刘亚威 ¦ 美国国防部数字工程战略解读（中） / 开普饭

2018年7月5日，美国国防部正式对外发布“国防部数字工程战略”并提出五大战略目标。数字工程战略旨在推进建立数字工程生态系统，将国防部以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中，完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。自（上）篇成文后，由于目前美军并未发布更多信息，笔者等待并思考许久后，决定将原定的（下）拆成（中）和（下），并单独成篇一个特辑，以便能从更加完整的视角来分析这一战略。下篇将结合文化转型，并引述美国空军的一项研究来谈一谈数字工程战略实施；中篇则从美军两大相关计划入手看看他们是如何融入数字工程技术创新并构建数字工程基础设施来支撑采办工程实践的，这是美军能够不断创新和保持强大的重要基础之一。要了解这个，我们先从一幅“草图”看起。

美军对ERS和CREATE应用的初步愿景（中国航空工业发展研究中心汉化）从图中可以看到，当前和未来，国防部新型能力与原型部门（EC&P）和研制试验与鉴定部门（DT&E）都要使用CREATE和ERS等工具环境支撑国防采办寿命周期，至少在这张图上，两者是比数字系统模型、数字线索、数字孪生这三个数字工程生态系统核心纽带覆盖寿命周期更广的事物，那么中篇，我们就来看看CREATE和ERS这两个工具环境，怎么提升工程实践，如何支撑跨利益攸关方实施各项活动、协作和沟通。2.3融入技术创新以提升工程实践目标是超越传统的基于模型的方法，在技术和实践中融入创新成果，并且支撑在一个数字化连接的端到端复杂组织体内快速实施创新。（1）建立一个数字化的端到端工程复杂组织体。工程复杂组织体将连接数字与物理世界，融入基于模型的方法以执行全生命周期活动。在生命周期前期，美国国防部主要使用兴趣系统的数字化表达来支撑概念评价、用户参与以及权衡确认；后期主要关注最终系统的生产、交付和维护，重点是持续更新其数字化表达，不断获取来自使用环境的知识并且加深对系统的认知。（2）利用技术创新提升数字工程实践。美国国防部将利用数据分析学，通过模型和数据加深对系统的认知，帮助利益攸关方提升决策水平、系统能力以及计算密集型工程活动的成效；还将利用人机交互转变机器与其它机器和人类进行交流和协作的方式，从而同时利用人类和机器的力量提升工程实践。

利用前沿技术、新方法、人机协作实现端到端的复杂组织体（美国防部图片）【作者独家解读】：上图列出了一些技术，大数据与分析、虚拟现实、增强现实、数字孪生、数字制造、3D打印、数据可视化、人工智能、人机接口、计算云、认知技术、计算技术都是耳熟能详的技术，有一些笔者也专门写过文章分析。下面将着重展示基于物理特性的模型，美军高性能计算现代化计划（HPCMP）中的“计算研究和工程采办工具与环境”（CREATE）项目就是在开发利用该技术，该项目已实施10多年，并将持续维护、改进到至少2040年，然后更新换代。为刺激重大国防系统的采办并降低成本、周期和风险，美军于2006年启动了CREATE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，通过高逼真度数字模型（虚拟样机）的构建和改进，以支撑国防部平台（飞行器、舰船、地面车辆和射频天线系统）的设计和实现。项目每年投入3600万美元，2016年，该产品实现商用，截止到2017年10月，美军各军种、国防机构、国防工业部门以及大学等有超过180个组织正在使用它。未来，CREATE还将面向高超声速、新型潜艇开发、联合多任务旋翼机技术演示（JMR-TD）、空间技术、改进型涡轮发动机项目（ITEP）、电子战/雷达/天线建模、直接能量、服务寿命预测等，继续开发和改进。

美军高性能计算现代化计划生态系统（中国航空工业发展研究中心汉化）CREATE项目共分为5个子项目，开发了11个多物理软件工具，分别是：飞行器——CREATE-AV，舰船——CREATE-Ships，射频天线——CREATE-RF，地面车辆——CREATE-GV，网格和几何——CREATE-MG，以及高性能计算门户。具体如下：飞行器CREATE-AVGenesis（原名DaVinci）用于学术研究的快速概念设计Kestrel固定翼飞行器高逼真度、全尺度、多物理分析工具Helios旋翼飞行器高逼真度、全尺度、多物理分析工具Firebolt集成到Kestrel和Helios中的推进模块（非独立工具）舰船CREATE-Ships舰船快速设计环境（RSDE）快速设计和综合能力海军增强山岭机制（NESM）舰船冲击和冲击损伤评价NAVYFOAM舰船水动力，预测水动力性能集成水力设计环境（IHDE）促进海军设计工具访问射频天线CREATE-RFSENTRi与平台集成的电磁天线设计地面车辆CREATE-GV水银车辆系统和组件高逼真度、多物理仿真工具移动性分析工具（MAT）评估地面车辆性能指标的分析工具网格和几何CREATE-MGCapstone生成分析所需几何外形和网格的组件使用CREATE工具，工程人员可以在采办流程的任何阶段，利用高逼真度虚拟样机分析产品性能，作为真实试验、使用等数据的补充。对新系统的概念设计来说，现有设计的“经验法则”外推方法可以为基于物理特性的设计方案生成方法所替代，从而能够快速探索设计权衡空间，并且利用基于物理特性的分析工具评估设计方案的可行性。他们可以考虑数千种设计方案而不是少量几种。对详细设计研制来说，虚拟样机的高逼真度分析可以通过“虚拟样机性能的基于物理特性的分析”，代替“真实试验的故障数据”。这种方法向工程人员适时提供决策数据，使他们在早期就识别设计缺陷和性能不足，让问题在物理制造前得到修正，尽量减少费时费力的返工。CREATE工具还可以助力试验过程，使其更具成效、更有效和高效。该工具可以用来识别最敏感和不确定的使用条件，以便试验程序集中于这些领域，从而使总的试验数据需求减少5倍以上，也就减少了所需的试验时间。此外，它还让试验团队能够专心处理确定武器系统性能的基础问题。美国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，利用该工具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战斗机的数据完成了验证。这一过程将在（下）篇中进行详细阐述。

CREATE工具影响了许多国防部项目（中国航空工业发展研究中心汉化）CREATE项目将同时支撑数字工程战略的五大目标。第一，CREATE项目开发、部署和支撑基于物理特性的软件程序，让国防部工程人员快速开发数字产品模型，分析系统性能，识别并修正系统设计缺陷和性能不足，在采办流程所有阶段提升性能。第二，项目开发和部署经验证与确认（V&V）的基于物理特性高性能计算工具，包括所有重要的效应、精确的解决方案算法，为完整系统即所需的任何事物建模，以足够短的计算时间为参数研究而精确预测性能。第三，HPCMP生态系统采用创新的技术（高性能计算、高速网络和先进软件），可让国防部工程人员生成许多设计方案，由于不可行的方案在很早期就快速失败，所以只承担很少风险就识别成功的产品设计，从而快速和高效开发创新的系统。第四，生态系统从相关利益攸关方连接领域专家，提供经验证和确认的数据用于工程和采办活动，利用高性能计算分布式资源中心、高宽带网络以及CREATE软件程序。第五，HPCMP与军种工程组织通力合作，CREATE开发并使用构建了精通计算的国防部人力资源，培训与支持超过180个国防部组织和1400个用户；CREATE软件正在融入军种学术研究和其它大学课程中，并且定期发布软件能力更新。2.4建立支撑的基础设施和环境以跨利益攸关方实施各项活动、协作和沟通目标是建立耐久可靠的基础设施和环境，包括对IT基础设施以及先进方法、流程和工具进行综合，以及保护知识产权、网络安全和安全分级。（1）开发、完善并使用数字工程IT基础设施。数字工程IT基础设施是分布式的软硬件、网络和相关设备的集合，美国国防部必须保证其满足安防要求。（2）开发、完善并使用数字工程方法论。基于模型的复杂组织体的有效使用需要从基于文档的方法转型为数字化方法，国防部必须改进工程人员工作和管理、设计和交付解决方案的方式，以更好地开发和使用先进技术能力。（3）确保IT基础设施安全并保护知识产权。数字工程转型依赖对模型和数据分级、可用性以及完整性的保护，模型中存储了大量信息，美国国防部必须降低网络风险并针对内外部威胁以确保数字工程环境的安全，将在促进工业界和政府间合作的同时，加强知识产权和敏感信息保护。

数字工程环境支撑基础（美国防部图片）【作者独家解读】：美军数字工程战略报告中，一个引人注目的小贴士就是ERS，说海军利用ERS工具开发了超过1900万种舰船设计，使用成本与能力权衡分析以确定未来水面战斗舰的经济可承受能力空间。工程强韧系统（ERS）计划是美军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。ERS计划的目的是在一个与采办和使用业务流程相一致的框架内，开发一个现代计算工程工具的集成套件，套件包括模型、仿真和相关能力，以及权衡空间评估与可视化工具。工程强韧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，主要由需求生成、备选方案分析、虚拟样机与评估这几个部分组成。强韧系统的4个关键属性是：击退/抵抗/吸收、恢复、适应、广泛的功用。美军对强韧系统的要求是：在各种任务背景环境中是可靠的和有效的，通过重新配置和/或替换而很容易适用其它任务环境，可预测功能降低并且可缓解。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强韧性来保证系统的采办和部署。工程强韧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，从而达到量化并降低采办风险的目标。

工程强韧系统支撑数据驱动的决策（中国航空工业发展研究中心汉化）利用ERS平台，可以全面探索并识别关键性能参数（KPP），快速分析许多备选方案，提供虚拟作战能力，减少原型制造时间和成本。目前，美军正在ERS的早期概念权衡空间探索中引入寿命周期成本（LCC）分析能力，将成本模型与性能模型连接，实现效能、适用性和经济可承受性的三方权衡。在国防部采办背景环境中，ERS提供工程分析环境，支撑概念设计、备选方案分析、价值工程；提供高逼真度计算环境，支撑原型构建、试验与鉴定、作战分析；提供平台控制，从而利用跨国防部的领域专业能力；提供复杂组织体数据和知识环境。因此，ERS平台中的六个主要方向能够支撑国防部当前的采办改革与创新目标。（1）非线性工程，推动基于模型的工程，在大规模分析中最大化地使用数据和模型；（2）基于物理特性的建模，为采办流程早期的性能和生存力评估提供说服力，实现高设计精度；（3）工作流解决方案，打破使用高性能计算的障碍；（4）数据驱动的分析和机器学习数据分析，对决策有更深层次的理解；（5）大数据可视化，面向人类思维构建精确的表达，增强决策过程中的沟通与理解；（6）政府-工业界协作，通过共同的理解和目标加强沟通，包括通用工具、工作流、共享试验指标、访问分析数据、共享模型、学习等等。

ERS打造特定领域的设计环境（中国航空工业发展研究中心汉化）ERS为特性领域的设计和工程提供支撑，比如能力生成、使命任务工程、成本分析、权衡空间分析、工程分析、工作流效率，并且以计算化方式生成原型等等。按照路线图，当前，ERS正在将能力集成到试验与部署环节，包括用户配置的分析、风险表达与应对、地球任何地点的环境仿真、制造、可生产性和寿命成本工具、任务背景环境工具。从2020年开始，ERS将全面转移到采办流程，包括建模整个采办周期、确认的成本表达、所有装备备选方案的虚拟样机构建、认知计算等。目前，波音、洛克希德·马丁、雷神、BAE系统公司等都采纳了ERS。波音采用ERS进行陆军CH-47-F的改进设计，通过自适应设计/快速决策，使新设计概念到低速初始生产的周期缩短到1年半以内，未来从概念设计到使用试验将缩短到2年内。对于空军低成本可消耗飞行器技术（LCAAT）项目，波音利用ERS快速交付了一个样机，能够重新配置到各种未料到的使命任务中。陆军利用ERS，为“灰鹰”无人机建立了飞行性能模型，他们开发了一个经确认的计算模型和流程，以预测飞行性能，未来还将利用ERS研究侧风对起降性能的影响。海军下一代空中主宰（NGAD）项目中，利用ERS探索了重新调整当前由F/A-18E/F和EA-18G平台提供的能力的需要。

刘亚威 ¦ 美国国防部数字工程战略解读（中）

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