美国国防部国防创新小组2021财年18个特色创新项目详解

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2022年1月26日，美国国防部国防创新小组（DIU）发布《2021财年年度报告》(Annual Report FY 2021)。该报告分为摘要、2021财年工作回顾、2021财年技术转化项目、特色投资组合项目四部分。2022财年，DIU将继续在国防部扩展商业技术解决方案，并寻找机会与合作伙伴和盟友合作。 报告重点介绍了2021财年技术转化项目及特色投资组合项目，本文重点介绍DIU的18个特色项目，其中共涉及人工智能、自主系统、网络、军用车队动力系统、人员系统使能及太空六大方向，仅供参考。

美国国防部国防创新小组2021年度报告

作者：学术plus观察员   潜行   谭惠文

本文主要内容及关键词：        

【方向一：人工智能】1.基于人工智能的知识图构建：开发威胁检测平台，可自动收集和处理3000多万条开源信息，利用AI标记对手渗透关键国家安全供应链的企图，速度是人类分析师的三倍，同时保持了类似的准确性2. 预测性维护：提高美空军维修速度和驾驶准备，已节省5000多个小时故障排除时间，并产生高达80%的任务能力3. 智能商业自动化：该解决方案每年节省数百万美元的人工成本，并提高国防部财务会计的准确性4. 高超音速导弹弹道的生成建模：可以在几分钟内生成数万条导弹轨迹——模型生成能力和速度提高了100倍，使国防部能够根据需要快速评估各种作战场景，对抗对抗性导弹系统【方向二：自主系统】5.快速使能无人机（BLUE UAS）：向作战人员快速交付可信和有能力的无人机、使能组件、自主软件和通用标准6.反无人机系统：预计2022年将扩展到15个站点，推动“即服务”模式。7.电动垂直起降：引进全电动的有人驾驶飞机，可以在复杂的操作环境中运送物资和人员；“敏捷至上”项目【方向三：通信网络】8. 专用5G：与加州国民警卫队合作，在需要时支持现代安全通信9.向前搜寻：抢先应对网络攻击；开发便携式威胁搜索平台10.未来的网络：通过互联网直接快速、安全、受控地访问云服务；商业现成(COTS)技术【方向四：军用车队动力系统】11. 战术车辆混合：扩大运营能力，降低后勤保障风险，有可能帮助降低国防部每年超过8000万桶的石油消耗12. 高级电池标准化的快速启动：通过创建跨越众多军事应用的电池标准和模块，加速军用高压电池的开发和可用性【方向五：人员系统使能】13. 威胁暴露的快速分析（RATE）：预测感染准确率达73%。有助于遏制传染病在军队中传播，使部队更好地保持备战状态14.飞行员训练转换（PTT）和虚拟教练飞行员练习裁判(VIPER)：可将成本和培训时间减少三分之二；首创智能导师15.生理状态监测：可以检测飞行中的飞行员状态【方向六：太空】16.合成孔径雷达：提高了正射校正精度(将原始图像转换成平面精确图像)，并将处理时间从几分钟缩短到90秒以下17.快速响应发射：在需要的时间点促进经济高效发射。预计在未来10年将大幅节约成本18.大容量星座的电力推进：提供更持久、更有弹性的方法来提高卫星机动性，同时延长使用寿命

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国防创新小组(DIU)是美国国防部下属的一个专业组织机构，致力于加速商业技术在各军种、作战司令部、国防机构和其他组织应用。DIU与国防部和跨机构的组织合作提供快速样机、现场化和规模化商业解决方案，这些解决方案可以拯救士兵生命，产生新的作战理念，提高效率，并节省资金。

方向一

人工智能

应用人工智能(AI)和机器学习(ML)加速关键决策和运营影响。重点领域包括：任务预测和规划；异常检测；复杂系统控制；运营决策支持。

1. 基于人工智能的知识图构建

利用人工智能来标记对手渗透关键国家安全供应链的企图，速度是人类分析师的三倍。

报告称，美国敌对国家寻求渗透并进入美国供应链。虽然使用开放的信息源可以检测其活动，但若没有先进人工智能技术工具，早期检测、分析和响应是困难的。

DIU将这种广泛使用的商业人工智能技术应用于国家安全应用，与领先的人工智能公司合作，开发定制了一个威胁检测平台，可自动收集和处理3000多万条开源信息，识别美国对手渗透关键国家安全供应链的企图。这种基于人工智能的知识图构建能力使国防部能够识别、跟踪和绘制非法活动，其速度和规模是人类分析师的三倍，同时保持了类似的准确性。

DIU和全球渔业观察海事情报整合办公室通过xView3挑战赛，确定识别非法、未报告和未受监管的捕鱼公司的最佳计算机视觉算法，获胜的算法将于2022年初宣布并投入运营。

2. 预测性维护

提高美国空军的维修速度和驾驶准备。

由于无法预测系统故障或优化维护协议降低了任务准备度，大大增加了飞机平台的成本，使得国防部每年花费高达450亿美元为各种飞机和车辆提供维护。为了制定商业预测性维护解决方案，DIU于2017年7月开展竞赛、选择了C3.ai公司制定方案并于2019年投入生产，2021年，美国空军快速维持办公室将这一能力扩展到F-35闪电II机队。

此前，美国空军其他平台的预测性维护合同已经节省了5000多个小时的故障排除时间，并产生了高达80%的任务能力。这种预测性维修解决方案已经将处理大量F-35飞机维修信息所需的时间从几个月减少到了几天，若推广至整个机队，预计将节省55亿美元。

3. 智能商业自动化

智能商业自动化有助于国防部收回数百万美元年度人工成本，并提高国防部财务会计的准确性。

国防部财务交易错误导致2021财年多耗费了超10万工时。DIU与Summit2Sea(一家专门从事智能自动化的技术公司)和国防部主审计长合作，开发了一个机器学习解决方案并部署，将每个用例的错误检测和纠正率从两小时提高到两分钟，准确率约为92%。该解决方案每年节省数百万美元的人工成本。

4. 高超音速导弹弹道的生成建模

利用人工智能生成合成导弹轨迹的速度比以前的方法快100倍。

由于预见到了高超音速导弹技术进步带来的挑战，DIU于2020年7月与导弹防御局合作，提高国防部在飞行中模拟高超音速导弹的能力，C3.ai公司开发新软件解决方案，并已于2021年5月转化到导弹防御局。C3.ai解决方案基于现有的物理模型快速地生成和分析大集合的导弹轨迹，使得导弹防御局用户能够考虑各种作战场景。这一解决方案可以在几分钟内生成数万条导弹轨迹——模型生成能力和速度提高了100倍，使国防部能够根据需要快速评估各种作战场景，对抗对抗性导弹系统。

图：基于物理的和综合生成的导弹轨迹的概念组合(C3.ai) 

方向二：自主系统

扩大和增强商业自主系统的能力，以提高作战人员的战备状态和杀伤力。重点领域包括：小型无人机；反无人机；海事自主系统；作战任务自主系统；后勤保障自主系统；制造业自主系统；地面机动性。

5. 快速使能无人机（BLUE UAS）

在需要的时候，快速向作战人员交付可信和有能力的无人机、使能组件、自主软件和通用标准。

2021年8月，塔利班夺取了对喀布尔的控制权，阿富汗政府垮台，阿富汗平民寻求安全保护，拉姆施泰因空军基地成了撤离人员的临时集结地和避难所。大规模人流对基地空中监视能力需求迫切。不到24小时，DIU的无人机到达空军基地。迅速运行了四个快速使能无人机系统；接受无人机操作和安全培训；并在一个活跃的机场建立了实时监控。为拉姆斯坦领导层提供了在关键时刻所需的态势感知。

 图：2021年8月拉姆斯坦空军基地OAR集结地无人机图像(国防创新部队)

 图：用于UAS探测、跟踪和识别的远程哨兵塔系统

6.反无人机系统

快速高效地扩大商用无人机系统技术的生产和销售，以防御敌对的空中威胁。

2019年，DIU与Anduril公司合作开发了自主、数据融合和支持人工智能/机器学习的传感器技术，以探测、识别、跟踪和击败敌对的无人机系统。2021年6月，DIU测试了样机，并与Anduril公司敲定了一份价值9900万美元的合同，让反无机在国防部和其他美国机构都能使用。在合同发布后的90天内，美国特种作战中央指挥部、美国海关和边境保护局和美国海军陆战队进行了超过3500万美元的采购。

反无人机系统目前在全球六个站点运行，预计2022年将扩展到15个站点。在国防部内部，该合同还推动了“即服务”模式，通过将维护责任转移给供应商，并利用快速迭代来更快地响应不断发展的问题，从而推动潜在的成本节约。

7.电动垂直起降

通过引进全电动的有人驾驶飞机来扩大任务的可能性，这种飞机可以在复杂的操作环境中运送物资和人员。

飞行出租车是新型交通方式，特别适合军事行动和公共使用情况，包括搜索和救援以及物资运送。DIU提供了1100万美元的样机机合同，帮助乔比航空公司（Joby）加快全电动五座有人驾驶飞机的开发，将这项技术从概念转化为能力。乔比航空公司快速技术成熟使其在2021年8月首次公开交易之前筹集16亿美元私募股权。

乔比航空公司还加入了AFWERX的“敏捷至上”项目，加速了先进空中机动飞行器市场开发，促进用于发展国防部使用情况的可选有人驾驶飞机的设计和部署。通过乔比航空的转型之路，DIU展示了识别和快速跟进商业研发投资远远超过国防部的新兴技术领域的能力。

AFWERX是DIU在国防部创新生态系统中最紧密的合作伙伴之一，它分享了DIU可以帮助扩展整个军种的解决方案。DIU与乔比航空公司的电动垂直起降项目转化到了美国空军的“敏捷至上”项目，将加快商业可行性，并通过财务、飞行测试和监管支持实现全面生产。

美国政府通过DIU的投资是双赢的。获得测试资源加速了乔比公司技术成熟和能力扩展，有助于将美国定位为电动垂直起降行业的全球领导者。

图：乔比航空公司的电动垂直起降飞机(埃里克·亚当斯，乔比航空公司)

方向三：通信网络

与美国网络司令部和国家安全局合作，保护国防部的计算机网络和系统免受各种形式的网络攻击。重点领域包括：持续参与网络防御；持续存在网络对抗活动；持续创新网络工具包。
2021年5月，总统发布了第14028号行政命令“改善国家的网络安全”。在2021财年，DIU的网络投资组合转化了三个项目来解决这一问题。E.O.通过国防信息网络部的数字网络资产清单软件向美国国防信息系统局提供保护，以实现软件修补；通过商业威胁数据馈送为美国网络司令部提供保护，以识别恶意网络活动；保护美国空军提供欺骗性环境，以挫败和防御对手。

8. 专用5G

与加州国民警卫队合作，在需要时支持现代安全通信。

国民警卫队成员经常应对紧急情况，要求警卫成员具有无缝、可扩展和实时通信能力。然而，警卫队成员现有的无线通信方式不安全，有线通信方式安装和管理的复杂性导致远程操作环境中的延迟。

DIU与加州国民警卫队合作，快速部署5G专用网络技术。DIU与诺基亚和萨默维尔实验室两家公司签订合同，为这些商用的移动专用5G网络制作样机，并为在任何地方(包括恶劣环境)运行的应急响应人员提供可靠的数据和语音服务。这些商业专用5G样机的初始合同总额为180万美元，为军事单位提供了一个具有成本效益的解决方案。

图：操作员在严峻的环境中使用女妖战术电台。(诺基亚/菲尼克斯集团)

9.向前搜寻

在有争议的伙伴国家环境中实现持续的网络参与。

向前搜寻是一种做法，它使美国国防团队能够通过识别和消除发生在合作伙伴或盟国领土内的恶意、敌对主导的网络活动，抢先应对网络攻击。在将这些任务放在更高的优先级后，美国网络司令部指挥官需要更多的团队和设备来打击不受保护和控制的外国网络中的恶意网络行为者。由于向前搜寻团队部署在国外网络和地形上，不受美国政府传统安全控制的保护。因此，这些团队需要一个特殊的工具包，能够在足够机动的情况下执行前向搜寻任务，以便在快速反应场景中使用。该工具包不仅必须足够安全，以保护和保障任务系统，而且要挫败对手造成团队及其系统损害的企图。

DIU与美国网络司令部的网络国家任务部队合作，促成了一个便携式威胁搜索平台的样机，以发现、报告和消除非美国基础设施上的敌对活动，这些基础设施正被用作针对美国系统的网络攻击的集结地。这些工具包使追捕行动者能够在14个国家执行任务，并发现和挫败对手的意图、方法和武器。

10.未来的网络

通过互联网直接快速、安全、受控地访问云服务。

DIU的安全云管理(SCM)项目评估了几种商业现成(COTS)技术，这些技术承诺提供对商业云服务的快速、安全和可控的访问。在2020财年，DIU与非传统技术供应商合作，提出了采用零信任原则的云访问解决方案。在为期一年的项目结束时，DIU得出结论，所有解决方案都成功实现了项目目标，并提交了一个方案供美国国防信息系统局批准。该项目目前正在转化，并将被列入DIU的已完成项目目录，以便更广泛地采用和使用。

美国国防信息系统局最近指出，供应链管理项目影响了国防部更换现有的联合区域安全堆栈，并通过他们的新项目“雷霆行动” （Thunderdome）进一步实施零信任原则。

美国国防信息系统局与DIU合作开展了安全云管理项目。该项目的成功影响了美国国防信息系统局的“雷霆行动”项目，将把DoDIN推向零信任架构，从而改善国防部的网络安全态势。该项目以及目前正在为美国网络司令部进行的高级威胁狩猎项目，旨在推进和加速对国家网络作战人员的保护和武器。美国国防信息系统局和美国网络司令部领导层也依靠DIU的网络门户继续带来同类最佳的网络解决方案。

图：someway实验室的卫星通讯器与带有someway ATAK插件的无线设备配对。(萨默维尔实验室有限公司)

方向四：军用车队动力系统

利用商业部门的进步，加强军事设施的恢复能力，增强作战能源能力。重点领域包括：弹性装置，作战能力。

11. 战术车辆混合

扩大运营能力，降低后勤保障风险。

多年来，商业卡车运输部门一直在将其传统的长途、应急和通用卡车车队转变为混合动力汽车。如今DIU与美国陆军运输系统项目经理(PM TS)合作，该项目经理是作战支援和作战服务支援项目执行办公室(PEO CS&CSS)的一部分，旨在加强美军的混合作战能力。

美国武装部队拥有超过25万辆战术车辆，经常在恶劣的环境中工作。陆军的主要车辆从2.5到10吨，为了满足作战需求，战术车辆消耗大量燃料。DIU和运输系统项目经理向XL Fleet和Volta 动力系统两家公司授予样机合同，将他们的商业解决方案集成到减少闲置的中型战术车（FMTV）样机中。在成功演示和评估这些样机后，这些公司将开发并交付一个改装套件，在后勤站和汽车库工作的士兵可以轻松安装和使用。

DIU和作战支援项目大大缩短了为作战人员提供能力的时间。这些套件是战术轮式车辆车队改变游戏规则的第一步，不仅降低了燃料需求，而且带来了新的能力以增加电力的形式提供的可恢复性。通过将中型战术车辆的燃料消耗降低20%，并在未来扩展到更多的战术车辆，战术车辆混合的努力有可能帮助降低国防部每年超过8000万桶的石油消耗。

图：两种陆军中型战术车辆变体(作战支援和作战服务支援项目执行办公室)

12. 高级电池标准化的快速启动

加速军用车队采用先进的电池技术。

在2021财年，国防部开始利用电动汽车电池技术的商业投资来提高其能力，并采用先进的电池技术用于军事用途。该项目旨在使用商用现成电动汽车电池和组件对标准化电池模块进行样机化，以加速各种军事平台的电气化。通过创建跨越众多军事应用的电池标准和模块，加速军用高压电池的开发和可用性。

该项目是第一个开放系统开发和包容性项目，允许电动汽车电池制造商测试和开发的标准应用于国防部。除了开发安全标准、规范和验证模块，这项工作将进一步使国防部能够与行业合作伙伴建立关系，以加快获得强大、最先进的电池制造能力。

基于国防部合作伙伴的明确需求、能源领域两用商业技术机会以及相关的材料要求，DIU在2020年末创建了先进能源和材料投资组合。在过去的一年里，DIU决定将该投资组合集中在国防部的能源需求上，将继续在适当的投资组合中承担材料项目，如自主系统产品组合有许多附加制造项目，太空产品组合则关注其技术领域的各种材料项目。

方向五：人员系统使能

通过增强设备、创新培训和新型健康应用优化人员系统及其使能平台。重点领域包括：战术表现；生存能力；准备就绪。

13. 威胁暴露的快速分析（RATE）

在症状出现之前识别疾病，并在作战和非作战环境中保持部队处于准备就绪状态。

RATE使用商用现成可穿戴设备技术，利用基于医院感染数据算法，在症状出现前48小时预测感染。这种早期预警使指挥官能够转向预测性健康模型，并在病人出现症状前和有能力病毒传播时识别他们。

2020年12月，DIU、国防威胁降低局(DTRA)、美国国防高级研究计划局（DARPA）、得克萨斯州A&M大学、海军医疗医院圣地亚哥(NMCSD)、空军研究实验室、帕洛阿尔托退伍军人协会和飞利浦公司合作对150多例新冠肺炎阳性病例进行预测健康算法培训，早期测试预测感染准确率达60%。2021年4月，该团队对算法改进，预测感染准确率达73%。除了预测有症状感染，RATE还预测了无症状新冠感染和完全接种疫苗成员Delta变异病例。RATE研究于2021年9月成功结束，涉及超过11,000名参与者、550名观察到的新冠肺炎感染和2.01亿小时的佩戴时间数据。

该算法也检测到了除新冠外的其它疾病。RATE预测健康可穿戴设备的广泛采用有助于遏制传染病在军队中传播，使部队更好地保持准备状态，并可向平民提供个人健康的可操作信息。

14.飞行员训练转换（PTT）和虚拟教练飞行员练习裁判(VIPER)

为飞行员打造一个经济、可持续培训解决方案。 

培训一名战斗机飞行员需要花费200多万美元和近18个月的时间。当培训是自我指导、有广泛的信息、实践和指导渠道时，成人学习得最快、最深入。DIU的PTT平台将虚拟现实模拟器与开源学习管理系统和云优先架构配对，以创建一个全新的学习环境。PTT将数据置于学习的核心，为个性化的教学大纲创造机会，不断适应学员的需求；它还为教员质量提供反馈，并帮助指挥官管理资源以优化整个企业的绩效。

在过去一年里，DIU在每个美国空军固定翼本科飞行员训练基地部署了一个平台，用于T-6和T-38项目。事实证明，测试平台非常成功，并已开发出专门适用于B-52和F-16训练、UH-1N直升机训练的扩展版本。此外，海军也开始在T-6B和T-45上部署该平台。迄今为止，正在使用或订购中的测试设备已超过150个。美国空军预计，这些设备将于2022年投入生产，以便在美国空军飞行员培训企业中部署和立即使用。早期的PTT实验和分析表明，该平台可将成本和培训时间减少三分之二。

该计划的另一个关键发展是首创智能导师，旨在培训飞行员而无需导师直接指导飞行员。DIU使人工智能飞行教练变得成熟。2021年，VIPER成为美国空军认证的第一位指导学生基本特技动作的智能导师。由于VIPER和PTT平台的结合，学生可以练习基本的动作，并向他们的教练展示进步。教师将有更多的灵活性来教授高阶技能，用更标准化的教学基线更快地培养出更好的学生。这不仅是学习科学的进步，也是人工智能的重大进步。

图：美国空军教官飞行员对DIU的飞行员训练转换设备(顶点解决方案公司)进行初步验收测试。

15.生理状态监测

监控和保护最重要的飞机资产——飞行员。

2014年F-15C“雄鹰”坠机毁事件原因是自无法解释的生理事件。目前没有传感器实时监测飞行员飞行时的身体状态，无法探测到这些威胁生命的异常现象。为此DIU与空军、空军国民警卫队(ANG)和海军合作，设计了商业传感器样机，可以检测飞行中的飞行员状态。

在2021财年，对其中一款SPYDR设备的测试扩大到可操作的ANG单元。该项目目前正在进行四项独立功能测试，包括：生物识别传感衬衫、血氧监测仪和气流传感器。其中一个传感器最近收到了一份在F-15C“雄鹰”上使用的建议。

图：美国空军教官飞行员对DIU的飞行员训练转换设备(顶点解决方案公司)进行初步验收测试

方向六：太空

开发变革性的商业技术，以扩大国防部的太空准入、持续卫星能力、太空后勤和在轨服务、装配和制造服务及宽带空间数据传输。重点领域包括：用于和平指示和告警的持续遥感；低成本、快速进入任务指定轨道；混合空间架构提供减少延迟、安全的通信；确保所有人的位置、导航和授时；高比能量电池和电源管理；在轨物流支持低地球轨道以外的敏捷和可持续运营。

16.合成孔径雷达

实现更快、更强大、更高质量的全天候卫星图像。

DIU继续在扩大国防部获得国内商用合成孔径雷达小型卫星方面发挥核心作用，这些卫星以一小部分传统成本全天时、全天侯提供高质量图像。继2020年首次部署合成孔径雷达能力后，2021年，卡佩拉（Capella）太空公司将其国内合成孔径雷达传感器网络扩大了四倍，扩大了覆盖范围和重访率。DIU的另一个商业伙伴，元轨道效应公司（Meta Orbital Effects）改进了其合成孔径雷达处理技术，提高了正射校正精度(即将原始图像转换成平面精确图像)，并将处理时间从几分钟缩短到90秒以下。

这些公司有望增强国防部和政府的成像系统，并有足够的能力在2025年前为战术用户提供有意义的、快速响应的高保真合成孔径雷达图像。

图：朝鲜宁边核研究设施，2021年9月19日(元轨道效应)

 图：两种陆军中型战术车辆变体(PEO CS和CSS)

17.快速响应发射

在需要的时间点促进经济高效发射。

DIU的快速响应发射合同体现了DIU定位和激励商业公司构建转型解决方案以满足国防部一些最迫切需求的能力。小型和反应灵敏的空间运载火箭确保了美国进入太空，并提供了将有效载荷精确、经济有效地运送到其任务设计轨道的手段。

与DIU签订合同的三家快速响应发射公司，在2021年取得了重大进展。Astra和VOX Space展示了反应灵敏且灵活的时间安排和发射定位，这将使国防部能够在自己选择的时间和地点快速协调发射。2021年11月，SpinLaunch公开展示了小型卫星高节奏、低成本发射的潜力。随着与DIU合作的发射合作伙伴的可用性和使用率持续增长，DIU预计在未来10年将大幅节约成本。

18.大容量星座的电力推进

提供更持久、更有弹性的方法来提高卫星机动性，同时延长使用寿命。

DIU与阿波罗聚变公司（Apollo Fusion）合作，通过降低成本和简化集成，使航天器易于集成电力推进系统。霍尔效应推进器是一种极压系统，非常适合在轨机动和有效的轨道转移，从而使低轨星座航天器在其生命周期内执行更具动态性的任务。

阿波罗聚变公司的现代设计和制造流程提供了应对供应链中断的弹性，提高了效率，减少了零件数量，并提高了各种航天器的兼容性。通过向市场注入简单可靠的电力推进系统，阿波罗聚变公司和DIU公司提供了一种更持久、更有弹性的方法来提高卫星的机动性，并将它们的使用寿命延长数月或数年。

图：阿波罗聚变的霍尔效应推进器集成在航天公司夏尔巴

（全文完）

【参考链接】

https://www.diu.mil/latest/diu-fy-2021-annual-report-a-preview-into-fy-2022

https://assets.ctfassets.net/3nanhbfkr0pc/5JPfbtxBv4HLjn8eQKiUW9/cab09a726c2ad2ed197bdd2df343f385/Digital_Version_-_Final_-_DIU_-_2021_Annual_Report.pdf

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