王树博 杜斌 姜百汇
（中国航天科工飞航技术研究院，北京 100074）
DOI：10.16358/j.issn.1009-1300.20230538
【引用格式】王树博,杜斌,姜百汇.美军数字工程的战略实施及当前能力分析[J].战术导弹技术,2023(6):22-26+46.
摘 要针对当前武器装备采办与研发过程数字化水平不高，难以实现各部门之间跨学科、跨专业、跨领域协同的问题，剖析了美军实施数字工程战略的背景，从历史沿革、外部环境、内部举措等方面归纳了美军数字工程战略的实施状况；数字工程战略使美军从管理模式实现跨层级穿透、研发模式实现跨专业耦合、生产模式实现跨阶段研判、组织模式实现跨领域联合四个方面带来能力提升，得出未来武器装备建设的数字化转型应强化顶层设计、重视发展方法、布局关键技术的结论。
关键词数字工程；数字工程战略；数字工程工具；数字工程生态系统；数字化；数字系统模型；数字化转型
1 引 言
数字工程战略被认为是美国实施“第三次抵消战略”的关键环节 ［1］。美国国防部自2015年成立数字工程工作组以来，大力推动武器装备建设的数字化转型工作，目前已经构建形成跨层级、跨专业、跨阶段、跨领域的面向装备全寿命周期的数字生态系统，初步满足了武器装备快速、低成本研发需求。当前，武器装备采办与研发普遍采用传统组织模式，数字化水平不高，层级之间、部门之间、专业之间、数据之间存在隔阂，较之层级穿透、部门互通、专业协同、数据共享的高效率、低成本、低风险的数字化采办与研发模式，还有一定的差距 ［2］。因此，深入研究美军数字工程战略的实施状况以及形成的能力，对传统国防企业优化调整数字化转型思路、搭建数字化体系建设框架具有重要参考意义。
2 美军数字工程战略的实施状况
目前武器装备的研发采办普遍采用传统的线性程序。而对于复杂系统来说，存在研发周期长、投资大、风险高等问题，难以满足应对快速变化的作战威胁的需求。为此，美国国防部提出数字工程战略，并联合军方，牵引国防企业加速数字化转型，力图尽快实现从“试点计划”向各领域的全面推进。美军数字工程路线图及现状如图1所示 ［3］。
▲ 图1 美军数字工程路线图[3]▲ Fig.1 Digital engineering roadmap of the US army[3]
2.1 数字工程战略是美军应对新的外部威胁环境所采取的重要改革举措
美军深刻认识到传统的线性串行采办流程缺乏敏捷性和适应性，周期冗长、效率低下、沟通不畅，均导致装备采办预算超支和能力交付延迟等问题不断出现，难以敏捷应对外部变化的军事斗争环境 ［4］。同时，在全球技术竞赛加剧的大背景下，美军敏锐意识到新一轮科技革命中以物联网、机器学习、人工智能、数字孪生等为代表的数字技术将对装备、作战等领域带来深远影响。为此，美国国防部提出数字工程战略，目的是将武器装备的研发采办、决策标准以及分析评估等实现数字化，以数字化带动研发采办活动的标准化、规范化和可视化，从而降低研发成本、缩短研制周期、有效预测风险，并进行过程监控，最终使武器装备研发采办流程具备应对未来威胁的能力。
2.2 数字工程战略由美国国防部和军方顶层牵引、工业界和学术界共同推进
愿景层面，美国国防部的最终目标是构建一种自上而下的、覆盖武器装备全寿命周期的数字工程生态系统，实现武器装备研发与采办过程的完全数字化。组织层面，美军于2015年8月成立工作组，数字工程转型工作由国防部抓总，海陆空三军牵头实施，联合工业界与学术界的优势力量，开展研究和论证，并借助先导项目逐步验证和推广，最终实现全面应用。实施层面，美军一是以数字工程路线图、数字工程战略、《数字空军》白皮书、海军和海军陆战队数字工程转型战略、数字工程教育与培训课程等一系列指导性工作加强各方意识、统一各方思想；二是着力推动以计算研究与工程采办工具和环境（CREATE）、工程强韧系统（ERS）、数字系统模型（DSM）等为代表的基础支撑技术建设，支持工业界和学术界的数字工程工具与采办部门的数字工程平台有机结合，确保其数字工程生态系统覆盖系统工程的技术流程和管理流程，以实现真正的全生命周期数字化表达；三是考虑数字工程战略涉及大量创新型技术，成熟度和可行性有待验证，因此首选航空航天领域开展试点项目进行先期验证，然后根据技术成熟情况逐步推广到其他行业和项目。
2.3 数字工程战略是美国国防承包商加速数字化转型的重要机遇
数字工程战略的实施首先得益于美军对革新系统工程的重视与坚持，其次是在波音、洛马、通用电气等国防承包商中开展基于模型的系统工程、数字孪生等计划，使数字化研发快速成为美国航空航天界的战略共识。洛马公司推出验证数字工程流程的“竞速者”（Speed Racer）无人机研发项目，通过在完全集成的数字工作环境中运行所需的流程和工具，达到在较短时间内满足所有的开发需求的目的，最终加速开发过程 ［5］。雷锡恩公司在武器装备研发中，运用两套“沉浸式设计中心”（IDC）大尺寸虚拟现实系统，使20余名成员能同时对产品全寿命周期内的几乎所有模型、仿真结果、数据包等进行评估、确定，并创建相应解决方案 ［6］。此外，美军采办流程的数字化决定了国防项目将更加倾向于数字化、智能化领域的优势企业，加速了武器装备研发模式转变。
2.4 数字工程战略已从“试点计划”转为各个领域全面推进
武器研发方面，美空军的F-15EX战斗机、下一代陆基战略威慑洲际弹道导弹、B-21轰炸机、B-52轰炸机雷达现代化及换发、A-10攻击机机翼替换等多个武器装备研发与改进项目，先后宣布采用数字工程策略。作战规划方面，美空军测试中心正在建设万余平方米的新型模拟训练场，将应用数字仿真、数字化模拟训练等方式，开发装备的数字化模型，对先进装备的操作运用进行高效、高安全性的作战演练，并据此“制定先进的战术” ［7］。美陆军正在建设高科技型数字靶场，将配置目标设备、战场效应模拟器、空中武器评分系统等，允许不同人员、不同装备同时进行实弹演习、炮（导）弹射击、旋翼和固定翼飞机空中作战等，推进陆军空地一体化作战能力的提升 ［8］。种种迹象表明，美军的数字工程战略已经向战术研究、人员训练、基地运行等各个领域全面推进，从概念研究发展为具备颠覆作用的优势能力。
3 美军当前的数字工程能力分析
数字工程战略被美军视为实现敏捷采办、迭代演进、夯实工业基础、促进制造业变革的关键途径。目前，美军在武器装备采办过程中初步实现了管理模式、研发模式、生产模式和组织模式的多重数字化革新。
3.1 管理实现跨层级穿透
传统的系统工程严格遵循基于文档状态和控制流程的管理模式，无法适应愈加复杂的体系工程。由于体系的物理构成动态演变、体系的外部触发事件复杂多变、体系内部各系统的运行彼此关联，必须将所有系统放在体系中进行综合性的分析验证，复杂性远超管理人员可预知和处理的范畴，必然出现体系需求的大量调整和工程延期、失败。数字工程生态系统采用自上而下三层嵌套模式，具体如图2所示 ［3］。顶层是国防采办系统，负责决策、评审、成本进度性能之间权衡等工作；底层是工程知识和技术数据管理系统，负责需求数据、设计和制造数据、试验数据、使用数据等的产生与管理；中间层利用跨生命周期的数字系统模型、数字线索和数字孪生等技术，将多领域、多物理、多层级分析工具集成，基于底层数据及工程知识对成本、进度和性能、经济可承受性、风险以及风险缓解策略等进行分析，支撑采办层与技术层的互联，确保国防采办及时发现、控制和处理各环节的不确定性。
▲ 图2 美军数字工程生态系统[3]▲ Fig.2 The digital engineering ecosystem of the US Army[3]
3.2 研发实现跨专业耦合
传统系统工程研发过程中，详细设计分析与评价大都是单专业孤立运行，存在多专业耦合设计缺少研究及工具基础、专业之间解耦设计导致产品性能包线窄、串行设计研制周期长、并行设计返工量大等一系列问题。数字工程生态系统允许多物理量（力、热、电、气动、结构、推进、控制）的联合仿真分析，形成详细的模型数据，支撑多方案快速论证、性能边界快速验证，避免了大规模的多层级多专业设计评审及摸底试验。美军的T-7A“红鹰”教练机（见图3）项目，是最典型的数字工程应用范例，它从研制伊始就采用了数字工程的理念和方法，通过虚拟测试、快速迭代、便捷升级等技术实现了经济可承受性，运用数字化流程、敏捷开发软件、开放式架构任务系统、模型、三维设计等工具，使“红鹰”教练机从概念设计到首次飞行仅用36个月，其中装配时间减少80%，软件开发时间减少一半，而产品工程质量提升75% ［9］。
▲ 图3 T-7A是美空军数字电子飞行器系列中的第一款[9]▲ Fig.3 The first in the US Air Force"s digital electronic aircraft series ：T-7A[9]
3.3 生产实现跨阶段研判
美军从微芯片到涡轮发动机的生产都强烈依赖全球供应链制造商，多个独立实体构建了复杂的现代供应链生态系统，其顶层战略决策所依赖的数据完整性和质量难以保证，无法适应由于复杂的国际关系、地缘政治、“新冠疫情”、气候变化等造成的不确定、不稳定的世界环境，导致全球供应链不断遭遇中断风险。通过实施数字工程战略，国防部顶层建立管理生产历史、产品规范和产品性能的数字共享平台，并使其融入装备生产制造的全局规划和控制流程中，从而整合复杂和孤立的供应链功能，便于集中数据、消除信息孤岛，确保端到端供应链的实时可见，实现跨过生产阶段的分析与洞察，化被动为主动，以供应链数字化引领和驱动企业高质量发展。
3.4 组织实现跨领域联合
基于模型在装备领域进行论证、设计、制造和应用，早已有之，但经过多年的数字化转型，美军基于各军种已取得的成绩以及遇到的问题，充分认识到只有国防部提出并推进数字工程战略，才能真正组织各利益相关方在一致的数字生态环境下协同工作。主要措施包括：（1）发布《国防部数字工程战略》 ［10］和《国防部数字现代化战略》 ［11］，为美军未来数字化转型指明方向；（2）通过国防部层面召开数字工程峰会，讨论各军种的数字工程实施计划，确保各军种的理念和路线全面遵循《国防部数字工程战略》的总体思路；（3）国防部负责系统工程的办公室，重点负责加强各军种在数字工程推进过程中的信息交换与协同，消除隔阂、减少重复、共享实践经验。
4 启示建议
美军的数字工程战略已经在武器装备建设和军队战斗力提升方面发挥出显著作用，具有重要参考意义，需引起重视，尽快采取有力措施。
（1）进一步强化数字工程顶层设计，为数字工程战略实施营造良好的制度环境。应进一步深刻认识数字工程在武器装备研发流程中的重要作用与深远影响，建立健全国家层面的数字工程战略统筹协调机构，持续加强顶层设计和规划，并根据发展需求动态做好规划的优化调整，为未来数字工程战略实施营造良好的制度环境。
（2）重视数字工程方法，推动武器装备研发模式的变革。数字工程正在成为大国复杂武器装备研发领域的竞争高地，应重视数字工程方法，实现武器装备的研发模式转型，大幅压缩从需求端到产品端的生成时间，降低风险，促使先进武器项目尽快形成作战能力，避免出现由于开发周期过长而导致的论证阶段技术先进、装备阶段技术已经落后的现象。
（3）布局关键技术，抢占未来数字工程战略竞争的制高点。虚拟现实、数字孪生、建模与仿真、高性能计算等作为数字工程的关键技术，是数字工程战略得以实施的保障，应提前谋划，推进基础研究稳步开展，突破核心技术攻关，加强与人工智能、机器学习、大数据等新一代信息技术的交叉融合，抢占未来数字工程战略竞争的制高点，保障国家安全。
5 结束语
本文简要总结了美军近10年在数字工程领域的工作，从美国国防部顶层牵引到各军兵种、工业界和学术界共同推进，美军武器装备采办与研发过程的数字化水平显著提升。从分析中可以看出，实施数字工程的核心始终是消除传统生产组织模式中存在的信息交换与协同障碍，真正发挥数字工程效能必将是一个漫长的过程，需要坚持问题导向，在正确的需求牵引下制订路线图，不断投入并按部就班发展，充分发挥军队、工业部门、科研院所研发力量，共同推动武器装备建设的现代化进程。
本文来源：《战术导弹技术》2023年第6期
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