美軍《數字工程戰(zhàn)略》旨在構建數字工程生態(tài)系統，將以往以靜態(tài)文檔為中心的采辦流程轉變?yōu)橐圆粩嘌葸M的數字模型為中心，完成以模型和數據為核心謀事做事的范式轉移。數字工程是一種集成的數字化方法，使用系統的權威模型源和數據源，以在壽命周期內可跨學科、跨領域連續(xù)傳遞的模型和數據，支撐系統從概念開發(fā)到報廢處置的所有活動。美軍在其航空裝備方案論證中，已經開始利用基于模型、數據驅動的手段和工具，建立數字工程方法和流程。值得注意的是，這種轉型，離不開“工程強韌系統”和“計算研究與工程采辦工具和環(huán)境”的支持，美空軍開展“數字戰(zhàn)役”，推動“數字采辦”，這些由國防部層面統一支持開發(fā)的支撐平臺和工具是關鍵。

一、航空裝備方案論證的數字工程轉型

傳統上，在備選方案分析中使用“戰(zhàn)役－作戰(zhàn)－任務－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、成本和風險權衡分析。進行權衡分析的工程人員只能將單點設計交付到成本估算和任務效能分析人員，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，而迭代結果往往是落在設計空間的邊界——最高風險和最高成本的設計�；�于數字工程的航空裝備方案論證，重點是構建并利用交戰(zhàn)模型、物理特性模型、模擬器（真實－虛擬－構造，或L－V－C）模型，生成經濟可承受的、互操作的系統需求模型，構建經濟可承受的、可行的總體方案設計權衡空間，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、經濟可承受的、互操作的和互依賴的裝備解決方案的跨領域模型。公共模型可以用簡明的代數格式或代理響應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�？稍谙鄬Χ痰臅r間內覆蓋總體方案的整個設計空間，從而在可行性、任務效能和經濟可承受性之間進行權衡。公共模型還可以將輸出內容導入空軍SIMAF（Simulation and Analysis Facility，“仿真與分析設施”的英語縮略語）飛行模擬器，實施“真實－虛擬－構造”仿真，并且，SIMAF中考慮物理行為可以實現對互操作性的評價。

二、數字工程轉型中的重要支撐平臺和工具

1． 工程強韌系統

“工程強韌系統”（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)務流程相一致的框架內，開發(fā)一個現代計算工程工具的集成平臺，平臺包括模型、仿真和相關能力，以及設計權衡空間評估與可視化工具�！皬婍g”表明其在各種任務背景環(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環(huán)境，可預測功能性能降低并且可緩解。工程強韌系統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鍵性能參數，快速分析上百萬種可能的設計，提供虛擬作戰(zhàn)環(huán)境和樣機的構建與響應能力。該平臺使用高性能云計算資源，通過建模仿真展現基于物理特性的交互并預測裝備系統功能性能，分析可能影響任務執(zhí)行的背景環(huán)境，對這些建模仿真生成的數據進行評估并執(zhí)行系統總體方案的權衡分析，以確定一個系統提供所需能力的風險，以及確定系統是否可以保留并表現出足夠的強韌性來保證系統的采辦和部署。工程強韌系統能夠加強需求生成和備選方案分析流程，并且在權衡過程中提供包括壽命周期成本在內的壽命周期“情報”，通過權衡分析實現有充分依據的決策，在更少時間內“可視化”更多設計的權衡，從而達到量化并降低采辦風險的目標。

工程強韌系統支撐數據驅動的決策（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品，通過高逼真度虛擬樣機的構建和改進，支撐飛行器、艦船、地面車輛和射頻天線系統等國防部平臺的設計和實現。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，可以綜合流體／結構相互作用、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，在詳細設計工程中處理系統集成的能力，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進行了設計權衡空間分析，通過連接物理特性模型與交戰(zhàn)模型構成公共模型，將性能、效能和成本數據有效融合到了一個設計權衡空間，分析得出了充分定義且可追溯的設計方案，加入了備選方案分析的概念表征和技術描述文件中�？哲娛褂米约旱募�成計算機輔助設計工具構建物理特性模型以評價設計參數，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。權衡分析中使用了三個的候選運輸機構型——一個傳統機身和機翼，一個混合翼身和一個集成翼身。每個構型分析5000個設計以形成輸出參數的代理響應面模型，這個降階模型一般在1％～2％的實際預測值之內，不會降低設計權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、總延遲天數、高峰飛行器使用等。為了評價任務效能，共建立了三個任務場景——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人道主義救援。每個場景分析2500個不同的C－X設計，構建數據集以創(chuàng)建回歸和代理響應面模型，通過降階模型探索優(yōu)化最終得到9個候選設計（3個構型×3個場景）�？哲婋S后將這些技術和經驗集成到了計算研究與工程采辦工具和環(huán)境中，目前已經使用該工具開發(fā)代理響應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、領導和教育、人員、設施和政策（DOTMLPF－P）框架下，在空、天和賽博領域內執(zhí)行作戰(zhàn)相關的情報、監(jiān)視和偵察設計權衡空間分析，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之系統（SoS）、網絡、模塊化開放式架構、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衡分析。ISR－MRA環(huán)境中擁有基于物理特性的能力和架構分析、網狀信息和集成分析以及任務效能分析這三大主要功能。空軍SIMAF飛行模擬器的核心能力就是基于物理特性的能力和架構分析（PCA）功能，它包括平臺表達、性能表征、系統和傳感器構型及其交互。在網狀信息和集成分析（ANII）功能中，對藍軍系統正確通信以支撐規(guī)劃任務所需的架構和網絡拓撲結構進行建模。兩個功能形成一個迭代循環(huán)，允許對架構和系統特性進行權衡，以定義可用的藍軍信息架構（集成的系統和網絡拓撲結構），支撐眾多任務線。任務效能分析（MUA）功能是一個戰(zhàn)役和任務層級的評估工具，允許評估集成信息架構的任務效能和戰(zhàn)役效能，MUA和ANII之間的迭代循環(huán)，幫助理解網絡拓撲結構權衡空間（不同網絡拓撲參數和方案下，眾多任務／任務線的任務效能敏感度），并針對成本驅動因素來平衡任務效能。

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，建立了一個參數化的設計權衡空間，只不過使用了不同的任務場景和交戰(zhàn)模型，從而評價可行性、任務效能和經濟可承受性。然后，權衡分析得出的最佳構型在“茶隼”工具中建模，比如在一個固定的馬赫數和高度，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、結束語

美軍國防采辦系統，包括國防部層面的采辦里程碑決策，各軍種層面的系統工程技術評審，項目辦層面的成本分析、需求論證、成本／進度／性能權衡，都在充分利用數字工程生態(tài)系統提供的能力，構建基于模型、數據驅動的方法和流程。目前，通過若干開發(fā)了十幾年的數字化支撐平臺和工具，美軍航空裝備采辦正在加速向數字工程轉型，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，成本和經濟可承受性一直是與性能、效能、進度、風險并列的頂層權衡分析指標，利用數字工程，軍方和工業(yè)界合力完成對成本、進度和性能、經濟可承受性、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／成本評估數據組織體（CAPE／CADE）一致分析。數字工程能力，將是美軍實現“第三次抵消”戰(zhàn)略以及空軍實現“更佳購買力”、“數字化百系列”構想的堅實基礎。（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心  劉亞威）                                            

本篇供稿：系統工程研究所