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士兵與作戰物資在戰場空間內的機動對軍事行動成功至關重要。掌握道路網絡狀況可確保車輛安全高效通行。本研究聚焦利用三維點云衍生數據產品，對低質量鋪裝道路網絡的車輛通行能力進行遠程評估。通過部署地面及機載激光雷達（lidar）傳感器生成點云數據，以實現對鋪裝路面的工程學分析。

開發了系列算法用于提取路網的粗糙度、坡度、曲率半徑及寬度參數，并將信息儲存用于圖形化顯示。通過采用"北約機動參考模型"（NATO Reference Mobility Model）在多種道路參數下進行計算機模擬，計算出車輛速度查找表。該查找表可基于提取的道路參數，確定特定車型允許的最大通行速度。研發的圖形界面通過紅/黃/綠三色方塊沿路網顯示速度衰減百分比，提供直觀的道路狀況評估。

本報告概述了開發軟件套件的過程，該系統可基于路線幾何特征、路況及車輛類型，計算并可視化路網通行速度衰減。所開發的界面有助于制定影響軍事機動行動成敗的關鍵后勤決策。

本研究由美國陸軍負責采辦、后勤與技術的助理部長辦公室資助（項目"反介入/區域拒止環境下的力量投射"）。

士兵與作戰物資在戰場空間內的機動對軍事行動成功至關重要。目標區域（ROI）的機動分為兩個主要類別：進入（entry）與持續保障（sustainment）。進入指將車輛與裝備初始部署至目標地點；持續保障則是為持續使用初始進入路徑的護航任務提供長期補給。任務規劃者通常從進入角度考量目標區域路網——即每輛載具僅進入目標區域一次。此類規劃通常聚焦主干道沿線路線，使大規模（可能重裝）部隊實現初始進入，并提升這些道路維持持續護航行動的可能性。當考慮質量較低路線（如次級及三級道路）時，路況極少被關注，從而忽視了持續保障的長期影響。任務規劃者既缺乏低質道路狀況信息，也不掌握特定護航車輛通行次數上限，凸顯了當前陸軍路線規劃能力的局限性。傳統道路偵察需通過車輛實地穿行路網（圖1）與徒步方式人工繪制道路特征，士兵依據《TM 3-34.81技術手冊》第三章（陸軍部2016）標準進行標注。評估內容包含通行阻礙物點位、滑坡區域及排水設施。該圖表僅記錄三項可量化參數：路寬、縱坡坡度及曲率半徑（RADC）。但正是這些物理參數為采用北約機動參考模型（NRMM）（Ahlvin與Haley 1992）計算速度衰減提供基礎。盡管障礙物是機動性的關鍵因素，其僅占整體路網的極小部分。而制定可靠機動決策需掌握整個路網交通速度的空間態勢感知。

圖1. 路線分類標注圖（陸軍部2016）

圖1所示圖表因使用符號與縮寫記錄技術細節而難以解讀。概覽此圖可顯示障礙物位置，但無法清晰反映崎嶇路段、急彎及陡坡對特定車輛機動能力的影響。最核心缺陷在于該圖無法為具體車輛提供速度指引。紙質文件不具備動態更新能力，護航任務后難以補充新數據。此外，無法遠程生成測繪結果迫使士兵冒險穿越路網；沖突期間多區域將無法實施為規劃目的的先期地面偵察。

掌握路網狀況對保障車輛安全高效機動至關重要。本研究聚焦低質鋪裝路網的車輛通行遠程評估。盡管次級與三級道路為高可見度主干網提供戰略替代方案，其在持續作戰中更易受車隊反復通行損毀。進入替代路網存在后勤挑戰，理想情況下應通過遠程傳感器評估以降低士兵暴露風險。

本研究利用激光雷達（lidar）采集數據，提取降低車隊速度與效率的關鍵道路特征。基于激光雷達生成的路面三維點云可實現鋪裝表面的工程分析。研究團隊開發算法自動提取路網粗糙度、縱坡坡度、橫坡坡度、曲率半徑與路寬參數，并儲存信息用于圖形化顯示。開發的用戶界面可將任意陸軍載具或載具類型的速度衰減，以紅/黃/綠三色覆蓋層形式直觀呈現在勘測路網上。該方法為任務規劃者提供精簡工具，使其可視化路線狀況并制定車輛機動戰術決策。

本項目單元旨在開發軟件，基于北約機動參考模型（NRMM）計算的道路地形特征，在覆蓋地圖上可視化車輛速度衰減。NRMM軟件的輸入值源自激光雷達直接生成的三維點云或光電傳感器的攝影測量數據。

本項目單元需提供首代路網速度衰減可視化軟件包。為此，美國陸軍工程研究與發展中心（ERDC）開發兩項核心功能：

1. MATLAB?算法套件及圖形用戶界面（GUI）：可導入點云并提取NRMM計算特定車輛最大允許速度所需道路參數
2. 第二套GUI：以類似谷歌地圖/蘋果地圖交通應用的方式，將速度衰減以紅/黃/綠方塊標注于地圖

網絡空間如同陸地領域，必須予以防御。美國陸軍正通過"防御性網絡作戰項目辦公室"（PM DCO），根據任務與威脅態勢向網絡作戰人員（如網絡防護分隊和區域網絡中心）提供創新型主導性網絡能力。本前沿技術報告深入探析防御性網絡作戰（DCO）的網絡安全測試活動，涵蓋漏洞探測、脆弱性分析、持續監控、情報支持、風險緩釋/修復、事件關聯、滲透測試、威脅仿真及惡意軟件分析等環節。報告界定并闡釋適用于DCO的美國國防部核心網絡安全戰略與政策，探索驗證被測系統效能與網絡彈性的軟件工具及測試場景，最后通過三個具體用例詳述PM DCO實施網絡測試與評估的操作流程。

測試與評估（T&E）對國防部門整體采辦流程至關重要。T&E活動提供關鍵數據，用以驗證全域作戰的功能性、技術性與實戰能力，并在最終采辦或列裝決策前識別、分析、修正系統缺陷。T&E流程賦予決策者與實操工程師充分洞見，協助管控作戰風險、度量技術進展，并在采辦進程演進中評估作戰效能、適用性、生存性及殺傷力。依據《國防部網絡安全測試與評估指南》：網絡安全T&E旨在系統部署前識別并消除威脅軍事能力作戰韌性的可被利用漏洞，涵蓋安全性、生存力及安保體系。早期漏洞發現能顯著降低修復成本，減少對項目進度與性能的影響。

為推進國防網絡安全T&E體系建設，美軍多部門協同保障陸軍武器系統、裝備、網絡安全體系、信息系統及電子戰行動的網絡能力與生存性。國防部已制定相關硬件軟件的研發測試策略指南，并配備專用工具支撐整體T&E與網絡任務。面對日新月異的網絡安全態勢，確保國防部人員掌握規范流程、程序及工具以實施風險管控，保障網絡軍事行動與作戰人員安全至關重要。本報告首先闡述美軍核心測試組織架構；第二章解析適用于DCO的網絡安全戰略；隨后界定DCO項目采用的網絡T&E活動，逐項說明陸軍網絡司令部（ARCYBER）對應的工具鏈與分析手段；最終通過三個典型用例展現PM DCO實施網絡T&E的全過程。

隨著美軍持續全球部署，其加大了在嚴酷環境下的醫療支持。遠程醫療支持的應用增強了滿足此類需求的能力。有效實施遠程醫療援助需依賴衛星通信，并常需借助民用服務供應商。本研究評估結合虛擬專用網絡（VPN）安全與隱私增強的衛星通信網絡效能，測試IPsec、OpenVPN與Wireguard三種協議在地球靜止軌道衛星供應商Viasat與低地球軌道衛星供應商Starlink上的性能影響。研究發現：VPN部署對延遲產生小幅但持續影響，對包間延遲變異（IPDV）影響可忽略；VPN應用導致吞吐量下降（尤以下行吞吐量顯著）。具體而言，OpenVPN對吞吐量影響最大，Wireguard提供最高總吞吐量，IPsec性能最穩定，推薦用于企業級應用。

多數戰區缺乏地面互聯網或蜂窩網絡等基礎設施。本研究資助方——空軍研究實驗室（AFRL）正針對軍事行動遠程醫療需求應對此現狀，重點關注南太平洋與北極區域。地面互聯網服務供應商（ISP）及其基礎設施可能滯后于普及水平，或根本不存在。這種基礎設施缺失（多數人視其為理所當然）促使衛星通信成為填補缺口的關鍵手段[2]。遠程醫療效能與網絡性能直接相關，通信系統須滿足遠程醫療應用最低需求。本研究基于文獻[3]成果（直接比較Starlink與Viasat在遠程醫療應用中的性能），評估常見VPN協議對此類系統的影響并權衡利弊，旨在支持嚴酷環境下高效遠程醫療目標。遠程醫療使部署醫務人員（通常訓練有限）能夠實施高風險或需重大后勤支持的醫療操作。此類支持稱為"實時臨床支持（RTCS）"[4]，其利用全球專家資源為部署于嚴酷環境的醫療人員提供監督指導。

文獻[3]表明，低地球軌道（LEO）衛星服務總體優于地球靜止軌道（GEO）衛星服務（尤其在協議針對LEO運行特性優化時），但未專門探討安全性特征。本研究旨在相同網絡條件下開展類似測試，引入不同VPN協議作為增強安全性的可選方案。當軍用通信衛星不可用時，此方案將尤其有益。

遠程醫療需求是軍事全球部署與當地醫療人員匱乏的直接產物。衛星技術普及使得部署基礎訓練醫務人員成為可能，同時由少數經驗豐富專家提供后方支援。這種分布式模式使少量全科醫療人員能服務同等數量病患。醫療信息處理需重點考量患者隱私與安全性，對全部流量施加VPN協議是可行解決方案，但該方案亦引入額外開銷。本研究量化衛星通信疊加VPN對遠征遠程醫療的影響，預期其網絡性能影響與地面網絡部署相同VPN協議時類似。為此構建典型遠程醫療測試網絡，配置VPN并選取網絡性能指標，通過標準化測試方法采集數據，分析各VPN協議影響程度。

本研究主要基于文獻[3]對Starlink與Viasat支持遠程醫療的效能分析，新增IPsec、OpenVPN、Wireguard三種常見VPN協議，測試衛星通信鏈路疊加VPN的可行性。測試方法部分借鑒文獻[5]——其使用iperf3程序與亞馬遜云服務（AWS）（但受AWS限制），本研究將采用AWS搭建VPN服務器，iperf3進行吞吐量測試。文獻[5]旨在對比Wireguard與OpenVPN性能，發現Wireguard在多核設備表現更優（因測試版OpenVPN無法利用多核），且研究在Wireguard未集成至Linux 5.6內核前完成。

文獻[6]基于Linux商用硬件對比IPsec、OpenVPN、Wireguard性能，在40 Gbit/s網絡（遠超本研究吞吐量）中發現Wireguard在高吞吐場景潛力最大，但Linux網絡棧引入顯著開銷。該研究采用MoonGen而非iperf進行測試。盡管硬件環境不同，本研究預期衛星鏈路影響外結果趨勢相似。文獻[7]對比兩版Wireguard與多配置IPsec、OpenVPN，發現Wireguard連接最快但吞吐最低、延遲最高，IPsec綜合最優。差異主因或是其采用支持AES-NI指令集的硬件加速（本研究未啟用），且iperf v2.0.10單線程成瓶頸。

??論文結構??

本論文共五章。第二章概述遠程醫療、衛星通信、VPN及待評估網絡性能指標。第三章詳述遠征遠程醫療測試方法，涵蓋網絡需求與測試環境構建。第四章闡述測試流程與結果，含數據分析。第五章總結研究成果，提出應用建議與未來研究方向。

本文研究了零信任架構（ZTA）對美國海軍數據中心網絡安全的影響，特別關注信息系統的信任評估。應用國防部（DoD）首席信息官（CIO）關于采用零信任（ZT）的指令，本研究旨在評估海軍數據中心使用案例中 ZTA 的基本假設、優勢和劣勢。作為這一更大研究目標的副產品，本研究致力于確定網絡內信任的定量和定性屬性，為成功實施和持續運行所需的資源提供見解，從而優化新建立的 ZTA 的有效性。論文發現，在應對內部威脅和訪問多個應用程序或數據集方面，ZTA 比基于外圍的架構更有效。對海軍采用 ZTA 的建議包括分階段方法和制定適應性強的靈活政策，以應對海軍復雜的任務集。

美國海軍的信息系統，尤其是本論文中涉及的財務和訓練應用系統，具有高度敏感性，是海軍行動不可或缺的一部分。隨著海軍網絡安全態勢的發展，海軍正在考慮從基于邊界的安全模式過渡到零信任架構（ZTA），以此作為加強對不斷發展的網絡威脅的保護的解決方案。本論文探討了與 ZTA 遷移相關的網絡安全改進，并評估了如何在當前和建議的架構中衡量信任這一關鍵的安全矢量。本研究為衡量海軍信息系統內的信任度提供了一個框架，比較了傳統的基于邊界的安全模式和 ZTA，并為 ZTA 的實施提供了戰略建議。

A. 目的和目標

本論文旨在評估 ZTA 在增強海軍信息系統（主要是財務和培訓應用程序）安全性方面的有效性。這些應用程序包含關鍵數據，海軍人員經常訪問，因此對它們的保護至關重要。這些系統中的任何漏洞都可能嚴重影響海軍的行動和人員。本研究旨在客觀分析當前基于邊界的架構和建議的 ZTA 中的信任度，為海軍提供一種方法來評估向 ZTA 過渡過程中網絡安全的收益。

B. 方法

本研究采用混合方法，結合定量和定性措施來評估兩種相互競爭的網絡安全架構中的信任度。對當前海軍的兩個應用進行了案例研究，使用比較分析來評估基于邊界的模式和 ZTA 之間的信任差異。通過使用風險評分、漏洞嚴重性和有效性等變量，應用數學模型對兩種架構的信任度進行量化。這些變量被賦予特定權重，以計算兩種架構的架構信任度得分，從而對每個系統的安全態勢進行系統評估。

C. 主要發現

研究表明，與海軍基于邊界的架構相比，ZTA 具有優勢。在外圍模式中，一旦用戶或設備通過了初始安全檢查，通常就會隱性地授予信任。然而，這種模式在授予初始訪問權限后，會給網絡內的橫向移動留下可乘之機。另一方面，ZTA 遵循 “絕不信任，始終驗證 ”的原則。它對每次訪問請求都會不斷重新驗證信任，確保在初始連接后不會隱式信任任何用戶或設備。這種方法能有效解決內部威脅，降低攻擊者橫向移動的風險。

定量分析顯示，雖然兩種架構都能提供足夠的安全性，但 ZTA 的持續信任評估可提供額外的保護，防止內部威脅和復雜的攻擊技術。在初始連接請求中，ZTA 模型的架構信任得分低于基于外圍的模型，但在隨后的連接中，ZTA 模型的信任得分超過了基于外圍的模型，同時在每個接入點重新驗證信任，防止網絡內未經授權的移動。

D. 建議

要成功實施 ZTA，海軍應采用分階段的方法，從最敏感和最優先的系統開始，包括財務和培訓應用程序。這種分階段的策略將使海軍能夠在較小的范圍內測試 ZTA 的有效性，完善安全策略，并在將 ZTA 擴展到整個網絡之前進行必要的調整。海軍還應重點開發適應性強、能感知上下文的安全策略。鑒于海軍的作戰環境多種多樣且不斷變化，從辦公環境到遠程部署和聯軍任務，ZT 政策應具有足夠的靈活性，以適應不同的情況。例如，訪問政策應根據任務環境進行調整，確保安全措施符合實時操作需求。

E. 對未來研究的建議

進一步的研究應探討在大規模軍事網絡中實施 ZTA 的相關財務和運營成本。雖然 ZTA 的安全優勢顯而易見，但了解與基礎設施、人員配備和系統升級相關的長期成本對決策者來說至關重要。此外，未來的研究還應調查 ZTA 如何影響用戶體驗，尤其是在軍事行動等快節奏、高風險的環境中。應研究基于風險的身份驗證和自適應訪問策略，以最大限度地減少用戶中斷，同時保持高水平的安全性。此外，還建議在未來的研究中對人工智能驅動的威脅檢測工具進行投資。ZTA 所需的持續監控會給網絡安全人員帶來沉重的工作負擔。集成人工智能系統有助于實現低級威脅檢測的自動化，使安全團隊能夠專注于關鍵事件。這項研究可能有助于簡化 ZTA 的實施，確保架構高效運行，而不會讓工作人員不堪重負。未來研究的另一個重要領域是將 ZTA 與 5G、物聯網和人工智能等新興技術相結合。隨著這些技術在海軍行動中越來越普遍，了解如何調整 ZTA 以確保它們的安全將有助于保持彈性網絡安全態勢。最后，研究應探索如何實施 ZTA 以確保與盟軍網絡安全框架的互操作性，從而在聯合行動中實現安全協作。

F. 結論

研究結果表明，ZTA 為保護海軍信息系統提供了一個更加動態和安全的框架，特別是在內部和外部威脅不斷演變的環境中。ZTA 的持續信任再驗證通過仔細檢查每次訪問嘗試來增強安全性，最大限度地降低了未經授權訪問的風險。這對于海軍的財務和培訓應用來說尤其重要，因為在這些應用中，數據保護和操作連續性至關重要。

不過，實施 ZTA 也會帶來挑戰。要從基于邊界的模式過渡，就需要改變基礎設施和網絡安全實踐。持續監控和信任驗證需要先進的計算資源，并可能帶來運營開銷。此外，ZTA 對行為分析和實時評估的依賴可能會導致誤報，從而可能干擾海軍行動。

總之，與當前基于邊界的模式相比，ZTA 為美國海軍提供了一個更強大的網絡安全框架，特別是在保護關鍵財務和培訓應用程序方面。雖然向 ZTA 過渡需要謹慎的規劃和投資，但該架構能夠在每個接入點持續重新驗證信任，這使其成為緩解不斷變化的網絡威脅的重要工具。通過采用分階段實施方法、制定適應性政策和投資人工智能驅動的工具，海軍可以成功實施 ZTA，并在面臨日益增長的網絡風險時增強其信息系統的安全性。

本論文以應用研究為基礎，研究了美國海軍當前的創新生態系統，旨在找出挑戰、障礙和可行的解決方案。評估涉及一項定性研究和一項定量研究，受訪者來自海軍各組織。定性訪談（研究 1）的結果用于揭示模式、概念和理論見解，為定量調查（研究 2）的設計提供依據。研究揭示了流程上的重大差距，包括組織間的溝通障礙和知識管理上的嚴重不足。此外，研究還強調了從業人員決策的不完善，對生態系統產生了負面影響。為了規劃前進的戰略路徑，我們整合了管理學、創新管理學和行為經濟學的相關理論。主要重點是促進生態系統內從業人員之間的緊密聯系，同時提高決策過程的整體質量。

圖：美海軍研究辦公室決策過程

美國海軍是一支在全球提供前沿威懾的力量。技術的進步和戰略競爭對手的崛起改變了軍事行動的態勢，這可能對美國海軍的前沿存在構成挑戰。這種挑戰可能威脅到美國本土，而軍事戰略的重點是在海外維持部隊。為了確保本土安全，本論文認為美國海軍可以創新并更多地使用無人系統。無人系統將很快成為艦隊力量設計的一個方面，其整合對未來的海軍行動至關重要。美國海軍目前正在開發和測試無人機 (UAV)、無人水面艦艇 (USV) 和無人潛航器 (UUV)，以擴充艦隊并提高其能力。這些系統可通過以下任務領域增強美國海軍能力：情報、監視和偵察（ISR）、海上安全、反水面戰（ASuW）、反潛戰（ASW）和水雷對抗（MCM）。

美國是一個海上強國，通過分布在全球各地的海軍力量威懾對手，確保安全。美國海軍通過在世界前沿地區開展行動和使用積極的分層防御戰略來保衛本土。該戰略的目標是在威脅襲擊美國本土之前對其進行威懾。然而，先進技術的出現和戰略競爭對手的崛起對美國海軍依靠前沿存在威懾對手的能力提出了挑戰。面對這些挑戰，本土已成為這些競爭對手威脅的可信目標。為確保本土安全，美國海軍需要創新并適應新興的無人系統技術。本論文探討了海軍如何將無人機、USV 和 UUV 等新興技術融入保衛本土的任務中。

無人系統的創新和集成已成為海軍高層領導的首要任務。美國海軍 "2045 兵力設計"（Force Design 2045）概述了美國海軍艦隊將成為一支混合艦隊，通過將無人系統集成到海上行動中來增強其實力。目前正在對這些系統進行開發和測試，以提高艦隊的整體能力和威懾力。為了繼續保持美國海軍在全球的安全存在能力，本論文根據這些系統的能力和性能，對美國海軍總體計劃中的路線圖所概述的高優先任務領域進行了研究。在這些高優先級任務領域中，本論文納入了可用于保衛國土的任務領域。這些任務領域包括情報、監視和偵察 (ISR)、水雷對抗 (MCM)、反潛戰 (ASW)、海上安全和反水面戰 (ASuW)。

美國海軍在空中、水面和水下都擁有強大的無人機系統。艦隊中的主要無人機包括 MQ-8C“火力偵察兵”、MQ-4C“海衛一”、“掃描鷹”和 MQ-4A “收割者”。另一方面，海軍正在為水面艦隊研制大型和中型無人水面飛行器，為水面下部隊研制 "獅魚"、"金魚 "和 "刀魚"。美國海軍還成立了開發中隊，對這些無人潛航器進行試驗，以加強其與艦隊的融合。這些開發中隊正在對這些系統的能力以及它們能為艦隊提供的服務進行專業測試。

通過對潛在任務領域和海軍現有系統的研究，本論文概述了這些系統可為保衛美國本土提供的潛在行動。這些系統可以為國土執行的主要任務是通過海岸偵察和海岸監視行動進行 ISR。ISR 可以作為一種積極主動的工具，在專業探測和定位潛在威脅的同時，增強美國海軍的海域感知。美國海軍的主要職能之一是海上安全，無人系統可通過與艦隊進行港口安全和反潛/反艦導彈協調來協助履行這一職能。無人潛航器可以通過檢查船體是否存在潛在的水下爆炸物來提供反恐支持。USV 可以加強與 MUSV 的反艦導彈交戰，為水面艦隊提供 ISR 能力，同時正在開發 LUSV，以反艦導彈增強艦隊的殺傷力。無人潛航器，尤其是 "海衛一"無人潛航器，可為海軍的 P-8A 海上飛機提供實時情報，以加強反艦導彈威懾的協調。最后，無人潛航器是水下物體探測、定位和繪制水底地圖的主要工具，可用于執行水下監測任務。

當前的戰略環境已成為美國海軍和國土面臨的新威脅。海軍需要通過積極、分層的海外防御繼續保持威懾力。這一戰略可能會使海軍力量捉襟見肘，但無人系統的整合可以成為海軍保持強大海上力量和成功保衛本土所需的解決方案。

本研究探討了如何將移動與機動這一在動能環境中行之有效的作戰功能應用到網絡領域。復雜的網絡應對措施，如屬于移動與機動（M&M）戰術的應對措施，可用于防御性網絡作戰（DCO），使網絡更加敏捷、靈活和堅固，以抵御攻擊。然而，由于此類網絡的靜態性質、對特定設備專業知識的需求以及進行網絡更改所需的人員組織協調，傳統能力使 M&M 戰術難以實施。

為解決這一問題，建議使用軟件定義網絡（SDN）來實施網絡移動和機動（網絡 M&M）行動。SDN 具有多種功能，有助于支持各種防御性網絡移動和機動戰術，如防火墻、節流、中間人、重定向和源隱藏。在這項工作中，利用 SDN 設備將數據包移動引導到一個單獨的設備，該設備可提供有針對性的網絡防御響應（機動）。為便于共享網絡 M&M，開發了一種經過修訂的開放式指揮與控制（OpenC2）SDN 方案，該方案特別適合網絡響應的需要。采用標準化模式的動機是以一種與設備無關的方式促進盟友之間的網絡響應通信。這項工作的成果已與技術合作計劃（TTCP）社區分享，作為網絡感知與執行（NWSE）活動的一部分。

圖 5：網絡 M&M 防御架構選項：上圖：直接驅動，中間：間接驅動，下圖：帶代理的間接驅動。

數字工程正在徹底改變系統工程領域。美國海軍正在實施數字工程概念和方法，包括數字孿生、數字線程、權威真相來源、基于模型的系統工程以及數字工具和技術，以設計和建造復雜的海軍系統。本論文探討了數字工程在海軍系統測試與評估（T&E）中的應用。論文對海軍采購測試與評估的現狀進行了深入分析，解釋了相關的挑戰和局限性，強調了采用現代化方法的必要性。它全面概述了數字工程，通過海軍和整個行業的幾個使用案例說明了數字工程的影響。報告提出了一個新概念： "數字測試與評估 "是將數字工程方法應用于系統工程的測試與評估階段。這項研究揭示了如何利用數字 T&E 來應對和克服當前海軍 T&E 面臨的挑戰。研究最后提出了海軍實施數字化 T&E 方法的路線圖。這些見解旨在對海軍測試與評估界產生實際影響，指導制定新的戰略和政策，利用數字工程提高性能，促進傳統測試與評估流程的現代化。

圖 1. 海軍系統數字化測試與評估路線圖

數字工程正在徹底改變系統工程領域。2018 年，美國國防部推出了數字工程戰略，并將其定義為 "使用權威的系統數據源和模型作為跨學科的連續體，支持從概念到處置的生命周期活動的集成數字方法"（DOD 2018, 3）。它象征著系統工程實踐的根本性轉變，從傳統方法轉向數字環境中基于模型的技術（Giachetti 2022）。這一戰略轉變要求通過可靠的 "權威真相來源"，在整個工程流程和組織結構中開發、利用和分發正式模型和數字信息。這一新興領域影響深遠，可能會影響到美國國防工業和其他各個領域，重塑系統工程的實踐。數字工程能夠提高運行效率和系統性能，創新設計和構建系統的方法，從而為快速發展和技術進步的動態階段鋪平道路。

2020 年，海軍部（DON）發布了一項戰略，正式確定了其對數字工程的承諾，概述了在整個海軍系統生命周期中使用數字工程的愿景。海軍正在將數字工程概念應用于 "鍛造軟件工廠 "等新興項目，旨在加速宙斯盾作戰系統的軟件升級（Katz 2022）。另一個值得注意的應用是潛艇戰聯合戰術系統（SWFTS），在該系統中，數字工程實現了靈活的架構，可快速實現潛艇技術集成、無縫更新并提高系統互操作性（Herber 和 Batchelor，2023 年）。最近，海軍計劃開發集成建模環境（IME），旨在利用數字工程徹底改變系統設計。該數字環境旨在提供一個具有凝聚力的框架，將各種系統模型和仿真單元結合起來，以推動創新、提高系統性能并提升艦隊的整體能力。

本論文探討了數字工程在海軍系統測試與評估（T&E）中的應用。它為傳統流程的現代化和增強向作戰人員提供的能力提供了一個開創性的機會。通過利用現代技術、數字工具和先進技術，數字工程有可能簡化海軍系統的測試與評估流程。然而，在這兩個領域的交叉點上，現有的研究十分有限，顯示出文獻上的空白。數字工程不僅僅是將傳統的測試流程和產品（如測試計劃和分析報告）轉換為數字格式。相反，數字工程需要對系統的整個生命周期進行全面的數字透視。隨著海軍在系統開發中采用基于模型的系統工程和數字孿生等數字工程概念，T&E 對海軍采購項目的快速部署變得至關重要。

本論文首先深入探討了海軍采辦 T&E 的現狀。論文對術語、背景和法定測試類型進行了深入探討，同時概述了復雜的組織結構。它強調了海軍 T&E 工作級集成產品團隊（WIPT）的重要性，該團隊由來自海軍各部門的科學家和工程師組成。該團隊對海軍采購項目的 T&E 活動的規劃、執行、分析和報告至關重要。在研究過程中，我們發現有關海軍 T&E 流程具體步驟的信息非常有限。為彌補這一不足，我們繪制了當前 T&E 流程圖，詳細說明了流程步驟、里程碑和交付成果。

這項研究確定了海軍測試與評估界面臨的九項具體挑戰和限制： 基礎設施不足、測試空間有限、威脅和場景不斷變化、測試集成、測試與評估支出、測試與評估成本認知、進度延誤、缺乏數據策略以及人工智能和 ML 測試。這些挑戰領域受到物理環境和傳統 T&E 流程的限制。這種方法越來越與當前的技術環境脫節，缺乏當今快速發展的世界所需的靈活性和適應性。

數字工程由基于模型的原則、權威真相來源（ASOT）和先進數字工具組成。基于模型的原則包括：數字孿生（物理系統的數字復制品）；數字線程（貫穿系統生命周期的相互關聯的連續信息流）；以及基于模型的系統工程（MBSE），這是一種強調使用系統模型支持系統設計的方法，而不是傳統的基于文檔的系統工程流程。ASOT 是一致且最新信息的集中存儲庫，在整個系統生命周期中統一數據、模型和其他系統相關信息（DOD 2018, 8）。這些原則共同標志著從傳統的以文檔為中心的方法論向全面、動態的數字化環境的轉變。

通過深入研究橫跨各行各業的四個數字工程案例研究，再加上廣泛的文獻綜述，本論文構建了一個矩陣，展示如何戰略性地部署數字工程原則，以解決運輸和評價中的現有挑戰。這種方法涵蓋了數字工程的方方面面，包括數字工程生態系統的概念。該生態系統整合了基礎設施、環境和方法論，將管理和分析系統數據與模型的流程、方法和工具統一起來，與利益相關者的需求保持一致。

這項研究的積累導致了一種被稱為 "數字 T&E "的新方法的發展。這一概念代表了數字工程方法在系統工程測試與評估階段的應用。與傳統的 "設計--建造--測試 "方法不同，該建議要求采用一種更復雜的 "建模--模擬--分析--建造--驗證 "迭代方法。它提供了一個更精確、更明確的框架，為提高系統開發的效率和準確性指明了道路。這一方法的步驟詳述如下：

• 模型： 通過創建物理系統的精確表征來啟動流程，最好是通過高保真數字孿生來捕捉系統細節。
• 模擬： 根據開發的模型，在虛擬運行環境中運行仿真，以模擬真實世界的條件。
• 分析： 使用指標對模擬數據進行分析，以評估性能并發現問題。采用先進的數字技術，實現流程自動化和簡化。如果根據分析結果需要更改系統模型，則調整模型并返回上一步。這種迭代循環一直持續到模型產生預期結果為止。
• 構建： 一旦系統模型滿足了所有系統要求并實現了預期結果，就開始構建實際的物理系統。
• 驗證：使用來自物理系統的數據作為權威的真理來源來驗證系統模型，確保虛擬表示與物理系統準確一致。

如圖 1 所示，將這種方法應用到當前的 T&E 流程中，就會產生一種執行數字 T&E 的創新方法。這種先進的數字 T&E 方法由十個步驟組成，通過融入數字工程原理，徹底改變了現有流程。它超越了計劃、準備、執行、分析、評估和報告等傳統的、按部就班的、以文件為中心的階段。取而代之的是一種更加動態、靈活和迭代的方法，強調持續反饋和系統改進。

本論文探討了海軍系統中數字工程和技術與評估的整合，旨在回答首要研究問題。通過文獻綜述和對四個案例研究的分析，論文采用建模-模擬-分析-構建-驗證的方法，提出了數字化 T&E 路線圖，強調了數字化工程的作用。研究結果為提高海軍系統開發效率提供了一條途徑，并有可能在整個國防工業中得到更廣泛的應用。建議強調對數字基礎設施的投資，如基于云的平臺、網絡升級、數字工具和數字雙胞胎。報告還呼吁與國防承包商共同制定新政策，以確保技術數據包和系統模型的訪問權限。此外，報告還鼓勵技術與工程界、學術界、工業界和承包商之間開展合作。展望未來，未來的工作領域包括本體論在 T&E 數據管理中的作用、數字勞動力的需求、使用任務工程測試多個系統模型以支持復雜的海軍行動，以及確定支持數字 T&E 的最佳組織結構。這些大有可為的途徑為進一步完善和擴展擬議的數字化 T&E 路線圖提供了機會。

作為分布式海上作戰（DMO）的一個關鍵原則，盡管有人和無人、水面和空中、作戰人員和傳感器在物理時空上都有分布，但它們需要整合成為一支有凝聚力的網絡化兵力。本研究項目旨在了解如何為 DMO 實現有凝聚力的作戰人員-傳感器集成，并模擬和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境，尤其側重于有人和無人飛機的情報、監視和偵察 (ISR) 任務。

在半個世紀的建模和仿真研究與實踐（例如，見 Forrester, 1961; Law & Kelton, 1991），特別是四分之一世紀的組織建模和仿真工作（例如，見 Carley & Prietula, 1994）的基礎上，獲得了代表當前技術水平的計算建模和仿真技術（即 VDT [虛擬設計團隊]；見 Levitt 等人, 1999）。這種技術利用了人們熟知的組織微觀理論和通過基于代理的互動而產生的行為（例如，見 Jin & Levitt, 1996）。

通過這種技術開發的基于代理的組織模型在大約三十年的時間里也經過了數十次驗證，能夠忠實地反映對應的真實世界組織的結構、行為和績效（例如，參見 Levitt, 2004）。此外，幾年來，已將同樣的計算建模和仿真技術應用到軍事領域（例如，見 Nissen, 2007），以研究聯合特遣部隊、分布式作戰、計算機網絡行動和其他任務，這些任務反映了日益普遍的聯合和聯盟努力。

本報告中描述的研究項目旨在利用計算建模來了解如何為 DMO 實現有凝聚力的戰斗傳感器集成，并建模和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境。在這第一項工作中，將對當今的海上行動進行建模、模擬和分析，重點是有人駕駛和無人駕駛飛機的情報、監視和偵察（ISR）任務。這為與執行 ISR 任務的一個或多個 DMO 組織進行比較確立了基線。這也為與其他任務（如打擊、防空、水面戰）進行比較建立了基線。第二階段接著對一個或多個備用 DMO 組織進行建模、模擬和分析。

在本技術報告的其余部分，首先概述了 POWer 計算實驗環境，并列舉了一個實例，以幫助界定 DMO 組織和現象的計算建模。依次總結了研究方法。最后，總結了沿著這些方向繼續開展研究的議程。這些成果將極大地提高理解和能力，使能夠為 DMO 實現戰斗員與傳感器的集成，并為集成實施所需的系統能力和行為建模和概述。

在凈零排放作為國家安全的一個基本要素的背景下，本研究采取了一種分析方法來評估目前海軍部（DON）的排放，并了解支持任務準備的能源需求，同時隨著時間推移減少排放。在這份報告中，研究人員提出了當前和擬議的低碳能源，作為到2050年將海軍部轉變為凈零排放的可能途徑，其模型顯示了四個途徑選擇。國防部實現凈零排放的戰略包括替代燃料、氫氣、無人系統、電池、提高運營效率、核能、可再生能源以及碳捕獲和封存。該研究確定了挑戰和差距，以推進未來的研究和分析，進一步減少美國防部的排放。