴作用.不断推进新技术应用 为设计研发生产制造赋能随着各行业数字化转型的推进 物联网、大数据、云航空兵器 年第 卷第 期计算、数字主线、人工智能等新技术的运用使得数字时代的建模与仿真在线化、泛在化、常态化 通过无所不在的传感器、构建物联网广泛收集现实世界的海量数据运用大数据分析技术 可实现决策与控制能力的提升 信息技术、网络技术、通信技术的不断发展 为实现武器装备研发设计生产制造等工业部门数字化转型提供了技术基础 也将为研发生产带来巨大的便利性但是 应用和需求之间依然存在鸿沟 存在工程应用人员不理解信息技术、信息技术人员不清楚工程应用需求的现实问题 因此要在推动数字化转型的同时 注重建立信息化人员、研发设计人员、生产制造人员之间的连接 加强人员培训 引进来 推下去 加快推进新技术应用 为设计研发生产制造赋能.重视工程软件在工作中的应用 塑造软件研发应用良性生态武器装备是一种多学科综合的复杂系统 设计过程需要综合考虑多专业、跨学科特点 权衡分析 最终制定具备技术合理性和经济可行性的总体方案 在这个过程中需要充分利用工程软件及专用工业软件 打造高性能计算能力及敏捷设计能力 工业软件、计算能力是数字工程构建的技术基础 工业软件产品将在数字工程建设中发挥大的支撑性作用 以虚拟样机为核心的物理特性优化设计技术已经成为美国数字工程战略的关键支撑技术 要持续构建基于物理特性的高性能计算软件 为设计研发提供足够支持 此外 除了在开发和人力上投入时间和金钱外 软件需要足够的机会和持续的信任 充分认识到“软件永无完成时”这一特点 以 公司的 平台为例 包含 个 模型、个仿真用例和服务 软件由军事用户、领域专家密切合作 共同开发 前后历时 年.结合工程实际 规划并持续更新构建集成开发环境借鉴数字工程的思想 工业部门要实现武器装备研制过程的现代化与信息化 需要解决因武器装备的复杂性带来的跨专业、跨团队、跨部门的数据访问问题 因此 立足工业部门业务工作实际 制定系统工程流程 规划并持续构建集成开发环境 实现研发流程的标准化、数字化、工程化 对提高设计效率 实现武器装备的低成本具有重大意义 以模型和工具为核心 将新的技术、先进管理经验引入到武器装备研发生产过程中 构建数字式协同环境 集成数字环境 通过系统建模 提升跨专业、跨部门的系统功能洞察力 增强跨团队间标准化接口 支持备选方案、产品快速开发、增强制造灵活性 利用行业知识和最佳实践 构建先进数字工程和数字制造工具 实现概念设计验证 产品快速试制 样机快速迭代 设计生产充分沟通 研发流程合理评估 风险成本大幅降低.注重模型设计规范性 支持模型框架标准及接口规范数字孪生模型构建依赖统一的、规范的、标准化的数字模型 在研发设计生产制造过程中 对所产生模型的规范性进行管理和约束 支持行业或自定义模型框架标准和接口规范 亦可借鉴商业开放系统架构与管理流程 实现工业部门内部模型规范性研发 为系统集成验证、跨专业沟通奠定基础 建设体系架构、调整系统与其组件以适应新架构 整合新技术应用 同时注意解决网络安全问题.推进数字化的同时 注重数字与实践相结合数字化虽然带来了设计研发生产制造方面的便利但是不可否认 数字化并不能完全替代实物产品 在推进数字化的同时 也要尽量避免数字化带来的弊端 如投入成本高、缺乏实践等 在进行装备研制时 要避免流于形式 应注重装备本身的功能 同时 强调飞行任务、训练维护等实际工作必要性 防止过多强调数字化而导致的实际作战、空中行动缺乏训练 无法实现重大任务、装备数量、后勤维护等方面的配合与策划等问题出现 结 束 语数字化工程是推动领域技术进步 建立现代化技术基础和产生先进技术的源泉之一 本文对美军提出的数字工程发展、内涵、技术、应用进行研究 提出对武器装备研制生产的启示 数字化进程的推进是一个长期的工程 需要持续投入不断完善 后续将持续跟进各个军事