英國國防部(MOD)的科學和技術戰略已經指示研究重點放在下一代(GAN)的軍事能力上。GAN能力是指那些英國防部今天無法采購的能力,在它們出現之前需要基礎科學和技術。Dstl最近領導了一項活動,以確定GAN對應用于國防培訓、教育和準備的國防模擬和合成環境的研究意味著什么。這涉及到收集國防利益相關者(未來的一線軍事用戶)的意見,以及對英國工業界和學術界(由QinetiQ、Thales、Cordillera應用集團和微軟領導)的GAN技術的審查。
本報告將概述推薦的下一代技術,這些技術對英國防部在未來五年內的成熟非常重要。這包括以下領域:擴展現實(XR);數字孿生;元宇宙;學習技術;核心模擬技術;人工智能和自動化;以及代表未來復雜作戰環境所需的技術。它將提供一個概述,說明英國防部應該把研究重點放在什么地方;什么應該留給消費者領域去推動走向成熟;以及國防部可能期望在五年時間內能夠利用的功能和能力。
技術及其使用對英國國防部實施其戰略的能力和我們的運作方式越來越重要。英國國防部的科技戰略和最近的國防和安全綜合審查都強調,英國國防部需要更好地了解未來,并尋找、培育和資助下一代技術。英國國防部還必須通過示范、實驗來識別、評估和推動新興技術和創新,更好地利用流程和結構,并加速現有技術的規模化應用,以實現英國的優勢。
英國防部首席科學顧問(CSA)安吉拉-麥克萊恩女士對下一代技術(GAN)的定義如下:
"你今天買不到的東西--我們知道我們需要的能力,但在它們可用之前需要基礎科學和技術。這并不意味著任何特定的時間表 - 下一代技術可能在今年"
英國防部的CSA將GAN稱為下一代技術的一個單獨的興趣領域,這些技術可由國防部購買,但在軍事背景下使用時需要避免風險。GAN不是按照傳統的基于路線圖的方法中描述的線性時間表來考慮的。相反,它有一個非線性的范圍,一種技術的下一代可能只是幾個月后的事,另一種可能是幾年后的事。例如,智能手機的GAN可能在今年就準備好了,而核電站的GAN(如核聚變)可能要在幾十年后才能成熟。
仿真和合成環境被廣泛用于英國國防部,為一系列領域提供更好的能力,包括:獲取;測試與評估;研究;能力開發;作戰分析;兵棋推演;實驗;部隊準備;以及決策支持。
英國防部責成Dstl管理科技能力--在Dstl內部和整個供應鏈--以便現在和將來為英國的國防和安全提供正確的能力。管理涉及到對科技能力的規劃、管理和監督的責任。國防部科技戰略中的GAN目標重新強調了這一活動,以確保國防部的內部能力,以及工業界、學術界和其他合作伙伴的能力適合于滿足國防的新興和未來需求。這一職責包括對模擬和合成環境的管理。
為了支持這種能力管理,并為英國國防部應開展的未來研究活動提供信息,Dstl與英國工業界和學術界一起進行了一項研究,以了解:
"GAN對未來模擬和合成環境的發展意味著什么,以支持英國的優勢?"
該報告確定了以下關鍵領域,這些領域應成為GAN能力研究的重點。
信息和通信技術(ICT)。
核心模擬技術。
人工智能(AI)和自動化。
擴展現實(XR)。
數字孿生和數據。
元宇宙。
未來的復雜作戰環境。
在這些領域中,該研究旨在確定:
尚不能采購的全球網絡能力和技術 - 這意味著該能力尚未發展成為可購買的產品或服務。
消除能力風險所需的科技活動--這意味著英國防部為利用該能力所需的基礎科學和技術研究。這可能涉及一系列的活動,包括從基礎科學研究到更成熟的演示和實驗,以及與終端用戶進行的去風險活動。
這項研究的范圍只包括與支持國防培訓、教育或準備有關的模擬和合成環境的使用。我們承認,這些領域在很大程度上受到鄰近市場和行業的影響(如軍事教育的民用學習市場),研究的范圍包括更廣泛的相關市場,那里有未來的 "衍生"機會。以前的 "附帶 "例子包括使用商業現貨(COTS)游戲技術進行培訓。
預測:云計算已經改變了組織處理和存儲信息的方式。處理和存儲現在可以 "隨用隨取",就像自來水公司一樣,企業可以根據自己的需要支付少量或多量的費用。雖然當前一代的云計算越來越多地被用于國防,并且幾乎肯定會支持下一代的模擬能力,但也有機會利用計算技術的GAN。
特征:新興的計算技術,如量子計算、神經形態和熱力學計算可能提供以下機會。
熱力學計算尋求將計算硬件運行到其熱力學潛力的極限。這有可能減少計算設備的尺寸、重量和功率(SWAP)。潛在的開發機會包括儀器化的現場訓練,在那里,與5G或6G通信相結合,它可以使邊緣設備以更低的功率要求被廣泛部署。限制性因素是證明該技術規模所需的研發,以及供應鏈和工業能力的要求。
量子計算不太可能在短期內出現在國防用戶的口袋里。雖然基于云的工作負載正在出現,但這些工作負載的可用性有限,安全和延遲可能是一個問題,而且可靠性可以得到改善。量子計算很可能被用于與運行詳細模型有關的確定的工作負載,作為科學研究的一部分,甚至在GAN的時間尺度內,對一般用途的培訓教育和準備的利用是不確定的。目前,英國政府的投資是巨大的,培訓、教育和準備社區應繼續監測其發展。
DNA存儲器可以為培訓、教育和準備社區提供潛力,以存儲未來將產生的越來越多的數據。這有可能改善靜態數據的可及性。
圖形處理單元(GPU)的能力將繼續為大規模的模擬提供支持。GAN時間尺度的趨勢是,能力越來越強的GPU將支持越來越大的M&S環境,有可能在基礎設施層面而不是通過中間件軟件進行擴展。
效益和機會:總之,培訓、教育和準備社區可能會在GAN中擁有越來越強大和低SWAP的計算。這有可能徹底改變儀器化的現場訓練,但也可能對所有的M&S環境產生影響。這反過來又會對用于生成這些環境的輸入數據的驗證和確認(V&V)提出要求。
預測:核心模擬技術包括戰術環境、圖像生成器、協議和標準、監測和控制工具以及代表自然和物理環境的系統。核心模擬技術將利用來自消費者信息技術和游戲市場的創新,越來越多地使用這些技術來支持以前的定制應用,如圖像生成和當前一代XR能力。全面運作的建模和仿真服務(MSaaS)能力將是下一代仿真技術的一個特點,而 "下一代 "可能會充分利用面向服務的架構和云技術。國防部將為核心仿真功能定義并擁有可重復使用的構建模塊和標準。平臺和系統的仿真將由OEMs提供數字雙胞胎。
特征核心仿真技術的GAN可能包括。
本身可擴展的環境,以前在處理能力和連接方面的限制被消除。
基于服務的方法和隨需應變的能力,可能會轉向完全云托管的模式。
混合的現場、虛擬和建設性(LVC)模擬,這三個領域之間的障礙越來越模糊或不存在。
與消費者游戲和信息技術的持續融合。
安全、高帶寬、有彈性的網絡。
效益和機會:核心模擬技術在支持培訓、教育和準備方面有廣泛的用途。它們可以被認為是提高這些國防部成果的效率和效益的重要推動力。向基于服務的仿真技術架構的轉變,特別是通過重新使用資產和減少對內部硬件的需求,可能會提高仿真交付的效率。
預測:英國防部和更廣泛的市場對人工智能和自動化的投資是相當大的,預計將繼續推動下一代和GAN能力的快速提高。有希望的早期技術包括基礎模型,它提供通用的、可訓練的人工智能,能夠處理廣泛的任務。計算的發展,包括 "網絡3.0 "或邊緣計算、量子計算和處理器的發展可能會提高人工智能和自動化的能力。民用工業部門的過程自動化也可能為管理和提供培訓、教育和準備提供潛在的交叉機會。然而,盡管有大量的投資,但不太可能有一個單一的 "銀彈 "通用人工智能和自動化工具來完全改變培訓、教育和準備。相反,干預可能是在一個更有限的基礎上,但仍將有可能產生影響。除了它的能力,人工智能和自動化工具可能會變得更可用,更容易被終端用戶所操作。
特征:GAN人工智能和自動化可能在以下方面有利于培訓、教育和準備。
通過 "人機聯手",提供更有效的活動策劃、交付和支持。
提供對培訓、教育和準備數據的洞察力和理解,以提高效率和效益。
為實體或系統的行為提供更好的表述。
效益和機會:人工智能和自動化有可能促進效率和效益的提高。如果利用得當,它可以幫助減少與提供培訓、教育和準備活動有關的開銷,(例如)替代人類的角色扮演者。在效率方面,它可以用來提高演習人員的生產力(如監測受訓人員的狀態,并在出現異常情況時向教官發出信號),從而使他們能夠專注于改善培訓體驗。
預測:GAN XR技術(包括增強現實(AR)、虛擬現實(VR)、增強虛擬和多感官模擬)極有可能成為未來廣泛的培訓、教育和準備用例中用戶面對能力的首選形式因素。GAN混合現實技術具有較高的世代交替性,并有可能在2-5年的時間框架內被國防用戶所使用,這主要是由于消費技術市場的資助。GAN XR技術將有可能取代傳統的投影顯示器,成為面向用戶的主要能力形式,下一代應用已經被批準用于民用飛行訓練,盡管傳統的顯示器將在一段時間內繼續使用。來自消費技術市場的大量私人投資將確保該技術的價格與傳統顯示技術相比保持競爭力。對于高端應用,如飛行模擬,XR可能會有更高的成本效益,但要看認證和政策要求。
特點:GAN XR技術和能力的特點可能是融合了AR、VR、觸覺(包括人體服和其他可穿戴技術)和多感官刺激,以進一步提高沉浸感,并將刺激擴展到純粹的視覺和聽覺之外。GAN XR技術的發展將受益于對元空間、云和邊緣計算、移動和計算設備技術、5G/6G無線網絡、流媒體和消費者娛樂及游戲技術的更廣泛投資。
效益和機會:GAN XR技術有可能通過提高著色器/現實主義的質量來改善培訓、教育和準備工作的沉浸感,例如觸摸全息圖、穿越和更大的視野、超級現實的化身和沉浸式房間/體驗。如果它的有效性可以被證明與現場體驗相比更有優勢,它也可以支持一些現場或傳統的虛擬交付手段過渡到虛擬環境,提供效率機會。它還可能支持改進LVC領域的整合,例如通過在實況環境中更可信地表現虛擬仿真實體,推動提高培訓效果。GAN XR的使用還可以推動用戶參與,特別是國防部的 "Z世代 "成員,而不是傳統的面向用戶的技術。使用XR來支持行動可能會模糊訓練、準備和行動之間的界限。
預測:數字孿生被定義為 "作為物理對象或過程的實時數字對應物的虛擬表示 "。 數字孿生正在工程、科學和運營規劃中出現,作為了解和優化當前和未來性能的一種手段。因此,數字孿生體在準備工作中可能特別有用,但也可能支持培訓和教育能力。目前,各行各業都對數字孿生體進行了大量投資,然而,定義和實施方法都有很大不同,在許多情況下,數字對應體的 "實時性 "和保真度都很有限。GAN數字孿生將擴大可以結對的實體的范圍和復雜性,提高輸入數據的質量,從而提高模型的保真度,并提高數字孿生的可用性或互操作性。在GAN的時間框架內,英國防部可能會處理一個單一的數字孿生子 "來統治它們",而不是為不同目的產生的平臺或系統的多個代表。盡管 "數字孿生 "一詞可能會過時,但所提供的能力的使用將為廣泛的行業提供一個總體方向,并將以多種方式加以利用。數字孿生子和物聯網將確定一個發展方向,使更多的權威性和實時數據集被用于模擬。捕捉、存儲和分析來自大量來源的數據的能力將被啟用。它們將形成管理和消除風險的核心能力,在未來的國防采購中,合成環境采購的原則可能會被重新激活。
特征:GAN數字孿生將有可能成為一系列對象和實體的權威性單一數據源,從單個平臺到訓練區、人口甚至是對手。它們將是真正的實時的,并基于經過驗證的、可重復使用的數據源(包括生物統計學)。它們將是可互操作的,并能在比目前更廣泛的使用情況下發揮作用。數字雙胞胎的使用有可能鞏固和凝聚整個國防的數據管理。
效益和機會:數字孿生體有可能支持廣泛的培訓、教育和準備用例。雖然目前還沒有得到證實,但它們也有可能通過重復使用一個平臺或系統的單一權威模型來提高效率,從而消除采購多個模型來實現不同功能的需要。此外,它們還有可能通過生成更高保真度的、多用途的復雜系統模型來提高培訓、教育和準備的有效性。
預測:雖然沒有單一的定義,但元宇宙(Metaverse)被認為是下一代互聯網,它將傳達包容性的沉浸式數字體驗,在未來,它將與我們的物理現實密不可分。這些構件包括上述的大部分能力領域,包括。云基礎設施、數據(歷史和實時)、實時游戲引擎,包括新的渲染技術,如Lumens和Nanites.5G、觸覺、計算、體積視頻和沉浸式環境。元宇宙目前正受到消費技術公司的大量投資。對于其潛在的所有權、治理、作為一個獨立概念的可信度和商業主張,也有很大的爭議。一個關鍵的爭論是,元宇宙是由大型技術公司(如社交媒體平臺供應商)來實現貨幣化,還是以開放和民主化的方式來發展。Dstl的研究已經開發了一個軍事元宇宙的作戰概念,以了解其未來的潛在效用。英國防部不能忽視元宇宙,而且來自消費者領域的投資極有可能被國防部的培訓、教育和準備用戶部分或全部利用,然而它對這些領域的具體好處需要被更好地理解。
特點:如上所述,元宇宙是一種從一些較低層次的創新或技術能力中產生的能力。預計它將利用從云端召喚大量處理和存儲的能力、面向用戶的能力(如XR)、消費者游戲框架的元素和協作工具。發展可能包括新的輸入方法,包括無障礙設備、基于從消費者游戲中學習到的新的MR用戶體驗(UX)模式、非玩家角色的AI決策樹、從實時數據中捕捉和生成化身、整體捕捉、計算機視覺和穿戴設備。
效益和機會:Metaverses是一種新興的能力,因此,其好處和機會仍有待討論。Metaverses提供了為整個國防使用案例服務的潛力,并確保M&S能力是最新的、一致的、可驗證的、具有成本效益的,并能惠及所有可能受益的人。最終的愿景可能是幫助國防部門充分利用其M&S資源的潛力,作為一種綜合的、一致的M&S能力。這可以提供用戶/創造者社區;提供可以到達所有用戶的按需使用的M&S系統;以及新的按需采購和商業模式。對提供元宇宙所需的基礎技術或功能的投資也可以為國防界提供機會。
預測:當前和下一代的模擬系統都在提高表現復雜環境的能力,如大城市,以及支持與多領域整合(MDI)相關的系統和效果,如網絡和電磁活動、空間和高度復雜的地形,如大城市。這與數字孿生不同,因為它可能不會實時更新。這種趨勢可能會在模擬系統的GAN中繼續下去,通過云計算、改進的數據采集和環境生成工具獲得更大的處理能力。隨著模擬的規模和復雜性變得不再是一個限制因素,重點可能從提供或擴展處理能力轉向確保構成模擬的數據可以被驗證和確認為適合目的(注意這在技術上和文化上都是一個具有挑戰性的概念)。在能夠增加價值的情況下,理解代表復雜操作環境的要求,以便為國防用例提供好處,重要的是在不需要增加這種復雜性的情況下(例如,在可能對培訓或其他用例產生負面影響的情況下)。
特征:GAN代表未來和復雜環境的能力可能由以下因素驅動。
改進數據獲取、驗證和確認以及測試工具,以建立具有驗證信息的復雜環境。
通過使用云計算為模擬環境服務,改進處理和存儲,消除對環境規模/復雜性的歷史限制。
提高理解、描述和表現軟因素的能力,如使用與更廣泛的模擬組件相聯系的動態模型的人類亞環境。
效益和機會:復雜的環境是未來行動的一個可能的特征(正如一些國防部的政策文件和出版物中所反映的那樣--如全球戰略趨勢),因此,用模擬來有效地表現它們,為國防人員在一個可能無法用實戰訓練方法來表現的環境中作戰提供了潛在的準備。提供適當準確和有代表性的作戰環境模擬,應能提高培訓、教育和準備的有效性,因為這種模擬的開發能夠更好地支持與未來作戰環境有關的新的培訓結果。需要注意的是,培訓解決方案不能被過度設計,并且要了解對這種模擬能力的投資回報,以支持商業案例。
國防模擬最終是一個相對較小的專業市場,遠遠小于消費技術市場。在全球網絡中,消費技術部門的龐大規模及其研發預算將意味著它將繼續對國防仿真部門產生影響。這些工具的模塊化性質和相對較低的成本為國防部門提供了一個提高效率的機會,而它們的真實性和沉浸性則為提高有效性提供了機會。
2005-2020年期間,消費者游戲技術對國防模擬市場的影響穩步增長。英國防部的人員現在包括一個熱衷于游戲的社區,他們希望國防模擬的體驗能與他們的游戲機提供的體驗相匹配。國防用戶要求對COTS游戲引擎進行修改,使其成為可用的培訓和準備工具,并增加場景規劃和行動后回顧(AAR)功能。然而,一些游戲引擎已經成功過渡到國防用途。英國國防部對國防虛擬仿真(DVS)的投資很可能已經付出了數倍的代價。隨著時間的推移,植根于消費領域的技術已經逐漸侵蝕了僅用于國防領域的專有模擬工具的市場。世界上最大的國防模擬公司CAE在I/ITSEC 2021上宣布游戲引擎為飛行模擬器提供動力的圖像生成器(IG)是該行業的一個重要時刻。我們可能已經看到了最后一代由專業國防仿真公司開發的專有IG和虛擬及構造仿真工具。除了引擎本身,消費者游戲可能提供工具或流程,可用于更快速地生成仿真內容或事件,提升效率。然而,依賴國防領域以外的市場存在潛在的風險,對某些產品和服務的開發決策的影響可能很快使其效用不再與國防使用案例相關,因此國防對這些產品和服務的投資可能變得多余(例如,新版本打破了向后的兼容性,或新的道德用戶權利限制了其在國防方面的使用)。在決定使用這種方法時,需要仔細考慮風險回報率。
極有可能的是,消費者游戲部門較大的市場規模,以及對元空間的興趣,將繼續拋出對國防模擬用戶感興趣和可用的GAN創新。從歷史上看,消費者游戲公司并不都對國防模擬市場感興趣,因為它的規模較小,或對其環境、社會和治理(ESG)證書有潛在的損害。然而,有證據表明,大型消費者游戲公司對向國防部門提供其工具感興趣。這有可能會帶來一些可能的工業挑戰。
對消費者XR的持續投資也將提供一個國防可以利用的機會。雖然研究會的一些與會者認為XR作為一項技術在消費領域已經達到頂峰,但從中期來看,XR有可能最終取代傳統的投影儀和屏幕作為IG,至少對于一些國防培訓和教育應用來說是如此。基于XR的民用飛行模擬器的認證突出了其潛力。
國防模擬科技界的行動是通過技術觀察、前景掃描和去風險試驗繼續監測這些發展。國防部有自己特定的功能和非功能要求(如安全),這些要求可能并不總是與消費者關注的能力相一致,必須對這些要求進行評估,以使國防部了解開發潛力。
在交付模擬的GAN方面有幾個挑戰。
隨著模擬在處理和存儲方面的限制減少,輸入數據和模擬結果的V&V可能會成為一個越來越大的限制因素。這可能是對FOE模擬的一個特別挑戰。適當的V&V是國防模擬界的一個長期要求。不斷提高的計算和網絡能力意味著未來的模擬有可能不受處理或存儲的限制,并有能力運行更大、更復雜的模擬。隨著時間的推移,確保支持仿真的模型和數據的準確性與需求相適應,可能會成為比提供足夠的計算能力來運行它們更大的挑戰。利用仿真技術的限制因素是驗證它是否正確運行,是否有不可預見的后果,以及驗證所產生的實施方案是否適合正在進行的任務(例如,實施水平和V&V是否適合實現特定的培訓目標)。
隨著模擬在表現復雜性方面的能力越來越強,控制復雜程度的能力對于確保國防培訓、教育或準備活動集中于實現其結果是很重要的。有一種危險是,模擬能力在管理和維護方面變得過于繁瑣和昂貴,并提供了消極培訓的真正風險。
在培訓、教育和準備能力中有效插入新的模擬技術的能力將需要適當的手段來評估它們在當前或替代方法之上或旁邊提供的價值。雖然一些全球網絡能力的可負擔性可能會降低,但在增加的有效性和成本之間可能會有權衡。
在全球網絡中使用非國防能力將需要更多地了解新能力的來源和它們出于安全原因的資金來源。這與風險投資(VC)資助的公司和消費者游戲技術特別相關。
越來越多的行業資助的知識產權生成,或使用消費者或風險投資公司資助的能力作為全球網絡的一部分,可能意味著供應商對研究活動的合作熱情降低。這也可能給政策和標準領域帶來挑戰。
國防部缺乏必要的基礎設施來充分利用這些技術的障礙,如國防部的安全要求可能會對流媒體技術和無線網絡等技術的使用造成越來越大的限制。
國防部在設定要求、獲取和使用M&S方面缺乏文化,這使得引入和成功采用GAN M&S方法具有挑戰性。人們認為,改進教育和SQEP將改善這一狀況,同時還包括新的培訓方法、全壽命風險管理方法、新的商業方法等。
在GAN的時間框架內,將提供動態的、可擴展的、可重新配置的、高度沉浸的和數據驅動的能力,在培訓教育和準備的有效性和效率方面帶來一步的變化。
面向用戶的系統將了解何時何地利用(或不應利用)全息投影、混合現實技術和高度逼真的圖形的能力,以提供有利于提供培訓的沉浸式體驗,并在適當時取代目前的投影系統和顯示器。在邊緣計算和強大的無線網絡的推動下,這些技術將實現現場、虛擬和建設性領域的無縫過渡和相互作用。面向用戶的系統將不僅刺激視覺和聽覺通道,而且提供多感官的刺激。它們將使用對用戶精神和身體狀態的實時反饋,以及適當的混合學習方法,以提供個人優化的培訓和教育,并推動受訓者的體驗。
M&S系統將提供適當的精確和動態的作戰環境表現,包括所有領域的復雜系統和信息效果。通過數字孿生、環境數據和獨立的復雜模型的無縫集成,使用開放的數據標準和可組合的方法,培訓交付的專業人員將能夠快速建立環境以滿足他們的要求。數據將能夠更迅速地被采集、處理和驗證,以納入模擬系統,開辟新的準備用例。
啟用系統將利用數據分析、有線和無線網絡、人工智能和流程自動化、計算和軟件系統的改進。這些將使GAN模擬能夠更快速、更經濟地提供,并在射程內安全地交付。
為了實現上述愿景,需要開展科技活動以降低開發和交付模擬能力的風險。作為這項任務的一部分,建議的科技活動分為以下幾個方面。
監測和了解--這涉及到英國防部需要進行前景掃描活動的領域,以更好地了解全球網絡能力或技術的方向。這里可能會給國防部帶來好處,但在需要更有針對性的去風險活動之前,需要更好地了解使用案例或潛在的基本能力。這包括國際研究合作(IRC)。
深度應用研究 - 這涉及到需要進行基礎研究以降低能力或技術風險的領域。
實際去風險--這涉及到國防部需要通過進行實際的實驗或實際的試驗活動來消除使用GAN技術或能力的風險的領域。這可能是指出現了一種新的技術或能力,其在國防中的使用尚未得到證實,或者與融合有關的整合問題需要去掉風險。
為監測和了解新能力而進行的科技去風險化,應重點關注消費者和商業技術市場的發展。技術觀察活動應包括
面向用戶的系統,包括混合現實技術、全息顯示器、觸覺、多感官刺激和腦計算機接口。
消費者游戲技術,包括構建游戲環境所需的工具、用于提供內容的框架和流媒體及其他網絡技術。流媒體是未來M&S交付的一個潛在的關鍵推動因素,也出現在下文。
新穎的計算和消費者信息技術。仿真相關的科技不可能為新的計算研究提供資金,但M&S社區可能會從(例如)熱力學計算中看到一些改善SWAP的重要機會。同樣,雖然基于云的模擬形成了下一代的模擬,但也需要繼續了解和利用消費者和商業IT的改進。
元宇宙相關的能力,包括基本的個別技術和功能、標準和用例。國防部不能忽視元宇宙和與之相關的資金量,但其對國防部的好處目前還不確定。我們需要幫助國防部了解并消除對元宇宙所帶來的機會的神秘感。
我們需要在以下領域進行基礎性的應用研究。
改進的模擬組合,作為更動態地生成和整合模擬組件的一般促成因素。這需要對仿真數據結構進行基礎應用研究。
FOE的表示。在GAN中,更復雜的環境應該能夠被常規地表示出來,但仍有重大的V&V挑戰。
數字孿生的整合,包括如何將這些數字雙胞胎與其他模擬進行常規連接。
英國防部在安全、保障、堅固性和可用性等方面有自己的特殊要求。因此,需要進行實際的實驗來降低國防部使用新能力的風險。
努力了解和衡量消費者技術的有效性,特別是面向用戶的系統,與傳統的方法相比。這可以包括比較 "并排 "試驗,以了解培訓或教育的有效性。
努力降低邊緣計算、顯示器和網絡在LVC培訓或現場培訓中的融合風險。
努力了解如何將人工智能和自動化的改進應用于培訓、教育和準備。人工智能在提高效率和效益方面有一定的前景,但需要滿足國防的具體要求。
努力降低國防的無線和流媒體技術的風險,使其成為軍事和安全活動的一般推動者。目前這一代技術在延遲方面是不夠的,而且仍然存在安全問題。
努力為國防政策和戰略提供信息,以實施充分利用GAN技術所需的基礎設施,即開發一個模擬生態系統;企業數據管理方法;安全無線基礎設施。
北約建模和仿真小組(MSG)將在GAN仿真和合成環境能力的去風險化和互操作性方面發揮關鍵作用。同時,北約人因和醫學(HFM)將為未來培訓的開發和交付提供關鍵的人的方面的見解。
北約MSG目前有以下小組,這些小組與GAN模擬和合成環境能力有很好的配合或提供配合的機會:
MSG-195 MSaaS第三階段小組正在支持模擬的發展,以采用現代ICT基礎設施,如云、容器化和元數據,在開發和提供基于服務的模擬能力方面提供自動化和效率,可以按需訪問。這些技術已經被用于消費領域,并被考慮用于下一代國防仿真能力,但需要進一步研究GAN的自主性和效率,以充分實現MSaaS的生態系統方法。
MSG-198研究小組在構建性仿真系統中的可組合人類行為表現,將要求GAN技術提供表現和重新使用未來操作環境的人類行為表現的能力。
MSG-203建模和仿真在支持當前和未來北約行動中的作用系列講座將發揮重要作用,向高級利益相關者強調可能的GAN技術正在成熟,供北約和各國使用。
MSG-205盟軍數字孿生體的互操作性和標準化倡議小組將在理解數字孿生體支持北約和各國的作用,以及如何開發共同的方法來實現其使用方面發揮重要作用。
MSG-206小組將為評估XR技術在北約和各國的培訓和教育中的使用提供一個共同框架。評估和交流消費者領域的發展的共同方法將是跟蹤和利用這些技術發展的關鍵。
北約MSG活動中可能存在差距的一些領域包括:
網際網路:需要了解和解讀元宇宙對北約和國家的意義。在消費者領域,利用Metaverse的大量投資的機會將是很多的。跟蹤和維護這些發展將需要資源和整個社區的共同理解。軍方有一些關鍵的使用案例,這些案例也可以用來幫助集中開發Metaverse,以確保這項技術的軍事用途在開發生命周期的早期就被消除風險。
一般技術觀察和消費技術的地平線掃描:與元宇宙相關的是,需要對新興技術提供快速的洞察力和評估,以便北約和各國能夠在這些技術出現時迅速加以利用。通過一個共同的方式來評估、理解和交流這種相關性,整個社區的努力將是關鍵。
標準小組:北約MSG目前與模擬國際標準組織(SISO)有著良好的關系和合作,通過這種關系,它有助于為SISO產品和服務的制定提供一個共同的北約影響和聲音。隨著消費技術的大量投資和相關性,人們注意到MSG和SISO將需要擴大他們與其他標準組織的關系,如Khronos集團和數字雙胞胎聯盟(等)。
未來技術的軍事效用評估(MUAFT)方法是作為北約的破壞性技術評估游戲方法的一個具有成本效益的替代方法而開發的,將作為瑞典武裝部隊長期能力發展進程的一部分。本研究涉及的問題是,MUAFT是否可以被認為在其背景下具有有效性,因此它是否有可能對其他中小國家有用。該分析基于克拉克科技情報分析框架的實操化,并結合以軍事能力為中心的軍事效用觀點。從2012年到2018年的MUAFT報告在如何滿足五個關鍵標準方面被審查。該研究表明,如果由適當的專家小組使用,MUAFT提供了實用性,他們意識到了該方法的局限性。這些局限性主要來自于缺乏對評估除技術力量以外的變革力量對軍事能力發展影響的明確支持。專家組作為技術預測和軍事效用評估之間的綜合橋梁。因此,需要在各種軍事技術專業、發起人的軍事能力以及為評估其他有影響力的社會變革力量而必須掌握的科目方面有全面的專業知識。
"技術突襲是指在戰爭中通過引進新武器(或通過創新使用已知武器)來獲得單方面的優勢,而對手要么沒有意識到它的存在,要么沒有準備好有效的反制措施,而反制措施的開發需要時間。" [1]因此,大多數國家考慮探索可能對軍事戰略能力決策至關重要的科學技術的長期發展。在過去,新技術的使用以及成熟技術的新應用都影響了沖突和戰爭的進行方式,而且它們很可能會繼續影響。技術發展對戰爭的影響往往是漸進式的,但有時,正如漢德爾最初的那句話所暗示的,它們是令人驚訝的,甚至是革命性的[2]。這種影響被稱為破壞性的[3],因為它們使一些能力過時,同時也產生了對新能力的需求。火藥、鐵路、雷達技術、信息技術、全球導航衛星系統只是軍事史上許多可能的例子中的幾個[4]。這些例子告訴我們,一個真正了解技術中的潛力的軍事行為者可以獲得優勢,或者通過利用技術,或者通過避免在戰場上的意外。此外,根據經驗,我們知道,將新技術整合到武器系統中,引入軍事單位,并調整理論,往往需要幾十年時間。因此,軍事決策者確實需要有能力、準確的技術預測。
預測的特點是 "對高度可能發生的事件進行或多或少的線性系統估計、陳述、推斷、預測或預報" [5]。因此,預測是一個適用于研究領域和選擇部門的概念,如技術和國防與安全部門。雖然,即使在其起步階段,技術預測被預測為會像經濟和天氣預測一樣被接受和有用[6],但預測方法可以因其不可避免的不準確性而受到批評。例如,未能預測1973年的 "石油沖擊 "導致人們對預測的有效性和實用性產生了相當大的懷疑[7]。今天,一些軍事思想家甚至聲稱,認為在部隊規劃中使用科學或軍事情報可以避免戰場上的技術突襲是徒勞的。相反,芬克爾建議,補救措施是設計一支足夠靈活的部隊,以便在不可避免的技術發生時迅速恢復[8]。他聲稱一些必要的靈活性需要軍事物資的多樣性和冗余性,但他強調了組織要求,首先是軍官的教育和培訓。然而,由于它們的目的是幫助決策者評估不同技術發展的概率和意義,而不是預測它們在未來特定日期的具體應用中的確切形式[6],對可行方法的研究仍在進行。
在文獻中,發展是以眾多的外延報道的,如:未來研究、預測、展望、地平線掃描、未來研究、技術預測、數據挖掘、文本挖掘、未來學、技術觀察、面向未來的分析、新興技術、破壞性技術、戰略展望、道路圖、場景規劃、結構化頭腦風暴、形態分析和軍事破壞性技術[[9], [10], [11], [12], [13]] 。本刊以前發表的工作討論了技術預測和技術評估[[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]]。我們選擇使用技術預測這一術語來描述圖1中的活動序列。該序列改編自Kindvall等人[9]。
瑞典技術預測過程中的活動順序通常包括活動一到八。所有的活動都可以,但不能由一個組織中的一個小組來完成。在活動四中,贊助者,如瑞典武裝部隊(SwAF)通過瑞典國防物資管理局(FMV),選擇優先考慮的技術和訂購科學報告。為選定的技術準備科學報告對應于活動五和六。然后在下一步中,它們被用作MUAFT的輸入。MUAFT方法將在第三節進一步描述。MUAFT評估的結果以及對每項技術的未來行動建議將在每年的技術預測報告中提交給發起人。這些建議是關于投資、監測或不考慮具體技術的。資助者負責第八項活動。
在20世紀80年代,由瑞典武裝部隊(SwAF)協調的技術預測,每四年左右為相關的技術領域提供趨勢報告。這項工作是與瑞典國防物資管理局(FMV)和瑞典國防研究局(FOI)密切合作完成的。然而,由于所產生的報告內容廣泛,而且是保密的,很少被用于SwAF的研究或其他發展目的,所以最后一份這種格式的報告是在2005年發布。巧合的是,在20世紀90年代末,蘇聯解體后,歐洲的軍事發展呈現出緩和的特點。從20世紀90年代末到21世紀的第一個十年,瑞士空軍的長期規劃受到了主導戰場意識(DBA)、軍事事務革命(RMA)和網絡中心戰(NCW)等概念的嚴重影響。人們相當關注傳感器和指揮與控制系統發展的技術方面[9]。然后,在9/11襲擊事件之后,為了配合瑞士空軍在阿富汗參與打擊塔利班的戰爭,重點發生了變化。人們對支持海外任務的技術更感興趣,例如,對士兵設備的保護和供電[20]。在這個時候,瑞士空軍不想重新采用以前那種無效的、耗費資源的技術預測方法。因此,開發了一種新的未來技術趨勢分析方法。作為一個小國,用于技術預測的經濟資源有限,瑞典需要一個簡單的、具有成本效益的、能夠支持軍事能力發展的綜合方法的過程[20]。一些中等規模的國家使用復雜、昂貴和耗時的技術預測方法,并已開始改變它們[21,22]。瑞典軍事技術預測的主要目的是為瑞典空軍提供國防研發撥款的政策建議。由于預算削減,技術預測所能涵蓋的技術數量不得不減少。因此,必須對要評估的技術進行嚴格的優先排序(圖1中活動四)。2005年至2015年期間,瑞典國防物資管理局(FMV)的一個小組決定了優先事項,并選擇了未來技術的科學報告,用MUAFT方法進行分析。自2016年以來,瑞典空軍總部參與了選擇過程,在委托弗勞恩霍夫研究所、麻省理工學院或瑞典國防研究局等研究機構提供科學報告之前,批準了技術清單。
此外,瑞典空軍希望增加對未來技術的了解,特別是在武裝部隊人員中。因此,在2009年開發了一種針對普通公眾的新報告格式。新的出版物使用了圖形和對未來技術應用的通俗科學解釋,否則決策者可能難以掌握,它在瑞典國防界的受歡迎程度也隨之提高[20]。
直到2011年,政策建議(活動八)直接基于瑞典國防研究局、FOI或合作伙伴研究機構發布的技術評估報告。2012年,瑞典國防大學(SEDU)被要求評估選定的未來技術的潛在軍事用途;因此,圖1中的活動七被添加到該序列中。評估的重點是這些技術是否有可能被瑞典空軍或可能的對手成功地整合到軍事系統中,以提高軍事能力。該方法的基本原理是避免走上漫長的、不確定的、往往是昂貴的開發新軍事物資的道路。相反,應該探索某些選定技術對軍事能力的潛在貢獻。在新的瑞典技術預測過程中,應該放棄以前純粹基于潛在技術性能的建議[2,23,24]。從一開始,SEDU的評估也包括關于SwAF研究、研發投資或監測技術發展的建議的政策建議,即對圖1中活動八的投入。本文所評估的方法已經逐步發展,現在被稱為未來技術的軍事效用評估(MUAFT)[24]。
有理由相信,瑞典具有成本效益的MUAFT方法可能對其他中小國家有意義。然而,它能提供效用嗎?雖然傳統的技術預測活動在其他地方已經被徹底討論過,但MUAFT還沒有。該方法已經使用了十年之久,現在需要仔細研究。本研究的目的是分析和評估MUAFT方法作為瑞典武裝部隊長期能力發展進程的一部分的效用。
在第二節中,我們介紹了理論,即我們對中心概念的看法和我們的理論框架,該框架來源于美國情報分析家羅伯特-M-克拉克的經驗[25,26]。在第三部分,我們簡要介紹MUAFT方法。此后的結構是傳統的。我們在第四節描述了評估的方法。第五節介紹了分析,隨后在第六節討論了結果的效用和MUAFT方法。本文最后在第七節中提出結論和對未來研究的建議。
新興的數字孿生概念是任何為未來準備的實體建模和仿真需求的關鍵促成因素。與傳統方法相比,數字孿生通過增強模塊化和可擴展性,能夠以更低的成本將需求快速轉化為能力。本文討論了數字孿生建模和仿真的要素。這些能力包括但不限于智能體建模、優化、并行化、高性能計算、云架構設計等。這些概念與將建模和仿真技術整合到單一界面的數字孿生中有關,用于工程系統的快速原型設計和鑒定。與傳統方法相比,使用這些新興技術可以大大減少模擬計算時間(從幾小時/幾天減少到幾秒鐘甚至幾微秒)。本研究發現,與所有利益相關者合作的便利性、測試時間的減少、最小的現場基礎設施要求是減少成本的關鍵優勢。分析了這種智能和在線數字孿生的信息優勢的適用性,以加強網絡安全和天基(防御)服務的機載威脅評估。使用這些同步和互操作的能力可以減輕對國防空間基礎設施的可逆和不可逆的物理和網絡威脅。
在情報、國防或空間部門使用技術,盡管還不是很廣泛,但由于對系統的快速、可擴展、自主和智能的需求,正在獲得巨大的發展勢頭。與此同時,由于空間的擴散、商業化和競爭加劇,國防對空間部門的依賴也變得更加強烈。美國國防情報局的一份題為 "空間安全的挑戰"[35]的報告指出,基于空間的能力正在出現,為軍事提供整體支持,因此需要確保這些新型服務產生的新風險。空間的軍事化和碰撞風險的增加,以及其他人為的和自然的危害,使得有必要通過使用像DTs這樣的先進技術來減輕風險。衛星技術不僅促進空間系統的故障診斷和健康監測[36],而且還通過快速和有效地使用數據實現網絡安全[37]。使用這些同步和互操作的能力可以減輕對國防空間基礎設施的可逆和不可逆的物理和網絡威脅。
DT也大大加強了對天基(防御)服務的機載威脅評估[38]。空間資產的連接和安全服務,DT技術能夠提供的好處不僅僅是操作上的好處。例如,整個衛星群及其環境的數字孿生使威脅評估成為可能,因為可以模擬碰撞情景,并預測、預防和糾正單個衛星的故障。它還可以幫助檢測干擾和共址,以防止軍事威脅,并使整個系統更具彈性。因此,DT有助于保護空間資產免受各種類型的威脅。
SpaceR-SnT擁有的最初的數字孿生方法,Zero-G Lab是在Gazebo軟件中建模的。Zero-G實驗室的數字孿生,減少了測試時間,加快了開發步驟,被用來測試和驗證集成到Zero-G實驗室機器人操作系統(ROS)網絡的任何硬件(HW)組件的代碼。最初的硬件在環(HIL)方法被用來模擬不同的硬件組件,作為Zero-G實驗室的ROS網絡中的數學模型。這些模擬作為模擬的HW組件和Zero-G Lab之間的接口。對于Zero-G實驗室的浮動平臺和機器人操縱器,ROS基礎設施被用來在HW和軟件組件之間創建一個元數據流框架。此外,零-G實驗室的浮動平臺和機器人操縱器可以在零-G實驗室的同一個ROS網絡中使用。這樣的軟硬件互動模擬是實現國防部門敏捷DT系統的最初步驟。
孿生孿生之外,擁有一個與軌道上的衛星的彈性和快速連接也幾乎是重要的。這包括對數據存儲的快速和安全訪問。在過去,這涉及大量的操作努力以及一些深刻的技術理解。如今,有一些由云驅動的替代解決方案--如Azure Orbital[39]--使衛星地面站更容易訪問,以及將這些數據集傳送到安全的存儲地點并從那里真正使用的周轉時間。這些解決方案還將消費者從一些操作任務中解脫出來,而不犧牲安全、性能或技術的多樣性,因為地面站即服務的產品支持廣泛的行業已知技術,但以虛擬化的方式。使用像這樣的云計算解決方案還提供了一個機會,通過管理一個界面來利用地球上的幾個地面站供應商,與每個供應商的專門合同相比,這反過來提供了一個巨大的操作多樣性和敏捷性,并降低了成本。
另一個重要的用例是傳統衛星的生命周期擴展,這些衛星仍處于運行模式,但像數字孿生這樣的新能力應該擴展到該解決方案。國家海洋局通過合作研究與發展協議對其傳統的極地衛星進行了這方面的實踐[40]。這項工作提供了證據,即使用像Azure Orbital這樣的云計算服務,這些傳統的星座仍然可以用可接受的操作努力和較低的成本來運行。這使得該項目更具有可持續性,即使它已接近壽命終點。
從 NOAA 星座中學習生命周期支持主題。還有一個有遠見的成就值得一提,它使澳大利亞國防部通過在偏遠地區利用衛星支持的連接安全地訪問云存儲數據。"通過釋放SATCOM、5G和云計算的力量,國防組織可以在偏遠地區保持連接,快速、安全地分享數據以提高戰略意識,并對數據進行深入分析以改善決策[41]"。
這可能會導致提供實時的預測性維護指導,在解決方案的數字孿生中可視化。與沉浸式協作平臺相結合,就像之前提到的那樣,這些數據可視化可以提供真正的洞察力,避免誤解,從而推動更好的數據驅動決策。
為了在高度不確定和未建模的環境條件下成功完成防御任務,必須開發高度適應性、響應式和穩健的數字孿生方法。這種極其不確定和多變的物理環境可以在數字孿生環境中建模,以增加任務的成功可能性。從這個角度來看,數字孿生結構有如下的未來應用領域:
國防領域的數字孿生結構將有機會在不斷增長的空間市場中提高其有效性,并與這些市場的不同參與者建立聯系。
國防領域的數字孿生結構將能夠在概念開發階段利用接近真實的測試環境在低成本工程系統的新細分市場中更快地定位。
與北約未來幾十年的空間政策保持一致,使北約的空間生態系統能夠與大規模的空間市場競爭。
為未來的應用提供了創新的資產:
大的集成范圍。在證明了數字孿生的可靠性后,數字孿生框架將有可能擴展到任何空間/防御應用[42]。
高競爭力。數字孿生的擬議整合將加速其工業生態系統中的先進技術研發競爭。
廣泛的可擴展性。由機構、組織和私人倡議開發的許多不同的空間系統系統將被整合到數字孿生結構。
元宇宙(元空間),是展示國防界想象力的最新流行語,但幾乎同樣引起了興奮、嘲弄和困惑。雖然沒有正式的定義,但從體育和娛樂到時尚和工程等領域的技術專家們有一個越來越普遍的理解:元宇宙是"一系列相互連接的持久性和沉浸式的虛擬世界,為其用戶提供一種存在感"。這種情況現在正在發生。投資正涌向那些已經在建設支持元宇宙的技術的公司。它有望徹底改變平民生活和政府,特別是國家安全和國防。借鑒Improbable公司為商業元宇宙應用開創的技術,國防業務正在探索將這些工具應用于軍事建模和仿真(M&S)。本文探討了元宇宙技術可能影響傳統軍事M&S工具的各種方式,包括從能力開發和采購到培訓和教育、任務演練等一系列應用領域。本文還借鑒了對國防專業人員的有針對性的采訪,以證明這些技術如何有可能改變北約內部的軍事準備和凝聚力。
1995年,比爾-蓋茨與大衛-萊特曼坐在一起,試圖描述一個新興的現象,萊特曼稱之為 "互聯網"。按照比爾-蓋茨的描述,互聯網是一個 "人們可以發布信息的地方 "或 "發送電子信息"。萊特曼提到,他聽說人們可以在互聯網上觀看棒球比賽,但他仍然不相信它的效用,問道:"廣播有印象嗎?" 當蓋茨說,與廣播不同的是,個人可以在他們的閑暇時間聽一場比賽,萊特曼打趣道:"錄音機有印象嗎?" 蓋茨試圖說服萊特曼,社會正處于真正變革的風口浪尖,但他的描述仍然不夠。萊特曼的最終結論是,這個 "互聯網"將歸于平淡,或者如他所說,"太糟糕了,[計算機和互聯網]沒有錢" [1].
蓋茨在解釋互聯網方面的掙扎,與今天許多元宇宙支持者的掙扎并無二致。在當時,互聯網似乎是模糊的,定義不明確的。它似乎是重復性的。商業部門普遍認為,我們正處于一個類似的拐點:今天的元宇宙就是1995年的互聯網,而且,像互聯網一樣,元宇宙驅動的未來的經濟潛力估計是巨大的。事實上,最近的研究估計,在未來十年內,元宇宙技術有望為全球GDP貢獻2.8%,即3.01萬億美元[2]。為了實現這個虛擬的未來,商業行業對支持任何未來元宇宙的技術的投資已經激增,娛樂、零售、制造、旅游、房地產、教育和醫療等不同行業都看到了其未來采用的真正價值[3]。國防機構也同樣注意到了這一點。英國國防部正在支持對元宇宙的研究,而美國空軍已經為他們未來的SpaceVerse申請了商標[4][5]。同樣,北約也已經開始通過贊助研究和會議來涉足這個虛擬未來[6]。元宇宙--無論是在商業領域還是在國防領域--已經成為時下最熱門的詞匯,幾乎同樣引起了人們的興奮、嘲笑和疑惑。
我們不可能準確地預測元宇宙將如何發展,更不用說確定它將如何影響國防建模和仿真。然而,通過研究其他行業的相似之處并預測它們如何影響國防,提出可信的假設是可能的。本節探討了元宇宙技術如何影響北約建模與仿真總體規劃[27]中規定的傳統M&S應用領域中的國防M&S工具。然后,它考慮這些技術如何通過在北約成員國和更廣泛的聯盟內實現快速適應和人員管理實踐來更廣泛地改變國防活動。
下圖3-1顯示了北約建模與仿真總體規劃[27]中概述的建模與仿真的應用領域,并以兩根軸線示意,這兩根軸線代表了使M&S在應用中最具挑戰性的因素:被建模或仿真的主題的復雜性,以及需要建立和使用模型或仿真的緊迫性。
主題的復雜性在這里用Cynefin概念的四個層次來定義[28]:簡單的、復雜的、復雜的和混亂的。主題越復雜,M&S就越需要復雜和靈活。簡單的任務可以利用更簡單、可重復的合成環境,而復雜的任務則需要由多個模型和多個數據源組成的合成環境。復雜的任務需要M&S來適應人類對復雜未知現象的探索和思考,而混亂的任務則處于或超越了分析工作的極限。
需要建立和使用模型或模擬的緊迫性被顯示為一個非常粗略的對數時間尺度,從幾十年到幾毫秒。迫切性決定了可能需要自動化的程度,因此對M&S的簡化和有效性都有要求。那些不那么緊急的挑戰則需要更多的實驗性方法,需要更多的人參與來處理不確定性。
這兩個因素結合起來,描繪出一個可以使用M&S的空間。然而,并非所有的空間都同樣可行。M&S的現狀(特別是我們為合成環境組成和收集數據的能力)意味著有足夠的時間可以有把握地使用M&S來支持圖3-1左下方的應用,但沒有足夠的時間可以有把握地使用M&S來支持右上方的應用。這里的信心是由M&S的嚴謹性和穩健性、它對挑戰的所有重要部分的覆蓋、以及用戶能夠理解和利用M&S輸出的程度等因素共同造成的。
每個M&S的應用領域在圖3-1中顯示為一個連續體,跨越了不同的復雜程度和緊迫性。例如,對人員進行簡單的可重復任務的培訓可能在幾小時、幾天甚至幾周內就能完成,但培訓領導人在面對復雜行動時的適應性和反應能力可能需要幾年甚至幾十年。
圖 3-1:建模和仿真應用領域
能力開發(制定政策、戰略、部隊結構和作戰概念)顯示在圖3-1的左上方。支持能力發展的活動是復雜的,而且可能是高度不確定的。因此,M&S的結果可能需要幾年或幾十年才能體現出來。目標是讓政策制定者、戰略家和規劃者評估武裝部隊在未來可能被使用的方式。當對未來進行預測時,從能力發展的角度來看,存在著巨大的不確定性。我們不可能完全清楚需要什么樣的能力來實現,在哪里,為什么,與誰,如何,以及最后針對誰。這種復雜性進一步加劇,因為每一種能力都必須與可能處于類似或甚至相鄰和競爭領域的其他潛在能力進行評判。支持關于發展哪些能力的決定,需要M&S來比較在廣泛的潛在未來中運作的不同力量,這往往需要多年的時間,由大型團隊使用廣泛的模型和模擬來研究這個問題的不同方面。即使已經做出了重大的能力決定,也必須對其進行更詳細的完善,這就需要應用更多的模型和模擬來幫助能力規劃者發展、測試和完善他們的概念。
為了將這些問題的復雜性限制在可管理的范圍內,大部分的M&S工作都是在北約成員國內部孤立進行的,而且往往是由各個部門或這些部門的能力部門單獨進行。模型和模擬往往是為它們所設計的筒倉而專門設計的,往往有類似現象的定制表示--如視線或探測算法--并有共同信息的定制數據集,如地形。由于能力發展的定制性質,幾乎沒有能力對屬于不同筒倉或領域的系統之間的相互作用進行建模和理解,模型和數據往往在各部門、各成員國的機構間進程以及整個聯盟中以巨大的代價重復。
第2節中所描述的元宇宙組件的組合,可以使一些能力發展的孤島被打破--進一步加強北約內部各部門和各成員國之間的互操作性。雖然不太可能存在一個單一的、可預測的、詳細的北約元宇宙"萬物模型",并在每個領域產生連帶效應,但元宇宙技術有可能為聯盟提供快速開發元宇宙的能力,以 "模擬最重要的東西 "給特定客戶。由于內容的重復使用,這些 "元宇宙"將在每個元宇宙中大體上保持一致,但可能在其復雜性方面保持相對的限制,以通過可解釋性來加強理解,同時也通過其運行時間來確保組成的速度。這種針對不同客戶的模型之間的一致性應該給這些客戶以及他們的工作帶來更大的一致性。因此,一個國家的海軍能力的規劃可以被另一個國家的空中能力的持續規劃所充分告知,反之亦然。這種方法的另一個主要好處是在整個能力發展過程中的一致性--從早期的概念性兵棋推演到更嚴格的模擬和大規模實驗。事實上,一個為北約服務的元宇宙,如果它真的是一系列無縫連接的元宇宙,就可以實現現代兵棋推演教父彼得-佩拉所說的 "研究循環"--一個通過反復的兵棋推演、模擬、實驗、分析和其他方法來尋求理解問題及其解決方案的循環[29][9]。
表 3-1:國防元宇宙為能力開發帶來的機遇
元宇宙組件 | 對能力開發的機遇 |
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用戶界面 | 更直觀的可視化界面可實現更快的探索和增強的理解,并推動更快的決策。 |
網絡物理接口 | 使用實時數據對M&S進行更新和校準,這促使決策更加真實、有效、更有信心。 |
運行時間 | 更快的內容構成推動了更快的分析,因此也推動了更快的決策。可解釋的內容構成促使人們對決策更有信心。模型、數據和輸出的更大整合使得決策的可審計性更強,從而推動決策的更大信心。更快的運行時間允許對問題空間進行更多的探索,從而推動對決策的更大信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,使多領域的能力發展更加一體化。 |
內容生態系統 | 一個小型供應商的市場能夠實現內容的重復使用,并鼓勵內容的持續改進。這推動了更便宜的M&S開發和更快的M&S開發,從而實現更快的決策。 |
計算 | 分布式計算推動了更快的運行時間,因此也推動了更快的分析,從而實現更快的決策。更快的運行時間允許對問題空間進行更多的探索,使決策更有信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,使更多的綜合多領域能力發展。 |
網絡 | 多個用戶能夠查看相同的M&S,從而實現共同理解。大眾化的分析:多個用戶能夠共同和平行地進行實驗,這增加了能力規劃者之間的合作和交叉引用。這使得更多的綜合(多領域)能力發展,對決策更有信心,對決策更有共識。 |
分布式賬本 | 分布式賬本帶來了更高的安全性,允許對模型和數據出處有更大的信任,從而對產出的有效性有更大的信任,導致對決策的更大信心。 |
表3-1顯示了國防元宇宙為能力開發帶來的一些機會。關鍵主題是:
通過以下方式加快能力開發決策
通過以下方式提高對能力開發決策的信心
安全的真實世界數據實時更新和校驗M&S
更安全、可審計、可解釋的數據路徑,從內容到組成再到產出
更快的運行時間,允許對問題空間進行更大的探索
網絡和接口允許用戶一起查看、協作和探索模型
更加復雜和綜合的能力開發決策,通過
聯網和接口,允許用戶一起查看、協作和探索模型,實現共享理解和大眾化分析
更快的運行時間,允許使用更復雜的模型
通過以下方式降低M&S的成本
一旦決定需要什么能力,作為采購過程的一部分,建模和仿真被廣泛用于選擇、設計、測試和建造軍事裝備。圖3-1中左圖所示的采購決策是相對復雜和緩慢的。這些決定從需要數年的復雜決定(例如,選擇或設計復雜的系統,如潛艇)到需要數天或數周的復雜決定(例如,選擇一個小型的商業現貨零件或完善一個小部件的設計)。與能力發展一樣,許多工作由于簡單的原因而受到限制,這意味著系統是在相對狹窄的情況下設計和測試的。設計通常是手工完成的,測試則是通過虛擬和實際測試和評估的混合方式進行。這個過程可能需要數年才能完成。
一些與元宇宙相關的技術已經被采用來加速采購。尤其是一種數字工程方法,基于模型的系統工程,已經幫助提高了主要武器系統的設計和開發速度[30]。例如,美國空軍的地基戰略威懾大項目正在采用基于模型的系統工程,迅速評估數十億種情況,幫助采購專業人員確定核發射井中彈藥的精確設計和位置,因為他們正在努力取代美國核三系統中的陸基部分[31]。該項目為數字工程提供了一個強有力的成功案例,現在已經成為美國空軍所有大型項目的標準做法[32]。然而,這些復雜的武器系統的數字版本卻沒有相互之間的互動。它們也很少被整合到復制未來競爭和沖突的復雜性的模擬中。國防元宇宙提供了將用于采購的虛擬環境與用于能力開發或培訓的虛擬環境相連接的可能性,使采購專業人員能夠在模擬未來操作環境的虛擬世界中快速測試和評估他們的設計,同時提供實戰環境可能無法提供的一定程度的操作安全性[33]。這應該支持進一步的設計和安全改進,同時縮短需求開發、架構設計和測試的迭代周期[8] [34]。
也許最令人激動的是有機會取代標準的客戶-供應商采購模式,即要求各公司通過開發孤立的解決方案來競爭需求,并采用靈活的軟件開發實踐。國防元宇宙可以通過解決方案設計和開發的互動過程促進共同創造。政府客戶可以以模擬場景的形式提出挑戰,用戶可以對其進行迭代。這種方法可以幫助凝聚和加速縱向的采購過程(允許客戶與供應商快速探索創新的想法,同樣,也讓供應商更好地了解客戶的需求)。它還可以從橫向上加快進程(使供應商能夠合作并在彼此的設計基礎上發展)。因此,這可以極大地加快新系統的設計過程,并幫助政府從孤立地采購單個系統,以適應部隊結構中的特定位置,轉向同時采購系統中的系統,同時開發多個系統的設計。
表 3-2:國防元宇宙為采辦帶來的機遇
元宇宙組件 | 對采辦的機遇 |
---|---|
用戶界面 | 更加直觀的視覺界面使人們能夠更快地探索和加強理解,從而推動更快的決策。 |
網絡物理接口 | 設計數字孿生,使用來自原型子系統的實時數據進行更新和校準,這推動了更大的真實性、有效性和對決策的更大信心。這提供了一個更便宜和更快的測試和評估過程,以測試設計和發現設計缺陷,然后再在實際范圍內建立和試用系統。生產用的數字孿生體能夠對生產過程進行實時監控和優化,從而推動更便宜、更快速的生產。 |
運行時間 | 更快的內容構成推動了更快的分析,因此也推動了更快的決策。可解釋的內容構成促使人們對決策更有信心。模型、數據和輸出的更大整合使得決策的可審計性更強,從而推動決策的更大信心。更快的運行時間允許對問題空間進行更多的探索,從而推動對決策的更大信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,這使得更多的多領域系統集成采購成為可能。 |
內容生態系統 | 一個小型供應商的市場能夠實現內容的重復使用,并鼓勵內容的持續改進。這推動了更便宜的M&S開發和更快的M&S開發,從而實現更快的決策。 |
計算 | 分布式計算推動了更快的運行時間,因此也推動了更快的分析,從而實現更快的決策。更快的運行時間允許對問題空間進行更多的探索,這促使人們對決策更有信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,這使得更多的多領域設備開發得以整合。 |
網絡 | 多個用戶能夠查看同一個M&S,這使得客戶和供應商之間能夠共享理解和更大的合作,并導致更快地解決需求,以及對決策的更大信心。大眾化的分析:多個供應商之間的共享實驗能夠同時開發多個系統,并導致更快地設計出更多的集成系統的系統。 |
分布式賬本 | 分布式賬本帶來了更高的安全性,允許對模型和數據出處有更大的信任,從而對輸出的有效性有更大的信任,這導致了對決策的更大信心。增強的安全性使得通常是競爭對手的公司之間能夠進行更多的合作,而不需要分享其數字孿生的所有工作原理,這導致了更多的系統集成系統的發展。 |
表3-2顯示了國防元宇宙為采購帶來的一些機會。除了能力開發的關鍵主題外,還出現了兩個新的主題:
通過以下方式更便宜、更快速地設計、測試和評估以及生產國防設備
通過以下方式開發更加復雜和綜合的系統的系統
盡管在裝備采購方面花費了巨大的努力,但人在軍事能力的產生方面也發揮著同樣重要的作用。人員的發展是通過招募、培訓、教育、管理和領導來實現的,所有這些都在一定程度上得到了M&S的支持。然而,培訓是迄今為止M&S的最大消費者。培訓人們發展技能以承擔從簡單到復雜的任務可能需要幾個小時、幾天甚至幾周的時間,而教育則可能需要幾個月或幾年的時間,以確保人們能夠有效地承擔復雜的挑戰。因此,培訓和教育在圖3-1的左中部顯示。
可以說,武裝部門多年來一直在采用各種培訓元器,盡管是笨重和孤立的元器[18]。自20世紀80年代,軍方首次創建SIMNET("模擬器網絡 "的簡稱)以來,一直在為訓練目的而拼接虛擬世界,這是為集體訓練和任務演練的廣泛模擬器網絡的首次展示[35]。在過去的二十年里,像DIS和HLA這樣的標準促進了不同訓練模擬的整合,使作戰人員能夠在一個合成空間內體驗戰斗的 "霧和摩擦"[15]。雖然這種訓練無可否認是有用的,但不同類型的虛擬和建設性訓練的整合長期以來并不完善--許多這些應用被設計成單體,模塊化或互操作性是事后才想到的[18] [36]。然而,即使是在目前的互操作性挑戰下,訓練界的很大一部分人仍然渴望一個遙遠的未來,讓人想起《安德的游戲》,在那里,作戰人員可以在一個真實的沉浸式世界中進行無縫訓練。在某些方面,這反映了目前對元宇宙的概念化,因此,從虛擬訓練到國防元宇宙的自然飛躍并不奇怪[37] [9]。
在商業世界中,教育被認為是一個已經成熟的領域,可以通過元宇宙進行顛覆。教育家和商業創新者們設想了一些體驗式的機會,在這些機會中,國防部的學生不是通過傳統的教學方法來學習軍事歷史,而是親身見證或參與戰斗[38]。北約也不能幸免于這一思路,而且確實可以從元宇宙技術的整合中受益。北約目前有七個 "實體 "教育設施--位于意大利羅馬的北約防御學院、位于德國上阿默高的北約學校、位于希臘蘇達灣的北約海上攔截行動訓練中心、位于葡萄牙埃拉斯的北約通信和信息學院、位于挪威斯塔萬格的聯合作戰中心、位于波蘭比得哥什的聯合部隊訓練中心以及位于葡萄牙里斯本的聯合分析總結中心[39]。雖然很有價值,但正如Covid-19恐慌事件所揭示的那樣,實體機構將無法滿足整個聯盟的學習需求。教育機構需要增加分布式學習的機會,讓作戰人員和指揮官在他們需要的地方獲得寶貴的教育機會。除了通過實時培訓系統獲得的經驗外,還可以通過允許人員在探索中學習,使用為能力發展和采購開發的兵棋推演和比實時更快的工具來擴展。經驗機會已被證明具有特殊的價值,因為它們可以提高學習者的表現[40]。Metaverse技術可以增加整個聯盟的這些經驗選擇,同時也為個人提供量身定做的反饋。此外,跨聯盟的學習數據可以提供有價值的指標,以迭代課程大綱、兵棋推演和模擬,確保學習機會滿足教育目標。
表 3-3:國防元宇宙為訓練與教育帶來的機遇
元宇宙組件 | 對訓練與教育的機遇 |
---|---|
用戶界面 | 更加直觀的視覺界面使人們能夠更快地探索和加強理解,從而推動更強的學習保持力,從而提高培訓的信心。更加逼真的沉浸式界面彌合了模擬與現實之間的差距,給受訓者灌輸了信念,從而推動了學習的速度。 |
網絡物理接口 | 將數字孿生與真實系統連接起來,增加了對工程師和用戶的教育的有效性,讓他們了解軍事系統是如何工作、失效以及如何操作和維修的,這推動了對培訓的更大信心。這為工程師提供了更便宜和可重復的培訓過程。 |
運行時間 | 更快的內容構成使得快速定制培訓成為可能。更快的運行時間使更多的探索(邊做邊學),從而使學習更有深度。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,這允許對多領域的操作進行更綜合的訓練。 |
內容生態系統 | 一個小型供應商的市場能夠實現內容的重復使用,并鼓勵內容的持續改進。這推動了更便宜的M&S開發和更快的M&S開發,從而實現更快的培訓開發。彌合戰爭游戲和模擬之間的差距的內容,使得通過探索和在實踐中學習的學習更加深入。 |
計算 | 更快的運行時間允許對問題空間進行更多的探索,從而推動更深入的學習。更快的運行時間允許采用模擬更復雜的模型,這就允許對多領域的操作進行更綜合的訓練。 |
網絡 | 多個用戶能夠查看相同的M&S,實現了共同理解,加強了合作,增強了集體培訓,即使是在遠程操作的情況下。聯網可以通過實驗和探索實現自學。在多個團隊之間共享,這使戰術和技能的發展同時進行,從而使團隊的發展更加一體化。 |
分布式賬本 | 分布式賬本能夠安全地跟蹤個人一生的表現,允許根據個人需求進行定制培訓,從而提高學習深度。 |
表3-3顯示了國防元宇宙為培訓和教育帶來的一些機會。除了之前應用領域的關鍵主題外,還有三個新的主題正在出現:
模型和模擬用于支持軍事行動,幫助情報分析員理解情報系統提供的數據,幫助規劃人員在規劃系統中制定和測試計劃,然后通過指揮和控制系統進行溝通,并幫助操作人員通過作戰系統實現其目標。
在行動中做出的決定可能和其他應用領域(如能力發展)的決定一樣復雜,指揮官在高度流動的情況下面臨巨大的不確定性。從建模和仿真的角度來看,這些是迄今為止最具挑戰性的支持領域,因為它們比其他類似復雜性的決策要迫切得多。對行動的支持應用領域在圖3-1中顯示為一條線,從右下方的戰術決策到圖中上方的戰略決策。
盡管戰術決策通常是復雜問題,意味著它們可以用現有分析方法的變體以相當高的信心來解決,但它們也是最緊急的,有時需要在幾分鐘或幾秒鐘內做出。因此,人類很少有時間去建立、運行和解釋M&S來幫助這些決策。相反,M&S主要是在行動前用來提供數據集和簡單的規則或啟發式方法,這些都可以包含在作戰系統中或通過培訓教給人員。有時,M&S被用作作戰系統本身的一部分,例如,用于改進武器目標選擇。
有更多的時間來支持復雜的作戰層面的決策,可能是幾天或幾周,但即使在這個時間范圍內,人類也很少有時間來開發和迭代能夠捕捉作戰問題復雜性的模型。相反,規劃者有時會得到情報分析員和作戰研究人員的支持,他們受過專門訓練,可以在巨大的時間壓力和不確定性下操作,充分利用簡單的工具,并盡可能地將它們應用于手頭的問題。
需要在幾周或幾個月內做出的戰略決策很少得到M&S的支持,因為它們所應對的挑戰具有混沌、多變和定性的特點,因此很難建立和保持對解決這些問題所需模型的信心。
在所有這些情況下,成功或失敗的后果都很嚴重,促使人們對所使用的M&S的有效性和高信心的要求。這通常是通過提前鎖定(測試和評估)可預測的性能來實現的,而不是使用實時反饋來支持自我修正的行為。
元宇宙技術提供了大幅提高M&S在該應用領域的適用性的機會。通過網絡物理接口連接的實時數據管道提供來自情報源和藍色(即友好)系統中眾多傳感器的反饋,可以實現模型的不斷完善、校準和驗證。這將極大地提高M&S的質量,以及用戶對其適用性的信心。
英國的機器人增長伙伴關系[11]已經提出建立一個 "網絡物理基礎設施",使許多民用系統和它們的數字孿生體直接連接。一個北約范圍內的版本可以使20年前的北約網絡能力概念得以實現,這可以說是領先于實現它所需的技術[41]。
其他元宇宙技術,特別是用戶界面和網絡,可以通過促進多個遠程用戶的實時協作,而不是用戶孤立地操作和定期合并他們的工作,來大大增強人類對情報、規劃和行動的參與。這可以通過每個人從自己的角度對相同的信息進行可視化和注釋來加強團隊合作,創造共同的理解,并促進不同心智模式和計劃的交流。與這些類似的能力已經被開發用于一系列民用應用,包括商業、游戲和娛樂部門,而作者的公司已經證明,這些好處可以很好地轉化為軍事規劃人員的作戰決策支持工具[42]。同樣的技術也可以使規劃者從對手的角度來看待局勢。然后,綜合兵棋推演和模擬可以被用來測試計劃,并確保其對這些已確定的威脅的穩健性。最后,人工智能、數據科學和模擬的融合可以使人工智能作為決策者的智能顧問發揮更有用的作用,使他們能夠形成真正的認知優勢[43]。
表 3-4:國防元宇宙為軍事行動支持帶來的機遇
元宇宙組件 | 對軍事行動支持的機遇 |
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用戶界面 | 更加直觀的視覺界面使人們能夠更快地探索風險和替代情況,這促使人們對計劃更加有信心。更加逼真的沉浸式界面彌合了模擬與現實之間的差距,給用戶灌輸了信念,推動了更快的計劃。 |
網絡物理接口 | 將M&S與指揮、控制和情報系統連接起來,使計劃更有效,更有信心。戰術計劃直接轉移到自主系統,推動了更快的計劃。 |
運行時間 | 更快的內容構成使計劃的測試更有針對性,這使人們對計劃更有信心。更快的運行時間使人們能夠更多地探索風險和替代情況,這促使人們對計劃更有信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,這使得多領域操作的計劃更加綜合。 |
內容生態系統 | 小型供應商的市場使內容得到重復使用,并鼓勵內容的持續改進。這推動了更便宜的M&S開發和更快的M&S開發,這使更多的最新M&S來測試計劃,這推動了對計劃的更大信心。彌合戰爭游戲和模擬之間差距的內容通過探索使計劃更有信心。處于人工智能、數據科學和模擬的匯合點的內容使人工智能顧問能夠為計劃者提供服務,從而帶來對計劃的更大信心。 |
計算 | 分布式計算推動了更快的運行時間,因此,對問題空間的探索更多,推動了對決策的信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,從而為多領域的操作制定更綜合的計劃。 |
網絡 | 多個用戶能夠查看相同的M&S,使他們對計劃有共同的理解和更大的信心,以及制定更多的綜合計劃。 |
分布式賬本 | 分布式賬本導致在攻擊下更加穩健,對模型和數據的出處更加信任,從而對輸出的有效性更加信任,導致對計劃更加信任。 |
表3-4顯示了國防元宇宙為支持行動所帶來的一些機會。除了之前應用領域的關鍵主題外,還出現了兩個新的主題:
通過以下方式更快地將情報轉化為計劃和行動
通過以下方式提高對計劃的信心
任務演練可以被看作是培訓和教育的一個特例,用戶接受的是針對特定任務的緊急準備,而不是不那么緊急的、旨在為一系列未來任務集做準備的更通用的培訓和教育。因此,影響訓練的許多問題同樣適用于任務演練。然而,任務演練的時間敏感性和局限性意味著它被顯示在圖3-1的中下部。對于任務演練,已經制定了一個計劃,可能沒有足夠的時間來探索其他的選擇。
元宇宙技術,如更快的運行時間、計算和合成環境組成的工具,可以使任務演練的情景和模型的開發更快。這可能會增加演練的時間,或者提高準確性,從而使演練所用的M&S有信心。此外,演練過程的部分自動化可以使參與者專注于那些被認為需要大部分時間的場景(也許是那些具有最高風險的場景),同時允許人工智能運行建設性的模擬(即在模擬運行中沒有人類輸入,因此能夠比實時運行快得多),然后向用戶強調關鍵的經驗教訓。
表 3-5:國防元宇宙為任務演練帶來的機遇
元宇宙組件 | 對任務演練的機遇 |
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用戶界面 | 更加直觀的視覺界面使人們能夠更快地探索風險和替代情況,這促使人們對準備工作更加自信。更加真實的沉浸式界面彌合了模擬與現實之間的差距,并向用戶灌輸了信念,推動了更快的準備工作,并有可能提供更大的準備信心,以提供更好的免疫力來對抗來自任務的壓力。 |
網絡物理接口 | 將M&S與指揮、控制和情報系統連接起來,推動了更大的有效性,以及對準備工作的更大信心。 |
運行時間 | 更快的內容構成使得更有針對性的任務演練成為可能,這使人們對準備工作更有信心。更快的運行時間使人們能夠更多地探索風險和替代情況,這促使人們對準備工作更有信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,這使得多領域行動的準備工作更加綜合。 |
內容生態系統 | 一個小型供應商的市場能夠使內容得到重復使用,并鼓勵內容的持續改進。這推動了更便宜的M&S開發和更快的M&S開發,這使得任務演練中的M&S更加及時,這推動了準備工作的信心。彌合戰爭游戲和模擬之間的差距的內容通過探索使準備工作更有信心。 |
計算 | 分布式計算推動了更快的運行時間,因此,對問題空間的探索更多,推動了準備工作的信心。更快的運行時間允許使用模擬更復雜的模型,使多領域操作的準備工作更加一體化。 |
網絡 | 多個用戶能夠查看相同的M&S,使人們對準備工作有共同的理解和更大的信心,即使是在遠程操作時,也能開發出更多的綜合團隊。 |
分布式賬本 | 分布式賬本導致在攻擊下更加穩健,對模型和數據出處更加信任,從而對產出的有效性更加信任,導致對準備工作更加信任。 |
表3-5顯示了國防元宇宙為任務演練帶來的一些機會。與之前的應用領域相比,出現了一個額外的關鍵主題:
正如任務演練可以被看作是培訓和教育的一個特例,培訓和教育為人們提供了對未來任務的一般準備,但任務演練通過針對具體和緊急的要求進行補充,圖3-2顯示了三個類似的特例,即緊急、定制、能力發展、采購和支持行動。在下面強調的每個案例中,隨著元技術的發展,M&S將越來越多地支持北約成員。
快速適應能力(M&S可用于調整現役部隊的使用和配置方式)。
在役支持(M&S可用于管理和優化在役軍事系統的使用和配置方式)。
自主性(M&S是單個系統和系統組控制系統的重要組成部分,控制它們的使用和配置方式)。
圖 3-2:其他建模和仿真應用領域
長期以來,部隊的快速適應一直是軍隊的一個目標,但由于能力發展速度緩慢,所以它極具挑戰性。元宇宙技術不會克服與能力發展相關的所有挑戰,但它們可以通過快速調整使用概念或戰術來實現發展(或增強)能力的新方式。迅速改變軍事系統的使用、配置和整合方式提供了一個讓對手吃驚的機會,而且可以很容易地通過戰爭游戲和模擬進行試驗。向許多國防專業人士、公司和學術界(甚至可能是公眾)開放國防元宇宙,創造了能力分析大眾化的可能性,理論上將成千上萬的人帶入支持北約的創新生態系統。根據最好的想法來調整武裝部隊的任務仍將具有挑戰性,但開發更好和更令人驚訝的操作方式的機會可能會大大增加。
今天的軍事開支大部分是用于維持能力。M&S已經被廣泛用于支持在役系統,例如在物流、優化供應鏈和維護計劃,或預測艦隊的未來作戰能力。通過廣泛使用數字孿生來預測這些系統的性能,并通過網絡物理接口將其與來自傳感器網絡的現實世界的系統性能數據聯系起來,這種能力正處于大幅提升的邊緣。通過網絡物理基礎設施[39]進一步擴展這個網絡,可以實現整個系統網絡的優化,例如,通過優化系統之間的任務分配,最大限度地減少特定部件或系統的故障導致整體任務失敗的風險。
"對行動的支持"的應用領域主要集中在由專家分析用戶支持人類決策者運行的M&S。如上所述,元宇宙技術可以提高這個企業的速度和復雜性,通過聯網、共享信息和使用邊緣計算的分布式規劃工具,從而實現鑲嵌式戰爭或多領域整合的概念,使北約部隊更加強大和適應。元宇宙技術也有可能降低目前被認為可以安全地委托給機器的決策門檻。詳細的模型已經被嵌入到許多軍事系統中,作為其實時自動控制系統的一部分。例如,預測射彈軌跡的算法被用來瞄準武器系統。然而,驗證和測試這些算法的過程是非常緩慢的。
提高M&S的構成和發展速度,再加上對這些具有實時數據管道的模擬的持續驗證(從而持續改進),可以大大加快對控制系統中使用的算法的驗證和接受服務的過程。此外,更強的計算能力和更快的運行時間使分析更加穩健,也應導致對這些M&S結果的更大信心。盡管改進算法的能力增強了,但釋放不斷 "改進 "自己的自主系統所帶來的倫理挑戰仍將是一個主要的政策問題。
招募、保留和管理國防人員是國防部隊開展的一些最重要的活動。但今天使用的許多方法與幾個世紀以來使用的方法相同。例如,將人員分配到崗位上主要是人的努力,人員本身的參與有限,并且基于人事記錄,這些記錄被批評為不充分--缺乏關于個人技能和潛在才能的復雜性和廣度的信息。國防元宇宙可以將人事記錄與元宇宙中其他地方發生的活動--從培訓到實驗和教育--進行整合并自動更新。元宇宙還可以提供替代性的途徑,以確定未來的軍事領導人(或特立獨行者),他們是唯一適合未來戰斗的人。事實上,隨著大型多人在線角色扮演游戲的出現,企業注意到,游戲環境往往能培養出擁有適用于企業環境的技能類型的領導者:對風險的舒適感、接受失敗的意愿、出色的人際交往能力,以及對迭代和敏捷改進的渴望[44,45]。
由于元宇宙從根本上說是一種社會建設[46],北約軍隊也可以利用它為其成員提供新的互動機會,讓人們建立新的關系,最好能增強他們生活的社會元素。就像軍事基地提供社交和建立社區的機會一樣,元宇宙也可以提供社會活動,從士氣、福利和娛樂項目到醫療保健和財務指導。例如,《堡壘之夜》的玩家有機會出去玩或交朋友[47],現在美國空軍游戲社區[48]已經邁出了第一步,通過視頻游戲在數字環境中連接分布式空軍,為領導力發展、團隊合作、士氣建設以及支持軍人的心理健康提供機會,特別是那些在18至30歲之間長大的狂熱游戲玩家。軍事元宇宙可以作為這個社區的延伸,帶來其他非游戲活動和連接。
雖然國防元宇宙的某些方面可能會與商業元宇宙隔絕(就像北約有自己的機密網絡一樣),但互操作性可能會帶來額外的好處。傳統上,軍人每兩到四年就會更換工作地點--這不僅給軍人帶來壓力,也給他們的家庭帶來壓力。配偶往往必須找到新的就業機會,孩子必須在陌生的學區入學并適應。商業或民用元宇宙可以讓平民配偶在與軍事伙伴改變地點時保持他們的就業,職業活動幾乎沒有中斷。將國防元宇宙與商業元宇宙相互連接可以簡化這一過程,使北約軍隊能夠迅速向平民專業組織提供資源和指導,以緩解任何必要的過渡。軍人的子女也可以通過沉浸式的混合學習機會與他們以前的學術機構保持聯系,使他們能夠過渡到一個新的地方,而不必切斷以前的教育聯系或友誼。
元宇宙技術為每一個傳統的M&S應用領域提供了巨大利益的可能性,如上所述,它將開辟幾個新的應用領域。但是,如果從一開始就在這些虛擬環境的設計中優先考慮互操作性,也許最大的好處將通過各種國防虛擬世界的相互連接而出現。整合整個北約的虛擬活動應該創造一個反復的反饋回路,確保從訓練、任務演練或行動支持中獲得的經驗可以在能力開發和采購中得到利用,反之亦然。隨著越來越多的人能夠接觸到國防元宇宙的信息,實驗、分析和規劃就有可能變得越來越大眾化,從而更容易在整個國防界征求意見和反饋。甚至國防元宇宙的社會層面也可以產生戰場上的改進,因為它有可能聚合信息,使人們深入了解諸如士氣等因素,從而為部隊設計或訓練提供信息。
在某些方面,這反映了亞馬遜、YouTube和Pinterest等平臺所提供的好處[49]。通過促進互補性產品和服務的發展,平臺產生網絡效應[50]。一個平臺內的互補元素越多,網絡就越有創新性和力量。就企業而言,這促進了巨大的經濟利益,創造了創造和交換巨大價值的生態系統。國防元宇宙與許多平臺一樣,也應促進M&S、數據和解決方案的重復使用,幫助降低每個應用領域的虛擬環境成本。例如,用于能力開發的部隊模型理論上可以在采購、培訓和模擬或行動支持等應用中重復使用。目前,這些模型往往是單獨購買的,而且M&S和數據的重復使用往往被表述為一種要求,但很少實現。其他部門的平臺已經證明,信息、產品、軟件工具和服務有可能在平臺生態系統中被廣泛分享和重用,就像GitHub已經成為開源軟件程序的存儲庫,或者虛幻引擎有一個內容市場和游戲商店一樣。
上面的大部分章節都集中在元宇宙技術所帶來的機遇上。但是,每一種新的技術進步都伴隨著機會和風險。元宇宙技術也不例外。元宇宙的一些優勢也有其必然結果,可以被看作是風險。表3-6顯示了這些風險,但主要的風險是與安全和安保有關。
充分挖掘國防元宇宙的潛力將意味著把大量有價值的信息集中在一個地方,讓大量的人有意識地接觸到這些信息,并直接連接到一個影響深遠的物理資產網絡。這將使它成為最吸引人的間諜活動、欺騙和虛假信息的目標。網絡威脅將非常高,而這種威脅很可能因為易變的人類用戶而變得更加復雜,他們很可能在一個陌生的環境中異常容易受到欺騙。最后,元宇宙和互聯網一樣,可能會浮現并放大人類的弱點。在過去的幾年里,一些社交媒體平臺所帶來的負面效應使政治極化和社會分裂、放大虛假信息和促進騷擾,已經成為大量討論的主題[51]。國防元宇宙如果結構合理,能夠促進整個軍隊的互動,可以獲得巨大的作戰回報,但前提是它必須保護其虛擬用戶不受一些在物理領域困擾軍隊的有毒行為的影響[52, 53]。
所有這些都意味著,防御、保護和確保國防元宇宙的安全將是一項艱巨的任務,但考慮到潛在的利益,這一努力可能是值得的。北約應該為元宇宙中的行動做好準備,不僅要確保由北約運營的國防元宇宙的安全,而且要在他們自己的民用元宇宙中保護北約公民。這本身就會帶來具有挑戰性的法律問題,即對公民的保護是否延伸到他們在元宇宙中的活動和財產。最后,北約軍隊可能會找到機會,通過在其他國家控制的元宇宙內開展進攻行動,來達到對付對手的效果。
表 3-6:國防元宇宙帶來的風險
元宇宙組件 | 風險 |
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用戶界面 | 視覺化的界面,期望與化身打交道,而不是面對面,這可能使人們更容易被冒充者愚弄。長時間使用視覺界面可能會導致疲勞或暈動癥等問題,對用戶產生負面影響。其他感官界面的使用,比如觸覺,可能會導致需要考慮的道德或健康和安全風險。 |
網絡物理接口 | 從軍事元宇宙直接進入軍事裝備的指揮和控制系統、情報系統和控制系統,可能在這些系統中引入新的網絡漏洞。使用故意不正確的數據進行欺騙。 |
運行時間 | 運行時間的更大能力和探索多種情況的能力可以創造出對我們的對手和我們都更有價值的信息。 |
內容生態系統 | 更多的信息集中在一個地方可以訪問和修改,這將造成網絡的脆弱性。任何內置的偏見、假設或不準確都會扭曲結果并影響信任。 |
計算 | 針對服務器的網絡攻擊面更大,有能力運行更多的計算攻擊。 |
網絡 | 直接接觸每個用戶創造了更大的機會,可以同時影響許多人。有毒行為的機會增加,可追溯性變得更加復雜。 |
分布式賬本 | 賬本與每個人共享,并可供每個人查閱 - 難以修改,但易于閱讀。 |
支持元宇宙的技術正在快速發展,用于多種民用領域。將這些技術應用于創建國防元宇宙(或多個國防元宇宙)有可能帶來巨大的利益。
增加緊迫性,改造M&S,改善國防成果。M&S將被改造,變得更便宜、更快、更有效,從而改善那些依賴M&S的國防進程和活動的速度和嚴格程度,如:規劃和決策、設計、測試和評估、生產、學習和準備。此外,元宇宙將有助于跨越這些活動中的傳統壁壘,并可能開辟新的流程,使北約更具適應性。
從上到下的好處。在個人層面上,在縮小模擬與現實的差距和快速配置培訓項目方面的進展,將使學習經驗的定制得到改善,從而提高學習成果。在集體和組織層面,M&S速度、能力和可配置性的改進將改善作戰計劃,提高適應性,加速能力發展,改善集體訓練的交付和有效性。
信心增加,風險增加。盡管元宇宙技術將為決策、訓練和準備提供更大的信心,但也存在風險,特別是對安全和安保的風險。元宇宙技術有可能使用戶對M&S結果的信心比以前更強,從而使培訓、能力發展和采購更有成效,而且還能提高戰場上的成功率。但是,與此同時,間諜、欺騙和虛假信息的風險也在增加。將這么多有價值的信息集中在一個地方,讓這么多人有意識地接觸到這些信息,并直接與這么多實物資產相連,將使軍事元宇宙成為最具吸引力的目標。網絡威脅將很高,而人類用戶在一個陌生的環境中可能更容易受到欺騙,這可能會使網絡威脅更加嚴重。最后,像任何其他人類操作的環境一樣,元宇宙也容易受到人類缺陷的影響。這些風險從一開始就需要被識別和管理,以保持對系統的信任。
復雜度更高的M&S的機會,以增加合作與整合。元宇宙技術有可能通過使支持多種應用的M&S大眾化,大大增加北約各國、各領域和整個國防企業之間的整合。防御、保護和確保國防元宇宙的安全將是一項艱巨的任務,但考慮到它的好處,這一努力可能是值得的。這也意味著北約應該為元宇宙的行動做好準備,不僅要確保由北約運營的國防元宇宙的安全,還要在他們自己的民用元宇宙中保護北約公民,并通過在他人控制的元宇宙中開展進攻行動來達到打擊對手的目的。
元宇宙技術在造福北約M&S方面有很大的潛力,有大量的利用途徑和發展機會。現在是采取結構化方法進一步發展這一概念的時候了,通過各種技術選項進行導航,根據預期結果制定路線圖,并識別和規劃風險和問題。
MSG-189專家團隊(ST)活動的基本原理建立在評估如何結合和集成新興顛覆性技術的需要之上,這些技術正在改變我們工作和生活的方式,并且融入促進了M&S技術和相關仿真系統的發展。
作為北約STO NMSG研究目標的一部分,仿真系統的新架構和先進功能一直被研究和定義。僅舉幾個例子:MSaaS(建模和仿真服務)和MTDS(任務訓練分布式仿真)的定義及實施為新一代最先進的仿真系統鋪平了道路。
此外,近年來,北約STO小組和相關工作組一直在解決最先進技術的問題和演變:人工智能(AI)、機器學習(ML)、大量異質信息的管理和分析(大數據)、通過沉浸式設備(AR、VR、XR)實現真實世界和合成世界的互動、無線技術(5G)以及通過云計算和面向服務的架構提供服務的新方法。
因此,NMSG旨在研究這些研究領域之間的協同作用,以概述這些新興和顛覆性技術對下一代仿真系統的特點和潛在影響。
定義一個包含上述所有概念的仿真系統無疑具有挑戰性,因此,工作組只把注意力集中在某些方面進行探索:
必須強調的是,該框架所產生的參考架構的主要基礎是長期存在的、非常重要的NMSG活動,如MSaaS和MTDS。MSG-189 ST活動建立在這些參考文獻的基礎上,以尋找新的和創新的解決方案,可以加強對M&S這樣的關鍵技術的使用。一個 "安全 "的設計概念,密切關注基礎設施對網絡威脅的高彈性(設計安全)也是一個需要滿足的具體要求。
由此產生的MSG-189生態系統不僅可以作為一個培訓工具,而且首先可以作為一個有效的支持,用于確定最佳的CoA,然后在 "實際 "行動中實施,或在隨后的規劃階段和確定要執行的行動細節(作戰指令的管理)。
MSG-189 ST的最后一項建議是成立一個后續工作組(RTG),該工作組從該小組所做的工作中得到啟發,可以定義一定數量的用例,以驗證所做的選擇,并證明系統的參考架構和所列技術的有效性。
近年來,所謂的 "顛覆性技術 "發展迅速,如人工智能(AI)、機器學習(ML)、大量數據的管理和處理(數據科學和大數據分析-BD)以及沉浸式技術(VR / AR / MR / XR)。
北約STO內部的各個小組/團體已經研究了這些新技術提供的可能性;特別是,NMSG工作組對研究新的架構和仿真系統的服務非常感興趣,這些系統將用于軍事訓練和決策領域的未來應用。北約MSG-189專家小組(ST)已經接受了這一挑戰,并進行了一項研究,以確定這樣一個仿真框架。
首先,讓我們看一下要追求的目標,這些目標最初列在技術活動建議TAP[1]中,然后列在One Pager文件[2]中:
定義一個模擬系統,使所有上述概念以整體的方式存在,這個想法當然具有挑戰性,而且在許多方面,超出了專家組的目標(和可能性)。
因此,工作組的首要任務是以更精確的方式確定工作范圍,并指出工作組研究活動的領域。這方面最重要的成果是定義一個 "參考架構",在此基礎上建立MSG-189生態系統(后來經常被簡單地稱為系統)。這是一個抽象的架構形式,為未來的具體解決方案架構(項目架構)提供了一個模板解決方案。
必須強調的是,該框架的參考架構的主要基礎是長期存在且非常重要的NMSG活動,如MSaaS(建模與仿真服務)和MTDS(任務訓練分布式仿真)。MSG-189 ST活動將在這些參考文獻的基礎上,尋找新的和創新的解決方案,以加強對M&S這樣的關鍵技術的使用。
一個 "安全 "的設計概念,密切關注基礎設施對網絡威脅的高彈性(設計安全),也被指出是一個需要滿足的具體要求。出于這個原因,這些信息已經在這第一章中提出。
特別是,本章介紹了軍事訓練和決策的概念,強調了這種系統必須考慮到的網絡安全方面的重要性,然后定義了MSG-189 ST活動的利益量。對所指出的問題的深入研究以及將其納入參考架構將是以下各章的主題。
本章的第一部分致力于識別和描述與培訓有關的問題,旨在為所有在軍事組織中工作的專業人員提供必要和關鍵的活動,并支持指揮官、其工作人員和參與任務的人員的決策過程。
本章概述的另一個主題與網絡安全有關:將定義與安全有關架構的要求限定方面;所提供的信息必須是框架設計的基礎,并滲透到其所有功能中(設計安全)。
在本章的最后部分,描述了研究的興趣領域,定義了該領域的維度(行動、專業知識和生命周期),并對每個維度指出和描述了需要考慮的層次。
最后,我們定義了MSG-189 ST的研究活動將在其中進行的興趣范圍。
軍事訓練對不同的人是明確的但又非常不同的。在軍事單位指揮官的層面上,它意味著鍛煉戰場上的部隊或海上的水手,使他們作為一個綜合、協調的單位運作。在軍事人員管理者的層面上,它意味著對包括廚師、馴犬員、坦克炮塔技術員、雷達技術員和戰斗機飛行員在內的所有職業專業的個人進行準備和認證。在主要軍事系統的開發者和提供者層面,它意味著在模擬器或系統本身上進行演習。對所有相關人員來說,它意味著讓來自平民社會的個人準備好作為專業軍事人員執行任務。
軍事訓練與其他形式的訓練不同,它強調的是紀律、臨場準備和集體訓練[3]。
從中世紀的奎因時代開始,無疑在此之前,仿真在進行軍事訓練和評估個人、船員、團隊和單位執行軍事行動的準備情況方面一直很突出。今天,仿真對于參加野外演習的疲憊不堪的士兵來說非常熟悉,對于在我們的戰爭學院里操縱計算機生成的部隊(CGF)橫掃廣闊的電子平原的指揮官來說也是如此。它得到了各種設備的支持,從塑料模型到筆記本電腦,再到比它們所模擬的飛機更昂貴的全動飛機模擬器[3]。
模型、仿真器和仿真之間的一些粗略區分是有用的[3]:
模型提供了輸入和輸出的基本表示。它們是控制和決定模擬器和仿真對用戶反應的引擎。
仿真器是設備。它們旨在向學生表現自然界中可能遇到的其他設備或現象,并被用來產生對自然界的模擬。
仿真是仿真器及其基礎模型的產物。因此,仿真是一組模型和/或模擬器,代表一個系統或一個環境的運行或特征。
隨著技術的發展,只要技術的價值能夠證明比目前的方法有改進,如成本、安全或速度,軍隊也會隨之采用。它必須不斷地具有前瞻性、創新性和積極性,既要了解戰爭是如何演變的,又要調整訓練以應對這些挑戰。
什么是訓練?
訓練是任何組織的基本活動之一;特別是,它一直是所有時代的軍隊所開展的行動取得成功的決定性因素之一。
擁有訓練有素的軍事人員對于能夠在現代戰爭的復雜情況下開展行動至關重要,這些情況需要反應技能和分析能力,只有受過訓練的人才能具備這些能力。
訓練的類型數不勝數,從特定主題的個人理論訓練到涉及數千人和車輛的大型戰區演習,在時間和空間上復雜而銜接的行動。
因此,世界上所有的軍隊在訓練中投入巨大的資源并不是巧合。訓練技術和程序的演變必須不可避免地跟隨威脅的演變,同時也要跟隨新作戰概念的發展。軍事資源訓練水平的不斷更新產生了著名的格言:"邊訓練邊戰斗,邊戰斗邊訓練"。
美國軍方將訓練定義為 "為獲得和保持完成特定任務所需的知識、技能、能力和態度(KSAAs)而進行的教學和應用練習"[4]。
一般來說,軍事訓練分為兩大類:個人和集體。個人訓練正是旨在發展個人技能的訓練。集體訓練的目的是將受過訓練的個人整合成一個有凝聚力的有效團隊,不管這個團隊是四人的坦克車組還是5000人的航空母艦船員。
訓練的規模可以小到為一個四人小組上一小時的如何包扎傷口的課,大到包括來自各軍種的數萬名人員和單位的多周聯合演習。訓練的主要領域是:機構領域,包括各軍種的各種正規學校;行動領域,包括在部隊和艦艇上的訓練,無論是在原地、部署地還是航行中。
另一種類型的培訓是自我發展:它由個人進行,以解決他們在自己的學習中看到的差距,(從更廣泛的角度來看)可以被視為一種教育[4]。
仿真是培訓的基礎,構成了培訓的本質;以培訓為導向的仿真環境允許以安全、高效、經濟的方式培訓人員,并隨著時間的推移保持培訓水平,即使是發生概率極低的事件。因此,即使是模擬環境,也必須跟隨(有時是預測)技術和理論的演變,以最好地完成其任務。
決策的定義和描述有很多,但基本上它是一個認知過程,通過這個過程從一系列合理的、潛在的選項中做出一些選擇。當然,目標是要從現有的備選方案中挑選出 "最佳 "方案。
決策中典型的復雜因素是不確定性;也就是說,備選方案的許多方面以及每個預期方案的確切結果可能是未知的、不明確的或不可預測的[5]。
從歷史上看,一個單位的成功與工作人員執行軍事決策過程的能力直接相關。鑒于當今作戰環境的復雜性增加,以及大量的任務指揮系統和程序,與作戰有關的所有活動的整合和同步越來越困難[6]。
自19世紀末以來,軍事參謀程序一直在演變,試圖定義一個達成決策的共同過程。雖然理論成功地提供了一個指導決策過程的系統,但它幾乎沒有解決在評估和選擇潛在行動方案中固有的不確定性。使情況更加復雜的是,今天人們幾乎可以無限地獲得大量的信息,這些信息可能需要也可能不需要應用于特定的決策情況。因此,雖然看起來信息越多越好,但事實上,擁有太多的數據會增加認知負擔,并可能導致忽略其他與當前特定情況更相關的信息。軍事情報分析過程面臨的挑戰是通過向指揮官提供及時、相關、可靠的信息來加強軍事決策[5]。
在下文中,我們描述了關于決策過程的不同理論,并展示了關于這些理論如何在軍事領域應用的兩個觀點。
關于決策過程的理論
描述了可以支持的關于(軍事)決策的相關理論。
理論方法 [7]
人們可以把這個領域的許多模式分為兩大潮流和方法。
安全方面的問題應該從最初的設計階段就開始計劃和解決,因為一旦部署和實施,甚至剛剛開始,要解決安全問題(考慮所有的觀點和方面)就會困難得多。
此外,由于系統架構可能是基于分布式和分散的模式--面向服務的系統(即MSaaS),其執行將在分布式計算資源上提供,基于網絡/云中心環境--網絡安全方面必須得到仔細考慮。
在實施分布式模擬系統時,有許多問題需要考慮,包括但不限于網絡、端點安全、認證和訪問控制等主題。傳統的網絡安全要求和最佳實踐為確保數據的保密性、完整性和可用性而采取的措施提供了指導。僅列舉一些例子。
應該對訪問進行管理,以確保只有經過授權的客戶才能訪問或操作數據,管理權限應該最小化,管理賬戶應該只在需要時使用。
應定期檢查用于限制誰可以訪問服務器和保護傳輸信息的認證和加密技術,以確定必要的安全要求。
適當的安全管理實踐對于操作和維護一個安全的環境至關重要:安全實踐包括識別信息系統資產和制定、記錄和實施有助于確保系統資源的保密性、完整性和可用性的政策、標準、程序和指南。
為了確保系統和支持整個基礎設施的安全,以下做法是網絡安全 "按原樣 "實施的標準參考(例子):
總之,應通過配置、保護和分析日志文件和配置,經常備份關鍵信息,建立和遵循從破壞中恢復的程序,及時測試和應用補丁,并定期測試安全,來持續維護基礎設施的安全。
此外,由于日益增長的技術創新和可用的計算資源和算法,還將有更多的網絡安全方面需要考慮。
這個活動提案的精神恰恰在于提供一個環境,它是一個生態系統的一部分,跟隨用戶從他/她的職業生涯的開始到最大經驗的階段,而不需要不斷地 "學習"(新的和不同的)系統。這種學習的努力往往與IT工具的真正目標相反,它應該促進工作經驗。此外,如果你是一個有經驗的用戶,你仍然可以訪問較低層次的信息(例如,能夠刷新、修改、獲得特定資產的技術信息,等等)。
本報告分為: