導(dǎo)讀：本文最初發(fā)表于政府設(shè)計(jì)中心（GovDesignHub），主要內(nèi)容為戰(zhàn)略技術(shù)咨詢公司（Strategic Technology Consulting）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)增長的副總裁伊萊?威爾遜（Eli Wilson）關(guān)于美國國防部（DoD）通過數(shù)字工程和數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)其系統(tǒng)發(fā)展的深刻見解。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)、測試和維護(hù)程序，數(shù)字孿生技術(shù)正徹底革新像 F-35 這樣的武器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了更快速的創(chuàng)新、優(yōu)化的性能以及更強(qiáng)的供應(yīng)鏈韌性。
在威脅快速演變的時(shí)代，美國國防部必須具備創(chuàng)新性、靈活性，并時(shí)刻做好執(zhí)行任務(wù)的準(zhǔn)備。要保持領(lǐng)先地位，就需要尖端技術(shù)來提高速度、效率和適應(yīng)性。超越對手的能力不僅取決于強(qiáng)大的火力，還依賴于更智能、更快速的方式來設(shè)計(jì)、測試和部署關(guān)鍵系統(tǒng)。
數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)正在革新國防行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新、無縫集成和實(shí)時(shí)適應(yīng)性。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭變得日益復(fù)雜，采用這些技術(shù)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(shù)咨詢公司（STC，隸屬于 Arcfield 公司，在國防系統(tǒng)工程領(lǐng)域擁有十多年經(jīng)驗(yàn)）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)增長的副總裁伊萊?威爾遜進(jìn)行了交流。在討論中，他分享了關(guān)于數(shù)字孿生的定義、創(chuàng)建方式、對美國國防部的價(jià)值，以及一項(xiàng) 7000 萬美元對先進(jìn)工程設(shè)施的新投資如何推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
政府設(shè)計(jì)中心（GDH）：您能否解釋一下，當(dāng)談到為武器系統(tǒng)和戰(zhàn)機(jī)（如 F-35）創(chuàng)建數(shù)字孿生時(shí)，具體的含義是什么？
伊萊?威爾遜：武器系統(tǒng)或戰(zhàn)機(jī)的數(shù)字孿生是其物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)模型，但它超越了靜態(tài)模型，通過集成規(guī)格、架構(gòu)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并取代過時(shí)的紙質(zhì)文件系統(tǒng)。對于像 F-35 這樣的戰(zhàn)斗機(jī)來說，這意味著有一個(gè)單一的數(shù)字表征，在其中可以獲取關(guān)鍵信息，如軟件、安全、網(wǎng)絡(luò)安全和機(jī)械設(shè)計(jì)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(gòu)建，也可以在設(shè)計(jì)階段衍生出來。邏輯架構(gòu)是系統(tǒng)的操作概念（CONOPS）與其物理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)信息，以便開發(fā)、操作和維護(hù)該飛機(jī)。
數(shù)字孿生使用來自多個(gè)工程學(xué)科的數(shù)據(jù)，形成一個(gè)權(quán)威的真實(shí)數(shù)據(jù)源（ASoT）。在這個(gè)設(shè)計(jì)真實(shí)性的核心是系統(tǒng)模型，它逐層分解功能和架構(gòu)。在運(yùn)行數(shù)字孿生時(shí)，系統(tǒng)模型使我們能夠從宏觀角度評估對系統(tǒng)或任務(wù)性能的影響。有用的數(shù)字孿生依賴于良好構(gòu)建的系統(tǒng)模型。
政府設(shè)計(jì)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(nèi)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(jì) 80 年代，機(jī)械和電氣工程從繪圖桌上的手繪原理圖過渡到使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件。這一轉(zhuǎn)變?nèi)缤瑥拇蜃謾C(jī)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(zhuǎn)變?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）是數(shù)字工程的基礎(chǔ)，它支持?jǐn)?shù)字孿生的構(gòu)建。
特別是對于復(fù)雜系統(tǒng)，存在局部優(yōu)化某個(gè)組件或子系統(tǒng)，卻無意中降低系統(tǒng)或任務(wù)性能的風(fēng)險(xiǎn)。在傳統(tǒng)工程中，這些設(shè)計(jì)偏差通常在集成和測試階段才被發(fā)現(xiàn)，此時(shí)對預(yù)算和進(jìn)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(jìn)程，無論是對 F-35 機(jī)隊(duì)進(jìn)行調(diào)整，還是針對不斷演變的威脅設(shè)計(jì)新的能力?！?/p>
如今，數(shù)字系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)了快速的可追溯性和影響分析。例如，在設(shè)計(jì)階段，可以對每天的配置進(jìn)行模擬，以測量和記錄性能指標(biāo)。項(xiàng)目經(jīng)理可以在指標(biāo)達(dá)成時(shí)監(jiān)督設(shè)計(jì)的成熟度，并在幾分鐘內(nèi)而非幾個(gè)月內(nèi)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(guān)學(xué)科向統(tǒng)一數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(diào)這個(gè)過程，以確保設(shè)計(jì)與任務(wù)保持相關(guān)性，并在其生命周期內(nèi)得到優(yōu)化。這是從靜態(tài)文檔到動(dòng)態(tài)、互聯(lián)系統(tǒng)的范式轉(zhuǎn)變。
政府設(shè)計(jì)中心（GDH）：為什么美國國防部會希望為飛機(jī)和其他武器平臺創(chuàng)建數(shù)字孿生？在新系統(tǒng)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的開發(fā)和測試中，他們?nèi)绾卫眠@些數(shù)字孿生？
伊萊?威爾遜：遺憾的是，數(shù)字化的價(jià)值并不總是能清晰地闡述出來，這可能導(dǎo)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(jìn)程，無論是對 F-35 機(jī)隊(duì)進(jìn)行調(diào)整，還是針對不斷演變的威脅設(shè)計(jì)新的能力。當(dāng)工程師能夠可視化和模擬設(shè)計(jì)，而不是依賴靜態(tài)文檔時(shí)，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(dá)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(wù)的最佳設(shè)置。這種由數(shù)字工程驅(qū)動(dòng)的能力實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)的快速決策，這是紙質(zhì)方法永遠(yuǎn)無法實(shí)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(wù)層面優(yōu)化性能。例如，隨著任務(wù)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(jìn)行評估。”
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(jì) 90 年代軟件工程相同的轉(zhuǎn)變：利用經(jīng)過批準(zhǔn)的代碼庫，而不是從頭開始構(gòu)建所有內(nèi)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(yàn)證的數(shù)字孿生發(fā)展，實(shí)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(wù)層面優(yōu)化性能。例如，隨著任務(wù)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(jìn)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(gè)機(jī)隊(duì)進(jìn)行修改的影響，確保任務(wù)準(zhǔn)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(gè)過程，允許根據(jù)生命周期成本和準(zhǔn)備情況評估變更，從而實(shí)現(xiàn)更好的維護(hù)、升級和物流規(guī)劃，減少停機(jī)時(shí)間和成本。由于供應(yīng)鏈問題而閑置的 F-35 是一種浪費(fèi)的投資；數(shù)字前瞻性確保所有資產(chǎn)保持任務(wù)就緒狀態(tài)。通過加速開發(fā)、優(yōu)化任務(wù)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(guān)重要。
政府設(shè)計(jì)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(qiáng)軍事供應(yīng)鏈？為什么這對美國國防部很重要？
伊萊?威爾遜：當(dāng)我開始進(jìn)入政府合同（GovCon）行業(yè)時(shí)，我看到國防承包商中存在一個(gè)普遍問題 —— 隨著退休工程師離開，關(guān)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(guān)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(zhuǎn)移這些專業(yè)知識變得至關(guān)重要，特別是在維持老化但至關(guān)重要的國防系統(tǒng)方面。
伊萊?威爾遜表示：“數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(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(gè)明顯的例子是 “滾動(dòng)彈體導(dǎo)彈”（Rolling Airframe Missile），這是一個(gè)美國和德國的聯(lián)合項(xiàng)目。雖然該導(dǎo)彈經(jīng)常更新，但其發(fā)射器設(shè)計(jì)每 15 年才進(jìn)行一次修訂。在每個(gè)周期中，新工程師必須從頭開始重新培訓(xùn)，這減緩了進(jìn)展。通過將數(shù)字模型作為權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源，工程師可以自我學(xué)習(xí)，減少入職時(shí)間，并增加對系統(tǒng)修改的信心。
數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(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(shè)計(jì)僅以復(fù)印副本的形式存在，這使得更新存在風(fēng)險(xiǎn)。通過將這些系統(tǒng)數(shù)字化，組織可以保留機(jī)構(gòu)知識，簡化維護(hù)，并確保供應(yīng)鏈韌性 —— 延長關(guān)鍵國防資產(chǎn)的使用壽命和適應(yīng)性。
政府設(shè)計(jì)中心（GDH）：美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和 F-35 聯(lián)合項(xiàng)目辦公室已向賴特 - 帕特森空軍基地（WPAFB）的一個(gè)新工程設(shè)施投資 7000 萬美元。這項(xiàng)投資將如何加速美國空軍以及整個(gè)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(zhuǎn)型中的作用正在迅速擴(kuò)大。像 Anduril 這樣的公司與俄亥俄州就業(yè)集團(tuán)合作，正在代頓推動(dòng)數(shù)字化倡議，賴特 - 帕特森空軍基地和代頓大學(xué)研究所發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
這種轉(zhuǎn)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(xiàng)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(yùn)營效率并提高任務(wù)準(zhǔn)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(qiáng)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(gè)數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)將仍然是碎片化的，無法實(shí)現(xiàn)其承諾。有效的數(shù)字工程依賴于強(qiáng)大的系統(tǒng)工程，而如今的系統(tǒng)工程越來越以模型為驅(qū)動(dòng)。
美國空軍還將其重點(diǎn)從傳統(tǒng)的工程角色擴(kuò)展到更廣泛的領(lǐng)域，包括項(xiàng)目管理、供應(yīng)鏈物流和維持物流，形成了一個(gè)他們稱之為 “數(shù)字物資管理” 的更全面的學(xué)科。以前的 “數(shù)字工程訓(xùn)練營” 也已更新為 “數(shù)字物資管理學(xué)院”，以反映這一更廣泛的范圍。
因此，美國空軍推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型最終取決于正確實(shí)施系統(tǒng)工程。一旦這個(gè)基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)其價(jià)值，確保美國國防部的長期成功和準(zhǔn)備就緒。
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