《海军系统的数字测试和评估路线图》2023最新161页报告

数字工程正在彻底改变系统工程领域。美国海军正在实施数字工程概念和方法，包括数字孪生、数字线程、权威真相来源、基于模型的系统工程以及数字工具和技术，以设计和建造复杂的海军系统。本论文探讨了数字工程在海军系统测试与评估（T&E）中的应用。论文对海军采购测试与评估的现状进行了深入分析，解释了相关的挑战和局限性，强调了采用现代化方法的必要性。它全面概述了数字工程，通过海军和整个行业的几个使用案例说明了数字工程的影响。报告提出了一个新概念： "数字测试与评估 "是将数字工程方法应用于系统工程的测试与评估阶段。这项研究揭示了如何利用数字 T&E 来应对和克服当前海军 T&E 面临的挑战。研究最后提出了海军实施数字化 T&E 方法的路线图。这些见解旨在对海军测试与评估界产生实际影响，指导制定新的战略和政策，利用数字工程提高性能，促进传统测试与评估流程的现代化。

图 1. 海军系统数字化测试与评估路线图

数字工程正在彻底改变系统工程领域。2018 年，美国国防部推出了数字工程战略，并将其定义为 "使用权威的系统数据源和模型作为跨学科的连续体，支持从概念到处置的生命周期活动的集成数字方法"（DOD 2018, 3）。它象征着系统工程实践的根本性转变，从传统方法转向数字环境中基于模型的技术（Giachetti 2022）。这一战略转变要求通过可靠的 "权威真相来源"，在整个工程流程和组织结构中开发、利用和分发正式模型和数字信息。这一新兴领域影响深远，可能会影响到美国国防工业和其他各个领域，重塑系统工程的实践。数字工程能够提高运行效率和系统性能，创新设计和构建系统的方法，从而为快速发展和技术进步的动态阶段铺平道路。

2020 年，海军部（DON）发布了一项战略，正式确定了其对数字工程的承诺，概述了在整个海军系统生命周期中使用数字工程的愿景。海军正在将数字工程概念应用于 "锻造软件工厂 "等新兴项目，旨在加速宙斯盾作战系统的软件升级（Katz 2022）。另一个值得注意的应用是潜艇战联合战术系统（SWFTS），在该系统中，数字工程实现了灵活的架构，可快速实现潜艇技术集成、无缝更新并提高系统互操作性（Herber 和 Batchelor，2023 年）。最近，海军计划开发集成建模环境（IME），旨在利用数字工程彻底改变系统设计。该数字环境旨在提供一个具有凝聚力的框架，将各种系统模型和仿真单元结合起来，以推动创新、提高系统性能并提升舰队的整体能力。

本论文探讨了数字工程在海军系统测试与评估（T&E）中的应用。它为传统流程的现代化和增强向作战人员提供的能力提供了一个开创性的机会。通过利用现代技术、数字工具和先进技术，数字工程有可能简化海军系统的测试与评估流程。然而，在这两个领域的交叉点上，现有的研究十分有限，显示出文献上的空白。数字工程不仅仅是将传统的测试流程和产品（如测试计划和分析报告）转换为数字格式。相反，数字工程需要对系统的整个生命周期进行全面的数字透视。随着海军在系统开发中采用基于模型的系统工程和数字孪生等数字工程概念，T&E 对海军采购项目的快速部署变得至关重要。

本论文首先深入探讨了海军采办 T&E 的现状。论文对术语、背景和法定测试类型进行了深入探讨，同时概述了复杂的组织结构。它强调了海军 T&E 工作级集成产品团队（WIPT）的重要性，该团队由来自海军各部门的科学家和工程师组成。该团队对海军采购项目的 T&E 活动的规划、执行、分析和报告至关重要。在研究过程中，我们发现有关海军 T&E 流程具体步骤的信息非常有限。为弥补这一不足，我们绘制了当前 T&E 流程图，详细说明了流程步骤、里程碑和交付成果。

这项研究确定了海军测试与评估界面临的九项具体挑战和限制： 基础设施不足、测试空间有限、威胁和场景不断变化、测试集成、测试与评估支出、测试与评估成本认知、进度延误、缺乏数据策略以及人工智能和 ML 测试。这些挑战领域受到物理环境和传统 T&E 流程的限制。这种方法越来越与当前的技术环境脱节，缺乏当今快速发展的世界所需的灵活性和适应性。

数字工程由基于模型的原则、权威真相来源（ASOT）和先进数字工具组成。基于模型的原则包括：数字孪生（物理系统的数字复制品）；数字线程（贯穿系统生命周期的相互关联的连续信息流）；以及基于模型的系统工程（MBSE），这是一种强调使用系统模型支持系统设计的方法，而不是传统的基于文档的系统工程流程。ASOT 是一致且最新信息的集中存储库，在整个系统生命周期中统一数据、模型和其他系统相关信息（DOD 2018, 8）。这些原则共同标志着从传统的以文档为中心的方法论向全面、动态的数字化环境的转变。

通过深入研究横跨各行各业的四个数字工程案例研究，再加上广泛的文献综述，本论文构建了一个矩阵，展示如何战略性地部署数字工程原则，以解决运输和评价中的现有挑战。这种方法涵盖了数字工程的方方面面，包括数字工程生态系统的概念。该生态系统整合了基础设施、环境和方法论，将管理和分析系统数据与模型的流程、方法和工具统一起来，与利益相关者的需求保持一致。

这项研究的积累导致了一种被称为 "数字 T&E "的新方法的发展。这一概念代表了数字工程方法在系统工程测试与评估阶段的应用。与传统的 "设计--建造--测试 "方法不同，该建议要求采用一种更复杂的 "建模--模拟--分析--建造--验证 "迭代方法。它提供了一个更精确、更明确的框架，为提高系统开发的效率和准确性指明了道路。这一方法的步骤详述如下：

• 模型： 通过创建物理系统的精确表征来启动流程，最好是通过高保真数字孪生来捕捉系统细节。
• 模拟： 根据开发的模型，在虚拟运行环境中运行仿真，以模拟真实世界的条件。
• 分析： 使用指标对模拟数据进行分析，以评估性能并发现问题。采用先进的数字技术，实现流程自动化和简化。如果根据分析结果需要更改系统模型，则调整模型并返回上一步。这种迭代循环一直持续到模型产生预期结果为止。
• 构建： 一旦系统模型满足了所有系统要求并实现了预期结果，就开始构建实际的物理系统。
• 验证：使用来自物理系统的数据作为权威的真理来源来验证系统模型，确保虚拟表示与物理系统准确一致。

如图 1 所示，将这种方法应用到当前的 T&E 流程中，就会产生一种执行数字 T&E 的创新方法。这种先进的数字 T&E 方法由十个步骤组成，通过融入数字工程原理，彻底改变了现有流程。它超越了计划、准备、执行、分析、评估和报告等传统的、按部就班的、以文件为中心的阶段。取而代之的是一种更加动态、灵活和迭代的方法，强调持续反馈和系统改进。

本论文探讨了海军系统中数字工程和技术与评估的整合，旨在回答首要研究问题。通过文献综述和对四个案例研究的分析，论文采用建模-模拟-分析-构建-验证的方法，提出了数字化 T&E 路线图，强调了数字化工程的作用。研究结果为提高海军系统开发效率提供了一条途径，并有可能在整个国防工业中得到更广泛的应用。建议强调对数字基础设施的投资，如基于云的平台、网络升级、数字工具和数字双胞胎。报告还呼吁与国防承包商共同制定新政策，以确保技术数据包和系统模型的访问权限。此外，报告还鼓励技术与工程界、学术界、工业界和承包商之间开展合作。展望未来，未来的工作领域包括本体论在 T&E 数据管理中的作用、数字劳动力的需求、使用任务工程测试多个系统模型以支持复杂的海军行动，以及确定支持数字 T&E 的最佳组织结构。这些大有可为的途径为进一步完善和扩展拟议的数字化 T&E 路线图提供了机会。