军融智库丨美军软件工厂发展实践研究综述

学术 2024-11-14 17:55 北京

美军软件工厂发展实践研究综述

臧飞党敏侠

【摘要】本文从美军面临的以硬件为中心不能够适应现代战争快速能力迭代的实际问题出发，介绍了美军软件工厂的概念要义和发展历程，进而总结归纳出了美军软件工厂“六层一边”的总体架构，并通过对美各军种软件工厂的实践运用，初步形成我军建设类似软件工厂的启示和建议，以期为其提供一些借鉴意义。

【关键词】软件工厂｜总体架构｜持续集成｜能力交付

从对近年来的俄乌战争、巴以战争等现代战争的研究中发现，如何快速启动和闭合杀伤链/网是直接影响战争进程的关键因素之一。而通过对杀伤链/网的研究发现，杀伤链是美军在指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察（C4ISR）系统中提出的概念，是一个覆盖多种打击要素，并可实现从发现到摧毁的一体化作战任务链，杀伤网旨在将各个作战域的传感器、指控节点以及打击节点进行联网，形成由多个节点构成的网状结构，支持动态构建模式下的作战任务需求。

杀伤链/网的构建与闭合，本质是通过对数字化战场资源的精准调控，以快速响应作战任务，达到预定作战目标。因此，为保持在大国竞争中的优势地位，美军积极推进数字现代化与软件现代化进程。自2018年以来，通过构建软件工厂等方式，着力从“硬件中心”组织向适应性更强的“软件中心”组织转型，以便在未来战争中更快启动和闭合杀伤链/网。

一、美军软件工厂发展总体架构

（一）概念要义

2018年，美国防科学委员会在《国防系统软件设计与采办》报告中，将软件工厂定义为：程序员用来编写代码、与团队的成员协作以及自动构建、测试和记录其进度的一组软件工具；2019年，美国防部首席信息官办公室将软件工厂定义为：包含多个流水线的软件组装工厂，使得软件开发、构建、测试、发布和交付阶段的活动能够自动化；2023年3月，美国防部将软件工厂定义为：由人员、工具和流程组成的集合，实现持续发布和先进的网络韧性，使团队能够不断交付价值。

从美国防部官方对软件工厂的定义可以看出，软件工厂是一套完整的软件生态，在一定的模式和流程约束规范下，实现从军事活动跟踪、需求分析、系统设计、软件设计、数据设计、软件开发、验证测试、运行部署、持续监控，以及在军事活动和需求快速变化情况下的，系统和软件能力持续灵活迭代的过程，主要包括人员角色等构成要素、软件开发等研发模式、用户协作等基本特点，以及云计算等技术支撑四方面核心要义。

（二）发展历程

21世纪初美国工业界提出敏捷软件开发模式后，美国防部就认识到了该模式的优势并逐步在项目中进行推广。然而，在过去10年中，真正意义上采用敏捷开发模式的项目并不多，因为美国防部发现在软件开发过程中，由于迭代速度慢，美军无法快速部署、升级和维护能力更强大的系统软件，从而使美军启动和闭合杀伤链/网面临极大风险，因此，自2006年以来，美军重点发展软件现代化，以及加速促进软件工厂的构建。

从2017年到2023年，美军先后成立了“凯赛尔航线”实验室、“Forge”软件工厂等，在独立建设软件工厂的同时，美国防部也积极推动与工业界联合建立软件工厂或者委托建立软件工厂。截止目前，已建立的软件工厂约50家，促进了美军先进软件的研制、系统能力生成和迭代周期缩短，在美军近年来开展的多场战争中得到初步检验，从而使美军在大国竞争中保持优势。

（三）总体架构

通过分析美国防部主导的软件工厂定义、软件工厂发展历程，可以归纳出美军软件工厂的总体架构，如图1所示，主要包括指导性文件、先进技术支撑、云环境构建、软件开发模式、软件工厂建立、软件产品集成，以及在建立美军软件工厂过程中的人员结构保障等相关内容。

1.指导性文件

为确保软件工厂建设规划合理、目标清晰，以及建设过程能顺利实施，美政府机构持续推进软件工厂相关战略、规划及政策的制定，形成一系列指导性文件。2018年2月，美国国防科学委员会发布《国防系统软件设计与采办》报告，建议使用软件工厂作为提供持续、迭代和快速软件开发与维护的基础；2020年1月，美国防部发布采办指示5000.02《适应性采办框架的运行》，为实现灵活和适应性采办提供指导；2022年2月，美国防部签署批准了《美国防部软件现代化战略》，提出了“以相应速度交付韧性软件功能”的愿景，制定了三项远期目标；2023年3月，美国防部发布《美国防部软件现代化实施计划摘要》，该实施计划与《美国防部软件现代化战略》一脉相承，都将发展软件工厂生态系统作为重要的长期战略目标。

图1 美军软件工厂总体架构图

2.先进技术支撑

借助于美国在人工智能领域世界先进的科研院所提供的技术研究结果和互联网工业界的成熟运用，美国国防部高级研究计划局早在20世纪70年代就开始开展人工智能技术的研究，随着美国防部软件工厂的发展，云计算、自动化、人工智能等方面先进技术的支撑作用明显增强。

在美军软件工厂的先进技术支撑中，采用虚拟化计算、分布式存储和并行编程等云计算技术，大幅提高美军计算存储等各种基础设施的利用率和编程人员的同步并行开发能力；采用服务同步、数据同步等自动化手段，支持各软件工厂开发的软件在部署过程中的数据实时同步、多种服务能力的云环境调度，以及在设计软件时可能的接口冲突等内容，有助于缩短美军软件迭代周期和加速部署能力生成；采用深度学习、趋势预测等人工智能方法，为美军部署软件的智能化赋能提供有效支撑，如通过深度学习快速精准分析出高精度遥感影像中的目标情况。

3.云环境构建

美空军于2013年率先将“云概念”引入作战领域，提出作战云概念，并迅速得到美国防部、海军及其他军种的认可，以期解决其面临的威胁和挑战。2014年，美国《航空周刊》发布了作战云构想图，更加清晰地展现了美军作战云概念的全貌。近年来，美军更是将云能力建设作为军事信息系统发展的重要方向，并将其视为新一代作战体系“联合全域指挥控制系统”的核心基础，其本质是综合运用虚拟化技术、分布式计算技术等将分散部署的作战资源进行有机重组而形成一种弹性、动态的作战资源池，为作战按需获取资源提供可能。

在软件工厂生态系统建设中，美军分别采用与美工业界互联网业务合作开展云环境，以及国防部自行构建云环境等方式。比如，在美空军的“联合作战云能力”项目中，通过招标方式确定谷歌、亚马逊和微软等公司为美军提供云环境建设和维护服务；在“一号云”项目中，部分依托亚马逊和微软等美国网络服务公司的资产，开展云托管和服务评估相关服务。同时，美国防部重点发展计算资源虚拟化、作战实物虚拟化等云环境的构建技术，旨在将美军战场上的多种实体进行虚拟化，通过云链接成一个物理分布、逻辑一体的云环境，实现对各类战场资源的统一管控和优化配置。

4.软件开发模式

借鉴美工业界软件的敏捷开发模式，结合美军对软件生成能力的实际要求，发展出一种关键的软件开发、安全检测与系统运营（DevSecOps）的开发模式，将其作为软件产品的敏捷开发框架。

从技术架构上来说，DevSecOps平台包括基础设施、平台/软件工厂和应用程序三层，其中，基础设施层为平台/软件工厂层提供托管环境，明确地提供计算、网络资源和额外的云服务提供商管理服务；平台/软件工厂层重点包括软件工厂的开发环境、CI/CD流水线、日志聚合和分析策略，以及持续的监控操作；应用层重点包括应用程序框架、数据存储和对象存储，以及应用程序特有的、CI/CD流水线之外的其他中间件。

在软件开发上来说，DevSecOps软件开发生命周期不是单一的线性过程，通常使用一种描述无限循环的方法来表示，每个阶段都执行特定的网络安全活动。在设计上不断迭代，将瀑布式开发方法中的集中式交付转变为小规模、频繁的交付，而每个小规模交付都是通过一个完全自动化的过程或半自动化的过程来完成的，从而加速持续集成和持续交付。

5.软件工厂建立

在美国防部的主导和推动下，美陆军、海军和空军都在积极建立软件工厂，需要说明的是，在这个阶段，尽管美国国防部发布了较多的战略规划和标准规范相关要求，但当前仍然处于各自独立建设阶段，可能导致软件工厂之间存在烟囱式或重复性工作。为此，美军正在积极开展各软件工厂之间的合作机制建设，以支持软件具有跨平台、跨环境的可移植性，实现软件代码的共享，进而实现对作战需求的快速响应和迭代能力的持续输出。

6.软件产品集成

在美国防部倡导建立软件工厂间的合作机制后，期望能够在统一的架构、集成、运行环境、存储方式、开发封装等要求的约束下，按照作战运用流程的要求，支持软件产品交付能力的编排和持续的产品集成，大幅度降低软件开发周期和重复开发工作，支持即插即用的软件系统开设部署方式，为美军通过使用不断变化、种类多样的软件组合提升作战能力提供支撑。

7.人员组织结构

在美国防部软件工厂建设发展战略规划下，美军软件工厂的人员组织结构通常由政府人员承担项目团队的领导工作，软件工程师承担软件开发和产品集成等相关工作，其中，政府人员包括军方人员和政府文职人员，软件工程师角色由承包商人员、部分政府军事人员和文职人员共同担任。

二、美军软件工厂实践运用

（一）美空军软件工厂

截止目前，美空军软件工厂是数量最多、运行最成熟的，其建设实践走在美各军种的前列，陆续已建成18家软件工厂，最具代表性的有“凯塞尔航线”实验室、“一号平台”“贝斯平”。它们利用现代化工具和框架落实敏捷和DevSecOps软件开发实践，实现自动化的持续交付。同时，美空军还建立了软件工程组与体系服务提供商共同构成的能力平台。当前，软件工程组共同支持45个武器系统和13个项目执行办公室的共400余项软件开发活动。

（二）美海军软件工厂

借鉴美空军的成熟做法，2021年，美海军推出”黑珍珠”研发平台，通过提供软件工具、应用流程、服务托管等范式，旨在持续研发软件。同年，美海军基于“黑珍珠”能力建立了“Forge”软件工厂，全力推进软件生态系统的构建。2023年3月，美海军陆战队成立首家软件工厂，旨在支持陆战队形成世界级的软件开发能力。

（三）美陆军软件工厂

2021年初，美国陆军未来司令部成立了陆军首个软件工厂，该软件工厂也是陆军目前唯一一个正式的软件工厂，其重点工作包括提高作战人员数字化水平，通过使用敏捷软件等现代技术来解决陆军现有问题，以及设计未来部队原型等，通过先进的“代码资源和转换环境”平台，大大缩短软件研发交付时间。

三、美军软件工厂发展启示

从美军软件工厂的发展历程、总体架构，以及美陆军、海军、空军软件工厂的实践运用来看，对我军打造类似的软件工厂有着较好的启示作用。

（一）目标明确

美陆军、海军和空军根据各自的特点，都打造了相关软件工厂，而不是采用统一的软件工厂去解决全部问题，这说明对于软件工厂的建立，其目标要明确，要解决的问题也要明确，这样才能聚焦核心，更好地发挥出该软件工厂的效率，否则大包大揽，只能越揽问题越多。

（二）顶层设计

在美陆军、海军和空军的软件工厂独立建设过程中，由于缺少顶层设计，使得各软件工厂独立建设，带来了烟囱式发展，使得不同软件工厂产品的跨平台运用能力较弱。因此，在联合全域作战背景下的软件工厂建设之初，需加大顶层设计。

（三）生态构建

从美军软件工厂的总体架构上可以清晰地看出，软件工厂的设计是一个多领域、多内容的生态建设，而不是单一的软件开发和产品集成。因此，在软件工厂设计和建设过程中，需加强上下游的生态建设。

参考文献

[1]王玉茜，曹亚杰，佘晓琼，等.美军杀伤网概念研究及对我防空作战装备体系的启示[J].现代防御技术，2023，51(6)：1-8.

[2]路惠明.软件定义杀伤网构建思考[J].指挥信息系统与技术，2024，15(2)：63-69.

[3]吴宇航，彭振忠.美军作战云概念浅析[J].军事文摘，2020(23)：59-63.

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来源：中国军融智库

本期编辑：王迪

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