数字三位一体！美空军e系列项目的数字工程思路

“eT-7A红鹰教练机成功实现了虚拟化研制，以数字方式构建了数百个e飞机，对物理组装进行优化。利用虚拟设计，新的洲际弹道导弹在短短几个月内探索了60亿枚e导弹变体。第六代飞机也是一架e飞机，正在采用一级方程式赛车的实践，以数字化百系列的方式超越发展。”

——威尔·罗珀博士，原美空军负责采办、技术和后勤的助理部长

(资料图片仅供参考)

2020年年底，时任负责采办的空军助理部长威尔·罗珀发布了《还没有勺子：数字采办的现实》，呼吁通过数字工程建立颠覆性的敏捷数字采办新范式，以在不断更新的全球安全态势中保持竞争力。文件中提出了e系列概念，即数字化百系列（Digital Century Series，简写为eSeries）。2021年年初，罗珀又发布了《弄弯勺子：数字工程和e系列指南》，进一步明确e系列装备的数字工程实施思路，以指导装备采办、研制的数字化转型。两份文件都引用著名科幻电影黑客帝国，使用电影中虚拟世界“矩阵”里可以意念弄弯的“勺子”来比喻数字工程。至今，美空军的采办官员、软件项目团队、数字化项目团队仍将罗珀的2这份战略思路性文件奉为圭臬，可以说言必说勺子，行必学数字。本文对《弄弯勺子》的部分内容进行编译和再解读。

一、数字采办与数字工程的基本原则

“数字三位一体”——数字工程及管理、敏捷软件开发和模块化开放系统架构，是新一代信息技术与军事技术深度融合的背景下，支撑美军重大范式转变的关键力量，是美军认为颠覆传统国防采办的主要途径。这一范式转变不仅可以构建更好的系统，还可以实现更快速的设计、无缝的能力组合和迭代。

问题是，数字工程和e系列是什么？装备现代化需要吗？有什么样的准则？相关变革需要走多远？

很多变革和创新的大规模应用在一开始都会受到抵触，比如必然将取代油灯的电灯，一开始应用时也被很多人排斥。当前面向未来的转型也面临这一问题，在这种转型中细节是魔鬼。

从传统采办过渡到数字采办非常棘手。开放架构和敏捷软件开发要容易一些，只有使用与否的区别。数字工程更具有挑战性，它还要考虑在应用强度和深度方面的调节。并不是所有相关的东西都需要数字化，需要针对哪些具有数字化价值进行判断。

数字工程既是科学也是艺术，那么这门艺术究竟是什么，有什么准则，这些的严格定义也非常有挑战性。艺术有基本的、被广泛认可的原则，这些原则往往随着时间变化，数字工程也是如此。数字工程首先要遵循的原则是：数字工程必须达到的权威虚拟化水平，可以让其替代、自动化或简化原来在现实世界开展的活动，在e系列更是如此。

二、数字工程既是科学也是艺术

当前美军装备发展的持续性越来越差，表现为不断延期的计划和不断增长的成本，与商业工业的发展形成鲜明对比，非常的乏善可陈。

在这一处境下，数字工程这一新技术以行之有效的方式给装备采办带来了神奇的希望。

虚拟现实类计算机技术应用只是e系列方程式的一部分。真正的艺术源于现实世界的观察。就像建筑师研究土木结构，数字工程师研究物理系统，并进行虚拟化处理，虚拟化学习、完善这些系统，使处理过程自动化，从而在计算机上执行原本昂贵的试验和试错。

虚拟化回退功能的效果已经极大的反馈到了现实世界。以数字化设计的eT-7A教练机为例：设计和制造过程只需要36个月，这是自20世纪50年代第三代战斗机研发以来从未有过的。最先进的第六代战斗机项目中也应用了同样的数字化方法，其演示机比预期提前几年完成。

数字工程技术同样是一门艺术，一种分析和捕获现实世界的新方法，如果使用不当，会带来可怕的结果。与建筑工程一样，项目的安全和成功有赖于可靠的方法，以保证设计能够真正转化为现实。就像走进新建建筑时，我们相信建筑工程设计的作用。数字工程和e系列需要的方法与建筑工程设计类似：如何确保数字化设计构建的装备值得信任。

回顾历史，建筑中先设计而后建设的方法与改善工程执行的技术关联发展。菲利波·布鲁内莱斯基使用镜子和几何来生成完美线性透视的3D图纸。达芬奇研究物理学，为复杂系统的创造现代技术图纸。弗兰克 ·盖里使用计算机辅助设计来完成他的达里风格建筑物理挑战。科幻小说中，人工智能使用神经交互计算机模拟来构建“矩阵”（黑客帝国中的虚拟世界）。

虽然还不能做到类似“矩阵”一样的建模，但数字工程确实将计算机创新技术提升到一个新水平，不仅能虚拟渲染复杂系统的设计，还能在虚拟现实中将装配、环境，甚至物理性能渲染到更高的水平。著名的现代建筑师密斯 ·范德 ·罗（Mies van der Rohe）曾指出，“每当技术真正实用，它就会跃升到架构设计中。”数字工程正在跃升到四维架构设计——这是一种三维设计系统加上时间驱动流程的架构，在远早于物理孪生体出现之前，真正管理他们的虚拟现实。

当从规划向实施过渡时，架构设计和工程实施的关系值得研究。一个早期典型成功案例是，在1420年建造世界上最大的砖石穹顶时，布鲁内莱斯基设计了新的工程奇迹来完成这个150英尺（约合46米）长的佛罗伦萨杰作：采用两个穹顶以避开扶壁，以新颖的自加固模式砌砖，甚至发明了非常精巧的起重机和滑轮，达芬奇后来对它们进行了研究。

1420年布鲁内莱斯基设计当时世界上最大的砖石穹顶

有些项目则发生了灾难。圣弗朗西斯大坝（St.Francis）开裂造成的灾难、塔科马大桥（Tacoma Narrows Bridge）的倒塌以及约翰·汉考克大厦（John Hancock Tower）的窗户坠落，都是建筑设计的警示样板，从这些案例中可以管窥工程现实的全貌。即使大量使用了计算机建模，麻省理工Stata中心并没有考虑到排水、长霉、降雪等问题。即使是未来的人工智能也无法第一次尝试就成功建成“矩阵”。因此布鲁内莱斯基说，在建筑中“只有实际经验才能教给我们应该遵循的规律。”即使有了计算机，真正的现实分析也很难。

1940年当时号称世界第三的塔科马大桥建成通车4个月后因大风发生扭动而倒塌，成为建筑学、物理学和力学的经典事故案例

直到最近，汽车等行业率先用数字技术开展设计制造的实践。20世纪60年代以来，计算机辅助设计工具被广泛使用，但从未取代从设计到实现过程中的物理原型和测试。那以后，随着计算机处理能力的亿万倍增长，早期的蓝图工具变成了今天强大的数字工程模型——即所谓数字线索和数字孪生——用权威虚拟真相源取代了现实世界的原型设计和测试。

一个很好的例子是一级方程式赛车，目前这个领域已经没有物理原型。汽车的每一个功能及其所依赖的物理现实，包括橡胶轮胎与路面的贴合，都经过努力通过权威测试数据确定和虚拟化。这样的好处是，目前每一个赛季设计者都探索改进数以百计的数字汽车，甚至针对单个赛道进行优化，进行这些工作时不需要弄弯一块金属。现实世界中的赛车大赛证明了这些“e汽车”的权威性。军用e系列可以实现相同的效果。

一级方程式赛车周围的空气流线，图片来自宝马F1车队

三、如何实现——弄弯勺子

eT-7A红鹰教练机成功实现了虚拟化研制，以数字方式构建了数百个e飞机，对物理组装进行优化。利用虚拟设计，新的洲际弹道导弹在短短几个月内探索了60亿枚e导弹变体。第六代飞机也是一架e飞机，正在采用一级方程式赛车的实践，以数字化百系列的方式超越发展。

所有这些运用数字技术来完善物理设计的实践表明，数字工程技术应用对装备甚至国家来说都是非常具有革命性的。

那么，该怎么开始？鉴于数字工程的首要原则是权威虚拟化，就必须定义它并构建它的数字基础。

1、奠定数字基础

就像任何新架构一样，要从它所建立的基础开始。我们需要的数字基础是能够支持数字采办、数字工程和e系列的基础设施、政策、培训和文化。

一个强大的数字基础本身就需要有独立的指导。空军装备司令部和太空系统司令部已经开始这项工作。基础工作包括：以全部门基础设施来提供工具和联通，制定政策以确保基础技术变化后数据和数字工具的共用，开展培训以便有效使用这些工具，构建文化以实现这些目标。没有它们，就没有建立数字化的基础。就像物理实体一样，数字架构必须基于坚实的数字基础。

一旦建立了数字基础，就可以为数字工程和e系列创建核心部件：权威虚拟化。

2、权威虚拟化

权威虚拟化是一个系统的数字模型，它渲染计算其输入、操作环境、内部功能和行为，同时包含实现这些渲染计算必须的所有子系统的数字模型，从而形成可以确证的预测性输出。

该定义中有很多内容需要进一步解释，并包含多项重要原则，以确保虚拟地将勺子弄弯可以在现实世界产生相同结果。

首先，因为输入会影响输出，按这个定义，可能意味着也必须对输入进行权威虚拟化，在许多复杂系统中可能确实如此。但也可以将某些输入特性用物理数据（如环境影响作为输入）或经验数据（如制造零件公差或软件运行时间）来解释计算。关键原则是每个系统虚拟化都有一个起点，也可以称为系统的基本构建模块，这些基本构建模块必须是可以定量解释的。否则，你的数字线程一开始就不是数字的。

对于原有系统相关的采办项目来说，并非不能应用数字化艺术，只是其虚拟化起点是一个原有系统，需要以分析的方式确定起点。例如，对于B-52换发项目，起点是数字发动机“连接”到物理机翼的吊舱底座，以及喷气发动机的测量重心和气流特性。对于A-10换机翼项目来说，整个机翼，甚至整个飞机，都必须进行数字呈现，因为原始制造商的图纸（权威真相源）已经丢失。对于快速维修办公室开展的无数基于条件的维修项目，起点不是原始飞机，而是数字化维修数据，从而可以建模并预测零件何时发生故障，并对维修企业进行培训。这些每个都是权威虚拟化的一种形式，因为通过确证的预测建模，都减少或简化了真实世界耗时的工作。

无论什么项目，都会有相关的某种数字化案例。只需了解数字化起点和预期的投资回报，就能知道数字化的意义。

第二，上面已经提到，虚拟化还包括环境。无论是内部环境和外部环境，如果运行环境影响结果或性能，就必须基于物理规则（如重力）对环境进行建模，或用经验数据对环境进行解释。这和处理输入是一样的，必须能够分析理解环境影响，数字线程和数字孪生才能够应用在实际可用的数字世界中。

第三，无论虚拟化的对象什么，如果其中包含影响输出的内部单元，这些内部单元也要继承相同的分析原则，需要对其进行权威建模或使用锚定数据验证。连续应用这个原则，直到输出与现实匹配，最终就能够形成一个真正像“矩阵”一样的虚拟现实，而不是幻像。数字孪生和数字线程绝非掩盖内部模拟逻辑的数字面板。

这并不意味着必须对系统中的所有内容进行建模，也不意味着所有子模型必须具有相同的保真度。只要最终误差线确证虚拟能够取代现实，就成功了。

不要被不精确或未知错误所束缚。在构建或测试物理系统时，需要创建统计分布，而不是要完美克隆所有部件或测试。应用sigma、2sigma和高阶效应将风险量化，以最终证明系统可以运行。模型必须准确地反映这些分布（如果分布可用），否则仍需要对现实世界进行复制。这就是为什么虚拟化需要正式标准和方法体系，因为用虚拟行为代替物理行为会造成新的采办风险，这可能是很大的风险。设定并遵循明确的数字“建设规范”来进行权威虚拟化，可以确保空军和太空部队能够理解和管理这一风险。

此外，一旦有了这样的虚拟化，就可以对这些统计分布反应的许多根源问题进行有效处理。（想想确定性装配技术是怎样消除eT-7A的报废、返工和维修统计的） 最终目标不是再现昨天的现实，而是要创造一个更加成功的明天，就像一级方程式赛车一样。

3、数字构建规范

第四，正如建筑设计师和工程师遵守政府认证的建筑规范一样，数字模型和基础设施也必须遵守类似的“数字构建规范”，该规范经过空军和太空军的认证。这是 “拥有技术堆栈”的核心，是最重要的，因为除成本之外，模型决定了安全和任务能否成功。

正如建筑规范能够为新建筑的安全提供保障，数字构建规范必须确保模型产生的真实物理系统第一次使用时就是可靠的。

目前，实际上数字构建规范要对项目进行逐项评估。要“拥有技术堆栈”，至少要有构建基础模型和软件的政府参考架构，如果站在软件和自动化的角度，最好提供数字环境本身，这是实施数字构建规范的最佳方式，上规模后尤其如此。

数字构建规范还有很长的路要走。随着基础技术的发展，在未来相当长的一段时间内都需要开拓性的项目继续帮助探索正确的工具和技术。我们必须从实践中学习，有时可能比较艰难，但只有这样才能实现企业级实践。

“数字构建规范”适用于所有新的采办项目以及现有系统的重大改进项目。需要里程碑决策机构的豁免才能不应用该规范，不如此就在事实上造成了对已有“矩阵”的入侵。

里程碑决策机构将在e系列设计中同时使用e系列设计标准记分卡和数字构建规范。这些相当于建筑检查员的检查表，里程碑决策机构作为检查员。采办项目应在其采办策略评审期间接受数字工程方法的验证，同时评价它们是否属于e系列。

4、自动化，政府提供技术栈

第五，自动化是虚拟化的特例，具有特别的能力能够加快数字采办。虽然项目的寿命周期内的几乎所有功能都可以虚拟化，但目前不是所有功能能够自动化。机器人技术可能已经给汽车工业带来了革命性的变化，甚至像数字工程一样进入了国防领域，但隐身战斗机制造和卫星制造离那样的高度自动化还很遥远。

不过许多事情是可以自动化的，而且有些现在已经是自动化的了。特别是在软件工厂，比如凯塞尔航线（Kessel Run）和小林丸（Kobayashi Maru）以及一号云（Cloud One）、一号平台（Platform One）等技术栈。网络安全检查和操作赋权，原来都是由人使用纸质检查表打钩操作，现在则形成了数字清单，由技术栈本身设定，并形成了“即服务”aaS（例如软件即服务SaaS，平台即服务PaaS，设施即服务IaaS等——译解者注）（不是一次性的，而是持续性的）。尽管开发、安全和运维一体化（DevSecOps）软件开发已经成为一个主要采办推进要素，但利用自动化技术，还能够更进一步的提速其他寿命周期功能。

应该问的是“什么是不能自动化的？”，设计评审、合同编写和定义、选择性测试、文档撰写等等，大多数事情都可以全部或部分地变为aaS脚本。事实上，这种做法极具潜力，能够节约大量时间，也因此，高生存空中作战中心正在率先推进“自动化阶段”项目。公司将会提出提高技术堆栈自动化的措施，作为在降低成本和风险的同时加快交付的手段。（没人会以为在数字革命之后，采办各阶段依然如故吧？）

只要无需人类判断或批判性思维，能变成计算机清单的事项都可能自动化。不能只为单个项目手动完成这些清单，应该开展必要的前期技术栈抽象工作再创建自动化清单，这些额外的前期工作会一直发挥作用。 想象一下，在项目和功能采办中，广泛应用自动化会带来怎样的收益！

即使仍然需要人力对自动化输出进行监督，人力资源的净节约也足以改变游戏规则。商业上，自动化已经让越来越小的商业开发团队管理更大、更复杂的产品线，可以预料国防项目会出现类似的发展趋势。当前的冷战任务人事系统将大型任务分解为子任务、支持单元、子单元等，最终由一群人以人类速度完成任务，这种做法也同时分解了长期竞争力。这就是人的速度损失。权威自动化是改变现状的契机。

这就引出了第二个问题：“如何使自动化具有权威性？”这里就需要政府提供的技术栈。提供 “政府aaS”层使全行业能够更好地管理和控制项目，对明确交付时间项目尤其如此。无论从哪个法律角度，权威自动化都可以体现政府意愿，替代今天人的文书工作。就像“矩阵”一样，如果真要这么做，就意味着严格的配置控制和验证测试，这将是政府接受自动化面对的一个巨大的风险挑战。

这并不意味着行业不需要自己的技术栈，这些技术栈应该面向无缝互操作，依据数字构建规范实现。但在可预见的未来，行业的IT技术栈不会被赋予与政府技术栈等同的法律地位。

因此，如果想要进行权威虚拟化，就必须拥有技术栈设计；不过，如果我们想要通过官方“政府aaS”功能实现自动化，就必须提供技术栈，至少也需要向行业提供自动化层的技术栈，才能够克服法律机制问题。

这对以前的IT采购和政府IT定位、责任和观念提出了挑战。这是一个十字路口，可以看到，以前按技术上可行的最低价格外包给行业的方法是有没未来的。不管是现在还是将来，信息技术（IT）即是作战系统也是基础设施，利用代码、数据和人工智能构建自动化能力，能够在战场上达到机器速度实现战争优势。因此，不能将其视为技术可行的商业产品，而必须面向超越进行采办。

使用这一能够赢得战争的基础设施开展赢得大国竞争的自动化采办，对政府和行业来说是双赢的。第四次工业革命技术在工商业界中实现的自动化令人印象深刻，对国防来说跟上该技术趋势是至关重要的，甚至是生死攸关的。和人工智能一样，自动化技术也在加速发展。

5、测试，e系列艺术品和数字化转型

第六，一旦完成模型的数字代码构建，能否用它进行预测就和测试数据密切相关了，具体情况在不同的项目和功能之间差异很大。验证测试之后的虚拟化业务及合同流程与预测没有什么关系 （但不要低估他们的作用！）。基于已测试过设计的衍生模型可能需要额外的测试来确定性能包线。像高超音速武器这样的新的物理对抗作战系统，肯定还需要地面和飞行试验来验证模型。

这里的第二个原则是，无论需要多少测试，数字采办中的测试本身都要围绕数字化改变。以前，系统是经过物理测试从模型升级而来，现在系统经过测试升级为数字模型。实操环境变成了数字环境，其真实程度和物理环境一样，甚至可以说更真实。

第七，一旦玄妙的预测能力得到证实，就可以准备好实施数字工程和e系列的主要原则的第二部分：替代、自动化或显著简化现实世界的活动。艺术真正开始发挥作用，其影响势不可挡。

可以虚拟化设计以简化集成活动，虚拟化集成以替代现实世界的曲折学习过程，虚拟化培训以缩短所需时间，模拟更新软件以避免冗长的回归测试，虚拟化合同交付物来减少原来文书流程的时间滞后……还有很多。

只有想象力、数字化工具和培训能够限制虚拟化的发展。一旦项目通过虚拟化（数字工程形成的艺术品）替代、简化或自动化了现实世界中的活动，就会直接被里程碑决策机构评估为e系列。艺术一般是由观众评价的，但是这项艺术是以客观的、可衡量的标准为基础的。因此，如果项目基于数字化考虑改变了采办规则，那么就很可能会被命名为e系列。

但为什么要进行命名呢？除了因为项目的安全性和任务依赖于虚拟化，开展e系列认证会推动空军和太空军从模拟向数字蜕变。就像过去十年中拨号互联网转变为物联网，电话、家庭、汽车均冠以“智能”引导全新的互联发展范式，让设计师和用户对其用途重新设定。如今几乎所有的耗电设备都是智能的。发展至今，人们已经不太提“智能”前缀了，在无数商业技术转化中它已经完成它的角色。

空军和太空军处于模数转型的初期。每一个新的e系统都要求重新设定其采办和使用方式。几年后，当大多数项目都实现了数字化和无缝互联时，就会弃用e系列这个命名。但就像“智能”一样，这个术语推进采办系统向更具竞争力的方向转变，从而加速指战员所需的装备升级。

提到“智能”前缀，联合全域指挥与控制（JADC2）和先进作战管理系统（ABMS）也有类似的趋势。先进作战管理系统第1版中，重新设定了智能加油机，在战场中除了提供燃料，还可以作为基于互联网的数据处理和中继节点。此后，智能战斗机、智能轰炸机、智能卫星和智能武器必定会随之发展，像成为商业标准一样，智能最终将成为军事标准。

随着先进作战管理系统“IoT.mil”的诞生以及人工智能首次在军事平台上演示，算法战争的时代正在开始。建立真正的数字力量至关重要，从数字基础到权威虚拟化，到e系列项目，再到最终的智能作战系统，以所需的数字化速度培养战争致胜算法，实现相对甚至绝对优势。

必须一步一步地、一起开辟未来的道路。

四、下一个e系列

根据以上概述的弄弯勺子的标准，除eT-7a外，以下项目也达到了e系列要求：下一代空中优势（NGAD）、A-10换机翼项目、B-52商用发动机更换项目（CERP）和陆基战略威慑（GBSD，即下一代陆基核武器）。权威虚拟化可以直接替代或简化真实世界的活动，并且通过范式转换实现全部性能提升！

一些太空项目，如太空快速能力办公室的项目，也开始朝着e卫星的方向启动。我们已经从航空学到了很多，未来必将从航天中学到很多。

此外，基于状态的维护+（CBM+）项目很有可能被命名为e系列，因为它扩展到了空军机队。如果该项目利用权威虚拟化，将先前大量的计划外维护工作转变为因预测而先行的维护工作，那就符合所有条件。当然不一定要成为e系列的平台。

这就引出了空军和太空军的敏捷DevSecOps软件：这些默认就是e系列。但是“e-软件”显得重复且没有必要。相反，需要跟踪这些项目中面向赢得算法战争构建软件方面的进展：（i）流程方面的敏捷DevSecOps，（ii）技术和工艺方面的容器化，（iii）培训和数据交互方面实现机器学习。

虽然这些最初的e系列项目在数字化上并不完美，也永远不会完美，但他们都会对现实世界产生影响。

五、几点启示

1、三位一体的数字化转型会产生巨大的收益。敏捷软件开发能够带给军用软件开发、安全和运维的自动化和标准化，让软件的开发和应用、升级过程摆脱人类速度的制约，提高软件效率和效能，美军也将其视为各军种甚至全国防部范围软件、人工智能技术应用中协调、互操作、复用的基础；开放系统架构能够创建一个更灵活、更易演化升级的系统，可以推动创新，扩大成熟技术采用的范围，优化装备采办和应用的成本、速度和性能曲线；数字工程更是能够通过实现权威虚拟化，取代、自动化或简化现实世界的工程活动。

2、数字化是自动化升级的基础。只有先完成被操作对象的数字化，才能推进相关业务的自动化。在图书、办公、商贸、金融环境中，自动化启动较早，是因为其操作对象（图书、文书、货币信息、商品信息）的数字化比较容易实现。目前，美军全力推进的装备采办和研制的数字化，难度更大，但一旦成功或达到一定的水平，就能够带来更大的自动化潜力，如文中所说，隐身战斗机制造和卫星制造就可能像汽车制造一样，利用机器人技术提高到一个新的自动化水平。

3、装备数字化转型需要细化设计实施规程以及不断的创新总结。基于IT、虚拟化技术的数字化转型，能够极大地减少现实世界的活动，也带来很多的风险可能，因此需要正视历史，正视发展规律，从建筑工业、汽车工业数字化转型中吸取教训，制定详细的实施规程，并在装备数字化转型过程中不断创新和试错总结，提高相关数字化技术的成熟度。

（中国航空工业发展研究中心 李亮）

主编：张洋

本期责编：顾鹏程

本篇供稿：科技信息研究所

标签： 软件开发 基础设施 人工智能