摘 要

數(shù)字工程是系統(tǒng)工程和基于模型的系統(tǒng)工程在數(shù)字化時(shí)代的延申，其目的在于使用先進(jìn)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界對象的數(shù)字化表達(dá)，以提高工程能力，建立一個(gè)覆蓋系統(tǒng)工程技術(shù)流程和管理流程的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，以提高效率，節(jié)約成本，提高工程質(zhì)量。梳理了數(shù)字工程基本概念和關(guān)鍵技術(shù)，研究分析國內(nèi)外針對數(shù)字工程的研究動(dòng)態(tài)與熱點(diǎn)方向及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)識(shí)別當(dāng)前數(shù)字工程應(yīng)用中存在的問題，形成改善意見與提升路徑，以期為我國重大工程項(xiàng)目數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供參考。

關(guān)鍵字：系統(tǒng)工程; 數(shù)字工程; 基于模型的系統(tǒng)工程; 數(shù)字化轉(zhuǎn)型

01引言

新一代信息技術(shù)的跨越式發(fā)展推動(dòng)了復(fù)雜產(chǎn)品研制過程的革命性創(chuàng)新，產(chǎn)品復(fù)雜性、集成性和綜合性特征日益提升，為多學(xué)科融合的工程實(shí)踐帶來巨大挑[1,2]。傳統(tǒng)煙囪式的信息傳遞方式以及線性的、以文本為中心的流程導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、交付、維護(hù)等環(huán)節(jié)難以靈活有效應(yīng)對快速變化的不確定性需求，甚至成為阻礙業(yè)務(wù)模式變革及業(yè)務(wù)能力提升的主要因素[3,4]。此外, 基于文檔的工程實(shí)踐會(huì)在采辦活動(dòng)和決策過程中使用和產(chǎn)生大量非連續(xù)、非結(jié)構(gòu)化的靜態(tài)數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)冗余，甚至數(shù)據(jù)爆炸[5]。

數(shù)字工程的產(chǎn)生為解決上述問題提供強(qiáng)有力支撐。數(shù)字工程由美國國防部系統(tǒng)工程研究中心首次提出，試圖采用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)系統(tǒng)工程和國防部采辦流程的整體變革[6]。此后, 美國國防部發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，正式定義數(shù)字工程概念: “一種綜合數(shù)字方法，使用權(quán)威的數(shù)據(jù)和模型作為跨學(xué)科傳遞的連續(xù)統(tǒng)一體，支持從概念到部署的產(chǎn)品全生命周期活動(dòng)的過程[7]?！?數(shù)字工程為實(shí)現(xiàn) MBSE 提供技術(shù)基礎(chǔ)，是 MBSE 在數(shù)字化時(shí)代的深化，也是傳統(tǒng)系統(tǒng)工程理論方法的拓展。

本文以數(shù)字工程為切入點(diǎn)，研究分析國內(nèi)外數(shù)字工程研究動(dòng)態(tài)、熱點(diǎn)方向及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)識(shí)別當(dāng)前數(shù)字工程應(yīng)用中存在的問題，形成具有針對性的改善意見與提升路徑，以期為中國數(shù)字工程生態(tài)體系建設(shè)及推動(dòng) MBSE 在大型項(xiàng)目研制中的應(yīng)用提供決策參考。

02 數(shù)字工程

寧津生等[8]將數(shù)字工程定義為計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息技術(shù)結(jié)合的綜合技術(shù)，目的是實(shí)現(xiàn)地球相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與可視化。而美國國防部認(rèn)為數(shù)字工程是一種以系統(tǒng)模型為核心，覆蓋系統(tǒng)整個(gè)生命周期的集成數(shù)字方法。有學(xué)者認(rèn)為數(shù)字工程的核心關(guān)鍵在于建立一個(gè)安全可靠的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，并使用數(shù)據(jù)和模型取代文檔在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)傳遞，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界對象的數(shù)字化表達(dá)，從而提高工程能力。

數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和方法等要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)。數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)不僅允許利益相關(guān)者從權(quán)威的真相源(authoritative source of truth, ASoT)交換數(shù)字工件[9]，同時(shí)允許利益相關(guān)者在系統(tǒng)全生命周期快速查找、比對和使用來自不同階段、不同部門產(chǎn)生的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而推動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字論證與數(shù)字交付。其中，數(shù)字工件是工程工件數(shù)字化的產(chǎn)物，是信息和模型跨平臺(tái)、跨生命周期和跨領(lǐng)域共享的關(guān)鍵。

工程工件可以是數(shù)字對象，如模型、數(shù)據(jù)集、文檔和圖片等，也可以是物理對象，如物理產(chǎn)品或零件。對于數(shù)字對象，其數(shù)字工件就是其本身。對于物理對象，對應(yīng)的數(shù)字工件可以是使用數(shù)字孿生生成的復(fù)雜模型，也可以是圖片或者文本，甚至是一串文件編號(hào)用于與物理對象本身的屬性和數(shù)字相關(guān)聯(lián)。

盡管現(xiàn)有研究對于數(shù)字工程的定義不盡相同，但均表現(xiàn)出共同的特點(diǎn)——以 MBSE、數(shù)字線索(digital thread)為基礎(chǔ)進(jìn)行的多方法集成，實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)的工程實(shí)踐數(shù)字化。基于上述分析，本文結(jié)合系統(tǒng)工程與 MBSE 對數(shù)字工程內(nèi)涵進(jìn)行延伸。從廣義上講， 數(shù)字工程是利用數(shù)字技術(shù)對工程進(jìn)行數(shù)字化改造，從而形成一套適用于數(shù)字時(shí)代的系統(tǒng)工程方法，即數(shù)字系統(tǒng)工程。數(shù)字系統(tǒng)工程的總體目標(biāo)是開發(fā)在數(shù)字化、互聯(lián)的工程環(huán)境、操作環(huán)境中的系統(tǒng)工程原則、理論、方法、模型和技術(shù)。

傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法的數(shù)字化應(yīng)用與基于模型的系統(tǒng)工程是數(shù)字工程的兩大支柱[3]。具體而言, 前者是采用、集成新的數(shù)字技術(shù)的系統(tǒng)工程方法，強(qiáng)調(diào)通過數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程過程的規(guī)范化和信息化，提升系統(tǒng)工程的效率效能；后者側(cè)重于以標(biāo)準(zhǔn)一致的形式化方法實(shí)現(xiàn)對工程工件的多視圖模型化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)需求-功能-邏輯-物理的一致性和追溯性。數(shù)字工程和傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的主要區(qū)別在于:

1) 在系統(tǒng)生命周期中使用權(quán)威真相源，在所有利益相關(guān)者之間共享數(shù)據(jù)。消除紙面合同數(shù)據(jù)需求列表和大規(guī)模設(shè)計(jì)評(píng)審的需要；

2) 在進(jìn)行完整的物理系統(tǒng)開發(fā)前，設(shè)計(jì)在模型中進(jìn)行集成和驗(yàn)證；

3) 使用權(quán)威真相源連續(xù)反饋信息進(jìn)行任務(wù)效能優(yōu)化；

4) 需求變得可傳遞，以增強(qiáng)關(guān)鍵性能參數(shù)。數(shù)字工程和基于模型的系統(tǒng)工程的主要區(qū)別在于：MBSE 的重點(diǎn)在于使用形式化的系統(tǒng)模型(原理圖模型)表達(dá)系統(tǒng)工程實(shí)踐，并在全生命周期內(nèi)傳遞；而數(shù)字工程的重點(diǎn)在于將更為廣泛的模型(包括數(shù)字孿生模型、數(shù)學(xué)模型和 3D 模型等)作為在全生命周期中傳遞的連續(xù)統(tǒng)一體。

03數(shù)字工程研究動(dòng)態(tài)與應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 數(shù)字工程關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字工程以采用數(shù)字手段提高工程能力為第一目的，在不同工程項(xiàng)目中的技術(shù)體系有所區(qū)別但至少都包含著 MBSE、數(shù)字線索和數(shù)字孿生三個(gè)方面。MBSE 是連接用戶需求與系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)方案的重要方法；數(shù)字線索將數(shù)據(jù)和模型在正確的時(shí)間將正確的數(shù)據(jù)交給正確的人使用[10]；數(shù)字孿生是模擬系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境行為的關(guān)鍵技術(shù)。

1) 基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)。MBSE 是建模的形式化應(yīng)用, 以支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)，始于概念設(shè)計(jì)階段，并持續(xù)到整個(gè)開發(fā)和生命周期后期階段[11]。MBSE 中的模型通常指原理圖模型，一般包括需求模型、功能模型和架構(gòu)模型等， 這些模型從不同視角描述同一個(gè)系統(tǒng)，并貫穿全生命周期[12?14]， 其基本思想是使用形式化的標(biāo)準(zhǔn)模型協(xié)助相關(guān)系統(tǒng)工程從業(yè)人員進(jìn)行系統(tǒng)工程實(shí)踐[15]。將傳統(tǒng)的基于文檔的方法轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷姆椒?，?MBSE 與數(shù)字工程的典型特征。

2) 當(dāng)前 MBSE 方法論主要包括以 SysML 為建模語言的 IBM Harmony SE，IBM RUB SE 以及 INCOSE 的OOSEM；以SDL 為建模語言的Vitech MBSE Methodology；以O(shè)PDs/OPL 為建模語言的OPM。其中IBM Harmony SE 和 OOSEM 的開發(fā)方法與 V 模型一致；RUP SE 的開發(fā)方法屬于面向?qū)ο蟮姆椒? 與螺旋模型一致；Vitech MBSE Methodology 的開發(fā)方法屬于并行設(shè)計(jì)，與洋蔥模型(增量模型)一致；OPM 的開發(fā)方法屬于面向?qū)ο?工程的方法[16]。沒有任何一種 MBSE 方法適用于所有系統(tǒng)，MBSE 方法必須根據(jù)組織具體的開發(fā)方法和待開發(fā)的系統(tǒng)類型進(jìn)行調(diào)整。

3) 數(shù)字線索。數(shù)字線索是一種可擴(kuò)展的、組件化的和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)，它將產(chǎn)品生命周期中生成的信息鏈接在一起，以傳遞工程、制造、業(yè)務(wù)流程之間以及跨供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)流[17,18]。通過數(shù)字線索支持的系統(tǒng)環(huán)境封閉循環(huán), 制造商可以實(shí)現(xiàn)流程的實(shí)時(shí)分析和改進(jìn), 工件、數(shù)據(jù)、模型的自動(dòng)化創(chuàng)建和全過程跟蹤[19,20]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)“ 設(shè)計(jì)一制造一試驗(yàn)”模式向“設(shè)計(jì)–虛擬綜合–數(shù)字制造–物理制造”模式的轉(zhuǎn)變[21]，大大提高基于模型系統(tǒng)工程的實(shí)施水平。美國空軍認(rèn)為，系統(tǒng)工程將從基于文檔到基于模型再到基于數(shù)字線索[22]。

針對不同的業(yè)務(wù)需求，出現(xiàn)了許多不同的數(shù)字線索框架，包括生命周期信息管理框架與現(xiàn)有技術(shù)集成構(gòu)成的LIFT(lifecycle information framework and technology)[23,24]；基于語義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(semantic Web technology) 的互操作性和集成框架(interoperability and integration framework)[11]；基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的產(chǎn)品數(shù)字空間管理框架[25]等。

數(shù)字孿生。數(shù)字孿生脫胎于物聯(lián)網(wǎng)，是一種可以用很多先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的想法而不是一種特定的技術(shù)，不同的學(xué)者在不同的行業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ溆兄煌慕忉??？偠灾?，?shù)字孿生指在賽博空間(cyber space)建立一個(gè)與物理實(shí)體/系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接的多領(lǐng)域多尺度的高保真模型[26]，該模型是一個(gè)真實(shí)反映物理規(guī)則并在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)不斷更新的數(shù)字實(shí)體。

其目的在于使用數(shù)字模型模擬物理對象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。利用高精度傳感器、高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)和高保真模型，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)地在賽博空間中反映物理實(shí)體的真實(shí)狀況。對賽博空間內(nèi)的虛擬映像進(jìn)行判斷、分析、預(yù)測和優(yōu)化，將仿真數(shù)據(jù)反饋回物理實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體精確最優(yōu)控制。

利用數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)監(jiān)測和雙向操作功能可以提高系統(tǒng)安全性和可靠性，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)質(zhì)量，延長系統(tǒng)壽命，提高預(yù)測精度輔助決策和收集數(shù)據(jù)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)[27?32]。Windham[5,33]認(rèn)為，“數(shù)字孿生是使用數(shù)字線索對已竣工系統(tǒng)建立的多物理、多尺度和概率模擬的虛擬模型”，當(dāng)使用 MBSE 開發(fā)系統(tǒng)抵達(dá) V 圖的底部時(shí)，數(shù)字孿生模型會(huì)自然而然地形成。

除了上述關(guān)鍵技術(shù)外，數(shù)字工程還針對不同的行業(yè)融入不同的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。例如融入開放式系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)武器裝備的迭代式更新；融入VR 技術(shù)，在虛擬環(huán)境中完成對人員的培訓(xùn)；融入認(rèn)知技術(shù)提高人機(jī)交互效率；融入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)輔助決策等。

3.2 數(shù)字工程研究現(xiàn)狀

數(shù)字工程脫胎于數(shù)字工程戰(zhàn)略，數(shù)字工程戰(zhàn)略提出的愿景包括 5 個(gè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)型建設(shè)領(lǐng)域：數(shù)字模型構(gòu)建與應(yīng)用；數(shù)字資源管理授權(quán)；融合應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)；建設(shè)數(shù)字生態(tài)環(huán)境；推進(jìn)數(shù)字文化與人才建設(shè)[34]。在數(shù)字工程不斷推行和實(shí)踐中，學(xué)者們針對如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程愿景及數(shù)字工程如何改進(jìn)系統(tǒng)工程與工程實(shí)踐等方面展開了大量研究。

3.2.1 如何建設(shè)數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)方面

Ronald 等[35]研究了數(shù)字工程對模型的要求，提出了根據(jù)使用需求過程引出和定義系統(tǒng)模型需求的方法，描述了模型環(huán)境與 MBSE 其它組件的關(guān)系，描述了如何在數(shù)字工程環(huán)境中有效的使用 MBSE。Marcel[36] 進(jìn)行數(shù)字工程中心探路者項(xiàng)目，研究建立權(quán)威真相源的方法并探索其使用方式，Leigha[37]論證使用 SpaceNet Cloud 充當(dāng)權(quán)威數(shù)據(jù)源的可行性。

Donna[38]討論了可視化和交互性的重要性，特別是可視化分析和交互式儀表板在數(shù)字工程中的潛在作用，Azad[39]提出了將數(shù)字孿生納入 MBSE 的總體設(shè)想和基本原理，并闡述了仿真和物聯(lián)網(wǎng)(IoT, internet of things)對 MBSE 的好處。Ogun 等[2]研究了如何使用 RFLD(requirements, function, logical, physical)分析框架指導(dǎo) MBSE 分解系統(tǒng)，并提出了數(shù)字工程運(yùn)行框架，Mark 等[40]利用Zachman 框架和SysML 提供了一種正式的、基于模型的方法，用于指導(dǎo)企業(yè)范圍內(nèi)的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)空軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

Nicole 等[41?43]定義數(shù)字工程能力框架，闡述數(shù)字工程專業(yè)人員所需的知識(shí)、能力、技能和行為，為推進(jìn)數(shù)字文化與人才建設(shè)提供指導(dǎo)范式。

3.2.2 數(shù)字工程如何改進(jìn)系統(tǒng)工程

數(shù)字工程策略的應(yīng)用將使工程從傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)–建造–測試–修復(fù)”范式轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臄?shù)字化、基于模型的“集成分析–建造–測試–運(yùn)行/維持”范式[44]。與數(shù)字工程對傳統(tǒng)工程的影響類似，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的項(xiàng)目管理、技術(shù)審查、風(fēng)險(xiǎn)控制和測試評(píng)估等方面也將隨著數(shù)字工程的出現(xiàn)發(fā)生改變。

Vinodini 等[45?47]分別在美國空軍分布式公共地面系統(tǒng)(AF DCGS)和 CubeSat 等項(xiàng)目中研究如何使用 MBSE 建立數(shù)字系統(tǒng)模型以及如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字線索以改進(jìn)系統(tǒng)工程和項(xiàng)目管理，促進(jìn)信息交流. Edward[48]提出一種形式化、規(guī)范化方法進(jìn)行數(shù)字工程風(fēng)險(xiǎn)量化與控制。

Warren[7] 通過從基于文檔的技術(shù)審查過渡到基于模型的技術(shù)審查來提高效率。Rainer[49]基于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和裝配領(lǐng)域的調(diào)查，提出并驗(yàn)證可能的工程輔助能力數(shù)字化方法。Donna 等[39]討論現(xiàn)有系統(tǒng)工程領(lǐng)先指標(biāo)(在基于文檔的工程假設(shè)下開發(fā))對數(shù)字(基于模型)工程的適應(yīng)性。Tom 等[9]提出量化數(shù)字工程效益的框架以及評(píng)價(jià)企業(yè)數(shù)字工程轉(zhuǎn)型進(jìn)度的方法。

數(shù)字工程工具和流程將使測試與評(píng)估的效率和有效性發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，這將顯著影響開發(fā)新系統(tǒng)的總體周期。系統(tǒng)地應(yīng)用戰(zhàn)略行動(dòng)實(shí)施數(shù)字工程，利用協(xié)作知識(shí)掌握風(fēng)險(xiǎn)，將基于模型的工程解決方案轉(zhuǎn)換為基于數(shù)字線索的方法改變了建模和測試的本質(zhì)[50,51]。

為進(jìn)一步使用數(shù)字技術(shù)改善工程實(shí)踐和系統(tǒng)工程方法，本文在綜合分析數(shù)字工程研究現(xiàn)狀、復(fù)雜裝備開發(fā)方法后對數(shù)字工程未來研究提出如下設(shè)想：

1) 模型轉(zhuǎn)換機(jī)制研究。數(shù)字工程涉及多學(xué)科、多種類模型，如何實(shí)現(xiàn)模型之間的相互轉(zhuǎn)換(甚至自動(dòng)轉(zhuǎn)換)是降低數(shù)字工程應(yīng)用難點(diǎn)，提高數(shù)字工程能力的核心關(guān)鍵。

2) 復(fù)雜模型可信度評(píng)價(jià)研究，系統(tǒng)復(fù)雜性的增加和數(shù)字工程對模型精度的高要求導(dǎo)致了模型復(fù)雜性的增加，探索客觀、實(shí)用和低成本的復(fù)雜模型可信度評(píng)價(jià)方法是數(shù)字工程研究重點(diǎn)。

3) 數(shù)字工程環(huán)境下的組織管理范式研究。數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞由基于文本向基于數(shù)據(jù)和模型轉(zhuǎn)變必然會(huì)對組織內(nèi)部的組織管理模式產(chǎn)生沖擊，如何在數(shù)字工程環(huán)境下進(jìn)行組織管理是當(dāng)前研究空白。

4) 數(shù)字工程與其它技術(shù)融合研究。數(shù)字工程是一個(gè)開放框架，不斷融合創(chuàng)新技術(shù)改善工程實(shí)踐是其基本思想。

5) 數(shù)字工程在非國防領(lǐng)域應(yīng)用研究。探索總結(jié)數(shù)字工程在更多領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢、難點(diǎn)和效益是數(shù)字工程普及的關(guān)鍵。

3.3 數(shù)字工程應(yīng)用現(xiàn)狀

3.3.1 數(shù)字工程的應(yīng)用

數(shù)字工程是美軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心方法。數(shù)字工程不僅涉及包括設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)和運(yùn)行在內(nèi)的產(chǎn)品全生命周期，還涉及企業(yè)(部隊(duì))的數(shù)字化改革。因此當(dāng)前數(shù)字工程的應(yīng)用主要集中在復(fù)雜裝備研制和國防、武裝部隊(duì)數(shù)字化改造兩個(gè)方面。

美國海軍司令部是最早開始系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)型的機(jī)構(gòu)，旨在探索改變當(dāng)前武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證方式的工程方法，目標(biāo)是顯著縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。美海軍使用 MBSE 作為主要集成機(jī)制為聯(lián)邦體系信息架構(gòu)提供權(quán)威真相源，減少了 18.4 % 相關(guān)流程所需的人力成本。在福特級(jí)航母設(shè)計(jì)中資助并使用該船的 3D 數(shù)字模型來規(guī)劃和消除電纜敷設(shè)、加熱、通風(fēng)和空調(diào)管道和其它元件的沖突。在減少零件、工作和返工以及易于組裝的基礎(chǔ)上，減少了施工工時(shí)；并基于飛行甲板建模和仿真減少了艦艇的兵力和登船人員, 提高出勤率[52]。

數(shù)字線索的出現(xiàn)促使陸軍《飛行器技術(shù)描述報(bào)告內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)》產(chǎn)生改變。未來的飛行器技術(shù)描述報(bào)告的范圍將從多媒體文檔鏈接到數(shù)字線索模型，首先用于開發(fā)無污染單板設(shè)計(jì)飛機(jī)，再逐步用于改進(jìn)商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品和傳統(tǒng)飛行器的“紙質(zhì)”報(bào)告[53]。同時(shí)美國陸軍專門建立一個(gè)客觀框架，名為“集成的基于模型的工程環(huán)境”，以快速響應(yīng)新出現(xiàn)的士兵技術(shù)需求，加強(qiáng)內(nèi)部和外部組織之間的協(xié)作，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)多目標(biāo)決策，控制生命周期成本[5]。

美國空軍使用數(shù)字工程完成了對空軍分布式公共地面系統(tǒng)的改造，綜合使用數(shù)字工程流程、敏捷的軟件開發(fā)、開放式系統(tǒng)架構(gòu)等技術(shù)成功研發(fā)美空軍第一架用 e 系列飛機(jī)——eT-7A 紅鷹教練機(jī)。美空軍以 e 表示在制造樣機(jī)前采用了數(shù)字工程的武器裝備。eT-7A 紅鷹教練機(jī)在 36 個(gè)月內(nèi)從概念設(shè)計(jì)過渡到首次飛行，首輪產(chǎn)品工程質(zhì)量提升 75 %，裝配時(shí)間減少 80 %，軟件開發(fā)時(shí)間減少一半[4,45]。

歐洲航天局完成數(shù)字工程中心探路者項(xiàng)目證明基于開放模型的工程環(huán)境愿景不僅在技術(shù)上可行，而且在實(shí)踐中也很有用，能夠滿足實(shí)際工程需求。它能將航天器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的工作流程完全數(shù)字化。不僅可以逐步用模型取代文檔，實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)化，而且可以通過“單一真實(shí)來源”的概念提高質(zhì)量和上市時(shí)間[39]。

根據(jù)美國防部需求，洛馬公司、雷神技術(shù)公司和 L3 哈里斯技術(shù)公司等國防武器裝備承包商積極開始數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，采用現(xiàn)代化的系統(tǒng)建模技術(shù)和基于模型的流程實(shí)現(xiàn)未來武器的快速低成本研發(fā)以達(dá)到美國國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略目標(biāo)。洛馬公司在“競速者”項(xiàng)目中驗(yàn)證 Startdrive 數(shù)字工程工具集，縮短對技術(shù)進(jìn)行測試和確認(rèn)的時(shí)間。雷神技術(shù)運(yùn)用數(shù)字線索將產(chǎn)品從需求分析到模型檢驗(yàn)的時(shí)長縮短至 9 個(gè)月，使公司將從設(shè)計(jì)到交付的時(shí)間縮短一半。同時(shí)基于數(shù)據(jù)和模型的需求傳遞可以減少重復(fù)工作、提高溝通效率，在數(shù)字環(huán)境中對產(chǎn)品性能進(jìn)行論證并可視化可以增強(qiáng)各方對新產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)。L3 哈里斯技術(shù)公司綜合使用數(shù)字工程和敏捷開發(fā)流程以加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮小開發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模。同時(shí) L3 哈里斯與英國 BAE 系統(tǒng)公司使用逼真的 VR 技術(shù)在虛擬環(huán)境中對人們進(jìn)行支持、培訓(xùn)。

3.3.2 數(shù)字工程應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程五大戰(zhàn)略，使用 MBSE 和數(shù)字技術(shù)更新工程實(shí)踐，數(shù)字工程還面臨許多挑戰(zhàn)。

1) 模型的標(biāo)準(zhǔn)化與跨學(xué)科模型的集成。數(shù)字工程核心在于采用動(dòng)態(tài)的，以數(shù)據(jù)和模型為中心的流程取代線性的，以文檔為中心的流程在全生命周期內(nèi)跨學(xué)科跨部門地傳遞。涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的模型集成，需要建立數(shù)據(jù)和模型跨部門和跨生命周期傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，需要確定使用系統(tǒng)模型表達(dá)具體系統(tǒng)工程流程、工程實(shí)踐流程的規(guī)范。

2) 數(shù)據(jù)和模型的快速驗(yàn)證。數(shù)字工程可以保證信息的可追溯性，但如何快速驗(yàn)證修改后數(shù)據(jù)和模型的正確性，減少因使用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)造成的返工是進(jìn)一步提高效率、降低成本的關(guān)鍵。

3) 數(shù)據(jù)和模型的多視圖表達(dá)和需求的一致性傳遞。不同的利益相關(guān)者對模型的需求并不相同，如何針對不同的使用者提供不同的視圖表達(dá)以保持需求傳遞的一致性是數(shù)字工程的重點(diǎn)。

4) 信息獲取。數(shù)字工程所需要的形式化系統(tǒng)模型、數(shù)字孿生模型等數(shù)字工件對數(shù)據(jù)的數(shù)量和精度存在很大需求。數(shù)據(jù)的質(zhì)和量決定著數(shù)字工程建立的模型能否正確的表達(dá)現(xiàn)實(shí)中的流程和實(shí)際物理系統(tǒng)，是保證模型精度的基礎(chǔ)。

5) 數(shù)字工程人才儲(chǔ)備不足。數(shù)字工程的實(shí)施要求參與者都有足夠的數(shù)字工程素養(yǎng)，因?yàn)閿?shù)字工程使用數(shù)據(jù)和模型取代紙質(zhì)的文檔的前提在于所有的參與者都能夠了解模型所代表的具體流程和模型所對應(yīng)的具體方法與要求。

04 數(shù)字工程應(yīng)用困難解決措施

數(shù)字工程是充分利用快速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)的一個(gè)重要體現(xiàn)，它是基于模型的工程(MBE)的使能技術(shù)，目的是利用數(shù)字技術(shù)對工程和系統(tǒng)工程方法進(jìn)行數(shù)字化改造，從而形成數(shù)字企業(yè)和一套適用于數(shù)字時(shí)代的系統(tǒng)工程方法，而不僅僅是將之前的流程數(shù)字化。因此，數(shù)字工程改革具有使用數(shù)字工程實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化改革、使用數(shù)字工程實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)工程和培養(yǎng)符合數(shù)字工程愿景的人才三個(gè)目標(biāo)。

4.1 工程的數(shù)字化改革

數(shù)字工程是工程數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，工程的數(shù)字化改革的核心在于采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字工件映射工程工件，在數(shù)字化環(huán)境或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，解決產(chǎn)品復(fù)雜度增加、集成級(jí)別增加、多學(xué)科耦合帶來的兼容性和協(xié)作方面的挑戰(zhàn)。工程的數(shù)字化改革的核心在于：1) 建立安全可靠的信息技術(shù)環(huán)境作為數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)的基石；2) 建立數(shù)據(jù)、模型傳遞和使用的通用規(guī)范；3) 使用合適的系統(tǒng)分析模型和工具確定當(dāng)前系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、物流、信息流和能力流等；4) 尋找使能技術(shù)不斷增強(qiáng)工程實(shí)踐。從本質(zhì)上講，工程的數(shù)字化改革還是在強(qiáng)化對信息的獲取、處理和使用。

4.2 數(shù)字系統(tǒng)工程

數(shù)字系統(tǒng)工程是在數(shù)字時(shí)代，以系統(tǒng)思維、系統(tǒng)工程原則、和系統(tǒng)工程方法為指導(dǎo)，融入新的數(shù)字技術(shù)的系統(tǒng)工程新發(fā)展。數(shù)字工程對于系統(tǒng)工程實(shí)踐的改變聚焦于使用數(shù)字化技術(shù)和基于數(shù)據(jù)和模型的方法提高系統(tǒng)工程實(shí)踐過程的信息獲取、處理和利用能力。數(shù)字系統(tǒng)工程區(qū)別于傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的優(yōu)勢在于持續(xù)改善系統(tǒng)工程實(shí)踐以及以模型驅(qū)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)分析。

1) 持續(xù)改善系統(tǒng)工程實(shí)踐。不成熟的技術(shù)和不成熟的需求是成本和進(jìn)度超支的主要驅(qū)動(dòng)因素，Edward[48]引入了一種新的方法，將傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)–構(gòu)建–測試–修復(fù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?整合–分析–設(shè)計(jì)–制造–測試–操作/持續(xù)改進(jìn)”的系統(tǒng)工程范式，以數(shù)字線索和數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，充分利用可用的數(shù)字知識(shí)和數(shù)據(jù)，將簡化流程并最大限度地減少返工。該范式可以使用任一生命周期內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)改進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)。在整個(gè)生命周期中，模型在虛擬空間中逐漸成熟，且逐漸成為更有用的鏡像， 從而實(shí)現(xiàn)虛擬測試、后勤運(yùn)作和持續(xù)性保障。

2) 模型驅(qū)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)分析。利用數(shù)字工程原理掌握風(fēng)險(xiǎn)可能是將系統(tǒng)工程的未來與過去區(qū)分開來的最重要的一個(gè)方面[53]，通過創(chuàng)建和應(yīng)用持久的權(quán)威真相來源，可以改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)下的工程實(shí)踐和決策，模型的形式化開發(fā)和應(yīng)用能夠在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用之前更全面的在虛擬空間探索解決方案。采用權(quán)威數(shù)字代理模型和不確定性量化方法，可以預(yù)測獲得缺失信息的最佳方法，以達(dá)到可接受的不確定性水平，并最大限度地提高項(xiàng)目價(jià)值、掌握風(fēng)險(xiǎn)。

在生命周期的所有階段擁有和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字模型的關(guān)鍵在于嚴(yán)格應(yīng)用不確定性量化工具和方法。不確定性分析的重點(diǎn)是在基于風(fēng)險(xiǎn)的決策分析中明確量化滿足系統(tǒng)及其組件設(shè)計(jì)要求(成本、進(jìn)度、性能要求和利潤等)的裕度和不確定性。關(guān)鍵決策點(diǎn)的裕度和不確定性量化可為之后的建模、方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)活動(dòng)提供適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)來減少不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。這將重點(diǎn)從“基于監(jiān)督”的方法轉(zhuǎn)移到“基于評(píng)估”的方法，在這種方法中，量化的不確定性用于確定下一個(gè)最佳行動(dòng)方案， 將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的水平，以確保項(xiàng)目的成功——控制風(fēng)險(xiǎn)，而不僅僅是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 數(shù)字人才建設(shè)

為高效地使用數(shù)字工程更新系統(tǒng)工程實(shí)踐，需要發(fā)展和維護(hù)一支精通基于模型的工程，精通數(shù)字工程模型、方法、流程和工具，了解整個(gè)采辦生命周期數(shù)字工件的人才隊(duì)伍。明確各個(gè)職位所需要的技能并建立能力標(biāo)準(zhǔn)是針對性培養(yǎng)人才的基礎(chǔ)。

對此，Adam 等[41]研究提出了數(shù)字工程能力框架，以衡量相關(guān)從業(yè)者的能力水平，從而確定數(shù)字工程人才培訓(xùn)課程的重點(diǎn)內(nèi)容。數(shù)字工程能力框架總體結(jié)構(gòu)包括能力群，能力領(lǐng)域、能力熟練度以及專業(yè)技能。能力群表示具有相同目的和應(yīng)用的能力領(lǐng)域所構(gòu)成的集合；能力領(lǐng)域代表數(shù)字工程核心專業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)技能的主要分組；員工的每個(gè)能力領(lǐng)域都將使用有意識(shí)、基礎(chǔ)、中級(jí)、高級(jí)和專家五個(gè)熟練程度來表示。專業(yè)技能表述不同能力領(lǐng)域的不同熟練度下相關(guān)的知識(shí)、技能、能力和行為。

數(shù)字工程能力框架旨在全面概述個(gè)人在數(shù)字環(huán)境中所需的技能。最初的數(shù)字工程能力框架包括 5 個(gè)能力群，25 個(gè)能力領(lǐng)域，659 種專業(yè)技能。并非每一個(gè)數(shù)字工程專業(yè)人員都需要掌握所有專業(yè)技能，我們需要做的是根據(jù)組織和個(gè)人的發(fā)展需要，定制自己的發(fā)展路線。

《數(shù)字工程戰(zhàn)略》的發(fā)布標(biāo)志著數(shù)字技術(shù)和系統(tǒng)工程方法的融合走向成熟，數(shù)字工程致力于使用數(shù)字技術(shù)和模型化方法對工程進(jìn)行數(shù)字化改造，從而形成一套適用于數(shù)字時(shí)代的系統(tǒng)工程方法。

數(shù)字工程可以有效的提高工程質(zhì)量和效率，減少研發(fā)周期和研發(fā)成本，其核心技術(shù)包括 MBSE 、數(shù)字線索和數(shù)字孿生。數(shù)字工程的研究主要集中在如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程愿景和如何使用數(shù)字技術(shù)改善系統(tǒng)工程兩個(gè)方面，其應(yīng)用已經(jīng)逐步由國防領(lǐng)域擴(kuò)散到工業(yè)界。當(dāng)前我國數(shù)字技術(shù)和工程方法結(jié)合并不緊密，影響復(fù)雜裝備高效、高質(zhì)量研制，應(yīng)圍繞數(shù)字工程理論與實(shí)踐逐步提升數(shù)字技術(shù)和工程方法融合水平，并針對不同行業(yè)融合創(chuàng)新技術(shù)，助力我國工程項(xiàng)目邁向數(shù)字時(shí)代。

文章來源：系統(tǒng)工程學(xué)報(bào) 作者：王林堯，趙滟，張仁杰

參考文獻(xiàn)

[1] Baker A, Pepe K, Hutchison N, et al. Enabling the digital transformation of the workforce: A digital engineering competency framework // 2021 IEEE International Systems Conference (SysCon). IEEE, 2021: 1–8.

[2] Kargin Y O, Barnes A A, Uysal O D, et al. Digital enterprise across the lifecycle // AIAA Scitech 2021 Forum. 2021: 0240.

[3] Huang J, Gheorghe A, Handley H, et al. Towards digital engineering: the advent of digital systems engineering. International Journal of System of Systems Engineering, 2020, 10(3): 234–261.

[4] 崔艷林, 王巍巍, 王 樂. 美國數(shù)字工程戰(zhàn)略實(shí)施途徑. 航空動(dòng)力, 2021(4): 84–86.Cui Y L, Wang W W, Wang L. US digital engineering implementation strategy. Aerospace Power, 2021(4): 84–86. (in Chinese)

[5] Zimmerman P, Gilbert T, Salvatore F. Digital engineering transformation across the department of defense. The Journal of Defense Modeling and Simulation, 2019, 16(4): 325–338.

[6] Sanchez S M, Lynch G E, Luhrs C, et al. Acquisition Research: Creating Synergy for Informed Change (May 8–9, 2019). Naval Postgraduate School, 2019: 1–21.

[7] Department of Defense. Digital Engineering Strategy. Washington D.C., 2018: 1–36.

[8] 邊馥苓, 涂建光. 從 GIS 工程到數(shù)字工程. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2004(2): 95–99.Bian F L, Tu J G. From GIS to Digital Engineering. Journal of Wuhan University ( Information Science Edition), 2004(2): 95–99. (in Chinese)

[9] McDermott T. A framework to categorize the benefits and value of digital engineering. Acquisition Research Program, 2021: 1–24.

[10] Bone M, Blackburn M, Kruse B, et al. Toward an interoperability and integration framework to enable digital thread. Systems, 2018, 6(4): 46–58.

[11] Estefan J A. Survey of model–based systems engineering (MBSE) methodologies. Incose MBSE Focus Group, 2007, 25(8): 1–12.

[12] 陳紅濤, 鄧昱晨, 袁建華, 等. 基于模型的系統(tǒng)工程的基本原理. 中國航天, 2016(3):18–23.Chen H T, Deng Y C, Yuan J H, et al. Basic Principles of model–based systems engineering. Aerospace China, 2016(3): 18–23. (in Chinese)

[13] 韓鳳宇, 林益明, 范海濤. 基于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實(shí)踐. 航天器工程, 2014, 23(3): 119–125.Han F Y, Lin Y M, Fan H T, Research and practice of model-based systems engineering in spacecraft development. Spacecraft Engineering, 2014, 23(3): 119–125. (in Chinese)

[14] Andersson H, Herzog E, Johansson G, et al. Experience from introducing unified modeling language/systems modeling language at saab aerosystems. Systems Engineering, 2010, 13(4): 369–380.

[15] 朱 靜, 楊 暉, 高亞輝, 等. 基于模型的系統(tǒng)工程概述. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 2016, 42(4): 12–16.Zhu J, Yang H, Gao Y H, et al. Summary of model based system engineering. Aeroengine, 2016, 42(4): 12–16. (in Chinese)

[16] Ramos A L, Ferreira J V, Barceló J. Model-based systems engineering: An emerging approach for modern systems. IEEE Transac- tions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews), 2011, 42(1): 101–111.

[17] Singh V, Willcox K E. Engineering design with digital thread. AIAA Journal, 2018, 56(11): 4515–4528.

[18] Friedenthal S, Moore A, Steiner R. A Practical Guide to SysML: The Systems Modeling Language. San Francisco: Morgan Kauf- mann, 2014.

[19] Hedberg T, Lubell J, Fischer L, et al. Testing the digital thread in support of model-based manufacturing and inspection. Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2016, 16(2): 021001.

[20] David J, Jrvenp E, Lobov A. Digital threads via knowledgebased engineering systems // 2021 30th Conference of Open Innovations Association FRUCT. IEEE, 2021: 42–51.

[21] 劉亞威. 數(shù)字線索助力美空軍裝備研制. 測控技術(shù), 2018, 37(9): 1–4.Liu Y W. Digital thread help US air force equipment development. Measurement & Control Technology, 2018, 37(9): 1–4. (in Chinese)

[22] 劉亞威. 數(shù)字線索提升航空產(chǎn)品壽命周期決策能力// 2017 年(第三屆)中國航空科學(xué)技術(shù)大會(huì)論文集(下冊). 2017: 134–137. Liu Y W. Digital clues to improve the decision-making ability of aviation product life cycle // Proceedings of the Third China Aeronautical Science and Technology Conference (Volume 2). 2017: 134–137. (in Chinese)

[23] Bajaj M, Hedberg Jr T. System lifecycle handler—Spinning a digital thread for manufacturing // INCOSE International Symposium. 2018, 28(1): 1636–1650.

[24] Hedberg T, Feeney A B, Helu M, et al. Toward a lifecycle information framework and technology in manufacturing. Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2017, 17(2): 1–13.

[25] 耿建光, 李大林. 支持?jǐn)?shù)字線索的產(chǎn)品數(shù)字空間管理框架研究與應(yīng)用. 現(xiàn)代制造工程, 2022(2): 31–36.Ge J G, Li D L. Research and application on product digital space management framework to support digital thread. Modern Manu- facturing Engineering, 2022(2): 31–36. (in Chinese)

[26] 劉大同, 郭 凱, 王本寬, 等. 數(shù)字孿生技術(shù)綜述與展望. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2018, 39(11): 1–10.Liu D T, Guo K, Wang B K, et al. Summary and perspective survey on digital twin technology. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2018, 39(11): 1–10. (in Chinese)

[27] Boschert S, Rosen R. Digital twin—The simulation aspect // Mechatronic Futures. Cham: Springer, 2016: 59–74.

[28] Hribernik K A, Rabe L, Thoben K D, et al. The product avatar as a product-instance-centric information management concept. International Journal of Product Lifecycle Management, 2006, 1(4): 367–379.

[29] 陶 飛, 劉蔚然, 劉檢華, 等. 數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2018, 24(1): 1–18.Tao F, Liu W R, Liu J H, et al. Digital twin and its potential application exploration. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2018, 24(1): 1–18. (in Chinese)

[30] 莊存波, 劉檢華, 熊 輝, 等. 產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展趨勢. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2017, 23(4): 753–768. Zhuang C B, Liu J H, Xiong H, et al. Connotation, architecture and trends of product digital twin. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2017, 23(4): 753– 768. (in Chinese)

[31] 陶 飛, 劉蔚然, 張 萌, 等. 數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2019, 25(1): 1–18.Tao F, Liu W R, Zhang M, et al. Five-dimension digital twin model and its ten applications. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2019, 25(1): 1–18. (in Chinese)

[32] Cimino C, Negri E, Fumagalli L. Review of digital twin applications in manufacturing. Computers in Industry, 2019, 113: 103130.

[33] Kraft, Edward M. The air force digital thread/digital twin-life cycle integration and use of computational and experimental knowledge// San Diego: 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 2016: 0879.

[34] 王 瑋, 王 位, 石 峰, 等. 美國海軍數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略綜述. 艦船科學(xué)技術(shù), 2021, 43(23): 170–175.Wang W, Wang W, Shi F, et al. Review on US Navy digital transformation strategy. Ship Science and Technology, 2021, 43(23): 170–175. (in Chinese)

[35] Giachetti R E, Vaneman W. Requirements for a system model in the context of digital engineering // 2021 IEEE International Systems Conference (SysCon). IEEE, 2021: 1–7.

[36] Verhoef M, Gerené S, Vorobiev A, et al. Digital Engineering Hub Pathfinder // 2021 ACM/IEEE International Conference on Model Driven Engineering Languages and Systems Companion (MODELS–C). Piscataway: IEEE, 2021: 467–476.