本文來自微信公眾號“數(shù)字化老兵”，作者/數(shù)字化老兵aloha。
在裝備研發(fā)領(lǐng)域，“數(shù)字工程”是個熱門名詞，它最早由美國國防部2018年在其“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”中提出。數(shù)字工程戰(zhàn)略旨在推進(jìn)數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，將國防部線性、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移。具體可以參考中航工業(yè)劉亞威老師的《美國國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略解讀》。
在本文，我們結(jié)合之前的文章，從數(shù)字模型、仿真和數(shù)字孿生這幾個高頻詞匯出發(fā)，談?wù)剬λ鼈冊谘b備數(shù)字工程中的作用及相關(guān)關(guān)系的認(rèn)識。
一、數(shù)字模型
對于具體的業(yè)務(wù)活動，數(shù)字模型是以“業(yè)務(wù)活動步驟化”、“步驟環(huán)節(jié)要素化”、“要素?cái)?shù)據(jù)規(guī)格化”為代表業(yè)務(wù)數(shù)字化的結(jié)果，既包括步驟、要素和數(shù)據(jù)，又包含了蘊(yùn)藏在其中，以知識數(shù)字化為代表的業(yè)務(wù)規(guī)則（詳見《數(shù)字化轉(zhuǎn)型企業(yè)的業(yè)務(wù)引擎——知識數(shù)字化》）。
對于企業(yè)實(shí)體或其他復(fù)雜業(yè)務(wù)對象如高端裝備，數(shù)字模型包括兩部分：一是橫向業(yè)務(wù)拆分，對于企業(yè)實(shí)體，就是企業(yè)的業(yè)務(wù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)板塊和流程體系；對于高端裝備，就是裝備的幾何組成、功能結(jié)構(gòu)；二是對應(yīng)末級流程的具體業(yè)務(wù)活動數(shù)字模型，也就是業(yè)務(wù)數(shù)字化。對于企業(yè)業(yè)務(wù)，就是末級流程的步驟、表單和數(shù)據(jù)；對于高端裝備，就是裝備組件或模塊級的時序活動步驟、接口輸入輸出時序指標(biāo)和數(shù)據(jù)。
數(shù)字模型示意圖
對于模型的運(yùn)用，可以參考《“以數(shù)據(jù)為中心的業(yè)務(wù)變革”之三種范式》中提出的：1.以數(shù)字看板為代表的“系統(tǒng)數(shù)字化、規(guī)則模擬化，模型驅(qū)動業(yè)務(wù)”；2.以數(shù)字工程為代表的“系統(tǒng)數(shù)字化、規(guī)則模擬化，模型和業(yè)務(wù)相互驅(qū)動”；3.以消費(fèi)行業(yè)對于大數(shù)據(jù)和人工智能有效應(yīng)用為代表的“系統(tǒng)數(shù)字化、規(guī)則模擬化，模型和業(yè)務(wù)相互驅(qū)動”三種應(yīng)用范式。
二、仿真推演等仿真方法
仿真運(yùn)算和仿真方法，從對數(shù)字模型的運(yùn)用角度，屬于《“以數(shù)據(jù)為中心的業(yè)務(wù)變革”之三種范式》中的第二種范式。其優(yōu)點(diǎn)是：1.相比完全依賴實(shí)體驗(yàn)證，可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)和時間；2.對仿真運(yùn)行的步長、時長和要素條件進(jìn)行控制，可以開展試驗(yàn)和預(yù)測，提供決策輔助。適合通過仿真推演方式使用數(shù)字模型的場景有以下特點(diǎn)：業(yè)務(wù)規(guī)則復(fù)雜，具備一定程度的不確定性和不可預(yù)見性，很多時候需要借助試驗(yàn)的方式來推動業(yè)務(wù)開展。
開展仿真推演的前提是：1.業(yè)務(wù)的數(shù)字模型在業(yè)務(wù)關(guān)注的角度對實(shí)際業(yè)務(wù)的模擬程度高度逼真；2.對于業(yè)務(wù)的數(shù)字模型所處的環(huán)境也需要開展數(shù)字建模，從業(yè)務(wù)關(guān)注角度，環(huán)境模型應(yīng)當(dāng)與實(shí)際業(yè)務(wù)所處環(huán)境高度相似。
三、數(shù)字孿生
數(shù)字孿生的根本目的是利用模型與實(shí)際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r交互，增強(qiáng)模型的逼真度并提高仿真運(yùn)算效率。1.著重仿真場景的構(gòu)建，數(shù)字孿生和仿真方法分不開，沒有仿真就談不上數(shù)字孿生；2.數(shù)字孿生除了“數(shù)字”，還有孿生。這個孿生一方面是指模型和業(yè)務(wù)實(shí)體的雙向數(shù)據(jù)實(shí)時交互，另一個方面是指模型或模型集合對業(yè)務(wù)實(shí)體全生命周期的連貫?zāi)M。
四、對數(shù)字工程發(fā)展的預(yù)測
我們從數(shù)字模型、仿真推演和數(shù)字孿生角度，對數(shù)字工程的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測：
第一階段，在裝備全生命周期各階段普遍建立并單獨(dú)使用數(shù)字模型
在裝備立項(xiàng)論證、裝備研制、試驗(yàn)鑒定、批量生產(chǎn)、持續(xù)改進(jìn)各階段建立數(shù)字模型并以《“以數(shù)據(jù)為中心的業(yè)務(wù)變革”之三種范式》中的模型和數(shù)據(jù)使用方式，分別推動相關(guān)業(yè)務(wù)變革，在各業(yè)務(wù)階段內(nèi)部實(shí)現(xiàn)降本增效。
數(shù)字工程第一階段示意圖
如需求分析階段的裝備使用場景概念驗(yàn)證仿真試驗(yàn)是利用系統(tǒng)級的功能模型和使用環(huán)境數(shù)字模型開展的；研發(fā)設(shè)計(jì)階段基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）設(shè)計(jì)以及利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）手段實(shí)現(xiàn)基于模型的物理設(shè)計(jì)與仿真，是利用分系統(tǒng)級的幾何模型開展的；試驗(yàn)驗(yàn)證階段的基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬性能測試，是利用組件級的裝配模型和專業(yè)工程模型開展的；在生產(chǎn)制造階段，以增材制造（3D打印）為代表的數(shù)字化制造，是基于模塊級的制造模型開展的；到了實(shí)際使用階段，通過將裝備在實(shí)際使用場景中的狀態(tài)監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回傳，利用裝備的維修維護(hù)數(shù)據(jù)智能模型開展仿真運(yùn)行，對裝備使用過程中的故障進(jìn)行預(yù)測，開展預(yù)測性維護(hù)。
在數(shù)字工程第一階段中，模型是工具，核心主線還是業(yè)務(wù)邏輯，各模型群依靠業(yè)務(wù)主線串接起來成為一個邏輯整體。
第二階段，裝備全生命周期各階段不同數(shù)字模型之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通
在第一階段基礎(chǔ)上，將運(yùn)用于不同階段的獨(dú)立的數(shù)字模型進(jìn)行互聯(lián)互通互操作改造，或通過一致化的方法統(tǒng)一重新建模，通過業(yè)務(wù)上下游不同模型間數(shù)據(jù)的正向流動和逆向反饋，獲取跨階段的模型應(yīng)用價值和效益，逐步改變裝備全生命周期各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)模式。
數(shù)字工程第二階段示意圖
在這一階段，裝備立項(xiàng)論證、裝備研制、試驗(yàn)鑒定、批量生產(chǎn)、使用中持續(xù)改進(jìn)等各階段的業(yè)務(wù)流程和控制要素和第一階段大體一致，但不同階段的數(shù)字模型已開始跨階段發(fā)揮作用。例如在裝備的使用場景和功能運(yùn)用定位發(fā)生變化的情況下，系統(tǒng)級功能模型在參與概念驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的同時，將有關(guān)模型參數(shù)傳遞給下一階段模型開展基于模型的系統(tǒng)工程需求分析和設(shè)計(jì)，并依此向下傳遞至幾何模型、裝配模型和制造模型，通過各環(huán)節(jié)模型的仿真運(yùn)行，對裝備概念的設(shè)計(jì)可行性、裝配可行性和制造可行性進(jìn)行預(yù)先驗(yàn)證，降低裝備研發(fā)風(fēng)險。
又例如在裝備研制的功能和性能試驗(yàn)階段，由實(shí)際物理試驗(yàn)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)對相應(yīng)的裝備數(shù)字模型進(jìn)行修正，相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)介入仿真運(yùn)行，并根據(jù)仿真結(jié)果依次逆向反饋至上層的裝備裝配模型、幾何模型和功能模型，從而可以利用上述模型的仿真運(yùn)行，對裝備集成過程、設(shè)計(jì)過程和概念驗(yàn)證過程進(jìn)行再次檢查，利用下游階段的驗(yàn)證結(jié)果對上游階段的工作效果進(jìn)行確認(rèn)，及時發(fā)現(xiàn)上游階段存在的問題隱患。
第三階段，以數(shù)字模型的集成應(yīng)用促體系變革
數(shù)字工程第三階段示意圖
在第二階段基礎(chǔ)上，將各階段獨(dú)立的數(shù)字模型進(jìn)一步集成為邏輯層面上下游一體化的裝備全生命周期數(shù)字模型，并在各階段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下游縱向互通，以及模型與實(shí)際業(yè)務(wù)或裝備實(shí)體的橫向數(shù)據(jù)互通，以數(shù)字模型的集成應(yīng)用反向促進(jìn)裝備全生命周期業(yè)務(wù)流程體系的整體性變革，以模型為中心，仿真為引擎，孿生為保障，建設(shè)以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，完成從線性、以文檔為中心的裝備全生命周期管理模式到以模型和數(shù)據(jù)為核心管理模式的范式轉(zhuǎn)移，業(yè)務(wù)需求變化的敏捷響應(yīng)。
