从美军数字工程看航天防务装备研制数字化转型的发展和启示

从美军数字工程看航天防务装备研制数字化转型的发展和启示

郑笑寒

江南机电设计研究所

摘要：本文对美军数字工程进行了跟踪与分析，介绍了数字工程关键创新技术，并对比我国航天防务装备研制数字化建设现状，引出MBSE技术在加快装备研制数字化建设方面的重要推动作用，针对从TBSE到MBSE在武器装备研制中的落地应用进行总结并分析，为后续的武器装备研制的数字化建设提供了参考。

关键词：数字工程；MBSE；防务装备；数字化

1 引言

近年来，各国加紧实施武器装备数字化以抢占战略高地。2018年6月，美国国防部发布《数字工程战略》以加速推动美军数字化转型，并确立“数字开发胜过物理开发”的未来武器装备发展模式，以期对他国形成代差优势。

我国装备研制的数字化水平与美军先进水平尚存在差距，深入研究数字工程，对装备研制数字化建设具有重要的借鉴意义。本文跟踪美军数字工程关键技术，研究美军数字工程发展趋势，结合我国航天企业数字化建设实际进行思考并提出具体的启示建议。

2 美军数字工程

数字工程是一种集成的数字化方法，将系统的权威模型和数据源作为寿命周期中的连续统一体，使模型和数据跨学科、跨领域地连续传递，支撑系统从概念开发到报废处理的全生命周期活动。

基于模型的系统工程（MBSE）是数字工程的子集，而数字工程的技术要点就是将物理特性模型与MBSE集成，确立权威真相源，并在此基础上引入了数字系统模型、数字主线和数字孪生，三者共同构成了数字工程的核心特征。

2.1 权威真相源

将项目所有的数据以及模型组成中央数据库，把来自项目所有相关工程组织的信息都采集并储存起来，其中包括了需求、设计、制造、试验、供应、使用和维护等模型和数据的权威版本，这个唯一，权威的数据源就是权威真相源。

权威真相源可以对利益相关方产生的数据和模型进行统一管理，实现了信息共享，增强了知识获取和信息重用，进而提高了模型和系统设计的重用性，有效提升了协同设计效率并且减少了系统工程的实践复杂度，缩小了研发成本。同时，权威真相源通过提供结构化及相互关联的数字化表达，保证装备在全生命周期各专业模型的一致性，是实现基于模型的关键点。

2.2 数字系统模型

数字系统模型被定义为一个装备系统的数字化呈现，由所有的利益相关方生成，是一个树状结构的模型体系，集成了权威的信息、数据、分析算法和系统工程技术流程，贯彻系统生命周期的各项专业活动，定义了系统的所有方面，区分于用系统建模语言定义的系统模型，是数字工程的核心。

2.3 数字主线

数字主线是一个依托数字基础设施和工具建立的可扩展、可配置的复杂组织层级的分析框架，基于数字系统模型的模板，能够可控且无缝地加速项目所有相关工程组织中权威数据、信息、知识和软件之间的相互作用，通过提供访问、集成离散数据并转化为可执行信息的能力，在产品全生命周期中为决策提供充分的依据。

2.4 数字孪生

美国空军将数字孪生定义为一种面向装备的多物理场、多尺度、多概率的集成仿真模型，通过数字主线使能，利用可获得的最佳模型、传感器信息和历史数据等关于装备的数字信息来镜像模型对应的装备的活动和性能，在整个系统生命周期内与装备相连接，并通过建模仿真和数据分析来预测物理实体的未来状况。

2.5 小结

美军推进数字工程，使所有工程学科提升为一个基于模型的数字化方法，通过数字工程生态系统连接装备系统的全生命周期和数据源模型，打造权威真相源，本质就是发展了数字生产力，力求实现以算力代替人力，以电脑支撑人脑。

3 深化应用MBSE推动航天防务装备研制数字化

3.1建设现状

我国航天防务装备研制数字化建设起步较晚，与美军数字工程相比差距明显。数字化建设发展不充分，关键技术的储备不足，不同行业和单位间未达成共识，大数据管理及共享机制尚未建立，无法挖掘数据模型潜力与价值，难以支撑防务装备数字化建设。从航天企业实际情况出发，要推动装备数字化建设，势必要在工程实践中推广应用MBSE技术。

3.2 从TBSE到MBSE

MBSE基本思想为系统工程，是对传统的基于文本的系统工程（TBSE）的一脉相承，但不同于TBSE，MBSE的核心是具有精确语义的模型。

TBSE需要大量文档作为信息交流的载体，存在大量非结构化的冗余信息，限制了设计师系统设计思维效率且需花费大量时间维护文档信息实时同步。而在实践中，设计师手中的文档常“一人一版”，无法保证一致性从而极易出现错误。尤其是在复杂的武器系统研制中，最大的成本支出为系统级的试验和评估，验证依赖高成本的飞行试验。为避免将错误带入飞行试验，飞行试验前需要完成大量的测试。但一些错误仍会层层闯关进入飞行试验中，很大归因于：在系统设计时，多学科联合分析能力不足；在系统实施时，部件级单元测试不足，常仅完成最基本的功能测试，难以覆盖复杂的功能。根本原因还是功能需求不清晰，难以转化为测试用例，并且缺少测试保障条件。此外，TBSE缺少对工程经验数据的积累，文本重用性不高。

TBSE是通过先分解再集成，把大问题分解再逐个解决后再汇集成整个问题的解，并未真正体现系统和整体的思想指导，只能依赖后期的确认手段来检验集成后的系统是否满足顶层需求。

3.3 MBSE的特点及优势

在武器系统总体设计中应用MBSE相比TBSE具有以下特点及优势：

1）设计可复现，可重用。基于同一建模语言描述的武器系统总体模型，通过一个统一的工具和集中的平台来实现，实现信息共享，并使得设计过程可复现，可重用；

2）设计周期短，见效快。应用MBSE可以在统一平台上完成基于模型的小循环迭代、完善，加速了各阶段需求确认和武器系统方案的完善；

3）可提早验证，及时纠错。在设计初期就可基于模型对系统进行验证，可及时发现错误并予以纠正，避免成本和进度的损失，提高了产品可靠性并缩短了总体设计周期；

4）协同性好，效率高。由MBSE建立的系统模型贯穿了武器系统设计的全生命周期，包括需求分析、总体设计、仿真，实现功能（性能）样机的协同。

4 MBSE落地应用的思考与建议

目前，MBSE在航天防务装备研制中落地应用仍存在很多难题，其中最重要的是，MBSE如何实现权威真相源。由于在很多学科的机理模型置信度都不够，仿真验证的单机模型储备和置信度也不够，把研制流程从后端前移，在前期做很多虚拟模型，让MBSE来替代传统的设计，这在讲究眼见为实的航天防务装备研制中是很难适应的。借鉴美军数字工程，可对MBSE的落地应用提出几点启示建议：

1）围绕型号研制开展MBSE应用攻关。MBSE在工程实践中落地，需要在型号研制的背景下去考虑MBSE在武器系统总体设计流程的应用、方法、技术和工具等要素；

2）构建装备一体化全流程统一研发平台。以需求、功能、逻辑架构、物理模型等的建立和应用为主线，重点开展复杂武器系统需求分析、系统建模、多层级快速需求验证、方案优化、设计仿真、数字制造与验证等技术的研究，构建以数字模型为核心的装备一体化全流程统一研发平台；

3）多学科模型的开发、集成与使用。MBSE的物理模型必须是以系统建模语言为技术支撑，统一描述的多学科模型；

4）型号研制团队数字转型。这样才能避免型号研制和建模两个队伍，模型与数据不匹配的情况，完成对最佳实践的总结提炼和抽象建模；

5）构建基于MBSE的研制流程和模型框架体系。验证模式要从定性分析与决策向定量分析与决策转型，用数据支撑装备研制的决策，实现研制过程数据与模型的归集、整合与可视化，提升武器系统型号研制的质量。

参考文献：

[1]王丰，周雨晨.美国陆军数字化转型战略解析及启示[J].国防科技，2022.

[2]张鹏翼，黄百乔，鞠鸿彬.MBSE:系统工程的发展方向[J].科技导报, 2020.

[3]刘玉生.MBSE：实现中国制造创新设计的使能技术探析[J].科技导报,2017.

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