美軍網信前沿重點創新與軍用研究
摘 要：科技創新能力已經越來越成為衡量一國綜合國力、軍事實力的決定性因素，也深刻影響著武器裝備發展和未來作戰模式。以美國為代表的軍事強國高度重視并長期堅持科技創新，通過制定戰略規劃、強化頂層管理、設立創新機構、加快項目布局等方式，多措并舉推動網信重點領域科技創新，加速前沿科技創新成果的軍事應用。截至目前，人工智能、區塊鏈、網絡安全等技術領域很多科技創新成果已經取得突破性進展，未來將對武器裝備發展和作戰產生深遠影響，值得高度關注。
關鍵詞：科技創新；武器裝備；未來戰爭
引言
網信前沿技術能夠高效、穩定、安全地實現信息收集、信息處理、信息存儲和信息傳輸，跨越了物理層、信息層、認知層和社會層，深度融入陸、海、空、天、網、電各個作戰域，是實現聯合作戰任務規劃和信息資源共享利用的核心技術，也是集成指揮控制、情報偵察、預警探測等功能系統的橋梁和紐帶。該技術領域是全球研發投入最集中、創新最活躍、技術更新換代最快、軍事應用最廣泛、輻射帶動作用最大的技術創新領域。
網信前沿技術的快速發展，在全球范圍內帶來巨大變革，同時對我軍信息化建設和作戰樣式產生了深遠影響，特別是在戰場環境下，掌握網信技術優勢的一方往往掌握戰場主動權。搶占網信前沿技術發展高地，既是科技發展的必經之路，也是加快未來兵力建設、奪取戰場主動權的迫切需要。
1.美軍推動網信前沿科技創新的重點舉措
1.1 戰略規劃方面
美國已構建了完備的科技戰略規劃體系，牽引國防科技創新發展，國家層面出臺科技戰略規劃，指導聯邦政府投資重點，統籌協調軍地科技創新工作，保持美國在前沿技術領域的領先地位；部門層面圍繞前沿重點領域制定具體戰略規劃，推動技術開發與軍事應用，支撐國家層面戰略政策順利實施。美國近年發布的網信前沿重點領域科技創新戰略政策和規劃計劃文件如表1所示。
表1 美國網信前沿相關戰略規劃文件
1.2 機構布局方面
國防部層面，2019年以來，美國為響應全球技術發展態勢和“大國競爭”戰略需求，大幅調整了冷戰時期形成的國防科技管理體制，將科技創新作為維持和增強軍事優勢的重中之重。
調整后，國防部研究與工程副部長下設了兩個業務局，一是研究與技術局，該局聚焦技術研發，負責制定國防科技投資戰略與政策，監督國防部與軍種科研實驗機構的運行；二是先期能力局，聚焦技術集成與轉化，負責樣機演示驗證與快速部署，監督研制試驗與鑒定設施。
新的國防科技頂層管理體制注重圍繞網信前沿技術實施專業化管理，
專門設有10余位局長助理分管微電子、網絡、量子科學、生物技術、定向能、機器學習/人工智能、完全網絡化指控通信、空間、自主能力、高超聲速、5G等技術領域。
此外，另設七個直屬機構，由研究與工程副部長統一管理，特別是國防高級研究計劃局（DARPA）、國防創新單元（DIUx）等科技創新機構，其管理層級少、結構扁平化，決策效率高、自主權大，在推動科技創新和加速技術軍事應用方面發揮了很大作用，使美國防部能夠更快速地開發新技術和新能力，并將其快速交付到作戰人員手中。
這些機構近年來在人工智能、區塊鏈、網絡安全、先進加密、先進計算、量子信息等前沿網信技術創新方面加大預算投入和研發力度，快速形成了大量新研究成果，并迅速應用于軍事領域，對武器裝備建設和作戰產生了重要影響。
軍種層面，近年來美國陸軍、海軍、空軍打破傳統科技創新體系壁壘，推行開放創新，加強與商業界、學術界的聯系與合作，充分利用其研發實力加速和拓展創新。
一是建立了軍內高層級機構催化創新，空軍2017年創建的“空軍工場”、海軍2019年創建的“海軍敏捷辦公室”都被賦予了軍內采辦和科研管理的最高協調權限，能夠更高效地推動美軍科技創新變革，通過推廣創新工具、搭建交流平臺、開創新機制和新做法，加強了軍隊與工業界、學術界及非傳統創新力量的交流合作；
二是深入波士頓、奧斯汀等創新樞紐吸納前沿技術與人才，以推進國防科技創新，如陸軍研究實驗室“開放園”在波士頓等地建立了區域延伸機構，“空軍工場”在奧斯汀等地設立了辦公室。
1.3 成果轉化方面
成果轉化是科技創新的重要實現環節，網信領域科技成果很多是軟件類產品，這類產品具有需求變化快、迭代開發頻繁的特點，為了避免出現“交付即意味著過時”的情況出現，美軍近年來開始采用商業軟件領域已成熟使用的敏捷軟件開發方法，以應對快速變化的作戰需求，實現網信領域科技成果的多次迭代和快速開發。
此外，美軍正在積極推行“中間層級”采辦模式，國防部和各軍種發布多份指導文件，逐步完善相關制度，通過采用簡化的“需求、采辦、預算”流程，以加快相關武器裝備科研項目的研制、試驗、部署，截止2019年底，美軍已有超過50個項目納入“中間層級”采辦，包括面向聯合作戰而重點研發的“統一平臺”網絡作戰裝備。
1.4 人才管理方面
美軍為更好地管理和支持國防領域的科技創新人才，擴大和維持大國競爭優勢的人才基礎，正在《國防授權法》框架下大力推行“人事驗證計劃”，通過靈活高效的人才管理體系，強化各個科技創新實驗室對高水平人才的聘用、激勵和保留機制。各科技創新實驗室因此具備了更大、更靈活的人才管理權限，如人才申請流程更簡化、人才資格認定流程更有效、人才入職時間更靈活、人才直接聘用權更多、人才貸款額度更大等。
2.美軍網信前沿重點領域科技創新應用情況
2.1人工智能領域
美國國防部將人工智能作為“第三次抵消戰略”的核心基礎技術，在研的人工智能技術項目約600個。
國防部還通過“數據決策計劃”“數據擴展計劃”等，全面發展大數據獲取、處理、分析等技術，重點提升戰場態勢感知能力。在國防部指導下，陸軍強調加速發展機器人與自主系統能力，海軍強調研發高費效比的人工智能與機器人技術，空軍提出2030年前實現多種有人/無人系統間的相互協同，確保強對抗環境下持續執行作戰任務。
相關人工智能技術成果已在C4ISR、網絡攻防、電子戰、人機協同/無人作戰、后勤保障等領域開展了初步的技術應用和試驗驗證。
2019年3月，DARPA“終身學習機器”項目組開發出全新前饋、無模型智能仿生機器學習算法，機器人利用這種算法可以模擬脊椎動物的學習過程和神經系統控制肌腱運動的過程，大幅簡化機器學習系統訓練過程，實現了“邊做邊學”，顯著提升了機器人在執行任務過程中的快速適應能力；
2019年4月，美國海軍水面作戰中心啟動“蜂群戰術”項目，利用機器學習和人工智能技術，為大型戰艦制定戰術，提高其防御水面和水下集群攻擊的能力；
2020年8月，美國海軍委托谷歌公司開展“海軍艦船維護”項目，利用人工智能技術分析軍艦和相關平臺的受損情況，預測其維護需求。
2.2 區塊鏈領域
美國2017年專門成立由兩黨成員組成的區塊鏈核心小組，負責完善與區塊鏈技術、數字貨幣相關的公共政策。政府和業界共同討論了區塊鏈將如何在數據安全、密鑰管理等領域發揮作用，并發布《區塊鏈：分布式賬本為機構帶來希望》報告。
美國防部2018財年《國防授權法案》明確提出，要對區塊鏈的網絡應用開展全面研究.
DARPA重點推進全員匿名彈性通信（RACE）項目，開發非對稱加密和通信混淆技術以實現匿名，形成具有攻擊彈性的移動通信網絡環境，同時結合分布式計算與通信協議封裝方法，開發提供安全消息傳遞服務的移動電話應用程序和分布式系統；
分布式結構高保障軍事網絡系統（HACMS）項目，開發新型分布式網絡結構，用于改進關鍵任務嵌入式計算系統；
“無鑰簽名”基礎設施（KSI）利用區塊鏈技術檢測網絡中隱藏的高持續性威脅，并及時跟蹤到系統被查看或被篡改的情況，有效保障網絡安全。
美國海軍2017年開始在增材制造中試用區塊鏈，以保證武器裝備增材制造過程中數據共享的安全性，建立可溯源、不可篡改的數據流，從而最終推動增材制造技術與設備在軍隊的推廣應用。
相關區塊鏈技術成果正在戰場通信、武器裝備綜合管理、武器裝備制造、國防關鍵網絡基礎設施、軍用物流等領域開展技術應用探索。
2.3 網絡安全領域
美軍正在大力研發網絡主動防御、網絡彈性與機動、網絡態勢感知分析等網絡安全技術。
網絡主動防御技術是指利用人工智能、機器學習等技術，使設備和系統能夠自動檢測網絡威脅、發現網絡漏洞并自動修復漏洞、抵御攻擊，減少設備和系統受攻擊面的一類技術。美軍重點開展了“脆弱性緩解”“航空電子設備網絡脆弱性”等項目，能夠優化軍事系統和軟件的冗余代碼，快速挖掘系統內部漏洞并進行修復。隨著該技術的不斷發展，可有效縮短漏洞挖掘、修復的時間，減輕針對系統漏洞的各類先進持續性威脅，減少受攻擊面。
網絡彈性與機動技術是指使網絡資源始終處于動態變化狀態，增加對手發動網絡攻擊的難度和成本，同時能夠保證系統在網絡攻擊下正常運行，或快速從攻擊中恢復的一類技術，陸軍的“變體網絡技術”、雷神公司的“網絡機動指控技術”等都屬于該技術范疇。
網絡態勢感知分析技術是指應用了人工智能、機器學習技術，為網絡作戰人員提供快速、準確的網絡空間信息獲取能力，并能夠自動對網絡空間海量情報數據進行分析處理，從海量非結構化異構數據中提取有效信息的一類技術。美軍當前重點開展“網絡態勢感知統一平臺”“聯合指揮控制系統”等項目，能夠增強美軍的多域作戰能力，縮短作戰規劃時間，提升決策品質和速度，縮短網絡作戰殺傷鏈路，提高網絡作戰節奏效能。此外，美軍還在加強“體系化防御技術”創新，突破“點防御”思維，通過體系化地配合使用監測、拒止、切斷、降級、誘騙等諸多技術，很好地實現了對網絡攻擊全過程的體系化跟蹤、識別和打擊。
2.4 先進加密與檢測領域
美國積極研發新型加密技術：
2011年以來，一直推行密碼現代化計劃，意在從根本上解決傳統加密技術的各種安全隱患；
2019年2月，美海軍發布《美國海軍密碼與網絡戰力量發展構想》，提出充分利用密碼學研究成果應對威脅。目前，美國已在生物加密、量子加密、全同態加密等技術領域取得領先。
為降低冗長密碼、通用訪問卡等傳統身份認證技術帶來的安全風險，DARPA重點研發在不中斷網絡用戶行為的情況下，實時、主動地檢測其身份合法性的“主動認證”技術，可對網絡用戶的行為特征進行檢測，2014年該技術已實現對軍用臺式機和筆記本計算機用戶進行身份檢測；
2020年5月，DARPA授出“加密驗證與評估信息安全保障”（SIEVE）項目合同，旨在通過研發零知識證明技術來實現復雜軍事應用中的加密技術，增強美軍方信息安全和可信計算能力；
2020年10月，美國光騎士公司推出首款量子加密產品，使用量子軟件與板載量子處理器，利用物理工作空間中的光來傳輸和加密數據，在通過量子加密保證數據安全的同時，還可將光纖上行鏈路的量子數據直接傳送到物聯網設備中，以最大程度確保安全。
2.5 量子信息領域
美國在量子通信方面研究較早，一些成果已用于軍事、國防等領域的國家級保密通信，目前正在創建一套輻射狀的量子互聯網，還將量子通信應用于虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒定等。
美國國家科學基金會2017啟動“推動工程學中的通信量子信息研究”項目，支持量子通信系統的跨領域研究，著重解決基礎工程挑戰，以綜合組件、中繼器、網絡和架構來實現無損、室溫、點對點的鏈接。
美陸軍2020年設立量子信息科學項目，研究光和量子系統之間的相互作用，包括原子、離子和固態材料，用于開發分布式量子系統的基本構件，此外還探索量子糾纏態分發的方法。
量子計算是美國量子技術領域發展的重中之重，目前美已開發并驗證了多種量子算法，研制出了量子計算機實驗樣機，并逐步將其推向實用化，谷歌、微軟、英特爾、IBM爭相布局量子比特制備、量子芯片、量子計算平臺等技術生態核心環節。
IBM公司2019年1月推出世界首個集成通用近似量子計算機Q System One。該計算機相干時間為73 ms，超導量子比特數為20，量子體積數為16，是迄今為止量子體積數最高的量子計算機；
2019年9月，谷歌公司稱其通過使用“西卡莫”量子處理器，能夠用200 s完成量子計算任務，而在世界最強大的超級計算機上完成同樣任務則需1萬年，這是全球首次成功驗證“量子霸權”。
D-Wave、IonQ、Rigetti Computing、1QBit等初創企業圍繞硬件、軟件、算法等創新活躍。
D-Wave系統公司于2019年9月推出5 000量子比特系統，該系統完全采用新的設計和架構，具有緊密的量子拓撲，提高了處理問題的復雜度，以及計算速度、精度和整體性能。量子計算技術產業生態正逐漸形成。
2.6 先進計算領域
美國在超級計算、類腦計算等方向科技創新力度很大。
美國能源部主導的E級計算計劃（ECP）累計投資4.3億美元，計劃2021—2022年交付3臺E級系統。惠普、IBM、英特爾等圍繞類腦計算有相應布局，
2014年8月，IBM推出名為“真北”的第二代類腦芯片，采用28 nm絕緣體上硅工藝制程，包括100萬個可編程“神經元”和2.56億個可編程“突觸”，每秒可執行460億次突觸運算，每平方厘米功耗僅20 mW，芯片“腦容量”相當于貓腦水平；
2018年，美國空軍研究實驗室宣布與IBM公司合作研發基于“真北”類腦芯片的“藍渡鴉”類腦超級計算機系統，該系統由64個“真北”類腦芯片單元組成，規模等效于6 400萬個可編程“神經元”和160億個可編程“突觸”，目前已用于情報信息處理和目標識別分析。
2.7 5G領域
第五代移動通信技術（5G）具有高速率、低時延、低功耗、海量連接等特點，有望用于戰術通信、指揮控制、情報監視偵察等軍事領域。
美軍通過探索5G國防應用前景、加強頂層規劃與管理、推進5G技術研發與應用、注重風險防范等舉措，推動5G在國防領域應用落地，為美軍聯合作戰提供更高性能、更可靠的信息保障。
DARPA早在2013年啟動毫米波通信、移動熱點等前沿技術研究，并完成關鍵技術演示驗證，未來還將改進信號傳播模型，并探究將5G固定毫米波技術應用于移動、機載和衛星鏈路通信；
國防部選定4個軍事基地探索5G原型平臺部署和軟件測試，包括測試5G網絡與雷達系統頻譜共享、搭建智能倉庫5G網絡、將5G用于虛擬/增強現實支持基地訓練；
空軍開始在10個軍事基地部署5G網絡基礎設施，預計2022年完成；
陸軍提出計劃在13個基地開展5G試點應用，聚焦資產管理、智慧倉庫、虛擬/增強現實、任務規劃與訓練等。
此外，國防部還將與國家標準與技術研究院合作，力求在5G未來標準制定中搶奪話語權。
3. 網信前沿科技創新在軍事領域的影響
3.1 推動武器裝備和技術快速高效發展
1）推動武器裝備向智能化、高效能方向發展。
人工智能、先進計算等技術將使未來車載、艦載、機載、星載等傳感器的目標識別能力大幅提高，從復雜的戰場環境中準確、及時地鑒別出敵方武器裝備、來襲導彈、電磁信號特征等信息，全面準確地分析出當前戰場的敵我力量對比，并使決策系統依據態勢感知結果、敵我力量對比、我方優勢等信息科學、快速地制定出最優作戰策略。在人工智能、先進計算等技術的輔助下，未來陸戰、海戰、空戰中的態勢理解、戰術決策等環節都將加速，偵察、打擊和評估的一體化水平將更高，極大地提高武器裝備的整體戰斗性能和戰斗力。
2）提升網絡和信息系統的效能和自愈能力。
應用人工智能的認知無線電技術能夠解決惡劣戰場電磁環境下的通信問題，保障通信的可靠性，提高戰場頻譜管理效率，增強通信系統抗干擾能力。基于區塊鏈的分布式、不可篡改等特性，可以有效確保復雜通信環境下重要信息的安全傳輸和溯源，實現在任意時刻、任意地點的安全通信，保證通信數據難以被敵人干擾或篡改，在直接通信受阻的情況下，也能確保指揮系統通過所有節點安全發布信息。
先進加密技術、網絡機動技術的深度應用，將進一步提升網絡空間彈性，實現網絡空間“任務保證”能力，極大地增加攻擊者的攻擊難度和成本，甚至重塑網絡攻防規則，顛覆未來網絡空間裝備體系。未來戰場網絡和信息系統將具有高級智能和主動防御能力，主動感知各類連接設備，通過經驗的積累和不斷學習，改善自身網絡結構體系和防御策略，以不同方式應對各種突發情況，快速解決戰場各類復雜問題，提高戰場網絡和信息系統效能和自愈能力。
3）推動未來武器裝備增材制造技術的快速發展。
增材制造作為先進制造的重要組成，正日益成為武器裝備制造領域的未來發展重點，制造系統計算處理能力和核心數據協同共享安全性是實現增材制造的規模化產業化發展的關鍵。當前，增材制造商在工作分配和生產制造過程中，協同共享的部件關鍵設計數據面臨著遭攔截、破壞、篡改甚至解密的風險，建模仿真、在線檢測等過程面臨計算能力不足的問題。區塊鏈憑借其不可篡改性等特點，可確保協同共享過程中的數據安全，高性能計算、量子計算、認知計算等先進計算技術可大幅提高增材制造控制軟件和檢測系統的計算能力、準確度和效率，這些技術將提高大型、復雜武器裝備的設計制造能力，推動未來武器裝備增材制造技術的快速發展。
3.2 改變未來戰爭形態
1）增強戰場態勢感知與指控水平。
面對現代戰爭空前苛刻的戰場響應和精準指揮要求，人工智能和先進計算技術可對來自諸如無人機采集的海量視頻數據進行自動分析，替代人工數據處理過程，為作戰人員和指揮人員提供高效、準確的戰場決策建議；量子隱形傳態抗干擾性強、隱蔽性能好等優勢，可提高戰場通信網絡的可靠性、保密性和安全性；5G技術可彌補衛星通信時延較長、速率較低的不足，提高數據鏈通信速率、戰場指揮控制效率。未來戰場指揮控制系統可高效處理海量戰場數據信息，實時分析戰場態勢，快速生成作戰方案，提升數據傳輸安全性，將對作戰樣式產生變革性影響。
2）改變未來部隊編成與作戰模式。
人工智能技術可賦予新型武器裝備自主決定作戰路線、規避障礙、獨立完成打擊、回收等能力，類腦計算等新型計算技術能夠顯著提升數據分析和處理能力，5G技術高移動性、低時延優勢可確保無人系統之間無縫組網，這些技術推動武器裝備向集成化、小型化、高性能、低功耗的方向發展，可滿足陸上、空中、水面、水下無人系統的低能耗需求，增強無人系統在復雜戰場環境中的信息處理能力和作戰效能。
未來作戰模式將逐漸從“人在回路中”向“人在回路外”轉變，人類作戰人員更多地扮演監督員的角色，負責在開戰前輸入目標特征和設定交戰規則，觀察戰場交戰情況等，而無人系統將更多的出現在戰場最前線，進而導致部隊編成出現變化，無人系統集群與人機協同編組以較低成本實現更強作戰能力，大幅降低作戰人員傷亡率，使無人作戰樣式逐步從單平臺作戰向多平臺集群作戰轉變。
3）有望打破網絡空間“易攻難守”的不對稱局面。
網絡主動防御、網絡機動與彈性等新型網絡安全技術實現了網絡安全的主動性、動態性和持續性，在此基礎上結合傳統的靜態防御技術，不僅能夠提升網絡資源的機動性和不可預見性，還可以有效提高網絡整體防御效能，確保在遭受網絡攻擊時能夠及時響應，使防御者始終處于動態的、主動的地位。新型網絡安全技術將大幅增加對手發動網絡攻擊的難度和成本，將網絡對抗主動權轉移至防御者，為打破網絡空間長期存在的“易攻難守”不對稱局面提供了可能。
結 語
在網信前沿技術發展方面，美軍特別強調在總體布局上有針對性地進行頂層謀劃，同時瞄準重點技術及其在潛在軍事應用開展深入研究，以引領未來戰爭新模式。網信前沿領域的發展，重點是要依靠材料、硬件、制造等基礎支撐技術的突破，美軍在基礎支撐技術領域進行了長期的經費投入和技術積累，確保了其在網信前沿領域的持續領先。網信前沿技術的發展高潮始于商用領域，并逐漸轉向軍事應用,美國防部從快速獲取先進技術的角度考慮，正在積極推動簡化商業技術和產品的獲取流程。
今日薦文的作者為國家工業信息安全發展研究中心專家頡靖、張睿健。本篇節選自論文《美軍網信前沿重點領域科技創新與軍事應用研究》，發表于《中國電子科學研究院學報》第16卷第10期。
