劉亞威 ¦ 美國國防部數字工程戰略解讀（中）

2018年7月5日，美國國防部正式對外發布“國防部數字工程戰略”並提出五大戰略目標。數字工程戰略旨在推進建立數字工程生態系統，將國防部以往線性、以文檔為中心的採辦流程轉變為動態、以數字模型為中，完成以模型和數據為核心謀事做事的範式轉移。

自（上）篇成文後，由於目前美軍並未發佈更多信息，筆者等待並思考許久後，決定將原定的（下）拆成（中）和（下），並單獨成篇一個特輯，以便能從更加完整的視角來分析這一戰略。下篇將結合文化轉型，並引述美國空軍的一項研究來談一談數字工程戰略實施；中篇則從美軍兩大相關計劃入手看看他們是如何融入數字工程技術創新並構建數字工程基礎設施來支撐採辦工程實踐的，這是美軍能夠不斷創新和保持強大的重要基礎之一。要了解這個，我們先從一幅“草圖”看起。

美軍對ERS和CREATE應用的初步願景（中國航空工業發展研究中心漢化）

從圖中可以看到，當前和未來，國防部新型能力與原型部門（EC&P）和研製試驗與鑑定部門（DT&E）都要使用CREATE和ERS等工具環境支撐國防採辦壽命週期，至少在這張圖上，兩者是比數字系統模型、數字線索、數字孿生這三個數字工程生態系統核心紐帶覆蓋壽命週期更廣的事物，那麼中篇，我們就來看看CREATE和ERS這兩個工具環境，怎麼提升工程實踐，如何支撐跨利益攸關方實施各項活動、協作和溝通。

2.3融入技術創新以提升工程實踐

目標是超越傳統的基於模型的方法，在技術和實踐中融入創新成果，並且支撐在一個數字化連接的端到端複雜組織體內快速實施創新。

（1）建立一個數字化的端到端工程複雜組織體。工程複雜組織體將連接數字與物理世界，融入基於模型的方法以執行全生命週期活動。在生命週期前期，美國國防部主要使用興趣系統的數字化表達來支撐概念評價、用戶參與以及權衡確認；後期主要關注最終系統的生產、交付和維護，重點是持續更新其數字化表達，不斷獲取來自使用環境的知識並且加深對系統的認知。

（2）利用技術創新提升數字工程實踐。美國國防部將利用數據分析學，通過模型和數據加深對系統的認知，幫助利益攸關方提升決策水平、系統能力以及計算密集型工程活動的成效；還將利用人機交互轉變機器與其它機器和人類進行交流和協作的方式，從而同時利用人類和機器的力量提升工程實踐。

利用前沿技術、新方法、人機協作實現端到端的複雜組織體（美國防部圖片）

【作者獨家解讀】：上圖列出了一些技術，大數據與分析、虛擬現實、增強現實、數字孿生、數字製造、3D打印、數據可視化、人工智能、人機接口、計算雲、認知技術、計算技術都是耳熟能詳的技術，有一些筆者也專門寫過文章分析。下面將著重展示基於物理特性的模型，美軍高性能計算現代化計劃（HPCMP）中的“計算研究和工程採辦工具與環境”（CREATE）項目就是在開發利用該技術，該項目已實施10多年，並將持續維護、改進到至少2040年，然後更新換代。

為刺激重大國防系統的採辦並降低成本、週期和風險，美軍於2006年啟動了CREATE項目，目標是開發和部署基於物理特性的高性能計算軟件產品，通過高逼真度數字模型（虛擬樣機）的構建和改進，以支撐國防部平臺（飛行器、艦船、地面車輛和射頻天線系統）的設計和實現。項目每年投入3600萬美元，2016年，該產品實現商用，截止到2017年10月，美軍各軍種、國防機構、國防工業部門以及大學等有超過180個組織正在使用它。未來，CREATE還將面向高超聲速、新型潛艇開發、聯合多任務旋翼機技術演示（JMR-TD）、空間技術、改進型渦輪發動機項目（ITEP）、電子戰/雷達/天線建模、直接能量、服務壽命預測等，繼續開發和改進。

美軍高性能計算現代化計劃生態系統（中國航空工業發展研究中心漢化）

CREATE項目共分為5個子項目，開發了11個多物理軟件工具，分別是：飛行器——CREATE-AV，艦船——CREATE-Ships，射頻天線——CREATE-RF，地面車輛——CREATE-GV，網格和幾何——CREATE-MG，以及高性能計算門戶。具體如下：

飛行器CREATE-AV

Genesis（原名DaVinci）

用於學術研究的快速概念設計

Kestrel

固定翼飛行器高逼真度、全尺度、多物理分析工具

Helios

旋翼飛行器高逼真度、全尺度、多物理分析工具

Firebolt

集成到Kestrel和Helios中的推進模塊（非獨立工具）

艦船CREATE-Ships

艦船快速設計環境（RSDE）

快速設計和綜合能力

海軍增強山嶺機制（NESM）

艦船衝擊和衝擊損傷評價

NAVYFOAM

艦船水動力，預測水動力性能

集成水力設計環境（IHDE）

促進海軍設計工具訪問

射頻天線CREATE-RF

SENTRi

與平臺集成的電磁天線設計

地面車輛CREATE-GV

水銀

車輛系統和組件高逼真度、多物理仿真工具

移動性分析工具（MAT）

評估地面車輛性能指標的分析工具

網格和幾何CREATE-MG

Capstone

生成分析所需幾何外形和網格的組件

使用CREATE工具，工程人員可以在採辦流程的任何階段，利用高逼真度虛擬樣機分析產品性能，作為真實試驗、使用等數據的補充。對新系統的概念設計來說，現有設計的“經驗法則”外推方法可以為基於物理特性的設計方案生成方法所替代，從而能夠快速探索設計權衡空間，並且利用基於物理特性的分析工具評估設計方案的可行性。他們可以考慮數千種設計方案而不是少量幾種。對詳細設計研製來說，虛擬樣機的高逼真度分析可以通過“虛擬樣機性能的基於物理特性的分析”，代替“真實試驗的故障數據”。這種方法向工程人員適時提供決策數據，使他們在早期就識別設計缺陷和性能不足，讓問題在物理製造前得到修正，儘量減少費時費力的返工。

CREATE工具還可以助力試驗過程，使其更具成效、更有效和高效。該工具可以用來識別最敏感和不確定的使用條件，以便試驗程序集中於這些領域，從而使總的試驗數據需求減少5倍以上，也就減少了所需的試驗時間。此外，它還讓試驗團隊能夠專心處理確定武器系統性能的基礎問題。美國空軍針對高性能飛行器靜態和動態穩定性和控制特性的確定，利用該工具開發了通過試驗設計設置最少的數據點從而縮短整個風洞試驗週期的方法，並使用F-22戰鬥機的數據完成了驗證。這一過程將在（下）篇中進行詳細闡述。

CREATE工具影響了許多國防部項目（中國航空工業發展研究中心漢化）

CREATE項目將同時支撐數字工程戰略的五大目標。

第一，CREATE項目開發、部署和支撐基於物理特性的軟件程序，讓國防部工程人員快速開發數字產品模型，分析系統性能，識別並修正系統設計缺陷和性能不足，在採辦流程所有階段提升性能。第二，項目開發和部署經驗證與確認（V&V）的基於物理特性高性能計算工具，包括所有重要的效應、精確的解決方案算法，為完整系統即所需的任何事物建模，以足夠短的計算時間為參數研究而精確預測性能。第三，HPCMP生態系統採用創新的技術（高性能計算、高速網絡和先進軟件），可讓國防部工程人員生成許多設計方案，由於不可行的方案在很早期就快速失敗，所以只承擔很少風險就識別成功的產品設計，從而快速和高效開發創新的系統。第四，生態系統從相關利益攸關方連接領域專家，提供經驗證和確認的數據用於工程和採辦活動，利用高性能計算分佈式資源中心、高寬帶網絡以及CREATE軟件程序。

2.4建立支撐的基礎設施和環境以跨利益攸關方實施各項活動、協作和溝通

目標是建立耐久可靠的基礎設施和環境，包括對IT基礎設施以及先進方法、流程和工具進行綜合，以及保護知識產權、網絡安全和安全分級。

（1）開發、完善並使用數字工程IT基礎設施。數字工程IT基礎設施是分佈式的軟硬件、網絡和相關設備的集合，美國國防部必須保證其滿足安防要求。

（2）開發、完善並使用數字工程方法論。基於模型的複雜組織體的有效使用需要從基於文檔的方法轉型為數字化方法，國防部必須改進工程人員工作和管理、設計和交付解決方案的方式，以更好地開發和使用先進技術能力。

（3）確保IT基礎設施安全並保護知識產權。數字工程轉型依賴對模型和數據分級、可用性以及完整性的保護，模型中存儲了大量信息，美國國防部必須降低網絡風險並針對內外部威脅以確保數字工程環境的安全，將在促進工業界和政府間合作的同時，加強知識產權和敏感信息保護。

數字工程環境支撐基礎（美國防部圖片）

【作者獨家解讀】：美軍數字工程戰略報告中，一個引人注目的小貼士就是ERS，說海軍利用ERS工具開發了超過1900萬種艦船設計，使用成本與能力權衡分析以確定未來水面戰鬥艦的經濟可承受能力空間。工程強韌系統（ERS）計劃是美軍7個科技優先計劃之一，由各軍種、國防高級研究計劃局負責，各軍種系統司令部、中心和研究實驗室組成了技術團隊。ERS

工程強韌系統是一個不斷髮展的框架，是支持採辦所有階段的、可信的集成計算環境，致力於實現數據驅動的決策，主要由需求生成、備選方案分析、虛擬樣機與評估這幾個部分組成。強韌系統的4個關鍵屬性是：擊退/抵抗/吸收、恢復、適應、廣泛的功用。美軍對強韌系統的要求是：在各種任務背景環境中是可靠的和有效的，通過重新配置和/或替換而很容易適用其它任務環境，可預測功能降低並且可緩解。目前，美軍和國防工業部門正在使用高性能計算資源，用驗證模型和仿真復現基於物理特性的交互並預測裝備系統功能，從而預測可能影響任務執行的背景環境，對這些模型和仿真生成的數據評估並形成裝備方案權衡，以確定一個系統提供所需能力的風險，以及確定系統是否可以保留並表現出足夠的強韌性來保證系統的採辦和部署。工程強韌系統能夠加強需求生成和備選方案分析流程，並且在權衡過程中提供壽命週期“情報”，通過權衡分析實現有充分依據的決策，在更少時間內“可視化”更多設計的權衡，從而達到量化並降低採辦風險的目標。

工程強韌系統支撐數據驅動的決策（中國航空工業發展研究中心漢化）

利用ERS平臺，可以全面探索並識別關鍵性能參數（KPP），快速分析許多備選方案，提供虛擬作戰能力，減少原型製造時間和成本。目前，美軍正在

因此，ERS平臺中的六個主要方向能夠支撐國防部當前的採辦改革與創新目標。（1）非線性工程，推動基於模型的工程，在大規模分析中最大化地使用數據和模型；（2）基於物理特性的建模

ERS打造特定領域的設計環境（中國航空工業發展研究中心漢化）

ERS為特性領域的設計和工程提供支撐，比如能力生成、使命任務工程、成本分析、權衡空間分析、工程分析、工作流效率，並且以計算化方式生成原型等等。按照路線圖，當前，ERS正在將能力集成到試驗與部署環節，包括用戶配置的分析、風險表達與應對、地球任何地點的環境仿真、製造、可生產性和壽命成本工具、任務背景環境工具。從2020年開始，ERS將全面轉移到採辦流程，包括建模整個採辦週期、確認的成本表達、所有裝備備選方案的虛擬樣機構建、認知計算等。

目前，波音、洛克希德·馬丁、雷神、BAE系統公司等都採納了ERS。波音採用ERS進行陸軍CH-47-F的改進設計，通過自適應設計/快速決策，使新設計概念到低速初始生產的週期縮短到

ERS向採辦團體轉移（中國航空工業發展研究中心漢化）

ERS計劃將同時支撐數字工程戰略的五大目標。第一，使用模型替代連續的、固定的需求生成方法；使用模型實現在物理樣機和全尺度系統可用前，虛擬地生成樣機、實驗和試驗解決方案；使用不斷演進的模型，允許設計方案分析在壽命週期中提前；理解如何通過逆向建模擊敗一個概念。第二，模型天生就更能適應使命任務集和各種環境；權威真相源意味著“真正的事實”；ERS能夠以大型、複雜和集成的數據集，足夠快速和精確地理解並緩解風險。第三，探索集成的先進工程模型的新概念；將密集的人工流程替代為集合了數據和技術文件的自動化工作流；探索數字工程使用增加的需求下新的決策分析方法，使之可生成反映整個壽命週期的真實備選方案；利用機器學習分析海量和複雜的數據集，包含來自大量源的各種數據類型；從架構上與知識管理集成。第四，在高性能計算中構建整個數據生態系統架構；構建通用化且可重用的工作流引擎；構建複雜組織體層級的網絡門戶；圍繞數據組織軟件工具；創建支持決策過程的可視化技術。第五，理解採用數字生態系統不會消除用戶選擇、管理、控制和使用相應工具的責任；對於在一個協同、集成、基於數字模型的環境中執行活動獲得信心；學習向第三方清晰地表達問題、工作流和模型邊界條件；理解如何適當地減少對物理實驗的依賴。

此前，劉亞威先生已為《空天防務觀察》提供61篇專欄文章，如下表所示：

序號

篇名

發表日期

1

美國數字製造與設計創新機構助力美國智能製造

2015年2月16日

2

非熱壓罐成形技術用於MS-21機翼主承力構件生產

2月23日

3

熱塑性複合材料加速進入民機主承力結構

2月25日

4

軌道加工工藝顛覆航空異種材料構件制孔

2月27日

5

增材製造（3D打印）——“美國製造，美國能行！”

3月11日

6

2014，美國國家制造創新網絡雛形初現

4月8日

7

揭秘莫納什大學增材製造中心——澳大利亞增材製造先鋒

4月22日

8

美國通用電氣公司“工業互聯網”——兩大革命共鳴下的智能製造新前景

5月27日

9

美國通用電氣公司——高端增材製造技術的領軍者

6月1日

10

“數字製造”VS“智能製造”

8月17日

11

你應知道的集成光子學和集成光子學制造創新機構

8月24日

12

波音採用創新技術製造NASA新概念飛機機身

9月28日

13

無人機複合材料結構低成本製造技術（節選）

10月9日

14

你應知道的柔性混合電子學和柔性混合電子學制造創新機構

10月14日

15

解讀美國國家制造創新網絡中製造創新機構的分級會員制

11月23日

16

德國“工業4.0”之“智慧工廠”計劃（上）、（中）、（下）

12月18日、21日和23日

17

美國國家增材製造創新機構的技術路線圖和項目概覽（上）、（下）

2016年1月8日、15日

18

美國國家制造創新網絡計劃2015年實施亮點

2月15日

19

美國政府發佈首份國家制造創新網絡年度報告和戰略計劃

2月22日

20

美國國家制造創新網絡戰略計劃要點

3月4日

21

工業互聯網聯盟與工業4.0平臺的合作始末

4月1日

22

航空製造領域即將發生五個變革

4月6日

23

你應知道的革命性纖維與織物和革命性纖維與織物製造創新機構

4月8日

24

美國國家制造創新網絡的知識產權管理

5月11日

25

十八張圖說新工業革命與未來航空製造

5月17日

26

十七張圖說波音創新制造新概念飛機機身和民機主承力構件非熱壓罐製造

5月23日

27

人——航空智造轉型之路的核心資產

5月30日

28

定位高端——航空增材製造技術

6月6日

29

美空軍“未來工廠”願景與專項計劃

6月29日

30

美國政府提出先進製造業優先技術領域（上）、（下）

7月5日、7月7日

31

美國智能製造領導力聯盟——美國國家智能製造創新機構的領導者（上）、（下）

7月11日、7月13日

32

“增強現實”助力航空智能製造

9月8日

33

美國製造創新機構運行效果的評價

10月19日

34

美國數字製造與設計創新機構的項目機制

10月21日

35

美國洛馬公司深度參與國家制造創新網絡

10月24日

36

飛機部裝邁向智能化

11月21日

37

新工業革命下航空智能製造的三大典型範例

11月30日

38

航空製造改變未來製造業：再次認識製造與未來航空製造

12月26日

39

航空製造改變未來製造業：重新定義製造業

12月28日

40

美國防部發布增材製造路線圖

2017年3月1日

41

解讀美國先進生物組織製備製造創新機構

3月8日

42

解讀美國防部先進機器人制造創新機構

5月8日

43

英國高價值製造戰略與航空製造創新

5月17日

44

美國防部先進輕量化材料製造創新機構一覽

5月24日

45

虛擬現實／增強現實技術支撐航空智能製造轉型

5月31日

46

淺談智慧院所／智能車間信息化能力建設需求

8月30日

47

五大航空製造商製造創新實體

9月13日

48

數字線索助力美空軍航空裝備壽命週期決策

9月27日

49

AS6500標準將協助美軍加強採辦項目製造成熟度管理

12月6日

50

美軍希望擴展製造成熟度應用範圍（上）、（下）

12月15日、12月18日

51

美國洛馬公司利用數字孿生提速F-35戰鬥機生產

12月27日

52

管窺美軍數字工程戰略——迎接數字時代的轉型

2018年2月11日

53

淺析美國軍民一體化製造創新——對美國國家制造創新網絡運行邏輯的獨家透視

8月1日

54

智能技術助力美軍航空裝備保障

8月15日

55

自動化在線檢測提速未來航空複合材料製造（上）、（下）

8月29日、

8月31日

56

萬物互聯網：終極軍用互聯網

9月17日

57

航空製造的萬物互聯（演示文稿）

10月8日

58

以“超越比例縮放”推動“電子器件復興”——美軍關注後摩爾時代芯片創新發展

11月2日

59

美國國防部數字工程戰略解讀（上）

11月18日

60

先進技術保護航空增材製造數字線索的安全

11月28日

61

看看什麼叫工業強國：創造歷史的波音777X客機機翼製造創新！

2019年1月28日

有興趣的讀者，可點擊上表中“篇名”列的原文鏈接閱讀。

（中國航空工業發展研究中心 劉亞威）

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本篇供稿：系統工程研究所

運 營：李沅栩

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