導讀：本文最初發(fā)表于政府設計中心（GovDesignHub），主要內容為戰(zhàn)略技術咨詢公司（Strategic Technology Consulting）負責業(yè)務增長的副總裁伊萊?威爾遜（Eli Wilson）關于美國國防部（DoD）通過數(shù)字工程和數(shù)字孿生技術推進其系統(tǒng)發(fā)展的深刻見解。通過改進設計、測試和維護程序，數(shù)字孿生技術正徹底革新像 F-35 這樣的武器系統(tǒng)，實現(xiàn)了更快速的創(chuàng)新、優(yōu)化的性能以及更強的供應鏈韌性。
在威脅快速演變的時代，美國國防部必須具備創(chuàng)新性、靈活性，并時刻做好執(zhí)行任務的準備。要保持領先地位，就需要尖端技術來提高速度、效率和適應性。超越對手的能力不僅取決于強大的火力，還依賴于更智能、更快速的方式來設計、測試和部署關鍵系統(tǒng)。
數(shù)字孿生等先進技術正在革新國防行動，實現(xiàn)快速創(chuàng)新、無縫集成和實時適應性。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭變得日益復雜，采用這些技術不僅是一種優(yōu)勢，更是一種必然需求。
我們最近與戰(zhàn)略技術咨詢公司（STC，隸屬于 Arcfield 公司，在國防系統(tǒng)工程領域擁有十多年經(jīng)驗）負責業(yè)務增長的副總裁伊萊?威爾遜進行了交流。在討論中，他分享了關于數(shù)字孿生的定義、創(chuàng)建方式、對美國國防部的價值，以及一項 7000 萬美元對先進工程設施的新投資如何推動數(shù)字孿生技術在國防領域的廣泛應用。
政府設計中心（GDH）：您能否解釋一下，當談到為武器系統(tǒng)和戰(zhàn)機（如 F-35）創(chuàng)建數(shù)字孿生時，具體的含義是什么？
伊萊?威爾遜：武器系統(tǒng)或戰(zhàn)機的數(shù)字孿生是其物理實體的動態(tài)模型，但它超越了靜態(tài)模型，通過集成規(guī)格、架構和實時數(shù)據(jù)，并取代過時的紙質文件系統(tǒng)。對于像 F-35 這樣的戰(zhàn)斗機來說，這意味著有一個單一的數(shù)字表征，在其中可以獲取關鍵信息，如軟件、安全、網(wǎng)絡安全和機械設計等，以用于模擬、測試和制造。
數(shù)字孿生可以為現(xiàn)有系統(tǒng)構建，也可以在設計階段衍生出來。邏輯架構是系統(tǒng)的操作概念（CONOPS）與其物理設計之間的連接。對于 F-35 而言，這意味著以數(shù)字方式捕獲所有必要的設計信息，以便開發(fā)、操作和維護該飛機。
數(shù)字孿生使用來自多個工程學科的數(shù)據(jù)，形成一個權威的真實數(shù)據(jù)源（ASoT）。在這個設計真實性的核心是系統(tǒng)模型，它逐層分解功能和架構。在運行數(shù)字孿生時，系統(tǒng)模型使我們能夠從宏觀角度評估對系統(tǒng)或任務性能的影響。有用的數(shù)字孿生依賴于良好構建的系統(tǒng)模型。
政府設計中心（GDH）：數(shù)字孿生的創(chuàng)建如何融入數(shù)字工程的更大概念中？數(shù)字工程還包括哪些內容？它與武器系統(tǒng)開發(fā)中的傳統(tǒng)工程有何不同？
伊萊?威爾遜：在 20 世紀 80 年代，機械和電氣工程從繪圖桌上的手繪原理圖過渡到使用計算機輔助設計（CAD）軟件。這一轉變如同從打字機到文字處理器的變革一樣具有變革性。系統(tǒng)工程也正在經(jīng)歷同樣的轉變?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）是數(shù)字工程的基礎，它支持數(shù)字孿生的構建。
特別是對于復雜系統(tǒng)，存在局部優(yōu)化某個組件或子系統(tǒng)，卻無意中降低系統(tǒng)或任務性能的風險。在傳統(tǒng)工程中，這些設計偏差通常在集成和測試階段才被發(fā)現(xiàn)，此時對預算和進度的影響更大，成本更高。
伊萊?威爾遜表示：“數(shù)字工程加速了開發(fā)進程，無論是對 F-35 機隊進行調整，還是針對不斷演變的威脅設計新的能力?！?/p>
如今，數(shù)字系統(tǒng)模型實現(xiàn)了快速的可追溯性和影響分析。例如，在設計階段，可以對每天的配置進行模擬，以測量和記錄性能指標。項目經(jīng)理可以在指標達成時監(jiān)督設計的成熟度，并在幾分鐘內而非幾個月內發(fā)現(xiàn)問題。
數(shù)字工程代表著系統(tǒng)工程以及所有相關學科向統(tǒng)一數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)的轉變。它允許來自各種工具的數(shù)據(jù)無縫集成，系統(tǒng)工程師協(xié)調這個過程，以確保設計與任務保持相關性，并在其生命周期內得到優(yōu)化。這是從靜態(tài)文檔到動態(tài)、互聯(lián)系統(tǒng)的范式轉變。
政府設計中心（GDH）：為什么美國國防部會希望為飛機和其他武器平臺創(chuàng)建數(shù)字孿生？在新系統(tǒng)、設計和應用的開發(fā)和測試中，他們如何利用這些數(shù)字孿生？
伊萊?威爾遜：遺憾的是，數(shù)字化的價值并不總是能清晰地闡述出來，這可能導致效率低下以及對其重要性的困惑。但好處是顯而易見的。數(shù)字工程加速了開發(fā)進程，無論是對 F-35 機隊進行調整，還是針對不斷演變的威脅設計新的能力。當工程師能夠可視化和模擬設計，而不是依賴靜態(tài)文檔時，他們的工作會更快速、更智能。
這也允許在不同的作戰(zhàn)環(huán)境中優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，配備可配置雷達的 F-35 可以利用其數(shù)字孿生確定在不同地區(qū)執(zhí)行任務的最佳設置。這種由數(shù)字工程驅動的能力實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)的快速決策，這是紙質方法永遠無法實現(xiàn)的。
伊萊?威爾遜表示：“除了速度之外，數(shù)字孿生還能在任務層面優(yōu)化性能。例如，隨著任務分析更新新信息，F(xiàn)-35 子系統(tǒng)執(zhí)行的功能可以在更廣泛的作戰(zhàn)背景下進行評估?！?/p>
隨著數(shù)字孿生變得更加普遍，數(shù)字工程將經(jīng)歷與 20 世紀 90 年代軟件工程相同的轉變：利用經(jīng)過批準的代碼庫，而不是從頭開始構建所有內容。在模塊化開放系統(tǒng)方法（MOSA）的支持下，數(shù)字工程正朝著可重用、經(jīng)過驗證的數(shù)字孿生發(fā)展，實現(xiàn)更快速、更模塊化的開發(fā)。
除了速度之外，數(shù)字孿生還能在任務層面優(yōu)化性能。例如，隨著任務分析更新新信息，F(xiàn)-35 子系統(tǒng)執(zhí)行的功能可以在更廣泛的作戰(zhàn)背景下進行評估。數(shù)字工具使美國空軍和其他國防部人員能夠評估對整個機隊進行修改的影響，確保任務準備就緒。
同樣重要的是生命周期管理。數(shù)字孿生考慮了系統(tǒng)從誕生到退役的整個過程，允許根據(jù)生命周期成本和準備情況評估變更，從而實現(xiàn)更好的維護、升級和物流規(guī)劃，減少停機時間和成本。由于供應鏈問題而閑置的 F-35 是一種浪費的投資；數(shù)字前瞻性確保所有資產(chǎn)保持任務就緒狀態(tài)。通過加速開發(fā)、優(yōu)化任務效能和確保長期維持能力，數(shù)字孿生對于在全球舞臺上保持戰(zhàn)略優(yōu)勢至關重要。
政府設計中心（GDH）：數(shù)字孿生的創(chuàng)建和使用如何加速制造過程并加強軍事供應鏈？為什么這對美國國防部很重要？
伊萊?威爾遜：當我開始進入政府合同（GovCon）行業(yè)時，我看到國防承包商中存在一個普遍問題 —— 隨著退休工程師離開，關鍵知識也隨之流失。公司往往太晚才意識到?jīng)]有其他人完全理解關鍵系統(tǒng)，這迫使他們以高昂的成本重新聘請前員工?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）對于捕獲和轉移這些專業(yè)知識變得至關重要，特別是在維持老化但至關重要的國防系統(tǒng)方面。
伊萊?威爾遜表示：“數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)更快速、更智能的決策，特別是對于文檔有限的老化系統(tǒng)?！?/p>
一個明顯的例子是 “滾動彈體導彈”（Rolling Airframe Missile），這是一個美國和德國的聯(lián)合項目。雖然該導彈經(jīng)常更新，但其發(fā)射器設計每 15 年才進行一次修訂。在每個周期中，新工程師必須從頭開始重新培訓，這減緩了進展。通過將數(shù)字模型作為權威真實數(shù)據(jù)源，工程師可以自我學習，減少入職時間，并增加對系統(tǒng)修改的信心。
數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)更快速、更智能的決策，特別是對于文檔有限的老化系統(tǒng)。許多較舊的設計僅以復印副本的形式存在，這使得更新存在風險。通過將這些系統(tǒng)數(shù)字化，組織可以保留機構知識，簡化維護，并確保供應鏈韌性 —— 延長關鍵國防資產(chǎn)的使用壽命和適應性。
政府設計中心（GDH）：美國空軍研究實驗室（AFRL）和 F-35 聯(lián)合項目辦公室已向賴特 - 帕特森空軍基地（WPAFB）的一個新工程設施投資 7000 萬美元。這項投資將如何加速美國空軍以及整個美國國防部對數(shù)字孿生和數(shù)字工程的采用？
伊萊?威爾遜：俄亥俄州代頓市長期以來一直是國防資金的主要中心，其在數(shù)字化轉型中的作用正在迅速擴大。像 Anduril 這樣的公司與俄亥俄州就業(yè)集團合作，正在代頓推動數(shù)字化倡議，賴特 - 帕特森空軍基地和代頓大學研究所發(fā)揮著關鍵作用。
這種轉型的核心是需要更快的速度、優(yōu)化系統(tǒng)性能和改善維持能力。F-35 聯(lián)合項目辦公室與這一更廣泛的努力保持一致，確保數(shù)字化的采用能夠簡化升級、最大化運營效率并提高任務準備就緒性。
伊萊?威爾遜表示：“僅僅連接數(shù)字工具是不夠的 —— 成功取決于強大的基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）。沒有可靠的數(shù)字孿生，那個數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)將仍然是碎片化的，無法實現(xiàn)其承諾。有效的數(shù)字工程依賴于強大的系統(tǒng)工程，而如今的系統(tǒng)工程越來越以模型為驅動。
美國空軍還將其重點從傳統(tǒng)的工程角色擴展到更廣泛的領域，包括項目管理、供應鏈物流和維持物流，形成了一個他們稱之為 “數(shù)字物資管理” 的更全面的學科。以前的 “數(shù)字工程訓練營” 也已更新為 “數(shù)字物資管理學院”，以反映這一更廣泛的范圍。
因此，美國空軍推動數(shù)字化轉型最終取決于正確實施系統(tǒng)工程。一旦這個基礎建立起來，更廣泛的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，包括數(shù)字物資管理，就能夠充分實現(xiàn)其價值，確保美國國防部的長期成功和準備就緒。
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