摘要：依賴物理手段規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用產(chǎn)品或系統(tǒng)，通常會(huì)受到時(shí)間、空向、成本、安全的限制,存在研制周期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本高、響應(yīng)不及時(shí)、智能程度低、體系優(yōu)化難等問(wèn)題。數(shù)字工程的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新的思路和方法途徑。為更好的理解數(shù)字工程、發(fā)展數(shù)字工程、發(fā)揮數(shù)字工程效用，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)智化實(shí)踐和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，從物理空間出發(fā)，提出基于“信息空間”提速增效、基于“數(shù)字空間”仿真分析、基于“數(shù)實(shí)空向”虛實(shí)交互、基于“數(shù)智空向”智能決策、基于“數(shù)智生態(tài)”體系優(yōu)化的數(shù)字工程五等級(jí)成熟度模型。
面向數(shù)字中國(guó)優(yōu)質(zhì)高效建設(shè)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，闡明了數(shù)字工程應(yīng)通過(guò)開(kāi)發(fā)“數(shù)力”，運(yùn)用“智力”，進(jìn)而提升體系化解決問(wèn)題和滿足需求“能力”的理解與思考。在數(shù)字工程范疇下，定義了“數(shù)力”和“智力”，以及由“控全局、破孤島、聚能力、跨時(shí)空、強(qiáng)智能、深協(xié)同”組成的數(shù)字工程“能力”，并分析了 NewIT 時(shí)代下數(shù)字工程的六大需求與挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)提出以“智能中樞”為核心，以“物理線程、模型線程、數(shù)據(jù)線程、服務(wù)線程”四線程為主線的數(shù)字工程體系架構(gòu)，并總結(jié)了支撐數(shù)字工程的八類關(guān)鍵技術(shù)。
基于所提架構(gòu)和技術(shù)，面向海陸空天復(fù)雜產(chǎn)品與裝備研制，以及城市、醫(yī)療、能源等復(fù)雜系統(tǒng)工程重大需求，對(duì)核電廠數(shù)字工程、航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字工程、海洋系統(tǒng)及海洋裝備數(shù)字工程、風(fēng)洞數(shù)字工程、未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字工程、城市數(shù)字工程、高檔數(shù)控機(jī)床數(shù)字工程、能源數(shù)字工程、車輛數(shù)字工程等重大領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用展望。期望相關(guān)工作為復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期科學(xué)組織、智能管控和體系優(yōu)化，以及為數(shù)字中國(guó)建設(shè)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞: 數(shù)字工程；數(shù)字孿生；系統(tǒng)工程；人工智能；復(fù)雜系統(tǒng)等
通過(guò)總結(jié)分析當(dāng)前各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型相關(guān)研究與應(yīng)用實(shí)踐，結(jié)合信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、體系化發(fā)展趨勢(shì)，依據(jù)數(shù)字工程在物理域、信息域、過(guò)程域、知識(shí)域四域中的作用范圍，四域開(kāi)發(fā)利用與融合程度，以及數(shù)字工程能夠賦予產(chǎn)品或系統(tǒng)不同程度的各種能力，提出數(shù)字工程五級(jí)成熟度模型：基于信息空間提速增效（數(shù)字工程1.0），基于數(shù)字空間仿真分析（數(shù)字工程2.0），基于數(shù)實(shí)空間虛實(shí)交互（數(shù)字工程3.0），基于數(shù)智空間智能決策（數(shù)字工程4.0），基于數(shù)智生態(tài)體系優(yōu)化（數(shù)字工程5.0），如圖1所示。
圖1 數(shù)字工程成熟度模型
（1）數(shù)字工程不是簡(jiǎn)單的物理對(duì)象數(shù)字化，而是全要素、全過(guò)程、全功能、全業(yè)務(wù)數(shù)字化，進(jìn)而不斷形成“數(shù)力”。
式中，PD表示“數(shù)力”（Digital power），即基于“數(shù)字”的生產(chǎn)力。“數(shù)力”由數(shù)據(jù)、模型、文檔等形式的數(shù)字化要素、過(guò)程、功能和業(yè)務(wù)組成，支撐物理產(chǎn)品或系統(tǒng)仿真分析、預(yù)測(cè)回溯、可視化監(jiān)控等數(shù)字化增值功能的實(shí)現(xiàn)。“數(shù)力”的強(qiáng)弱取決于數(shù)字化要素、過(guò)程、功能和業(yè)務(wù)的完備性和可用性。DE表示數(shù)字化的要素（Digital element），指人員、裝備、工具、產(chǎn)品、物料、環(huán)境等要素的數(shù)字化表示。DP表示數(shù)字化的過(guò)程（Digital process），指要素在時(shí)間域上狀態(tài)變化過(guò)程的數(shù)字化描述，例如飛機(jī)巡航飛行過(guò)程的數(shù)字化描述。DA表示數(shù)字化的要素能力（Digital ability），指要素所具備能力的數(shù)字化描述。DB表示數(shù)字化的業(yè)務(wù)（Digital business），指各種應(yīng)用需求和任務(wù)的數(shù)字化描述。
（2）數(shù)字工程不僅關(guān)注數(shù)字空間，還關(guān)注實(shí)際物理空間，更關(guān)注數(shù)實(shí)空間交互融合。數(shù)字工程強(qiáng)調(diào)從物理世界的實(shí)際需求和問(wèn)題出發(fā)，到數(shù)字世界中深入分析、開(kāi)發(fā)功能、尋求突破，最終返回物理世界賦能物理對(duì)象。
（3）數(shù)字工程不僅需要“數(shù)力”和虛實(shí)融合，更需“智力”。
式中，PI表示“智力”（Intelligence power），即賦予物理產(chǎn)品或系統(tǒng)智慧的能力。“智力”由計(jì)算能力、算法性能、網(wǎng)絡(luò)性能和存儲(chǔ)能力組成，支撐物理產(chǎn)品或系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)，使普通產(chǎn)品或系統(tǒng)升級(jí)為智能產(chǎn)品或智能系統(tǒng)。“智力”的強(qiáng)弱取決于計(jì)算能力、算法性能、網(wǎng)絡(luò)性能和存儲(chǔ)能力的強(qiáng)弱。CP表示算力（Computing power），指計(jì)算機(jī)和服務(wù)器等對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度。AP表示算法性能（Algorithm performance），指算法求解問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，以及能夠解決問(wèn)題的復(fù)雜度和解決程度等。NP 表示網(wǎng)絡(luò)性能（Network performance），指帶寬、時(shí)延、丟包率、安全性和可兼容數(shù)據(jù)接口類型數(shù)量等。表示存儲(chǔ)能力（Storage capacity），指可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量、可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型數(shù)量、數(shù)據(jù)安全性和數(shù)據(jù)讀寫能力等。
（4）數(shù)字工程不是為了數(shù)智化而數(shù)智化，而是通過(guò)開(kāi)發(fā)和利用“數(shù)力”與“智力”，提升體系化解決問(wèn)題和滿足需求的“能力”。數(shù)字工程進(jìn)行數(shù)字化和智能化不是目標(biāo)，而是手段和途徑；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)的數(shù)字化功能和智能化服務(wù)不是數(shù)字工程的終點(diǎn)，而僅僅是階段性成果。數(shù)字工程是需求導(dǎo)向、問(wèn)題導(dǎo)向的工程實(shí)踐范式，要緊密結(jié)合發(fā)展戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)需求，面向?qū)嵺`應(yīng)用過(guò)程中的痛點(diǎn)難點(diǎn)，借助“數(shù)力”和“智力”，在信息空間、數(shù)字空間、數(shù)實(shí)空間中突破物理產(chǎn)品或系統(tǒng)在物理世界中受到的時(shí)間、空間、信息、成本、安全、復(fù)雜度等多方面的局限，在數(shù)智空間和數(shù)智生態(tài)中提升體系化解決問(wèn)題和滿足需求的“能力”。
式中，C 表示“能力”，即實(shí)現(xiàn)物理產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需功能，進(jìn)而解決相應(yīng)問(wèn)題和滿足各種應(yīng)用需求的能力，主要包括六個(gè)方面：
① 控全局（Overall control, OC）：面向產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期，綜合考慮全業(yè)務(wù)、全功能、全要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)的全局感知、全局決策和全局管控的能力。
② 破孤島（Island breaking, IB）：融合海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，打破數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)各類信息完整匯聚與充分共享的能力。
③ 跨時(shí)空（Backtracking and prediction, BP）：基于高保真模型和權(quán)威性數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)品或系統(tǒng)的回溯分析和推演預(yù)測(cè)的能力。
④ 聚能力（Function integration, FI）：集成并服務(wù)化產(chǎn)品、系統(tǒng)、軟件等的虛實(shí)功能，面向全生命周期中動(dòng)態(tài)變化的各種業(yè)務(wù)需求，及時(shí)提供所需功能服務(wù)的能力。
⑤ 強(qiáng)智能（Strong intelligence, SI）：利用強(qiáng)大算力和先進(jìn)算法，基于模型和數(shù)據(jù)挖掘、表示和利用產(chǎn)品或系統(tǒng)知識(shí)，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的智能功能，實(shí)現(xiàn)自治運(yùn)行和迭代進(jìn)化的能力。
⑥ 深協(xié)同（Deep cooperation, DC）：貫通產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期各階段，互聯(lián)全部耦合要素，融合多學(xué)科與多物理場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)體系整體在全過(guò)程中的一致性高效協(xié)同的能力。
（5）數(shù)字工程不是聚焦局部的單元工程，而是放眼全局的系統(tǒng)工程。盡管數(shù)字工程能夠用于解決特定單一問(wèn)題和滿足個(gè)性化需求，但數(shù)字工程更強(qiáng)調(diào)利用物理域、信息域、過(guò)程域、知識(shí)域四域融合，從更高的層次、更全的角度面向需求和問(wèn)題綜合考慮全要素和全信息，力求通過(guò)產(chǎn)品或系統(tǒng)全過(guò)程、全生命周期的系統(tǒng)性組織與統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)全功能的全局最優(yōu)化，進(jìn)而滿足全業(yè)務(wù)需求。
（6）數(shù)字工程不僅強(qiáng)調(diào)全局優(yōu)化，更強(qiáng)調(diào)通過(guò)數(shù)智化手段，縮小預(yù)期與實(shí)際的性能差距。在產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期中，環(huán)境的不確定性、系統(tǒng)的復(fù)雜性和需求的動(dòng)態(tài)性，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品或系統(tǒng)的實(shí)際性能與預(yù)期性能之間產(chǎn)生性能差距，一般可分為階段性性能差距、整體性性能差距和時(shí)效性性能差距三類。
① 階段性性能差距：因產(chǎn)品或系統(tǒng)在研發(fā)、制造和使用過(guò)程中存在的諸多不確定性因素，造成產(chǎn)品或系統(tǒng)在全生命周期各階段的性能層層衰退[21]遞減，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中提供的實(shí)際性能無(wú)法滿足應(yīng)用需求。
② 整體性性能差距：因復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期中的多尺度多物理量變量群與局部性能，以及局部性能與整體性能之間不精準(zhǔn)的非線性耦合關(guān)系，造成產(chǎn)品或系統(tǒng)的整體性能與整體期望性能之間存在性能差距，導(dǎo)致產(chǎn)品或系統(tǒng)的整體性能不及預(yù)期。
③ 時(shí)效性性能差距：因信息流通不暢或相關(guān)管控決策不及時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)品或系統(tǒng)提供的性能與產(chǎn)品或系統(tǒng)當(dāng)前性能需求之間存在性能差距，無(wú)法滿足產(chǎn)品或系統(tǒng)不斷變化的性能需求。
上述三類性能差距使工程效果無(wú)法得到保證，使產(chǎn)品或系統(tǒng)的性能無(wú)法滿足預(yù)期需求。數(shù)字工程的目標(biāo)之一就是通過(guò)信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和體系化，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期的科學(xué)組織和性能管理，并面向動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)需求全局統(tǒng)籌優(yōu)化和及時(shí)響應(yīng)，使因環(huán)境的不確定性、系統(tǒng)的復(fù)雜性和需求的動(dòng)態(tài)性等造成的各種性能差距最小化，逼近“設(shè)計(jì)即所需，設(shè)計(jì)即所得，所得即所需”的理想目標(biāo)。
（7）單一技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程，需綜合運(yùn)用多種技術(shù)。數(shù)字工程由物理對(duì)象、模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、算力、算法、安全等多種要素協(xié)同實(shí)現(xiàn)，涉及需求分析、環(huán)境感知、狀態(tài)認(rèn)知、結(jié)果預(yù)知、決策優(yōu)化、智能運(yùn)維、精準(zhǔn)管控等多方面能力，每種能力都需要相應(yīng)的理論方法、技術(shù)手段和軟件工具支持。
（8）數(shù)字工程不能一蹴而就，需長(zhǎng)時(shí)間積累和沉淀。數(shù)字工程的應(yīng)用對(duì)象多種多樣，規(guī)模大小不一，數(shù)字化基礎(chǔ)參差不齊，所需的全要素、全業(yè)務(wù)、全過(guò)程數(shù)字化模型需要構(gòu)建校驗(yàn)，數(shù)據(jù)需要采集匯聚，知識(shí)需要挖掘沉淀，網(wǎng)絡(luò)需要建設(shè)部署，算力需要整合提升，算法需要泛化精進(jìn)，相關(guān)工作體量和建設(shè)規(guī)模巨大。好軟件是用出來(lái)的，好裝備是試出來(lái)的，數(shù)字工程的發(fā)展不能一蹴而就，應(yīng)重視并落實(shí)①產(chǎn)品或系統(tǒng)的數(shù)字化研制與數(shù)字化交付，②模型、數(shù)據(jù)、知識(shí)等數(shù)字資產(chǎn)的泛化兼容與積累沉淀，以及③相關(guān)支撐技術(shù)的難點(diǎn)突破與數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的全面建設(shè)，穩(wěn)步推進(jìn)數(shù)字工程發(fā)展進(jìn)程。
（9）數(shù)字工程不是面子工程，而是統(tǒng)攬全局的一把手工程。數(shù)字工程是一把手工程，既需要自下而上通過(guò)試點(diǎn)工程以點(diǎn)帶面的尋求突破和探索發(fā)展途徑，更需要自頂而下統(tǒng)籌規(guī)劃，包括但不限于明確發(fā)展目標(biāo)、提供參考架構(gòu)、給出案例模板、創(chuàng)建相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)展數(shù)字基建和優(yōu)化資源分配。
（1）全信息匯聚融合。產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、試驗(yàn)、使用、維護(hù)、報(bào)廢全生命周期各環(huán)節(jié)都需要各類數(shù)據(jù)的直接參與，產(chǎn)品或系統(tǒng)本身也在全生命周期中持續(xù)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵著產(chǎn)品或系統(tǒng)的組成成分、結(jié)構(gòu)特征、時(shí)變特征、功能、性能、當(dāng)前狀態(tài)、歷史過(guò)程、服務(wù)對(duì)象、結(jié)果反饋等諸多有效信息，對(duì)于產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等的智能化尤為重要。因此，需攻克①海量多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚與存儲(chǔ)、②海量異構(gòu)數(shù)據(jù)高效處理與深度融合、③基于融合數(shù)據(jù)的知識(shí)高質(zhì)量挖掘、表示、存儲(chǔ)和利用等挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)的全信息匯聚融合，為數(shù)字工程“數(shù)力”和“智力”的形成提供數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)基礎(chǔ)。
（2）全要素、全過(guò)程、全功能、全業(yè)務(wù)精準(zhǔn)刻畫。在數(shù)字空間中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象深入分析、智能決策和能力提升的前提，是利用模型、數(shù)據(jù)等表現(xiàn)形式精準(zhǔn)刻畫產(chǎn)品或系統(tǒng)相關(guān)要素、過(guò)程、功能和業(yè)務(wù)。因此，需攻克①全要素模型精準(zhǔn)構(gòu)建、②全過(guò)程模型精準(zhǔn)構(gòu)建、③全功能模型精準(zhǔn)構(gòu)建、④全業(yè)務(wù)模型精準(zhǔn)構(gòu)建四個(gè)挑戰(zhàn)，保證數(shù)字空間中的數(shù)字產(chǎn)品或系統(tǒng)完備可靠，并結(jié)合產(chǎn)品或系統(tǒng)全信息，為數(shù)字工程提供強(qiáng)大“數(shù)力”。
（3）全過(guò)程交互協(xié)作。產(chǎn)品或系統(tǒng)的全生命周期包括設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、試驗(yàn)、使用、維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)又涉及諸多串行和并行過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全過(guò)程多方高效交互與協(xié)作，亟需借力傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，攻克①研制階段的多學(xué)科領(lǐng)域、多方多人協(xié)同規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，以及②使用階段的全要素實(shí)時(shí)交互與高效協(xié)同兩大挑戰(zhàn)。
（4）全功能智能優(yōu)化。復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)通常具有多種功能，且需要根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和業(yè)務(wù)需求的變化而進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)度和配置以發(fā)揮出滿足應(yīng)用需求的性能，但由于產(chǎn)品或系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其性能與全要素之間呈現(xiàn)出高度非線性關(guān)系，且動(dòng)態(tài)環(huán)境下需考慮和決策的問(wèn)題繁多、復(fù)雜，由人來(lái)完成產(chǎn)品或系統(tǒng)配置及相關(guān)決策，難以兼顧全局并及時(shí)響應(yīng)。因此，數(shù)字工程需有效組織算力，利用人工智能技術(shù)和相關(guān)先進(jìn)算法，開(kāi)發(fā)并運(yùn)用“智力”，攻克①態(tài)勢(shì)感知與認(rèn)知、②動(dòng)態(tài)智能決策、③決策方案分解與分布式協(xié)同控制等挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度和智能決策，面向動(dòng)態(tài)環(huán)境和需求變化力求尋得全局時(shí)效最優(yōu)。
（5）全業(yè)務(wù)軟件定義。產(chǎn)品或系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)通常面向業(yè)務(wù)需求，而業(yè)務(wù)需求則會(huì)隨外界環(huán)境、服務(wù)對(duì)象、業(yè)務(wù)發(fā)展階段等的變化而變化，這就導(dǎo)致需要不斷調(diào)整產(chǎn)品或系統(tǒng)的部分功能，甚至是不斷開(kāi)發(fā)新的功能來(lái)滿足隨時(shí)變化的業(yè)務(wù)需求，而這種需求變化的頻率在信息爆炸、競(jìng)爭(zhēng)激烈、全球化特征明顯的信息時(shí)代被大幅放大，激化了開(kāi)發(fā)周期、運(yùn)營(yíng)成本和性能等之間的矛盾。因此，數(shù)字工程亟需通過(guò)攻克①產(chǎn)品或系統(tǒng)功能與硬件資源虛擬化、標(biāo)準(zhǔn)化、語(yǔ)義化、服務(wù)化封裝，②服務(wù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)與靈活配置，③軟件功能跨平臺(tái)、跨階段、跨語(yǔ)言集成等挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)軟件定義，解決業(yè)務(wù)需求變化響應(yīng)速度慢、能力集成難的問(wèn)題。
（6）全生命周期可推演、可回溯。物理世界中的產(chǎn)品或系統(tǒng)在時(shí)域中不可逆，但在進(jìn)行產(chǎn)品或系統(tǒng)的故障分析、問(wèn)題回溯、迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，又迫切需要產(chǎn)品或系統(tǒng)再現(xiàn)歷史狀態(tài)；同時(shí)，物理產(chǎn)品或系統(tǒng)也無(wú)法以獨(dú)立的時(shí)間流速快進(jìn)，但在其進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、運(yùn)行維護(hù)、調(diào)度控制時(shí)，卻期望運(yùn)行結(jié)果能夠被預(yù)先知曉。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期范圍內(nèi)的精準(zhǔn)推演和回溯，助力產(chǎn)品或系統(tǒng)的研發(fā)、制造、運(yùn)維等環(huán)節(jié)，亟需攻克①系統(tǒng)狀態(tài)自由配置、②數(shù)據(jù)和模型的一致性聯(lián)動(dòng)仿真、③系統(tǒng)全生命周期各階段融合貫通三個(gè)挑戰(zhàn)。
數(shù)字工程是一種面向產(chǎn)品或系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等階段的需求，從物理世界出發(fā)，通過(guò)利用新一代信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、人工智能技術(shù)等開(kāi)發(fā)利用“數(shù)力”和“智力”，逐步構(gòu)建和完善數(shù)字世界，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并提升體系化解決問(wèn)題和滿足需求“能力”的工程范式，如圖2所示。
圖2 數(shù)字工程抽象概念示意圖
為實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程“控全局、破孤島、跨時(shí)空、聚能力、強(qiáng)智能、深協(xié)同”六大能力，賦能物理產(chǎn)品或系統(tǒng)，進(jìn)而滿足各類應(yīng)用需求，提出以“智能中樞”為核心，以“物理線程、模型線程、數(shù)據(jù)線程、服務(wù)線程”四大線程為主線的數(shù)字工程體系架構(gòu)，如圖3所示。
圖3 數(shù)字工程體系架構(gòu)
（1）物理線程（Physical thread, TP）指物理產(chǎn)品或系統(tǒng)的全生命周期，包括需求分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、生產(chǎn)制造、測(cè)試交付、部署配置和運(yùn)維管控等階段和環(huán)節(jié)。在這一系列物理過(guò)程中，總體應(yīng)用需求被逐步分解降維，以此為依據(jù)，基于分布式合作模式并行開(kāi)展各類產(chǎn)品或系統(tǒng)組件從無(wú)到有的研制過(guò)程。同時(shí)，對(duì)相關(guān)人員、環(huán)境、在用產(chǎn)品、在用系統(tǒng)等現(xiàn)有復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)組件進(jìn)行適應(yīng)性改造和調(diào)整。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)方案依次部署和配置上述系統(tǒng)組件，實(shí)現(xiàn)其耦合關(guān)聯(lián)和體系協(xié)同，并通過(guò)在全生命周期尺度下有效管控各組件性能，以及實(shí)現(xiàn)各組件的智能運(yùn)維，使系統(tǒng)內(nèi)各組件充分發(fā)揮各自功能的固有性能，進(jìn)而使復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)持續(xù)提供符合預(yù)期、滿足應(yīng)用需求的功能服務(wù)。
（2）模型線程（Model thread, TM）指物理產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期中的各類相關(guān)模型，包括需求模型、設(shè)計(jì)模型、實(shí)作模型、產(chǎn)品或系統(tǒng)模型、性能模型、控制模型、演化模型等。模型的形式包括但不限于三維可視化模型、數(shù)學(xué)公式、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型、流程圖模型、多元組模型。這些模型隨著物理產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期進(jìn)程的推進(jìn)，面向當(dāng)前階段的具體任務(wù)和細(xì)分需求，基于現(xiàn)有模型資源進(jìn)行重構(gòu)配置、遷移復(fù)用或利用相應(yīng)的建模軟件從零構(gòu)建獲得，并根據(jù)模型的使用與驗(yàn)證過(guò)程，以及物理產(chǎn)品或系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，不斷更新優(yōu)化并拓展新的內(nèi)容，為當(dāng)前階段的物理過(guò)程提供分析輔助和指導(dǎo)，為下一階段的各類模型提供基礎(chǔ)。
從整體來(lái)看，模型線程與物理世界中的產(chǎn)品或系統(tǒng)形成虛實(shí)鏡像關(guān)系，但從時(shí)域微觀尺度來(lái)看，物理線程與模型線程呈現(xiàn)為互為補(bǔ)充和交錯(cuò)遞進(jìn)關(guān)系，一部分模型基于現(xiàn)有物理部分進(jìn)行數(shù)字化描述，進(jìn)而用于可視化、分析、試驗(yàn)和優(yōu)化，而另一部分則先于物理部分實(shí)現(xiàn)，用于探索實(shí)踐并指導(dǎo)物理線程推進(jìn)，進(jìn)而確保所得物理產(chǎn)品或系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用需求。
（3）數(shù)據(jù)線程（Data thread, TD）指物理產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期中的各種虛實(shí)數(shù)據(jù)，包括需求數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、管控?cái)?shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)等，以及由上述數(shù)據(jù)挖掘得到的數(shù)據(jù)特征與相關(guān)知識(shí)。數(shù)據(jù)的形式包括但不限于數(shù)值、文本、圖像、視頻、音頻。數(shù)據(jù)線程貫通數(shù)字工程的物理世界與數(shù)字世界，貫穿產(chǎn)品或系統(tǒng)的全生命周期，承載著從需求的提出到滿足整個(gè)過(guò)程中的全部信息，其數(shù)據(jù)隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期進(jìn)程的推進(jìn)不斷積累和豐富。
物理世界中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要用于模型的構(gòu)建、校驗(yàn)和運(yùn)行，以及對(duì)物理產(chǎn)品或系統(tǒng)的管理和控制；數(shù)字世界中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要用于方案和過(guò)程的分析、決策和優(yōu)化。此外，數(shù)據(jù)線程還是物理產(chǎn)品或系統(tǒng)、模型和服務(wù)交互的橋梁，以及產(chǎn)品或系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)虛實(shí)一致性、功能智能性和服務(wù)時(shí)效性具有重要意義。
（4）服務(wù)線程（Service thread, TS）指物理產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期中依托各類軟件和程序代碼、插件等實(shí)現(xiàn)的各種功能和服務(wù)，包括感知通信服務(wù)、數(shù)化服務(wù)、仿真分析服務(wù)、智能決策服務(wù)、優(yōu)化服務(wù)、安全管控服務(wù)等。服務(wù)的形式包括但不限于平臺(tái)、軟件、API、工具包、插件、功能塊、功能函數(shù)和具有一定服務(wù)能力的物理與虛擬對(duì)象。
感知通信服務(wù)指基于各種硬件資源實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)感知、信息獲取、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芊?wù)，用于支持物理產(chǎn)品或系統(tǒng)與環(huán)境、人、模型等之間的數(shù)據(jù)交互過(guò)程；數(shù)化服務(wù)指基于物理世界構(gòu)建數(shù)字世界的相關(guān)服務(wù)，包括產(chǎn)品、系統(tǒng)、過(guò)程、業(yè)務(wù)、功能、環(huán)境等全要素模型的構(gòu)建與校驗(yàn)；仿真分析服務(wù)包括回溯分析、預(yù)測(cè)分析、多場(chǎng)耦合分析等服務(wù)，基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)，在數(shù)字世界中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)品或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行過(guò)程以及相關(guān)現(xiàn)象和問(wèn)題的深入分析；
智能決策與優(yōu)化服務(wù)包括知識(shí)挖掘、自主學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)決策、自適應(yīng)、自優(yōu)化等服務(wù)，為產(chǎn)品或系統(tǒng)的智能自治和持續(xù)優(yōu)化進(jìn)化提供基礎(chǔ)；安全管控服務(wù)包括物理產(chǎn)品或系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、安全部署、安全使用和安全控制等服務(wù)，用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)研制、交付、部署、使用和維護(hù)等物理過(guò)程，使產(chǎn)品或系統(tǒng)的能力和價(jià)值得到充分發(fā)揮和利用。
（5）智能中樞（Intelligence center, IC）由算力、算法、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等要素組成，是開(kāi)發(fā)人工智能、賦能產(chǎn)品或系統(tǒng)智能升級(jí)、促進(jìn)四大線程交互融合，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與體系協(xié)同的重要支撐。其中，算力是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和高性能計(jì)算的關(guān)鍵要素，可以有效支持人工智能的實(shí)現(xiàn)，使得數(shù)字工程能夠更好地解決數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用問(wèn)題。以人工智能為代表的各種算法用于指導(dǎo)算力對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理和特征精準(zhǔn)提取，同時(shí)也是基于大數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)和提升產(chǎn)品或系統(tǒng)智能的基礎(chǔ)。
算力和算法為智能中樞提供數(shù)據(jù)處理能力，而存儲(chǔ)則是為智能中樞提供海量數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)的歸類存儲(chǔ)與快速吞吐能力，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息匯聚和知識(shí)積累。網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字工程實(shí)現(xiàn)要素耦合關(guān)聯(lián)、虛實(shí)交互融合、人機(jī)交互協(xié)同、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)管控和時(shí)效智能服務(wù)的重要支撐，網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)連接物理產(chǎn)品、系統(tǒng)、模型、軟件等的數(shù)據(jù)接口，保障數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)、智慧的獲取、傳遞與共享，并利用集中的智慧分布式管控各要素，解決其在各階段過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、算力、算法相輔相成，共同支撐人工智能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，共同構(gòu)成數(shù)字工程的智能中樞，為數(shù)字工程提供強(qiáng)大“智力”。
數(shù)字工程的實(shí)現(xiàn)需要綜合運(yùn)用多種先進(jìn)技術(shù)，為促進(jìn)相關(guān)支撐技術(shù)集成融合應(yīng)用，助力數(shù)字工程快速發(fā)展成熟，分析八類數(shù)字工程關(guān)鍵技術(shù)，提出數(shù)字工程技術(shù)體系，如圖4所示。
圖4 數(shù)字工程技術(shù)體系
面向海陸空天復(fù)雜產(chǎn)品與裝備研制使用，以及城市、醫(yī)療、能源等復(fù)雜巨系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行等重大需求，對(duì)核電廠數(shù)字工程、航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字工程、海洋系統(tǒng)及海洋裝備數(shù)字工程、風(fēng)洞數(shù)字工程、未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字工程、城市數(shù)字工程、高檔數(shù)控機(jī)床數(shù)字工程、能源數(shù)字工程、車輛數(shù)字工程等重大領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用展望，給出了數(shù)字工程范式在不同領(lǐng)域的實(shí)例化應(yīng)用參考，如圖5~14所示。
圖5 基于數(shù)字工程的“五定四預(yù)”核電廠安全可靠運(yùn)維
圖6 基于數(shù)字工程的航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同正向閉環(huán)研制
圖7 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全生命周期數(shù)字工程
圖8 海洋系統(tǒng)/海洋裝備數(shù)字工程及服務(wù)應(yīng)用
圖9 基于風(fēng)洞數(shù)字工程的“兩洞三場(chǎng)”飛行器測(cè)試
圖10 未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字工程
圖11 城市數(shù)字工程及應(yīng)用
圖12 基于數(shù)字工程的高檔數(shù)控機(jī)床智能運(yùn)維管控
圖13 “減碳-析碳-管碳-儲(chǔ)碳”能源數(shù)字工程
圖14 車輛全生命周期數(shù)字工程
參考文獻(xiàn)：[21]郭東明. 高性能制造[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2022，58(21)：225-242.
（1）數(shù)字工程通過(guò)開(kāi)發(fā)和利用“數(shù)力”與“智力”，實(shí)現(xiàn)并提升體系化解決問(wèn)題和滿足需求的“能力”。數(shù)字孿生是數(shù)字工程的重要基礎(chǔ)與載體。
（2）數(shù)字中國(guó)建設(shè)背景下，數(shù)字工程與數(shù)字孿生是助力各行業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)筑國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的有效途徑。
（3）團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字工程五級(jí)（1.0到5.0）成熟度模型，闡述了對(duì)數(shù)字工程的新思考與新理解，分析了數(shù)字工程將面臨的需求與挑戰(zhàn)，提出了數(shù)字工程體系架構(gòu)與技術(shù)體系，并對(duì)十個(gè)重大領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用展望。
（4）未來(lái)，基于提出的數(shù)字工程體系架構(gòu)，探索復(fù)雜產(chǎn)品/裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)-制造-運(yùn)維與復(fù)雜巨系統(tǒng)規(guī)劃-研究-設(shè)計(jì)-構(gòu)建-運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)面向多元應(yīng)用需求與難題體系化攻克的科學(xué)工程范式，具有一定理論研究與應(yīng)用價(jià)值。
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