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

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）

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。

数字工程；数字模型；发展趋势

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。

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-7A[3]。

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、信息技术和网络能力，美国国防信息系统局首席数据官办公室发布了《数据战略实施计划》，作为以上战略的实践，旨在建立将数据视为战略资产的文化理念，通过开发、利用、提升数据价值赋能军队的数字化转型、掌握信息域、打赢数字化战争。

2.4 持续开展数字化平台工具建设

美军及军工企业将数字工程转型作为最优先的战略任务之一，从平台工具建设等方面密集推进数字工程实施，积极开展建模仿真、数据分析与管理等工具环境研发。同时，全球各大软件厂商西门子、达索系统等公司积极开展并提供了一系列软件开发、能力集成服务，形成了CREATE、ERS、3DExperience平台、Teamcenter平台等支撑数字工程实施的平台工具环境。

从2008年开始，美军启动了CREATE项目，是美军高性能计算现代化设计（High Performance Computing Modernization Program，HPCMP）的子项目，目标是开发和部署基于物理特性的高性能计算软件产品，通过高逼真度虚拟样机的构建和改进，支撑飞行器、舰船、地面车辆和射频天线系统等武器系统的设计和实现，开发了CREATE-AV、CREATE-SH、CREATE-GV等5类模块，并进一步按照业务需求，研发了集成水力设计环境、移动性分析工具、舰船快速设计环境等十几种软件工具。美国国防部仍在逐年对这些软件工具进行更新升级，直至2040年[10]。

3 启 示

美军在数字工程领域的探索与实践已经取得显著进展，加速推动美军数字化转型。为加速航天企业数字化转型建设，结合产品数字化研制现状，总结提出以下启示。

3.1 以创新驱动为引领，加强技术融合与群智攻关

美军注重装备研制模式创新，发挥技术融合与战略规划引领作用，联合军政产学研各界优势力量，开展跨组织、多学科交叉融合的群智创新攻关，有力支撑重点装备和重大项目研制成功。创新是加快数字化转型的重要“催化剂”，大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术正加速融合应用，不断催生发展新模式、新业态。必须深刻认识到数字时代到来的变革性和加快数字化转型的紧迫性，充分融合MBSE、大数据、人工智能、数字孪生等数字化新方法和新技术，通过技术融合和群智攻关研究，并制定具体实施举措，突破航天产品共性基础性科学与工程问题，加快推动企业数字化转型。

3.2 以全数字化贯通为目标，加快数字模型体系和大数据中心建设

美军已在各项采办项目中增加了模型数据的提交和传递要求，正在向以模型和数据为核心的范式转变。模型和数据是推行数字工程的核心，必须持续推进基于模型的系统工程应用，面向产品全面梳理研制全流程、全环节的输入输出要素，并按照统一的标准规范开发数字模型，加快构建面向产品研制全过程的完整数字模型体系，实现数字模型在数字化研制全流程的贯通和复用，支撑以模型连续传递为核心的产品研制新范式。

同时，立足数据思维，加快推进产品全寿命周期数据管理与建设，实现数据的采集汇聚。在此基础上构建企业大数据中心，利用大数据技术，推进全级次、全过程的数据治理与应用，实现覆盖产品研制全生命周期的全流程、全要素数据协同，建立完善的数据共享通道，对外提供统一的数据开发和服务能力，提升数据资产的重要性，实现基于大数据的智能决策支持。

3.3 以航天产品研制需求为导向，加大自主研发平台工具建设力度

美国国防部已连续十几年投入大量经费，筑牢以CREATE、ERS等为核心的数字工程基础支撑环境，并持续更新升级。平台工具是数字工程的核心支撑。面向科研生产领域，全面梳理各类专业及知识模型，将产品研制过程的知识、经验、结果等规范化、结构化，进而推进以专业及知识模型为核心的自主研发平台工具建设，形成支撑产品研制的平台工具体系。同时，遴选数字化基础较好的航天产品，探索开展典型阶段或场景下的数字化应用试点，最终形成统一的数字化基础支撑环境，反哺航天应用，高效赋能产品数字化研制，打造低成本、可持续发展的产品供应核心竞争力，更有效地推动企业数字化转型。

4 结束语

本文总结分析了美军在战略规划、模型构建、创新技术、支撑环境等方面推进数字工程的最新进展情况，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，可为航天企业加快数字化转型建设提供有益借鉴。

[1] 阴艳鹏. 美空军部数字转型办公室举办数字转型峰会[N]. 空天防务观察, 2022-09-03, 1.

Yin Yanpeng. Digital transformation summit held by the digital transformation office of the US air force department[N]. Aerospace Defense Observation, 2022-09-03, 1.

[2] 王玮, 等. 美国海军数字化转型战略综述[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(12): 170-175.

Wang Wei, et al. Review on US navy digital transformation strategy[J]. Ship Science and Technology, 2021, 43(12): 170-175.

[3] 崔艳林, 等. 美国数字工程战略实施途径[J]. 航空动力, 2021(4): 84-86.

Cui Yanlin, et al. US digital engineering implementation strategy[J]. Aerospace Power, 2021(4): 84-86.

[4] 刘亚威. 管窥美军数字工程战略——迎接数字时代的转型[J]. 科技中国, 2018(3): 30-33.

Liu Yawei. A review of US DOD digital engineering strategy[J]. Scitech in China, 2018(3): 30-33.

[5] Goerger S R, et al. Engineered resilient systems: a DoD perspective[J]. Procedia Computer Science, 2014(28): 865-872.

[6] 吕卫民, 等. DoDAF建模与效能评估综述[J]. 兵器装备工程学报, 2021, 42(9): 26-33.

Lyu Weimin, et al. Research progress on DoDAF modeling and effectiveness evaluation[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2021, 42(9): 26-33.

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Zhang Bing, et al. Research and practice of model-based systems engineering in aerospace products[J]. Astronautical Systems Engineering Technology, 2021, 5(1): 1-7.

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[9] 王耀, 等. 2020年《美国国防部数据战略》浅析[J]. 军民两用技术与产品, 2022(3): 9-14.

Wang Yao, et al. Analysis of the data strategy of the US department of defense in 2020[J]. Military and Civilian Use Technologies & Products, 2022(3): 9-14.

[10] Arevalo S, et al. A new DoD initiative: the computational research and engineering acquisition tools and environments(CREATE) program[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2008(125): 1-11.

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)

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.

digital engineering; digital model; development trend

2097-1974(2023)01-0153-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230130

E7

A

2022-10-24；

2022-12-12

陈建伟（1979-），男，研究员，主要研究方向为航天型号总体设计及数字化。

杨春雷（1986-），男，高级工程师，主要研究方向为数字化、信息化。

杨 亮（1983-），男，研究员，主要研究方向为数字化、信息化。

安珊珊（1988-），女，工程师，主要研究方向为数字化、信息化。

史旭升（1983-），男，工程师，主要研究方向为数字化、信息化。