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管窥美军数字工程战略迎接数字时代的转型(2)
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摘要：2017年4月，美军给出了数字工程支持国防部采办的完整视图（见图4）。可以看到，数字工程生态系统涵盖了系统工程的技术流程和技术管理流程，核心是贯
2017年4月，美军给出了数字工程支持国防部采办的完整视图（见图4）。可以看到，数字工程生态系统涵盖了系统工程的技术流程和技术管理流程，核心是贯穿装备系统始终的数字系统模型、数字线索和数字孪生，支撑对成本、进度和性能、经济可承受性、风险和风险降低策略分析，并且与工程知识管理交互，利用工程标准、需求数据、设计和制造数据、试验数据、供应数据、使用数据、维护数据、工程能力数据库，将组件和系统的多领域、多物理、多层级的构建于虚拟分析工具组合，可基于工程数据运行以支持采办和保障，从而支撑成本分析、需求、经得起推敲的成本/进度/性能权衡，以及系统工程技术评审和采办里程碑决策。
图2 美军数字工程路线图
三、美军推进数字工程的相关计划
在推进数字工程过程中，美军将之前启动并仍在实施的一些计划纳入到数字工程战略的整体工作中来，包括了几大前沿技术计划，如数字系统模型计划、工程弹性系统计划、数字线索计划、飞行器机体数字孪生计划、自适应运载器制造计划等，以及建立支撑的基础设施和环境的计划，如高性能计算现代化计划的计算研究和工程采办工具与环境项目、系统工程研究中心以模型为中心的研究和协同环境项目、国防部牵头的数字制造与设计创新机构的数字制造社区计划等。其中，最典型的是数字线索/飞行器机体数字孪生计划、工程弹性系统计划和计算研究和工程采办工具与环境项目。
图3 美军数字工程生态系统全视图
图4 美军数字工程支持采办的完整视图
美空军在2013年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索（Digital Thread）和数字孪生（Digital Twin）视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇，并从2014财年起组织洛克希德·马丁、波音、诺斯罗普·格鲁门、通用电气、普拉特·惠特尼等公司开展了一系列应用研究项目，已陆续取得成果。其中，诺格公司主持的F-35中机身制造数字线索项目获得了2016年度美国国防制造技术奖。数字线索旨在通过先进的建模与仿真工具建立一种技术流程，提供访问、综合并分析系统寿命周期各阶段数据的能力，使军方和工业部门能够基于高逼真度的系统模型，充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析，完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。数字线索的特点是“全部元素建模定义、全部数据采集分析、全部决策仿真评估”，能够量化并减少系统寿命周期中的各种不确定性，实现需求的自动跟踪、设计的快速迭代、生产的稳定控制和维护的实时管理。美空军认为，系统工程将在基于模型的基础上进一步经历数字线索变革。美空军计划在E-8对地监视与攻击指挥飞机替换、T-X高级教练机、远程防区外空射核巡航导弹等重要采办项目中推广应用数字线索。（见图5）
工程弹性系统（Engineered Resilient Systems，或称为“强韧”）（见图6）是美军7个科技优先计划之一，由各军种、国防高级研究计划局负责，各军种系统司令部、中心和研究实验室组成了技术团队。工程弹性系统是一个不断发展的框架，是支持采办所有阶段的、可信的集成计算环境，致力于实现数据驱动的决策。弹性系统的4个关键属性是：击退/抵抗/吸收，恢复，适应，广泛的功用。美军对弹性系统的要求是：在各种任务的环境中是可信的和有效的，通过重新配置和/或更换很容易使用其它任务环境，可预测并且可缓解功能故障。目前，美军和国防工业部门正在使用高性能计算资源，用验证模型和仿真复现基于物理特性的交互并预测装备系统功能，从而预测可能影响任务执行的背景环境，对这些模型和仿真生成的数据评估并形成装备方案权衡，以确定一个系统提供所需能力的风险，以及确定系统是否可以保留并表现出足够的弹性来保证系统的采办和部署。工程弹性系统能够加强需求生成和备选方案分析流程，并且在权衡过程中提供寿命周期“情报”，通过权衡分析实现有充分依据的决策，在更少时间内“可视化”更多设计的权衡。
在数字线索和工程弹性系统计划的背后，是美军多年来在高性能计算现代化计划中实施计算研究和工程采办工具与环境项目（见图7）。为刺激重大国防系统的采办并降低成本、时间和风险，美军启动了该项目，目标是开发和部署基于物理特性的高性能计算软件应用程序产品，通过高逼真度虚拟样机的构建和分析，以设计和分析军用飞行器、舰船、地面车辆和射频天线系统。2016年，该产品实现商用，截至2016年6月，美军各军种、国防机构、国防工业部门以及大学等有129个组织正在使用它。空军在该产品及基于体系工程方法的“情报、监视与侦察多解析度分析器”基础上，应用下一代加油机构型，根据流程执行了数字线索互用性研究；空军针对高性能飞行器静态和动态稳定性和控制特性的确定，利用该产品开发了通过试验设计设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法，并使用F-22战斗机验证。
文章来源：《数字化用户》 网址: http://www.szhyhbjb.cn/qikandaodu/2021/0402/1474.html