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刘亚威 ¦ 美国国防部数字工程战略解读（下）

《空天防务观察》提醒各位读者注意：在这篇，您将读到实际案例，了解到美军数字工程实施取得的一些实际效果。

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”。数字工程战略旨在推进数字工程转型，将国防部以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的数字工程生态系统，完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。下篇将结合文化转型，并引述美空军的一项研究来谈一谈数字工程战略实施。

2.5 转型为一种文化使人员队伍接受并支持跨生命周期的数字工程

目标是借鉴变革管理和战略沟通的最佳实践，使文化和人员队伍整体转型。

（1）完善数字工程知识库。美国国防部在海量的政策指南、标准规范、网络资源以及各类文献中记载了数字工程的卓越知识，需要持续改进、更新并进一步组织这个知识库，从而优化并共享合同、采购、法律和商业上的实践。

（2）领导并支持数字工程转型工作。转型需要变革，驱动一个创新、有实验精神和持续改进的文化，领导者的鼓励和激励是关键。

（3）打造人员队伍并使之准备就绪。未来人们将分散在各地并且是不同学科领域的几代人，国防部需要让年轻工程人员从老专家那里获取更多知识。

跨采办复杂组织体将数字工程制度化

【作者独家解读】：国防部认为数字工程的几大困难包括：投资，文化和人员，政策、指南和合同，管理，安全性，知识产权保护，工具/模型便携性（轻量化），基础设施和环境，模型质量和保证。这个目标中最重要的是，基于模型、数据驱动、自动寻优的分析决策流程要想建立起来，必须在软硬件成熟和项目应用成功的基础上，逐步制度化并从人和文化上入手实现最终转型。就像数字工程战略的签署人、国防部负责研究与工程的副部长格里芬所说的，战略描述的是“what”，而“how”还需要战略发布后与各军种和机构研究实施步骤。

实际上，美国国防部在战略签署后就马上联合各军种和工业界开展了一系列进一步的宣传和落实工作。2018年6月21日，国防部负责系统工程的助理国防部部长帮办（DASD（SE））在五角大楼召集各军种以及国际系统工程协会（INCOSE）高层开会，各军种简述了当前的实施计划。6月26日，数字工程工作组开会，NASA和DASD（SE）简述了实施的指标框架。6月27日，继续数字工程研讨会，各军种简述了实施的计划、挑战和指标，在DASD（SE）的主持下定义了后续工作。7月9日，DASD（SE）、INCOSE、国防工业协会（NDIA）联合会议，决定启动数字工程信息交换工作组。10月22日，NDIA年会举办了数字工程峰会，各军种演示了实施计划。10月23日，参加NDIA年会的工具开发商演示了支撑数字工程战略的工具能力。按照推进路线图，战略还将经理内部消化、采纳和制度化三大步。

美军数字工程推进路线图

为了宣贯数字工程战略，国防部负责系统工程的助理国防部部长帮办办公室（ODASD（SE））在2016年，将一门“面向系统工程的建模与仿真”的国防采办大学课程重组为“系统工程中的模型、仿真和数字工程”。课程讲述了在数字工程活动背景环境下对于模型和仿真的使用，讨论了持续且一致地使用模型在支撑国防部采办系统活动中的价值，概述了针对任务统一使用数字技术物（artifact）的需要以及确保工程活动成功所必需的特点。

五门课分别为：（1）数字工程概念——理解用模型及其支撑的技术数据作为真相源的转型动机，国防部支持数字工程转型的政策和指南，使用基于模型的方法增进项目成功性并且建立模型作为权威模型和数据源，在项目寿命周期开发模型、仿真和技术物并作为一个技术连续统一体使用；（2）为进入数字工程生态系统做好准备——考虑在一个协作环境下集成手段、流程、工具和数据，引入数字系统模型（DSM）分类作为数据该如何结构化、开发和使用的一般指南，为跨寿命周期创建、处理、共享和重用数据/信息提供端到端的管理，定义采办寿命周期中开发和使用模型、数据和数字技术物的人员需求；（3）在采办合同考虑数字工程任务和产品——考虑在建议书征集（RFP）中总结建模、仿真和数字工程任务，使用适当的合同机制获得相应的模型和数字工程技术物与交付物，获取数据和数据权以支持数字工程活动，在寿命周期识别并管理全谱系的知识产权及相关问题；（4）使用数字工程让团队接受并理解风险——理解如何让团队接受数字工程并获得利益攸关方对使用数字工程的信任，验证和确认模型以增加单一真相源谱系中的可信度，识别并化解项目风险，确定与使用数字工程方法有关的风险；（5）使用数字技术物的案例——展示数字技术物支持跨利益攸关方的互操作性以一致地共享和交换数据与模型，数字技术物支持从一个系统到系统之系统（SoS）的谱系以交付实现使命任务的独特能力，数字技术物支持模块化开放式系统方法（MOSA）以实现新和/或已有系统的模块化和适应性强的开放式接口。

三、数字工程助力美空军减少飞行器研制试验周期和成本

美空军针对高性能飞行器静稳/动稳特性和控制（S&C）特性的确定，提出了利用CREATE-AV、通过试验设计（DOE）设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法，并且使用F-22战斗机外形曲面和风洞试验数据库，执行了数字线索试验研究确认了方法的有效性。

利用数字线索减少风洞试验活动

30年来，美空军飞行器研制试验与评价的工程实践并未发生显著变化。尽管从F-22研制到F-35研制，试验效率提升了4倍，但即使F-35的飞行包线比F-22要小，F-35的风洞试验仍然需要执行与F-22相同的22000小时，并且每个构型都是22000小时。这是因为，当前的风洞试验主要是由流程驱动的，按试验小时而不是试验点来设计。传统上，为确定高性能飞行器S&C特性，“暴力”方法是为一架飞行器填满整个S&C数据库，这需要在风洞中设置约250万个数据点；相应地，使用计算流体动力学（CFD），通过计算和空气动力学逐点模拟风洞，则完全不切实际。

空军利用CREATE-AV中的Kestrel能力，研究了一个对数字线索飞行模型应用统计工程的方法。Kestrel是高逼真度的基于物理特性的模型，全面仿真从亚声速到超声速飞行的固定翼飞行器，包括复杂机动、推进装置影响、移动控制面、气弹影响、多体相对运动以及引入真实内循环和外循环控制率的能力。Kestrel拥有一个模块化架构，可以综合流体/结构相互作用、推进装置集成和武器集成，给数字线索带来：多学科、多物理、多逼真度能力，快速和高效生成降阶模型的能力，在详细设计过程中处理系统集成的能力，以及充分利用高性能计算设施的可扩展性。

将经确认的试验数据库和模型V&V数字化保存为SOR将加速数字化真相源生成

研究中，在一个固定马赫数和高度，使用Kestrel在不同角度和速度下进行横滚、俯仰和偏航机动，确保“回归空间”（即一般飞行中的角度和速度）有适当的覆盖范围。机动加入一个唧声（chirp）信号（变化频率和变化高度的正弦曲线），机动过程引起一系列空气动力学特性。之后，使用系统辨识软件SIDPAC对输入角度、速度和输出载荷进行建模，从输入和输出数据构建在试系统的一个数学模型，表征系统的不确定性和测量噪声。这一过程大致如图3所示。唧声机动计算的输出是一个降阶响应面，可以立即用作交战模型和/或飞行模拟器的飞行模型，比计算流体动力学计算飞行器周围流场来确定载荷高效。这些模型让气动力系数数据和气动力载荷数据可被提取出来用于和已知值对比。使用Kestrel、SIDPAC和高性能计算机对空气动力学进行预测已成功通过许多飞行器得到确认。

通过飞行器外模线生成降阶响应面提供了一个应用试验设计（DOE）减少风洞试验总时间的机遇。尝试应用DOE来优化一个传统的单独风洞试验难以成功，因为当前的风洞不利于快速改变参数来优化数据集的随机性。单因子轮换试验方法让当今航空研制流程的数据库变得巨大，不过，如果从全部风洞试验层面思考，可能会有更有成效的DOE使用方法，即对数字线索飞行模型应用统计工程。响应面的不确定性需要使用统计工程方法量化，那些仍展现高度不确定性的区域将成为风洞试验的主要关注点，从而成为风险降低的关键区域而不用去定义整个参数空间。DOE方法确保最佳数据集得到采用，通过DOE流程计算的动力系数，可用于分析通过额外计算、风洞试验或飞行试验，响应面上的波动可消减多少。会存在一个必须进行风洞试验或飞行试验的临界点，这样，就可以尽量减少不确定性建模和/或试验。

生成综合的基于模型的代理需要建模效率、可缩比性和优化的不确定性量化手段

空军在数字线索研究中使用F-22项目的现有数据库确认了该方法。将F-22的外形曲线输入Kestrel，计算不同马赫数和高度下的计算结果，定义整体空气动力学性能和S&C。计算结果直接与原始的综合风洞数据库进行比较，成功验证和确认了Kestrel对空气动力学性能进行建模的能力。在关键设计评审之前的某些风洞试验，有90%需要改变控制系统外形（如襟翼/扰流片设置等）。以往这些控制面设置通常人工完成，而空军使用Kestrel内建的可移动控制系统能力发展了一个建模能力，在不同飞行条件下自动调整飞行器，实现了在更少的计算量需求下，定义控制权限和控制系统增益。

基于数字线索方法，空军评估了减少风洞试验对成本和时间的潜在影响，范围包括空气动力学性能、S&C和气动载荷试验，约占全部风洞试验的65%。对一个标准的22000小时风洞试验，气动力学/载荷试验大约15000小时，使用数字线索可以减少60%，即9000小时。如果风洞试验超过48个月，那么数字线索方法可以减少20个月的时间，而相关的成本减少则是两倍——减少的风洞试验成本和缩短的项目周期带来的更低的项目规划成本。对于一个1000亿美元的采办项目，在关键设计评审前应用数字线索方法有可能减少10亿美元量级的研制成本。

三步式流程融合高逼真度基于物理特性的模型和真实试验数据

使用Kestrel来建立飞行器性能和S&C相同的计算，还可以在飞行器上通过使用空气动力的空间和时间分布的本征正交分解，对空气动力载荷进行节点分析。Kestrel包括一个支撑结构元件分析的完整的有限元结构分析能力。将这个结构载荷的基于模型的前期评价，与风洞中使用压敏漆的先进试验技术结合，可以为详细结构设计提供对结构载荷的深刻理解。而且，随着外形曲线在研制流程中潜在变化以提升空气动力学性能，结构载荷可被有效更新，以支撑敏捷设计和重量管理。此外，动力系数还可帮助理解一个缺陷向下传递到下一个研制步骤的概率。

在使用Kestrel和系统辨识为优化的试验活动生成性能和S&C而进行的计算，可以在需求分析阶段就执行，用于考虑感兴趣系统的测试性，并且为设计一个最少试验活动的方法制定初始策略。响应面方法也为研制试验和使用试验的集成提供一个宝贵支撑，并且处理联网和互操作性问题。响应面中采集的飞行器特性可以直接转换到一个人在环路模拟器的性能数学引擎。即使在研制的最早阶段，这个人在环路模拟器也可开始处理某些使用集成问题，从而可在项目中更早地进行集成的研制试验/使用试验。如果将早期航电和通信包的实验用板或数字模型放入人在环路模拟器，系统演进的性能就可作为一个分布式任务仿真中的节点进行评价。来自这个集成方法的反馈可用在非常早期阶段，面向一个可互操作的系统拥有最大性能而改进设计。由于当前绝大部分使用试验（特定术语）的接口问题和互操作性在研制流程的很晚才处理，使用这样一种创新的方法对减少研制周期的积极影响将是巨大的。

向数字化的试验鉴定主计划迈进以提升试验鉴定质量和性能并缩减成本和进度

四、结束语

美国国防部推进数字工程，打造数字工程生态系统，将使现有采办流程和工程活动提升为基于模型、由数据驱动的集成化实践，极大提升生命周期各阶段分析能力和决策水平，支持武器系统的快速规划、敏捷设计、高效制造与精准保障，使美军超越快速变化的威胁和技术进步，更快地向作战部队交付先进能力，同时更具经济可承受性和持续保障性，支撑美国第三个“抵消战略”。

此前，刘亚威先生已为《空天防务观察》提供61篇专栏文章，如下表所示：

有兴趣的读者，可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

（中国航空工业发展研究中心 刘亚威）

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本篇供稿：系统工程研究所

运 营：李沅栩