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由于問題和解決方案的復雜性不斷增加,復雜和社會技術系統的系統工程變得越來越困難。這導致了基于模型的系統工程(MBSE)的發展,它在軟件工具的架構框架和建模語言的支持下應用建模。在需求分析和概念開發階段,建模被應用于捕捉和表示系統的利益相關者的心理模型。該軟件工具能夠通過各種圖表和視圖在數據庫中捕獲模型信息。這種以數據為中心的方法確保了定義的模型元素及其關系的一致性和可追溯性。由于指揮和控制(C2)系統可以被看作是復雜的社會技術系統,MBSE應該有助于捕捉需求以支持概念解決方案的開發。本文介紹的MBSE方法有助于捕捉C2系統的需求,以及識別主要的邏輯塊元素和它們所需的功能。這種方法通過開發適合特種作戰的復雜作戰環境的概念C2系統解決方案得到了證明

1 引言

系統工程的基本目標是通過使系統的存在來解決問題(Stensson 2010,Walden等人,2015)。系統方法,通過系統思考,旨在理解整體背景下的部分,同時與環境互動并適應環境。系統工程由跨學科活動組成,以確保利益相關者的需求能以低成本和及時的方式得到滿足。然而,今天的問題往往是復雜和不明確的,其影響范圍超過了所關注的系統。

從本質上講,系統工程過程是一種發現、學習和持續改進的迭代方法,以獲得對需求和突發特性的洞察力(Walden等人,2015)。系統工程過程的輸入是來自客戶或利益相關者的需求,必須對其進行分析,以發現定義解決方案系統的目的、目標和高級功能的需求(Buede 2000, Ramos等人2012, Walden等人2015, Oliver等人2009)。從最初的高層次需求中定義操作環境和預期場景,以得出系統所需的角色、任務和功能(Stanton 等人,2012)。

Holt & Perry (2008)列出了系統工程的三害:復雜性、溝通和理解。系統的復雜程度取決于系統元素的數量和它們的互動。對問題和用戶需求的不正確理解導致了不準確的需求和系統工程的不正確應用。工程師、開發團隊和利益相關者之間的溝通問題導致了對需求和相關模型含義的解釋。設計團隊和制造團隊之間的溝通不暢,會進一步加劇這種情況。對系統工程產生能夠在復雜環境中有效運行的系統的要求是不斷增加的。建模是解決復雜問題的一種方式,并能使人們有效地理解和溝通。

基于模型的系統工程(MBSE)作為一種方法,提供了一個由過程和支持工具組成的解決方案,以解決復雜性問題。各種形式的模型和結構可以用來捕捉和表示有關問題的信息和知識。一個合適的模型,從利益相關者的心理模型中衍生出來,用來吸收和解釋重要的信息(De Weck等人,2011,Sterman 1994)。

在系統工程中,模型是通過系統的原理圖和網絡圖來構建的。建模可以通過理解系統整體和部分之間的關系來幫助系統設計,從而得出突發屬性(Buede 2000, Ramos等人 2012, Maria 1997, Ramos等人 2011)。模型也往往比基于文本的系統工程文件更有助于發展系統概念和需求,因為它們支持對問題的知識進行實驗,并發展對不同解決方案的影響的理解(Estefan 2007)。

MBSE采用了建模語言,如系統建模語言(SysML)或統一建模語言(UML)。該語言利用圖形符號,用相關的參數、屬性和限定信息來加強。這些語言被用來通過圖表對復雜的系統及其架構進行建模,這些圖表通過各種一致的觀點捕捉、分析和指定系統的行為、結構、要求、關系和能力。模型的不同觀點可用于實驗問題的知識,并發展對不同解決方案的影響的理解(Ramos等人,2012;Buede,2000;Oosthuizen和Venter,2016)。在規劃中采用MBSE的其他優勢包括管理問題的復雜性、重用信息元素和支持系統性思維(Ramos等人,2012,Walden等人,2015)。

本文報告了通過實施MBSE過程對C2系統進行概念建模的實踐經驗。首先,討論了系統工程和建模文獻,以定義MBSE流程,然后將其與實踐經驗聯系起來。該過程通過為特種作戰開發一個概念性的C2解決方案來展示。與常規部隊相比,特種作戰往往在更復雜的環境中運作,有著獨特的要求。

2 指揮與控制概念

C2是一個統稱,涉及軍事行動的指揮和控制的多個方面。指揮被定義為賦予或授權給武裝部隊的個人指揮、協調和控制軍事力量的權力(Brown 1996, MoD 2017)。這代表了人類意愿的創造性表達,以闡明和傳遞完成任務所需的意圖。指揮鏈網絡描述了授權的流動,其任務是產生意圖。指揮權來自擁有最多任務狀態信息的個人(Young 2017)。

"控制 "被定義為指揮官對下屬組織的部分活動所行使的權力,其中包含了執行命令或指令的責任。控制包括通過設定邊界、管理資源和調整行動以實現指揮官意圖的結構和流程來管理風險。控制的目的是確保通過調整所需的活動來實現既定意圖(Brown 1996, Young 2017)。

C2系統的目的是指導、調整和協調部隊在多個領域的意圖和活動。C2系統必須靈活適應,以滿足不斷變化的環境、背景和任務的要求(Oosthuizen and Pretorius 2013, MoD 2017)。

C2能力被進一步定義為設計和執行聯合行動的動態和適應性(復雜)社會技術系統(國防部2017)。復雜的社會技術系統包括行為、工具和技術,由人、結構、技術和流程之間的相互作用促成。C2為個人和組織提供了重點,以整合和最大限度地利用他們的資源和活動來實現預期的結果(國防部2017)。具體的C2解決方案的特點是環境和任務類型所需的網絡分權程度。具體的C2解決方案的適當性受到以下三個環境變量的影響(Young 2017):

1.環境的變化率。不尋常的任務類型導致了任務的不確定性。同時,任務期間較快的變化率需要更大程度的情況意識分散和更新率。

2.要素的連接程度。一個環境中的多個獨立元素比一個具有多個高度連接元素的復雜環境更容易分析和理解。復雜環境中的任務更難分解,需要更大程度的控制權下放。

3.利益相關者的利益程度。利益相關者對活動的開展施加標準、約束或期望。利益的程度與指揮所需的集中化程度呈反向關系。

所選擇的C2方法必須適應所應用的作戰環境。當代特種作戰的作戰環境是復雜的。該環境的特點是一個全球性的系統,由許多相互作用的變量組成,這些變量造成了相互交織的國家、政治、經濟、社會、精神、文化和軍事利益、挑戰和威脅。影響特種作戰復雜環境的主要因素包括以下幾個方面(Ott 2002, Madden et al. 2016, Johansen 2015, Votel 2016):

1.全球化。由技術進步(互聯網、移動電話、衛星通信)形成的全球化,成倍地提高了變化、創新和商業的速度。技術允許在全世界范圍內即時傳輸信息。國際恐怖組織可以從偏遠地區有效運作,同時從全球任何地方得到支持(資金、培訓和招募)。重大事件發生時,媒體也會在全球范圍內進行近乎實時的報道。

2.城市化。越來越多的世界人口遷移到城市地區。交戰方越來越多地尋求城市地區的庇護,以隱藏在人口中。這減輕了武器和傳感器的技術優勢,增加了打擊的附帶損害的威脅。

3.地緣政治趨勢。更多的政治權力和軍事能力正被非國家行為者所掌握。這導致了復雜的區域安全發展和來自弱國和失敗國家領土的威脅。這些威脅不能被孤立地解決。

4.軍事技術趨勢。軍事技術繼續快速發展,導致新的軍事競爭領域的出現。因此,運營商可能會對新交戰方的能力感到驚訝。敵人有機會獲得先進的武器系統和網絡能力,為他們提供了越來越多的脅迫性選擇。

5.偏遠作戰地區。崎嶇、多山的地形、洞穴、惡劣的氣候可能會限制武器或行動支持的能力。恐怖組織往往在這些偏遠和不穩定的地區進行訓練、維持、計劃和行動。為了在偏遠地區開展行動,特別行動人員必須與當地居民和領導人進行接觸,獲得他們的認可和信任,以收集情報支持行動。

6.沖突的模式。沖突的模式正在隨著環境的變化而變化。低強度和不對稱的沖突正在世界 "欠發達 "地區展開,一方是正規軍,另一方是游擊隊、恐怖分子,甚至是平民。這些沖突往往是殘酷的、血腥的、丑陋的,不依靠現代武裝力量的高科技武器。其目的是在外部幫助下破壞一個政權的穩定。非正規的威脅通常在國家控制的領土邊緣和無人管理的空間里興風作浪。

7.行動的持續時間。特別行動的財政和政治可持續性使其更具吸引力。特別行動的小規模方法允許采取降低成本的戰略,迫使對手花費不成比例的資源來抵御友好的能力。他們支持對環境有更深入的了解,以預測不穩定的爆發點,減少行動和戰略盲點。

已實施的C2系統要求有能力收集、分配和轉化數據為情報,以執行快速決策。決策必須支持指揮部隊的能力,跨越多個領域和任務。有效的C2取決于基于對形勢的理解而作出的行動決定。理解被定義為對特定情況的感知和解釋,以提供有效決策所需的背景、洞察力和預見性。理解使決策者能夠利用數據分析和可視化,從現有的信息中找出新的機會和威脅(MoD 2017)。

標準和傳統的系統工程方法可能不足以支持這些復雜環境所需系統的開發。這些復雜性可能會導致C2系統的模糊和綜合要求。系統工程兄弟會正在向MBSE發展,以應對復雜問題的系統開發(Walden等人,2015)。

3 基于模型的系統概念開發

3.1 基于模型的系統工程

建模是一個反復的過程,通過一個標準的、嚴格的、結構化的方法來開發、使用和更新模型,以獲得對一個系統行為的洞察力。模型被定義為對現實或其選定部分的明確和不完整的表述或理想化的抽象,以幫助其描述和理解(Ramos等人,2012;Maria,1997)。模型必須在真實性和簡單性之間取得平衡,以便能夠理解和模擬(Maria 1997, Gau Pagnanelli等人,2012)。

在系統工程中,模型被用來描述與一個系統相關的結構、行為、操作和特征,以及與操作環境的選定的交互。環境包括使能系統和其他系統(Buede 2000, Hitchins 2008)。建模行為和產生的模型本身支持對問題的洞察,作為決策的基礎(Maria 1997, Harrison et al. 2007, Buede 2000)。模型被用來對問題的知識進行實驗,并發展對不同解決方案的影響的理解。這支持通過用視覺工具澄清需求來改善解決方案的開發決策(Walden等人,2015;Ramos等人,2012)。

在開發系統概念和需求方面,模型往往比基于文本的文件更有用,因為共同的符號以一致的方式描述了許多系統特征和屬性(Buede 2000,Ramos等人,2012)。在系統工程中,建模解決問題的主要優勢可以歸納為以下幾點(Buede 2000,Ramos等人2012,Maria 1997,Walden等人2015):

1.管理復雜度。建模有助于通過以下方式解決系統分析和方案設計的復雜性:

a) 通過對問題的多角度的可視化分析,實現系統理解。

b) 指導識別導致復雜性的元素和相互作用。

c) 改進影響分析,以確定解決方案的潛在后果。

d) 利用模型的可追溯性發現原因和影響。

2.用系統的術語捕捉問題。利益相關者檢查他們自己的思維(心理模型),并將概念傳達給其他人,以確認系統需求和行為。模型通過澄清需求來支持改進的系統開發決策。

3.捕獲、分析、分享和管理信息。擁有一個標準語言的建模方法的好處是改善利益相關者之間的溝通,管理系統復雜性的能力,產品質量,知識捕獲和教授和學習系統工程基本原理的能力。模型支持實驗,以及對問題的知識進行定性和定量分析。

4.重復使用和自動化。建模使現有的信息和知識在新項目中得到重用,從而節省時間和金錢。通過用腳本執行可重復的任務,建模也有利于問題分析過程中的自動化。

然而,復雜的社會技術系統的建模仍然是困難的,因為它必須呈現系統中人類工作的結構和行為。行為是由人、操作者、系統元素和環境之間的動態交互引起的。在多個抽象層次上對系統界面進行建模,可能有助于理解復雜系統及其相互作用(Bahill & Szidarovszky 2009, Piaszczyk 2011, Oosthuizen and Pretorius 2014)。

MBSE被定義為建模的正式應用,以支持整個系統生命周期階段的系統需求、設計、分析、驗證和確認活動(Gau Pagnanelli等人,2012)。MBSE專注于應用豐富的信息模型來補充傳統的系統工程方法(Walden等人,2015;Estefan,2007)。任何MBSE的實施都應該至少解決以下要素(Meyer 2014, Tschirner et al. 2015, Gau Pagnanelli et al. 2012, Karban et al 2012):

1.流程。流程提供了為實現特定目標而在不同的細節和聚合水平上執行的任務的邏輯順序。現有的MBSE流程,需要根據具體的實施環境進行調整。MBSE過程的基本步驟應該包括信息(需求)捕獲、模型生成、驗證和實施。這個過程不需要和傳統的系統工程標準一樣。

2.方法。方法包括執行流程中所列任務的一系列技術。每個方法本身也可以是一個過程。

3.工具集。工具是提高特定方法中任務效率的工具。工具只是促進任務的執行,并提供模型中捕獲的信息的存儲庫。

MBSE不僅僅是開發一套圖來粘貼到基于文本的報告中。僅僅使用標準建模符號來繪制這些圖表并不能改善模型。MBSE的元模型(Holt and Perry 2017),如圖1所示,指出了被建模的系統與架構框架內建模工具的應用之間的關系。這個元模型為開發適合特定應用領域的MBSE方法提供了基礎。

在通過一些視圖對系統進行建模之前,如圖1中間的 "目標 "欄,需要建立支持結構。首先,需要一個架構來定義模型的視圖。建模方法應用了一個架構框架。任何適合問題和解決方案空間的架構框架(如面向服務的架構、NAF、MoDAF或DODAF)都可以被MBSE方法應用。在所有情況下,都需要進行一定程度的定制。架構框架由描述系統及其行為所需的各種觀點組成,這些觀點由標準本體定義。對系統模型的不同觀點被用來分析不同層次的系統(Kossiakoff等人,2011,Ryan等人,2014)。

圖1:基于模型的系統工程元模型

系統的各種觀點通過圖示來體現。為了擁抱MBSE的力量,建模者應該超越基于文本的工具。這些基于文本的工具,如Visio?和Powerpoint只為基于文本的文件提供圖片。它們不能管理復雜圖表中元素之間的關系。應該為MBSE實施專門的以數據為中心的工具。這些工具實現了公認的建模符號,如SysML和UML,以通過圖表開發一致的系統視圖。SysML用于通過系統結構、參數、屬性、要求、行為和關系的圖來對復雜系統進行建模(Friedenthal等人,2012;Hause,2014)。

行為圖表示情況的各個部分及其因果互動(Friedenthal等人,2012;Hause,2014)。系統的行為是用用例圖、活動圖、序列圖和狀態機圖來建模的。用例圖提供了系統功能的高級描述。活動圖中記錄了活動之間的數據流和控制流。順序圖代表了系統中合作部分之間的交互。需求圖確保層次結構和推導、滿足、驗證和細化關系是清晰的。系統參數約束和其他參數,如性能、可靠性和物理特性,在參數圖中被捕獲(Hause 2014)。

Hause 2014)。塊定義圖通過層次、關系和分類來描述系統結構。內部塊狀圖描述了系統的內部結構,包括部件、端口和連接器。塊圖中的塊可以代表系統層次結構的任何一級,將系統描述為部件的集合,以及它們之間的連接,從而實現通信和其他形式的互動。端口提供了對塊的內部結構的訪問,以便在更大的結構范圍內使用該對象。需求視圖指定了從利益相關者需求中得出的所需結構和行為屬性。參數視圖提供了系統的關鍵工程參數,用于評估性能、可靠性和物理特性(Friedenthal等人,2012;Hause,2014)。

實施MBSE的這種元模型將幫助系統工程師(建模者)組織和展示信息,以支持開發基于模型的有形需求,從而開發解決方案的選擇。根據建模工具,模型中捕獲的信息可以以文本形式導出,用于審查和合同目的。通過一個以數據為中心的工具實現的MBSE使系統工程師能夠管理需求和模型元素之間的關系。需求變化的影響可以追溯到它們所影響的模型元素。下一節將提出一個C2系統的建模過程。

3.2 指揮與控制系統的建模過程

從上面的討論可以看出,MBSE是一種設計和開發復雜系統的現代方法。原則上,這個過程遵循自上而下的模型應用,而不是基于文件的文本來指定、設計、集成、驗證和操作一個系統。MBSE采用了一個過程來開發和增加模型的細節,使用一個并發和增量的過程來支持利益相關者之間的溝通(Estefan 2007,Walden等人2015,Oosthuizen和Pretorius 2015)。

圖2:基本MBSE建模過程

圖2中用于C2系統建模的基本MBSE流程是松散地基于MoDAF的。該方法根據INCOSE手冊和其他資料進行了調整和簡化,包括以下活動(Walden等人,2015,Ryan等人,2014,Hause 2014):

1.分析利益相關者的需求。這項活動抓住了 "現有 "系統的局限性和潛在的改進領域,以支持開發 "未來 "的解決方案。現有的基于文本的用戶協議和其他需求文件可以為模擬利益相關者的需求提供有用的輸入。

a) 確定系統的背景。第一步是定義系統的邊界,以及與外部系統或操作環境的接口。系統上下文圖的目的是將注意力集中在開發一套完整的系統需求和約束條件時應該考慮的外部因素和事件上。

b) 生成用例。高層次的系統功能是從用戶需求中捕捉到的,在 "使用視圖 "中,它由包的分層結構中的一些用例圖組成。這項活動定義了支持任務要求的系統要求。系統被建模為一個與外部系統和用戶交互的黑盒子。從用例中,系統所需的結構和行為是通過一個反復的過程得出的。

2.生成功能架構。系統功能以活動圖的形式進行建模,定義從用例中得出的行為之間的關系。用例描述和命名中的動詞應被用來定義活動。功能架構的建模使得系統功能需求的開發成為可能。

3.生成邏輯架構。系統被分解和劃分為邏輯元素,它們相互作用,滿足系統需求。邏輯元素是由用例中的名詞衍生出來的。系統的邏輯元素用方框圖來定義它們之間的關系。場景也用泳圖來建模,泳圖結合了活動圖和塊定義圖。泳圖將活動分配給邏輯塊元素,并呈現出活動的邏輯流程。邏輯架構的建模使得非功能系統需求的開發成為可能。

4.生成解決方案的實施。這一步描述了定義資源分配的物理系統元素或節點之間的關系。在邏輯架構中確定的塊通過塊圖的屬性被實例化。內部塊狀圖被用來模擬系統元素之間的接口,以及交換的信息元素。邏輯架構中的元素可以為多種可能的解決方案實現而實例化。

解決方案架構是這個建模過程的輸出,并將被用來得出系統的功能、接口、數據和性能要求。一些解決方案可能會被生成,以輸入到方案選擇過程中。根據合同準則,需求可能會以文本形式或模型庫的形式輸出。

從圖2中的連接器可以看出,這是一個迭代的過程。每個周期都會提高模型的完整性和準確性。視圖也可用于支持C2系統的作戰概念(ConOps)的發展。用一個以軟件數據為中心的MBSE工具來實施這個過程將確保所有的模型元素和它們的標識被管理,以保持一致性和可追溯性。這個過程適用于大多數架構框架。

在這個過程中尚未解決的方面包括需求和順序圖;它們是在實施解決方案的設計的較低層次上需要的。本文討論的過程中沒有包括的其他步驟包括選擇首選的架構以及驗證和核實擬議的解決方案系統。這個框架是制定指定特種作戰C2系統的過程的基礎。

4 特種作戰的指揮與控制概念建模

本節實現了圖2中的過程,為特種作戰定義了一個概念解決方案C2系統。這是在MBSE工具Enterprise Architect?中用SysML生成模型的一些視圖來完成的。為了說明問題,我們將只提供有限數量的模型輸出圖。本節提供的信息將支持下一節的建模方法的演示,以定義一個可能需要用于特種作戰的通用C2系統。本節提供的信息將支持下一節中的建模方法的演示,以定義一個可能需要用于特種作戰的通用C2系統。

4.1 特種作戰背景

對特定作戰環境的方法的每一次應用都將導致不同的C2概念解決方案。為特種作戰量身定做的C2系統的開發必須支持任務,可能會產生關鍵任務的不利后果。特種作戰的主要特征,區別于更多的常規作戰,包括以下內容(Johansen 2015, Kiras 2015, Votel 2016, Brown 1996, Eaton et al:)

1.能力。特種作戰人員實施與普通陸軍、海軍或空軍不同的(專業)能力和技能(如解救人質),而不會產生高成本和失敗的風險。

2.敏捷性和靈活性。特種作戰人員可以迅速抓住機會,適應不可預見的要求和行動挑戰。這使他們能夠與合作伙伴整合,開發戰略機會,以對抗對手采用的非正規和混合方法。他們可以更靈活地直接(外科手術式打擊)以及間接(特種作戰)地運用武力。他們可以在基礎設施有限或受限的惡劣環境中孤立地行動(沒有定期和持續的支持)。

3.作戰規模。特別行動往往是非正統的、高風險的小單位秘密或公開的行動。考慮到特別行動小組的規模相對較小,以及指揮系統很短的事實,小組可以在比大型常規部隊更短的時間內部署。

4.持久和長期的行動。非正規和低強度的沖突需要長期(數月和數年)和持續的行動,以扭轉對手的意志和對抗的根本原因。這就對戰術、行動或戰略層面的連續性和知識管理提出了要求。它允許對人的領域進行深入了解,這對于識別和影響相關行為者以獲得可接受的結果是必要的。

5.支持。行動通常是在國家邊界之外進行的,與OPFOR線后的既定行動或支持基地相距甚遠。這些行動需要專業的支持(公開的和秘密的),不能由任何常規部隊進行。這需要量身定做的能力、保護和后勤支持。特別行動可能需要秘密技術,以確保低能見度,而諸如隱蔽性、欺騙性和間接方法等概念總是被應用。與總部的聯系、進入和保持安全的通信渠道對特種作戰來說是一個挑戰。

6.作戰節奏。由于其規模和靈活性,特別行動單位可以在高節奏下行動。特種作戰人員可以早期、持續和精確地采取行動,以創造所需的決策空間和戰略選擇,提供可持續的結果。

7.國家政策的工具。特別行動組人員經常被部署去執行外交政策,這增加了敏感性和風險程度。可以從軍事或國家指揮的最高層雇用和領導特別行動戰術單位,以實現特定的政治或戰略目標。

8.低層決策。盡管行動是由最高層授權的,但可能產生戰略結果的決定往往是在最低的戰術層面上做出的。各單位積極鼓勵任務指揮,以個人專長為基礎的參與式決策是當務之急。

9.聯合、機構間、政府間和多國行動。當代特別行動傾向于聯合、機構間、政府間和多國行動(JIIM),并以共同的目標和共同的目的形成網絡。目標必須通過本地或代理部隊來實現,并與之合作。人員面臨著與其他行動參與者協調、消除沖突和利用特別行動活動的挑戰。部署特別行動資產是為了收集可能無法通過其他方式獲得的信息。與外部角色的信息共享可能會削弱信任。

以上列出的這些作戰特點將影響到為特種作戰所制定的作戰方案。該解決方案系統必須應對多樣化、自主、復雜和高節奏的行動。由于其應用的多樣性,特種作戰也可以從戰術、作戰或戰略層面進行控制。在較低的戰術層面,外部關系被減少,線性等級制度占主導地位,并以指令的方式提供指揮。在作戰和戰略層面上,與外部伙伴和其他行為者的交往將更加普遍。這些可能不在同一個指揮結構之下,需要以較不直接的方式進行合作和影響。另外,在不同的情況下,不同C2級別的指揮官將獲得不同程度的授權(國防部2017)。

特種作戰ConOps將需要一個模塊化的C2系統,因為同一個用戶在不同的任務中可能面臨不同的挑戰。C2系統必須支持對局勢的理解,以實施對活動的控制和協調(Rantakokko等人,2010年,Alberts 2011)。管理一個模塊化系統的元素和接口可能會成為一個復雜的問題。建議的MBSE過程將協助系統工程師為預期的復雜性和分歧情況得出具體要求。

4.2 上下文分析

系統上下文圖,如圖3所示,定義了系統與環境之間的邊界,顯示了系統與之交互的實體。這張圖是感興趣的系統的高層視圖(黑盒)。感興趣的系統和外部系統上的小藍塊是接口,以方便信息在接口上的流動。箭頭表示信息的流動。外部環境主要由系統和系統外的利益相關者組成。它也提供了對將要開發的實際感興趣的系統的關注。這張圖是要設計的解決方案系統的界限。

圖3:上下文圖

C2系統將著重于界面(如顯示器)和信息處理元素,這些元素將被部署在操作人員和他們的指揮官身上。通信系統被看作是C2系統的外部。通信是C2系統的一個促成因素。它通常由外部單位控制,并由其他人用于不同的目的。C2系統還需要與部署在特種作戰人員身邊的外部傳感器相連接。為了使特種作戰C2系統支持實施協作或邊緣C2方法,將需要有效的通信接口和互操作性。

4.3 用例

用例是用來捕捉和表示特種作戰C2系統的高層次系統功能和用途。用例還確定了不同的場景,以衍生出系統所需的功能。用例被結構化為包,如下圖4所示,以管理不同層次的建模水平。各包之間的箭頭描述了它們之間的依賴關系。用例的來源包括各種公布的理論文件以及與主題專家和其他利益相關者的互動。用例也構成了開發ConOps的基礎。

圖4:用例包

圖5給出了戰術級用戶使用特種作戰C2系統生成態勢感知信息的簡略用例。態勢感知支持指揮官和操作人員了解作戰情況以支持決策。態勢感知支持C2的快速決策。態勢感知需要支持根據收到的新信息或目標的變化在短時間內改變和調整計劃,即使行動是在有限的信息下進行的。信息由經過分析和添加背景的信息對象組成。信息比數據對象處于更高的抽象水平(經過處理)。

圖5:過程信息用例

系統需要實現基于角色的認證,以保護信息的安全性和完整性。這只允許某些用戶以規定的訪問(需要知道)權限訪問信息。與任務相關的作戰環境信息是由觀察事件的信息收集資源在系統中采集的。要在系統中捕獲的典型信息可能包括圖像、視頻、自己的位置報告、氣象信息、地理(地形)信息和社會媒體。

還需要進行信息整理,以接收、處理和顯示有關友軍和敵軍活動或能力的當前信息。信息被顯示在(覆蓋)地形上,以產生一個共同的作戰圖。對數據進行處理以增加其價值,并使其成為可用的 "信息"。這涉及到對不斷變化的政治和軍事環境的正確評價和理解。來自不同傳感器的數據需要進行融合,以便為特定用途提供最適用和準確的信息。最后,特別行動操作人員需要能夠在緊急情況下銷毀系統中的所有信息,以防止機密信息落入敵對勢力之手。

類似的用例可以被生成,以解決戰略或操作層面的用戶和擬議系統的使用。不同的用例也可以為特定的場景生成。其目的是在啟動下一層次的分析之前,確定系統的所有用途和行為者。

4.4 功能架構

C2要執行的功能是由用例中的動詞得出的。系統的功能邏輯結構被記錄在一些活動圖中,以定義活動(功能)之間的關系。圖6顯示了所選功能活動的層次結構。

圖7提供了功能結構的另一種觀點,它由相同的元素(活動)組成,但它們之間有不同的關系(控制和信息流)。首先,C2系統中的信息是通過對作戰環境中的元素的傳感(集成)和操作人員的視覺觀察來獲取的,包括對感興趣的元素的位置和描述。額外的信息被收集,并與GIS數據進行整理,以建立各種信息位之間的聯系。

圖6:功能架構層次結構

這些信息被儲存起來用于顯示和分析。選定的信息要顯示給操作人員,以便為指揮官提供一個完整的戰斗空間圖,以及命令、回應和協調行動的能力。另一個關鍵方面是分析信息,以提高捕獲信息的價值和可用性。同樣,端口被用來定義各項活動之間的接口。

圖7:功能架構

4.5 邏輯架構

C2系統的邏輯結構,如圖8所示,包括從用例中的名詞衍生出來的系統元素,以提供結構和工具(系統元素)。系統被分解和劃分為邏輯元素,這些元素相互作用以滿足系統要求,使用塊中的塊。

圖9提供了圖8中C2系統的邏輯元素之間的接口。該圖由相同的元素(塊)組成,但它們之間有不同的關系(接口)。有關系統的外部邊界上的端口與上下文圖中定義的端口相對應。這些端口定義了項目和信息與外部系統和情況管理系統操作者的流動接口。

圖8:系統架構結構

如圖10所示,邏輯架構中定義的邏輯系統元素執行功能。這里,圖6和圖7的活動被分配給圖8和圖9的塊狀元素。特種作戰C2系統中捕獲的信息在顯示器上呈現給操作人員。該顯示器使操作人員能夠查看信息并與之互動。顯示的信息可以包括由地圖組成的共同行動戰場圖,其中有自己的部隊、友軍、威脅部隊和目標位置。可根據需要過濾的其他信息包括任務狀態、人員健康狀態、電子攻擊警告和實時視頻或照片圖像。這些信息可能來自于同地的傳感器,這些傳感器可能被整合到C2系統中。

圖9:帶有接口的系統架構

信息分析工具或應用程序支持對捕獲的信息進行分析和處理,以支持情報過程(周期)以及發展局勢意識。該工具通過態勢感知顯示器訪問存儲的信息,以查看、回放和處理數據庫中的信息。C2系統中的所有信息都存儲在一個集中的數據庫中。該數據庫需要一個適合于所有特種作戰任務的數據元模型和本體論。

圖10:邏輯架構

4.6 方案實施

建模過程的最后一步是將邏輯和功能結構轉換為具體的解決方案選擇,以便進行分析和權衡。選定的解決方案描述將構成所需采購的C2系統的系統需求說明的基礎。如圖11所示,這一步描述了定義資源分配的物理系統元素或節點之間的關系。

在邏輯結構中確定的塊是通過塊圖的屬性來實例化的。SysML塊(UML類)被實例化為屬性(UML對象),以模擬不同的解決方案。一個塊可以通過多個屬性進行實例化,如綜合傳感器和情況意識顯示邏輯元素。信息分析工具在戰術部署的個人綜合C2系統中沒有被實例化,因為操作者可能沒有時間進行信息分析。這種方法使系統工程師能夠在其系統設計中實現模塊化。

圖11:C2系統解決方案實施

4.7 可追溯性

用軟件工具實現MBSE的一個優點是能夠保持工具中捕獲的各種元素之間的可追溯性,如圖12所示。這種可追溯性使系統工程師能夠實施變更管理。一個用例中的變化可以被追蹤到系統解決方案中的影響。這些塊中的任何一個都可以被追蹤到用戶、系統或實施的需求。

圖12:元素可追溯性

4.8 討論

本節展示了基于MBSE的C2系統開發方法,該方法將在復雜環境中使用。這個過程是獨立于架構框架的,并且可以連接到基于能力的系統建模中。建模的力量是為所有的系統元素及其關系和相互作用提供一個可視化的表示。一張圖片勝過1000個字。模型幫助利益相關者理解他們的需求和系統解決方案的含義。由于復雜的關系更容易被視覺化和管理,模型的圖表在審查時仍然更容易使用。

在這個過程的每一步,都有可能為系統定義和添加需求。每個需求都可以與一個特定的元素相關聯或被追蹤。在需求和系統元素之間甚至可以有多對多的關系。如果存在一個需求列表(如用戶需求),它可以被導入到工具中,并與各種模型元素相聯系。

大多數MBSE工具使建模者能夠為模型元素和關系添加文本描述。這些工具也有自動化的應用,可以將圖與元素的描述導出為基于文本的報告,供利益相關者正式審查和接受。報告可以是需求說明的形式,也可以是只包含模型所要求的特定信息的系統描述的ConOps。

在開發和實施系統的組織中,模型的可移植性也很重要。對模型元素(用例、活動和邏輯塊)的訪問和對需求的追蹤將有助于權衡和設計決策。

5 結論

本文提出了一個MBSE過程,并通過開發一個用于特種作戰的C2系統對其進行了演示。由于開發復雜的社會技術系統的系統工程變得越來越困難,MBSE提供了一種方法來設計和實施有效的模塊化系統。在需求分析和概念開發階段,捕捉和表現系統的利益相關者的心理模型的模型有助于理解這種復雜性。

使用基于模型(以數據為中心)的軟件工具對系統進行建模,有助于管理復雜性和需求與建議的解決方案概念之間的可追溯性。保持各種系統圖和視圖之間的可追溯性,確保定義的模型元素及其關系的一致性。

為了證明MBSE方法,一個社會技術系統以特種作戰的C2形式在通用水平上進行了建模。這些視圖為深入分析和開發一個實際的C2系統提供了結構。

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人工智能在軍事中可用于多項任務,例如目標識別、大數據處理、作戰系統、網絡安全、后勤運輸、戰爭醫療、威脅和安全監測以及戰斗模擬和訓練。

在裝甲兵領導課程(CLC)上授課的小組領導發現了一個問題,即學生在掌握指定興趣區(NAI)開發概念時--特別是當偵察目標不是以 "威脅 "為重點時。學生們傾向于在地圖上畫出許多他們作為參謀和指揮官希望得到更多信息的NAI。不幸的是,這種情況發生時,很少考慮到它與優先情報要求(PIRs)、指標或戰場上的執行決定之間的關系。這不可避免地導致了在任何東西周圍繪制過多的NAI,認為我們需要 "看到一切"。

從CLC、機動預指揮課程(MPCC)和作戰訓練中心(CTC)的整個課堂環境中觀察到的情況清楚地表明,對PIRs和NAIs之間的關系缺乏了解。參謀人員和指揮官經常將他們 "想知道的 "和他們 "需要知道的 "混淆起來,以做出決策。結果,信息收集(IC)計劃沒有完全制定出來,因為無法通過適當的NAI發展來關注IC而產生的問題。

與交戰區(EA)的開發不同,目前還沒有堅實的方法來開發NAI。這個過程是混亂的,因為理論上繼續自相矛盾。首先,我們必須了解什么是NAI,以及為什么它們很重要。野戰手冊(FM)3-98,《偵察和安全行動》,將NAI定義為 "一個地理空間區域、系統節點或鏈接,可以針對其收集信息,以滿足特定的信息要求。通常選擇[NAI]是為了捕捉對手行動路線的跡象,但它們也可能與作戰環境的條件有關。" 簡而言之,我們從這個定義中了解到,制定NAI是為了幫助我們的IC將注意力集中在一個行動的眾多不同方面。

采集疊加(見FM3-55,信息采集,圖4-2),加上IC矩陣(FM3-55中的圖4-1),對制定裝甲兵中隊的機動方案至關重要。這些NAI的放置將發展旅的采集計劃,并且根據所使用的偵察技術,將推動作戰指揮官的執行或調整決定。正如指揮官不會胡亂放置EA一樣,我們也不應該隨意放置NAI。采集條令還沒有完全發展起來,以支持裝甲兵中隊的偵察和安全(R&S)行動。

本文將進一步描述通過在現有的戰場情報準備(IPB)過程中應用EA開發,為地形、基礎設施和民用目標定義NAI的方法。

當前條令中的NAI

陸軍技術出版物(ATP)2-01.3《戰場情報準備》解釋說,制定NAI的依據是IPB過程的第4步。圖1展示了當我們的偵察目標是以威脅為重點時應該做什么。

利用制定的各種敵方行動路線(CoA)并將其相互疊加,我們在多個CoA中尋找差異或指標。這些差異發生的地方將被開發為NAI。參謀人員不會把NAI放在任何有相同模板的敵人的區域上,因為它們不是特定行動路線的指標。

然而,當偵察目標不是基于威脅,而重點是地形、基礎設施或社會時,會發生什么?如果我們的重點是地形,而我們的偵察目標是確定友軍的戰斗位置,那么在多個地點周圍畫出表明敵人是否正在投入他最可能或最危險的CoA的NAI就沒有什么用處。ATP 2-01.3的圖6-8中概述的方法(在圖1中表示)是有用的,但對于制定一個完整的IC計劃來說,它還不夠徹底。在一個時間有限的環境中,這種方法可能是有效的,如果,也只有當偵察的目標是以威脅為重點時。否則,它往往會產生過量的NAI來收集,而且它實際上有損于一個完整的過程來集中偵察。

圖1. 事件模板例子。(基于圖6-8,ATP 2-01.3)

NAI開發

新出版的IPB手冊承認,NAI可以以作戰環境為重點。然而,該條令沒有涉及如何制定不以威脅為重點的NAI。這種開發上的差距迫使我們首先理解NAI、PIRs和最終指揮官可能必須做出的決定之間的關系,從而解釋和拼湊我們自己的方法。

"FM3-98中的第1-1章指出:"偵察行動使指揮官能夠了解情況,將戰斗可視化并作出決定。"安全行動提供反應時間和機動空間,以便作出決定,并保護部隊免遭意外的危險"。

FM 3-98第一章第一段中常見的關鍵詞是 "決策",因為我們最終進行R&S行動是為了幫助指揮官做出決策,以保持他或她在戰場上的相對優勢地位。我們通過回答PIR并使指揮官能夠及時做出決定并指揮部隊取得任務的成功來完成這項任務(見FM 3-98第1-24章)。FM3-98中的第1-25章對此進行了闡述,指出PIRs確定了指揮官認為最重要的、對未來決策有影響的關于敵人、地形、天氣和民事考慮的信息。

簡而言之,我們了解到,R&S行動是通過回答有關整個作戰環境的問題來幫助指揮官在戰場上做出及時的決策,而不是像ATP 2-01.3引導我們相信的那樣只針對威脅。隨后,國家情報局被發展為確定PIR指標的地理空間區域。但是,哪個先來?國家情報區?還是指標?

NAI開發過程

在CLC,我們建議在開發NAI的過程中采用類似于開發EA的程序。這個模式最重要的一個方面是制定PIR和確定在回答PIR時要執行的相關決定。如果參謀部沒有將這些PIRs與指揮官在行動中可能做出的決定聯系起來,那么制定的NAIs可能更傾向于指揮官 "想知道"(信息要求)與 "需要知道"(指揮官的關鍵信息要求)的內容,并偏離實際的情報收集。

在本文中,我們將使用一個以地形為重點的偵察目標,并注明PIR:"紅方目標是否適合作為營級規模的集結區?"

第1步:將PIR分解為指標。這一步驟的關鍵產出是制定指標,并確定而不是安排這些指標的可能位置。與EA開發的步驟1和2一樣,NAI開發的步驟1需要分析。這一步將主要依靠參謀人員在任務分析和隨后的IPB期間的發展。在EA開發中,下屬單位將首先確定接近的途徑和敵人的機動方案。在NAI開發過程中,首先要確定PIR,然后將PIR分解為指標和具體信息要求(SIR),從而為這一步驟提供投入。

與EA開發一樣,在前面確定PIR,使單元能夠確定它要收集的東西,在地圖上隨意畫出NAI之前,給行動提供背景和目的。通過平行規劃過程,上級和下級都將把PIR細化為指標和SIR。

在表1的例子中,我們在對戰術集結區(TAA)進行偵察時已經確定了PIR,現在必須將其分解為指標。將PIR分解成指標將使我們能夠在整個作戰環境中進行收集,包括基礎設施、地形和社會,同時繼續關注實際的偵察目標。這些指標必須足夠具體,以便收集指標的士兵或資產能夠很容易地確定他們正在尋找的東西,而沒有什么疑問和解釋的余地。

對于一個營級集結區來說,簡單地說明 "該地區必須是可防御的和合適的",作為一個指標還不夠具體。然而,通過說明我們將不得不考慮一個區域,"必須是500米×1200米,有360度無遮擋的視野,避免與周圍較高的地形或建筑物相鄰(ATP 3-37.10,表E-1),并且東道國安全部隊(HNSF)愿意支持我們占領該地區",我們現在明白了在行動區(AO)要尋找什么指標。既然我們了解了與我們的PIR相關的指標是什么,我們就可以開始研究在行動區的什么地方能夠識別它。在NAI開發過程的這第一步,我們開始建立我們的IC矩陣。

表1. NAI開發過程第1步產出。

第2步:收集的最佳規劃。這一步的關鍵產出是確定哪些可用資產最能確認或否定預計在行動區的指標。既然我們已經確定了我們要收集什么(表1),我們現在必須確定什么能力可以收集它們。在這一步驟中,工作人員應將指標細化到SIRs,這將有助于根據信息要求對能力進行任務分配。其結果將有利于參謀部在下馬、上馬、空中或火力偵察等偵察方法范圍內分配單位任務,并確定騎兵中隊是否有資源來回應PIR。(見表2)。

值得注意的是,ATP 2-01《規劃要求和評估收集》將SIRs作為更具體的指標,而不是根據信息要求促進任務分配的實際資產或能力。FM 3-98將SIRs作為促進任務分配的實際資產/能力。在本文中,我們使用FM 3-98中概述的定義。

表2. NAI開發過程第2步的產出。

第3步:確定收集地點。這一步的關鍵產出是將NAI放置在地圖上。與EA開發的步驟3類似,我們在步驟3中的NAI開發過程將要求實際放置NAI。為了完成這一步驟,我們必須考慮到之前在NAI開發過程的第1步中所確定的指標,現在要具體看一看將收集這些指標的地方或區域。

在我們的例子中,假定當地人口眾多,騎兵中隊將無法在信息有價值的最近時間(LTIoV)之前對該地區進行偵察,因此必須將NAI放在一個可以集中偵察的特定區域。NAI(NAI 2b)將被放置在最有可能發現指標的地方。在這個例子中,我們將使用政治中心、警察局和軍事基地。

第4步:分配資產收集。本步驟的關鍵產出是分配偵察資產以收集特定的國家情報機構。與EA開發的第5和第6步類似,我們現在通過進一步完善我們的SIR,指定具體的偵察資產來收集指定的NAI。這將最終推動開機和關機時間以及LTIoV的細化。參謀人員必須確定哪些資產將對哪些國家情報機構進行偵察。

已經確定要收集的一個指標是HNSF支持我們占領TAA的意愿。我們知道,地面和空中資產都可以收集,所以把這些確定為潛在的收集方法。然而,雖然無人駕駛航空系統(UAS)等空中偵察方法--即影子--可以觀察到政府大樓和進出該地區的交通量,但它實際上無法確定民眾支持TAA的意愿,因為人與人之間的互動是零。在這種情況下,根據確定的指標,使用下馬和上馬的偵察方法--如具有信號情報(SIGINT)/人類情報(HUMINT)(多功能小組)能力的全天候偵察員,是收集所需信息的最佳資產和能力。

表3. NAI開發過程第3步的產出。

表4. NAI開發過程第4步的產出。

一旦NAI開發過程的前四個步驟完成,IC矩陣和覆蓋層也就完成了。

第5步:評估采集的風險。這一步驟的關鍵產出是實施偵察管理。雖然EA開發的第7步是演練EA中的操作,但NAI開發過程的第5步是評估采集的風險。工作人員查看已完成的IC覆蓋圖和矩陣,確定哪里存在采集風險(如果有的話)。然后,工作人員制定一個計劃,根據需要減輕風險。

在我們的例子中,如果無人機系統的任務是觀察NAI 2b(在步驟3中確定的政府大樓),它可以收集信息,隨后提示下馬的偵察人員或SIGINT/HUMINT小組以適當的偵察節奏前往完善的地點。

開發案例總結

在本文中,我們使用了一個以地形為重點的偵察目標,以及 "紅方目標是否適合作為營級集結區?"的PIR。我們制定的步驟是:

  • NAI開發過程的第1步幫助我們將PIR細化為一個面積為500米x1200米的區域的指標,附近有一座政府大樓。

  • 第2步幫助我們確定偵察員/光學儀器、無人機系統和SIGINT/HUMINT可以根據這些指標進行收集。

  • 步驟3使用步驟1和2在地圖上制定實際的NAI,其中我們確定NAI 2b是最合適的。

  • 第4步幫助我們在第2步確定的SIR指導下為每個NAI分配具體資產。它還幫助我們理解,SIGINT/HUMINT資產更適合于針對HNSF的意愿進行收集。

  • 第5步幫助我們看到了完整的畫面,并確定如果我們在NAI 2b使用UAS進行收集,我們可能必須使用提示來幫助回答我們的PIR。

如果我們使用ATP 2-01.3圖6-8中當前以威脅為重點的條令,我們就不會得出NAI 2b是營級規模TAA的理想地點的結論,因為我們會將注意力集中在AO中存在的威脅,而不是實際的地形偵察目標。

結論

國家情報局的發展進程是根據在CLC、MPCC和CTC觀察到的趨勢提出的一種方法,以解決條令中的現有差距。目前的條令說明了以威脅為重點的收集,但它并不適用于地形、基礎設施或基于地形的偵察目標。因此,由于缺乏對PIR、指標和NAI之間關系的了解,目前的條令往往會導致不相關的NAI過多的出現。

我們提出了這個簡單的五步程序,它使用了現有的條令(IC收集覆蓋和IC矩陣),但對實際所需的產出進行了規定并提供了更多的清晰度。通過將PIR分解成指標,計劃最佳的收集方法,確定收集地點,分配收集資產,然后評估收集的風險,指揮官和工作人員將最終確保每個NAI得到適當的開發。

只有在制定了指標之后,才可制定NAI。通過這樣做,我們可以縮小偵察行動的實際重點(威脅、基礎設施、地形或社會),然后得出我們的NAI。這將不可避免地幫助收集資產回答PIRs,并幫助指揮官做出決策,以保持他或她在戰場上的相對優勢地位。

作者

威廉-沃茨中尉是CLC課程主任,被分配到P部隊,3-16騎兵隊,316騎兵旅,喬治亞州本寧堡。他以前的任務包括加利福尼亞州歐文堡第11裝甲騎兵團第2中隊總部和總部部隊指揮官;歐文堡第11裝甲騎兵團第2中隊G部隊指揮官;華盛頓州劉易斯堡第2步兵師第4旅第1騎兵團第2中隊A部隊執行官;以及劉易斯堡第2步兵師第4旅第2-1騎兵團C部隊排長。瓦特中尉的軍事學校包括基本軍官領導課程(BOLC)II,BOLC III,陸軍偵察課程,CLC,MCCC和空降學校。他擁有北喬治亞學院和州立大學的心理學學士學位。他獲得的獎項包括帶第二枚橡樹葉簇的功勛獎章和戰斗行動徽章。

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戰爭的未來已經確定,聯合全域作戰(JADO)是美國防部和各軍種作戰方式的重點。國防戰略為軍隊制定了新的優先事項,并將重點放在同行和近鄰的威脅上。聯合全域作戰是定義未來戰爭的關鍵概念。隨著各軍事部門對新技術的調整,訓練將需要反映不斷增長的威脅、能力和對整合的挑戰。戰斗指揮官要求JADO攻擊者,進行實戰演習和虛擬兵棋推演,作為培訓JADO藍軍、攻擊者和決策者的支持性方法。

參謀長聯席會議主席馬克-米利將軍規定了美國防部JADO的角色。美國陸軍負責后勤,美國海軍負責全球和聯合火力,海軍陸戰隊和美國太空部隊的角色在非機密出版物中沒有明確規定。美國空軍負責JADC2的角色。隨著各軍種的發展、訓練和整合,他們需要與對手進行訓練、戰斗和體驗失敗。美國防部還需要檢查現有的聯合結構和條令,為JADO演習和兵棋推演創建侵略者(Hitchens, 2020)。

在空戰管理系統(ABMS)內使用戰術云是支持JADC2的最新技術。這套系統和傳感器旨在幫助整合所有領域的先進通信。據戈德費恩將軍稱,其意圖被稱為 "聯合作戰的Uber "或 "所有傳感器,所有射手"。這些不同的技術正在被訓練、測試,并在不同的獲取或操作階段進行評估。"JADC2不可能是實現融合的單一方法,而必須是針對構成擴大戰場的幾種不同環境的若干解決方案的綜合體,"(Broome, VIII)。該技術需要針對每個領域進行測試和訓練。

美國陸軍戰爭學院在2020年發表了一份名為《聯合全域作戰的指揮》報告。作者剖析并重新審視了目前的武裝部門,不包括太空部隊和海岸警衛隊,目前和未來的聯合能力。"由于缺乏信任,目前的聯合文化優先考慮組件內的解決方案,而不是全域方法,"(Broome, IX)。在這種缺乏信任的情況下,軍隊如何在真正的聯合或全域沖突中發揮領導作用?"促成全域作戰的關鍵因素是軍種間的信任。相信整個聯合部隊的領導人,無論其作戰背景或所屬軍種如何,都會成為其他領域能力的好管家"(Broome, IX)。

伯杰將軍主張發展 "多軸、多領域的精確火力,使之成為所有梯隊的有機組成部分,通過網絡聯合系統來確保所有元素都能在退化的指揮和控制環境中作戰",以及 "更小但連接更好的編隊,有機地擁有適合梯隊的完整殺傷鏈,并能在有爭議的作戰環境中獲勝"(伯杰,12)。建議的想法是通過各級指揮系統改善現今的JADO能力和決策的整合。例如,FerryBridge Group LLC的創始人、擁有21年經驗的退役海軍軍官Bryan McGrath認為,無論哪個軍種領域是軍事行動的重點,都會得到其他軍種的全力支持,并將這種關系比作海軍陸戰隊軍官和海軍軍官在入侵期間 "在對方占優勢的階段各自支持對方"(McGrath, 2019)。

一旦技術和領導層確定下來,就應該開始對聯合防衛組織進行培訓、標準化和評估。目前,來自不同部門的單位如果處于同一作戰領域,就會在一起訓練。美國空軍有兩個指定的F-16戰斗機中隊,并計劃為空域納入一個F-35A中隊。第527太空侵略者中隊的任務是訓練美國和國際盟友在太空領域的戰斗。美國陸軍在兩個不同的訓練區為步兵和裝甲部隊進行旅級的對抗紅隊訓練。美國海軍在各種艦隊訓練演習中使用各種紅隊,并執行特定的任務集。

國防科學委員會工作組在2003年發表了一份關于國防部紅方小組活動的作用和現狀的報告。自2003年以來已經吸取了許多教訓,有些教訓今天仍然適用。第一條是 "加深對美國現在在反恐戰爭中面臨的對手的了解,特別是他們的能力和對美國 "倡議 "的潛在反應"。第二是 "防止自滿,"(DSB,15-16)現在反恐戰爭的重點已經轉移到同級和近級的威脅。

國防科學委員會特別工作組建議采取步驟,在整個部門有效使用紅方小組,并在關鍵領域建立紅方小組(DSB,16)。這種紅隊的要求在各個作戰領域都是至關重要的。然而,如果在多個領域進行更多的演習,它們需要受到一個有凝聚力的聯合紅隊的挑戰,而不是來自一個單一領域的不連貫的工作。JADO指揮官需要能夠依靠一支共同訓練的部隊。"有必要打破每個學科中建立的壁壘和爐灶。這方面的關鍵是實際行使MDO(多域作戰)"(Rothstein, 20)。

紅隊需要適當地組織起來,以促進各種級別的訓練。場景必須與國防戰略和作戰司令部的重點責任區相匹配。侵略者應該把自己作為一支力量進行演練。"訓練應該被納入COCOM的演習中,在有爭議的環境中使用實際的系統流程,有一個'紅方團隊',"(Rothstein,11)。

紅隊訓練的兩個歷史例子是戰時的航空母艦和 "死后行動"。美國海軍戰爭學院在戰時的一系列兵棋推演考驗了海軍。決策受到了航空母艦潛在用途的影響。最新的技術被證明優于戰艦的舊技術,而戰艦在幾十年前是海上的主導力量。"死后行動 "是皇家空軍試圖訓練和測試繳獲的納粹德國雷達系統。盡管沒有德國空軍的戰斗機保護地面雷達,但英國人還是能夠在他們的系統上應用所學到的經驗(Gold 32)。

兵棋推演在訓練JADO部隊和侵略者方面具有最大的潛力。"演習應努力包括多領域的現實主義,減少'仙塵',"(Rothstein,11)。各軍種對兵棋推演有不同的觀點和做法。空軍的萊梅中心在2018年底舉辦了持續幾天的杜利特爾近距離兵棋推演場景。海軍在其海軍戰爭學院有一個世紀的兵棋推演歷史,涵蓋了戰爭的各個階段和時間框架。陸軍和海軍陸戰隊在過去五年里有各種在機密系統上進行的數字兵棋推演,被稱為戰斗俱樂部。(Jensen 2019) "結果很明顯:鐵杵磨成針。戰爭游戲提供了一個競爭性論壇,以測試關鍵的假設,并確定關鍵的脆弱性和機會。模擬動員規劃、多域作戰和無意中升級的戰略風險,有助于軍事專業人員成為更好的作戰人員,了解現代能力和作戰藝術。"(詹森,2019)。

這些不同的兵棋推演可以在大規模演習所累積的財政投資之前訓練領導人。"在JPME(聯合專業軍事教育)中對JAD進行戰役化連接,對學生和概念開發者都有直接的好處。它教導軍官如何預測對手在各個領域的行動,加強JAD的概念,同時展示計劃的不足,"(Catching, 2020)。理想情況下,作戰指揮官將主持一個為期兩周的數字兵棋推演,主題專家可以提供意見,侵略者可以作出反應,并且有廣泛的選擇。

智囊團和各種供應商可以幫助創建一個虛擬的信息庫和較小規模的游戲。理想情況下,海軍陸戰隊步兵軍官可以通過完成一系列較小的戰術虛擬兵棋推演來為聯合演習做準備,以獲得對其他領域的更多了解。該圖書館可以包括理論、戰術、技術和程序,以幫助人們獲得理解。演習主辦方可以授權主題專家和侵略者來幫助策劃所有參與者的兵棋庫。這位海軍陸戰隊步兵軍官將前往作戰指揮官的季度兵棋推演,為JAD指揮官和單點或多個位置的防御做好準備(Jensen 2019)。

結論

JADO領導人需要訓練。為了讓下一代作戰指揮官有效地利用所有領域,美國防部需要近期有能力在整個JADO環境中進行訓練、演習和兵棋推演。創建多個JADO侵略者單位將允許作戰單位為未來的沖突做準備,并能在軍事戰役中發揮效力。

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美國空軍研究實驗室(AFRL)在技術開發方面的主要目標之一是將技術轉移給 "客戶",以滿足能力需求。這種轉換可以是在AFRL內部,也可以是向工業界,向系統項目辦公室(SPO),或直接向作戰人員。每個 "客戶 "類別都描述了一個潛在的 "過渡伙伴"。技術開發可以發生在支持客戶要求的成熟期("技術拉動"),即客戶提出他們的需求("要求"),AFRL用為滿足該需求而定制的技術發展來回應。當AFRL開發新技術或根據其作為關鍵技術領域的科學和技術(S&T)領導者的角色為舊技術找到新用途時,技術發展也可以在沒有具體要求的情況下發生。這被稱為 "技術推動",當AFRL科學家進行的基礎和/或應用科學研究發現了以前未知的軍事能力的潛力時,就會發生這種情況。技術拉動 "和 "技術推動 "項目都可以改變AFRL其他項目、工業、SPO或作戰人員的可能性,創造出潛在的破壞性能力,如果沒有相應的科技研究活動,對手是很難對付的。任何轉型所面臨的挑戰是,技術的價值可能沒有被更廣泛的社會所理解,在新技術的情況下,也沒有被進行研究的科學家所理解。

科學家和潛在的過渡伙伴之間的討論往往不能準確地確定一項技術的成熟度、潛在的軍事用途,以及一項技術的合理和可靠的使用時間表。在 "技術拉動 "和 "技術推動 "的情況下,對技術成熟度的準確描述是必要的,以告知科技領導層和潛在過渡伙伴開發的進展。成熟度,通常被稱為技術準備水平(TRL),是一個時間快照,它描述了演示或測試環境的特點,在該環境下,一項特定的技術被成功地測試。美國國防部(DoD)對TRL有一個標準的定義,從1到9,范圍從基本原理到實際任務操作中證明的實際系統。 從歷史上看,官方的TRL評估只在正式的采購過程中被系統地分配,然而,在AFRL項目開發的各個層面,通常都會要求進行技術成熟度評估。

目前缺乏一種系統的方法來評估AFRL技術,也缺乏對任何評估的文件驗證。雖然這并不是轉型失敗的原因,但有條不紊、準確和可驗證的TRL評估過程有助于為其他多個過程奠定基礎;支持與其他科技專業人士、管理機構和潛在的轉型伙伴進行有意義的合作;并支持提高AFRL技術轉型的概率。這些其他過程包括技術成熟計劃(TMP)、推進難度(AD2)、制造準備水平(MRL)、集成準備水平(IRL)、系統準備評估和水平(SRA和SRL)、空軍未來(HAF/A57,正式的空軍作戰人員集成能力(AFWIC))。技術、任務、資源、組織(TMRO)方法,AFRL過渡指標(ATM)和項目管理審查(PMR)。

TRL可以通過各種方式得出,但通常是通過技術準備評估(TRA)來確定。技術準備評估是在對技術的形式、與系統其他部分的集成程度以及操作環境等方面的保真度逐步提高的基礎上確定TRL的。TRA是一個系統的、以證據為基礎的過程,評估關鍵技術要素(CTE)的成熟度,這些要素可以是硬件、軟件、過程或它們的組合。一個技術要素是 "關鍵 "的,如果被收購的系統依賴于這個技術要素來滿足操作要求(在可接受的成本和進度限制內),如果該技術要素或其應用是一項新技術,以一種新的方式使用舊的/更新的技術,或者該技術要素或其應用在詳細設計或演示期間被用于構成重大技術風險的領域。正式的TRA最常被用來支持一個采購項目的確定階段,如美國法典第10章第2366b條詳細規定的要求,即在里程碑B批準之前,一個項目必須在相關環境中進行演示;然而,非正式的,或 "知識建設TRA",也可以用來評估技術成熟度,為開發人員、項目經理、管理機構和潛在的過渡伙伴提供有用的信息,以更有效地成熟關鍵技術,確定一個技術的準備程度,管理和解決當前和未來的發展風險。

今天,國防戰略和空軍參謀長和空間業務主管要求加速技術發展,并使能力更快地進入作戰人員手中。 一個可靠的、可重復的技術成熟度評估是后續和同步進程和方法的關鍵,如TMPs、AD2、MRLs、IRLs、SRAs和SRLs、TMRO、ATM和PMRs,并為支持AFRL內部、工業、SPO或在技術被證明達到適當水平后直接向作戰人員的快速過渡活動建立了基礎。本研究提出了進行這些TRA的建議程序和工具。

研究目標

本研究的主要目的是確定和推薦一個嚴格的、標準化的、可重復的程序和支持工具,以進行TRA,從伙伴的角度增加現有技術解決方案的可信度,并支持增加成功技術的過渡概率。因此,本研究將:

  • 確定一個量身定做的、嚴格的、標準化的、可重復的TRA流程,以進行可靠的TRA,同時提供支持流程執行的工具。

  • 將評估何時進行TRA的過程系統化,如何處理結果,以及如何確定下一步。

  • 詳細說明識別CTE的系統方法

  • 制作一個可定制的TRA模板,包括對可信度和客觀性至關重要的特征

  • 確定支持技術成熟和TRL評估的RY能力

  • 將技術要素納入建模、模擬和分析(MS&A)的方法。

  • 確定數據工件和儲存庫,以證明所分配的TRL。

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指揮與控制(C2)--由適當指定的指揮官對指定的和附屬的部隊行使權力和指導--是戰爭藝術和科學的根本。指揮官對C2負責。通過C2,指揮官提供目的和方向,以整合所有的軍事活動,實現一個共同的目標--完成任務。

指揮官需要得到支持才能有效行使C2。在每一個指揮梯隊中,每個指揮官都會建立一個C2系統--人員、程序、網絡和指揮所的安排,使指揮官能夠開展行動。C2系統支持指揮官的決策,將指揮官的決定傳播給下屬,并為控制部隊提供便利。指揮官運用他們的C2系統,使開展行動的人員和編隊能夠為一個共同的目標而努力。所有的設備和程序都是為了實現這一目的。指揮官組織其C2系統的四個組成部分,以支持決策和促進溝通。

FM6-0旨在為幾個目的服務。首先,它為指揮官和參謀部提供了許多與建立其C2系統相關的戰術和程序。與FM5-0《計劃和命令的產生》一起,FM6-0提供了有關人員、程序、網絡和指揮所的詳細信息,協助指揮官行使C2。其次,本手冊提供了多種模板和產品實例,指揮官和參謀部在開展行動時經常使用。應該注意的是,指揮官可以根據需要修改產品以滿足任務要求。當地的標準操作程序也可以提供更適合于特定情況的產品范例。

此版本的FM6-0包括關鍵的更新和變化。

  • 與ADP 6-0中的C2條令相嵌套。
  • 使用C2系統的組成部分作為指導。
  • 將所有與計劃和命令生產有關的信息移至FM5-0。
  • 增加了一個關于指揮所組織和運作的章節。
  • 增加了一個關于對外披露的附錄。
  • 增加了一個關于行動后報告的附錄。

FM6-0包含九章和六個附錄。以下是各章和附錄的簡要介紹。

第1章概述了C2、任務指揮、C2作戰功能及其相關任務和系統。

第2章描述了作為C2系統人員組成部分的工作人員的職責、責任和特點。它還解釋了工作人員的關系和建立工作人員團隊的重要性。

第3章提供了關于聯絡官和聯絡小組的角色和責任的信息。它包括聯絡檢查表和一個聯絡官手冊的例子大綱。

第4章涉及單位的戰斗節奏,包括責任、發展和批準。然后,它提供了在指揮所中進行的典型會議、委員會和工作組的描述和模板。

第5章重點討論了知識管理和信息管理的開展。它提出了一個用于解釋從數據到理解的過程的模型。該章描述了知識管理的具體內容,然后討論了信息管理以及知識管理和信息管理之間的相互關系。

第6章提供了關于指揮所中典型的網絡通信能力和系統的信息,描述了當前用于開發共同作戰圖景的信息系統,以及指揮所通信的注意事項。

第7章描述了所有指揮所的共同功能,并討論了各梯隊和單位的指揮所類型。它提供了有效的指揮所組織和使用的考慮。

第8章描述了如何將工作人員組織成指揮所單元,以及指揮所的物理布局技術,以促進有效的指揮所運作。

第9章描述了指揮所的運作,包括關于制定標準操作程序、指揮所安全和防御以及指揮所人員和設備的生命支持的討論。

附錄A提供了關于如何準備和撰寫參謀部研究報告形式的正式報告的信息、指導和一個附加注釋的例子,以及關于如何準備和撰寫決策文件的信息。

附錄B提供了關于如何準備和進行四種類型的軍事簡報的信息、指導和附加說明的例子。

附錄C描述了排練的類型,列出了相關人員的責任,并包含了進行排練的指南。

附錄D提供了有關對外披露的信息。

附錄E描述了指揮所戰斗演習的目的和特點,包括用于制定戰斗演習的技術和記錄演習的模板。

附錄F提供了關于行動后報告的信息

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未來的系統開發包括指揮和控制(C2)技術,以支持空戰管理人員(ABM)和戰斗機飛行員,因為他們支持在一個更大的系統系統中使用自主無人機系統(UAS)的復雜任務。在復雜的、不斷發展的和動態的環境中,人類作戰員有效地觀察、定位、決定和行動的能力是必不可少的。然而,在ABM和飛行員之間的UAS監管變化過程中,作戰者的表現可能會下降,這大大增加了作戰者的認知工作量,超過了以往任務中通常看到的工作量。不幸的是,C2技術的發展往往把重點放在自動化和硬件上,使人類作戰員的參與度不足,不利于人與自動化的互動。目前,數字工程和基于模型的系統工程(MBSE)工具正在迅速被系統開發、整合和管理所采用,以支持整合這些系統所需的復雜開發工作。目前的研究在MBSE工具中整合了人的考慮,以分析開發過程中人與自動化的合作。該方法支持在建模的任務模擬中用一對專門的活動圖表示自動化輔助和人類作戰者,稱為任務行為者圖和OODA2活動圖,允許分析作戰過程中的錯誤和瓶頸。這種方法說明有可能減少作戰員的認知工作量,改善作戰員的決策,提高系統性能,同時減少系統重新設計的時間。

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執行摘要

研究要求:

21世紀的美國陸軍領導人面臨著無與倫比的復雜情況。越來越多的陸軍領導人被賦予管理作戰環境的任務,這些環境是多方面的、高度動態的,而且經常在 "灰色地帶 "進行,沖突的性質本身并不明確(ISAB,2017)。這些極其復雜的環境對軍事領導人提出了空前的要求。雖然技術能力和戰斗力是過去常規武力沖突中的關鍵區別,但今天的沖突中的關鍵區別是精神力量和敏捷性(Kay,2016)。軍隊領導人需要先進的認知和行為技能來理解和管理領導人面臨的模糊和復雜的問題,并有效地領導他們的單位。為了做出有效的決策,領導人需要能夠進行整體思考,認識到各種聯系,預測決策的二階和三階效應,質疑假設,想象情況可能會演變到未來,并向他人傳達他們的理解。

為了滿足對能夠有效理解和管理復雜作戰問題的陸軍領導人的需求,陸軍于2010年將陸軍設計方法學(ADM)引入條令。陸軍條令將ADM定義為"......一種應用批判性和創造性思維來理解、想象和描述不熟悉的問題和解決方法的方法"(陸軍部,2015,第1-3頁)。在2010年推出ADM條令后不久,美國陸軍行為和社會科學研究所(ARI)啟動了一項關于設計思維、陸軍設計方法和戰略思維的多年研究計劃。ARI的研究計劃包含了一系列的研究,以確定與設計和戰略思維相關的行為和高級認知技能的發展和維持有關的挑戰和要求。這里報告的工作目標是對設計和戰略思維研究項目的結果進行總體分析、綜合和整合,并根據項目的關鍵見解向軍隊提出建議。

程序:

為了支持研究要求,研究小組對ARI的研究項目進行了系統的檢查,以提取整個研究項目中出現的關鍵見解。分析和綜合過程是由報告或產品審查、分析、討論、綜合和記錄的反復循環組成的,既可以單獨進行,也可以作為一個團隊進行。

研究結果:

在各種研究工作中出現了幾個突出的發現。研究項目的一個核心發現是,與戰略思維和設計相關的語言是提高軍隊這些能力的障礙。使用替代框架與作戰部隊交流這些概念(例如,"管理復雜問題")可能為分享相關見解帶來希望。第二個發現是,設計和戰略思維共享相關的知識、技能和能力(KSAs),這可以作為培訓和教育、評估和績效管理以及實際指導的組織結構。第三個發現是,士兵們應該在職業生涯的早期就發展設計和戰略思維能力,接觸替代性的觀點。第四,有必要為設計和戰略思維能力開發有效和可靠的評估工具。第五,士兵們需要接觸到支持管理復雜問題的實用工具和資源。最后一個突出的發現是,軍隊文化應該更加積極地支持與設計和戰略思維相關的關鍵行為、心態和高級認知技能。

研究結果的利用和傳播:

研究結果和產品可以使各種利益相關者受益,包括那些有興趣為自己和自己的部隊在作戰環境中管理復雜問題做準備的現任和新任陸軍領導人,以及那些有興趣創造鼓勵與設計和戰略思維相關的心態和行為的部隊氛圍的人。一些研究產品已被開發出來,供那些在課堂上教授與設計和戰略思維相關的高級認知技能的教官使用,以及供那些希望為自己或單位發展這些高級認知技能的士兵或單位指揮官使用。最后,這些研究結果對致力于軍隊人才管理的政策制定者,以及那些希望進行與培養管理復雜問題的軍隊領導人有關的額外研究的人都是有用的。

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這份頂點報告分析了增材制造(AM)技術在美國國防部(DOD)當前和未來的使用情況。該分析為開發增材制造工藝和分析工具(AMPAT)提供了必要的技術背景。AMPAT將幫助利益相關者確定哪些增材制造設備能最好地服務于作戰人員和他們在遠征環境中的任務。此外,該工具可以被利益相關者用來確定AM能力在整個艦隊中最有利的分布,并就這些能力應該如何被整合到更大的海軍任務和更大的國防部企業中做出決定。采用系統工程(SE)方法來收集關于當前和未來的AM方法的信息,以了解和定義AM系統的操作要求。此外,還利用SE過程來分析建立工具的替代軟件選項,實施敏捷軟件開發過程來開發工具,并驗證和確認該工具符合項目要求。研究發現,AMPAT根據用戶定義的輸入參數和加權值,成功地輸出了一個AM系統建議的排名列表。關于選擇AM設備和為艦隊制定分散計劃的建議包括使用AMPAT的可交付成果,利用用戶定義的輸入值進行定制的、迭代的分析,以適應特定的遠征環境

執行摘要

美國海軍和海軍陸戰隊一直在各種作戰環境和任務場景中增加使用增材制造(AM)能力,以快速交付作戰設備,降低成本,更換和維修部件。美國海軍研究生院(NPS)海軍遠征增材制造(NEAM)團隊的成立是為了解決海軍遠征作戰司令部(NECC)提出的幾個研究問題。該團隊開發了一個名為增材制造過程和分析工具(AMPAT)的工具,該工具將:1)確定具體的增材制造設備,以便在遠征環境中為部隊提供最佳服務,包括分布式海上行動(DMO)、有爭議環境中的沿岸行動(LOCE)和遠征先進基地行動(EABO);2)輸出建議,可用于幫助通知整個艦隊的增材制造設備分散計劃;以及3)幫助NECC更好地將其能力融入更大的海軍任務。

NEAM團隊使用修改過的瀑布過程模型系統工程方法來開發一個工具來回答這些問題。NEAM團隊進行了詳細的文獻審查,以收集有關各種AM技術、AM零件的設計考慮因素、材料處理以及AM在國防部的使用的信息。此外,該團隊還會見了許多從事AM技術工作的組織的主題專家(SMEs),包括海軍設施(NAVFAC)工程和遠征作戰中心、海軍海上系統司令部技術辦公室、海軍陸戰隊系統司令部、海軍水面作戰中心Indian Head分部、海軍水面作戰中心Pt. Hueneme分部、海軍陸戰隊第一后勤集團、海軍供應系統司令部(NAVSUP)、太平洋海軍信息戰中心和海軍研究辦公室。

AMPAT是一個基于Excel的工具,用Visual Basic for Applications(VBA)編程語言編寫。AMPAT包括一個數據庫,供用戶輸入各種AM系統的信息和數據,以及一個工具儀表板,使用戶能夠在進行分析所需的輸入和分析的輸出之間輕松瀏覽。儀表板允許用戶行使工具功能,包括調整分析標準和用戶選擇,向AM數據庫添加打印機,檢查AM數據庫的錯誤,運行分析,以及清除結果。用戶可以定制AMPAT分析,對一組具有不同規格和特性的AM打印機進行排名,以確定在特定環境下滿足作戰人員需求的最佳AM系統設計。關于如何使用AMPAT的每個功能,可以在《用戶指南》中找到全面的、分步驟的說明。

本報告為用戶提供了一個執行AMPAT以獲得分析結果的方法。首先,用戶通過確定感興趣的具體屬性(如故障率、運行可用性、環境條件)來設置分析參數。接下來,用戶為每個選定的屬性設置加權值,以排列每個屬性相對于另一個屬性的重要性。用戶必須設置權重值,以便AMPAT進行必要的數學分析,提供具體的AM系統建議。數學分析將根據用戶對每個屬性的權重輸入,計算出每個AM系統的加權分數,并將其標準化。AMPAT將生成一個過濾的數據庫表,其中包括滿足用戶在運行分析之前確定的輸入參數的AM系統。此外,根據分配給每個參數的權重值,將提供這些AM系統的排名列表。最后,AMPAT將繪制分析結果;用戶可以選擇特定的參數,以包括在繪圖中,并決定是按系統繪圖還是按屬性繪圖。

NEAM團隊建議NECC使用AMPAT進行迭代分析,并繼續向數據庫添加新的AM系統和系統屬性。隨著新的信息被輸入該工具,用戶將收到更詳細的結果,這可能會影響最終的AM排名。AMPAT提供的排名將為決策者提供建議,說明哪種AM設備在執行DMO、LOCE和EABO環境中最能為部隊服務。此外,NEAM團隊建議NECC將AMPAT升級到具有適當安全分類的環境中,以定制該工具的分析,為艦隊的特定地點提供AM系統的建議。如果有適當的輸入,該分析的結果可用于確定在整個艦隊中預置AM技術的最佳策略。

為了統一國防部和國防部,AM領域的專家必須共同制定一份戰略文件,確定批準AM系統用于國防部的必要標準。AMPAT應被串聯使用,以協助社區評估不同的AM技術,以確定是否適合于國防部的任務和作戰方案。隨著用戶繼續用更多的AM系統填充AMPAT,并反復進行不同參數的分析,該工具的結果和輸出可用于證明國防部的批準決定。

NEAM團隊還建議,AMPAT應擴大到包括一個零件和零件規格的圖書館或資料庫。這將擴大AMPAT的效用,使其能夠為AM系統提供建議,這些系統應被用來打印特定的零件,以支持船舶、潛艇、飛機和其他車輛或設備。最終,這將減少成本并縮短艦隊的時間表,以快速生產量身定做的部件,提高作戰人員的準備程度。

AMPAT提供了一個決策分析過程,以確定最理想的AM設備來支持特定任務,并提高整個國防部對AM能力的認識。AM技術在確保迅速和有條不紊地維持作戰設備和加強艦隊準備方面發揮了關鍵作用。AMPAT的使用將有助于使國防部和國防部統一努力推進AM技術,以支持更大的海軍任務的需要。

I. 簡介

本章定義了本研究項目的問題陳述、目標、范圍和操作方案。此外,本章還解釋了用于開發工具的方法,以及該工具將如何被主要利益相關者--海軍遠征作戰司令部(NECC)和其他利益相關者使用,以滿足研究目標。

A. 問題陳述

幾年來,美國海軍和海軍陸戰隊一直在作戰環境中采用增材制造(AM)能力來快速交付作戰裝備。必須進行研究,以確定如何整合未來的AM能力,同時最大限度地提高投資回報,并盡量減少重復工作。首要的目標是將這項研究應用于部署在各種環境中的能力,如:分布式海上行動(DMO)、有爭議環境中的沿岸行動(LOCE)和遠征先進基地行動(EABO)。就本報告而言,重點是開發一個工具和數據庫,以協助決策者確定在這些環境中使用適當的增材制造。

增材制造已經被證明是非常有益的,它提供了降低成本和快速的部件更換和維修;本報告的以下部分將更詳細地討論AM的具體優勢和劣勢。由于AM是一個快速發展的技術領域,很難持續比較和權衡技術能力和屬性以滿足不斷變化的需求。需要一個工具,讓領導層充分了解當前和新的AM技術提供了哪些能力,這樣他們就可以做出明智的決定,使國防部(DOD)的投資回報最大化,以支持作戰人員和他們的任務。決策者需要考慮的一些特性包括:移動性、易用性、培訓、打印材料和打印機床尺寸。

本項目的目的是提供一個總體決策分析方法和工具,其中包括一個易于修改的NECC當前3D打印機和部件的數據庫,以有效地將當前和未來的AM能力整合到更廣泛的海軍遠征任務中。海軍遠征增材制造(NEAM)團隊廣泛研究了當前的AM能力及其在遠征部隊中的應用,以幫助開發分析方法、工具和數據庫,NECC可以采用并用于確定如何在整個美國海軍艦隊中最佳地分散AM能力并實現利益最大化。雖然在海軍遠征軍內,以及在海軍和國防部內廣泛存在著對AM集成的廣泛需求和巨大潛力,但NEAM項目側重于將AM作為部署系統、平臺和車輛的支持能力。最終,該計劃將作為NECC的參考和指南,以便在海軍和海軍陸戰隊的AM設備部署戰略和采購方面做出明智的決定。

B. 研究目標和項目范圍

本項目的重點是NECC在部署AM設備供遠征軍使用時,如何使投資回報最大化,并盡量減少重復工作。這項研究有助于實現在DMO、LOCE、EABO和其他情況下部署AM能力的總體目標,同時確保與現有工作的互操作性,盡量減少重復的工作,并使投資回報最大化。為了不重復工作,該團隊利用以前為類似工作完成的工作,并與海軍內部正在進行的AM工作協調。這項研究的目的是為NECC提供一個決策分析過程,以指導決策者選擇最有效的AM技術來滿足遠征環境中的具體使用情況。

上述三種遠征環境(即DMO、LOCE和EABO)對AM技術都有自己獨特的需求。DMO環境將海軍的注意力集中在同行和近鄰的競爭者身上,這需要艦隊級別的參與主要作戰行動。為了做到這一點,它在各司令部之間建立了更加一體化的關系,并促進了對風險的計算接受。同樣,EABO手冊指出,"EABO是一個未來的海軍作戰概念,滿足美國聯合遠征作戰的下一個范式的彈性和前沿存在要求"(海軍陸戰隊協會2018,5)。這一戰略提供了進行遠征作戰的機會,在不摧毀所有敵軍的情況下擊敗對手的戰略。此外,EABO手冊 "鼓勵海軍陸戰隊和海軍發展優化的內部力量能力,以服務于整個DMO結構"(海軍陸戰隊協會2018,22)。LOCE概念描述了沿海環境中的海軍行動,考慮到新出現的威脅,為海軍和海軍陸戰隊提供了一個創新的、聯合的框架(有爭議環境中的沿海行動,2020)。AM在確保作戰人員在這些環境中得到適當裝備方面發揮著關鍵作用。

考慮到這些環境,NEAM項目重點關注以下問題,以利用AM技術解決作戰人員能力方面的關鍵差距。

1.什么樣的AM設備能夠最好地服務于執行DMO/LOCE/EABO的部隊,包括考慮與其他美國海軍陸戰隊和海軍部隊的互操作性?

2.在整個艦隊中,什么是最有利的AM能力的分散,以使利益最大化,包括潛在的設備預置?

3.NECC如何將其能力更好地整合到更大的海軍任務中?

這個項目并不打算分析AM實施的每一部分;因此,未來的工作將建立在這個項目的基礎上。未來的工作也被認為是減少范圍蠕變風險的一個緩解因素。NEAM團隊對未來工作的建議可以在第七章A節中找到。

C. 方法

為了實現協助NECC最大限度地提高投資回報和減少重復的項目目標,這項研究的重點是開發一個數據庫和工具,以協助決策和增加對特定任務和目標的可用AM能力的接觸。該工具和數據庫是使用微軟Office產品開發的,因為它在整個聯邦政府的計算機系統中通常是可用的。這將有助于確保它能在整個海軍中被廣泛傳播并被大量受眾使用。

該工具是使用系統工程過程中選擇的軟件開發的。它側重于由利益相關者和NECC定義的AM系統的各種能力。用戶可以使用內置的圖形用戶界面(GUI)加載AM系統的各種特性并分配權重。該工具根據所期望的遠征環境的特征分配權重,輸出AM系統建議。

為了確保交付物滿足利益相關者的需求,NEAM團隊采用了一種系統工程方法,包括利益相關者的持續反饋,這在第四章有詳細描述。這使得利益相關者能夠在項目進展過程中對研究的具體方向提供意見,并使NEAM團隊能夠在獲得信息和分析結果時提供。

D. 報告結構

本報告第一章解釋了問題陳述、研究的目標和范圍,以及用于開發本項目中可交付成果的方法。

第二章包括對NEAM團隊為收集不同類型的AM技術、如何設計AM零件、材料處理方面的考慮以及AM在國防部的具體使用情況而進行的文獻審查的廣泛和詳細描述。此外,第二章描述了NEAM團隊用來完成項目的系統工程方法,以及考慮過的其他方法。

第三章著重于利益相關者的識別和分析,并描述了主要利益相關者的需求,用于將其轉化為具體要求的過程,以及當前AM能力中存在的差距。

第四章概述了增材制造工藝和分析工具(AMPAT)的代碼開發過程和所遵循的軟件流程,以及該工具的能力和限制。

第五章提供了AMPAT的幾個使用案例,并描述了該工具所要使用的操作環境。

第六章全面解釋了AMPAT如何用于檢索特定任務的分析結果,并解釋了用于確保該工具滿足項目要求和利益相關者需求的驗證和確認(V&V)方法。

第七章記錄了開發團隊得出的結論,總結了研究和分析對利益相關者和國防部的益處,并對未來工作提出了建議。

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