数字工程应用现状
摘 要 数字工程是系统工程和基于模型的系统工程在数字化时代的延申，其目的在于使用先进信息技术实现对现实世界对象的数字化表达，以提高工程能力，建立一个覆盖系统工程技术流程和管理流程的数字工程生态系统，以提高效率，节约成本，提高工程质量。梳理了数字工程基本概念和关键技术，研究分析国内外针对数字工程的研究动态与热点方向及应用现状，重点识别当前数字工程应用中存在的问题，形成改善意见与提升路径，以期为我国重大工程项目数字化转型提供参考。 关键字：系统工程; 数字工程; 基于模型的系统工程; 数字化转型 01 引 言 新一代信息技术的跨越式发展推动了复杂产品研制过程的革命性创新，产品复杂性、集成性和综合性特征日益提升，为多学科融合的工程实践带来巨大挑[1,2]。传统烟囱式的信息传递方式以及线性的、以文本为中心的流程导致复杂系统的设计、交付、维护等环节难以灵活有效应对快速变化的不确定性需求，甚至成为阻碍业务模式变革及业务能力提升的主要因素[3,4]。此外, 基于文档的工程实践会在采办活动和决策过程中使用和产生大量非连续、非结构化的静态数据，造成数据冗余，甚至数据爆炸[5]。 数字工程的产生为解决上述问题提供强有力支撑。数字工程由美国国防部系统工程研究中心首次提出，试图采用基于模型的系统工程(MBSE)实现传统系统工程和国防部采办流程的整体变革[6]。此后, 美国国防部发布《数字工程战略》，正式定义数字工程概念: “一种综合数字方法，使用权威的数据和模型作为跨学科传递的连续统一体，支持从概念到部署的产品全生命周期活动的过程[7]。” 数字工程为实现 MBSE 提供技术基础，是 MBSE 在数字化时代的深化，也是传统系统工程理论方法的拓展。 本文以数字工程为切入点，研究分析国内外数字工程研究动态、热点方向及应用现状，重点识别当前数字工程应用中存在的问题，形成具有针对性的改善意见与提升路径，以期为中国数字工程生态体系建设及推动 MBSE 在大型项目研制中的应用提供决策参考。 02 数字工程 宁津生等[8]将数字工程定义为计算机技术和地理信息技术结合的综合技术，目的是实现地球相关数据的数字化、智能化、网络化与可视化。而美国国防部认为数字工程是一种以系统模型为核心，覆盖系统整个生命周期的集成数字方法。有学者认为数字工程的核心关键在于建立一个安全可靠的数字工程生态系统，并使用数据和模型取代文档在产品全生命周期内传递，实现对现实世界对象的数字化表达，从而提高工程能力。 数字工程生态系统是一个由相互关联的基础设施、环境和方法等要素组成的复杂系统。数字工程生态系统不仅允许利益相关者从权威的真相源(authoritative source of truth, ASoT)交换数字工件[9]，同时允许利益相关者在系统全生命周期快速查找、比对和使用来自不同阶段、不同部门产生的系统数据，从而推动实现数字论证与数字交付。其中，数字工件是工程工件数字化的产物，是信息和模型跨平台、跨生命周期和跨领域共享的关键。 工程工件可以是数字对象，如模型、数据集、文档和图片等，也可以是物理对象，如物理产品或零件。对于数字对象，其数字工件就是其本身。对于物理对象，对应的数字工件可以是使用数字孪生生成的复杂模型，也可以是图片或者文本，甚至是一串文件编号用于与物理对象本身的属性和数字相关联。 尽管现有研究对于数字工程的定义不尽相同，但均表现出共同的特点——以 MBSE、数字线索(digital thread)为基础进行的多方法集成，实现全生命周期内的工程实践数字化。基于上述分析，本文结合系统工程与 MBSE 对数字工程内涵进行延伸。从广义上讲， 数字工程是利用数字技术对工程进行数字化改造，从而形成一套适用于数字时代的系统工程方法，即数字系统工程。数字系统工程的总体目标是开发在数字化、互联的工程环境、操作环境中的系统工程原则、理论、方法、模型和技术。 传统系统工程方法的数字化应用与基于模型的系统工程是数字工程的两大支柱[3]。具体而言, 前者是采用、集成新的数字技术的系统工程方法，强调通过数字化技术实现系统工程过程的规范化和信息化，提升系统工程的效率效能；后者侧重于以标准一致的形式化方法实现对工程工件的多视图模型化表达，实现需求-功能-逻辑-物理的一致性和追溯性。数字工程和传统系统工程的主要区别在于: 1) 在系统生命周期中使用权威真相源，在所有利益相关者之间共享数据。消除纸面合同数据需求列表和大规模设计评审的需要； 2) 在进行完整的物理系统开发前，设计在模型中进行集成和验证； 3) 使用权威真相源连续反馈信息进行任务效能优化； 4) 需求变得可传递，以增强关键性能参数。数字工程和基于模型的系统工程的主要区别在于：MBSE 的重点在于使用形式化的系统模型(原理图模型)表达系统工程实践，并在全生命周期内传递；而数字工程的重点在于将更为广泛的模型(包括数字孪生模型、数学模型和 3D 模型等)作为在全生命周期中传递的连续统一体。 03 数字工程研究动态与应用现状 3.1 数字工程关键技术 数字工程以采用数字手段提高工程能力为第一目的，在不同工程项目中的技术体系有所区别但至少都包含着 MBSE、数字线索和数字孪生三个方面。MBSE 是连接用户需求与系统概念设计方案的重要方法；数字线索将数据和模型在正确的时间将正确的数据交给正确的人使用[10]；数字孪生是模拟系统在现实环境行为的关键技术。 1) 基于模型的系统工程(MBSE)。MBSE 是建模的形式化应用, 以支持系统需求、设计、分析、验证和确认活动，始于概念设计阶段，并持续到整个开发和生命周期后期阶段[11]。MBSE 中的模型通常指原理图模型，一般包括需求模型、功能模型和架构模型等，…
