美軍軟件工廠發(fā)展實踐研究綜述

【摘要】本文從美軍面臨的以硬件為中心不能夠適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭快速能力迭代的實際問題出發(fā)，介紹了美軍軟件工廠的概念要義和發(fā)展歷程，進(jìn)而總結(jié)歸納出了美軍軟件工廠“六層一邊”的總體架構(gòu)，并通過對美各軍種軟件工廠的實踐運(yùn)用，初步形成我軍建設(shè)類似軟件工廠的啟示和建議，以期為其提供一些借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】軟件工廠|總體架構(gòu)|持續(xù)集成|能力交付

從對近年來的俄烏戰(zhàn)爭、巴以戰(zhàn)爭等現(xiàn)代戰(zhàn)爭的研究中發(fā)現(xiàn)，如何快速啟動和閉合殺傷鏈/網(wǎng)是直接影響戰(zhàn)爭進(jìn)程的關(guān)鍵因素之一。而通過對殺傷鏈/網(wǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，殺傷鏈?zhǔn)敲儡娫谥笓]、控制、通信、計算機(jī)、情報及監(jiān)視與偵察（C4ISR）系統(tǒng)中提出的概念，是一個覆蓋多種打擊要素，并可實現(xiàn)從發(fā)現(xiàn)到摧毀的一體化作戰(zhàn)任務(wù)鏈[1]，殺傷網(wǎng)旨在將各個作戰(zhàn)域的傳感器、指控節(jié)點以及打擊節(jié)點進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，形成由多個節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，支持動態(tài)構(gòu)建模式下的作戰(zhàn)任務(wù)需求[2]。

殺傷鏈/網(wǎng)的構(gòu)建與閉合，本質(zhì)是通過對數(shù)字化戰(zhàn)場資源的精準(zhǔn)調(diào)控，以快速響應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)，達(dá)到預(yù)定作戰(zhàn)目標(biāo)。因此，為保持在大國競爭中的優(yōu)勢地位，美軍積極推進(jìn)數(shù)字現(xiàn)代化與軟件現(xiàn)代化進(jìn)程。自2018年以來，通過構(gòu)建軟件工廠等方式，著力從“硬件中心”組織向適應(yīng)性更強(qiáng)的“軟件中心”組織轉(zhuǎn)型，以便在未來戰(zhàn)爭中更快啟動和閉合殺傷鏈/網(wǎng)。

一、美軍軟件工廠發(fā)展總體架構(gòu)

（一）概念要義

2018年，美國防科學(xué)委員會在《國防系統(tǒng)軟件設(shè)計與采辦》報告中，將軟件工廠定義為：程序員用來編寫代碼、與團(tuán)隊的成員協(xié)作以及自動構(gòu)建、測試和記錄其進(jìn)度的一組軟件工具；2019年，美國防部首席信息官辦公室將軟件工廠定義為：包含多個流水線的軟件組裝工廠，使得軟件開發(fā)、構(gòu)建、測試、發(fā)布和交付階段的活動能夠自動化；2023年3月，美國防部將軟件工廠定義為：由人員、工具和流程組成的集合，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)布和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)韌性，使團(tuán)隊能夠不斷交付價值。

從美國防部官方對軟件工廠的定義可以看出，軟件工廠是一套完整的軟件生態(tài)，在一定的模式和流程約束規(guī)范下，實現(xiàn)從軍事活動跟蹤、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)設(shè)計、軟件開發(fā)、驗證測試、運(yùn)行部署、持續(xù)監(jiān)控，以及在軍事活動和需求快速變化情況下的，系統(tǒng)和軟件能力持續(xù)靈活迭代的過程，主要包括人員角色等構(gòu)成要素、軟件開發(fā)等研發(fā)模式、用戶協(xié)作等基本特點，以及云計算等技術(shù)支撐四方面核心要義。

（二）發(fā)展歷程

21世紀(jì)初美國工業(yè)界提出敏捷軟件開發(fā)模式后，美國防部就認(rèn)識到了該模式的優(yōu)勢并逐步在項目中進(jìn)行推廣。然而，在過去10年中，真正意義上采用敏捷開發(fā)模式的項目并不多，因為美國防部發(fā)現(xiàn)在軟件開發(fā)過程中，由于迭代速度慢，美軍無法快速部署、升級和維護(hù)能力更強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件，從而使美軍啟動和閉合殺傷鏈/網(wǎng)面臨極大風(fēng)險，因此，自2006年以來，美軍重點發(fā)展軟件現(xiàn)代化，以及加速促進(jìn)軟件工廠的構(gòu)建。

從2017年到2023年，美軍先后成立了“凱賽爾航線”實驗室、“Forge”軟件工廠等，在獨(dú)立建設(shè)軟件工廠的同時，美國防部也積極推動與工業(yè)界聯(lián)合建立軟件工廠或者委托建立軟件工廠。截止目前，已建立的軟件工廠約50家，促進(jìn)了美軍先進(jìn)軟件的研制、系統(tǒng)能力生成和迭代周期縮短，在美軍近年來開展的多場戰(zhàn)爭中得到初步檢驗，從而使美軍在大國競爭中保持優(yōu)勢。

（三）總體架構(gòu)

通過分析美國防部主導(dǎo)的軟件工廠定義、軟件工廠發(fā)展歷程，可以歸納出美軍軟件工廠的總體架構(gòu)，如圖1所示，主要包括指導(dǎo)性文件、先進(jìn)技術(shù)支撐、云環(huán)境構(gòu)建、軟件開發(fā)模式、軟件工廠建立、軟件產(chǎn)品集成，以及在建立美軍軟件工廠過程中的人員結(jié)構(gòu)保障等相關(guān)內(nèi)容。

1.指導(dǎo)性文件

為確保軟件工廠建設(shè)規(guī)劃合理、目標(biāo)清晰，以及建設(shè)過程能順利實施，美政府機(jī)構(gòu)持續(xù)推進(jìn)軟件工廠相關(guān)戰(zhàn)略、規(guī)劃及政策的制定，形成一系列指導(dǎo)性文件。2018年2月，美國國防科學(xué)委員會發(fā)布《國防系統(tǒng)軟件設(shè)計與采辦》報告，建議使用軟件工廠作為提供持續(xù)、迭代和快速軟件開發(fā)與維護(hù)的基礎(chǔ)；2020年1月，美國防部發(fā)布采辦指示5000.02《適應(yīng)性采辦框架的運(yùn)行》，為實現(xiàn)靈活和適應(yīng)性采辦提供指導(dǎo)；2022年2月，美國防部簽署批準(zhǔn)了《美國防部軟件現(xiàn)代化戰(zhàn)略》，提出了“以相應(yīng)速度交付韌性軟件功能”的愿景，制定了三項遠(yuǎn)期目標(biāo)；2023年3月，美國防部發(fā)布《美國防部軟件現(xiàn)代化實施計劃摘要》，該實施計劃與《美國防部軟件現(xiàn)代化戰(zhàn)略》一脈相承，都將發(fā)展軟件工廠生態(tài)系統(tǒng)作為重要的長期戰(zhàn)略目標(biāo)。

2.先進(jìn)技術(shù)支撐

借助于美國在人工智能領(lǐng)域世界先進(jìn)的科研院所提供的技術(shù)研究結(jié)果和互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)界的成熟運(yùn)用，美國國防部高級研究計劃局早在20世紀(jì)70年代就開始開展人工智能技術(shù)的研究，隨著美國防部軟件工廠的發(fā)展，云計算、自動化、人工智能等方面先進(jìn)技術(shù)的支撐作用明顯增強(qiáng)。

在美軍軟件工廠的先進(jìn)技術(shù)支撐中，采用虛擬化計算、分布式存儲和并行編程等云計算技術(shù)，大幅提高美軍計算存儲等各種基礎(chǔ)設(shè)施的利用率和編程人員的同步并行開發(fā)能力；采用服務(wù)同步、數(shù)據(jù)同步等自動化手段，支持各軟件工廠開發(fā)的軟件在部署過程中的數(shù)據(jù)實時同步、多種服務(wù)能力的云環(huán)境調(diào)度，以及在設(shè)計軟件時可能的接口沖突等內(nèi)容，有助于縮短美軍軟件迭代周期和加速部署能力生成；采用深度學(xué)習(xí)、趨勢預(yù)測等人工智能方法，為美軍部署軟件的智能化賦能提供有效支撐，如通過深度學(xué)習(xí)快速精準(zhǔn)分析出高精度遙感影像中的目標(biāo)情況。

3.云環(huán)境構(gòu)建

美空軍于2013年率先將“云概念”引入作戰(zhàn)領(lǐng)域，提出作戰(zhàn)云概念，并迅速得到美國防部、海軍及其他軍種的認(rèn)可，以期解決其面臨的威脅和挑戰(zhàn)。2014年，美國《航空周刊》發(fā)布了作戰(zhàn)云構(gòu)想圖，更加清晰地展現(xiàn)了美軍作戰(zhàn)云概念的全貌。近年來，美軍更是將云能力建設(shè)作為軍事信息系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，并將其視為新一代作戰(zhàn)體系“聯(lián)合全域指揮控制系統(tǒng)”的核心基礎(chǔ)，其本質(zhì)是綜合運(yùn)用虛擬化技術(shù)、分布式計算技術(shù)等將分散部署的作戰(zhàn)資源進(jìn)行有機(jī)重組而形成一種彈性、動態(tài)的作戰(zhàn)資源池，為作戰(zhàn)按需獲取資源提供可能[3]。

在軟件工廠生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)中，美軍分別采用與美工業(yè)界互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)合作開展云環(huán)境，以及國防部自行構(gòu)建云環(huán)境等方式。比如，在美空軍的“聯(lián)合作戰(zhàn)云能力”項目中，通過招標(biāo)方式確定谷歌、亞馬遜和微軟等公司為美軍提供云環(huán)境建設(shè)和維護(hù)服務(wù)；在“一號云”項目中，部分依托亞馬遜和微軟等美國網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司的資產(chǎn)，開展云托管和服務(wù)評估相關(guān)服務(wù)。同時，美國防部重點發(fā)展計算資源虛擬化、作戰(zhàn)實物虛擬化等云環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)，旨在將美軍戰(zhàn)場上的多種實體進(jìn)行虛擬化，通過云鏈接成一個物理分布、邏輯一體的云環(huán)境，實現(xiàn)對各類戰(zhàn)場資源的統(tǒng)一管控和優(yōu)化配置。

4.軟件開發(fā)模式

借鑒美工業(yè)界軟件的敏捷開發(fā)模式，結(jié)合美軍對軟件生成能力的實際要求，發(fā)展出一種關(guān)鍵的軟件開發(fā)、安全檢測與系統(tǒng)運(yùn)營（DevSecOps）的開發(fā)模式，將其作為軟件產(chǎn)品的敏捷開發(fā)框架。

從技術(shù)架構(gòu)上來說，DevSecOps平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施、平臺/軟件工廠和應(yīng)用程序三層，其中，基礎(chǔ)設(shè)施層為平臺/軟件工廠層提供托管環(huán)境，明確地提供計算、網(wǎng)絡(luò)資源和額外的云服務(wù)提供商管理服務(wù)；平臺/軟件工廠層重點包括軟件工廠的開發(fā)環(huán)境、CI/CD流水線、日志聚合和分析策略，以及持續(xù)的監(jiān)控操作；應(yīng)用層重點包括應(yīng)用程序框架、數(shù)據(jù)存儲和對象存儲，以及應(yīng)用程序特有的、CI/CD流水線之外的其他中間件。

在軟件開發(fā)上來說，DevSecOps軟件開發(fā)生命周期不是單一的線性過程，通常使用一種描述無限循環(huán)的方法來表示，每個階段都執(zhí)行特定的網(wǎng)絡(luò)安全活動。在設(shè)計上不斷迭代，將瀑布式開發(fā)方法中的集中式交付轉(zhuǎn)變?yōu)樾∫?guī)模、頻繁的交付，而每個小規(guī)模交付都是通過一個完全自動化的過程或半自動化的過程來完成的，從而加速持續(xù)集成和持續(xù)交付。

5.軟件工廠建立

在美國防部的主導(dǎo)和推動下，美陸軍、海軍和空軍都在積極建立軟件工廠，需要說明的是，在這個階段，盡管美國國防部發(fā)布了較多的戰(zhàn)略規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相關(guān)要求，但當(dāng)前仍然處于各自獨(dú)立建設(shè)階段，可能導(dǎo)致軟件工廠之間存在煙囪式或重復(fù)性工作。為此，美軍正在積極開展各軟件工廠之間的合作機(jī)制建設(shè)，以支持軟件具有跨平臺、跨環(huán)境的可移植性，實現(xiàn)軟件代碼的共享，進(jìn)而實現(xiàn)對作戰(zhàn)需求的快速響應(yīng)和迭代能力的持續(xù)輸出。

6.軟件產(chǎn)品集成

在美國防部倡導(dǎo)建立軟件工廠間的合作機(jī)制后，期望能夠在統(tǒng)一的架構(gòu)、集成、運(yùn)行環(huán)境、存儲方式、開發(fā)封裝等要求的約束下，按照作戰(zhàn)運(yùn)用流程的要求，支持軟件產(chǎn)品交付能力的編排和持續(xù)的產(chǎn)品集成，大幅度降低軟件開發(fā)周期和重復(fù)開發(fā)工作，支持即插即用的軟件系統(tǒng)開設(shè)部署方式，為美軍通過使用不斷變化、種類多樣的軟件組合提升作戰(zhàn)能力提供支撐。

7.人員組織結(jié)構(gòu)

在美國防部軟件工廠建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃下，美軍軟件工廠的人員組織結(jié)構(gòu)通常由政府人員承擔(dān)項目團(tuán)隊的領(lǐng)導(dǎo)工作，軟件工程師承擔(dān)軟件開發(fā)和產(chǎn)品集成等相關(guān)工作，其中，政府人員包括軍方人員和政府文職人員，軟件工程師角色由承包商人員、部分政府軍事人員和文職人員共同擔(dān)任。

二、美軍軟件工廠實踐運(yùn)用

（一）美空軍軟件工廠

截止目前，美空軍軟件工廠是數(shù)量最多、運(yùn)行最成熟的，其建設(shè)實踐走在美各軍種的前列，陸續(xù)已建成18家軟件工廠，最具代表性的有“凱塞爾航線”實驗室、“一號平臺”“貝斯平”。它們利用現(xiàn)代化工具和框架落實敏捷和DevSecOps軟件開發(fā)實踐，實現(xiàn)自動化的持續(xù)交付。同時，美空軍還建立了軟件工程組與體系服務(wù)提供商共同構(gòu)成的能力平臺。當(dāng)前，軟件工程組共同支持45個武器系統(tǒng)和13個項目執(zhí)行辦公室的共400余項軟件開發(fā)活動。

（二）美海軍軟件工廠

借鑒美空軍的成熟做法，2021年，美海軍推出”黑珍珠”研發(fā)平臺，通過提供軟件工具、應(yīng)用流程、服務(wù)托管等范式，旨在持續(xù)研發(fā)軟件。同年，美海軍基于“黑珍珠”能力建立了“Forge”軟件工廠，全力推進(jìn)軟件生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。2023年3月，美海軍陸戰(zhàn)隊成立首家軟件工廠，旨在支持陸戰(zhàn)隊形成世界級的軟件開發(fā)能力。

（三）美陸軍軟件工廠

2021年初，美國陸軍未來司令部成立了陸軍首個軟件工廠，該軟件工廠也是陸軍目前唯一一個正式的軟件工廠，其重點工作包括提高作戰(zhàn)人員數(shù)字化水平，通過使用敏捷軟件等現(xiàn)代技術(shù)來解決陸軍現(xiàn)有問題，以及設(shè)計未來部隊原型等，通過先進(jìn)的“代碼資源和轉(zhuǎn)換環(huán)境”平臺，大大縮短軟件研發(fā)交付時間。

三、美軍軟件工廠發(fā)展啟示

從美軍軟件工廠的發(fā)展歷程、總體架構(gòu)，以及美陸軍、海軍、空軍軟件工廠的實踐運(yùn)用來看，對我軍打造類似的軟件工廠有著較好的啟示作用。

（一）目標(biāo)明確

美陸軍、海軍和空軍根據(jù)各自的特點，都打造了相關(guān)軟件工廠，而不是采用統(tǒng)一的軟件工廠去解決全部問題，這說明對于軟件工廠的建立，其目標(biāo)要明確，要解決的問題也要明確，這樣才能聚焦核心，更好地發(fā)揮出該軟件工廠的效率，否則大包大攬，只能越攬問題越多。

（二）頂層設(shè)計

在美陸軍、海軍和空軍的軟件工廠獨(dú)立建設(shè)過程中，由于缺少頂層設(shè)計，使得各軟件工廠獨(dú)立建設(shè)，帶來了煙囪式發(fā)展，使得不同軟件工廠產(chǎn)品的跨平臺運(yùn)用能力較弱。因此，在聯(lián)合全域作戰(zhàn)背景下的軟件工廠建設(shè)之初，需加大頂層設(shè)計。

（三）生態(tài)構(gòu)建

從美軍軟件工廠的總體架構(gòu)上可以清晰地看出，軟件工廠的設(shè)計是一個多領(lǐng)域、多內(nèi)容的生態(tài)建設(shè)，而不是單一的軟件開發(fā)和產(chǎn)品集成。因此，在軟件工廠設(shè)計和建設(shè)過程中，需加強(qiáng)上下游的生態(tài)建設(shè)。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

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（作者簡介：臧飛，中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，高級工程師，研究方向為信息系統(tǒng)總體設(shè)計和系統(tǒng)架構(gòu)研究；黨敏俠，中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，高級工程師，研究方向為信息系統(tǒng)總體設(shè)計和軟件設(shè)計）