其它相似觀點

雖然國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略最初是為應(yīng)用于軍事項目制定的，但基本戰(zhàn)略也完全適用于民用和商用航空行業(yè)。事實上，非國防組織已經(jīng)將其完全融入了第四次工業(yè)革命。除了國防價值外，還有公司的利益。最主要的好處是能夠具有將生命周期后期活動提前的能力，那時生產(chǎn)比維護更便宜（例如軟件和硬件修復(fù)）。在降低生命周期后期的修改方面，國防和商業(yè)具有相似的利益。這要求大量的建模方法和對模型開發(fā)的信任度。就像George E.P.Box的名言所說，“所有模型都是錯的，實際問題是它們錯到不能用的程度”。所以，你有多大程度相信不完美的模型？第四次工業(yè)革命強調(diào)的是從應(yīng)用模型確認過去的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為應(yīng)用模型做出決策。那么，為什么多年的經(jīng)驗不能滿足需要呢？系統(tǒng)變得越來越相互依賴，一個系統(tǒng)不僅會影響另一個系統(tǒng)，而且其行為的改變導(dǎo)致不可預(yù)測的緊急事件（該系統(tǒng)會改變另一個系統(tǒng)，導(dǎo)致級聯(lián)效應(yīng)）。經(jīng)驗的作用是有限的，因為沒有一個人或一群人可以知道一切。這就像讓一個知識淵博的人處在一個非常大的相互聯(lián)通的房間里，并預(yù)測每一個場景是不現(xiàn)實的。為開發(fā)出能夠應(yīng)付不斷地增加的相似產(chǎn)品驗證的快速適應(yīng)外部變化的產(chǎn)品快速做出決策，這對國防和商業(yè)同樣重要，它將幫助確立在市場和戰(zhàn)場的統(tǒng)治地位。

建議和下一步工作

本文提出了航空業(yè)統(tǒng)一的數(shù)字孿生體的定義和價值觀點，旨在為促進跨行業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府的合作提供一個基線和理解。企業(yè)從識別的數(shù)字孿生應(yīng)用中獲得更大利益要求在以下通過數(shù)字孿生體應(yīng)用加速價值實現(xiàn)的重點領(lǐng)域和方向開展合作：

1.業(yè)務(wù)和交易（例如向客戶“交付”什么和如何交付？）

數(shù)字孿生體的價值仍沒有在促進和激勵“雙贏”商業(yè)模式中得到清晰的理解或表達，沒有形成跨行業(yè)和政府的理想實踐。

? 經(jīng)濟影響：在確保航空工業(yè)基地的經(jīng)濟健康和福祉的同時，需要對數(shù)字孿生方法能夠在產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和維護方面形成更好決策的影響和經(jīng)濟性方面進行審查。特別是，需要將開發(fā)和維護數(shù)字孿生體的預(yù)投入與其預(yù)期的經(jīng)濟影響/投資回報進行權(quán)衡。

??知識產(chǎn)權(quán)和網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略：為了確保跨生命周期和跨供應(yīng)鏈的數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)應(yīng)用價值的實現(xiàn)，需要對如何管理知識產(chǎn)權(quán)及其保護（如數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問權(quán)），網(wǎng)絡(luò)安全（例如潛在惡意軟件檢測）的戰(zhàn)略進行調(diào)整。

??開發(fā)語言：隨著對價值、經(jīng)濟影響和知識產(chǎn)權(quán)方面的理解和一致性的提升，必須對開發(fā)語言進行重新討論，以建立合適的詞匯、條件，及通過數(shù)字孿生能力加快價值實現(xiàn)的激勵措施。

在這一領(lǐng)域，許多政府和專業(yè)組織正在開展至關(guān)重要的工作，但由于各自觀點，工作經(jīng)常孤立和不協(xié)調(diào)。

2．技術(shù)和分析（例如：實踐、學(xué)習(xí)課程和加快價值實現(xiàn)的技術(shù)投資需求？）

雖然一些航空行業(yè)單位已經(jīng)在應(yīng)用數(shù)字孿生方面取得了實質(zhì)性進展，但數(shù)字孿生的推廣和應(yīng)用依然受到一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

??標(biāo)準(zhǔn)：需要制定標(biāo)準(zhǔn)和/或方法，以便數(shù)字孿生體能夠與跨生命周期和供應(yīng)鏈的其它數(shù)字孿生體交互。許多專業(yè)協(xié)會正在致力于制訂跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但依然受到協(xié)調(diào)和認知方面的限制。在數(shù)字孿生應(yīng)用的案例中，大多數(shù)商業(yè)部分都是保密的。通過建立基礎(chǔ)開放標(biāo)準(zhǔn)（如數(shù)據(jù)和模型）和生命周期框架，可以實現(xiàn)巨大價值和增強協(xié)作。因此，在開放的要素方面還應(yīng)給予更多的關(guān)注和努力。

??工具和方法：為了改進數(shù)字孿生體在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的質(zhì)量和實踐，還需要進一步開展一系列工具和方法的開發(fā)和改進，包括但不限于多物理建模、概率框架開發(fā)、配置管理方面的人工智能和機器學(xué)習(xí)，以減輕人工負擔(dān)，增加數(shù)字孿生體的連通性、驗證/確認/認可、認證和不確定性的定量化。此外，為加快行業(yè)的理解、適用和應(yīng)用，還需要一個可信的工程工具和實踐方法清單。

??數(shù)據(jù)管理：鑒于數(shù)字孿生模型在安全性、輸出和知識產(chǎn)權(quán)方面的敏感性，關(guān)于數(shù)字孿生模型怎么存貯和維護需要有一個業(yè)界認可的解決方案，以滿足適航局關(guān)于長期存檔和檢索（LOTAR）方法的要求。除了模型和仿真的存儲和維護外，對“孿生數(shù)據(jù)”的接收和維護，如性能、可靠性和故障數(shù)據(jù)也很重要，就像沒有連接的物理實體，數(shù)字孿生就不存在一樣。

??基礎(chǔ)設(shè)施：盡管大型企業(yè)和政府合作者已經(jīng)內(nèi)部建成了大量的信息技術(shù)平臺，用于支持數(shù)字孿生體和數(shù)字企業(yè)的實現(xiàn)，但航空行業(yè)的中小型企業(yè)普遍還沒有實現(xiàn)。需求進一步強調(diào)的是不斷出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全（如惡意數(shù)據(jù)）威脅和相關(guān)需求，這就要求定義能夠支持實時接收來自客戶、供應(yīng)商的權(quán)威來源的可信數(shù)據(jù)的集成數(shù)字環(huán)境（IDE）的相關(guān)需求，與此同時，保護知識產(chǎn)權(quán)、支持向后兼容、防止跨多供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)惡意破壞。

盡管許多專業(yè)團體和政府為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)都做出了努力，但還沒有一個航空業(yè)組織參與跨行業(yè)和政府組織的關(guān)于數(shù)字孿生體效益在企業(yè)中實現(xiàn)的魯棒和透明性討論。

3.文化（例如：工業(yè)界如何為實全面價值現(xiàn)轉(zhuǎn)變心態(tài)？）

在新概念普及早期，慣性思維很常見。雖然數(shù)字孿生體概念已被主流接受，但它尚未展現(xiàn)出其全部價值，主要挑戰(zhàn)如下：

??術(shù)語：盡管本文已建立了數(shù)字孿生體的統(tǒng)一定義，但許多組織對與數(shù)字企業(yè)相關(guān)的數(shù)字孿生體仍然有自己的理解。為了支持整個航空業(yè)的一致性和通信，需要建立通用的零件分類方法（例如：手、輪胎、尾燈），每個零件的本體概念（例如：旋轉(zhuǎn)、失速、飛行高層），并將美國英語命名所有信息和相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)既包含數(shù)字（即度量）也包含詞匯（即語義）。每個數(shù)字孿生體針對每種飛機類型都有一組相關(guān)且有限的語義詞匯。數(shù)字孿生體的術(shù)語、定義、分類和本體的語言必須標(biāo)準(zhǔn)化，以確保普遍理解和互操作性，這保證數(shù)字孿生體的互操作性設(shè)計，避免創(chuàng)建不可互操作的專有孿生體（例如：詞匯和表達不匹配，任意假設(shè)）。

??勞動力發(fā)展：通過對勞動力的適當(dāng)教育和培訓(xùn)，形成、培養(yǎng)和發(fā)展勞動力的關(guān)鍵技能。數(shù)字孿生體的開發(fā)需要多學(xué)科交叉技能，包括但不限于：系統(tǒng)工程、系統(tǒng)思維和架構(gòu)、數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)/人工智能、統(tǒng)計/概率、建模和仿真、不確定性量化和決策科學(xué)，這些知識很少在課程中教授。為了保證未來勞動力的相關(guān)能力，應(yīng)當(dāng)按行業(yè)和政府組織的需求和計劃，啟動包含上述學(xué)科的新多學(xué)科教育計劃。

??分析認證：盡管通過增加使用建模和仿真加速設(shè)計和制造認證/資質(zhì)的好處是巨大的，但當(dāng)前的監(jiān)管要求、政策和環(huán)境限制了這一利益的完全實現(xiàn)。仍然需要工業(yè)和適航局的合作進行從傳統(tǒng)的“設(shè)計-建造-測試”過渡到“模型-分析-建造” 方法的合適轉(zhuǎn)化，以加速產(chǎn)品和過程認證/鑒定。在這種情況下，并不會完全刪除試驗，相反，將需要更多的針對性的物理試驗：1）驗證、確認、校準(zhǔn)和/或模型與模擬不確定性的定量化；2）彌合知識鴻溝。AIAA正在編寫一份分析認證實踐手冊，提供該領(lǐng)域的機遇、挑戰(zhàn)和指導(dǎo)。

鑒于上述挑戰(zhàn)、差距和需求，航空業(yè)界建議建立一個跨學(xué)術(shù)、工業(yè)、政府和相關(guān)認證機構(gòu)的數(shù)字孿生“卓越中心”，用于：

• -對數(shù)字孿生體價值進行清晰定義和協(xié)調(diào)；

• -致力于解決和彌合上述的業(yè)務(wù)、技術(shù)和文化鴻溝；

• -為政府采購和基于共同的價值和差距評估的投資提供指導(dǎo)；

• -形成一個權(quán)威服務(wù)機構(gòu)，建立和分享經(jīng)驗、實踐和標(biāo)準(zhǔn)化；

• -作為一個權(quán)威服務(wù)機構(gòu)為應(yīng)用就緒程度質(zhì)量管理建立數(shù)字孿生體的驗證、確認、認可和成熟度水平認證；

• -支撐勞力發(fā)展和教育課程；

• -在基于分析的認證工作中，促使行業(yè)和適航機構(gòu)在適當(dāng)采用數(shù)字孿生體方面進行合作。

建立航空工業(yè)數(shù)字孿生卓越協(xié)作中心的初步構(gòu)想離不開當(dāng)前學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的經(jīng)驗和實踐，包括：

• -AIAA數(shù)字工程集成委員會（DEIC）

• -AIAA分析認證協(xié)會（CbA）

• -AIA互操作業(yè)務(wù)技術(shù)委員會（BTIC）

• -美國國防部長辦公室資助的數(shù)字工程工作組（DEWG）

• -美國空軍企業(yè)數(shù)字工程辦公室（DEEO）

• -國際系統(tǒng)工程協(xié)會(INCOSE)

• -對象管理組織數(shù)字孿生聯(lián)盟

此外，應(yīng)有目的有意識吸收其他專業(yè)團體參與相關(guān)工作，以確保實踐在其他團體中的應(yīng)用。上述提及的專業(yè)協(xié)會和政府項目已經(jīng)部分地利用了數(shù)字孿生能力，但沒有形成更廣泛的產(chǎn)業(yè)合作路徑。本文中涉及的數(shù)字線程、數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)模型還有待開發(fā)，還應(yīng)探索這些數(shù)字工程主題的合作案例。事實上，本文的下一步工作是研究數(shù)字孿生現(xiàn)象的合作案例?，F(xiàn)在是航空工業(yè)加速從這一變革中獲益的時候了。

國防部對基于巨大互聯(lián)系統(tǒng)國家安全問題特別感興趣。圖2描述了國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略的五個目標(biāo)，它與工業(yè)數(shù)字孿生體相似。例如，國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略的第一個目標(biāo)（圖2中部紫色頂矩形）是“為形成企業(yè)和項目的決策，規(guī)范化模型的開發(fā)、集成和使用”。數(shù)字孿生原則中與此目標(biāo)相對應(yīng)的目標(biāo)如右上紫色矩形所示。其余四個原則具有類似的對稱性。

國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略與行業(yè)數(shù)字孿生體的觀點之間的一致性來源于人們研究協(xié)作。這需要國防部和工業(yè)界建立伙伴關(guān)系，雙方都能實現(xiàn)各自的價值。為確保這種伙伴關(guān)系，本文的支持組織代表的是行業(yè)的聲音，并將持續(xù)與國防部的合作。這種伙伴關(guān)系涉及許多不同的關(guān)系：直接的（國防部和特定組織），協(xié)作的（國防部和工作組），間接的（國防部和專業(yè)協(xié)會）。

圖2數(shù)字孿生體與國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略對比