以陆军旅战斗队为例：未来战场数据处理所需的电量分析！

军事技术专家常声称，未来的战场将是“透明的”，因为自主平台的广泛应用将使军队能够完全了解其作战区域。随着自主系统的激增，计算机处理能力的需求也在增加，以应对单元接收的大量数据。事实上，有一条共同的公理认为，数据很快就会像子弹或柴油一样重要。1然而，这种数据处理需要前沿部署单位提供能量。随着单位部署越来越多的先进自主系统，这些系统传输、存储和处理信息所需的能量将大幅增加，这一问题变得越来越严重。2

该分析估算了存储和处理这些自主系统数据所需的能源需求，以帮助设计2040年战争的后勤框架。它评估旅级战斗队（BCT）层面的数据处理需求及相关能源需求，并探索可行的能源解决方案，包括太阳能和模块化核反应堆，以及传统柴油燃料。

2040年陆军BCT的估计组成基于陆军未来司令部（现为美国陆军转型与训练司令部）制定的未来兵力结构预测以及陆军专业人员对新兴技术的先前研究。3在本次分析中，自主系统大致分为三类：无人机（UA）、无人地面车辆（UGV）和无人地面传感器（UGS）。

评估从排级开始，估算标准步兵排所分配的资产类型和数量。同时考虑轻步兵排和重步兵排，两者在资产分配上有所不同。4这些排级估算随后按连级计算，连级包括三个轻型排、一个重装排及其他连级资产。营级包括三个步兵连及相关营级资产。与现行作战理论不同，现行的作战原则包括独立的重型连，本分析假设通过专门的重型排在连级整合重型武器。这种做法与当前提升基层有机能力、减少对高层支持依赖的努力相契合。它还反映了不断演变的作战学说，强调分布式杀伤力和基于网络的作战，使小型单位能够独立行动。

排、连、营和旅级的有机无人系统估计数量

旅级结构由7个营组成，预计将在现有组织中保持一致。其中3个营为步兵营，其余4个预计包括侦察、野战炮兵、工兵和支援营。每个单位根据其作战角色被分配一个估计数量的自主资产。这些估计值显示在表格的旅行中。表格提供了每个层级中自主资产的估计数量，但不包括已嵌套在这些总数中的下层资产。例如，连级列出的三个UA不包括分配给每个连排的两个UA。

图1 自主数据收集系统与电力需求关系的高层示意

图1展示了自主数据收集系统与功耗之间的关系。UA、UGV和UGS收集的信息必须被处理，这需要能量。在图1中，一个集中式数据中心接收来自这些系统的输入，一个小型发电厂为数据存储和处理提供所需的能量。由于该情景假设旅战斗队前沿部署，单位必须自给自足并产生自身动力。无论处理在集中地点、分散在多个数据中心，还是直接在传感平台上进行，能源需求始终由该队负责。

虽然未来资产的具体设计规格尚不清楚，但其数据传输和处理需求预计将与现有系统相似。这三类自主资产中，每个类别可能包含多种子类型，每种子类型都有独特的规格和能源需求。然而，在本分析中，每个类别由单一代理系统表示。这些代理方案来自军方和民用来源，选拔基于公开的设计规格。由于非机密军事数据有限，部分情况下使用了民用系统。虽然这些代理提供了未来军事系统预期的类似能力，但由于额外安全要求未反映在可用数据中，实际能源需求可能更高。

图2 UA、UGV和UGS及其相关数据需求的代理载体

UA代理服务器。UA代理是Parrot ANAFI USA，一款四旋翼无人机，配备热成像、GPS导航和AES-256加密技术，确保数据传输安全。虽然最初为执法设计，但其能力使其成为军事UA的合适替代品，用于执行侦察、目标获取和通信中继任务。这些任务需要昼夜监视、安全通信、GPS追踪和低声学特征。本次分析采用了ANAFI的数据吞吐量（如图2所示），包括视频和GPS传输。5

UGV代理服务器。UGV代理是班用多功能装备运输（S-MET），这是一种军事系统，旨在通过后勤运输和移动发电支持小单位。S-MET能够携带多达2磅的货物，且无需补给即可连续运行3小时，能够远程操作，传输GPS定位、物流库存更新和移动数据。虽然未来的UGV可能有更广泛的任务，如路线清理或火力支援，但S-MET可能是最常见的应用场景：自主后勤支持。其吞吐量数据总结见图。6

UGS代理服务器。UGS代理是Ouster OS2远程高分辨率成像激光雷达。该传感器生成三维环境地图，并能在最远达3米的距离内探测移动目标。之所以被选中，是因为其技术规格和具有代表性的数据输出。UGS系统预计将广泛用于持续监视;车辆和人员的侦测;多域集成;以及化学、生物、放射或核监测。尽管不同传感器类型的数据输出可能有所不同，OS2 为该类别提供了合理的平均值。7

图2汇总了每个代理系统的数据吞吐量（兆比特每秒），并估算了每日运行使用占满10小时的百分比。这些数值用于估算BCT每天必须处理的总数据量（GB）。每日使用量是根据部署每个传感器时的环境和操作条件估算的。例如，UA需要在一天中的一部分时间充能。

各自主系统每天将产生约53,370GB的数据，BCT必须处理这些数据。虽然大部分数据将被丢弃并未存储，但必须经过一定程度的初步处理，以识别与作战人员相关的战场变化。如此庞大的能源生产、数据处理和存储都需要精心的物流规划。虽然计算技术的改进未来可能会减轻这一负担，但满足这些需求仍将是关键的作战挑战。

在计算自主资产代理的每日总数据生成量后，分析将估算传输、处理和存储这批数据所需的能量。由于已发表的每GB能耗估计存在显著差异，这部分研究存在最大的不确定性。具体来说，这些估计高度依赖于系统架构、假设的处理深度、网络安全协议和数据存储策略。

现有文献大多数都聚焦于商业互联网使用的背景下对能源消耗的讨论。卡内基梅隆大学进行的一项广泛引用的分析报告称，互联网大约消耗每吉字节（kWh/GB）7千瓦时的数据，这一数值在许多不同研究中被广泛使用。8相比之下，另一项研究报告固定线路网络的数据平均值显著较低，仅为0.06 kWh/GB。9美国节能经济委员会发布的一项分析提出了更温和的5千瓦时/GB估计。10

然而，这些数据无法直接适用于BCT的具体情况。大多数研究关注的是开放、全球分布的民用网络的能源成本，而设想的军用系统则运行在安全、封闭的网络上，采用更高加密标准，且对延迟或数据丢失容忍度较低。此外，各研究对能源核算的范围存在差异，有些仅涵盖数据传输，有些考虑有限存储，少数研究提供全面估计，反映战术边缘环境中安全处理和加密传输。

本研究采用5千瓦时/GB的名义值。该估计位于已发布数据的中点，并向上调整以反映加密、安全路由和加固存储相关的预期能量开销。虽然相较于2040年民用能源消耗预测率可能较保守，但该数值为在艰苦条件下、云端效率有限的战术网络提供了合理的近似值。

同样重要的是要认识到，并非所有数据都会在集中式数据中心进行处理。部分内容可以在自主平台本地处理，只有相关或经过过滤的信息传输到中央节点进行进一步聚合或长期存储。然而，即使在处理在边缘，UA、UGV或UGS的机载系统仍然会消耗能量。由于BCT负责给这些系统充电，相关能量消耗仍处于单位的整体功率需求范围内。

将该能量因子应用于预计每天53,370 GB的数据量，预计每日能源需求为266,850千瓦时，以支持数据传输、有限的处理和存储。这种能量需求非常大。例如，美国普通家庭每天仅使用29千瓦时电。11此外，目前BCT最大的发电机只有60千瓦;为了为该数据中心生产所需能源，一旅战斗队需要185台此类发电机。

图3。旅级数据处理所需能源需求总结

本研究计算的每日总能源需求既可满足军方传统能源，也可满足2040年可能具备功能的实验能源。这些能源包括柴油和生物柴油驱动的新发电机、太阳能电池板以及模块化核反应堆。分析结果总结于图3。

柴油是目前陆军最常用的燃料形式，并且很可能在可预见的未来继续使用。要让柴油发电机每天提供所需的能量，并且假设数据处理均匀分布在一天中，就需要一台288兆瓦的发电机。该发电机每天可产生288,000千瓦时的电力，允许部分浪涌容量和停机时间。该发电机体积较大，可能需要由多个小型发电机组成，例如六台两兆瓦发电机。

此外，发电机还需要稳定的柴油供应。柴油的能量含量约为每升10.8千瓦时（kWh/L）。现代柴油发电机在兆瓦级的效率为35%到40%。12展望2040年，由于发动机材料性能的进步和燃烧工艺的改进，这一效率很可能提升至45%。因此，每天大约需要55,000升柴油。

预计到2040年，生物柴油将变得更加普及，并可能成为美国的物流燃料。13用于柴油的发电机也可以用于生物柴油。生物柴油的能量含量略低于传统柴油，为9.9千瓦时/升。以类似的45%效率，每天需要60万升生物柴油。

作为参考，美国军备库中的标准加油卡车M969A1容量为19,000升。一个装甲旅战斗队通常包括十五辆此类坦克兵，以及另外四十八辆小型坦克兵。这表明持续运行会消耗大量燃料。

另一个满足这一能源需求的潜在能源是太阳能发电场。与柴油发电机不同，太阳能不需要持续不断的液体燃料供应;相反，它依赖于入射阳光。太阳能电场的平均容量因数为22.8%。这意味着一个一兆瓦的太阳能电站在晴朗天气下每天可产生5.4兆瓦时的电力，而云层或纬度则会下降。14为了应对这些条件，需要一个48.5兆瓦的太阳能电站。

地球上的太阳辐射量约为每平方米1瓦。15虽然现代太阳能电池板的太阳能转换效率为20%至23%，但多结电池、串联钙钛矿硅设计和制造技术的改进，到35年可能将其效率提升至2040%。此时，太阳能电池板阵列面积约为140万平方米，约相当于二十八个足球场的面积。

此外，系统需要大量电池储能，才能在夜间持续供能。在这种情况下，电池组需要储存大约133,000千瓦时的能量。继续当前电池趋势，电池能量密度可能达到每公斤500瓦时。这将需要266,000公斤电池在日落后供电。

未来BCT数据处理的另一个潜在能源是移动模块化核反应堆，如佩雷计划中正在开发的系统。该反应堆设计为连续提供1至5兆瓦的电力，至少持续三年。16该反应堆的1.5兆瓦版本设计可容纳四个集装箱。17由于未来BCT对能量的需求较高，它很可能会被设计得更接近射程的高端。该分析假设其连续发电120兆瓦，相当于每天120,000千瓦时。因此，未来BCT的数据处理需求需要三套此类系统。

与任何关于未来技术的研究类似，这项分析必须做出大量假设，包括未来作战部队的构成、战场上的使用情况以及数据处理相关的功耗需求。因此，进行了敏感性分析以更好地理解这些假设的影响。

分析假设在BCT各级整合了自主系统。不过，系统数量相对保守。战场上可能出现更多自主系统，收集需要处理的额外数据。处理这些数据所需的功率和能量随着自主系统数量的增加而增长。例如，如果自治系统数量增加20%，电力和日能耗需求都会增加20%。柴油发动机则需要将发电机体积扩大20%，所需燃料也增加20%。对于太阳能电站来说，太阳能电池板和电池备份的数量需要增加20%。对于便携式核反应堆，通常以20兆瓦模块形式提供，这<>%的增长可以通过增加更多反应堆来弥补。

本分析所考虑的系统并不相称。例如，UGS的工作周期比UGV或UA长，且运行时处理的数据量显著增加。因此，增加额外的UGS对电力和能源需求的影响将大于增加UGV或UAs。

类似于战场上自主平台数量的增加，系统使用量的增加也会增加数据量。例如，虽然UGS已经每天100%使用，但如果UA和UGV也以100%使用，能源量将增加到394,200千瓦时。这47%的能源需求增长也会导致燃料需求和太阳能电池板的类似增加。同时，这也将使五兆瓦模块化核电发电机数量增加一台。

该分析使用了标准近似值5千瓦时/GB处理的数据。然而，这个数字存在不确定性，有人声称接近9千瓦时，也有人认为可能低至0.06千瓦时。能源需求很大程度上取决于数据的处理情况，其中5千瓦时包括光处理和存储。解密、处理数据，然后重新加密，这很可能是军事案例，可能接近9千瓦时。如果每GB数据所需的能量增加80%，达到9千瓦时，电力和能源需求也会增加80%。

虽然一个常见的格言是“数据将是未来战场的子弹”，但同样重要的格言是“业余者思考战略，专业人士思考后勤”。数据将在未来的战场上被固有地使用，尤其是随着机器人数量的增加，实际上使数据变得透明。然而，这也给部队处理大量数据带来了重大后勤负担。

注释

作者：

美国陆军少尉亚伦·劳伦斯毕业于美国军事学院，主修系统工程，成绩优异。他目前担任工程军官。

维克拉姆·米塔尔博士是美国军事学院系统工程系的教员。