【A&D 技術窺探】終結「藍圖與實體模型」的百年統治：數位工程如何引領台灣國防自主的開發革命
- Sonya
- 10月25日
- 讀畢需時 7 分鐘
秒懂重點：沒有這項技術，就沒有新世代戰力
想像一下，我們要集結全國之力開發下一代戰機，在過去，各個團隊（機體、航電、軟體、發動機）各自埋首於自己的設計藍圖，等到好幾年後，才把所有實體零件組裝起來，結果發現航電系統的線纜跟機體結構互相干預，軟體也跟硬體不相容。
這就是傳統開發模式的惡夢：「後期整合地獄」，數位工程 (Digital Engineering) 徹底顛覆了這個流程，它不再依賴分散的紙本藍圖或 2D 圖紙，而是從一開始就建立一個所有團隊共享、高擬真的三維數位模型，這個模型就是唯一的「事實真相」，機體團隊對結構的任何修改，航電團隊能立即在其模型中看到影響並調整佈線；軟體團隊則能直接在這個數位模型上進行「虛擬飛行測試」，早在第一塊金屬被切割前，就找出 90% 的整合問題。若缺乏這套方法論，在開發如潛艦國造、新一代飛彈或無人機蜂群這類極度複雜的系統時，我們將無可避免地陷入「設計-製造-測試-失敗-修改」的昂貴循環，開發時程與成本將完全失控。
關鍵技術白話文：原理與劃時代挑戰
過去的技術瓶頸：為何傳統架構已無法應對威脅？
傳統的系統工程，被稱為「以文件為中心的工程」(Document-Centric Engineering)，它有三大根深蒂固的缺陷：
數據孤島 (Data Silos)：設計圖、需求文件、測試報告、模擬結果…這些資訊分散在不同的部門、使用不同的格式（Word, Excel, PDF, CAD），彼此之間沒有關聯。資訊的傳遞極度依賴人工會議與審查，效率低下且極易出錯。
昂貴的物理原型：在沒有高擬真虛擬模型的情況下，驗證設計的唯一方法就是製造出昂貴的實體原型機，每一次設計變更，都可能意味著一具原型的報廢與數百萬美元的損失。
後期的錯誤發現：最大的問題是，許多致命的設計缺陷，特別是軟硬體整合問題，往往要等到系統實際組裝、通電測試時才會暴露出來，此時再進行修改，成本可能是設計初期的數百甚至上千倍，這就是所謂的「知識鴻溝」。
在現代化戰爭分秒必爭的需求下，這種耗時數十年、極度浪費的開發模式，已經無法滿足快速迭代、應對新興威脅的需求。
核心技術原理是什麼？
數位工程的核心，是建立一個被稱為「數位主線」(Digital Thread) 的概念，我們可以將其比喻為整個武器系統的「數位 DNA」，它將武器從概念發想、設計、製造、測試、服役到最終除役的每一個環節，都用數位化的方式串連起來。
這個生態系主要由三大支柱構成：
權威事實單一來源 (Authoritative Source of Truth)：這是所有工作的基礎，利用模型化系統工程 (Model-Based Systems Engineering, MBSE)，我們不再撰寫數千頁的文字需求文件，而是建立一個包含作戰需求、功能、系統架構的互動式數位模型，這個模型成為所有後續設計的唯一依歸，確保所有工程師都在同一個「數位沙盤」上作戰。
數位分身 (Digital Twin)：這是「數位主線」在物理世界中的鏡像，在設計階段，它是純粹的數位原型，工程師可以在虛擬環境中對其進行各種極限測試（如結構應力、電磁干擾、熱流分析），當實體武器（如一架勇鷹高教機）被製造出來後，這個數位模型會與實機上的感測器數據相連，成為一個能反映真實健康狀況的「數位分身」。
協同作業環境 (Collaborative Environment)：這是一個雲端或私有化的數位平台，整合了所有需要的工具（CAD, CAE, PLM 軟體），讓身處不同地點的工程師、專案經理、甚至供應商（如漢翔與下游供應商），都能基於那個「權威模型」進行即時協作，打破部門壁壘。
這樣設計的根本目的，是將絕大多數的驗證與測試工作，從昂貴的「物理世界」轉移到低成本的「數位世界」，實現所謂的「左移」(Shift Left)，即在開發流程的更早期階段發現並解決問題。
新一代技術的突破點
從「事後驗證」到「持續驗證」：開發過程中的任何變更，其影響都會透過數位主線自動傳遞到所有相關模型，系統可以持續、自動地進行整合驗證，確保設計始終處於正確的軌道上。
數據驅動的決策：從模擬數據到服役後的真實數據，所有資訊都被匯集到數位模型中，管理者可以基於真實數據，而非靜態的簡報，來做出關於設計取捨、維護計畫等關鍵決策。
加速軟體迭代：在 JADC2 這類以軟體為核心的作戰體系中，數位工程結合 DevSecOps 流程，允許軟體在經過驗證的「數位分身」上快速測試與部署，實現如手機 APP 更新般的敏捷戰力升級。
產業影響與應用
完整實現藍圖：從研發到實戰的挑戰
導入數位工程是一場涉及工具、流程與組織文化的全面變革，對國防自主產業鏈的每個環節都帶來了挑戰與機會。
挑戰一：建構權威事實來源：從「文件思維」到「模型思維」的轉變
這是最基礎也最困難的一步，要求工程師從撰寫靜態文件，轉變為建構動態、互相關聯的系統模型。
核心工具與技術要求：
模型化系統工程 (MBSE) 工具：如 Cameo Systems Modeler 或 IBM Rhapsody，用於建立系統的架構與需求模型。
產品生命週期管理 (PLM) 平台：如 Siemens Teamcenter 或 Dassault Systèmes 3DEXPERIENCE，這是數位主線的「骨幹」，負責管理從 CAD 模型、軟體程式碼到測試數據等所有產品資訊的版本與流程，對於像中科院這樣的大型研發機構，建立統一的 PLM 平台是實現數位化轉型的第一步。
挑戰二：高擬真度的整合模擬：如何在電腦中預演一場空戰？
數位模型的價值，取決於其模擬的真實程度，要讓虛擬測試有意義，就必須整合結構、流體、熱、電磁、軟體等多種物理領域的模擬。
核心工具與技術要求：
多物理領域模擬 (Multi-physics Simulation) 軟體：如 Ansys、COMSOL 等工具，能模擬一個零件在真實作戰環境下承受的複雜應力。
硬體在環 (HIL) 與軟體在環 (SIL) 模擬：將真實的飛控電腦或航電設備（硬體），接入一個完全由電腦生成的虛擬戰場環境（軟體），讓硬體「誤以為」自己正在真實飛行，這是驗證複雜軟硬體整合的關鍵步驟，也是國防自主開發流程中必須建立的核心能力。
挑戰三：從設計端延伸至生產與維保：打通「數位主線」的最後一哩路
數位化的效益不能只停留在設計部門，必須將數位模型直接應用於生產製造與後勤維保，才能實現全壽期的效益最大化。
核心工具與技術要求：
數位化製造 (Digital Manufacturing)：將 3D 模型直接輸入 CNC 工具機或 3D 列印設備，實現「無圖紙化生產」。
擴增實境 (AR) 維修輔助：讓第一線的維修人員（如空軍地勤），戴上 AR 眼鏡，就能看到疊加在真實裝備（如 F-16V 的發動機）上的數位維修指南、零件資訊與操作步驟。這對於像神基 (Getac) 這類提供強固型電腦與解決方案的廠商，是極具潛力的應用領域。
應用為王：哪些國防裝備的命脈掌握在它手中？
數位工程是所有尖端武器系統開發的標準作業流程：
第六代戰機：如美國的 NGAD，其開發完全基於數位工程，透過「數位百系列」(Digital Century Series) 的概念，在虛擬環境中設計並「試飛」了數百種不同的構型，才決定最終方案。
核潛艦：美國的哥倫比亞級核潛艦，是史上第一個完全採用數位化設計與建造的潛艦計畫，大幅降低了因設計錯誤導致的重工成本。
高超音速武器：由於飛行環境極端，物理測試極其昂貴且困難，因此高度依賴數位模型進行氣動熱力學與材料反應的模擬。
聯合全領域指揮與控制 (JADC2)：JADC2 的本質就是一個巨大的軟硬體整合挑戰，必須在一個持續演進的數位環境中，模擬與驗證不同軍種、不同平台的節點如何互聯互通。
前瞻未來：技術普及的挑戰與下一波趨勢
導入數位工程的最大挑戰，往往不是工具，而是組織文化與人才技能的轉變，需要長期的投入與高層的決心，下一波趨勢將是「AI 賦能的數位工程」，利用 AI 進行「衍生式設計」(Generative Design)，讓電腦根據作戰需求自動生成數千種最佳化的設計方案，供工程師選擇，將開發效率提升到全新的境界。
投資視角：為何「賣軍火鏟」的生意值得關注？
數位工程的浪潮，為全球國防產業帶來了深刻的結構性轉變，同時也創造了一個穩定增長的投資賽道，在這場革命中，真正的核心價值並不僅僅掌握在建造飛機、船艦的洛克希德·馬丁或 BAE Systems 手中，更掌握在那些提供「數位化基礎設施」的軟體與工具供應商手中。
這些公司——例如提供 PLM 平台的西門子 (Siemens)、達梭系統 (Dassault Systèmes)，以及在多物理模擬領域佔據主導地位的安矽思 (Ansys) 等——才是這場數位轉型中真正的「賣鏟人」，他們的軟體被應用於幾乎所有尖端的國防研發計畫中，橫跨海、陸、空、天各個領域，相較於押注單一武器平台的得標風險，投資於這些提供基礎性、平台無關、且具備極高技術護城河的「數位工程賦能者」，更能分享到整個產業升級所帶來的長期、穩健的紅利。
