（本文改编自作者于2019年5月在《国际航空》杂志发表的文章）
2018年6月，美军发布数字工程战略，旨在将美军采办流程由以文档为中心转变为以数字模型为中心，完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。2019年2月，美军发布的宣传册显示其在航空装备采办中，已经开始利用基于模型、数据驱动的手段和工具，在方案论证、研制生产、维修保障等阶段建立数字工程方法和流程，以支撑航空装备全寿命周期数字工程转型。
一、航空装备不同采办阶段的数字工程要点
论证阶段，重点是构建并利用作战模型、物理特性模型、真实－虚拟－构造（lvc）模型，生成经济可承受的、互用的系统需求模型，构建经济可承受的、可行的总体方案设计空间，对大量备选总体方案进行效能、成本和风险的权衡分析，得到最优总体方案。
研制阶段，重点是基于系统需求模型、方案设计模型，构建涵盖气动、结构、机械、电子、热、推进、控制等专业的高逼真度系统级仿真模型，在初步设计和详细设计中执行多逼真度、多物理量、多专业仿真，在尽量减少物理试制和试验的同时，利用定量化的风险分析在早期就识别设计缺陷和性能不足，完成数字化的验证与确认。
生产阶段，重点是基于集成产品与工艺开发过程得到的详细设计模型，并构建数字化的生产流程和软硬件基础条件，实现制造和质量活动基于模型、数据驱动的优化、运行和控制，提升制造成熟度水平。
保障阶段，重点是构建融入制造、使用、维修数据的数字孪生模型，通过实时数据更新和持续在线／离线分析，对装备个体进行有针对性的维修规划和记录共享，实现基于预测性分析的寿命管理。
二、美军典型航空装备采办活动的数字工程转型内容
1．基于物理特性模型的数字化论证
当前航空装备概念开发流程，大部分都基于文档。航空装备备选总体方案数量少，且对效能、成本和风险分析更多是基于经验。未来，对系统总体和作战概念将进行基于模型的定义，基于物理特性模型实施系统设计和技术评价，并形成大量的备选总体方案，通过基于物理特性模型的优化权衡，分析备选方案及其满足使命任务的程度。美海军在“下一代空中主宰”计划中，利用工程强韧系统（ers）设计环境，构建了增强的备选总体方案分析工具，探索了当前由f/a-18e/f战斗机和ea-18g电子战飞机所提供能力的调整需求。
图1 当前概念开发流程和数字化的基于模型的概念开发
2．数字化的需求工程和初步设计
当前航空装备从需求到架构设计基本都是基于文档，然后执行有限的基于物理特性模型的工程分析，之后形成技术成熟和风险降低实施计划文档，并且许多输入的指标都是定性的。未来，需求和初步设计流程都将是数字化的、基于模型的，作战概念、系统总体架构和需求／系统规范都将建立模型，自动实现可追溯性。基于物理特性模型的设计和评价过程是闭环的，包括了设计建模、多逼真度设计分析以及设计空间探索等。实施计划的输入是定量的，由各类分析数据库支撑。美陆军在“未来垂直起降飞行器项目”中，利用数字工程手段建立了架构演进方法，构建了从参考架构到目标架构再到系统架构的总体框架，具有可追溯性并确保需求一致传递。
图2 当前需求和初步设计流程和数字化的基于模型的需求和初始设计
3．装备研制中的数字化工程分析
当前航空装备详细设计中的工程分析流程，从总体设计到详细设计形成大量文档，且详细设计分析和评价都是单专业孤立进行，导致研制周期长、返工更改量大。未来，工程分析将基于作战概念、总体架构和需求／规范模型及分析结果，通过高效的工作流管理、多专业系统模型和工具以及公共、联合数据库，执行多物理量联合仿真分析，形成用于详细设计的模型、三维图纸、数字化数据和元数据。美海军航空系统司令部已开始这种转型，建立了包含机械／电气／软件设计和试验等模型的单一真相源，并执行基于模型的分析，终结了纸质技术文件以及大规模设计评审，通过数字协同环境持续而深入地了解与监督系统工程流程，通过与单一真相源交互实现多学科分析与优化。
图3 当前详细设计中的工程分析和研制中的数字化的工程分析
4．数字化的设计确认
当前的航空装备研制试验规划都是基于文档的，试验选择、成功准则和指标以及执行顺序都是人为判断决策，从底层样件和工作台试验到顶层全系统试验，试验顺序是线性的、试验数量是固化的，试验结果采用人工审查。未来，将建立数字化的设计确认流程，试验是由量化并减少不确定性／风险而驱动的。试验设计参考以往数字化的试验鉴定规划与结果，按需增加的及不确定的因素来规划和执行试验，并形成量化的准则和指标确认的模型。试验执行是基于风险的，从底层试验到顶层试验，顺序和数量设置是灵活的，数字化的试验结果可以自动采集、归档以及索引。美空军为确定高性能飞行器静态／动态稳定性和控制特性，利用物理特性模型计算研究和工程采办工具与环境，开发了通过试验设计设置最少的数据点，从而缩短整个风洞试验周期的方法，并使用f-22战斗机的数据完成了验证，结果表明周期可缩短60%。
图4 当前研制试验规划与执行和数字化的设计确认
5．数字化支撑的生产流程
当前航空装备生产仍在大量采用基于纸质文档的流程。未来，将通过数字化流程的全面实施，利用构型数据的权威真相源，进行基于模型的产品和工艺表达与分析，建立数字化的质量保证计划和工作流，并且通过自动采集数字化的生产数据，支撑基于性能模型的验收检验。美空军支持诺格公司建立了数字线索基础设施来支撑劣品处理决策，通过数字孪生改进了分析流程，可在三维环境中实现快速和精确的自动分析，使得处理f-35战斗机进气道加工缺陷的决策时间缩短了33%。
图5 当前基于纸质的流程和数字化使能的流程
6．数据驱动的维修规划与进度安排
当前航空装备和生产设备只部署了有限的传感器，维修进度安排根据平均故障间隔时间确定，经常会出现计划外的紧急维修。未来，装备和设备的机载／嵌入式传感器广泛部署，由工业互联网通过物联网技术采集传感器数据流，进行实时的自动化分析，维修规划与进度将依数据分析做出安排。同时，通过详细分析传感器数据，也可为维修工作提供新的思路。美空军研究实验室利用f/a-18战斗机压力传感器校准系统，开发了f-35结构健康监测传感器校准的创新方法，通过自动化校准流程更精确地计算疲劳寿命预期值，减少停机时间和成本。同时，美军制造创新机构还支撑洛马公司和通用电气公司开发了基于工业互联网的机床状态远程监测、在线诊断，以及问题自动预测与自修正、预测性维修分析与动态安排等技术。
图6 当前规划和进度安排流程和充分数据支撑的规划和进度安排
7．数字化的维修数据和持续保障分析
当前对航空装备实施视情维修或单个系统分析的条件很有限，产品保障包中的技术数据由文档驱动，维修数据由人工记录，维修流程是线性的，并且数据在其中仅单向流动。未来，维修技术数据及分析都将数字化，而且所有数据是双向、循环流动。维修规划和工程分析将利用数字化、基于模型的技术数据，在稳健的数字化数据环境中对数据进行快速分析，并将开发、测试和部署由数据分析驱动维修规则。美空军全寿命后期管理中心实施的“视情维修＋”计划，利用数据采集工具和系统、数据清洗和神经网络、先进数据分析学及工具等技术和流程，极大增强了数据分析能力。
图7 当前维修技术数据实践和数字化的修理技术数据实践和分析
8．面向预测性维修的数字孪生
当前对单个航空装备系统的跟踪流程中，针对关键组件的维修计划是由保守的工程分析驱动的，预测是基于以往数据进行的，模型只在发现差异的时候才进行更新。未来，将建立由数字孪生支撑的跟踪流程，利用经确认的概率模型建立降阶的寿命预测模型，融合来自数字线索的制造数据、使用数据和维修数据构建数字孪生模型，基于对数字孪生模型的仿真进行预测，并利用新数据自动更新模型。美空军研究实验室的机体数字孪生螺旋1项目，通过集成数据、模型以及概率分析工具，实现了对单个飞行器基于概率和预测的跟踪，可减少维修停机时间和成本，并提升持续保障工程分析效率。
图8 当前单个系统跟踪流程和数字孪生支撑的跟踪流程
三、启示建议
数字工程正成为大国复杂系统工程竞争高地。美军在这方面一直走在世界前列，目前又开始转型升级，将对我国航空装备研发、项目管理和使用保障模式等带来重大挑战。为此，提出三点建议：一是利用系统工程的概念，采用数字化技术打通需求分析－装备研发－使用保障各大环节；二是充分利用好现有的科研生产中产生的数字资源或将已有成果数字化、模型化；三是综合利用建模与仿真、高性能计算、物联网、大数据、数字孪生、人工智能等先进手段，在航空装备的全寿命周期推动建立基于模型、数据驱动的分析与控制方法，围绕覆盖装备论证、研制、生产、保障中的系统工程活动，实现各项技术流程和技术管理流程的可视化、自动化、精准化。
刘亚威先生已为《空天防务观察》提供63篇专栏文章，如下表所示：
序号
篇名
发表日期
1
美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造
2015年2月16日
2
非热压罐成形技术用于ms-21机翼主承力构件生产
2月23日
3
热塑性复合材料加速进入民机主承力结构
2月25日
4
轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔
2月27日
5
增材制造（3d打印）——“美国制造，美国能行！”
3月11日
6
2014，美国国家制造创新网络雏形初现
4月8日
7
揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋
4月22日
8
美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景
5月27日
9
美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者
6月1日
10
“数字制造”vs“智能制造”
8月17日
11
你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构
8月24日
12
波音采用创新技术制造nasa新概念飞机机身
9月28日
13
无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）
10月9日
14
你应知道的柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构
10月14日
15
解读美国国家制造创新网络中制造创新机构的分级会员制
11月23日
16
德国“工业4.0”之“智慧工厂”计划（上）、（中）、（下）
12月18日、21日和23日
17
美国国家增材制造创新机构的技术路线图和项目概览（上）、（下）
2016年1月8日、15日
18
美国国家制造创新网络计划2015年实施亮点
2月15日
19
美国政府发布首份国家制造创新网络年度报告和战略计划
2月22日
20
美国国家制造创新网络战略计划要点
3月4日
21
工业互联网联盟与工业4.0平台的合作始末
4月1日
22
航空制造领域即将发生五个变革
4月6日
23
你应知道的革命性纤维与织物和革命性纤维与织物制造创新机构
4月8日
24
美国国家制造创新网络的知识产权管理
5月11日
25
十八张图说新工业革命与未来航空制造
5月17日
26
十七张图说波音创新制造新概念飞机机身和民机主承力构件非热压罐制造
5月23日
27
人——航空智造转型之路的核心资产
5月30日
28
定位高端——航空增材制造技术
6月6日
29
美空军“未来工厂”愿景与专项计划
6月29日
30
美国政府提出先进制造业优先技术领域（上）、（下）
7月5日、7月7日
31
美国智能制造领导力联盟——美国国家智能制造创新机构的领导者（上）、（下）
7月11日、7月13日
32
“增强现实”助力航空智能制造
9月8日
33
美国制造创新机构运行效果的评价
10月19日
34
美国数字制造与设计创新机构的项目机制
10月21日
35
美国洛马公司深度参与国家制造创新网络
10月24日
36
飞机部装迈向智能化
11月21日
37
新工业革命下航空智能制造的三大典型范例
11月30日
38
航空制造改变未来制造业：再次认识制造与未来航空制造
12月26日
39
航空制造改变未来制造业：重新定义制造业
12月28日
40
美国防部发布增材制造路线图
2017年3月1日
41
解读美国先进生物组织制备制造创新机构
3月8日
42
解读美国防部先进机器人制造创新机构
5月8日
43
英国高价值制造战略与航空制造创新
5月17日
44
美国防部先进轻量化材料制造创新机构一览
5月24日
45
虚拟现实／增强现实技术支撑航空智能制造转型
5月31日
46
浅谈智慧院所／智能车间信息化能力建设需求
8月30日
47
五大航空制造商制造创新实体
9月13日
48
数字线索助力美空军航空装备寿命周期决策
9月27日
49
as6500标准将协助美军加强采办项目制造成熟度管理
12月6日
50
美军希望扩展制造成熟度应用范围（上）、（下）
12月15日、12月18日
51
美国洛马公司利用数字孪生提速f-35战斗机生产
12月27日
52
管窥美军数字工程战略——迎接数字时代的转型
2018年2月11日
53
浅析美国军民一体化制造创新——对美国国家制造创新网络运行逻辑的独家透视
8月1日
54
智能技术助力美军航空装备保障
8月15日
55
自动化在线检测提速未来航空复合材料制造（上）、（下）
8月29日、
8月31日
56
万物互联网：终极军用互联网
9月17日
57
航空制造的万物互联（演示文稿）
10月8日
58
以“超越比例缩放”推动“电子器件复兴”——美军关注后摩尔时代芯片创新发展
11月2日
59
美国防部数字工程战略解读（上）、（中）、（下）
11月18日、
2019年4月1日、4月10日
60
先进技术保护航空增材制造数字线索的安全
11月28日
61
看看什么叫工业强国：创造历史的波音777x客机机翼制造创新！
2019年1月28日
62
航空制造推动新概念机器人发展（上）、（下）
5月27日、
5月28日
63
美军航空装备采办正向数字工程转型（即本篇）
7月12日
有兴趣的读者，可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。
（中国航空工业发展研究中心 刘亚威）
本篇供稿：系统工程研究所
运 营：李沅栩