美国空军数字化战略的实施分析与启示

摘 要近年来，美国空军加快数字化转型和系统建设以保持战略优势。针对美国空军的战略部署与建设情况，考察了其数字化战略提出的现实需求与目标定位，分析了美国空军数字化战略推进的主要举措与成效，一是加强基础设施建设，应用成熟商用技术改进作战环境；二是创新装备研发与维护模式，提升航空装备交付效率；三是加强统筹管理和技术合作，推动数字体系化发展；四是多元化发展数字化技术人才，提升人员数字实战能力。总结了美国空军在数字化转型中可借鉴的做法，包括加强空军在融合发展中的数据主导地位、利用创新技术改进武器装备全寿命周期效率以及加快培养适应数字化战场的人才队伍。

1 引 言

面对在人工智能、5G技术、云计算、生物科技等军事应用上的威胁，为提升现有数字化能力和联合全域指挥与控制能力，美国国防部在2019年7月12日发布《国防部数字现代化战略》［1］。美国空军率先响应国防部数字化战略，在同年7月19日发布《数字空军》白皮书，提出打造一支“敏捷、灵活与高效”的“数字空军”，全面展开部队的数字化建设。该白皮书与国防部的数字化战略一脉相承，将数据视为战略资产，针对基础设施建设、数据管理架构、业务管理模式以及数字化人才建设等方面提出了战略规划和目标愿景。经过近三年的发展，美空军数字化建设已由战略愿景转化为实际的优势。 除了美国，俄罗斯和英国等都在加速军队数字化转型建设，以适应协同作战对数据共享和集成数字化能力的需要，未来数字技术的比拼会日益激烈。通过分析数字化建设较为领先的美国空军，考察其数字化战略的顶层设计与建设思路，分析其利用先进工业思维推进国防科技研发采办，改进数字化装备研发与维护以及增强人员数字化作战能力，提高数据共享能力，增强数据的可靠性和安全性等方面的具体做法，有助于形成对美国空军数字化建设较为系统性的认识并对我空军数字化建设提供有益参考。

2 美国空军推进数字化战略的需求与定位

2.1美国空军争夺空中优势的战略需求

《数字空军》白皮书中阐述了建立“数字空军”的重要性和迫切性，提出信息技术的快速变革导致战场特征的演化和战斗方式的变革，战场环境日益复杂，战争速度和范围不断扩大［2］。美国空军认为其对手拥有的先进防空系统、反太空武器、持续的网络探测和攻击能力对其造成了前所未有的威胁，成为“外患”。而美国空军的“内忧”体现在各平台的协作不力而产生的“信息烟囱”（information silo），即飞机、卫星和其他系统功能独立，数据的收集、使用和共享耗时低效，平台间无法进行互操作。飞行员执行任务时不能实时访问和共享数据，仅依靠个人经验、直觉和解释进行决策。任务讲评时仍需通过传统的幻灯片方式呈现决策过程和内容，整个决策周期的效率和准确性低。除此之外，现有基础设施、数据和技术已经无法满足美国空军在未来空中、陆地、海洋、太空和网络作战域进行协同作战的需求。 在这一背景下，美国空军认为必须在数据管理和信息共享方面进行根本性变革，摒弃过时的程序、系统和思维定势，革新信息技术架构、数据管理和业务运营模式，积极利用创新的商业解决方案，实现云、移动、数据、人工智能技术和网络性能的提升，使人员能够专注于作战任务。同时改善飞行员的网络体验，利用数据工具连接到综合数据流，确保实时获取所需数据，形成数据驱动的决策，加速决策周期，保持“数字空军”的优势地位。 美国空军将未来数字作战空间的作战指挥过程描述为：集成多种数字技术，由5G、增强现实/虚拟现实（AR/VR）、人工智能、可穿戴设备等技术提供实时战场情报，再通过集成、虚拟现实技术与急速边缘计算能力处理数据，最后经集成传感器与先进算法分析后统计数据结果，形成完整的“战场物联网”（Internet of Battlefield Things， IoBT），同步部队机动，提高人机互动效率，增强作战和指挥人员的战场态势感知和决策能力。

2.2美国空军建设“数字化作战能力”的战略发展方向

基于上述需求，美国空军针对技术平台、作战保障和业务管理模式提出了三个战略发展方向： （1）保障“数字作战空间”（digital battle space）中数据和信息流的通畅传输与平台共享。通过建设适应现代化作战需求的IT基础设施，研发数据存储和共享的云解决方案，确保作战人员对数据的实时访问。建立具有弹性和安全性高的系统，确保在威胁性电磁环境中的数据传输，提高数字安全等级和系统验证的技术标准。 （2）利用数据能力进行高效决策，实现多源数据融合和全域指挥控制。创建数据管理架构和标准化策略，促进多平台数据的通畅交换和使用。确保数据在多源平台收集、存储和传输过程中不会延滞。未来的空军体系将利用行业标准的技术和系统，以降低总体运营成本，提高效率，进而全力支持作战人员，提高部队的杀伤力和战备能力，改进作战保障。 （3）采用敏捷业务模式，提高管理体系的效率和作战人员数字能力。由供应商负责基础设施管理，使网络作战人员能专注于作战任务，保障信息作战满足战略和战术目标需求。同时，改进数字化人才招募方式，培训人员的数字化操作能力和基础设施管理能力。合并、细化业务管理系统和运行方式，促进管理模式的合理化、创新化和实战化［2］。

3 美国空军数字化战略的举措及实施

美国空军经历了三年的战略部署和系统建设，数字化战略已经从初始的试点项目扩延至技术研发、装备采办、演习训练和业务管理等各个层级。从其建设成果看，美国空军数字化战略实施已进入实质性阶段并取得了显著的成果。

3.1加强基础设施建设，应用成熟商用技术改进作战环境

加速推进5G网络的部署使用，满足军事应用的多样化需求。2019年开始由美国无线通信供应商威瑞森公司（Verizon）与美电话电报公司（AT&T）为佛罗里达州廷德尔空军基地（Tyndall AFB）等10个空军基地陆续部署了5G网络，解决了原有4G LTE网络下的时延和安全问题，形成军事专用和军民共用的网络体系架构以支持全球作战［3］。在日常飞行任务中，5G技术将支持作战人员使用本地和远程5G网络传输海量数据，将远程传感器和武器装备连接到密集、韧性的战场网络中，实现数据实时共享。同时，辅助机组人员在安全的5G环境下查看库存和备件信息，提供飞机诊断和解决方案；在态势感知方面，5G环境下的充足数据帮助指挥官更好地理解、适应和重塑复杂的战场环境；在作战协同方面，支持日益扩大的“军事物联网”应用，通过低延时通信增强新一代无人和自主武器系统的跨域协同能力。未来美国空军将进一步推进5G在情报、监视与侦察、高超声速武器、指挥、控制和通信、模拟仿真训练、VR/AR等领域的应用［4］。 提高即时网络服务，按需定制作战平台云解决方案。美国空军认为在未来网络战争环境下“需要新的基础设施来构建数字基础，人工智能和量子计算等所有未来作战能力都将依赖于此。”因此，IT基础设施建设是其“国家安全的当务之急”［5］。美国空军开展的“企业IT即服务”（Enterprise IT as a Service，EITaaS）项目旨在为空军提供低成本、快速、可靠的网络服务，按照国防部“其他交易指南”（Other Transaction Authority，OTA）授权可不受政府固有的规则和形式约束，与企业达成深度合作，将最佳商业实践带入空军［6］。2019—2020年，美国佛罗里达州赫尔伯特场（Hurlburt Field）、阿拉巴马州麦克斯韦（Maxwell）、科罗拉多州巴克利（Buckley）空军基地（目前隶属于美太空部队）等8个空军基地完成网络升级改造，通过EITaaS及微软云托管等项目建立起混合云环境。此次升级使各基地能够快速访问业务网，彻底更换了过去用于收发电子邮件和基于因特网应用程序的非机密网络，解决了操作缓慢、使用繁琐且安全性低的问题，对美国空军具有里程碑式的意义。作为EITaaS项目的核心组成部分，网络即服务（Network as a Service，NaaS）计划也已开始部署。2018年9月，位于马萨诸塞州汉斯克姆（Hanscom）空军基地的空军生命周期管理中心（AFLCMC） 分别授予美国电话电报公司AT&T和微软公司价值8700万美元和3400万美元的三年期合同，用于风险降低实验并提高网络即服务能力，实现高带宽、稳定连接及网络弹性［3］。 建立稳定的数据传输和指挥控制平台，促进全域情报融合。在美国国防部的整体部署中，联合复杂组织国防基础设施（JEDI）项目负责美军的“通用业务”，美国空军的“一号”系列（“一号云”、“一号数据库”、“一号平台”等）是实现空军及各军种间军事指挥与控制的战术平台，也是美国空军先进作战管理系统（Advanced Battle Management System，ABMS）的技术平台［7］。美国空军先进作战管理系统作为以网络为中心的战斗管理方法和集成了软、硬件技术的“系统家族”，构成了美军联合全域指挥与控制的核心平台和技术引擎。通过收集和处理来自空中、陆地、海洋、太空和网络领域的传感器集成数据，运用可信网络和智能算法，实现跨军种的数据集成、转换与通信，将情报和目标数据转化为可执行的信息进而形成作战方案，再通过人工智能进行优先排序后回传至用户。利用相对的信息优势，比其对手更快地将决策转化为行动，实现跨域情报融合，从线性、静态的杀伤链演进为基于互联网络跨全域的杀伤网。2019财年和2020财年，美国空军开始实施以“开发、安全和运行”DevSecOps软件模型为核心的敏捷软件开发计划，部署了由“一号云（CloudOne复杂组织云）和两个编码平台（一号编码平台和克塞尔航程实验室Kessel run平台）构成的公共基础设施，用以提供企业编码环境，增加数据的可靠性和安全性”［8-9］。

3.2创新装备研发与维护模式，提升航空装备交付效率

美国空军近年来加速推进数字工程转型，数字工程和数字孪生等技术的应用已贯穿于从研发、生产到维修和保障的整个过程。 装备数字化转型迅速推进。不同于传统研发过程，基于数字孪生的设计过程不再需要复杂的物理验证实验，而是通过建立数字模型深度模拟生产过程，仅通过对生产参数、生产状态及外部条件的调整即可实施快速分析、试错和迭代，预测可能性问题，提供优化方案，从而有效提高工程质量，加快研制进程，减少成本。2019年美国空军正式组建“先进飞机”项目执行办公室，按照“数字化百系列”理念，采用敏捷软件开发、数字工程、开放系统、模块化架构等技术，快速推进下一代空中优势战斗机（Next Generation Air Dominance，NGAD）的研发和生产。T-7A红鹰教练机作为NGAD的主力机型是首个采用数字工程技术研制的“e系列”武器，从无纸化设计到完成首飞仅用了3年时间，据制造商波音公司称，T-7A首批验证机的工程质量提高了75%，装配工时减少80%，软件开发和验证时间缩短了50%［10］。2021年完成首飞的F-15EX战斗机融合了数字工程、开放式任务系统和敏捷软件开发的优势，可在未来数十年保持快速和低成本发展。F-16战斗机也有望尽快利用数字孪生技术进行复制改型［11-12］。下一代全球精确攻击武器（Global Precision Attack Weapon，GPAW）可在虚拟环境中使用数字孪生技术轻松修改系统后再进行实物生产，其开放系统架构可实现在传感、自主和定位、导航和授时方面的快速升级，用于攻击地下深埋目标［13］。美国空军目前重点发展的数字工程采办试点项目还有空军生命周期管理中心的“一号武器”（WeaponONE）和“受保护的战术卫星通信系统”（PTAS）项目。“一号武器”已入选空军装备司令部“数字战役”的“探路者计划”，将进一步开发其数字孪生原型并集成于“先进作战管理系统”。 在役装备有望实现精准维修和保障。数字孪生技术通过建立预测模型实时跟踪物理对象，使用数据挖掘和文本挖掘技术获取来自机载飞行器综合健康管理（Integrated Vehicle Health Management，IVHM）系统、飞机维修历史记录及所有飞行数据的传感信息，这些信息包含了从信号提取、故障检测、诊断和预测、状态评估到决策支持等各层级的数据，能够实现对飞机多层次、多角度、多参数的检测和诊断以及预测，且在识别问题的同时提供候选方案，为装备的使用和维护人员提供实时可靠的信息支持［14］。美国空军正在为一架1985年服役的B-1B轰炸机创建机体数字孪生模型，以便实时诊断飞机健康状况，支撑该机型服役到2040年的目标［15］。

3.3加强统筹管理和技术合作，推动数字体系化发展

威尔•罗珀在2020年9月发布的《数字采办的现实》中提出了“数字三位一体”即集数字工程及管理、敏捷开发和开放式架构为一体的构想，基于Kubernetes（或称K8s）系统和云容器技术建立的“一号平台”（PlatformONE），用以整合作战需求，对战场资源进行统一调度和分配，实现基于云技术的动态分布式任务处理，从而全面支持联合全域作战体系［16］。 统筹管理更加明确。早期美国空军内部有针对信息技术基础设施、维护保障、武器等多个数字化方向相关的办公室，但都是针对特定任务。美国空军于2021年6月设立了永久性的数字转型办公室，其隶属于空军装备司令部，负责推动空军及空天军采办和作战数字系统的建设，整合和共享建模工具、工程仿真及作战分析软件等资源。 融合发展更加深入。美国空军正积极建立政府、企业和学术界的联盟、同盟和合作伙伴关系，共同界定相关概念，积极研发通用数字架构、标准和技术，综合各方的技术优势和敏捷思维，推进数字工程实践。2019年11月美国空军提出计划在未来五年投资300亿美元以打造“数字空军”，投资包括联合部队互联互通（主要为数字架构及云架构）90亿美元、太空攻防装备90亿美元、战斗力形成90亿美元、后勤（全球自由移动等领域）30亿美元［17］。2021年9月，美国空军寿命周期管理中心授予克拉托斯无人机系统、雷锡恩、哈里斯技术公司（L3）、洛马、波音等55家企业一份总额达460亿美元的不定期交付合同，为埃格林空军基地及其任务伙伴提供数字工程和敏捷流程、系统工程等数字解决方案。在确立先进作战管理系统的数字体系结构和标准后，投入总计33亿美元授予近百家企业竞争性技术合同，着力进行数字架构、标准和技术开发，利用多种传感器平台分散能力，保证强对抗作战环境中的指挥控制功能。洛马公司承担“一号平台”项目安全软件架构；格鲁曼公司与空军合作“数字化工程”；波音公司承担了全域作战“数字化思维”（Digital Mindset）的“高级战斗管理系统中心”（ABMSE）的相关工作；科学应用国际公司（SAIC）研发可用于机载系统与空间系统之间协同共用的“通信和数据架构”［18-19］。通过聚合各方科技优势，加速武器装备交付能力。 军种间合作更加密切。美国空军率先进行数字化战略部署和实施，紧接着与陆军合作开展“联合全域作战行动”（Joint All-Domain Operation，JADO）概念研究并达成两年合作协议，共同开发数据共享标准和服务接口。与陆军、海军以每四个月为一个周期开展跨军种演习及互联互通试验。美国太空军成为独立军种后很快就发布了《美太空军数字军种愿景》，提出创建第一支数字军种，建立新型数字工程生态系统。但美国太空军也沿用了和空军一样的技术栈（tech stack），并与其共同开发先进作战管理系统和“e系列”武器。近三年先进作战管理系统项目先后进行了五次名为“高速公路驶入匝道”（Onramps）的联合演示和多次技术试验，采取“边研制、边试验、边部署、边改进”的短周期发展模式，提升战斗力交付速度和质量［20］。美国空军联合各军种协同推进美军数字化进程，旨在实现联合部队全域快速互联与作战协同。

3.4多元化发展数字化技术人才，提升人员数字实战能力

建立培养数字化人才的长效政策机制。美国空军主要通过四种途径招募和培养人才：一是从源头“优选定制”部队军官和技术人员，与地方专业院校签订培养协议，保证技术人才即来即用。二是以非传统方式高薪选拔社会高质数字化人才。对其放宽性别、民族等条件，给予高出企业的待遇，甚至不做服役要求，创造有利条件鼓励技术人员的创新产出［21-22］。三是“增效”现有人员，系统性提升飞行员和各级人员技术能力，从业务技能到思维模式为其注入“数字基因”。四是培养人员对新兴数字技术的文化认同，通过“数字战役”“数字战役虚拟工业交流”等倡议与活动，加强与行业和地方学术伙伴的合作与交流，打造专业技术过硬并具备活力与创新精神的数字化人才队伍。通过改进政策支持、文化导向与保障机制，“多通道、全过程、立体化”提升数字化人才水平。 加大培训力度，提高作战人员数字实战能力。美国空军教育与训练司令部的“下一代飞行员训练项目”从2017年开始加入VR训练课程，加强人员在新技术环境中的适应能力。2019年开始美国空军飞行员分批次参加NEXUS等数字化培训项目，培训内容包括数据科学、软件开发和编程应用设计，要求飞行员在全堆栈、iOS、Python编程等环境下进行数据协作，为未来作战提供战略数据和开发能力［23］。谢珀顿和小石城空军基地从2021年开始陆续开展“下一代维修训练项目”（2020年11月后升级为“技术训练革新T3”项目），加入增强智能和AR/VR技术，主要培训F-35、C-130等机型的维护人员，未来将以T-7A作为主要训练机型［24］。 提升训练环境和装备智能化水平。通过在作战人员军事训练中应用数字化技术如集成视觉增强系统（Integrated Visual Augmentation System，IVAS）头显装置、多功能微型计算机系统和人工智能技术让作战人员进行“沉浸式”模拟训练，解决了传统军事训练对场地、成本和保障资源的限制，提高了训练的效率与安全性。在例行任务中借助智能设备进行健康诊断、敌情监测和情报共享，减少日常工作负荷，保障作战任务的达成。针对美国空军提出的《空军2035年作战训练基础飞行计划》或称OTI2035计划，哈里斯技术公司牵头为美国空军训练模拟器的设计和操作制定通用数据标准（SCARS），简化培训系统操作流程，增强多域战训练环境下的系统互操作性与通用性，打造高度集成和真实高效的作战训练环境［25］。

4 启 示

从美军数字化战略实施过程来看，其方法和举措值得关注并具有一定借鉴意义。 一是加强空军在融合发展中的数据主导地位。美国空军应用云、数据和人工智能等成熟商业技术，进一步提升了作战人员的敏捷性和适应性，改善了部队的工作流程，从根本上改变了作战方式和作战文化。其数字化战略在推行过程中主要依赖地方企业和平台提供基础设施和数据技术支持，但并非由掌握技术和平台资源的企业作为数据管理的主体，而是在空军开发管理的共享技术栈上运行数据，这从根本上改变了向作战人员提供数字能力的方式。这种方式的优势在于，一方面可以统一数据管理标准，避免系统集成与整合过程中的问题，实现数据的高效和“无缝”传输，打破数据障碍，另一方面可确保作战环境与平台的独立性与安全性。按工业化模式发展军方技术需要军方与国防工业界针对数据协议、互操作标准、跨级别安全保密方法等问题深入探讨，达成共识。 二是利用创新技术改进武器装备全寿命周期效率。目前，美国空军为了重新夺回战略优势，将重点放在发展云计算、人工智能及数字工程等技术支持下的集成数字化能力。多个数字工程试点项目取得了明显的成效。数字线程和数字孪生技术通过虚拟测试、迅速迭代、实时更新的方式加速了航空装备从生产研发到缺陷处理及维修检测的全寿命周期过程的决策，对识别风险和价值，平衡成本和需求起到了关键作用，在提高飞机可用性的同时有望降低航空装备及机组的维护成本。其改进业务和项目管理流程、提高数据治理能力以及选定型号推广试点应用的做法值得深入分析。 三是加快培养适应数字化战场的人才队伍。美国空军已初步建立有效机制培养人员数字化能力，通过技术和平台优势改进业务流程，提升业务效率并采取多种激励措施招募和培养人才。但更重要的是人员如何适应迅速更新换代的作战平台和武器装备，利用智能化训练条件成长为未来战场的设计者与建设者，直接参与软件开发、数据处理与分析、信息融合与指挥控制等任务。如何妥善安置和使用地方高水平引进人才以及如何有效提升非技术出身现役人员的数字化能力，快速响应数字化战场需求，也是未来面临的主要问题之一。

5 结束语

美国空军以云技术、5G技术及人工智能技术为基础，以“数字线索”和“数字孪生”等技术为双翼，推动数字工程转型，促进先进作战管理系统的效能发挥，形成联合全域指挥与控制的元网络，旨在实现五个作战域的数据共享和跨域指挥控制，同时加强战场可视化、智能增强，打造从评估研判到智能决策再到行动的数字化杀伤链，其数字化战略实践的做法可以为我军相关能力建设提供参考。

审核编辑 ：李倩