国外军工案例解读---洛克希德马丁

一、智慧企业的背景

随着网络中心战（Network-centric warfare）明显渗入到军事中的每个领域，强调通过战场各个作战单元的网络化，把信息优势变为作战优势，使各分散配置的部队共同感知战场态势，协调行动，从而发挥最大作战效能的作战样式。网络中心战已经从作战力量的“平台对抗”发展到“体系对抗”，这种变化导致武器装备体系的规模越来越大，系统之间的连接越来越复杂，对互联、互通、互操作的要求越来越高，任何一个系统的缺陷都会造成整个体系作战效能的大幅下降，甚至失效。

发端于二十世纪九十年代的集成产品开发（IPD）、并行工程（CE）以及产品生命周期管理（PLM），以及近年来云计算、大数据等IT技术的发展，为高度柔性、全球协同的智能制造模式的发展奠定了基础，智慧企业正是在应对高复杂度的背景下产生的，简单直接地说，智慧企业就是数字化模型定义的方法在企业层面广泛的应用，由“智”生“慧”，从信息和状态的及时感知捕获进化到业务活动的自主决策和精准预测。

基于模型的企业（Model Based Enterprise）是2004年美国提出NGMTI（下一代制造技术计划）提出企业概念，是智慧企业的另一种表达方式，即充分利用建模、仿真技术来描述、分析和管理与产品设计、制造和后期支持服务相关的所有技术、商业过程，紧紧围绕以产品实现为中心，极大地改善和促进不同主体、不同专业、不同业务的有机融合，确保对产品生命周期的每一个阶段的问题都做出最佳的决策。

洛克希德•马丁公司作为世界著名的战斗机、导弹、国防电子系统等军工产品研制企业，目前美国空军主力战机F22、F35的制造商，其下的“臭鼬工厂”（SkunkWorks）素以研制隐形飞机和侦察机而闻名，其中包括大名鼎鼎的F-117隐形战斗机，以及美军绝密航空研制计划，如U-2、SR-71等。

二、从基于模型到“连线成缎”

2.1 以虚拟样机为核心的型号过程管控

为了掌控系统的复杂性，洛克希德•马丁一直致力于虚拟样机（Virtual Prototype）的实践研究，通过虚拟样机一方面承载各种产品定义视图信息（捕获所有与产品定义相关的信息），另一方面提供多种仿真分析的能力，以实现与产品行为的全方位交互。

洛克希德•马丁不仅将虚拟样机的协同构建贯穿于型号研制过程，并通过将模型的构建、管理、更改等过程融入至产品全寿期业务流程中，利用模型的结构化组织、丰富语义信息表达、可解析和演算等特点，推动与基于模型手段相适应的项目工作任务分解与执行、技术指标的符合性验证、产品成本与进度管控，全面支撑型号研制的项目化管控。为了进行虚拟样机的构建，洛克希德•马丁引入了MBSD（Model Based System Development，与MBSE类似）方法，构建产品需求、行为、结构、特性及各要素相互关系信息的系统架构模型（System Architecture Model），并通过系统架构模型打通专业之间的隔阂，让各个部门步调协同一致，真正成为一个整体。同时，为了实现虚拟样机与产品行为的全方位交互，洛克希德•马丁在系统架构模型基础上构建用于产品仿真验证的分析模型（Analytical Model），实现产品设计与分析工作之间的良好互动与融合。洛克希德•马丁还从业务流程及规则定义、理念导入、应用支持等方面同步开展工作，确保将MBSD真正注入至具体型号的工程实践中，成为真正别具一格的工程文化。

2.2 智能化的全寿期保障

洛克希德•马丁在最近的F35战斗机型号中，开始将先进的IT技术应用于产品本身，作为产品一个不可或缺的构成部分，促进飞机成为一个“智能的产品”，其中一个具体应用就是健康诊断系统（PHM）的部署和应用工作。

F35的PHM系统具备故障检测、故障隔离、增强的诊断、性能检测、故障预测、健康管理、部件寿命追踪等能力，通过联合分布式信息系统（JDIS）与后端保障系统交联。PHM系统分为机上与地面两部分，机上部分主要是集成在硬件设备中的机内测试系统为主以及推进系统、任务系统等若干个区域管理者（AM），完成子系统、部件性能检测，增强的故障诊断，实现关键系统与部件的故障预测等任务。例如，推进系统区域管理者（AM）就集成了吸入碎片监控（IDMS）、发动机微粒监控（EDMS）、涡流叶片监控（ECBS）、滑油微粒监控（ODM）等功能。地面部分通过传感器接收后，进行数据融合，预处理、特征提取、状态监控、故障诊断、故障预测、保障决策、性能分析等。

图1 F35智能化的全寿期保障

2.3 数字锦缎的愿景

洛克希德•马丁从2001年开始从传统以报告和文档为中心转向以模型为中心的工程管理模式，传统的基于文档的系统工程将产生大量的各种不同的文档，信息的完整性和一致性以及信息之间的关系难于评估和确定；难以描述各种活动。活动是动态的，有交互的，仅用文字描述对于相对简单，参与方不多的活动还能胜任，但对于复杂活动就很难描述清楚，并且发生变更时，需要所有的相关的文档均完成修改本身就是一件浩大的工程。

以模型为中心的工程模式正是实践从文档到模型的不同承载模式的巨大转变，其中包括的模型种类众多，比如产品设计、制造和管理知识封装模型、产品生命周期进化的控制程序和过程模型、信息系统的运作程序和规范的承载模型等，不同业务域对模型有不同定义和内涵。

从2010年开始，随着单域建模和仿真手段的逐步完备，打造贯穿设计、制造和保障，实现基于模型的数字量连续传递的数字线就成为洛克希德•马丁的自然选择。在这个数字线中，各环节的模型都能够及时进行关键数据的双向同步和沟通。基于模型的工程管理模式就是数字线的推广和应用，这是以模型为中心的工程模式的应用深化，强调单业务域的知识重用和最佳业务实践的沉淀。洛克希德•马丁早在F-35闪电II的设计制造过程中就在推广对数字线技术的运用，数字线的运用带来的最直接的改变就是工程数据与制造数据的直接联接，极大地扩展了军机制造、装配过程中的自动化程度，实现可持续的知识转化和传递。

图2 从基于模型到“连线成缎”

基于模型的工程管理模式中侧重于对单一业务域的建模和仿真，强调模型的信息完备，按照统一的开放标准、建立的规范和语义来定义，可被机器（或系统）稳定无歧义地读取。数字线有效保障了数字量的连续传递，实现了可持续的知识的转化和传递。但太空系统设计制造中不同领域子系统间将产生不可预测的功能耦合、交叠甚至冲突，原本功能良好的子系统可能产生不可预测的行为。基于单一线索传递的建模和仿真活动已经无法满足复杂设计制造活动中数字化验证和确认的需要，亟需构建覆盖企业全业务域、数据高度集成、各学科建模和仿真紧密耦合的新一代数字化设计制造体系。

图3 数字线交织成数字锦缎

国防航空领域的复杂装备系统需要产品开发团队跨越产品研发的多个阶段，实现多专业的耦合建模和协同仿真，数据的传递关系呈现出现互相交织的特性。数字线的不断延伸和交织，已经扩展到企业运营的方方面面，包括产品研发、制造、供应链以及运营维护，洛克希德•马丁将这交织和重构的模型数据传递网络形象地称为“数字锦缎”，就象软件世界里构建的数字孪生（Digital Twin），全面地刻画和模拟企业运营中的产品、流程和工具，通过“数字锦缎”，模型网络的数据传递关系根据业务流程的优化而不断调整，将复杂装备系统的设计、制造和运营保障全面地交织起来，从而更加精确地进行场景模拟，不断调整产品研制和运营过程，更加快速地响应不断变化的用户需求。

数字锦缎（Digital Tapestry）就是洛克希德•马丁提出的基于模型企业的建设愿景，简单地说，“数字锦缎是一个覆盖全公司范围的数字化计划，这意味着全员、全要素参与协同。”洛克希德•马丁数字锦缎计划负责人Paul Embry进一步解释，“数字锦缎计划是通过3D可视化环境，实现工程人员指尖所触、无处不在的数据集的融合和集成，促进复杂产品研制中建模、仿真技术的全面运用，实现复杂产品质量和研制周期巨大飞跃。”