電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)方法、路徑和實施要點
發(fā)布時間：2023-11-30 作者：www.xstr.xyz
預(yù)警探測、電子對抗和網(wǎng)絡(luò)通信等電子信息裝備是未來戰(zhàn)場電磁作戰(zhàn)域的關(guān)鍵節(jié)點，對未來戰(zhàn)場制勝起關(guān)鍵作用，同時也面臨著更大的作戰(zhàn)形態(tài)挑戰(zhàn)和更高的用戶使用要求，迫切需要加速數(shù)字化研發(fā)模型轉(zhuǎn)型，充分運用“云、大、物、智”等新興技術(shù)，克服傳統(tǒng)研發(fā)模式的弊端和局限，縮短裝備交付周期，提升裝備作戰(zhàn)效能，在大國的裝備競爭賽道上搶占主動權(quán)。
1 數(shù)字化研發(fā)的相關(guān)概念內(nèi)涵
1.1 概念內(nèi)涵
武器裝備數(shù)字化研發(fā)是武器裝備數(shù)字化的重要一環(huán)，在數(shù)字空間并行開展、提前開展甚至是替代開展實體空間的裝備研發(fā)活動，通過以虛代實、虛實結(jié)合與數(shù)字孿生等形式，大幅提升研發(fā)效率，全面降低研制成本。
1.2 本質(zhì)優(yōu)勢
裝備數(shù)字化研發(fā)的第一個優(yōu)勢在于利用高效算力替代人工活動。相比于傳統(tǒng)設(shè)計研發(fā)，數(shù)字化空間中開展的數(shù)字化研發(fā)可充分發(fā)揮計算機大算力優(yōu)勢，實現(xiàn)自動化、智能化輔助設(shè)計與海量方案的復(fù)雜計算仿真。
裝備數(shù)字化研發(fā)的第二個優(yōu)勢在于數(shù)字實體可互認、聯(lián)動與互操作。基于數(shù)字化的天然優(yōu)勢，數(shù)字化研發(fā)模式可實現(xiàn)多層級模型貫穿、各專業(yè)協(xié)同聯(lián)動、多層級敏捷集成、全系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化高效設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、知識的高效傳承和復(fù)用。
裝備數(shù)字化研發(fā)的第三個優(yōu)勢在于數(shù)字實體可簡易復(fù)制。數(shù)字空間具有無限拓展的特點，對裝備承研方而言，軍事裝備和力量可無成本地快速、大量復(fù)制，支持自身體系作戰(zhàn)推演、并行性能驗證。同時通過模型復(fù)制，承研方可便捷發(fā)布共享裝備模型，支撐利益相關(guān)方按需使用、試用、集成、訓練。
裝備數(shù)字化研發(fā)的第四個優(yōu)勢在于數(shù)字實體消耗毀傷無代價。數(shù)字空間中的裝備、作戰(zhàn)力量可無代價地毀傷、消耗，極大降低了利益相關(guān)方測試與試驗的成本。各相關(guān)方可在數(shù)字空間中無顧忌地開展各類裝備作戰(zhàn)運用，為裝備體系的優(yōu)化提供更多機會和優(yōu)勢。
裝備數(shù)字化研發(fā)的第五個優(yōu)勢在于作戰(zhàn)過程可超現(xiàn)實、超實時開展推進。算力允許的條件下，在數(shù)字空間能夠以遠超現(xiàn)實的速度開展作戰(zhàn)推演、運行仿真、作戰(zhàn)訓練，大幅減少時間成本、提升仿真迭代效率、顯著提升訓練效率效果并且時間可控，同時可按需快進、減慢、快退、暫停甚至跳轉(zhuǎn)，這種靈活性為裝備研究、體系研究提供了更充分的探索機會。
1.3 賦能機理
裝備數(shù)字化研發(fā)在設(shè)計環(huán)節(jié)主要產(chǎn)生“增效”得益。裝備數(shù)字化廣泛采取基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，其相對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程（SE），增效來源于：1）自動化設(shè)計替代人工設(shè)計的增效；2）模型數(shù)據(jù)間數(shù)字化嚴謹、周全的描述以及快捷互認傳遞，避免了人工的數(shù)據(jù) I/O 堵點，降低了人工之間溝通成本的增效；3）數(shù)字化的模型庫/數(shù)據(jù)庫更易于傳承復(fù)用的增效。
裝備設(shè)計環(huán)節(jié)“新質(zhì)”得益目前已初見端倪。數(shù)字化設(shè)計方法與 AI 等技術(shù)的結(jié)合運用，將實現(xiàn)超越人工設(shè)計水平和能力的“新質(zhì)”得益。基于人工智能技術(shù)，可自動生成海量設(shè)計方案，并通過高效逼真仿真驗證，不斷派生演化、評估篩選、迭代優(yōu)化設(shè)計方案，收斂獲得出色的裝備設(shè)計方案。
裝備數(shù)字化研發(fā)的驗證環(huán)節(jié)是關(guān)鍵過程，產(chǎn)生“新質(zhì)”能力。其革命性主要來源于上文介紹過的“左移”到開發(fā)前的超現(xiàn)實、超實時、多場景、大樣本驗證，從而提前充分發(fā)現(xiàn)問題和不足，解決問題，優(yōu)化設(shè)計。
2 裝備數(shù)字化研發(fā)的重要意義
裝備數(shù)字化研發(fā)是體系作戰(zhàn)的必然要求。未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)空間將覆蓋陸、海、空、天、電、網(wǎng)等各作戰(zhàn)域，作戰(zhàn)方式將由裝備間對抗向體系間對抗轉(zhuǎn)變。隨著體系對抗的日趨激烈，威脅環(huán)境動態(tài)時敏變化，作戰(zhàn)需求愈加多樣，裝備系統(tǒng)的功能性能要求和復(fù)雜度也隨著急劇攀升。面向強敵對我的軍事威脅以及數(shù)字化方面的競爭態(tài)勢，我國亟需加速裝備數(shù)字化研發(fā)模式轉(zhuǎn)型。
裝備數(shù)字化研發(fā)是大國博弈的必爭高地。世界軍事強國競相利用數(shù)字技術(shù)推進裝備建設(shè)發(fā)展轉(zhuǎn)型，加速搶占數(shù)字變革的主動權(quán)。美空軍在 2013 年發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件中，將數(shù)字線索（Digital Thread）和數(shù)字孿生（Digital Twin）視為“改變游戲規(guī)劃”的顛覆性機遇。2018 年美國國防部正式對外發(fā)布“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”，通過構(gòu)建數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，將國防部以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、以數(shù)字模型為中心的范式。2021 年 4 月，美國空軍發(fā)布的《雙年采辦報告》透露，下一代空中主宰（NGAD）和 B-21轟炸機等多個探路者項目，已不同程度地應(yīng)用了數(shù)字工程方法。目前，美空軍正在建立基于數(shù)字工程的裝備論證、研制、生產(chǎn)及保障流程，相關(guān)工作已取得顯著成效。
圖 1 美軍數(shù)字工程歷程及應(yīng)用
裝備數(shù)字化研發(fā)是科技進步的必然形態(tài)。伴隨著以網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化為特征的數(shù)字新時代加速到來，裝備研發(fā)也進入了數(shù)字時代。深入運用多學科仿真、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字技術(shù)，對提升裝備性能，縮短裝備交付周期具有重要意義。未來隨著云計算、超級計算甚至量子計算技術(shù)的不斷發(fā)展，裝備數(shù)字化建設(shè)將逐步擺脫計算能力的局限，應(yīng)用范圍必將更加廣泛，從而深刻改變裝備研發(fā)的模式，甚至是未來戰(zhàn)爭的形態(tài)。
3 電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)總體形勢
隨著體系化作戰(zhàn)樣式的不斷演進，預(yù)警探測、電子對抗、網(wǎng)絡(luò)通訊等電子信息裝備面臨作戰(zhàn)對象混合化、集群化，電磁環(huán)境多樣化、復(fù)雜化，裝備需求體系化、智能化等態(tài)勢，功能集成度、專業(yè)融合度、系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提升，研發(fā)周期和質(zhì)量要求日益嚴苛。
3.1 裝備特點與研發(fā)側(cè)重
電子信息裝備的特點在于，一方面與航天、飛機、船舶等裝備相比，電子信息裝備多為載荷、配件、軟件，或為地面系統(tǒng)，工作環(huán)境相對較穩(wěn)定，因此力、熱、電、磁、流為代表的多物理場仿真復(fù)雜性、難度都相對較低；另一方面，電子信息裝備工作模式多樣、功能組成復(fù)雜，電訊相關(guān)的功能邏輯、處理算法更是電子信息裝備的靈魂，是其關(guān)鍵性能評價標準，需要在任務(wù)級、交戰(zhàn)級、信號級等多層次進行需求傳遞、設(shè)計與仿真驗證。因此，對電子裝備而言，功能邏輯建模仿真較多物理建模仿真更為重要，是數(shù)字化研發(fā)應(yīng)該重點關(guān)注和加強的關(guān)鍵內(nèi)容。
3.2 數(shù)字化研發(fā)現(xiàn)狀
整體上，電子信息裝備行業(yè)內(nèi)相關(guān)裝備研發(fā)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型尚在起步階段，主要表現(xiàn)為研發(fā)工具普及率不高，功能性能仿真軟件、EDA 設(shè)計軟件對外依存度過高，型號產(chǎn)品數(shù)字化應(yīng)用尚處試點階段，數(shù)字試驗基本空白，全三維結(jié)構(gòu)設(shè)計只在少數(shù)單位實現(xiàn)。總體來說，電子信息裝備行業(yè)研發(fā)數(shù)字化水平與國外先進水平有十余年的差距。
3.3 推進難點分析
數(shù)字化研發(fā)模式轉(zhuǎn)型涉及面廣、變革性強。電子信息裝備數(shù)字化涉及各個專業(yè)領(lǐng)域，貫穿論證、設(shè)計、驗證、生產(chǎn)、保障等各環(huán)節(jié)，覆蓋機制、流程、標準、軟件等各要素，面臨組織、管理、文化、習慣、技術(shù)等各方面挑戰(zhàn)。
數(shù)字化研發(fā)模式轉(zhuǎn)型改革的內(nèi)驅(qū)力不足。成本代價方面，相對于航空航天裝備的技術(shù)狀態(tài)變更帶來的高成本代價，電子信息裝備技術(shù)狀態(tài)變更導(dǎo)致的代價更小，各類問題更多地可依賴現(xiàn)場調(diào)試解決，因此降低了基于 MBSE 方法實現(xiàn)設(shè)計階段完成仿真驗證的實施動力。考核驗收方面，當前電子裝備驗收場景簡單，偏向簡單的功能指標達成，而面向復(fù)雜戰(zhàn)場、體系化的考核條件尚不完備，未能顯現(xiàn)落地為驗收要求，因此也弱化了基于數(shù)字化戰(zhàn)場實現(xiàn)復(fù)雜功能和高性能仿真驗證的要求，導(dǎo)致數(shù)字化研發(fā)的內(nèi)驅(qū)力不足。
數(shù)字化研發(fā)模式轉(zhuǎn)型探索起步難，見效晚。起步上，方法路徑不清晰、工具軟件不健全、模型數(shù)據(jù)庫缺乏、經(jīng)驗缺乏問題多，需要探索摸索，會走彎路。流程上，一是將細化設(shè)計前移，總師、總體工作量加大，設(shè)計能力要求提高；二是將驗證左移到裝備實物制造之前的設(shè)計開發(fā)階段，加大了前期研發(fā)的工作量。上述兩方面導(dǎo)致在數(shù)字化轉(zhuǎn)型初期以及裝備研發(fā)的初期，研發(fā)人員的困難大、效益低，阻礙了數(shù)字化研發(fā)模型的轉(zhuǎn)型推進。
4 數(shù)字化研發(fā)模式推進的原則思路
4.1 抓緊數(shù)字化研發(fā)的重點要點
當前電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)整體呈現(xiàn)出“結(jié)構(gòu)強，電訊弱”的特點，因此數(shù)字化研發(fā)一是要重點開展電訊整機功能邏輯模型的建模仿真能力建設(shè)；二是打通電訊整機功能邏輯模型與任務(wù)級、交戰(zhàn)級、工程級仿真模型的接口；三是要打通電訊整機功能邏輯模型與力、熱、磁、流等多物理仿真軟件接口；四是積極開展基于電訊整體功能邏輯模型的數(shù)字試驗研究，實現(xiàn)數(shù)字化能力供給。
4.2 遵循 MBSE 的根本方法與特色
電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)要緊扣 MBSE 方法，一方面從上而下層層設(shè)計分解，另一方面開展模型構(gòu)建后及時進行仿真驗證，實現(xiàn)設(shè)計方案的多層級閉環(huán)驗證，在設(shè)計階段盡早排除設(shè)計風險，縮短實物集成測試周期。
依據(jù) MBSE 方法，電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)設(shè)計模型可為體系級、系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級等。裝備論證階段，設(shè)計開發(fā)體系級模型開展作戰(zhàn)仿真，充分驗證評估裝備概念設(shè)計結(jié)果，優(yōu)選裝備戰(zhàn)技指標與概念方案；系統(tǒng)設(shè)計階段，通過整機系統(tǒng)電訊邏輯仿真、物理結(jié)構(gòu)仿真，驗證裝備具體設(shè)計合理性，并利用系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果更新體系級模型，確保裝備設(shè)計符合作戰(zhàn)運用需求；分系統(tǒng)設(shè)計階段，開展多學科仿真，驗證技術(shù)指標分配合理性和詳細設(shè)計的有效性，同時設(shè)計結(jié)果更新系統(tǒng)級模型、體系級模型。方案經(jīng)充分驗證后，完成詳細設(shè)計、生產(chǎn)制造、系統(tǒng)構(gòu)建、集成測試。通過多輪設(shè)計-仿真-優(yōu)化，可有效減少裝備設(shè)計環(huán)節(jié)引入的設(shè)計缺陷，實現(xiàn)提質(zhì)增效。
4.3 圍繞模型貫穿流程的核心主線
電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)要以模型貫穿裝備建設(shè)全流程為核心主線，開展模型構(gòu)建、驗證與傳遞，形成“數(shù)字主線”。具體要重點開展裝備論證、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造階段的模型建設(shè)、驗證與傳遞，以“數(shù)字主線”提綱挈領(lǐng)，牽引標準、軟件、數(shù)據(jù)、管理等各方面開展建設(shè)。
5 數(shù)字化研發(fā)模式內(nèi)容與形式
在數(shù)字化研發(fā)模式下，電子信息裝備論證要由定性向定量轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的裝備論證基于經(jīng)驗開展，戰(zhàn)技指標、技術(shù)路線不能充分優(yōu)選，反復(fù)論證效率低下。數(shù)字化研發(fā)模式下，在裝備論證階段應(yīng)用DoDAF 等體系架構(gòu)設(shè)計工具源圖以及體系仿真推演平臺，通過架構(gòu)設(shè)計與推演仿真結(jié)合，充分優(yōu)化裝備戰(zhàn)術(shù)指標，實現(xiàn)裝備體系貢獻度的最大化，確保裝備滿足作戰(zhàn)體系的應(yīng)用需求。
裝備設(shè)計要由文檔傳遞向模型協(xié)同轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的裝備設(shè)計往往基于文檔傳遞設(shè)計結(jié)果，溝通效率低下，設(shè)計指標優(yōu)化不充分。數(shù)字化研發(fā)模式下，應(yīng)用 MBSE 工具軟件平臺實現(xiàn)電子信息裝備數(shù)字化設(shè)計，支撐基于模型的總體分系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計，提升設(shè)計效率；運用仿真全壽期管理平臺開展基于模型的多專業(yè)設(shè)計驗證，充分優(yōu)化設(shè)計指標。
裝備生產(chǎn)要由人力主導(dǎo)向智能主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的電子信息裝備生產(chǎn)，生產(chǎn)計劃制定、原料配送、加工制造都依賴人力，容易受人為因素干擾。數(shù)字化研發(fā)模式下，通過車間管理信息系統(tǒng)等數(shù)字化平臺工具，實現(xiàn)高效排程調(diào)度、物料精準配送、制造自動執(zhí)行、工藝優(yōu)化決策。
裝備試驗要由實物驗證向虛實結(jié)合驗證轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的試驗驗證往往采用實物驗證，周期長、成本高，無法摸清電子信息裝備能力底數(shù)。數(shù)字化研發(fā)模式下，采用虛實結(jié)合的半實物驗證手段，面向?qū)崙?zhàn)構(gòu)建各種典型作戰(zhàn)場景，驗證電子信息裝備在電磁對抗和多目標環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。
6 電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)實施路徑
站在電子信息裝備數(shù)字化研發(fā)角度，數(shù)字化推廣應(yīng)用可采取以下措施。
一是梳理研發(fā)能力提升的卡點，形成數(shù)字化研發(fā)的重點。在瞄準能力生成的原則下，分析與梳理本領(lǐng)域、本單位限制效率提升的堵點、卡點環(huán)節(jié)，梳理影響性能提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并結(jié)合數(shù)字化研發(fā)的賦能范圍和賦能機理，總結(jié)收斂形成數(shù)字化研發(fā)的重點環(huán)節(jié)和工作內(nèi)容。
二是梳理模型貫穿的數(shù)字化研發(fā)技術(shù)途徑。面向模型構(gòu)建與仿真驗證，梳理本領(lǐng)域、本單位各研發(fā)環(huán)節(jié)需要重點構(gòu)建與仿真的模型，形成關(guān)要模型體系；研究設(shè)計各階段環(huán)節(jié)模型前后承接、貫穿聯(lián)通的建模仿真路線圖；對各個模型，梳理模型角色定位、模型內(nèi)容、建模要點、建模軟件、仿真要點及仿真軟件等關(guān)鍵要素。
三是加強頂層領(lǐng)導(dǎo)與組織管理。面向數(shù)字化研發(fā)模式轉(zhuǎn)變的復(fù)雜性、變革性，加強單位上層領(lǐng)導(dǎo)的戰(zhàn)略引領(lǐng)和頂層推進，加強單位內(nèi)數(shù)字化研發(fā)理念、能力生成機理、方法途徑的宣貫和學習，實現(xiàn)思想認識統(tǒng)一、全員凝心聚力。結(jié)合本領(lǐng)域、本單位的產(chǎn)品研發(fā)特點，充分分析并預(yù)估數(shù)字化推進的共性或個性難點問題，科學組織建立數(shù)字化推進、實踐研發(fā)團隊，科學系統(tǒng)地推進數(shù)字化工作。
四是開展典型產(chǎn)品的試點示范，以點帶面推進轉(zhuǎn)型工作。選取典型產(chǎn)品，在高效可控的組織范圍先行開展數(shù)字化試點。以產(chǎn)品的建模仿真為抓手和主線，牽引開展軟件平臺、方法機制、管理制度、標準規(guī)范的能力建設(shè)，為全面推廣構(gòu)建基礎(chǔ)。加強產(chǎn)品運用與能力建設(shè)的互促互進和協(xié)同進步，切忌“一條腿走路”。同時做好轉(zhuǎn)型起步階段的“爬雪山、過草地”陣痛期準備，瞄準不同的階段目標，分多輪開展，循序漸進，切忌遇難而退、半途而廢。
7 數(shù)字化推廣應(yīng)用的實施要點
生態(tài)建設(shè)層面，推進以下要點工作，可進一步加快電子信息裝備數(shù)字化整體轉(zhuǎn)型。
一是研究建立知識產(chǎn)權(quán)保護機制。數(shù)字化推廣面臨的一個重要問題就是缺乏模型庫，包括通用庫與電子信息裝備的專業(yè)庫。基于模型庫開展模型重用與共享會極大減少工程中的重復(fù)工作，是數(shù)字化發(fā)揮作用的關(guān)鍵。必須建立權(quán)責明晰的知識產(chǎn)權(quán)保護機制，有力保障模型產(chǎn)生方的權(quán)益，有效解決各方不敢交、不愿交模型的問題，進而加快模型庫的構(gòu)建和共享共用。
二是加快建設(shè)推廣數(shù)字化平臺工具。電子信息裝備數(shù)字化面臨的另一個重要問題就是缺乏通用、好用的平臺工具。為此一方面要優(yōu)選軟件工具，建立平臺工具白名單，在行業(yè)內(nèi)全面推廣應(yīng)用。另一方面切實加強自主可控替代，貼合國內(nèi)裝備研發(fā)實際，開發(fā)出更適用、更好用的平臺工具。
三是全面開展數(shù)字化標準規(guī)范建設(shè)。長期以來，電子信息裝備數(shù)字化領(lǐng)域“孤島”現(xiàn)象明顯，平臺不互通、模型不兼容，集成困難；模型評價準則尚未建立，難以量化衡量模型成果，導(dǎo)致對模型的完備性、逼真度等關(guān)鍵性能牽引能力弱。后續(xù)可分兩步走，短期圍繞建模仿真，統(tǒng)籌建立電子信息裝備數(shù)字化核心標準體系，實現(xiàn)標準互認，數(shù)據(jù)互通；長期來看，需要持續(xù)建設(shè)完善數(shù)字化標準體系，覆蓋裝備研制、經(jīng)營管理、平臺工具與基礎(chǔ)設(shè)施等方面，支撐數(shù)字化良性生態(tài)的全面形成。
8 結(jié)束語
裝備數(shù)字化研發(fā)具備效率高、成本低的顯著特點，順應(yīng)了未來體系作戰(zhàn)的需求，是數(shù)字技術(shù)推動下的必然產(chǎn)物。然而電子信息裝備在數(shù)字化研發(fā)推廣過程中，由于涉及面廣、變革性強、起步難見效晚及轉(zhuǎn)型內(nèi)驅(qū)力不足等問題，進展較為緩慢，電訊整機功能邏輯建模仿真短板尤為突出。
針對電子信息裝備的數(shù)字化研發(fā)，后續(xù)應(yīng)牢牢把握推進原則，緊抓功能邏輯仿真，遵循 MBSE 方法，建立模型貫穿流程的核心主線。從實施上看，后續(xù)應(yīng)梳理形成數(shù)字化研發(fā)的重點，加強頂層領(lǐng)導(dǎo)與組織管理，開展典型產(chǎn)品的試點示范，以點帶面推進轉(zhuǎn)型工作，同時開展知識產(chǎn)權(quán)保護機制、標準規(guī)范建設(shè)，同時大力推廣數(shù)字化平臺工具，多管齊下推進數(shù)字化研發(fā)在電子信息裝備領(lǐng)域全面應(yīng)用。