数字化工程与美军的装备系统全寿命周期管理

来源:知远战略与防务研究所 作者:张新征  李宏伟  张超 时间:2018-08-03
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2017年10月,美国国防部系统工程管理部门向产业界公开通报了《国防部数字工程战略》的主要内容,意在推进数字工程在装备全寿命周期管理中的应用,计划在2020年前完成国防部系统工程业务的数字转型重构。2018年6月,美国防部研究与工程副部长迈克尔·格里芬签发《国防部数字工程战略》,强调武器系统和组件的数字表示,要求把数字虚拟实体作为国防采办利益相关方之间沟通的技术工具,用于国防系统的设计和维持。

借鉴美国防部数字工程的战略目标、数字工程视图、数字工程生态系统、数字工程路线图等做法,大力推进数字工程在我军武器系统全寿命周期管理中的运用,对提高武器装备科研生产体系质量、加快军事智能化发展、加速新质战斗力生成都具有重要意义。

美国防部数字转型的演进历程

产品数字化:向部队交付数字化武器装备

20世纪90年代以来,美国陆军提出“21世纪部队”数字化建设计划,依据国防部C4ISRAF、DoDAF等开放式体系结构标准,构建自组织、自恢复、自适应的多业务战术网络,打造一体化的陆军作战指挥系统(ABCS),推动战斗单元实现从依赖地理连接向依赖信息连接的转变,较好地解决了“我们在哪里”“友邻在哪里”“敌军在哪里”等掌握战场主导权的基本问题,推动了基本作战单位小型化,实现了体系作战能力的指数级跃升。

过程数字化:数字工程贯穿系统全寿命周期

数字化武器装备技术保障的复杂性、升级改造的可持续性,要求实现研制、生产和维护过程的数字化。在2017年10月召开的美国国防工业协会系统工程分会第20届年会上,美国防部系统工程副助理国防部长办公室向产业界公开通报了《国防部数字工程战略》的主要内容。美国防部认为,数字工程是数字化版本的基于模型系统工程(MBSE)方式,利用数字环境、数字处理、数字方法、数字工具和数字工件,实现对计划、需求、设计、分析、核实、验证、运行和/或维持等装备系统全寿命周期活动的支持。数字工程将推进美国防部实现从以文档为中心的线性采办流程向以数字模型为中心的数字工程生态系统的转变。

2018年2月,美国防部增设研究与工程副部长,重新设计国防部研究-工程-采办-维持流程,突出技术创新与管理创新。新发布的《国防部数字工程战略》明确了数字工程的战略目标,并要求各军种在2018年度内完成相应数字工程执行计划的制定。

主要做法

明确国防采办数字工程制度化的5大战略目标

美国国防部数字工程战略目标的主要内容有5个方面:1)规范模型的开发、集成与使用,实现设计模型、制造模型、审核与验证模型、系统模型、生产支撑模型、特种工程模型、管理模型之间标准化数据的无缝流通,服务于企业和项目决策;2)持久性地提供权威事实源(即基础数据与模型),在装备方案分析、技术成熟与风险降低、工程与制造研发、生产与部署、作战与支援等装备寿命周期的不同阶段,为审计、商务、合同、工程、项目管理等各利益相关方提供权威事实源,实现“恰当的信息、恰当的人、恰当的使用、恰当的时间”;3)将技术创新融入工程实践的改进,利用大数据与分析、认知技术、先进计算技术、数字与物理融合技术,以及新方法和人机协作,推动向端到端的数字企业转型;4)构建数字工程的支撑架构和环境,包括工具、流程、方法、软硬件、网络、安全等,实现各利益相关者之间的互动、协作与沟通;5)完成文化与团队的数字转型,面向对全寿命周期数字工程的适应与支撑,通过沟通与接触、领导、战略与实施、训练与教育和持续性的改进,实现整个采办部门数字工程的制度化。

构建以数据流转为核心的数字工程架构

图1 数字工程体系架构之采办视图(AV)

数字化一.jpg

在装备采办全寿命周期的基础上,美国国防部系统工程部门建立了由模型视图(Model View)、数据视图(Data View)、文件视图(Document View)、采办视图(Acquisition View)构成的数字工程架构。以数据视图对于不同阶段标准化数据流转的规范为核心,推动传统采办模式向数字工程的迁移。

图2 数字工程之数据视图(DV)

数字化二.jpg

打造全面支撑国防采办的数字工程生态系统

数字工程生态系统主要由技术数据管理、工程知识管理和技术评估三个相互嵌套的群落构成。技术数据管理位于最底层,包括对工程标准、需求数据、设计与制造数据、测试数据、供应数据、作战数据、维护数据、工程能力数据库的管理。工程知识管理位于中间地带,包括对多域、多机理、多层级真实与虚拟组件的集成,对各种系统分析工具的集成,它们利用工程数据对系统采办与维持提供支撑,完成对利润、不确定性和风险的概率分析,以及对所有权总成本(系统全寿命周期成本)的均衡分析。系统工程技术评估位于顶部,开展成本分析、需求论证、费用进度与性能(C/S/P)的综合平衡,提供对各阶段采办里程碑的决策支持。

数字系统模型、数字线索和数字孪生是纵向贯穿数字工程生态系统的纽带,提供了端到端集成、权威性、系统全寿命周期的数字表示。数字系统模型由所有的利益相关者共同提供,集成了权威的技术数据和相关的工件,定义了系统寿命周期中各个方面的具体活动。数字线索是一种可扩展、可配置和组件化的企业级分析框架,无缝地加速了企业数据信息知识系统中的权威技术数据、软件、信息和知识的受控相互作用。在整个系统寿命周期中,数字线索基于数字系统模型的模板,向决策者提供访问、集成数据,并将分散数据转换为可操作信息的能力。数字孪生是在数字线索支撑下,对实际制造系统多机理、多尺度概率模拟的集成,使用最佳的可用模型、传感器信息和输入数据,镜像和预测其物理孪生品系统全寿命周期中的行动与性能。

设计2020年前完成数字转型重构的路线图

美国国防部数字工程路线图给出了数字工程推进的7个成熟度等级:1)启动阶段,2015年8月成立数字工程工作组;2)知晓阶段,通过系统工程副助理国防部长办公室网站、系统工程年会、基于模型企业峰会等促进各级组织对数字工程的认知;3)理解阶段,2016年11月制定数字工程教育与培训课程,为各层级相关人员理解数字工程转型提供支持;4)初始使用阶段,即执行示范项目,如数字线索与飞行器机体数字孪生计划、工程弹性系统计划、计算研究与工程采办工具与环境项目;5)内部消化阶段,即制定指令、政策和指南以促进实例化使用,2017年12月发布《数字工程战略》文件;6)适应阶段,即在工程和采办实践中推广已成型的主要做法,2018年6月完成采办政策和指南的更新,开始在项目中对数字工程应用实施评价;7)制度化阶段,即保证转型的持续性,2019年12月开始在采办流程中植入数字工程。

启示与建议

数字技术与制造技术加速融合,特别是物联网的发展,制造业、产品和服务呈现全面交叉渗透,正在改变用户与产品、技术与工艺之间的关系,给全球制造业的生产方式、发展模式都带来了颠覆性的变化。数字化武器装备技术保障的复杂性、升级改造的可持续性,也要求实现研制、生产和维护过程的数字化。

推动装备采办流程的数字转型

按照军事智能化建设要求,顺应制造业智能化发展趋势,统筹推进智能制造重点工程建设与装备采办数字化改革,做好装备采办管理制度数字化的顶层设计。利用大数据分析、先进计算、数字与物理融合等技术提升采办管理的信息化水平,加强装备系统从设计到制造到使用的全寿命周期数据积累,规范装备系统工程模型的开发、集成与使用,推进标准化数据在不同部门和企业之间的无缝流通与交互,提高装备采办效率和安全。

完善装备质量管理的数字标准

强化标准要求,把数字孪生作为军品验收标准的重要内容,在装备方案分析、技术成熟与风险降低、工程与制造开发、生产与部署、作战与保障等系统全寿命周期各阶段,实现实体制造与数字孪生的并行,形成质量问题全寿命周期可追溯体系,逐步摆脱对固定承包商的依赖。

加强数字工程生态支撑环境建设

依托中国科协智能制造学会联合体、中国工业软件产业发展联盟、中国大数据产业生态联盟等行业组织,构建数字工程支撑架构和环境,加快突破智能制造核心装备、基础零部件及工业软件系统,协同推进技术标准、信息标准和应用规范建设,完善基础数据和模型的标准化与开放服务,以军工集团智慧院所建设和武器系统总体单位数字转型为牵引,逐步推进配套企业和分包商的数字转型。

作者张新征,国防大学战略学博士,曾任原总装备部某研究所高级工程师,现就职电子信息产业发展研究院,研究方向军事科技与装备发展、国外陆军作战力量建设、军民融合与协同创新。

本文链接:http://www.globalview.cn/html/military/info_26152.html

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