引言：2018年7月5日，美国防部正式对外发布“国防部数字工程战略”。数字工程战略旨在推进数字工程转型，将国防部以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的数字工程生态系统，完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。该战略推动在系统整个寿命周期内采用一种综合数字化环境（IDE），依靠数据和模型的一种权威来源，来设计、研制和管理系统。数字工程借助计算技术和数据科学的进步对美国防部的系统工程惯例进行更新。
自上世纪 90 年代以来，由于实施持续采办与全寿命保障（ CALS ），美国在*器武**装备领域里逐渐消除了“信息孤岛”，并形成比较和谐的信息环境，提高了军方、主承包商、供应商之间的工作协调效率，明显地缩短了研制生产周期和故障修复周期，减少了全寿命周期费用。 CALS 的发展目标是综合数据环境（或称集成数据环境、综合数字化环境，都简称 IDE ）。“综合数据环境”，实际上是指综合数字化信息环境。在此信息环境中，*器武**装备等复杂产品各方面的电子化信息数据，包括产品电子化技术信息数据和项目管理的电子化信息数据，仿佛有序地存储在一个“大数据库”内。在*器武**装备全寿命周期内，有关单位和个人根据工作需要和权限规定，能够通过计算机和网络有序、可控、安全、方便地交换和获取产品技术数据和项目管理信息数据。
由于*器武**装备发展是一个复杂的系统工程，涉及众多的军地部门，需要在现有的信息设施基础上，研究建立一种包括纵向综合和横向综合的综合数据环境（即综合数据化环境）。纵向综合就是*器武**装备从竞标、签约、设计、研制、生产到使用与保障直至报废的全寿命内实现数据信息共享；横向综合就是跨军种、跨职能部门的信息共享系统，使各方数据融合和共享。如图1、2所示，IDE 是利用一套商用现成产品寿命周期管理（ COTS PLM ）技术所构建的一种稳健的“使能”环境，为工程产品研制与寿命周期产品保障领域之间的缺口架桥铺路。
图 1 复杂组织体产品寿命周期管理（ ePLM ） IDE 愿景（组织变革）
图 2 IDE 的整体观点
一、综合数字化环境（ IDE ）的内涵及特点
1. 综合数字化环境的内涵
“综合数字化环境”（Integrated Digital Environment）又称综合数据环境（Integrated Data Environment），简称IDE。在此信息环境中，*器武**装备等复杂产品各方面的电子化信息数据，包括产品电子化技术信息数据和项目管理的电子化信息数据，仿佛有序地存储在一个“大数据库”内。在*器武**装备全寿命周期内，有关单位和个人根据工作需要和权限规定，能够通过计算机和网络有序、可控、安全、方便地交换和获取产品技术数据和项目管理信息数据（如图3）。
图 3 传统的数据环境图（左）与综合数据环境（右）
综合数字化环境（IDE）倡议是美国防部摆脱那些不具备互操作性的、昂贵的项目专有信息环境的一种途径。该倡议自引入以来已经走过了漫长的路程，在2002年以前CALS技术走向成功后，美国防部侧重于建立项目级的IDE，在2002年以后美国防部则侧重于为采办和持续保障界建立复杂组织体（整体）级IDE乃至DoD IDE。国防部IDE倡议旨在为采办和持续保障界建立一种无缝的、协同的数字化业务环境。
美国防部构建IDE的主要目的是：增加对要求数据的访问权限；可以提高工作程序的生产率；可以增加知识管理的效率，并减少知识管理的费用。实现这些目的，IDE需要必备的关键能力包括：
——与项目相关的按需关键性能指标状态报告，项目元素输入至报告，这可以帮助识别问题的根原因；
——对跨项目领域的影响的可视化
——对项目和*器武**系统信息的单一实例，与位置无关
——对项目和*器武**系统信息的采办和后勤进行安全、可控的共享访问
——多个业务系统和信息库的集成
——所有类型的项目／产品信息要以所有要求的格式和媒介进行创造和管理
——分布式项目参与者的协作，在所有的学科内，……管理、采购、工程和后勤
——项目和*器武**系统信息和程序的寿命周期管理
——所有项目相关的程序的定义、执行、管理和审计。
2. IDE 的 特点
一个IDE意味着一种互联的知识工人环境。在这个环境中，完成工作首选的方式包括随时访问所需资源，以完成必要的任务，然后再按照要求的格式快速输出结果。
（ 1 ）基础技术框架是关键
如果想要成功，必须有基础的IDE技术框架，框架必须是开放式的，必须是统一的架构，利用标准，包含一个以项目／产品为中心的目标模型，并且与组织过程、现有的技术和文化进行权衡。
选择正确的基础技术框架，和一个以项目／产品为中心的信息视角对与一个项目的能力，对实现一个IDE的真正预期和潜在价值是非常关键的。
（ 2 ）核心服务
一个IDE解决方案必须提供一个健壮的支撑核心服务集，包括：
——数据和内容管理
——与其他系统的数据联盟
——协作和可视性
——结构和变化管理
——计划与项目管理
——工作流管理、审计和追踪
——报告
——安全和访问控制
这些服务必须建立在一个通用的框架的基础之上，使用一套工业部门标准，和解决方案框架的主要部分。一个通用的框架可以提供一个基础，在这个基础之上建立一个IDE可以满足要求的需求，并且它减少了环境的复杂程度，对于减少初期和长期的部署费用也是非常重要的。
（ 3 ）支撑核心业务程序
IDE必须支持在分布环境中的一系列业务程序，包括：
——采办管理
——采购规划和合同管理
——工程管理
——生产规划
——试验与评价管理
——后勤管理
这些程序需要接触到许多不同的人和组织，这些人和组织在地理上甚至是分散的，并且在这过程中产生的和用到的信息必须是用户适当可用的。
（ 4 ）以项目／产品为中心的信息方法
IDE是一种媒介或手段，能够使项目在项目寿命周期跨越不同的功能领域实现目标并且超过目标，如在购买和采办、试验与评价、系统工程、建模与仿真和后勤保障领域。
项目的参与人员必须能够创建信息（纲领、CAD、文件、技术出版物、分析等）；信息协作；配置信息（文件和*器武**系统定义）；在项目和信息的寿命周期内控制信息；在有权限的参与者中安全的传递信息。为了实现IDE的所有价值，解决方案必须支持一个以项目／产品为中心的方法，连接相关信息，这些信息有可能固定在IDE中，也有可能来自不同的源。
（ 5 ）开放式体系架构
IDE解决方案是为了帮助项目和项目的参与者有效地执行必要的活动，支持项目整个寿命周期中的需求。IDE必须在恰当的时间、恰当的地点将正确的信息提供给恰当的人。对信息具有可视性，相应的数据关系和附属，有权限的项目参与者可以更好更快地进行决策。
为项目信息提供一个综合的视角，跨多个功能领域和数据源，要求要有一个开放式架构解决方案，该方案可以将不同的数据和相关的过程联系在一起，并支持多个业务和承包商系统的简单集成。
IDE不要求多个数据库同步。它的原则是将使信息固定一个单独的位置，这可以使真正需要的人员能够更快的接触这些信息。信息的发明人或创造人是数据的“拥有者和持有者”。持有者负责维持信息在现用、准确和可使用的状态，这要符合使用的商业标准和指南。在IDE中，快速的访问代替了复制和报告。一个有效地IDE要求具有无限的连通性，并且能够与其他系统的信息代理结成联盟。IDE环境经常会要求对当前的案例和文化进行更改。
（ 6 ）集成平台
当用户访问IDE时，他们寻找信息时通常是在广范围的功能能力领域／系统（EMS、风险等），不同的数据视角（使用、系统、技术），和大量不同的数据资源和位置（承包商解决方案、供应商解决方案等）。
只是对这些信息的某些有可视性是不够的。用户需要一个环境，有一个通用的接口，使之更易于搜索、寻找、访问，并且在工作的时候能够接触到所有类型的数据，这样才能更好地进行决策。集成平台必须是灵活的，这样才可以根据功能需求和项目的成熟度在不同的层级上进行集成。最后，一个强大的数据集成和联盟框架是满足需要的，这样用户就可以在IDE中利用现有的和未来的技术投资。
（ 7 ）可缩放性
IDE解决方案必须灵活，能够满足项目不同层级的相关需求——一个有效的解决方案绝对不是“一刀切”的理念。随着项目进展，解决方案必须能够快速、有效并以高效费比跟上变化，在以下方面对用户的影响最小：
——用户的数量
——地理位置
——*器武**系统的复杂性
——数据的总量和种类
——并行交易
——规定的功能能力
——以及其他功能领域解决方案和数据源
——与恰当的业务和承包商系统的集成
二、美军综合数字化环境的发展演变
1. 综合数字化环境的起源
IDE的产生可以追溯至最早1984年通过的《公法98-525》（《1985财年国防授权法》）：技术数据管理和计算机能力发展。
随着*器武**装备性能和技术复杂化程度的迅速提高，*器武**装备采办与使用保障所需的数据与资料也成倍增加（如美国“提康德罗加”级巡洋舰“文森特”号，仅舰上携带的各种技术手册就达55.5吨之多）。为了利用现代信息技术解决书面后勤保障技术数据数量大而又费钱、交付与传递的及时性差、容易产生重复和冗余数据等弊端，以及不能满足各种计算机辅助技术对数字技术数据的需求，美国防部于1985年9月首次提出在*器武**系统采办与保障过程中开展计算机辅助后勤保障（Computer Aided Logistics Support，CALS）。最初，CALS构想的重点放在后勤保障领域，即推行综合后勤保障（Integrated Logistics Support，ILS）所形成的大量书面保障数据进行数字化，以提高数据准备与处理的及时性、改善数据的精度、一致性与质量、降低费用。
随着信息技术的发展，在*器武**装备采办需求的牵引下，CALS的概念、应用范围及技术手段在不断扩大。1987年美国防部将CALS引入整个*器武**装备的采办领域，改称CALS为计算机辅助采办与后勤保障（Computer Aided Acquisition and Logistic Support），其数字化的范围除了产品保障数据外，还包括采办过程中生成的用于产品设计制造的产品定义数据。80年代中期以后，由于产品的市场竞争激烈，而产品的开发周期长、费用高，使得美国企业纷纷利用CALS的数字数据环境，采用并行工程、企业集成等新方法与新措施改进企业的管理、开发、生产与用户保障过程。
1993年以后，CALS的范围进一步扩大，工作重点转移到装备的持续采办与整个寿命周期保障所产生的所有数据，除技术数据外还包括行政管理、商务等事务数据。扩大后的CALS完全适用于民用工业与企业。因此，美国防部将 CALS 改称为持续采办与寿命周期保障（ Continuous Acquisition and Life-cycle Support ）。MIL-HDBK-59B指出，持续采办与寿命周期保障是国防部与工业界为实现更加有效地生成、交换、管理和使用保障防务系统的数字数据而制订的一项战略；CALS战略的主要目标是将*器武**系统的运作从人工的纯书面方式向高度集成化、自动化的采办与保障过程过渡。
在此过程中，与CALS相关的是承包商集成技术信息服务（Contractor Integrated Technical Information Service，CITIS）平台。美国防部1993年8月20日颁布的*用军**标准MIL-STD-974《承包商集成技术信息服务》。该标准对CITIS作了以下定义：“CITIS，根据合同中《合同要求资料清单》的规定，由承包商向用户提供访问电子化信息数据和（或）交付电子化信息数据的一项服务。”*器武**装备承包商构建CITIS平台，提供CITIS服务，是CALS实施过程中的重点工作，它是一种服务或机制，可以使授权用户接触相关信息，是构建和谐信息环境的重要技术措施。
CALS的第2阶段的目标是营造一个综合数据环境（IDE）。在CALS／CITIS计划的基础上，IDE初步构想为一个“数据库”，用于管理项目信息。IDE已经从一个初始的数据库，向成为项目管理、追踪应用的方向发展，成为一个入口，可以接触到入口内的分布信息；成为一个完整的数字化环境，在该环境中，技术和商业数据对于在整个寿命周期中的参与者可以有一个高度的可视化。
为此，美国防部把CALS原来的“计算机辅助采办与后勤保障”内涵，发展为“持续采办与全寿命保障”，并明确提出CALS的发展目标是“综合数据环境”（又称集成数据环境或一体化数据环境，简称IDE），为军方与承包商联手默契地运作*器武**装备的采办以及*器武**装备顺利进行研制生产和使用与保障创造条件。美国防部于1993年10月发布的《CALS计划》指出，“CALS，持续采办与全寿命支持，是政府和工业界通过采用国家和国际标准，改进工作流程和应用先进技术，支持一个产品全寿命周期内的数字化信息更有效地生成、交换、管理和使用的战略措施。CALS的发展远景是通过采用最好的技术、业务流程再造和贯彻有关标准，为政府和工业企业开发、管理、交换、使用业务信息和技术信息建立一个综合数据环境”。1996年，美国防部CALS办公室发布《国防部综合数据环境技术计划》，再一次把CALS的最终目标定位为实现综合数据环境（IDE）。
2. 项目级 IDE 阶段
美国政府和工业部门与军方密切合作，积极推行称为CALS （持续采办与寿命周期保障）的*器武**采办和国防工业信息化发展战略。特别是冷战结束后，为了更快、更好、更省地采办*器武**装备，美国防部强制每个项目都要构建一个综合数字化环境（IDE）。在CALS／CITIS计划的基础上，IDE初步构想为用于管理项目信息一个“数据库”。所以在1997年至2002年期间美国防部侧重于发展项目IDE，即烟囱式的IDE，如美海军LPD 17项目、空军F-22项目和F-35项目等都营造了项目级综合数据环境。
3. 复杂组织体级 IDE 阶段
2002年至今，为了提高信息数据交换、传递和获取速度和质量，为采办业务创建和谐的工作环境，提高各项工作效率，有效缩短*器武**装备的研制生产周期，降低全寿命周期费用，提高大型*器武**装备的质量和维修水平，尽快形成战斗力，提高持续战备能力，美国防部致力于为采办和持续保障界建立复杂组织体（整体）级IDE乃至DoD IDE。目前，美国防部与工业部门（如西门子、PTC、IBM公司等）进行合作，打造复杂组织体级的IDE。图4显示的是美国海军一体化作战系统项目执行办公室（PEO IWS）设计的复杂组织体产品寿命周期管理综合数据环境（PEO IWS ePLM IDE）愿景架构。
图 4 PEO IWS ePLM IDE 愿景（体系架构）
美国在全球作战保障系统（GCSS）（图5）、政府与工业界数据交换计划（GIDEP）（图6）、美国陆军以前的未来作战系统（FCS）都属于复杂组织体（整体）级IDE。就GCSS而言，它是一个基于Web的中央信息枢纽，向国防部各机构和组织传送联合资产可视化信息。国防部自动化后勤系统将向该基于Web的信息中心提供全资可视化更新信息。GCSS是一种系统族（FoS）策略，它确立了支持联合作战的各作战保障信息系统之间以及作战保障与指挥和控制功能之间的信息和数据的互用性。在战场上，GCSS将提供一种融合的、一体化的实时多维作战保障和作战服务保障场景。GCSS打破了各军种和国防机构烟囱式的后勤保障信息系统（运输、供应、维修、人员、部队保健、采办、资金和工程），使各方数据充分融合和共享。美军各层次的机构将能够登陆GCSS网页、阅读和*载下**信息。就目前美军中推行GCSS的情况而言，美国陆军推动较快。2011年8月，美国陆军开始GCSS的作战试验。2012年12月，美国防部负责采办、技术和后勤的副部长批准了GCSS陆军系统的全面部署决策。美国陆军预计该系统的部署于2017年完成。
图 5 美军全球作战保障系统（ GCSS ）系统族组成及内部关系
图 6 GIDEP 的组织管理
现在，IDE跨越*器武**装备体系的整个寿命周期，并且能够跨领域分享数据，这些数据一旦产生，就可以在系统的整个寿命周期内进行应用。
三、典型案例：美海军在 LPD 17 项目中推行综合数据环境
“圣安东尼奥”级船坞登陆舰（即LPD 17）是美国海军新一代多用途两栖船坞登陆舰，LDP 17诞生于2003年7月，是美国海军建造的新一代圣安东尼级两栖攻击平台，由诺斯洛普·格鲁门公司的舰船系统部任主承包商，并与雷神公司和一家名为“Intergraph”的软件公司组成统一的合伙企业——Avondale联盟，来实现海军为LPD17项目确定的设计、建造和维护海军下一代强大的两栖攻击平台、同时降低其总拥有费用的目标。
在LPD 17项目建议书中，美海军要求在该项目中实施综合数据环境（IDE）。IDE是针对设计、建造和寿命周期数据管理而建设的一种信息系统，它主要负责采集、保存、跟踪和管理产品整个寿命周期的数据和相关文件，并会作为产品寿命周期维修合同的组成部分供美国防部访问。目前安装的IDE系统包括文件管理、产品数据管理、工作流管理、技术状态管理、船体应用、改装履历／产品效能以及若干传统系统的重大整合等模块。在该过程中，Intergraph公司负责提供端对端解决方案，并使所有获得许可的项目组成员（无论他置身何处）都能够通过保密的广域网（WAN）并行访问项目信息。目前，每日有1000余人使用该系统，多数信息都可通过网络浏览器和综合搜索引擎找到。同时，该系统还根据不同人员和岗位设置了不同的浏览权限，以保障信息的安全。IDE还将系统、子系统和零部件的三维产品模型与源文件和项目管理信息相连接，并包含输出给舰载IDE（IDE的舰载版本）的信息和分析得来的数据以及外部或传统系统提供的信息。
Intergraph公司在该项目中采用以数据为中心的解决方案保证了对数据及其关系的配置管理。例如，若一操作请求被授予改变基线数据的权限，则相应的操作会同时控制产品模型（包括CAD）中该性能控制的数据。同时，该系统的工作流管理程序会核实该操作要求是否得到确认和批准。由于实现了对数据的密切关联和性能控制，其中包括产品结构（系统、子系统等）、相关文件、源CAD档案、寿命周期后勤信息、进度信息和项目可交付信息等，该系统确保了人人都能得到所需要的正确信息。
在初期，IDE只是LPD 17的一个粗略表征。但随着时间的发展，它逐渐地成了该舰整个寿命周期的活模型，能够起到全面代表该舰的作用，能够作为该舰寿命保障的基础让承包商在真正开始建造工作之前就可进行试验和虚拟检测活动。
总之，在LPD 17项目中，IDE能够提供文件、制图产品信息、项目进度和财务报表等服务；能实现工作流管理；可为舰载IDE和其他传统系统提供输入信息；能够及时提供所有的项目和产品历史数据。通过IDE，所有的利害方都可接触到相同来源的信息。IDE的数据连接方式也使所有用户都能理解产品的系统与子系统之间的关系，创设自己需要的特别的数据组合，并跟踪设计变化的历史。这样，IDE用户不是简单地复制信息，而是通过不同的组合和角度交叉地审视这些信息。这将大大消除以往的许多信息系统存在的信息冗余弊端。
在Avondale联盟的努力下， LPD17铺设龙骨时已完成80%的设计，避免了数百万美元的返工。据估计，在LPD17全寿命中，通过减少制造返工和增加协作与创新，能为美国海军节省40亿美元。IPD17采用的IDE方法和过程很容易为其它制造项目所采用，并能提供同样的时间和费用节省和效率的提高。
四、构建综合数据环境的意义及其应用前景
IDE可以提供无边界的环境，在这个环境里，所有国防单位授权的人员都可以恰当的获取IDE中的数据。一个IDE要创建一个高效益的网上数字化环境，在该环境下，可以进行贯穿于整个寿命周期的产品开发、项目管理、保障和使用活动，进行计划性的和技术的数据的数字创造、储存、访问、控制、分享和交换。
IDE可以提供：
——无纸、简化的高效率交换数据和信息的能力；
——提供自动化信息处理、在政府和工业界之间共享；
——降低费用和加速政府－工业界联合采办管理和后勤保障的活动和业务流程；
——IDE使得在项目整个寿命周期中参与项目管理、*器武**系统开发、保障和使用活动的人员可以数字化方式创建、储存、访问、处理、共享和交换项目数据和技术数据。
美国防部建立的IDE，可以同时为计划单元办公室（PEO）和各大系统司令部（SYSCOM）、项目管理办公室（PMO）、工业部门、采办与持续保障界（A&S）、国防部采办、技术与后勤副部长办公室（OUSD（AT&L））、军种采办执行官（SAE）以及作战人员带来方便，如下图7所示：
——计划单元办公室（PEO）和各大系统司令部（SYSCOM）：可以随时随地访问项目信息；可以透视所有的项目；并且可以应用共同的解决方案以减少投资。
——项目管理办公室（PMO）：协同访问改善及时性，减少数据处理。通过共享服务减少项目费用，提高生产率。
——工业部门：减少基础设施投资；改善供应链和伙伴关系管理；通过设计协作、网上合同签订等减少时间周期。
——采办与持续保障界（A&S）：整个供应链具有可视性；可以在网上协作访问权威的技术信息；可以使用知识管理工具。
——国防部采办、技术与后勤副部长办公室（OUSD（AT&L））：增加生产率。更加及时的信息。更少的形式上的审查。更深入的异常分析和覆盖分析。
——SAE：可以以项目和组合视角使用性能信息。增加服务采办界生产率。
——作战人员：可以有更多的能力，更快的进行部署。更短的后勤等待时间。对权威的技术信息可以进行网上协作访问。
图 7 IDE 的益处
IDE将成为管理信息和基本的项目管理决策支持系统的单一权威来源。完成该目标要求囊括各军种的能力，借助权威数据源间的代理技术来促成分布式数据和过程的单一来源访问和技术状态管理。
2010年，美国国防后勤局转型路线图发布，实行13项转型计划，其中的第5项转型计划就是一体化数据环境。路线图指出，一体化数据环境将取代国防部的联合全资产可视化能力，无论各用户使用什么样的信息技术与结构体系，它都能确保在全国防后勤局范围内以及在国防后勤局与其用户之间实现完善的数据共享。这次转型从根本上改变了美国国防后勤局的核心业务模式，保障进程和系统的体系结构。在核心业务模式一级，聚焦于用户、供应链管理和紧密的伙伴关系构成转型的内容。转型的关键是组织的调整。在过去，美国国防后勤局的运作方式就像是一个按传统控股公司，有许多半自治的机构，如它的库存控制站和配送中心，都向统一的总部参谋机构报告。国防后勤局已经采取战略步骤，建立单一的、严密整合的组织体制，在这一体制中，美国国防后勤局是一个复杂组织体（enterprise），也被人们看成一个企业。 美国国防后勤局局长指出，“后勤保障的转型是一个持续的过程，而不是终极状态。我们正在摆脱以往的业务模式和组织结构而转型成为：强健的、聚焦于用户的机构，它有世界级军事部门以及同作战人员相互合作的能力；军事准备必不可少的供应链的管理者与整合者；它有与世界级商业供应者建立伙伴关系的能力；它是一个单一的、充分一体化的复杂组织体。”
图 8 IDE 在基于能力的采办中的作用
经过近30年的建设，如今，美军已建立起针对单个采办项目全寿命周期的综合数据环境运行机制，正在不断完善融合了全军的后勤保障数据与作战和情报数据的全球作战保障系统、联合全资可视化系统等跨部门、跨领域综合数据环境，并在构建适合于美军防务采办和持续保障整体范围内的综合数据环境，其目标是在整个国防部范围内建立一种包括纵向综合和横向综合的综合数据环境。纵向综合就是*器武**装备从竞标、签约、设计、研制、生产到使用与保障直至报废的全寿命内实现数据信息共享；横向综合就是跨军种、跨职能部门的信息共享系统，使各方数据融合和共享。美军正在通过实施数字工程倡议，推动综合数字化（数据）环境与基于模型的系统工程方法的工程应用，加速作战相关能力的交付，实现真正基于能力的采办（如上图8）。
（中国航空工业发展研究中心 尤晨宇，张宝珍）
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本篇供稿：系统工程研究所 运 营：李沅栩