導讀：本文最初發表于政府設計中心（GovDesignHub），主要內容為戰略技術咨詢公司（Strategic Technology Consulting）負責業務增長的副總裁伊萊?威爾遜（Eli Wilson）關于美國國防部（DoD）通過數字工程和數字孿生技術推進其系統發展的深刻見解。通過改進設計、測試和維護程序，數字孿生技術正徹底革新像 F-35 這樣的武器系統，實現了更快速的創新、優化的性能以及更強的供應鏈韌性。

在威脅快速演變的時代，美國國防部必須具備創新性、靈活性，并時刻做好執行任務的準備。要保持領先地位，就需要尖端技術來提高速度、效率和適應性。超越對手的能力不僅取決于強大的火力，還依賴于更智能、更快速的方式來設計、測試和部署關鍵系統。

數字孿生等先進技術正在革新國防行動，實現快速創新、無縫集成和實時適應性。隨著現代戰爭變得日益復雜，采用這些技術不僅是一種優勢，更是一種必然需求。

我們最近與戰略技術咨詢公司（STC，隸屬于 Arcfield 公司，在國防系統工程領域擁有十多年經驗）負責業務增長的副總裁伊萊?威爾遜進行了交流。在討論中，他分享了關于數字孿生的定義、創建方式、對美國國防部的價值，以及一項 7000 萬美元對先進工程設施的新投資如何推動數字孿生技術在國防領域的廣泛應用。

政府設計中心（GDH）：您能否解釋一下，當談到為武器系統和戰機（如 F-35）創建數字孿生時，具體的含義是什么？

伊萊?威爾遜：武器系統或戰機的數字孿生是其物理實體的動態模型，但它超越了靜態模型，通過集成規格、架構和實時數據，并取代過時的紙質文件系統。對于像 F-35 這樣的戰斗機來說，這意味著有一個單一的數字表征，在其中可以獲取關鍵信息，如軟件、安全、網絡安全和機械設計等，以用于模擬、測試和制造。

數字孿生可以為現有系統構建，也可以在設計階段衍生出來。邏輯架構是系統的操作概念（CONOPS）與其物理設計之間的連接。對于 F-35 而言，這意味著以數字方式捕獲所有必要的設計信息，以便開發、操作和維護該飛機。

數字孿生使用來自多個工程學科的數據，形成一個權威的真實數據源（ASoT）。在這個設計真實性的核心是系統模型，它逐層分解功能和架構。在運行數字孿生時，系統模型使我們能夠從宏觀角度評估對系統或任務性能的影響。有用的數字孿生依賴于良好構建的系統模型。

政府設計中心（GDH）：數字孿生的創建如何融入數字工程的更大概念中？數字工程還包括哪些內容？它與武器系統開發中的傳統工程有何不同？

伊萊?威爾遜：在 20 世紀 80 年代，機械和電氣工程從繪圖桌上的手繪原理圖過渡到使用計算機輔助設計（CAD）軟件。這一轉變如同從打字機到文字處理器的變革一樣具有變革性。系統工程也正在經歷同樣的轉變。基于模型的系統工程（MBSE）是數字工程的基礎，它支持數字孿生的構建。

特別是對于復雜系統，存在局部優化某個組件或子系統，卻無意中降低系統或任務性能的風險。在傳統工程中，這些設計偏差通常在集成和測試階段才被發現，此時對預算和進度的影響更大，成本更高。

伊萊?威爾遜表示：“數字工程加速了開發進程，無論是對 F-35 機隊進行調整，還是針對不斷演變的威脅設計新的能力。”

如今，數字系統模型實現了快速的可追溯性和影響分析。例如，在設計階段，可以對每天的配置進行模擬，以測量和記錄性能指標。項目經理可以在指標達成時監督設計的成熟度，并在幾分鐘內而非幾個月內發現問題。

數字工程代表著系統工程以及所有相關學科向統一數字生態系統的轉變。它允許來自各種工具的數據無縫集成，系統工程師協調這個過程，以確保設計與任務保持相關性，并在其生命周期內得到優化。這是從靜態文檔到動態、互聯系統的范式轉變。

政府設計中心（GDH）：為什么美國國防部會希望為飛機和其他武器平臺創建數字孿生？在新系統、設計和應用的開發和測試中，他們如何利用這些數字孿生？

伊萊?威爾遜：遺憾的是，數字化的價值并不總是能清晰地闡述出來，這可能導致效率低下以及對其重要性的困惑。但好處是顯而易見的。數字工程加速了開發進程，無論是對 F-35 機隊進行調整，還是針對不斷演變的威脅設計新的能力。當工程師能夠可視化和模擬設計，而不是依賴靜態文檔時，他們的工作會更快速、更智能。

這也允許在不同的作戰環境中優化系統性能。例如，配備可配置雷達的 F-35 可以利用其數字孿生確定在不同地區執行任務的最佳設置。這種由數字工程驅動的能力實現了基于數據的快速決策，這是紙質方法永遠無法實現的。

伊萊?威爾遜表示：“除了速度之外，數字孿生還能在任務層面優化性能。例如，隨著任務分析更新新信息，F-35 子系統執行的功能可以在更廣泛的作戰背景下進行評估。”

隨著數字孿生變得更加普遍，數字工程將經歷與 20 世紀 90 年代軟件工程相同的轉變：利用經過批準的代碼庫，而不是從頭開始構建所有內容。在模塊化開放系統方法（MOSA）的支持下，數字工程正朝著可重用、經過驗證的數字孿生發展，實現更快速、更模塊化的開發。

除了速度之外，數字孿生還能在任務層面優化性能。例如，隨著任務分析更新新信息，F-35 子系統執行的功能可以在更廣泛的作戰背景下進行評估。數字工具使美國空軍和其他國防部人員能夠評估對整個機隊進行修改的影響，確保任務準備就緒。

同樣重要的是生命周期管理。數字孿生考慮了系統從誕生到退役的整個過程，允許根據生命周期成本和準備情況評估變更，從而實現更好的維護、升級和物流規劃，減少停機時間和成本。由于供應鏈問題而閑置的 F-35 是一種浪費的投資；數字前瞻性確保所有資產保持任務就緒狀態。通過加速開發、優化任務效能和確保長期維持能力，數字孿生對于在全球舞臺上保持戰略優勢至關重要。

政府設計中心（GDH）：數字孿生的創建和使用如何加速制造過程并加強軍事供應鏈？為什么這對美國國防部很重要？

伊萊?威爾遜：當我開始進入政府合同（GovCon）行業時，我看到國防承包商中存在一個普遍問題 —— 隨著退休工程師離開，關鍵知識也隨之流失。公司往往太晚才意識到沒有其他人完全理解關鍵系統，這迫使他們以高昂的成本重新聘請前員工。基于模型的系統工程（MBSE）對于捕獲和轉移這些專業知識變得至關重要，特別是在維持老化但至關重要的國防系統方面。

伊萊?威爾遜表示：“數字孿生能夠實現更快速、更智能的決策，特別是對于文檔有限的老化系統。”

一個明顯的例子是 “滾動彈體導彈”（Rolling Airframe Missile），這是一個美國和德國的聯合項目。雖然該導彈經常更新，但其發射器設計每 15 年才進行一次修訂。在每個周期中，新工程師必須從頭開始重新培訓，這減緩了進展。通過將數字模型作為權威真實數據源，工程師可以自我學習，減少入職時間，并增加對系統修改的信心。

數字孿生能夠實現更快速、更智能的決策，特別是對于文檔有限的老化系統。許多較舊的設計僅以復印副本的形式存在，這使得更新存在風險。通過將這些系統數字化，組織可以保留機構知識，簡化維護，并確保供應鏈韌性 —— 延長關鍵國防資產的使用壽命和適應性。

政府設計中心（GDH）：美國空軍研究實驗室（AFRL）和 F-35 聯合項目辦公室已向賴特 - 帕特森空軍基地（WPAFB）的一個新工程設施投資 7000 萬美元。這項投資將如何加速美國空軍以及整個美國國防部對數字孿生和數字工程的采用？

伊萊?威爾遜：俄亥俄州代頓市長期以來一直是國防資金的主要中心，其在數字化轉型中的作用正在迅速擴大。像 Anduril 這樣的公司與俄亥俄州就業集團合作，正在代頓推動數字化倡議，賴特 - 帕特森空軍基地和代頓大學研究所發揮著關鍵作用。

這種轉型的核心是需要更快的速度、優化系統性能和改善維持能力。F-35 聯合項目辦公室與這一更廣泛的努力保持一致，確保數字化的采用能夠簡化升級、最大化運營效率并提高任務準備就緒性。

伊萊?威爾遜表示：“僅僅連接數字工具是不夠的 —— 成功取決于強大的基于模型的系統工程（MBSE）。沒有可靠的數字孿生，那個數字生態系統將仍然是碎片化的，無法實現其承諾。有效的數字工程依賴于強大的系統工程，而如今的系統工程越來越以模型為驅動。

美國空軍還將其重點從傳統的工程角色擴展到更廣泛的領域，包括項目管理、供應鏈物流和維持物流，形成了一個他們稱之為 “數字物資管理” 的更全面的學科。以前的 “數字工程訓練營” 也已更新為 “數字物資管理學院”，以反映這一更廣泛的范圍。

因此，美國空軍推動數字化轉型最終取決于正確實施系統工程。一旦這個基礎建立起來，更廣泛的數字生態系統，包括數字物資管理，就能夠充分實現其價值，確保美國國防部的長期成功和準備就緒。

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