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本文旨在為圍繞美陸軍如何打好下一場大規模作戰行動的討論補充背景資料。"伊拉克自由行動"、"模塊化部隊 "和 "未來作戰系統"（FCS）相互關聯的經驗教訓為未來部隊的設計提供了啟示。在參與全球反恐戰爭的同時對陸軍進行轉型，在沒有明確未來作戰概念的情況下，陸軍采用了技術驅動的組織解決方案--FCS。模塊化帶來了以旅為中心的概念，這與 20 世紀以師為中心的陸軍大相徑庭。FCS技術旨在創建像師一樣作戰的旅，可能會帶來一種新的作戰概念。陸軍接受了這種組織模式的風險，假設其旅將通過未來戰斗系統的實戰化進行重組。由于這一假設是錯誤的，陸軍在制定未來作戰概念時必須重新審視旅為中心的思想。

在未來戰場上，人工合成的決策將出現在人類決策的內部和周圍。事實上，人工智能（AI）將改變人類生活的方方面面。戰爭以及人們對戰爭的看法也不例外。特別是，美國陸軍構想戰爭方式的框架和方法必須進行調整，以便將非情感智力的優勢與人類情感思維的洞察力結合起來。人工智能與人類行動者的組合有可能為軍事決策提供決定性的優勢，并代表了成功軍事行動的新型認知框架和方法。人工智能在軍事領域的應用已經開始擴散，隨之而來的作戰環境復雜性的增加已不可避免。

正如核武器結束了第二次世界大戰，并在二十世紀阻止了大國沖突的再次發生一樣，競爭者預計人工智能將在二十一世紀成為國家力量最重要的方面。這項工作的重點是美國陸軍的文化，但當然也適用于其他企業文化。如果要在未來有效地利用人工智能，而且必須這樣做才能應對競爭對手使用人工智能所帶來的幾乎必然的挑戰，那么成功地融入人工智能工具就需要對現有文化進行分析，并對未來的文化和技術發展進行可視化。美國將致力于在人工智能的軍事應用方面取得并保持主導地位。否則將承擔巨大風險，并將主動權拱手讓給積極尋求相對優勢地位的敵人。

結論

合成有機團隊認知的兩大障礙是美陸軍領導的文化阻力和軍事決策的結構框架。首先，也是最重要的一點是，領導者必須持續觀察人工智能工具并與之互動，建立信心并接受其提高認知能力和改善決策的能力。在引入人工智能工具的同時，幾乎肯定會出現關于機器易犯錯誤或充滿敵意的說法，但必須通過展示人工智能的能力以及與人類團隊的比較，來消除和緩和對其潛在效力的懷疑。將人工智能工具視為靈丹妙藥的健康而合理的懷疑態度有可能會無益地壓倒創新和有效利用這些工具的意愿。克服這一問題需要高層領導的高度重視和下屬的最終認可。其次，這些工具的結構布局很可能會對它們如何快速體現自身價值產生重大影響。開始整合人工智能工具的一個看似自然的場所是在 CTC 環境中，以及在大型總部作戰演習的大型模擬中。最初的工具在營級以下可能用處不大，但如果納入迭代設計、軍事決策過程或聯合規劃過程，則幾乎肯定會增強營級及以上的軍事規劃。雖然在本作品中，對工具的描述主要集中在與指揮官的直接關系上，但在最初的介紹中，與參謀部的某些成員（包括執行軍官或參謀長、作戰軍官和情報軍官）建立直接關系可能會更有用。與所有軍事組織一樣，組織內個人的個性和能力必須推動系統和工具的調整，使其與需求保持平衡。

幾乎可以肯定的是，在將人工智能工具融入軍事組織的初期，一定會出現摩擦、不完善和懷疑。承認這種可能性和任務的挑戰性并不意味著沒有必要這樣做。人類歷史上幾乎所有的創新都面臨著同樣的障礙，尤其是在文化保守的大型官僚機構中進行創新時。面對國際敵對競爭對手的挑戰，美國陸軍目前正在文化和組織變革的許多戰線上奮力前行，在整合人工智能工具的斗爭中放棄陣地無異于在機械化戰爭之初加倍使用馬騎兵。在戰爭中，第二名沒有可取的獎賞，而人工智能在決策方面的潛在優勢，對那些沒有利用這一優勢的行為體來說，是一個重大優勢。現在是通過擁抱人工智能工具和改變戰爭節奏來更好地合作的時候了。

在過去二十年的反叛亂行動中，機動指揮官往往以返回前沿作戰基地為最終目的執行行動。這些基地擁有強大的保障基礎設施，從每天供應四餐的餐飲設施到 24 小時周轉的洗衣設施。保障指揮官的任務就是管理這些強大而復雜的系統。這并不是一項容易的任務，但在我們將工作重點轉向大規模作戰行動（LSCO）時，這也不是我們現在要求他們執行的任務。

今天，我們要求我們的戰術作戰指揮部只攜帶他們能夠攜帶的裝備進入艱苦環境。他們沒有舒適的住所，也沒有他們習慣的支持架構，必須迅速建立戰斗力，以必要的節奏和殺傷力執行行動，在自己的主場擊敗有動機的近鄰敵人。

我們快速部署、安排必要補給、發展內部和外部再補給和支持機制以及維護裝備的能力直接關系到我們完成戰時任務的能力。無論哪個軍種或軍事職業專業（MOS），如果沒有適當的補給和維護良好的裝備，即使是我們最優秀的士兵也只能淪為旁觀者。不管你是在戰場上比旅戰斗隊（BCT）其他任何人都要靠前的偵察兵，還是在布雷德利步兵車后座上的步兵。如果你沒有所需的裝備，或者你的裝備無法使用，你就無法完成任務。在國家訓練中心，我們每個月都會遇到這些挑戰。

我們經常要花費大量時間來討論每個部門、每個軍種和每個作戰職能的最佳戰術、技術和程序。我們一直在努力尋找最佳方法，將各種武器結合起來，以完成我們的任務。我們孜孜不倦地訓練編隊，以應對國家面臨的威脅。然而，作為一支軍隊，如果我們不能在設想的作戰環境中持續應對近在咫尺的威脅，那么這一切都將變得毫無意義。如果指揮官和參謀人員沒有能力整合武器、同步行動，并以壓倒性的暴力對戰術目標征召致命的排、連和營，我們就無法打敗明天的敵人。沒有訓練有素的士兵，我們就無法做到這一切，而沒有出色的戰術支持，訓練有素的士兵就無法完成任務。

從旅支援營（BSB）失去對當前行動的態勢感知，到營支援隊（BCT）失去對未來行動的態勢感知......從前方支援連（FSC）在有爭議的環境中應用駐軍程序，到營 S-4 未能報告后勤狀態（LOGSTATs）...... 從操作員不執行預防性維護檢查和服務（PMCS），到領導者將維護工作從工作重點中遺漏......對我們的保障系統的每一次小的削減都會導致戰斗中可用戰斗力的損失。此外，每一次戰斗力的損失都會給前去作戰的士兵帶來更沉重的負擔。原本資源充足的計劃很容易變成 "不可能完成的任務"，而這一切都是因為部隊無法執行一致的、經過深思熟慮的保障概念，從而為前線提供補給，并以所需的 LSCO 速度保障戰斗力。

本出版物中的章節深入探討了這些主題以及更多主題，并基于過去幾年在國家訓練中心觀察到的巨大成功和慘痛不足。雖然許多主題都是概念性的，但我們還是花了很大精力為保障人員和機動人員提供了 "方法"--一種方法、一種技術、一種模板--以便他們在為 LSCO 進行計劃、準備和訓練時取得成功。

本出版物匯集了美國國家訓練中心觀察員教練/培訓師的觀察結果、經驗教訓、最佳實踐和概念。本書代表了近兩年的數據和分析，重點關注旅級支援營和戰斗持續支援營，甚至是師級支援區指揮所。本書試圖從坦誠的角度探討戰術支援人員目前面臨的挑戰。要想取得成功，必須有梯隊的參與式領導、周密的計劃以及在戰術環境中進行演練的能力--無論是在駐軍還是在集體訓練活動中。

無人駕駛航空系統（UAS）能力在商業領域的擴散對民用和軍用設施的傳統周邊防御構成了潛在的重大威脅。特別是現成的商用無人機系統，體積小、價格低、功能多，引起了愛好者越來越大的興趣，也增加了設施面臨的風險。因此，設施指揮官現在需要一種方法，對設施面臨的直接威脅進行快速評估和分析，以確定設施反無人機系統（CUAS）的有效性。按照系統工程方法，本研究提出了一種方法，提供了對設施進行評估和分析的逐步過程，并采用基于模型的系統工程（MBSE）工具來評估 CUAS 的有效性和局限性。該方法分析了 CUAS 的作戰環境以及 CUAS 可能對作戰區域內其他利益相關者（如相鄰的盟軍兵力、平民等）產生影響的方式。然后，我們確定優化 CUAS 性能的候選配置，以滿足利益相關者的要求。我們將對一個擁有現有 CUAS 的假設機場進行案例研究，以展示該方法的可用性，探索候選配置，并證明實施符合設施和利益相關者要求的候選配置是合理的。

近年來，無人機系統（UAS）技術突飛猛進，激發了業余愛好者對無人機系統的興趣，并促使他們將無人機系統用于娛樂用途。此外，每個國家或軍事組織都能負擔得起和使用無人機系統。雖然目前正在實施飛行法規，要求無人機系統運營商提供所有正在運行的無人機系統的歸屬信息，但許多業余愛好者仍然不提供此類信息，而且可以預計邪惡的行為者也不會提供無人機系統的來源標識。因此，僅僅要求識別無人機系統還不足以保護機場等大多數設施免受無人機系統的入侵。此外，如果設施無人看守，無人機系統入侵的后果可能是災難性的。例如，如果無人機系統在起飛過程中進入飛機發動機或撞上油箱，這種事件可能會造成人員傷亡，對運營造成巨大干擾，并對基礎設施或資產造成昂貴的維修費用。

無人機系統旨在執行對人類來說 "枯燥、骯臟或危險 "的各種任務[1]。無人機系統技術發展的主要能力驅動因素是，在執行情報、監視和偵察（ISR）、人道主義援助和救災（HADR）以及精確打擊等危險任務時，人們對軍事力量保存工作的興趣與日俱增。隨著無人機系統技術在過去幾十年的成熟，商業部門看到了將無人機系統應用于基礎設施檢查、交通監控、投遞和氣象等商業活動的機會。對軍事和商業部門都有利的是，在無人機系統領域實施開放式架構獲得了重大創新，從而不斷加快無人機系統的技術進步，使其具有革命性的潛力。商用現成（COTS）無人機系統或小型無人機系統通常提供攝影、攝像和自我組裝套件等功能，吸引著各個領域的愛好者將無人機系統用于娛樂目的[2]。然而，隨著無人機系統的技術發展和廣泛采用，軍事和商業部門都面臨著巨大的風險[3]，[4]。

對設施、基地、機場、關鍵基礎設施和類似設施而言，非惡意無人機系統的主要風險是失控和碰撞。失控可能會對關鍵資產造成重大損壞或對人造成傷害，并可能產生高昂的成本來修復基礎設施損壞和治療嚴重傷害。例如，業余無人機系統操作員可能會嘗試拍攝停靠的客機視頻作為其業余愛好的一部分，但由于信號超出范圍問題而無意中失去控制，這可能會導致與即將起飛的客機相撞。由于大多數無人機系統的所有者都是業余愛好者，他們中的許多人在控制無人機系統方面沒有受過訓練或缺乏經驗。現有的法規和政策無法在允許業余愛好者駕駛較小的無人機系統之前跟蹤他們的操作熟練程度。雖然敏感區域周圍設有禁飛區，但由于業余愛好者可能不了解他們可能造成的損害，每年仍會發生少數事件。機場、軍營和基地、政府大樓和監獄等設施在應對無人機系統時已經遇到了上述安全困境[5]。此外，邪惡的無人機系統活動構成了更大的威脅，盡管迄今為止，在全球范圍內，除戰爭活躍地區外，此類事件相對較少。

各設施迫切需要采用反無人機系統（CUAS）來主動保護其資產和安全。為有效對抗無人機系統，CUAS 需要多個傳感器來探測、識別和分類無人機系統，然后再使用攔截器擊落無人機系統。然而，CUAS 系統的內部和外部存在多種因素，可能會削弱 CUAS 的有效性，設施指揮官必須采取相應的緩解措施[6]-[8]。設施指揮官面臨的一大挑戰是如何在與無人機系統的技術競賽中保持領先。

現有研究主要關注 CUAS 和 UAS 系統的技術能力，而沒有從更廣泛的系統工程角度進行研究。本論文的研究采用了系統工程視角，以支持設施指揮官了解設施在應對當前和新出現的無人機系統威脅時可能存在的薄弱環節，并平衡 CUAS 的能力與鄰近利益相關者的需求[9]。第 2 章中提出的方法允許設施指揮官通過評估和分析探索可能的 CUAS 空間，以確保 CUAS 針對快速出現的無人機系統威脅進行優化并具有相關性。

圖 擬議方法概述。該方法可用于設施指揮官分析現有 CUAS 系統的有效性，找出 CUAS 系統能力差距，提出 CUAS 系統升級建議，并提供 CUAS 系統設計審查。

美國國防部長辦公室（OSD）和各軍種已經做出了廣泛的工作，將無人系統納入其現有的組織結構，顯示了無人系統考慮因素所代表的整體重要性。整個美國防部仍有改進合作的空間。將正在進行的工作標準化，盡可能地進行合作，并整合基礎政策和技術，將使無縫的團隊合作成為未來國防行動的亮點--無論這些團隊是有人的、無人的，還是聯合的。

無人系統技術的進步強調了將重點從特定領域過渡到不分領域的必要性。任何領域的進步都有利于所有領域的發展。未來的行動將在很大程度上依賴于多領域的能力，這些能力必須與聯合部隊的結構無縫對接和整合。

美國國防部、工業界和學術界擁有先進的技術、戰略和標準，對無人系統的發展及其與國防部任務的整合構成挑戰。這些主要的進步、挑戰和趨勢可以整合成四個關鍵主題，它們涉及到將繼續加速無人系統進入未來的基礎性利益領域：

• 互操作性 - 互操作性在歷史上一直是，并將繼續是無人系統集成和操作的一個主要推力。載人和無人系統已經越來越多地協同他們的能力，專注于使用開放和通用架構的關鍵需求。一個強大的可互操作的基礎提供了一個結構，將使未來的作戰取得進展。

• 自主性 - 自主性和機器人技術的進步有可能徹底改變作戰概念，成為一個重要的力量倍增器。自主性將大大提高載人和無人系統的效率和效力，為國防部提供戰略優勢。

網絡安全--無人系統的運作通常依賴于網絡連接和有效的頻譜訪問。必須解決網絡的漏洞，以防止破壞或操縱。

• 人機協作 - 如果互操作性奠定了基礎，那么人機協作是最終目標。人類力量和機器之間的協作將實現革命性的合作，機器將被視為重要的隊友。

支持政策、需求和采購環境必須繼續發展和進步，以跟上所有系統的快速技術和能力進步的步伐。為了確保我們的軍事優勢，應該把重點放在無人駕駛技術的發展、可用性和使用上。美國防部在無人駕駛系統方面的舉措的調整將影響美國軍隊的未來構成

壓縮的戰術決策周期將是未來快節奏的超級戰爭的支點。人工智能武器系統有望擴展和最大化人類的能力，成為武裝部隊在這種致命作戰環境中的生存能力和殺傷力的關鍵。人工智能不是武器；它是武器系統的組成部分或元素--最可能是一個軍事網絡或 "軍事物聯網"，它將加速火力或效果應用的速度和決策。網絡化部隊將為整個企業的態勢感知和戰斗管理提供信息。部隊不太可能出動 "殺手機器人"--攜帶武器、不受人類指揮做出生死決定的單獨實體。相反，創建和使用自主武器系統（AWS）將需要一個定義明確的作戰環境，并獲得豐富、準確、超大的數據集，如GPS，由分布式傳感器提供，加上改進的機器學習算法和高性能處理器，將人工智能融合到殺傷鏈中。殺傷鏈過程結合了多光譜傳感器，以了解作戰環境，積極地識別、跟蹤和選擇目標，并以最適當的效果與他們交戰。(蘇聯將這一過程稱為 "偵察打擊綜合體"，而在20世紀90年代，美國的約翰-博伊德推廣了 "OODA循環 "一詞，即武裝部隊在對手面前競相觀察、定位、決定和行動）。人工智能旨在促進這種適應性的、多領域的、高速的決策模式，在此過程中，它有望提供決定性的軍事優勢。本研究的第二部分敘述了美國武裝部隊在武裝沖突期間對人工智能的當前和潛在使用。

在第三部分，研究轉向適用于戰爭中使用人工智能的規則。所有的戰爭方法和手段，包括人工智能，都必須符合戰爭法，也稱為武裝沖突法（LOAC）或國際人道主義法律（IHL）。指揮官有責任確保他們所掌握和指揮的方法和手段，包括人工智能，符合武裝沖突法的原則，如區分、相稱性和攻擊中需要預防的規則。

第四部分探討了《特定常規武器公約》（CCW）成員國為制定有助于確保AWS遵守武裝沖突法的標準所做的努力。特定常規武器公約》召集了一個政府專家小組（GGE），考慮對AWS的人類判斷或控制水平進行標準化的定義，以確保人類對機器的行為負責。政府專家小組最關注的是確保在敵對行動中使用致命性武器（LAWS）符合武裝沖突法。這項工作旨在彌補致命性武器系統在法律上暴露的 "漏洞"。然而，無論這一過程中產生了什么標準，都不可能成為確保致命性武器系統的運作符合武裝沖突法的有效和可靠的指導。

此外，一些非政府組織和有關國家認為，讓指揮官對行為不可預測的自主武器系統負責是不公平的，但這正是軍隊運作的方式--賦予軍事指揮部對部隊的全權和責任。特定常規武器公約》政府專家小組的努力不太可能產生詳細的、被廣泛接受的規則，從而有意義地改進這種模式。作戰的軍事指揮官已經對他們在武裝沖突期間使用人工智能武器系統負責，這是第五部分的重點。

第五部分探討了體現在軍事指揮官身上的人類問責制。軍事指揮官對人工智能武器系統的使用以及在他或她的指導下支持戰爭行動的所有努力路線負責。直接的、個人的指揮責任是長期的、完整的。對所有軍事行動--包括武裝沖突中由人工智能發動的攻擊--的相應責任由指揮系統的最高層承擔。這種問責可能是以刑法的形式，但也包括一系列行政和非司法措施。直接問責涵蓋了武裝沖突期間發生的每一件事，包括那些國際刑事法院缺乏管轄權或證據不足的事件，因此它規范了指揮官的行為，即使他們沒有犯罪意圖，事實上，即使他們沒有直接 "過錯"。

第六部分的結論是，指揮官的直接和個人問責的好處是長期存在，被廣泛理解，并被一線軍官和軍事領導人直觀地理解；它是軍事文化的一部分。雖然它可以利用法律程序，包括軍事司法系統，但它并不完全受制于或依賴這些程序。雖然指揮官仍然要為戰爭罪受到刑事處罰，但軍事問責制也包括一系列非司法和行政制裁。指揮官對人工智能武器系統的問責尤其引人注目，因為與常規武器不同，如果出了問題，沒有額外的人（或更少的人）可以負責。

隨著美國陸軍對多域作戰概念的鞏固，保持領導力發展與未來作戰環境的相關性是至關重要的。近距離的對手將繼續在沖突的門檻下競爭，增加了多域作戰的復雜性和不確定性。雖然評估陸軍領導力要求模型是很常見的，但陸軍領導人如何在核心屬性和能力的基礎上，在多域作戰中成長？陸軍領導力要求模型與培養多域心理相結合，能夠在多域作戰中實現有效的領導。

該理論方法對領導力核心能力和屬性進行了擴展，提供了三個額外的領導力特征。預測近鄰行動的能力，利用現有能力和人員，以及在復雜性和不確定性中堅持不懈的能力，構成了多域心理。通過教育和培訓來實施多域心理，陸軍領導人將在多域作戰中有效地對付近距離的對手。

在未來的空戰中，無人協同系統的整合將是一個潛在的巨大力量倍增器。其成功的關鍵因素將是編隊情報、協調任務規劃和跨平臺任務管理。因此，構思下一代機載武器系統的任務需要一個整體的系統方法，考慮不同的航空飛行器、其航空電子任務系統和針對未來威脅的整體作戰概念。為了盡早驗證可能的解決方案概念并評估其作戰性能，在過去幾年中，在空中客車防務與航天公司未來項目中開發了一個動態多智能體戰斗仿真。除了比實時更快的工程功能外，該仿真還可以進行實時人機對話實驗，以促進工程師、操作員和客戶之間的合作。本文介紹了動態任務仿真方法，以及在未來戰斗航空系統（FCAS）研究中應用此工具所得到的啟示，在此期間，我們清楚地認識到什么是未來應用的一個關鍵挑戰。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

1 引言

每一代新的戰斗機都可以通過一個或多個技術飛躍來定義，這些技術飛躍使其與上一代的設計有很大區別。毫無疑問，自從大約15年前第一架第五代戰斗機投入使用以來，幾乎所有的設計學科都有了顯著的進步。不同的飛機制造商，包括空客，已經宣布他們目前正在構思或研究第六代戰斗機[1] [3]。與目前最先進的飛機相比，這些項目很可能在各個領域都有改進，如飛行性能、全方面和全模式隱身、低概率攔截雷達和通信或武器裝備。但問題仍然存在：什么將是這一代的決定性因素，一個真正改變未來戰斗空間的因素？

一個常見的假設是，未來的戰斗空間將是 "高度網絡化 "的，即所有參與的實體都可以交換他們的態勢視圖，并以近乎實時的方式創建一個共享的戰術畫面。一方面，這使得多個平臺在空間和時間上可靠同步達到了以前不可能達到的程度。許多算法，特別是發射器定位或目標測距的算法，如果能從多個位置產生測量結果，會產生明顯更好的效果。另一方面，高質量數據的可靠交換通過分配以前由單一平臺執行的任務，使戰術更加靈活。對作戰飛機的主要應用可能是所謂的合作交戰概念（CEC），這已經是美國海軍針對反介入/區域拒止（A2/AD）環境的海軍綜合火控-反空（NIFC-CA）理論的一部分[4]，但其他應用也是可能的，例如合作電子攻擊。所提到的概念主要適用于任務期間單一情況的短期范圍，例如偵察或攻擊薩母基地、空對空（A2A）作戰等。然而，就整個任務而言，還有一個方面需要提及。鑒于所有參與實體之間的可靠通信，規劃算法可以交換任務計劃變更的建議，并根據其目標和當前的戰術情況自動接受或拒絕。這在一個或多個不可預見的事件使原來的任務計劃無效的情況下特別有用，盡管所有預先計算的余量。與其估計一個替代計劃是否可行，并通過語音通信與所有其他實體保持一致（考慮到船員在某些任務階段的高工作負荷和參與實體的數量，這是一項具有挑戰性和耗時的任務），一個跨平臺的任務管理系統可以快速計算出當前任務計劃的替代方案，并評估是否仍然可以滿足諸如開放走廊等時間限制。然后，一組替代方案被提交給機組人員，以支持他們決定是否以及如何繼續執行任務。

將上述想法與現在可用的機載計算能力結合起來，由于最近在硬件和軟件方面的進步，可以得出結論，未來一代戰斗機將很有可能在強大的航空電子系統和快速可靠數據交換的基礎上，采用卓越的戰術概念進行作戰。然而，這還不是我們正在尋找的明確游戲改變者--甚至現有的第五代戰斗機已經應用了一些提到的概念，例如，在NIFC-CA背景下的F-35[4]。因此，下一步不僅要改進飛機的航電系統，而且要在完全網絡化環境的前提下連貫地優化航電、戰術和平臺設計。這種方法允許思考這樣的概念：如果得到網絡內互補實體的支持，并非每個平臺都需要擁有完整的傳感器套件和完整的決策能力。因此，不同的平臺可以針對其特殊任務進行高度優化，從而與 "單一平臺做所有事情 "的方法相比，減少了設計過程中需要的權衡數量。很明顯，一個專門的傳感器平臺不需要或只需要非常有限的武器裝備，因此現在可用的空間可以用來建造更好的傳感器或更大的燃料箱。這已經可以使該平臺專門從事的任務性能得到顯著提高，但有一樣東西可以去掉，它的影響最大：飛行員。在這一點上，必須明確指出，目前沒有任何算法或人工智能能夠接近受過訓練的機組人員態勢感知和決策能力。這就是為什么在不久的將來，人類飛行員在執行戰斗任務時將始終是必要的。然而，如果飛行員（或更準確地說，決策者）被提供了指揮無人駕駛同伴的所有必要信息，那么就不需要在同一個平臺上了。因此，我們提出了一個概念，即一個或多個載人平臺由多個無人駕駛和專門的戰斗飛行器（UAV）支持。在下文中，我們將把至少一個載人平臺和一個或多個由載人平臺指揮的專用無人機組成的小組稱為包。我們聲稱，由于以下原因，無人平臺將作為有人平臺的力量倍增器發揮作用：

• 無人機是可擴展的，而空勤人員是不可擴展的。因此，無人機可以執行高風險的任務，并允許采用只用載人平臺無法接受的戰術。

• 無人機更便宜（即使不考慮機組人員的價值），因為它們可以在性能相同的情況下比載人平臺建造得更小。這意味著，在相同的成本下，更多的平臺可以執行任務，更多的平臺會導致更高的任務成功率。首先，因為有更多的冗余，其次，如果有更多的資產參與其中，一些任務可以更好地完成，例如發射器的定位。

• 不同的無人機和載人平臺可以任意組合。在任務開始前，可以根據需要組成包。在任務期間，在某些限制條件下，也可以重新組合軟件包，例如，如果交戰規則禁止不受控制的飛行，則指揮平臺之間的最大距離。這使得任務規劃和執行有了更大的靈活性，預計也能保持較低的運行成本和材料損耗（"只使用你需要的東西"）。

像往常一樣，沒有免費的午餐這回事。在我們的案例中，所有上述優勢對飛機設計師來說都是有代價的。不是按照一組技術要求優化單一設計的性能，而是必須設計多個平臺及其子系統，使其在各種任務和組合配置中最大限度地提高整個系統的性能。在本文的其余部分，我們將介紹FCAS原型實驗室（FPL），這是一個在FCAS背景下開發的模擬環境，用于解決這一高度復雜的問題。在第2章中概述了它在概念設計和跨學科技術原型開發中的作用后，我們將在第3章中介紹底層動態多智能體任務仿真的概念和架構。在第4章中，我們將介紹選定項目的結果，以概述該工具的多功能性。本文最后將介紹可能是未來最大的挑戰之一，不僅對模擬，而且對一般的無人系統的引進。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

FCAS原型實驗室（FPL）：動態多智能體任務仿真

FPL的核心是一個動態多智能體任務仿真，可以在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺機器上，并使用不同的附加硬件組件。為了方便兵棋推演的進行，對人機界面技術進行原型測試，或用于一般的演示目的，模擬中的所有載人機載資產都可以選擇由硬件駕駛艙控制。如果沒有人類操作員參與，模擬必須能夠比實時運行更快。這對于在可能需要數小時的大規模任務中進行有效的開發和權衡分析尤為必要。為了以客觀和公正的方式評估概念和技術，每個模擬任務的過程都是由預先定義的系統屬性、物理效應的模擬和可配置的智能體行為和合作演變而來。不存在任何腳本事件，每一次新的模擬運行的結果都是完全開放的。藍軍和紅軍是在相同的假設下，以可比的抽象水平進行模擬。以下各章概述了如何在FPL中動態地模擬當前和未來機載系統的任務。介紹了我們的仿真結構，在對這類系統進行建模時最重要的設計權衡，以及行為建模的高層次規劃/低層次控制方法。

架構

FPL的仿真架構由三個邏輯部分組成：應用、仿真控制和通信中間件。該架構的一個核心特征是，模擬被分割成幾個應用程序。每個應用程序運行不同的模型，例如，有一個應用程序用于模擬自己的（藍色）航空器、敵方（紅色）航空器、綜合防空系統（IADS）以及更多的模型，如下所示。所有的應用程序共享相同的標準化接口，并且可以任意組合。這種模塊化允許只運行某個任務或項目所需的部分模型。所有的應用程序都是獨立的可執行文件，可以在同一臺計算機上以并行進程運行，也可以分布在幾臺機器上。通過交換編譯后的二進制文件，來自不同公司的模型的整合是可能的，而不會暴露詳細的基本功能。一般來說，不同公司之間的快速和容易的合作是FPL架構的一個主要驅動力。為此，提供了一個基礎應用類，它提供了所有與仿真有關的功能，如仿真控制狀態機、通信中間件接口和通用庫，例如用于不同坐標系的地理空間計算。通過簡單地實現一個新的基礎應用實例，新的模型可以被添加到仿真框架中。所有應用程序的執行都由一個中央仿真控制實例控制。它提供了一個圖形化的用戶界面，可以根據需要啟動、停止和加速模擬。在執行過程中，所有應用程序的運行時間被監控，仿真時間被動態地調整到最慢的模型。這使得分布式的比實時更快的模擬具有自適應的模擬時間加速。應用程序之間的通信是通過數據分配服務（DDS）標準[2]實現的。它使用發布-訂閱模式在網絡中實現了可靠和可擴展的數據交換。兩個不同的分區用于廣播仿真數據（如實體狀態、仿真控制命令等）和多播命令和控制數據（如通過BUS系統或數據鏈路實際發送的數據）。DDS標準的開放源碼實施被用來進一步方便與外部伙伴的合作。

圖1提供了我們的模擬架構的概況，包括大多數任務所需的應用程序。如前所述，這個架構并不固定，幾乎任何應用都可以根據需要刪除或交換。如黑色虛線箭頭所示，通過DDS中間件在仿真控制處注冊一個基本的應用實現，可以集成新的模型。藍色/紅色背景的方框描述了己方/敵方系統，混合顏色的方框可供雙方使用。仿真基礎設施組件的顏色為灰色，用戶界面的顏色為橙色。黑色箭頭表示模擬過程中的通信，灰色箭頭代表模擬運行前后的數據交換。

對于兵棋推演環節，不同的應用程序分布在FPL的多個房間內運行，以模仿真實的空中作業程序。在設置好一個場景后，藍方和紅方的操作人員使用任務配置工具，在不同的房間里計劃他們的任務。空中行動指揮官留在這些房間里，而飛行員則分成兩個房間，每個房間有兩個駕駛艙來執行任務。藍方和紅方空軍應用的任何飛機都可以從駕駛艙中控制，因此飛行員可以接管不同的角色，并相互對抗或作為一個團隊對抗計算機控制的部隊。所有房間都配備了語音通信模擬。任務結束后，各小組在簡報室一起評估任務，可以從記錄的模擬數據中回放。一個額外的房間配備了多個連接到模擬網絡的PC，可以選擇用于特定項目的任務，例如硬件在環實驗。

建模

為FPL選擇正確的建模范式事實上并不簡單，因為它涵蓋了操作分析工具（通常是隨機的）以及工程模擬（通常是確定性的或混合的）的各個方面。這個決定的影響可以用一個例子來說明，即如何確定一架飛機是否被導彈擊中。在隨機模型中，這個決定是基于可配置的概率，例如，被擊中的概率（導彈）和回避動作成功的概率（飛機）以及一個隨機數。為了使最終的任務結果對單一的隨機數不那么敏感，在實踐中經常用不同的隨機種子進行多次模擬運行。按照確定性的方法，導彈的飛出是根據導彈的發射方向、制導規律和固定的性能參數如推力、最大加速度等來模擬的。飛機在規避機動過程中的軌跡也是基于其初始狀態、空氣動力學、反應時間等。例如，當彈頭引爆時，如果導彈和飛機之間的距離低于某個閾值，那么飛機就會被認為被殺死。在一個確定性的模型中，在導彈發射時已經知道飛機是否會被擊中。確定性模型中必要的簡化通常是通過引入固定參數來完成的，比如導彈例子中的距離閾值。混合模型允許使用隨機數進行這種簡化，例如，作為失誤距離的函數的殺傷概率。

為了有效地測試和分析大規模的空中作業，在單臺機器上有幾十種藍色和紅色資產運行的情況下，模擬運行的速度至少要比實時快10倍（平均）。這對所用算法的時間離散性和運行時的復雜性提出了重大限制。為了保持快速原型設計能力，為新項目設置仿真或開發/集成新組件所需的時間應保持在較低水平。太過復雜的模型會帶來更多的限制，而不是顯著提高結果的質量。在這些方面，（更多的）隨機模型在運行時間和開發時間上都有優勢，更快。然而，在我們的案例中，有兩個主要因素限制了隨機模型的使用，使之達到最低限度。首先，模擬只有在給出他們的戰術和演習成功與否的確切原因時才會被操作者接受。此外，隨機模型是由數據驅動的，但對于未來自己和/或敵人的系統來說，所需的數據往往無法獲得。對于已經服役多年并在測試或實際作戰中多次射中的導彈，有可能估計其殺傷概率。然而，僅僅為未來的導彈增加這一概率是非常危險的，特別是因為隨機模型對這些參數非常敏感。從我們的觀點來看，通過將所有系統建模為基于技術系統參數的通用物理模型，可以實現對未來系統更健全的推斷。第一步，通過模擬已知技術和性能參數的現有系統，對模型本身進行驗證。對于未來的系統，技術參數會根據預期的技術進步、領域專家知識和他們的工具進行推斷。堅持最初的例子，未來戰斗機的回避機動性能的推斷，例如，基于從CAD和流體動力學模型計算出的更高的升力系數，或基于更高的導彈接近警告器的分辨率和靈敏度。

客觀評價未來概念在模擬中的表現的一個關鍵方面是環境和威脅的建模。必須考慮到，系統的方法在紅方和藍方都是有優勢的。現代國際防空系統的危險來自于結合不同的系統，從非常短的距離到遠距離。所有這些系統都有它們的長處和短處，但它們被組織起來，使個別的短處被其他系統所補償，并使整個系統的性能最大化。因此，第一個困難是必須對大量的系統進行模擬，并且必須確定這些系統的個別優勢和劣勢。通用物理模型的方法可用于這兩個方面。在通用防空系統模型被開發和驗證后，它可以迅速將新的系統整合到模擬中。根據模擬的物理效果，可以估計敵方系統的作戰優勢和弱點或未來可能的威脅概念。另一方面，使用通用模型的困難在于，必須將真實系統的功能映射到通用模型中，以便保留所有重要的單個系統屬性。這不可避免地導致了相當復雜和詳細的通用模型。我們將以地基雷達組件為例，概述我們平衡復雜性和保真度的方法。如圖2所示，IADS模擬中的一個實體由不同的組件組成。這些組件可以任意組合，以快速配置新系統。從功能角度看，地面雷達組件由控制器、探測模型和目標跟蹤器組成。根據實體的當前任務，控制器選擇所需的雷達模式，例如，360°搜索的監視或戰斗搜索，如果一個特定的部門必須優先考慮。為了對付干擾或地面雜波，可以使用不同的波形。根據雷達的類型，如機械或電子轉向的一維或二維，控制器有不同的可能性來適應搜索模式。在為一個波束位置選擇了波形的類型和數量后，探測模型根據目標、地面雜波、地形陰影、大氣衰減和電子對抗措施等方面的雷達截面模型，產生測量結果。測量誤差是由取決于隨機模型的信噪比引起的。由此產生的測量結果然后由目標跟蹤器處理，它執行測量-跟蹤關聯和跟蹤過濾。

這種詳細模型產生的另一個困難是必須估計的參數總數。在這一點上也要注意，模擬中的所有數據都是不受限制的。這一方面是由于大多數項目的限制，但另一方面，它在日常工作中也有實際優勢。我們必須牢記，模擬是用于概念驗證，而不是用于詳細的系統設計，所以在這個早期階段使用機密的威脅數據會對基礎設施和開發過程造成重大限制，而不會給結果帶來重大價值。基于此，所有的威脅數據都必須根據公開的來源或來自內部項目和外部合作伙伴的非限制性數據進行估算。這再次導致了大量的數據，而這些數據的詳細程度往往是非常不同的，或者是不一致的，例如，由于對限制性數據的去分類。隨著我們模型的不斷發展和多年來獲得的工程專業知識，我們有可能為不同的當前和推斷的未來威脅系統估計出一致的參數。這主要是在一個自下而上的迭代過程中完成的。根據現有的技術和性能參數，對缺失的模型參數進行估計以適應組件的性能。然后對單一系統的不同組件之間的行為和相互作用進行調整，以達到理想的系統性能。最后，在不同的情況下測試IADS內這些系統的協調，以使整個系統的性能最大化。

在過去的二十年里，人工智能（AI）獲得了大量的關注，并激發了許多科學領域的創新。美國軍事預測人員創造了許多以人工智能為核心特征的未來作戰環境的預測。本文報告了人工智能創新的歷史趨勢，導致了對真正的通用人工智能（AGI）出現的高預期時期。這些對持續創新的夸大期望超過了實際能力，導致幻想破滅。人工智能經歷了新的創新、過度期望和幻想破滅的周期，然后是適度的進步。人工智能創新的周期性遵循極端夸張的周期，在過去的周期中，這導致了資金的損失和未來創新的放緩。為了避免在夸張的周期中看到的未來的幻滅和進步的喪失，領導者需要對機器學習技術有一個現實的理解，以及它對未來的人工智能發展意味著什么。本文提出了一個理解人工智能與作戰環境互動的功能框架。

引言

語義學、技術樂觀主義、誤解和議程掩蓋了目前關于人工智能（AI）和智能的本質的辯論。關于人工智能的預測，從歇斯底里的天網啟示錄到人工智能驅動的烏托邦都有。人工智能和 "機器學習 "可能會走上幻滅之路。技術領域的知名專家警告說，人工智能將對人類的未來產生災難性影響。特斯拉和Space X的首席執行官（CEO）埃隆-馬斯克（Elon Musk）稱人工智能是一種生存威脅，并懇請政府對人工智能進行監管，"以免為時已晚"。已故著名物理學家史蒂芬-霍金認為，人工智能將是人類的末日。新聞媒體的標題是："美國有可能在人工智能軍備競賽中輸給中國和俄羅斯"。還有人援引世界末日的觀點和對人工智能技術的情感反應。例如，《紐約時報》最近發表了一個標題："五角大樓的'終結者難題'。可以自己殺人的機器人"。不幸的是，煽動恐懼的言論引起了公眾的共鳴，并建立在人工智能將是人類終結者的流行文化敘事上。

在歷史背景下觀察，目前對人工智能的看法遵循一個可衡量的趨勢，即Gartner公司的信息技術（IT）研究 "炒作周期 "的技術發展階段，見圖1。炒作周期以 "技術觸發點 "開始，一種只存在于原型的新概念化能力，吸引了媒體的注意。下一個狀態是 "期望值膨脹的高峰"，早期采用者因其在實施該技術方面的成功而獲得宣傳。下一個階段是 "幻滅的低谷"，技術固有的物理限制變得明顯，人工智能未能成熟，投資資金轉移到更有前途的企業。在幻滅的低谷之后，技術繼續成熟，盡管速度要慢得多。在這個緩慢的環境中，它被更好地理解，實施起來也有真正的成功。最后一個階段，即 "生產力的高原"，是技術在被充分理解的條件下被廣泛實施的時候。然后，各行業創建標準和法規來管理技術的實施和互操作性。

圖 1. 技術發展的成熟度曲線。

人工智能發展的以往演變遵循夸張的周期，有幾個高峰和低谷，這里將概述一下。每次人工智能發展進入幻滅的低谷，美國政府和軍方支出停止資助；人工智能的發展都會停滯不前。美國政府和軍方一直是人工智能發展史上不可或缺的一部分，并將繼續在指導未來發展方面發揮重要作用。美國軍方不能有膨脹的期望，這將導致一段幻滅期，將主動權和技術優勢讓給美國的同行競爭者，俄羅斯和中國；他們正在追求武器化的AI。領導人和決策者需要對人工智能的發展有一個現實的技術理解，以指導他們將人工智能整合到軍隊企業中。過去的夸張周期提供了需要避免的陷阱的例子，但也提供了需要尋找有用的應用和未來創新的領域。

小型無人駕駛飛機系統（sUAS）的指數式增長為美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正極大地改變著小型無人機系統的合法應用，同時也使它們成為國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中日益強大的武器。如果被疏忽或魯莽的操作者控制，小型無人機系統也可能對美國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。越來越多的 sUAS 將與美國防部飛機共享天空，此外美國對手可能在美國防部設施上空運行，在此環境下美國防部必須保護和保衛人員、設施和資產。

為了應對這一挑戰，美國防部最初強調部署和使用政府和商業建造的物資，以解決無人機系統帶來的直接風險；然而，這導致了許多非整合的、多余的解決方案。雖然最初的方法解決了近期的需求，但它也帶來了挑戰，使美國防部跟上不斷變化問題的能力變得復雜。為了應對這些挑戰，美國防部需要一個全局性的戰略來應對無人機系統的危害和威脅。

2019年11月，美國防部長指定陸軍部長（SECARMY）為國防部反小型無人機系統（C-sUAS，無人機1、2、3組）的執行機構（EA）。作為執行機構，SECARMY建立了C-sUAS聯合辦公室（JCO），該辦公室將領導、同步和指導C-sUAS活動，以促進整個部門的統一努力。

美國防部的C-sUAS戰略提供了一個框架，以解決國土、東道國和應急地點的sUAS從危險到威脅的全過程。國防部的利益相關者將合作實現三個戰略目標：（1）通過創新和合作加強聯合部隊，以保護國土、東道國和應急地點的國防部人員、資產和設施；（2）開發物資和非物資解決方案，以促進國防部任務的安全和可靠執行，并剝奪對手阻礙實現目標的能力；以及（3）建立和擴大美國與盟友和合作伙伴的關系，保護其在國內外的利益。

美國防部將通過重點關注三個方面的工作來實現這些目標：準備好部隊；保衛部隊；和建立團隊。為了準備好部隊，國防部將最大限度地提高現有的C-sUAS能力，并使用基于風險的方法來指導高效和快速地開發一套物質和非物質解決方案，以滿足新的需求。為了保衛部隊，國防部將協調以DOTMLPF-P考慮為基礎的聯合能力的交付，并同步發展作戰概念和理論。最后，作為全球首選的軍事伙伴，國防部將通過利用其現有的關系來建設團隊，建立新的伙伴關系，并擴大信息共享，以應對新的挑戰。

通過實施這一戰略，美國防部將成功地應對在美國本土、東道國和應急地點出現的無人機系統威脅所帶來的挑戰。在這些不同操作環境中的指揮官將擁有他們需要的解決方案，以保護國防部人員、設施、資產和任務免受當前和未來的無人機系統威脅。