NAVAIR探索“数字工程”的过程和相关成果

2013 年，NAVAIR通过系统工程研究中心 (SERC，Systems Engineering Research Center) 发起一项计划，探索彻底改造系统工程和采购实践的技术可行性，引入数字孪生体和数字线程的新工程方法。这项工作的成功，为美国国防部数字工程战略（DES，Digital Engineering Strategy）提供了很好的探索经验。

史蒂文斯理工学院和麻省理工学院参与了相关工作，依托SERC开展了两个阶段的研究，分别为第一阶段（2013-2016）和第二阶段（2016-2018），按照相关论文介绍，这是NAVAIR开展数字工程探索的主要研究。

通过邀请行业、政府和学术界代表讨论“您使用或见过使用的最先进和最全面的模型为中心的工程方法”，开启了第一阶段工作，讨论集中在当时最先进的模型为中心的工程，包括概念，包括基于模型的工程、模型为中心的工程、以模型为中心的集成工程、以模型为中心的交互式系统工程 、模型驱动开发、模型驱动工程和基于模型的企业。

所有人的共同特征是专注于使用数字孪生模型代替更传统的静态工程工件和文档。

研究人员对不同部门之间模型为中心的工程现状达成共识。这种共同的理解对于数字工程至关重要，美国国防部将其定义为“一种集成的数字方法，它使用系统数据和模型的权威来源作为跨学科的连续统一体，以支持从概念到处置的生命周期活动。”

在研究第二阶段，SERC确定了数字工程与系统工程的主要差异：

(1) 通过单一信息源进行持续洞察/监督需要在系统生命周期中的所有利益相关者之间共享数据，从而消除对纸质合同数据需求列表工件和大规模设计审查的需要。

(2) 在使用基于集合的设计和多学科设计、分析和优化进行完整物理系统开发之前，设计已在模型中集成和验证。

(3) 使用来自单一信息源的持续反馈执行任务有效性优化。

(4) 需求变得可交易以增强关键性能参数。

美国国防部主管系统工程的DASD(SE) 为数字工程确定了五个目标：

目标 1. 将模型的开发、集成和使用形式化，为企业和项目决策提供信息。

目标 2. 提供持久的权威真相来源。

目标 3. 融入技术创新，改善工程实践。

目标 4. 建立支持性基础设施和环境，以在利益相关者之间开展活动、协作和沟通。

目标 5. 转变在整个生命周期中采用和支持 DE 的文化和劳动力。

通过推进数字工程，美国国防部确定了其中的好处。2016年5月，由SERC举办了数字工程研讨会上，明确指出了数字工程的好处，即改进采购、提高效率和效果、改善沟通和全局性解决方案，这实质上是数字孪生体和数字线程的价值。

我们来回顾一下通过“数字工程”改造系统工程方法的过程。

SERC在探讨最先进的基于模型的系统工程（MBSE，Model-Based Systems Engineering）话题时，发现MBSE定义不够广泛，无法定义研究目标，因为MBSE仅仅包含模型，但对于更为广泛的数字技术问题，它难以涵盖。系统工程研究中心做了29次访谈、31次工作会议和主题研讨会，

MBSE的难点非常明显，为模型相关的物体开发一个通用词典，包括模型类型、级别、用途、表示、可视化等。语焉不详和各说各话的术语阻碍了MBSE的应用，为了解决这个问题，SERC开发了一个包含 700 多个分类和定义的“模型”相关术语的词典。

在研究过程中，SERC确定了引入数字孪生体的风险：一是建模缺陷会引入风险，但可以通过建模降低风险；二是采购和模型使用中对不确定性量化进行建模。

参与SERC调研项目的专家表示，“如果随着建模和仿真的使用场景越来越多，将更加依赖数字工程，我们应该知道模型或仿真用于评估‘性能’是否具有所需质量水平，以保证预测工作的准确性，即我们可以信任模型吗？”

随着数字工程研究工作的发展，2016年开展了武器装备的应用研究。

NAVAIR和SERC的研究发现，驱动数字工程工作的关键因素是全生命周期的应用，但这也是数字工程推进中的最大挑战。

一般情况下，在集成和测试期间会出现跨学科影响，这通常在生命周期的后期，其更改代价非常高。及时发现问题是数字工程的价值所在，这需要研发新的工具。SERC开展了相关调查工作，发现问题都在数据，例如，数据交换、数据分析、数据一致性和完整性等。

解决数据问题涉及到本体，本体是具有关联关系的域的语义概念化。本体目前的优势是可以用标准语言OWL来表示，它允许使用开放的标准工具来存储、更新、删除、查询和推理一致性和完整性数据的。当前的研究继续研究用于支持 单一数据源的数字工件的工具无关开发和管理的语义技术。

语义技术在生物学等其他领域的成功已经证明了其推进实践的能力。本体论通过允许研究人员快速查找和比较来自多个来源的数据来加速基因发现。这个结果类似于数字工程生态系统中所期望的结果，通过允许工程师方便对数据进行处理来加速系统的演进。

数字工程另一个挑战是模型的完整性，即在模型和模拟预测中建立和获得信任。多个研究数字工程的团队认为，“信任”模型和验证模型仍然是一个巨大的挑战。模型的完整性跨越多个数字工程目标，因为它允许可信决策在单一信息源中提供权威信息。

这就需要解决一下问题：

(1) 哪些模型评估系统性能，哪些模型评估系统完整性？这些类型的模型如何验证其受人尊敬的评估？

(2) 当情况涉及未集成的模型的联合时，如何实现“完整性”？

(3) 我们如何通过交易空间分析、概念工程以及架构和设计分析，通过模型和迭代细化实现连续的分层和垂直流动？

麻省理工学院正在探索实现基于模型决策的各个维度，案例演示方法已被用于研究不确定条件下的模型交互和选择，以解决研究问题“交互式模型交易如何启用弹性系统决策？” 研究结果表明，在涉及信息不完整和不确定的情况时，模型交互方法是有效的。

数字工程提供了一种新的可能性，麻省理工学院提出，“怎么能在可视化分析中对涉及的复杂性和大量数据的系统决策？” 它探讨了使用交互式可视化，以提高在替代上下文现有的交互空间探索的分析方法。数字工程具有交互式可视化的潜力，因为之前的可视化分析的研究具有表明，执行探索分析，能改善和接近较优的分析结果。

2016年3月，NAVAIR启动了工程改造工作，采用层状增量开始方法，即不断发展的研究，技术和劳动力技能注入试点方案。这项研究提供了能力分析的体系，建立了对跨专业模型集成，模型的完整性，建模方法等。

早期的系统验证和确认是解决集成问题的关键。数字工程框架允许在整个生命周期中使用权威数据，从而限制或消除集成事件中的互操作性和集成问题，实现早期验证和验证。权威数据的概念是，一旦一条数据进入单一信息源，它会根据该特定类型数据的规则进行检查，并且还会自动检查多个级别的完整性和一致性，例如整个系统中一致的度量单位特定参数或一组参数并针对要求。在单一信息源中发现的任何数据问题都将被自动识别并通知用户/利益相关者。

通过与行业的多次会议，这一概念已被社会化，以解释新型合作的概念，并从技术和社会技术的角度评估对 NAVAIR 的影响。通过这种社会化和持续研究，数字工程概念正在得到完善，以纳入和实现数字工程转型的潜力。

众所周知，新技术或方法的成功推广必须有策略和计划。数字工程策略是这项研究工作的一部分，并且正在促进模型的规范使用，包括模型级别、模型类型以及政府模型之间的概念边界等。这反映了“初始系统模型”（也称为采购模型），它是招标书“要求”的一部分，承包商在选择来源期间将其详细阐述为“最终系统模型”。

新运营模式背景下的一个相关目标是用持续事件驱动和使用数字工程信息进行客观评估。向数字工程转型将需要某种新的客观决策框架，以评估整个生命周期中不断发展的设计成熟度，同时考虑核心指标的价值、风险和不确定性。

未来的一个关键研究问题是：“单一信息源捕获了什么，可以提供对不断发展/成熟的设计的洞察力，以便提供有效的洞察力/监督？”

在麻省理工学院进行的一项单独的研究任务的动机是未来的数字工程环境，包括支持基础设施，将需要专门的领导和能力。数字信息和新的数字系统模型将成为未来设计和发展系统的基础，推动模型作为资产的重要性，并需要改变与模型相关的政策和实践。

向数字工程转型的道路带来了技术和社会技术方面的挑战和机遇。数字工程环境的建模基础设施是启用 单一信息源的关键步骤，有许多工具可用，目前还没有确定单一的工具或联合解决方案，无论是自制的还是商业的，可以跨越整个系统生命周期。

作者：汪丁丁，翼络数字国防工作小组分析员