數(shù)字工程與使命工程一樣，都是近些年產(chǎn)生的新概念，但不是新事物。眾所周知，工程一詞的通識性定義，是將自然科學(xué)的原理應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中而形成的綜合運用方法的總稱。這里包含兩個核心要素：第一，工程具有一個實踐的目標(biāo)（工件或產(chǎn)品）；第二，工程包含某種應(yīng)用科學(xué)知識和技術(shù)手段，從而有組織地通過一群人將某個（或某些）現(xiàn)有實體（自然的或人造的）轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價值目標(biāo)的過程。

各種工程概念通?；蚨嗷蛏俣俭w現(xiàn)了上述兩個要素。例如：軟件工程中產(chǎn)品為軟件，隱含手段是各類標(biāo)準(zhǔn)化流程，比如瀑布、螺旋等研發(fā)模式；體系工程中產(chǎn)品為體系組成方案或系統(tǒng)之系統(tǒng)，隱含的技術(shù)手段包括美國國防部體系架構(gòu)框架（Department of Defense Architecture Framework， DoDAF）六步法以及體系結(jié)構(gòu)開發(fā)方法（Architecture Development Method， ADM）等；“模型驅(qū)動的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering， MBSE）”中產(chǎn)品為一個系統(tǒng)，它顯式地把模型作為技術(shù)手段提出來。但數(shù)字工程稍有不同，它把系統(tǒng)的全生命周期各階段產(chǎn)品作為目標(biāo)對象，期望用相應(yīng)的工程手段解決這些產(chǎn)品對象如何開發(fā)或得到的問題。

數(shù)字工程的載體是數(shù)字模型，可以理解為傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的數(shù)字化設(shè)計、實現(xiàn)與應(yīng)用的集合^[1]。而其管理過程則從業(yè)務(wù)和使命分析流程開始，貫穿用戶需求和系統(tǒng)需求分析，進入總體設(shè)計、制造與交付，直至最后的運用流程^[2]。數(shù)字工程進一步強調(diào)，在該過程中用于形成這些目標(biāo)對象的手段必須具備數(shù)字化特征：依托于實體相對應(yīng)的、經(jīng)過規(guī)范處理的模型。

數(shù)字工程不是新事物，它所涉及的內(nèi)容，其實從美國國防部發(fā)布JCIDS^[3]標(biāo)準(zhǔn)以來，就一直是全生命周期裝備研制過程的一部分，下面以圖1為例進行解析。

圖1　美國國防部裝備生命周期示意圖^[3]

Fig.1　Equipment’s life cycle diagram of DOD

2.1　1個核心：權(quán)威真相源

數(shù)字工程的核心在于構(gòu)建一個貫穿系統(tǒng)全生命周期的權(quán)威真相源。構(gòu)建權(quán)威真相源的目的是保證每個階段的設(shè)計結(jié)果都有來源（或者稱為設(shè)計過程視圖支持），并且各階段各類模型數(shù)據(jù)在各類線程任務(wù)上都能建立追溯關(guān)系，經(jīng)得起權(quán)衡分析和評估。權(quán)威真相源的內(nèi)容包含業(yè)務(wù)模型（圖2模型分類中的綠色部分）和管理模型（圖2模型分類中的紫色部分）。其中，管理模型大部分以設(shè)計、評審、測試和評估等任務(wù)的形式串聯(lián)存在，用于組織和管理業(yè)務(wù)模型，所以也被稱為“數(shù)字線程”，這是1個計算機學(xué)科術(shù)語，國內(nèi)的翻譯方式也有稱數(shù)字主線、數(shù)字主螺旋等^[9]。但從不同任務(wù)特性來看，有的存在于1個階段內(nèi)從定性到定量過程中，有的存在于各階段的追溯影響分析中，筆者認為稱其為數(shù)字線程更合適，因為這些任務(wù)的全部集合相當(dāng)于系統(tǒng)的完整生命周期，類似于另一個計算機領(lǐng)域的術(shù)語“進程”。

權(quán)威真相源于使命、體系和系統(tǒng)各階段的模型是以架構(gòu)模型為中心的^[10]，由它引出從定性設(shè)計到定量驗證優(yōu)化再到方案評估的全過程。其中，使命工程是隨數(shù)字工程戰(zhàn)略^[3]同時發(fā)布的新概念。

當(dāng)然，使命工程也不是新事物，它的實踐方法當(dāng)然也不會是全新的——從進入21世紀(jì)以來，它就是裝備論證的一部分，尤其是2010—2020年期間，美國國防部和各工業(yè)部門（比如洛克希德·馬丁和雷神科技等）使用了一種“使命架構(gòu)框架”^[11-12]，用來對“和誰打什么仗”這樣的頂層概念開展設(shè)計工作，由使命架構(gòu)框架構(gòu)建的模型示例如圖3所示。這個“使命架構(gòu)框架”類似于DoDAF標(biāo)準(zhǔn)^[13]，也分為視角和相關(guān)視圖，它的大致分類如下。

（1） 使命分類視角：它解決的是聯(lián)參、軍種高中層面向特定粒度的威脅目標(biāo)和作戰(zhàn)對象時，使命和任務(wù)的結(jié)構(gòu)化層級分類問題。在美國國防部聯(lián)合使命線的描述中，我們看到，海陸空三軍的通用使命任務(wù)清單及軍種專屬使命任務(wù)清單包含五級近萬條，其中，前三級可劃歸為使命，后兩級可視為系統(tǒng)。在這個視角內(nèi)，包括使命分類、使命結(jié)構(gòu)、威脅目標(biāo)、使命-威脅矩陣及使命能力差距矩陣等視圖。

（2） 聯(lián)合能力定義視角：這一層視角解決的是為完成各層使命所需的聯(lián)合能力，包括條令、組織、訓(xùn)練、裝備、領(lǐng)導(dǎo)、教育、人員、設(shè)施和政策幾類（簡寫為DOTMLPF-P）^[14]。從聯(lián)合能力定義視角，包含聯(lián)合能力定義、聯(lián)合能力分解、聯(lián)合能力流程、聯(lián)合能力依賴關(guān)系及能力-作戰(zhàn)節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣等視圖。

（3） 作戰(zhàn)行動籌劃視角：這一視角以作戰(zhàn)節(jié)點為核心，設(shè)計跨軍種及軍種高層的聯(lián)合行動籌劃方式，可以算作第一個視角里使命的具體“作戰(zhàn)場景”，是聯(lián)合能力的具體體現(xiàn)。和DoDAF中的組織元模型要素稍有區(qū)別的是，作戰(zhàn)節(jié)點以高層組織為單位，包含該組織所承擔(dān)的使命集合、配備的裝備信息等。視圖通常以活動圖、時序圖的形式為主，也可以配備狀態(tài)機圖進行仿真驗證。

（4） 高層作戰(zhàn)概念視角：這是使命架構(gòu)的最后一個視角，它描述了裝備概念（裝備的可能形態(tài)、名稱），以及由它們進行部署所形成的作戰(zhàn)意圖描述。這個視角通常以靜態(tài)的高層作戰(zhàn)概念圖以及與之匹配的作戰(zhàn)意圖仿真模型為主。從宏觀上看，裝備概念是體系架構(gòu)設(shè)計的一個輸入。

圖3　由使命架構(gòu)框架構(gòu)建的模型示例

Fig.3　Example of a model built from the Mission Architecture Framework

體系工程和狹義系統(tǒng)工程（裝備總體到分系統(tǒng)迭代實踐，筆者更愿意稱其為總體工程）相對使命工程來說，其方法論和實踐都很成熟，只要關(guān)注整個的需求-功能-性能-物理（Requirements， Functional， Logical， Physical， RFLP）^[15-16]建?？蚣芗纯?，詳細方法不再贅述。圖4為總體設(shè)計的過程示意。

圖4　系統(tǒng)總體設(shè)計的RFLP過程^[15-16]

Fig.4　RFLP process for overall system design

2.2　3類實踐

系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)型從MBSE的初始階段進入數(shù)字工程的深水區(qū)，其設(shè)計認知也從早期強調(diào)語言、方法和工具，進入與設(shè)計領(lǐng)域和業(yè)務(wù)緊密綁定的3類實踐：業(yè)務(wù)框架選擇、建模流程規(guī)范定義和模型數(shù)據(jù)積累。數(shù)字工程實施過程的3類實踐如圖5所示。

圖5　數(shù)字工程實施過程的3類實踐

Fig.5　Three types of practices in the digital engineering implementation process

圖6　模型交互數(shù)據(jù)示意圖

Fig.6　Schematic diagram of model interaction data

（2） 建模規(guī)范是支持業(yè)務(wù)框架面向設(shè)計任務(wù)交付的基礎(chǔ)。MBSE經(jīng)過10余年的實踐證明，任何方法論都不可能完全解決特定領(lǐng)域的設(shè)計問題，這也是全世界范圍內(nèi)有20余種建模方法論的原因。各類方法論都是根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的復(fù)雜度， 結(jié)合領(lǐng)域業(yè)務(wù)特點給出最佳實踐，有自身的適用范圍。從數(shù)字工程落地的角度，必須根據(jù)目標(biāo)對象的性質(zhì)選擇符合自身的方法論，再進行適當(dāng)?shù)募舨谩U展，形成組織自身的建模流程和規(guī)范，以保證模型的質(zhì)量。

（3） 基于模型的設(shè)計之所以能夠縮短研發(fā)周期，主要在于其具有以下兩方面的優(yōu)勢^[17]：一是規(guī)范化模型在設(shè)計內(nèi)容上的易理解性，所有的設(shè)計要素都有過程視圖的支持，而視圖基于標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域元模型與建模語言而建立；二是模型的可復(fù)用性，當(dāng)今大部分高端裝備都不是顛覆式創(chuàng)新產(chǎn)物，而是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行運用場景擴容或者實現(xiàn)技術(shù)換代。無論是進行運用場景擴容，還是實現(xiàn)技術(shù)換代都可以基于易理解的模型展開，從而提高設(shè)計和評審效率。

2.3　4個步驟

在數(shù)字工程轉(zhuǎn)型實踐中，需求確認與結(jié)果輸出一頭一尾的任務(wù)攻關(guān)方式被修正為4個步驟，即需求確認、設(shè)計評審、結(jié)果測試、需求追溯。

（1） 需求確認：除傳統(tǒng)基于文檔的評審方式外，需求確認還可以通過基于模型的形式，準(zhǔn)確評估需求的正確性、完整性和一致性，以求更加高效。

（2） 設(shè)計評審：承接需求展開設(shè)計，需要各類視圖產(chǎn)品的支持，以捕獲功能、指標(biāo)、接口等元素。評審這些視圖的業(yè)務(wù)邏輯，能夠快速找到設(shè)計原理的漏洞，盡可能減少認知誤差。

（3） 結(jié)果測試：當(dāng)所有過程視圖設(shè)計評審?fù)瓿桑繕?biāo)對象的架構(gòu)結(jié)果就生成出來。架構(gòu)模型是可仿真運行的。無論是基于基礎(chǔ)統(tǒng)一建模語言（Foundational Unified Modeling Language，F(xiàn)UML）標(biāo)準(zhǔn)，還是基于對象執(zhí)行框架（The Object Execution Framework，OXF）標(biāo)準(zhǔn)的仿真，都可以通過運用操作過程、紅藍對抗手段、突發(fā)事件及環(huán)境變化等場景過程要素定義測試用例，檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性。

（4） 需求追溯：模型的設(shè)計結(jié)果，還可以與上游需求建立條目化的追溯關(guān)系，以方便計算需求覆蓋率，也可以在需求變更時快速定位影響范圍，并及時做好分析。

未來，數(shù)字工程將作為新一代裝備研制的基石，通過深度融合數(shù)據(jù)、模型與物理世界，成為提升國防裝備競爭力的核心驅(qū)動力^[18-19]。它將極大增強工程效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，并激發(fā)前所未有的創(chuàng)新能力，為國防建設(shè)及各行各業(yè)帶來深遠而廣泛的影響。歐洲航天局發(fā)布的《2025年計劃和技術(shù)戰(zhàn)略》^[20]、英國國防部發(fā)表的《2022—2025數(shù)字和數(shù)據(jù)計劃》^[21]為我們提供了寶貴的參考。數(shù)字工程的研究將聚焦于智能模型與仿真優(yōu)化、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)字孿生應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全防護、標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性等關(guān)鍵領(lǐng)域，以共同推動一個更加智能、高效、安全的數(shù)字工程時代到來。

3.1　智能模型與仿真優(yōu)化：加速創(chuàng)新，提升效率

智能模型與仿真優(yōu)化是數(shù)字工程的核心，通過將人工智能技術(shù)融入傳統(tǒng)仿真過程中，可實現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計與分析。具體實踐可以從3個方面展開：（1） 利用歷史數(shù)據(jù)和專家知識，訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型，自動構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的仿真模型，減少人工建模工作量，提高模型的準(zhǔn)確性；（2） 結(jié)合遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化算法，對仿真模型進行參數(shù)優(yōu)化，尋找最佳設(shè)計方案，縮短設(shè)計周期；（3） 將數(shù)字孿生模型與仿真模型緊密結(jié)合，實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的實時監(jiān)測和預(yù)測，為仿真提供更準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)，提高仿真結(jié)果的可靠性。

3.2　多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理：實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值最大化

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理是數(shù)字工程的基礎(chǔ)，通過對不同來源、不同格式的數(shù)據(jù)進行整合和分析，可以獲得更全面的系統(tǒng)認知，為決策提供更可靠的依據(jù)。例如：使用數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理技術(shù)對原始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和集成，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性；采用多傳感器數(shù)據(jù)融合、異構(gòu)數(shù)據(jù)集成等技術(shù)進行數(shù)據(jù)融合；采用數(shù)據(jù)驅(qū)動決策進行數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)等分析，為決策提供支持。

3.3　數(shù)字孿生：構(gòu)建虛擬世界，賦能現(xiàn)實

數(shù)字孿生是數(shù)字工程的重要應(yīng)用方向，可通過創(chuàng)建物理系統(tǒng)的虛擬副本實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的實時監(jiān)測、預(yù)測和優(yōu)化。數(shù)字孿生的未來重點發(fā)展方向包括：建立物理系統(tǒng)的高保真數(shù)字模型，包括幾何模型、物理模型和行為模型；實現(xiàn)物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生的實時數(shù)據(jù)同步，確保數(shù)字孿生能夠準(zhǔn)確反映物理系統(tǒng)的狀態(tài)；進行虛擬試驗，驗證設(shè)計方案，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

3.4　網(wǎng)絡(luò)安全防護：保障數(shù)字工程的安全可靠運行

網(wǎng)絡(luò)安全是數(shù)字工程面臨的重要挑戰(zhàn)，隨著數(shù)字工程的深入發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險也隨之增加。我們可以從風(fēng)險評估、安全防護措施、安全監(jiān)測與響應(yīng)等方面加以優(yōu)化：識別數(shù)字工程系統(tǒng)中的安全漏洞，評估潛在威脅；采用防火墻、入侵檢測系統(tǒng)和加密技術(shù)等手段，保護系統(tǒng)安全；實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)安全事件。

3.5　標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性：構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)字工程生態(tài)

標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性是推動數(shù)字工程發(fā)展的關(guān)鍵，通過建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，可以促進不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的統(tǒng)一應(yīng)在3個方面進行落實：（1） 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和交換標(biāo)準(zhǔn)，方便不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。（2） 定義標(biāo)準(zhǔn)化接口，實現(xiàn)不同軟件系統(tǒng)之間的互操作。（3） 建立統(tǒng)一的模型表示方法，方便模型共享和復(fù)用。