美軍《數(shù)字工程戰(zhàn)略》旨在構(gòu)建數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，將以往以靜態(tài)文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆粩嘌葸M的數(shù)字模型為中心，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移。數(shù)字工程是一種集成的數(shù)字化方法，使用系統(tǒng)的權(quán)威模型源和數(shù)據(jù)源，以在壽命周期內(nèi)可跨學科、跨領(lǐng)域連續(xù)傳遞的模型和數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)從概念開發(fā)到報廢處置的所有活動。美軍在其航空裝備方案論證中，已經(jīng)開始利用基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動的手段和工具，建立數(shù)字工程方法和流程。值得注意的是，這種轉(zhuǎn)型，離不開“工程強韌系統(tǒng)”和“計算研究與工程采辦工具和環(huán)境”的支持，美空軍開展“數(shù)字戰(zhàn)役”，推動“數(shù)字采辦”，這些由國防部層面統(tǒng)一支持開發(fā)的支撐平臺和工具是關(guān)鍵。

一、航空裝備方案論證的數(shù)字工程轉(zhuǎn)型

傳統(tǒng)上，在備選方案分析中使用“戰(zhàn)役－作戰(zhàn)－任務(wù)－交戰(zhàn)”四層模型，層級越高，興趣裝備的解決方案就越少涉及實際物理行為。對飛行器進行物理特性建模一直存在挑戰(zhàn)，一是它需要大量時間和資金，二是交戰(zhàn)模型和物理特性模型的計算時間相差很多，這都使得很少有總體方案能夠基于物理特性模型，實施廣泛的效能、成本和風險權(quán)衡分析。進行權(quán)衡分析的工程人員只能將單點設(shè)計交付到成本估算和任務(wù)效能分析人員，由于時間和資金的約束，兩者之間進行的迭代一般不多于兩次，而迭代結(jié)果往往是落在設(shè)計空間的邊界——最高風險和最高成本的設(shè)計�；�于數(shù)字工程的航空裝備方案論證，重點是構(gòu)建并利用交戰(zhàn)模型、物理特性模型、模擬器（真實－虛擬－構(gòu)造，或L－V－C）模型，生成經(jīng)濟可承受的、互操作的系統(tǒng)需求模型，構(gòu)建經(jīng)濟可承受的、可行的總體方案設(shè)計權(quán)衡空間，執(zhí)行海量備選總體方案在效能、成本和風險上的權(quán)衡分析，得到最優(yōu)總體方案。

其中，重要的一點是形成“公共模型”——一個物理上可行的、經(jīng)濟可承受的、互操作的和互依賴的裝備解決方案的跨領(lǐng)域模型。公共模型可以用簡明的代數(shù)格式或代理響應(yīng)面來表達物理特性模型的輸出，直接接入交戰(zhàn)層級的模型。使用高性能計算，物理特性建模可在相對短的時間內(nèi)覆蓋總體方案的整個設(shè)計空間，從而在可行性、任務(wù)效能和經(jīng)濟可承受性之間進行權(quán)衡。公共模型還可以將輸出內(nèi)容導入空軍SIMAF（Simulation and Analysis Facility，“仿真與分析設(shè)施”的英語縮略語）飛行模擬器，實施“真實－虛擬－構(gòu)造”仿真，并且，SIMAF中考慮物理行為可以實現(xiàn)對互操作性的評價。

二、數(shù)字工程轉(zhuǎn)型中的重要支撐平臺和工具

1． 工程強韌系統(tǒng)

“工程強韌系統(tǒng)”（ERS）計劃是美軍7個科技優(yōu)先計劃之一，其目的是在一個與采辦和作戰(zhàn)業(yè)務(wù)流程相一致的框架內(nèi)，開發(fā)一個現(xiàn)代計算工程工具的集成平臺，平臺包括模型、仿真和相關(guān)能力，以及設(shè)計權(quán)衡空間評估與可視化工具�！皬婍g”表明其在各種任務(wù)背景環(huán)境中是可靠的和有效的，通過重新配置／替換而很容易適用其它任務(wù)環(huán)境，可預(yù)測功能性能降低并且可緩解。工程強韌系統(tǒng)平臺主要由需求生成、備選方案分析、虛擬樣機與評估這幾部分功能組成，能夠全面探索并識別關(guān)鍵性能參數(shù)，快速分析上百萬種可能的設(shè)計，提供虛擬作戰(zhàn)環(huán)境和樣機的構(gòu)建與響應(yīng)能力。該平臺使用高性能云計算資源，通過建模仿真展現(xiàn)基于物理特性的交互并預(yù)測裝備系統(tǒng)功能性能，分析可能影響任務(wù)執(zhí)行的背景環(huán)境，對這些建模仿真生成的數(shù)據(jù)進行評估并執(zhí)行系統(tǒng)總體方案的權(quán)衡分析，以確定一個系統(tǒng)提供所需能力的風險，以及確定系統(tǒng)是否可以保留并表現(xiàn)出足夠的強韌性來保證系統(tǒng)的采辦和部署。工程強韌系統(tǒng)能夠加強需求生成和備選方案分析流程，并且在權(quán)衡過程中提供包括壽命周期成本在內(nèi)的壽命周期“情報”，通過權(quán)衡分析實現(xiàn)有充分依據(jù)的決策，在更少時間內(nèi)“可視化”更多設(shè)計的權(quán)衡，從而達到量化并降低采辦風險的目標。

工程強韌系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策（美國防部圖片，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心漢化）

2． 計算研究與工程采辦工具和環(huán)境

“計算研究與工程采辦工具和環(huán)境”（CREATE）項目是美軍高性能計算現(xiàn)代化計劃的核心方向之一，目標是開發(fā)和部署基于物理特性的高性能計算軟件產(chǎn)品，通過高逼真度虛擬樣機的構(gòu)建和改進，支撐飛行器、艦船、地面車輛和射頻天線系統(tǒng)等國防部平臺的設(shè)計和實現(xiàn)。其中，用飛行器的物理特性建模工具包括三個，分別用于快速概念設(shè)計、固定翼飛行器（包括高超聲速）以及旋翼飛行器。以固定翼飛行器物理特性建模工具“茶隼”（Kestrel）為例，它可輸出一個高逼真度的物理特性模型，全面仿真從亞聲速到超聲速飛行的固定翼飛行器，包括復雜機動、推進裝置影響、移動控制面、氣彈影響、多體相對運動以及引入真實內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)控制率的能力。該工具擁有一個模塊化架構(gòu)，可以綜合流體／結(jié)構(gòu)相互作用、推進裝置集成和武器集成，帶來：多學科、多物理、多逼真度建模仿真能力，快速和高效生成降階模型的能力，在詳細設(shè)計工程中處理系統(tǒng)集成的能力，以及充分利用高性能計算資源的可擴展性。

三、美空軍裝備方案論證轉(zhuǎn)型試點案例分析

1． 下一代運輸機C－X分析

在工程強韌系統(tǒng)平臺的支持下，空軍針對一款潛在的下一代運輸機C－X進行了設(shè)計權(quán)衡空間分析，通過連接物理特性模型與交戰(zhàn)模型構(gòu)成公共模型，將性能、效能和成本數(shù)據(jù)有效融合到了一個設(shè)計權(quán)衡空間，分析得出了充分定義且可追溯的設(shè)計方案，加入了備選方案分析的概念表征和技術(shù)描述文件中�？哲娛褂米约旱募�成計算機輔助設(shè)計工具構(gòu)建物理特性模型以評價設(shè)計參數(shù)，如機翼展弦比、機翼后掠角、起飛毛重、機翼負載、載荷重量、載荷艙尺寸等。權(quán)衡分析中使用了三個的候選運輸機構(gòu)型——一個傳統(tǒng)機身和機翼，一個混合翼身和一個集成翼身。每個構(gòu)型分析5000個設(shè)計以形成輸出參數(shù)的代理響應(yīng)面模型，這個降階模型一般在1％～2％的實際預(yù)測值之內(nèi)，不會降低設(shè)計權(quán)衡空間分析的完整性。典型的輸出包括最大載荷范圍、空速、平均燃油消耗率、航程、最大燃油載荷、起飛距離、降低距離、空重、最大推力、壽命周期成本和每飛行小時成本，與交戰(zhàn)模型所需的輸入相匹配�？哲娛褂靡苿有云脚_分析工具對空、海和陸地的軍用貨物部署進行建模，形成交戰(zhàn)模型，典型的輸出包括燃油效能、總機隊燃油使用、平均出擊、平均燃油使用、平均延遲天數(shù)、總延遲天數(shù)、高峰飛行器使用等。為了評價任務(wù)效能，共建立了三個任務(wù)場景——一個在突尼斯的跨大西洋部署、一個在澳大利亞的跨太平洋部署和一個在夏威夷的國內(nèi)人道主義救援。每個場景分析2500個不同的C－X設(shè)計，構(gòu)建數(shù)據(jù)集以創(chuàng)建回歸和代理響應(yīng)面模型，通過降階模型探索優(yōu)化最終得到9個候選設(shè)計（3個構(gòu)型×3個場景）。空軍隨后將這些技術(shù)和經(jīng)驗集成到了計算研究與工程采辦工具和環(huán)境中，目前已經(jīng)使用該工具開發(fā)代理響應(yīng)面模型支撐早期備選方案分析。

2． 情報、監(jiān)視和偵察多解析度分析

針對在條例、組織、訓練、裝備、領(lǐng)導和教育、人員、設(shè)施和政策（DOTMLPF－P）框架下，在空、天和賽博領(lǐng)域內(nèi)執(zhí)行作戰(zhàn)相關(guān)的情報、監(jiān)視和偵察設(shè)計權(quán)衡空間分析，空軍開發(fā)了提供DOTMLPF－P框架的多解析度分析能力（ISR－MSA）工具環(huán)境，以處理影響興趣平臺互依賴性和互操作性的系統(tǒng)之系統(tǒng)（SoS）、網(wǎng)絡(luò)、模塊化開放式架構(gòu)、非裝備備選方案等。為了使該環(huán)境提供從需求到能力的可追溯性，空軍將其與計算研究與工程采辦工具和環(huán)境進行了集成，使其能夠利用興趣平臺的物理特性模型進行權(quán)衡分析。ISR－MRA環(huán)境中擁有基于物理特性的能力和架構(gòu)分析、網(wǎng)狀信息和集成分析以及任務(wù)效能分析這三大主要功能�？哲奡IMAF飛行模擬器的核心能力就是基于物理特性的能力和架構(gòu)分析（PCA）功能，它包括平臺表達、性能表征、系統(tǒng)和傳感器構(gòu)型及其交互。在網(wǎng)狀信息和集成分析（ANII）功能中，對藍軍系統(tǒng)正確通信以支撐規(guī)劃任務(wù)所需的架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行建模。兩個功能形成一個迭代循環(huán)，允許對架構(gòu)和系統(tǒng)特性進行權(quán)衡，以定義可用的藍軍信息架構(gòu)（集成的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)），支撐眾多任務(wù)線。任務(wù)效能分析（MUA）功能是一個戰(zhàn)役和任務(wù)層級的評估工具，允許評估集成信息架構(gòu)的任務(wù)效能和戰(zhàn)役效能，MUA和ANII之間的迭代循環(huán)，幫助理解網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)權(quán)衡空間（不同網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)和方案下，眾多任務(wù)／任務(wù)線的任務(wù)效能敏感度），并針對成本驅(qū)動因素來平衡任務(wù)效能。

情報、監(jiān)視和偵察多解析度分析流程（美空軍圖片，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心漢化）

空軍將計算研究與工程采辦工具和環(huán)境與ISR－MRA環(huán)境集成，進行了互操作性研究，使用一個下一代加油機通用構(gòu)型執(zhí)行了眾多的建模和迭代循環(huán)。首先，與對C－X的分析一樣，建立了一個參數(shù)化的設(shè)計權(quán)衡空間，只不過使用了不同的任務(wù)場景和交戰(zhàn)模型，從而評價可行性、任務(wù)效能和經(jīng)濟可承受性。然后，權(quán)衡分析得出的最佳構(gòu)型在“茶隼”工具中建模，比如在一個固定的馬赫數(shù)和高度，在不同角度和速度下進行橫滾、俯仰和偏航機動。之后，使用空軍的系統(tǒng)辨識軟件SIDPAC對輸入角度、速度和輸出載荷進行建模，輸出一個降階的代理響應(yīng)面模型，它可以立即用作交戰(zhàn)模型和飛行模擬器的飛行模型，即公共模型。最后，通過SIMAF飛行模擬器的PCA功能，將飛行模型導入ISR－MRA環(huán)境中，評價互操作性和互依賴性。

四、結(jié)束語

美軍國防采辦系統(tǒng)，包括國防部層面的采辦里程碑決策，各軍種層面的系統(tǒng)工程技術(shù)評審，項目辦層面的成本分析、需求論證、成本／進度／性能權(quán)衡，都在充分利用數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)提供的能力，構(gòu)建基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法和流程。目前，通過若干開發(fā)了十幾年的數(shù)字化支撐平臺和工具，美軍航空裝備采辦正在加速向數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，而方案論證只是其中一個縮影。而且值得注意的是，在美軍的方案論證中，成本和經(jīng)濟可承受性一直是與性能、效能、進度、風險并列的頂層權(quán)衡分析指標，利用數(shù)字工程，軍方和工業(yè)界合力完成對成本、進度和性能、經(jīng)濟可承受性、風險和風險緩解策略的分析，包括對邊界條件、不確定性和風險的概率性分析，以及對總擁有成本的成本評估與計劃評價／成本評估數(shù)據(jù)組織體（CAPE／CADE）一致分析。數(shù)字工程能力，將是美軍實現(xiàn)“第三次抵消”戰(zhàn)略以及空軍實現(xiàn)“更佳購買力”、“數(shù)字化百系列”構(gòu)想的堅實基礎(chǔ)。（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心  劉亞威）                                            

本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所