若此时趁机攻取幽州既可解除侧翼威胁，更能打通与高开道、突厥的联络通道，获取战马资源。更微妙的是，突厥处罗可汗武德三年四月刚册封窦建德为"定杨可汗"，北征幽州既是履行盟友义务，也是向突厥证明实力的政治表演。
夏军高士兴所部三万人马中，特意编入了八百突厥附离骑兵，这些头戴豹皮帽、背负复合弓的草原武士，将成为撕开幽州防线的尖刀。
武德三年五月初三，高士兴大军自河间府开拔，选择的进军路线暗藏玄机。他没有沿永济渠直扑幽州治所蓟城（今北京），而是取道平州（今卢龙），迂回至鲍丘水（今潮白河）上游。这条被称为"幽燕锁钥"的河谷走廊，既能避开李艺经营多年的潞县（今通州）、昌平防线，又可利用初夏水势较缓的鲍丘水进行后勤运输。
五月十七日，夏军前锋抵达狐奴县（今顺义东北），在此建立粮草中转基地。高士兴采纳降将曹旦建议，分兵两路，命偏师五千人佯攻昌平，吸引守军注意；主力则夜渡沽水（今白河），企图突袭军都陉（今居庸关）。这个精心设计的"声东击西"之策，却因一个意外事件流产。五月二十日夜，突厥附离骑兵在渡河时惊起群雁，鸣叫声被唐军斥候察觉。
而李艺的应对堪称经典。这位久经沙场的幽州统帅，在接到警报后立即识破高士兴的真实意图。他亲率两千轻骑驰援军都陉，同时密令蓟城守军大张旗鼓地"增筑城防"，营造主力仍在城内的假象。五月二十一日拂晓，当高士兴主力抵达军都陉南口时，等待他们的是李艺精心布置的死亡陷阱。
狭窄的山道上堆满浸透火油的枯木，两侧崖顶埋伏着三百名幽州弩手，这些使用四石蹶张弩的射手，配备的特制"燕尾箭"能在百步内穿透双层皮甲。更致命的是，李艺提前派人掘开上游堰坝，汹涌的洪水在夏军半渡时突然冲下河谷。
战时，高士兴部的突厥附离骑兵首当其冲，战马在急流中惊蹶，八百精骑折损过半。首战受挫的夏军被迫后撤三十里，在笼火城（今顺义区南彩镇）重整旗鼓。
笼火城这个地名，源自汉代在此设立的"锻铁营"，因日夜炉火不熄而得名。北魏时期扩建为军事要塞，控扼沽水与鲍丘水交汇处，城墙依地形呈不规则五边形，东南两侧借天然河道为护城河，西北角建有十五米高的烽火台，可俯瞰整个潮白河冲积平原。
高士兴选择此地作为退守据点，显示出极高的战术素养，城西五里的榆林水（今小中河）提供淡水补给；城南的官道直通涿郡，方便与后方联络；更重要的是，笼火城地处潞县与狐奴县之间，恰似插入幽州防线的楔子，既能牵制李艺主力，又可作为二次进攻的跳板。
为强化防御，高士兴随即驱使当地万余民夫在一昼夜内完成三项工程。在城墙外挖设两道品字形陷马坑，引入沽水形成护城河外环；拆除城南民宅，用梁柱制成五百具"拒马枪"；更在城北高地设置十八架抛石机，射程覆盖方圆三里。
李艺的攻城战术则展现出幽州军特有的凌厉风格。五月二十五日黎明，他派薛万彻率两千"跳荡兵"发起首轮突击。这些选自山民的精锐步兵，背负三十斤重的虎头盾，在两百步内发起冲锋时竟能保持队形齐整。守军箭雨倾泻而下，却被包铁木盾尽数弹开。
当先头部队抵近城墙时，士兵突然向两侧散开，露出身后五十架改良型云梯，梯身包覆湿牛皮防火，顶端装有铁制鹰爪勾，能牢牢扣住城墙雉堞。就在守军忙于应对云梯攻势时，李艺真正的杀招悄然降临，三百名"穴地军"通过预先挖掘的地道潜入城内，这些擅长土木作业的工兵来自范阳矿工世家，手持特制"锹刃"（铁锹边缘开刃）近战凶悍无比。
当西门敌楼升起狼烟时，高士兴才惊觉城内混入敌军，急调预备队围剿。此时李艺亲率两千具装骑兵从东门突入，人马俱披铁甲的幽州铁骑如同移动堡垒，将仓促组织起来的夏军长矛阵冲得七零八落。
这场持续六个时辰的笼火城攻防战，最终以夏军溃退告终。高士兴在亲卫拼死保护下从水门逃脱，三万人马折损过半，八百突厥附离骑兵仅存七十六人。
但这场惨败背后，暗藏着更深层的冷兵器时代的战略得失。窦建德虽未达成夺取幽州的战略目标，却成功牵制李艺主力达月余之久，为夏军主力南下介入洛阳战局赢得了时间。
而李艺虽保住幽州，却因消耗过大无力西进配合李世民，导致虎牢关之战初期唐军陷入孤立。笼火城墙垣上密布的箭痕，至今仍在诉说着那个决定天下归属的夏天，当李世民在洛阳城下苦战王世充时，东北方三百里外的这场战役，早已为中原决战的胜负埋下伏笔。
幽州之战，窦建德夏军溃败的同时，还折损了麾下一员大将王伏宝。而王伏宝并非战死，这位本该在沙场马革裹尸的悍将，最终竟陨落于窦夏政权内部的权力倾轧之下。《资治通鉴》载：“王伏宝勇猛善战、谋略出众，堪称全军第一，但遭其他将领嫉妒。众人诬告他谋反，窦建德下令处死。”
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