數字工程發展綜述及啟示

王 晨，趙 博，寧偉航

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

隨著裝備功能性能要求及系統復雜程度的不斷提高，以及使用環境的不斷變化，傳統研制過程的線性流程以及分散的工具平臺已經難以適應新的要求。為了適應新要求和不斷提升裝備能力，從2015 年起，美國國防部決定實施數字工程（Digital Engineering）戰略，美國以及歐洲一些國家相繼頒布了數字工程戰略，開展了相關應用實施?？傊?，歐美等發達國家均認為數字工程戰略的實施將成為增強工業基礎、促進研制模式變革和實現敏捷采辦的重要途徑，也是開啟第4次工業革命的關鍵一環［1］。

本文綜述并分析了歐美等發達國家的數字工程發展戰略與規劃，闡述了數字工程的技術特征，對重要概念和主要軟件平臺工具進行了介紹，并結合中國航天領域發展特點，給出了數字工程發展建議。

1 國外數字工程發展概況

1.1 美國數字工程發展戰略與規劃

1.1.1 美國國防部

2018年6月，美國國防部積極部署數字工程，發布《數字工程戰略》，其目的是推進數字工程在裝備全壽命周期管理的應用［2］，實現美國國防部的數字轉型，將采辦流程的線性過程轉變為動態過程，同時，將基于文檔轉變為基于模型，構建基于模型的數字工程生態系統［1］，完成以模型和數據為核心的轉移。其中列出了數字工程五大戰略目標［3］，分別是：

a）建立全生命周期模型的正式流程，提供決策參考信息；

b）建立一致的、完整的、權威的模型數據來源；

c）引入技術創新，提升工程實踐能力；

d）建立一個保障基礎設施的環境，能跨部門開展活動、協作和溝通；

e）塑造數字化文化氛圍和提高人員素養，以適應和支持全生命周期的數字工程。

如圖1 所示，美國數字工程生態系統可以分為3層，其中底層是各種各樣的數據和工程知識，是權威真相源的來源。中間層是數字工程的核心能力生命層，數字線索、數字系統模型和數字孿生貫穿全生命周期數字工程活動［1］，利用技術數據和工程知識以及系統的權威數字化表達，對成本、進度、經濟可承受性、風險以及風險緩解策略進行分析，支撐頂層的國防采辦。

圖1 數字工程生態系統Fig.1 The digital engineering ecosystem

美國國防部認為，數字工程是數字化版本的基于模型系統工程（Model-Based System Engineering，MBSE）方式，利用數字環境、數字處理、數字方法、數字工具和數字工件，實現對計劃、需求、設計、分析、核實、驗證、運行及維持等裝備系統全壽命周期活動的支持。

1.1.2 美國空軍

2009 年，美國空軍提出數字線索和數字孿生概念，希望以無縫傳遞的模型和數據打通裝備生命周期流程，在論證、研制、生產、保障等環節做出有充分依據的決策。2020年6月，美國空軍進一步明確將在裝備采辦中全面推行數字工程方法，所有工程活動都將在共享的集成數字環境中進行。至此，美國空軍已初步具備全面實施數字工程的指導框架和支撐平臺［4］。

1.1.3 美國海軍

2020年，美國海軍和海軍陸戰隊發布《美海軍和海軍陸戰隊數字工程戰略》，總體目標是從以文件為中心轉移到以數字工程為中心，并實現海軍采辦系統有效性、互操作性和未來升級能力的提高。其中一個目標是提供一個集成建模環境，支持所有海軍和海軍陸戰隊系統司令部在工程方法、技術流程以及模型和數據格式使用方面的合作［5］。

1.1.4 美國陸軍

2021 年10 月，美國陸軍發布《美國陸軍數字化轉型戰略》，強調“建立一支數字使能、數據驅動型陸軍”。主要任務是通過戰略、政策、治理、監督和快速能力，推動數字化轉型、創新和改革。3 項主要目標包括：a）現代化與戰備，通過數字化轉型推動建立一支數字賦能、數據驅動型陸軍；b）改革，優化數字化投資，使之更加符合任務要求；c）人員與伙伴關系，與盟友、工業界和學術界建立強有力的合作關系網，形成高技術水平和高效的數字化勞動力。

1.1.5 美國太空軍

2021年5月，美國太空軍發布《美太空軍數字軍種愿景》，明確了數字化建設的重要性［1］，需要利用信息和數據加速開發、部署聯合太空能力；需采用現代技術和方法開展大規模的文化和技術變革，成為真正的數字軍種。指出了數字化太空軍目標，即一種互聯化、創新式、數字化主導的部隊，以創新式、數字化、互聯化為方向，明確了重點關注的數字作戰、數字總部、數字隊伍、數字工程等幾個方面［6-7］。

1.2 歐洲數字工程戰略與規劃

2017 年3 月，英國發布了《英國數字戰略》，該戰略詳細設定了明確途徑以幫助英國在啟動并推進數字化業務、使用新型技術或者實施先進技術研究方面占據優勢地位。2021年5月，英國國防部發布了《國防數據戰略——構建數字主干，釋放國防數據的力量》，明確了英軍未來數字能力建設的詳細計劃［8］。

2020 年2 月，歐盟發布了《塑造歐洲數字未來》，闡述了數字化轉型的戰略、理念和行動，以成為全球數字化領導者為目標，大力發展數字化技術，將數字技術作為社會前進驅動力［9］。該戰略文件涵蓋了從網絡安全到關鍵基礎設施、數字教育到技能、民主到媒體的所有內容。同時，作為實現數字戰略的重要行動，發布了《歐洲數據戰略》和《人工智能白皮書》。

2021年3月，歐盟發布了《2030數字羅盤：歐盟數字十年戰略》，為歐盟數字化發展提供戰略建議。報告指出，歐盟的數字化發展落后于美國和中國，歐盟應該積極引導企業開展數字化轉型，提高數字化基礎能力建設投資，大力培養數字化人才隊伍，實現公共服務的數字化，最終實現歐洲的數字化轉型［7］。

2 數字工程技術特征

2.1 相關概念

以美國數字工程戰略為例，其中包括4個核心概念：權威真相源、數字線索、數字孿生、數字系統模型［10］。數字系統模型、數字線索和數字孿生是縱向貫穿數字工程生態系統的紐帶［11］，提供了端到端集成、權威、系統全壽命周期的數字表示［1］。

2.1.1 權威真相源

權威真相源起源于1997 年波音提出的單一數據源概念，2016年美國國防部將其改為權威真相源。權威真相源是項目所有技術數據以及各類模型的中央數據庫，存儲的信息來自項目所有相關工程組織的分布式數據源，包括需求、設計、制造、試驗、供應鏈、使用、維護等模型和數據的權威版本?！皺嗤奔赐暾?、有效性、一致性、及時性和精確性，代表真相源的質量，權威版本的模型和數據是經所有利益相關方決策后確定的［12］。

2.1.2 數字系統模型

數字系統模型是一個樹狀結構的模型體系，是對一個裝備系統的數字化表達，由所有相關方生成，集成了權威的數據、信息、分析算法和系統工程流程，面向系統生命周期的各項活動，定義系統的所有方面。數字系統模型為相關方提供一個分類結構模板，即什么類型的數據應該在整個生命周期考慮，以模型、數據和文檔等多種視圖來支撐決策。

2.1.3 數字線索

2009 年，空軍在F-35 研制中提出數字線索概念。數字線索是一套具有復雜層級的分析框。它無縫利用“數據信息知識”系統中的權威技術數據、軟件、信息和知識并強化其可控交互，基于數字系統模型模板，提供訪問、集成離散數據并轉化為可執行信息的能力，同時可擴展和可配置，在一個系統的全生命周期做出有充分依據的決策［13］。

數字線索是依托數字基礎設施和工具建立的溝通框架，可將歷史的與當前的數據、信息和知識集成到各層級、各領域模型中整體分析，使項目所有相關工程組織通過集成研制中的數據與知識，完成各專業的交互與分析工作，動態地進行項目管理、產品功能性能及存在風險預示等方面的綜合分析評估，在保護知識產權的同時使知識重用最優化［14-16］。

2.1.4 數字孿生

數字孿生被廣泛認可的定義是對集成多物理領域、多維度、多尺度和多分辨率的仿真過程，通過數字線索的賦能，在高逼真度模型、傳感器實時數據以及輸入信息的基礎上，在虛擬世界以鏡像和預測的方式刻畫真實物理系統全生命周期過程［2］。

可描述并模擬真實系統的在相應環境條件下的特性、屬性、行為與功能等要素，并通過虛實交互、人工智能、信息融合、模型校正、迭代優化等技術手段，可實時地對真實物理系統功能性能的評估優化、趨勢預測與智能決策等，從而實現真實物理系統的能力提升與功能擴展［2，16-18］。

2.2 軟件平臺

美國數字工程的核心支撐是通用的軟件平臺系統。其中兩個重要系統是計算機研究工程采辦工具與環境項目（Computational Research Engineering Acquisiton Tools and Environments，CREATE）和工程彈性系統（Engineered Resilient Systems，ERS）［19］。

2.2.1 計算研究和工程采辦工具與環境項目

CREATE是美軍高性能計算現代化計劃中的一個子項目，致力于開發和部署基于物理特性的高性能計算軟件，通過高逼真度虛擬樣機的構建和優化，支撐將“設計—實物試驗—迭代”的開發過程，轉變為“設計—仿真分析—迭代”的新范式。

CREATE 主要針對概念設計和工程開發。CREATE 每個子項目都有兩類軟件產品：第1 類是概念研發工具，利用快速但保真度較低的工具來生成概念設計方案并分析其可行性和性能；第2類是高保真度的系統性能精確預測工具。其主要子項目如表1 所示［20-21］。

表1 CREATE子項目及其對應軟件Tab.1 The CREATE sub projects and their corresponding software

利用CREATE工具，可在研發階段構建虛擬原型樣機并分析性能，補充物理試驗數據。對于新系統的概念設計，可以用基于物理特性的設計方案來取代現有設計的經驗推斷，從而通過基于物理特性的分析來快速探索權衡空間，評估設計方案的可行性［21］；對于詳細設計，用虛擬樣機的高保真度分析來取代物理試驗的故障數據，以此來準確預測虛擬樣機的性能。工具分析提供了及時的決策數據，能夠及早識別設計缺陷和性能不足，在加工制造之前解決設計問題，并盡量減少由返工導致的進度拖期和成本增長問題。

CREATE 產品于2016 年開始實現商用，截至目前，包括美軍各軍種、國防機構、工業部門以及大學等超過180個組織正在使用CREATE軟件評估80多個國防部武器系統和平臺。未來，面向高超聲速、聯合多任務旋翼機技術演示、改進型渦輪發動機項目、服役壽命預測等具體研發項目，CREATE項目還將繼續開發和改進。

2.2.2 工程彈性系統

工程彈性系統是美國國防部應對不確定性增長的任務和環境而提出的未來國防系統發展戰略，對復雜系統的工程實踐與系統彈性理論都帶來新的挑戰。工程彈性系統是一個用于多方案分析的云平臺，實現了基于高性能計算的工具集成，具備需求生成、備選方案分析、虛擬樣機建模與評估等功能，支撐做出更好的采辦決策?！皬椥浴笨梢岳斫鉃樵谝幌盗斜尘碍h境中都是可靠和有效的，可通過重新配置和替換來適應許多新任務，功能降級是可預測的。面對采辦需求，ERS具有開放性、通用性和良好的拓展性，同時具有交互共享和多人協同的功能。將用戶的任務要求、需求及工具集成到通用框架下，對多個裝備方案進行擇優比選，在全生命周期內開展各類采辦活動，支撐彈性工程的實施［22-23］。

CREATE 軟件和工程彈性系統及人工智能相結合，可以快速生成海量總體方案，并完成分析。工程彈性系統概念框架如圖2所示［22］。

圖2 ERS彈性的概念框架Fig.2 The conceptual framework of the ERS elasticity

3 航天產品研制的數字工程發展建議

結合上述分析，對于航天產品研制而言，數字工程實質是發展數字化的生產力，將數字化轉型賦能產品研制工作，其定義為：面向產品研制的數字化集成方法，融合大數據技術、人工智能、軟件工程等相關技術，在產品研制全生命周期利用統一的數據管理系統作為模型和數據源，研制隊伍在專業工具的基礎上持續建立、應用并完善數字樣機模型和數據，充分開展數字空間的產品論證、設計、制造、試驗、應用及保障等活動，實現數字產品與實物產品的同步交付應用，實現研制工作的提質增效。與此同時，不斷積累模型、數據、知識、工具、系統、標準、制度及相關基礎設施，持續提升組織整體的研制能力［24］。

a）轉變思想，深刻理解建立數字思維模式。

在組織層面和個人層面均應建立數字化思維模式，數字化轉型的首要條件是意識層面，應深刻認識到數字化技術是目前研制模式轉型的重要生產力，是第4次工業革命的源動力。從組織層面來說，各職能部門應考慮現有科研生產業務和流程的數字模型，開展業務流程建模，將業務活動盡可能搬到線上，進而開展業務流程重構與優化，在此過程中形成并匯聚研制業務的模型和數據，保證業務過程中數據流轉的準確和高效。從個人層面來說，首先應考慮在業務過程中“需要”“產生”“積累”哪些模型與數據，是否符合相關標準與制度要求，是否可以用模型與數據來優化、取代現有文件和軟件系統。

b）模型為本，全面融合基于模型系統工程。

在實施層面，應與現有基于模型的系統工程（MBSE）全面融合。目前產品研制應用MBSE 技術，在全生命周期以模型作為設計協同與仿真驗證的載體。模型與數據也是數字工程的核心要素。首先應在技術上以及管理上打通跨階段、跨專業之間模型鏈路，搭建支撐模型共享、集成的統一協同研發環境，建設統一的技術標準，建立基于模型的設計要求傳遞、審查、技術狀態控制的管理制度。同時，應提高建模與仿真的水平，充分利用已有工程經驗、知識和數據，結合大數據、人工智能、機器學習、模型校核驗證與確認，不斷提升模型的準確度和置信度。這些模型既包括參數類、機械、電氣、軟件、工藝制造等環節或專業的設計結果，也包括推理、計算、分析和驗證的過程。

c）集成創新，打造數字工程協同研發環境。

在技術層面，應建立以產品研制全生命周期數據管理系統為代表的一系列協同研發環境。通過PLM和試驗數據管理系統等數據管理平臺實現模型和數據的技術狀態管理。具備與各種計算機輔助設計、分析工具集成的能力。具備從用戶研制總要求到總體方案、分系統設計、單機設計、生產制造、試驗驗證、應用保障的模型關聯追溯能力。具備從試驗方案到具體試驗實施的數據采存管用能力。具備研發流程、知識和經驗的集成與共享能力。具備與研制主業務相融合的計劃、質量、經費、資源等管控能力。具備與產品、人員、財務、物資等主題數據庫的主數據、元數據集成能力。具備與制造現場、試驗現場甚至用戶現場的業務協同能力。

d）自主可控，研制航天特色工業軟件體系。

在能力層面，應組織開發面向各專業的設計工具，形成國產工業軟件。依托當前大量產品論證、研制的工程實踐，封裝各專業經試驗驗證過的設計經驗、算法以及模型和數據，一方面在設計階段快速生成多個方案，快速比對評價并確認方案，高效準確地分析系統的功能和性能，另一方面在狀態鑒定階段通過數字試驗設計，開展大規模試驗仿真，對產品性能進行摸邊探底。國產工業軟件架構設計方面，需兼顧云計算功能，既可在單機運行，也可在云容器中開展自動化的部署和運行，滿足今后大規模協同研發與并行計算的需求。

e）夯實基礎，實現航天強國建設。

在基礎層面，一是建立匹配科研生產模式的數據治理體系，按照業務領域、產品、專業等不同維度實現數據的分級分類管理，實現產品、人、財、物等基礎主數據的統一管理，實現各類元數據的規范建模與管理，實現各類科研數據的匯聚、清洗、分析、應用與綜合呈現，實現從數字化、網絡化到智能化的轉變。二是建立健全符合科研生產模式的制度與規范，研究從文檔協同到模型協同過渡的技術狀態管理規范；研究針對模型和數據的標準，包括建模與仿真、交換與集成、校核驗證與確認、管理與應用、鑒定與保障等，研究模型數據確權、知識產權保護以及促進知識共享的制度機制，多方協同建設用于產品論證、審價、立項、轉段、鑒定、應用的數字模型規范。三是圍繞數字工程實施過程，規劃、梳理，優化、調整相關業務管理部門的職責和流程，以基于模型的系統工程研制模式轉型帶動形成基于模型的企業組織變革［25］。

4 結束語

當前中國正處于由航天大國向航天強國邁進的發展階段，面臨著復雜系統產品高質量研制生產的要求，需要學習、理解和不斷實踐新的數字化理念和方法，探索適合中國航天產品的數字工程應用模式，不斷提升數字化生產力，賦能產品研制工作，逐步增強中國航天高質量發展能力，盡快實現航天強國建設的目標。