导读：本文最初发表于政府设计中心（GovDesignHub），主要内容为战略技术咨询公司（Strategic Technology Consulting）负责业务增长的副总裁伊莱・威尔逊（Eli Wilson）关于美国国防部（DoD）通过数字工程和数字孪生技术推进其系统发展的深刻见解。通过改进设计、测试和维护程序，数字孪生技术正彻底革新像 F-35 这样的武器系统，实现了更快速的创新、优化的性能以及更强的供应链韧性。

在威胁快速演变的时代，美国国防部必须具备创新性、灵活性，并时刻做好执行任务的准备。要保持领先地位，就需要尖端技术来提高速度、效率和适应性。超越对手的能力不仅取决于强大的火力，还依赖于更智能、更快速的方式来设计、测试和部署关键系统。

数字孪生等先进技术正在革新国防行动，实现快速创新、无缝集成和实时适应性。随着现代战争变得日益复杂，采用这些技术不仅是一种优势，更是一种必然需求。

我们最近与战略技术咨询公司（STC，隶属于 Arcfield 公司，在国防系统工程领域拥有十多年经验）负责业务增长的副总裁伊莱・威尔逊进行了交流。在讨论中，他分享了关于数字孪生的定义、创建方式、对美国国防部的价值，以及一项 7000 万美元对先进工程设施的新投资如何推动数字孪生技术在国防领域的广泛应用。

政府设计中心（GDH）：您能否解释一下，当谈到为武器系统和战机（如 F-35）创建数字孪生时，具体的含义是什么？

伊莱・威尔逊：武器系统或战机的数字孪生是其物理实体的动态模型，但它超越了静态模型，通过集成规格、架构和实时数据，并取代过时的纸质文件系统。对于像 F-35 这样的战斗机来说，这意味着有一个单一的数字表征，在其中可以获取关键信息，如软件、安全、网络安全和机械设计等，以用于模拟、测试和制造。

数字孪生可以为现有系统构建，也可以在设计阶段衍生出来。逻辑架构是系统的操作概念（CONOPS）与其物理设计之间的连接。对于 F-35 而言，这意味着以数字方式捕获所有必要的设计信息，以便开发、操作和维护该飞机。

数字孪生使用来自多个工程学科的数据，形成一个权威的真实数据源（ASoT）。在这个设计真实性的核心是系统模型，它逐层分解功能和架构。在运行数字孪生时，系统模型使我们能够从宏观角度评估对系统或任务性能的影响。有用的数字孪生依赖于良好构建的系统模型。

政府设计中心（GDH）：数字孪生的创建如何融入数字工程的更大概念中？数字工程还包括哪些内容？它与武器系统开发中的传统工程有何不同？

伊莱・威尔逊：在 20 世纪 80 年代，机械和电气工程从绘图桌上的手绘原理图过渡到使用计算机辅助设计（CAD）软件。这一转变如同从打字机到文字处理器的变革一样具有变革性。系统工程也正在经历同样的转变。基于模型的系统工程（MBSE）是数字工程的基础，它支持数字孪生的构建。

特别是对于复杂系统，存在局部优化某个组件或子系统，却无意中降低系统或任务性能的风险。在传统工程中，这些设计偏差通常在集成和测试阶段才被发现，此时对预算和进度的影响更大，成本更高。

伊莱・威尔逊表示：“数字工程加速了开发进程，无论是对 F-35 机队进行调整，还是针对不断演变的威胁设计新的能力。”

如今，数字系统模型实现了快速的可追溯性和影响分析。例如，在设计阶段，可以对每天的配置进行模拟，以测量和记录性能指标。项目经理可以在指标达成时监督设计的成熟度，并在几分钟内而非几个月内发现问题。

数字工程代表着系统工程以及所有相关学科向统一数字生态系统的转变。它允许来自各种工具的数据无缝集成，系统工程师协调这个过程，以确保设计与任务保持相关性，并在其生命周期内得到优化。这是从静态文档到动态、互联系统的范式转变。

政府设计中心（GDH）：为什么美国国防部会希望为飞机和其他武器平台创建数字孪生？在新系统、设计和应用的开发和测试中，他们如何利用这些数字孪生？

伊莱・威尔逊：遗憾的是，数字化的价值并不总是能清晰地阐述出来，这可能导致效率低下以及对其重要性的困惑。但好处是显而易见的。数字工程加速了开发进程，无论是对 F-35 机队进行调整，还是针对不断演变的威胁设计新的能力。当工程师能够可视化和模拟设计，而不是依赖静态文档时，他们的工作会更快速、更智能。

这也允许在不同的作战环境中优化系统性能。例如，配备可配置雷达的 F-35 可以利用其数字孪生确定在不同地区执行任务的最佳设置。这种由数字工程驱动的能力实现了基于数据的快速决策，这是纸质方法永远无法实现的。

伊莱・威尔逊表示：“除了速度之外，数字孪生还能在任务层面优化性能。例如，随着任务分析更新新信息，F-35 子系统执行的功能可以在更广泛的作战背景下进行评估。”

随着数字孪生变得更加普遍，数字工程将经历与 20 世纪 90 年代软件工程相同的转变：利用经过批准的代码库，而不是从头开始构建所有内容。在模块化开放系统方法（MOSA）的支持下，数字工程正朝着可重用、经过验证的数字孪生发展，实现更快速、更模块化的开发。

除了速度之外，数字孪生还能在任务层面优化性能。例如，随着任务分析更新新信息，F-35 子系统执行的功能可以在更广泛的作战背景下进行评估。数字工具使美国空军和其他国防部人员能够评估对整个机队进行修改的影响，确保任务准备就绪。

同样重要的是生命周期管理。数字孪生考虑了系统从诞生到退役的整个过程，允许根据生命周期成本和准备情况评估变更，从而实现更好的维护、升级和物流规划，减少停机时间和成本。由于供应链问题而闲置的 F-35 是一种浪费的投资；数字前瞻性确保所有资产保持任务就绪状态。通过加速开发、优化任务效能和确保长期维持能力，数字孪生对于在全球舞台上保持战略优势至关重要。

政府设计中心（GDH）：数字孪生的创建和使用如何加速制造过程并加强军事供应链？为什么这对美国国防部很重要？

伊莱・威尔逊：当我开始进入政府合同（GovCon）行业时，我看到国防承包商中存在一个普遍问题 —— 随着退休工程师离开，关键知识也随之流失。公司往往太晚才意识到没有其他人完全理解关键系统，这迫使他们以高昂的成本重新聘请前员工。基于模型的系统工程（MBSE）对于捕获和转移这些专业知识变得至关重要，特别是在维持老化但至关重要的国防系统方面。

伊莱・威尔逊表示：“数字孪生能够实现更快速、更智能的决策，特别是对于文档有限的老化系统。”

一个明显的例子是 “滚动弹体导弹”（Rolling Airframe Missile），这是一个美国和德国的联合项目。虽然该导弹经常更新，但其发射器设计每 15 年才进行一次修订。在每个周期中，新工程师必须从头开始重新培训，这减缓了进展。通过将数字模型作为权威真实数据源，工程师可以自我学习，减少入职时间，并增加对系统修改的信心。

数字孪生能够实现更快速、更智能的决策，特别是对于文档有限的老化系统。许多较旧的设计仅以复印副本的形式存在，这使得更新存在风险。通过将这些系统数字化，组织可以保留机构知识，简化维护，并确保供应链韧性 —— 延长关键国防资产的使用寿命和适应性。

政府设计中心（GDH）：美国空军研究实验室（AFRL）和 F-35 联合项目办公室已向赖特 - 帕特森空军基地（WPAFB）的一个新工程设施投资 7000 万美元。这项投资将如何加速美国空军以及整个美国国防部对数字孪生和数字工程的采用？

伊莱・威尔逊：俄亥俄州代顿市长期以来一直是国防资金的主要中心，其在数字化转型中的作用正在迅速扩大。像 Anduril 这样的公司与俄亥俄州就业集团合作，正在代顿推动数字化倡议，赖特 - 帕特森空军基地和代顿大学研究所发挥着关键作用。

这种转型的核心是需要更快的速度、优化系统性能和改善维持能力。F-35 联合项目办公室与这一更广泛的努力保持一致，确保数字化的采用能够简化升级、最大化运营效率并提高任务准备就绪性。

伊莱・威尔逊表示：“仅仅连接数字工具是不够的 —— 成功取决于强大的基于模型的系统工程（MBSE）。没有可靠的数字孪生，那个数字生态系统将仍然是碎片化的，无法实现其承诺。有效的数字工程依赖于强大的系统工程，而如今的系统工程越来越以模型为驱动。

美国空军还将其重点从传统的工程角色扩展到更广泛的领域，包括项目管理、供应链物流和维持物流，形成了一个他们称之为 “数字物资管理” 的更全面的学科。以前的 “数字工程训练营” 也已更新为 “数字物资管理学院”，以反映这一更广泛的范围。

因此，美国空军推动数字化转型最终取决于正确实施系统工程。一旦这个基础建立起来，更广泛的数字生态系统，包括数字物资管理，就能够充分实现其价值，确保美国国防部的长期成功和准备就绪。

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