美国空军如何克服数字转型障碍的？

导读：为了深入理解数字工程，工业4.0研究院围绕“数字空军”，开展多方位的梳理分析，计划撰写100篇文章，发布在“数字孪生战场”公众号。本文是第7篇文章，介绍美国空军数字转型的小故事。

当美国空军和诺斯罗普·格鲁曼公司在 1950 年代中期开发 T-38 教练机时，他们缺乏数字工程工具。在开发过程的早期，没有先进的飞机设计虚拟模型，也没有高速计算技术来测试空气动力学特性。

七十年间发生了很多变化。

当该服务部门在 2018 年授予波音 92 亿美元的合同，用 T-7 红鹰替换老化的训练机时，该公司决定严重依赖新的设计和制造技术，使该项目成为数字工程潜力的典型代表。

从一开始，波音就使用先进的制造和数字建模工具来改进其设计和测试 T-7 的方式。该程序没有将飞机模型送到风洞进行早期测试，而是使用高速计算，将通常的概念到设计过程缩短了大约九个月。借助早期的数字设计，该计划的工程师及其生产和飞行团队可以更好地协作并预测问题，从而减少返工的需要。

总而言之，波音公司估计其对虚拟模型和 3D 工具的使用将装配时间缩短了 80%，并将软件开发所需的时间减少了一半。

美国空军在其他主要项目上也取得了类似的胜利，包括将取代民兵 III 洲际弹道导弹的哨兵项目，以及在 A-10 攻击机上安装新机翼的努力。这些成功至少在一定程度上是五角大楼 2018 年推动通过建立数字基础设施、正式在各军种中使用基于模型的系统工程以及进行刻意的文化变革以促进创新来实现采办和维持流程现代化的结果。

孤立的组织结构和资金流程使空军难以将 T-7 等项目的经验教训传递到其更广泛的项目组合中。并非所有采购办公室都有资金购买必要的软件工具，而僵化的政策会使长期持有的流程更难过渡。

2020 年，该服务发起了一项名为“数字战役”的计划，以实施这些转变。虽然这项工作有助于为服务内部的变革建立动力，但它缺乏一个全职、敬业的团队。因此，去年夏天，美国空军成立了数字转型办公室，以应对伴随着向新作战方式转变的一些挑战，同时也统一了空军的数字整合工作。

数字转型办公室负责人凯尔·赫斯特表示，他的团队在第一年的时间里专注于确定项目办公室在尝试适应传统流程时面临的障碍，并在整个收购企业中寻找解决这些问题的方法。

赫斯特在 8 月 19 日的一次采访中说：“追求这一目标有着巨大的热情和动力。” “路上还有大量的障碍和障碍。”

赫斯特对成功实施数字工程的项目办公室的成功表示赞赏，并指出该方法帮助 A-10 团队将其重新飞行的时间表缩短了一年，并使哨兵项目能够在收购初期优化和完善其设计过程。

但是，他说，必须在整个服务范围内扩展和应用积极的进展。

“应该让美国空军感到沮丧的是，它发生在A计划中，没有其他人可以利用这种好处，”他说，“我们的主要任务是：我们如何才能获得这些经验教训，他们正在使用的那些工具，并真正在整个采购社区中扩展它们？”

当美国空军在 2020 年 9 月启动其数字战役时，它发布了一份 19 页的文件，其中提出了将其开发、生产和维持活动转移到数字模拟、互联环境中的愿景。这篇题为“没有勺子：新的数字采集现实”的论文在很大程度上依赖于对黑客帝国的引用，这是一部 1999 年的科幻电影，描绘了一个模拟现实，并配有虚幻的器具。它描述了该服务所谓的“军事技术主导地位的下一个重大范式转变”。

“在设计、工程、软件、制造、测试和维护方面，类似矩阵的模拟现实主义正在发生：组件和流程渲染得如此逼真，它们成为现实的数字孪生体，”该文件称，“就像电影一样，这意味着我们可以在这些虚拟环境中学习东西，并将学习转移到现实世界中。”

赫斯特将通往未来的道路描述为 20 年的旅程。而今天，该服务仅推出了大约两年。早期的愿景有助于优先考虑美国空军内部的数字工程，但仍有许多基础工作需要进行，以确定该服务将如何到达那里。

赫斯特说，尽早定义长期路径是一项挑战，尤其是在数字转型办公室仍在了解服务的需求是什么以及这些需求如何在各个项目中发挥作用的情况下。

“该路线图以及我们在如何预算以及如何按计划如此孤立地进行斗争。即使在我们的水平上，我们仍然非常了解当我们沉浸在计划中时该路线图需要看起来像什么。”赫斯特解释道。

当项目官员和承包商要求办公室提供详细的路线图时，他通常会强调需要可靠、灵活的融资机制、基础设施和数字工具。

由于数字转型办公室仅存在一年，并且仍在阐明其长期路线图，因此它一直在努力为其数字采购计划争取企业级资金。相反，资金由各个项目办公室根据其资源以及他们如何优先考虑数字工程进行预算。

“Sentinel 程序有一个非常好的软件工具缓存，他们可以使用这些工具进行开发，”赫斯特说，“很多其他资金不充足的项目都没有。”

美国空军装备司令部负责人杜克·理查森将军在 8 月 11 日于俄亥俄州代顿举行的生命周期工业日会议上向记者承认，有一种“付费游戏”模式，该模式优先考虑为数字资金提供资金工具是受益者。

他说，该司令部的意图是数字工程及支持它的工具成为“业务自然过程的一部分”。

数字转型办公室提倡的一种解决方案是创建一个基于云的生态系统，该生态系统将托管工具，根据他们的需求将它们提供给项目办公室。赫斯特说，该办公室正在与位于马萨诸塞州汉斯科姆空军基地的空军指挥、控制、通信、情报和网络局合作，为这些工具建立一个可访问的中央枢纽。

该办公室还在努力改变购买新软件工具的审批流程。今天，如果项目办公室想要获得批准供政府使用的新软件，它最终会经历超过 18 个月的过程。赫斯特说，通常会在团队等待确认继续推进时发布软件的新版本。

数字转型办公室建立了一个团队来绘制该流程并确定改进它的方法。

其中一个问题源于每个空军基地在不同的网络上运行，是用于获取软件的众多批准机制。但现在美国空军在单一网络上运作，赫斯特说，与其拥有 109 个基地和同样多的审批程序，美国空军应该将这一权力整合到少数专注于采购的设施上，这是有道理的。

赫斯特说，该办公室正在计划进行试点工作，以更好地了解当前的审批需求，创建一个遵守这些政策的框架，并展示一种更简化的方法。

虽然数字工具和流程可以提高效率并缩短项目进度，但能够在数字环境中模拟飞机可以从根本上改变空军设计和测试系统的方式。数字复制品可以帮助程序了解系统组件如何在模拟环境中交互和运行，从而在程序早期降低风险，然后再进入物理测试阶段。

根据美国空军生命周期管理中心的高级执行官和技术顾问克里斯托弗·加勒特的说法，这种基于模型的系统工程方法是快速发展的关键推动力。

加勒特在 8 月 19 日的一次采访中说：“你可以通过确保你不会错过差距并且不会走上一条死胡同的道路来快速前进。” “这非常重要，因为我们一直在走不成功的道路。我们不能这样做。”

随着越来越多的项目开始使用基于模型的系统工程，数字转型办公室正在对员工进行建模软件培训。加勒特说，虽然美国空军装备司令部 89,000 名人员中的大多数人不会成为建模专家，但目标是转变司令部的文化，使人们对如何使用这些系统有一个基本的了解。

美国空军正在使用数字建模来开发新飞机并升级现有系统，例如 B-52。这架在 1950 年代投入使用的传奇轰炸机正在配备新发动机、现代雷达系统和一系列其他增强功能，美国空军预计它们将使其飞行到 2050 年代。

指挥部 B-52 部门的高级物资负责人路易斯·鲁塞塔上校在 8 月 10 日生命周期工业日会议的简报会上告诉记者，访问 3D 模型有助于该计划维持其时间表并预测未来的集成问题。

鲁塞塔说他无法预测建模工具是否会缩短项目的进度，但他可以通过在开发过程的早期发现问题来确认它有助于降低风险。

“当你更早发现问题时，你有更长的时间来解决它们，你可以更快地恢复，而不是在其他程序中出现的后期问题，”他说。