《数字孪生国防白皮书（2021）》之装备

导读：作为确定数字孪生国防体系的首份报告，《数字孪生国防白皮书（2021）》由数字孪生战场实验室2021年10月1日发布，为便于大家查看及分享，分为多篇文章发在“数字孪生战场”公众号上。

作为数字孪生国防体系的一部分，数字孪生装备改变了传统以“数字样机”为基础的研制方式，它建立了基于数字孪生体的装备数字化研制新范式，大大降低了传统研制中的复杂性，被美国国防部称为数字工程。

经过1年多的探索，工业4.0研究院建立了基于数字孪生靶场的数字孪生装备作战试验鉴定体系，本文作为数字孪生装备的基础，成为必读内容。

从系统工程到数字工程的转变

美国过去50年一直企图推进军事改革，这可以追溯到1986年的“戈德华特尼科尔斯国防部改组法”（Goldwater-Nichols Act），以及1994年的“联邦采办流程化方案”，最近10年的数字工程变革，则源自2009年的“武器系统采办改革法案”（简称“采办改革”），这最终导致了2018年出台了《数字工程战略》，开启了基于数字孪生体的数字工程历史。

在采办改革推出后，为了解决需求僵化、成本进度、测试不足和可靠性等四项挑战，美国国防部采取了多样化的举措，包括2009年提出数字孪生体概念，2010年的“更佳购买力”，2011年设立专门的系统工程部门DASD（SE）……通过动员各个部门出主意、想办法，美国国防部掀起了十年的数字工程转型。

表格 5 系统工程到数字工程转变的历程

2018年10月15日，美国国防部发布指示，对成立7年之久的系统工程部门DASD（SE）动刀，宣布取消这个部门，其部门负责人Kristen Baldwin悄然改换了头衔，她现在是美国国防部战略技术保护和探索（Strategic Technology Protection and Exploitation）的副主任。实际上，在2018年6月发布《数字工程战略》的时候，就意味着该部门的使命已经结束了。

接着发生改变的还有知名的系统工程研究中心，它由史蒂文理工学院负责运行，成立于2008年，迄今获得了1亿美元的资助。系统工程研究中心一直配合DASD（SE）开展系统工程标准体系建设工作，现在为了适应数字工程的需要，史蒂文理工学院在系统工程研究中心原班人马基础上，申请设立了采办创新研究中心（AIRC，Acquisition Innovation Research Center），正式转型数字工程相关工作。

图表 8 数字工程工作小组组织架构

对于又一个10年的数字工程战略，美国国防部成立了数字工程工作小组（DEWG，Digital Engineering Working Group），由原班人马加上一些外包方，构成了包含六个部门的组织体系，这六个部门涉及到数据、生态、安全、实施、知识库和基础设施等，展现了美国国防部对数字工程的认识。跟10年前的系统工程工作不同，数字工程的参与度非常高，涉及到所有军种，而且还有相关领导担任首席工程委员会成员。

从系统工程到数字工程的转变，体现了美国国防部与时俱进的思路。按照美国国防部报告所讲，数字工程比系统工程和基于模型的系统工程的范围要广，后者仅仅是数字工程的一种实现方法。对于数字工程和数字孪生体的关系，答案更为明确：数字工程是基于数字孪生体构建的工程体系。

数字线程驱动的数字孪生体

不少行业人士比较熟悉数字孪生体，但对于数字线程（Digital Thread）感到比较陌生，或者有不小的误解。不少外企为了让数字孪生体跟自身传统业务匹配，采取了削足适履的做法，改变了数字孪生体和数字线程的含义，并采取“数字双胞胎”和“数字主线”等中文名，给大家认识数字孪生体的本质带来了不小的负担。

《数字孪生体》一书对以上现象做了分析，本白皮书不再赘述。数字孪生体作为一种数字模型存在的，它不等同于建模仿真，否则没有必要引入数字孪生体这个概念了。

2021年5月19日，一直参与美国国防部系统工程和数字工程的Philomena Zimmerman回顾了2010年对建模仿真的争论，并结合到数字工程的使命做了很好的阐释。

图表 9 2010年美国国防部对建模仿真的认识

2010年的时候，美国国防部处于说服大家相信数字模型重要性阶段，当时提出了“不用离开电脑就可以实现从概念到生产制造”的愿景，经过10年时间，Philomena Zimmerman指出，通过多方努力形成的数字工程更有前景，它将促使美国国防部转向一个动态的数字工程生态。

随着数字孪生体成为数字工程的可信源，那么任何数字工程都需要建设数字孪生体了。工业4.0研究院认为，数字孪生体具有全局和全生命周期的价值，那么它是如何发挥的呢？

答案藏在数字线程中。传统信息系统交换数据的量并不大，但随着大量的数字孪生模型出现，它们之间需要做大量的可信的数据交换，这不能用传统的方式来实现。为了解决这个问题，NDIA和INCOSE早在2017年就筹建了数字工程信息交换工作小组，其工作目标只有一个：建立数字孪生模型之间数据交换的标准体系。

图表 10 数字线程驱动的数字孪生体数据机制

目前还看不到详细的成果，但从美国空军研究实验室透露的信息来看，通过数字线程来交换数字孪生模型的数据，可以实现研发、认证、后勤、测试验证、预测性维护等场景的应用。

Philomena Zimmerman在2021年的演讲中，对数字工程的通信框架做了介绍，在底层即为数字线程，它的核心目的即为实现数据机制，保证各种数据有效交换、流动和分享。据工业4.0研究院观察，波音公司采用了类似的体系，构建了自身的基于模型的工程，以满足复杂工程建设需要。

建设数字工程采办体系

除了2013年AFRL机身数字孪生体项目以运行维护为目标，后续的数字孪生体研究工作主要体现在装备系统的研制和采办，这一点在美国国防部的数字工程体系定位非常清晰，数字孪生体就是所有工作开展的可信源，不管是研制还是采办，都需要基于数字孪生体来推进。

从2021年更新的《美国国防采办指南》来看，还没有体现数字孪生体的地位，这很容易理解，毕竟《数字工程战略》刚刚发布两年多时间，数字工程工作小组受到疫情影响，才刚刚恢复基础的工作，NDIA和INCOSE正在推进数字工程信息交换工作小组的进度还不够快。

数字工程工作小组负责人Philomena Zimmerman在2020年6月曾经发了一份简讯，对数字工程要改革的要点进行了说明：

• 痛点（Pain Points）。数字工程工作小组变革的核心就是解决痛点，这将通过数字工程实践中总结提炼其痛点。

• 数字工程工作小组改革。目前建立了4个“老虎团队”（Tiger Team），分别是网络、数字生态、数据和基础设施。基础设施是为了响应2020年国防预算法第231节的要求。

• 数字工程指标。采用系统工程研究中心的结论。

• 数字工程竞争模型。这个模型由系统工程研究中心制定，主要解决美国国防部的数字工程所需要的知识、技能、能力和行为等。

• 数字工程知识库。美国国防部USD（R&E）负责。

• 数字工程认证。美国国防大学负责相关认证工作。

• 数字工程信息交换小组。NDIA和INCOSE正在开展相关工作，主要建立数字孪生体的交换机制。

美国政府问责局在2009年美国国防部开展采办改革的时候，配合做了一份报告，指出2008年美国国防部96个大型武器采购合同有70%都出现超支情况，解决成本不可控问题是数字工程的使命，同时也是引入数字孪生体的根本原因。

表格 6 美国海陆空天军的数字工程情况

美国国防部2019给国会汇报的资料显示，F-35和洲际导弹等重大装备研制已经全面实现了采办的数字孪生化，开始体现采办改革设定的目标。根据工业4.0研究院的分析，美国陆海空天军围绕数字孪生体和数字线程的应用，已经开展了试点示范，进入了推广应用的阶段，特别是美国空军，已经明确提出了数字世纪系列，要求按照型号系列来开发装备系统。

在2021年的演讲中，Philomena Zimmerman多次提及一系列军中的示范案例，展示数字线程驱动的数字孪生体应用案例，同时强调数字工程转型势在必行，这是充分发挥数字孪生国防的成本和灵活性的最佳途径。

引用：

工业4.0研究院.数字孪生国防白皮书（2021）. 2021.10.1

China Academy of Industrie 4.0. Digital Twin Defense Whitepaper 2021. 2021.10.1