《美国国家科学院：美空军部数字化转型报告》2025最新150页

应美空军负责科学、技术与工程的助理部长请求，美国国家科学院、工程院和医学院受命召集一个委员会，就空军部的数字化转型举措开展一项共识研究。美国国家科学院任命了“空军部数字化转型委员会”来执行此项研究。委员会于2024年7月举行了首次启动会议，并在整个2024年及2025年初举行了多次数据收集会议。

空军部面临的未来作战环境具有以下特征：复杂性上升，威胁不断演变且日益敏捷，创新周期加速，以及作战与技术领域的整合程度提高。近期的冲突凸显了战略、作战艺术和战术，以及供应链、装备和采办时间线的快速演变。各种技术水平的威胁行为体都在开发并运用快速演变的新战术、技术与程序，即使对最先进的传统对手也构成了挑战。

为了在这些新的、不断演变的环境中取得主导地位，美国空军和美国太空军须拥抱敏捷性，促进创新，并建立持久的韧性。有证据表明，这两个军种对此有高度的积极性，技术基础也已准备就绪。多个关键学科和技术正在推动这一进步，包括基于模型的系统工程、软件工程、人工智能和数字工程。为了充分利用这些学科和技术的潜力，空军部委托美国国家科学院、工程院和医学院的空军研究委员会，研究该部门如何实施数字化转型并从中受益，以实现快速的设计迭代、加速开发与部署，并变革维持保障。

数字化转型的前身植根于计算建模与仿真、计算机辅助设计和计算机辅助制造。这些已经证明了其价值。系统和软件工程以及计算能力的进步，可能实现更高保真度的建模与仿真，用于定性和定量地分析更复杂的系统，并在系统全生命周期中维护数字孪生，以增强维持保障能力并持续改进性能。数字化转型是从传统方法向集成的、以模型为中心的、一致性管理的数字化方法的全面转变，旨在提高整个企业的敏捷性、决策力和绩效。

为简要定义本报告讨论的数字化转型战略，数字线程是一个工程数据体，包括模型、设计要素、分析和其他特征，它能够以支持整个系统生命周期连续性和一致性的方式，明确地表示设计选择及其基本原理。换言之，它是对广泛工程信息的捕获和应用，使设计选择明确且可追溯，从而使开发者、测试与评估团队以及维护人员能够依赖一个一致的、明确的模型和记录基础。

数字线程是数字工程的核心。当使用基于模型的系统工程 技术且建模范围足够广泛时——包括系统及其运行环境——模型便可用来创建数字孪生，以支持在虚拟环境中对系统进行仿真，并具有一定的有效性声明。数字孪生和数字线程工作带来的益处包括：经济高效的早期验证与确认、改进的可追溯性、持续的模型改进、加速的原型开发、增强的决策能力，以及持续的协作与改进。

在本报告语境中，“数字化转型”是指推进支持基于模型的系统工程、数字孪生和数字线程的实践，从而能够捕获、保留并保持跨越完整系统生命周期的工程信息的一致性，并有助于支持系统族及系统间的互连。本报告是围绕以下关键议题开展研究的成果：

• 空军部为在未来十年实现数字化转型所提出的战略与路线图，

• 有助于加速空军部数字化转型的高优先级共性要素，

• 展示空军部数字化应用进展的用例示例，以及

• 创建统一的空军部数字化企业所面临的机遇与挑战。

通过审视这些议题，空军部可以追求一个成功实现敏捷、响应式的新能力部署及无缝端到端生命周期管理的数字化转型企业。

所提数字化转型战略的可行性

随着美空军部在数字化转型进程中的推进，其应严格评估其现有的数字工程工作，以及这些工作在开发生命周期中的整合与采用成熟度。数字工程在备选方案分析和概念开发中都扮演着重要角色。当系统过渡到设计阶段，这些模型会以日益提高的保真度进行精炼。测试与评估则严格评估作战环境，以验证设计假设，并确保模型预测与现实结果相符。当今的平台也能作为可适应的、软件驱动的系统（本质上是移动计算机）发挥作用，可被快速重新编程以满足不断演变的使命需求。空军部已在一些卓越中心看到这些实践带来的重要价值。

空军部采纳的一项值得注意的数字化转型工作是数字物资管理。在空军装备司令部的领导下，数字物资管理整合了整个生命周期中的数字工具和流程，以加速新系统的部署、改善维持保障，并实现更快、更敏捷的决策。此项工作的一个突出范例是空军装备司令部开发的"发射台"，这是一套旨在简化和协调数字工程与项目开发的软件工具。

然而，由于当前方法通常以特定项目为单位且呈现碎片化，这些数字工程工作尚未在整个开发周期内得到充分整合，更不用说整个系统生命周期。在许多情况下，一旦物理系统转入运行和维持阶段，模型并未得到妥善的维护或管理。此外，一些平台仍被开发为封闭、自成一体的系统，而非可重新编程、可适应的平台。随着系统变得越来越复杂和相互连接，以及能力的交付更具迭代性，这些工作的许多下游价值也随之丧失。当工程信息未被保存或严格管理时，就会产生"技术负债"，需要在生命周期的后期阶段（如测试与评估或维持阶段）或在新项目启动时，耗费高昂成本和时间来重新创建和验证信息。其结果是，系统的增强和修改通常耗时更长、成本更高，并且可能未能充分考虑所有备选方案。

此外，空军部数字化企业的能力以及在单个系统和平台内部及之间建立数字线程的能力，受到对数字模型和制成品访问权限有限的制约，这些数字资产通常仍由原始设备制造商掌握。使挑战进一步加剧的是，许多系统的设计并未考虑模块化、可更新的软件，作战人员也未接受过适应此类系统的培训。

目前正在进行的数字化转型工作，并未处于能够提供一种统一能力的轨道上，该能力应能以贯穿系统生命周期和各主要司令部的无缝数字线程，同时支持空军和太空军。这种不足源于缺乏共同的高层战略、集成的数字架构以及一致、持续的资源。基于这些观察，空军部数字化转型委员会得出以下总体结论：

总体结论：尽管空军部已建立了支持数字化企业的诸多要素，并在一些中心形成了卓越范例，但正在进行的工作并未处于实现统一能力的轨道上，该能力本应以贯穿系统生命周期和司令部的无缝数字线程服务于美国空军和美国太空军。原因在于缺乏共同的高层领导、战略、架构和一致的资金支持。

加速数字化转型的共性要素

委员会的任务是识别一小部分高优先级、跨领域的要素，这些要素可能有助于加速整个空军部的数字化转型，具体见方框S-1。

结论3-1：委员会确定了几个可能有助于加速数字化转型的高优先级共性要素：领导力与采纳文化、资金与激励、软件与数据、硬件与安全信息技术，以及度量标准。

方框S-1 加速数字化转型的共性要素

• 有效的领导者将数字化转型嵌入其长期战略愿景和资源配置中，并将相关举措与采办战略、培训计划和资金机制相整合。
• 理想的资金机制需同时考虑集中式和分散式资金授权的影响，并激励持续学习和问责的反馈。
• 有效的软件和数据标准需要持续的治理，以确保工程制品间的一致性，并明确考虑数据所有权、安全性和可扩展性。
• 标准化、安全且可扩展的硬件和信息技术，包括一个支持可扩展性、可扩展性、与现有及遗留基础设施集成、长期维持保障、网络安全评估和利益相关方整合的目标架构。
• 需要稳健的定性和定量度量标准来评估绩效和成果。在项目或单位层面采用绩效度量，可以通过构建转型数据集和鼓励对数字工程影响评估的信任与问责，来推进转型举措。

在确定用于数字化转型评估的通用度量标准时，委员会建议如下：

建议3-1：空军部数字化转型办公室应为遗留系统和新系统建立初步的数字化转型度量标准集，这些标准应可度量、相关，并能用于诊断状态、进展和健康状况。之后，应定期迭代、改进和调整这些度量标准。

迄今数字化应用进展的用例示例

为评估空军部迄今在数字化应用方面的进展，委员会被要求审视两个代表性用例。在所审查的案例中，空军保障中心的数字生态系统作为最成熟、最持续的转型工作脱颖而出，其已发展了5年之久。同时，波音T-7A“红鹰”高级喷气式教练机作为空军部首架完全“数字化诞生”的飞机而引人注目。委员会选择这两个卓越范例，是为了建立评估空军部数字化转型现状的基线，并展示空军部在企业层级以下规模实现数字化转型的能力。

空军保障中心

因其为利用数字工程而进行的5年努力，被选为数字化应用用例的空军保障中心，是一个负责多种武器系统的地理上分散的组织。空军保障中心的职责是基地级维修、供应链管理以及运营与安装支持。作为起点，空军保障中心拥有大量数字化能力。然而，大部分能力位于孤立的工作站上，同一地点内部集成度很低，更不用说跨整个企业了。遗留基础设施对企业范围内的集成构成了阻碍。云基础设施的出现和被接受，使得从这种环境过渡成为可能。空军保障中心集成工作的主要组成部分是主要中心之间的内联网，利用商用现货产品，实现信息共享和业务协调。

波音T-7A“红鹰”高级喷气式教练机

因其集成的数字工程应用有助于实现项目效益而被选中，T-7A高级飞行员训练项目从一开始就计划建立在数字模型基础之上。由于合同是在关键数字工程标准确立之前签订的，该项目在充分利用完整的数字化能力方面面临挑战。数字化应用使得在设计启动后3年内实现了改进的教练机飞行，以及一个与飞机硬件和软件保持等效的代表性武器系统训练器。通过数字工程实现的其他益处包括：对选定系统级需求的远程验证，以及通过企业级数字工具套件改进高级飞行员训练项目管理。T-7A的用例也展示了由动态环境以及空军合同更新速度的限制所带来的挑战。合同中没有一种经济有效的机制来支持随着数字工程能力发展而进行变更。合同的限制阻碍了空军使用波音的模型。为应对这些挑战，空军需要在合同中对直接访问所需的数字工程模型和制成品提出要求。

创建数字化企业的机遇与挑战

为应对当前"烟囱式"的方法，空军部拥有一个重要的机遇，即利用"数字主线"——一组相互关联的数字模型、数据和制品——在系统整个生命周期中保持一致性。一条无缝的数字主线将实现系统全生命周期内数据、决策和制品的可追溯性，涵盖从设计开发到测试、部署、运行和维持保障的各个环节。这种端到端的连接促进了跨学科和跨领域的一致性和连续性，减少了组织和学科间的壁垒，并确保所有利益相关方基于一个共同、权威的"数据源"运作。这将带来成本、进度、降低风险以及增强和修复适应性方面的益处。要实现一个可行的数字化企业，空军部需要实施一项全面的、企业层级的战略，该战略既要支持创建完整、集成的数字主线，又要允许各司令部继续推进符合其功能需求的数字化能力。基于权威数据源有效建立数字主线，必须在系统生命周期的最早阶段开始，以确保长期的互操作性。

空军部互联且复杂的运行环境带来了挑战，需要一个管理良好的系统架构。如果没有对系统结构及交互方式的共识，协作就可能变得碎片化，集成努力也会受阻。这使委员会提出以下建议：

建议5-1：空军部领导人应将数字化转型嵌入战略愿景、需求、资源配置和沟通中，通过迭代更新的治理、政策和路线图对齐，确保在领导层更迭过程中的连续性，以保持发展势头。空军部应明确界定新的角色和职责以及由谁担任，包括"一致性管理者"和"数据管理员"的角色。成功的数字化转型将应对知识产权归属、利益相关方参与、工具及相关工程数据使用以及文化等关键挑战。

当前的组织模式对创建统一的数字化企业构成了挑战。为此，委员会针对四个组织因素提出了建议：领导力、预算流程、人才队伍以及商业能力的作用。

集中的治理和领导结构可以推动各司令部和项目权益之间的协调、资源配置规划，并确保对任务和工程拥有统一的愿景。一个中央权威机构有助于统一标准，提供最低限度但可执行的指导，并保持跨项目的一致性。为了进一步支持分散的部门和项目真正采纳，这些领导结构还必须确保灵活性。一个强有力的治理模式将通过支持分散的部门和项目实现真正的采纳。因此，委员会提出以下建议：

建议5-2：空军部长应在空军部总部内指定一名军官或高级领导，负责领导美国空军和美国太空军的数字化转型，建立全企业范围的数字化战略和具有标准化平台及集成工具的通用任务架构要素。此职位应拥有足够的资源，具备作战和技术专长及经验，并有权指示项目执行官使用企业级能力。

此外，必须克服预算方面的挑战，以支持、整合和扩展数字化转型工作。空军部在数字化转型工作上采取的零散且有时是间断性的方法，意味着现有的卓越范例目前通过各种临时渠道获得资金。一个集中的、可跨项目调配的空军部基金，可以用于购买和维持共享的数字工具，并改进最佳实践的识别和规范化。鉴于这些考虑，委员会建议：

建议5-3：美国空军和美国太空军的军种采办执行官应正式确保数字工程资源被纳入"项目目标备忘录"的输入中。

拥抱数字化转型需要一支具备足够技术技能的人才队伍，以及鼓励持续学习的文化。关键的技术技能包括：对初入职场的工程师而言，是管理、系统思维和三维建模能力；对高级领导者而言，是精通基于模型的系统工程的洞察力。为鼓励人才队伍的发展和保留，委员会建议：

建议5-4：空军部应制定一项全面战略，以培育创新的数字化转型文化，并确保人才队伍具备执行所有关键职能所需的数字化转型知识。该战略应通过创造清晰的职业路径、提供技能提升和再培训的激励措施，并利用现有专业知识，来优先考虑招聘和留住人才。

建议5-5：为支持持续学习和协作，部长指定的军官或高级领导应与空军人事中心合作，为技能发展路径配置资源，建立用于动手实践的数字沙箱，并实施适应性流程，以促进渐进式知识共享、技术创新与标准化之间的平衡以及跨职能协作。

空军部的数字化企业能力以及建立数字主线的能力，完全依赖于商业能力以及驻留在承包商处的数字模型和制品。空军部将从对其商业和开源能力进行持续评估中受益，并应制定政策和标准化的合同要求。

建议5-6：部长指定的负责数字化转型的军官或高级领导应对其当前使用的商业和开源数字工程工具、许可证及知识产权，进行持续的企业层面和全企业范围的评估，并利用评估结果来确定升级的优先顺序。空军部应定期重复此过程，并监测私营部门的新兴技术和解决方案。

建议5-7：部长指定的负责数字化转型的军官或高级领导应制定政策和标准化的合同要求，以确保空军部拥有必要的数据权利，并对主承包商的相关数据保持所有权或访问权。应建立政府所有或可访问的数据存储库。

数字化转型框架通过一种通用语言——一种组织模型和定义必要视图以全面表示系统架构的结构化方法——提供了一个机遇。实现此数字化转型框架需要考虑以下工程要素：结构，通过规定的技术架构；实践，包括工程流程、数据和工具；以及判断，包括对框架能力、安全性和质量的考量。

建议5-8：空军部稳健、安全的信息技术基础设施应支持三种不同类型的数字工程基线——系统实际建成状态、系统编程状态以及系统未来可能的状态。

建议5-9：部长指定的军官或高级领导应优先考虑工程数据的治理，尽可能在可行和适当的情况下利用现有工具和软件。当需要新工具时，应在开发时考虑到互操作性，包括对工程数据采取开放方法，并遵守开放标准，以确保无缝集成与协作。

数字化企业面临的安全挑战要求必须遵循网络安全最佳实践，并将安全性内建于空军部的数字工程生态系统中。委员会认识到，虽然拥有强大的推动力很重要，但在某些情况下，有必要采取渐进式步骤来采纳数字化转型和使用公共存储库。例如，这可能是出于安全、专有保护和其他治理考虑所驱动的。预见此类问题是数字化转型规划和最大化数字化转型效益的重要一环，因此委员会建议：

建议5-10：空军部应更积极地纳入网络安全，并将安全性内建于其数字工程生态系统中。这包括增强韧性和安全性的架构选择；积累证据以支持更有信心的与安全相关的测试与评估；以及通过建模和基于威胁的分析来减少攻击面、最小化漏洞，并总体上对对手施加高工作量。最重要的是，应在项目开发的最早阶段就考虑安全性和韧性因素。部长指定的军官或高级领导应评估网络安全的实施情况。