《战术边缘的数据驱动行动：挑战和关注》122页报告

2019年，美国空军（USAF）要求美国国家科学、工程和医学研究院进行一项研究，以审查与未来战术边缘数据驱动行动能源需求有关的挑战和机会。因此，国家研究院在其空军研究委员会（AFSB）的主持下，成立了美国空军未来数据驱动行动的能源挑战和机遇委员会。该跨学科委员会的成员都是志愿者，他们被任命为代表这一高度专业化课题的相关学术、研究和操作经验。本报告是该委员会的工作成果。

报告总结

边缘数据设备需要能源

正如《2020年国防未来工作组报告》所指出的，"人工智能、生物技术、量子计算以及空间、网络和电子战等方面的进步正在使传统战场和边界变得越来越不重要"。报告中的一个重要发现是，需要取得重大进展，通过利用信息技术日益增长的力量，如人工智能（AI）和机器人技术，提高国家安全和竞争力。

美国空军(USAF)内部正在进行重大努力，以做到这一点。正在研究和试验产品和工艺技术，并将其纳入未来作战概念和计划。这一工作的一个重要部分集中在整合行动上，从战略到战术，跨越所有的工作。在考虑这些未来作战概念时，必须提出的一个问题是：实现以知识为基础的未来的设备将如何供电？

更确切地说，离稳定和永久地点最远的设备将如何管理其能源需求？和平时期作战环境的丰富能源供应，在冲突期间可能无法在部队预测的最远处--战术边缘--轻易获得。了解与战术边缘的持续数据收集、处理、存储、分析和通信相关的能源挑战是制定满足未来战场竞争的计划的重要部分。

克服这些挑战

委员会咨询了学术界、政府和工业界的技术专家，以确定与战术边缘的能源需求有关的挑战和问题，以及未来为帮助解决这些挑战而考虑的任何潜在解决方案。为了理解、解决和常规化将能源因素纳入作战能力，需要进行近期、中期和长期努力。本文件中的建议涉及理解这些需求和不满足这些需求的连带效应，将数据处理的能源需求纳入任务和单位准备评估，以及研究产品和工艺技术以解决节能计算、弹性、互操作性和战术边缘能源管理的替代解决方案。这些建议总结如下。

能源需求和任务准备

这些建议的核心问题是，在战术边缘的数据处理和支持作战行动的功能上需要多少能源。从根本上说，这个问题的答案目前还没有全面的了解。有理由认为，一个明显的建议是系统地分析和记录与支持这些任务的数据处理有关的能源需求。

建议1：美国空军必须将能源需求纳入所有武器系统的战备报告指标。

在全面分析与战术边缘数据处理相关的能源需求的同时，重要的是了解能源可用性和质量对这些功能的影响，以及如果能源需求完全或及时得不到满足，对更大的任务功能和武器系统会产生什么影响。必须了解战术边缘的数据能力暂时或持续失去电力对行动的影响，包括从后勤、管理到对目标的有利影响。单位执行任务要求的能力可能会因为无法收集、处理、分析和交流关键数据而大打折扣，从而影响到单位和任务的准备。

建议2：在新兴的数据驱动的作战环境中，美国空军的资源和能力准备评估应包括在战术边缘提供足够和适当的能量给数据能力。

“拔掉插头的演习”

实地演习和培训通常假定在任何时候和任何需求下都有电源。这也是对通信系统、网络和其他支持性基础设施的一个标准假设。在前线部署的情况下或在有争议的战斗空间中，应该预计到电力和其他基础设施将成为攻击的目标，因此将不会持续提供或断断续续。损失可能来自于现有的不良商业基础设施或敌人的拒绝；缺乏维护；缺乏燃料；或人为错误。为了模拟一个现实的未来环境，美国空军必须在训练和演习中包括 "熄灯 "情况。这些针对战术单位和动态基地的拔掉插头的演习可以揭示出与对战术边缘任务的数据可用性预期相关的依赖性。

建议3：美国空军应该对所有现实的实地演习进行“拔掉插头的演习”，对战术边缘数据预期的影响应该被记录下来并转达给任务计划制定者。
建议4：关于战术边缘数据能力“拔掉插头的演习”的结果应被用于修订和更新任务准备度评估。

明确的能源需求

目前，计算支持的能源需求，无论是内部还是外部，目前在任何主要武器系统或任务简介中都没有定义。先进的信息技术（IT）能力，如人工智能，以及大规模分布的小型设备和通信节点的使用，影响了战术边缘的能源需求，并对任务和武器系统的作战准备和性能产生影响。这些能源需求必须被定义为所有任务和系统的要求。

建议5：美国空军应将与数据预期有关的能源需求，包括支持和任务或系统内部的能源需求，作为所有任务和系统的明确要求。合同的条款和条件应包括要求具体和完整描述能源需求、类型以及与后勤支持的兼容性的语言。
建议6：美国空军应明确解决战术边缘信息环境的能源最小化、功耗监测和能源生成问题，包括所有小型设备和物联网能力。

人力

支持与分散在战术、作战和战略层面的计算/存储功能相关的能源需求所需的人力技能是非常重要的，是成功实施数据驱动行动的一个障碍。美国空军不具备管理、领导、监督或解决与数据驱动行动相关的能源消耗挑战的有机人力（已经在组织内的人力）。如果没有了解整个能源需求的有机人力，包括高度专业化的领域，如射频（RF）工程，美国空军可能永远不会实现加强其行动目标的解决方案，而会使自己遭受大量的战术、行动和战略风险。这一人力挑战包括招募、教育、培训和优化承包商/军队的混合，以及对教育的激励。

建议7：美国空军应建立一个人力计划，招募、教育、分配和培训军事和文职人员，以应对与数据驱动行动相关的能源挑战。
建议8：美国空军应激励能源工程师，特别是天线和无线电频率工程师等专家。

能源复原力和互操作性

虽然在外国部署的美国部队的技术互操作性是一个众所周知的问题，但在开发或采购新的电源或分配系统时，这些问题必须是一个具体的考虑。理想情况下，新系统应该自动适应并与外国环境互操作，很少或没有机械切换或重新配置。

向部署的部队提供能源的挑战因物流而变得复杂，物流往往倾向于简单而不是复杂，大用户而不是小用户。在战术边缘，小型用户在全域联合行动（JADO）概念下的数据收集、分析和通信方面可能有更大的作用，这将使他们成为大型单位作战准备的依赖。这对需要分析的联合或多军种行动有影响，包括所有军种在战略制定上的合作。

建议9：美国空军应该开发一个经济效益模型，探索不同能源输送模式的效用、机会成本、风险和效益。
建议10：美国空军应探索在战术性野外演习中实施车联网（V2G）的相关选择。
建议11：美国空军应从能源交付的成本效益和与单一能源来源相关的运营成本的角度考虑能源类型和交付方式的后勤尾巴（例如，使用无人机向小用户交付电池，而不是传统的燃料车队）。
建议12：美国空军在设计电力系统（超过变压器）时，应考虑与外国电力系统和伙伴军事部队（如北大西洋公约组织）的互操作性，包括某些元素的标准化和 "即插即用 "能力。

研究

随着数据驱动的行动对作战概念变得更加关键，能源影响应明确成为规划过程的一部分，包括研究如何减少能源使用、能源来源暴露于敌对活动，以及提高能源复原力。

减少能源消耗的算法和应用空间已被证明是非常有前途的。已经进行了研究，在操作系统层面和应用层面创建能源消耗意识的算法，看来这一工作路线对于减少在战术边缘运行的计算系统的能源需求有很大潜力。虽然众所周知，聪明的算法设计可以产生能源节约，但仍有更多的研究需要进行，以产生实用的和部署的能源意识算法。需要的研究包括将理论算法转换为实际可部署的软件。此外，还需要进一步研究近似技术的作用，以减少能源使用，同时不影响准确性。人们还知道，系统如何架构，包括天线类型和传输策略等细节，会对能源使用产生全面影响，这意味着对能源的系统性使用的研究将是有益的。这些研究工作可以支持减少信号发射和热信号的操作安全目标。