《数字孪生国防白皮书》之一：数字曼哈顿计划

导读：作为翼络数字国防工作小组2021年重大项目，《数字孪生国防白皮书》预计2021年10月16日发布，计划在数字孪生战场公众号发布系列分析文章，展望数字孪生国防发展之前景。本文为第一篇文章。

自DARPA于2009年提出数字孪生体概念之后[1]，美国空军研究实验室、史蒂文工程学院以及系统工程研究中心等机构开展了系列工程验证工作。认识到数字孪生体工程的复杂性，阿诺德空军基地的Timothy West和史蒂文工程学院的Mark Blackburn联合写了一篇文章[2]，称数字孪生体工程是美国国防部最新的曼哈顿计划，为了跟传统的原子弹工程区分开来，工业4.0研究院称之为“数字曼哈顿计划”（DMP，Digital Manhattan Project）。

回顾原子弹曼哈顿计划，美国陆军部于1942年6月开始实施利用核裂变反应来研制原子弹，集中了西方国家最优秀的科学家，动员了10万多人参与这项工程，花费了20亿美元，但仅仅用了3年时间就实现了原子弹制造计划。这应该归功于系统工程的思路起到了关键作用， L.R.格罗夫斯和R.奥本海默负责原子弹曼哈顿计划的实施，采用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。

这正是上述文章作者希望表达的含义，数字曼哈顿计划正是为了改造系统工程，需要集中优秀的科学家参与，其代价显然不低于原子弹研制的花费，但经过了7年时间，数字孪生体工程的可用性仍然存在不同看法。即便如此，美国国防部负责系统工程的DASD（SE）延续2011年成立时的使命，在2018年发布了《数字工程战略》报告，开启了基于数字孪生体的数字工程时代。

值得读者关注的是，负责系统工程的DASD（SE）在宣布了《数字工程战略》之后，该部门就不再独立存在了，其相关职能进入了重组后的USD（R&E）部门，这是原USD（AT&L）拆分后专门负责研究和工程的部门。DASD（SE）的撤销，意味着美国系统工程普及工作进入了新阶段，通过设立DASD（SE）和系统工程研究中心等，美国国防部大部分部门掌握了系统工程方法，而且经过大量工程师的努力，还成功建立了基于数字孪生体和数字线程的数字工程体系，这大大简化了系统工程的应用难度和成本。

图表 1 不同战斗机的代码行数的预测值

传统工业工程软硬件比例符合二八原理，即软件占比只有20%，但随着工业数字化的深化，软件占比已经在装备中呈现几何级数的增长，使得现代工业工程软硬件占比开始倒置，也就是软件占比从20%向80%转变，这给软件工程带来了巨大的挑战。如何解决软件工程复杂度增加的事实，这成为过去20多年的难题。

美国国家科学基金会、NASA和DARPA以及麻省理工学院和卡耐基梅隆大学等为了解决软硬件二八原理倒置的挑战，提出了大量的概念和方法论，但从近期的各种趋势来看，DARPA提出的数字孪生体已经得到各家单位的认同，开始基于数字孪生体来重构软件工程方法，例如，卡耐基梅隆大学的软件工程中心，开发了物理系统补偿的数字孪生开发方法。

展望国防技术发展的趋势，新型的系统工程或数字工程将改变传统的装备研制、制造和应用，谁能率先实现数字工程技术生态的构建，就有可能赢得这次数字曼哈顿计划。

跟80年前的原子弹曼哈顿计划不同，数字曼哈顿计划不是实现科学大工程，它不是传统科学原理的进步，而是工程技术的重大突破，成本和周期将是数字孪生体工程最引人入胜的优点。能不能在更短的周期中实现武器装备新型号的研制，并能够在更低的预算内完成，将是决定大国竞争战略能否实现的关键要素。

作者：吴海军，翼络数字国防工作小组分析员

[1] 请参考《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》一书的介绍。

[2] 该论文的题目为：Is Digital Thread/Digital Twin Affordable? A Systemic Assessment of the Cost of DoD’s Latest Manhattan Project，发布时间为2017年10月。