美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中作戰，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以支持在非許可環境下的任務。將自動化和人機協作納入現有的防御能力，可以減少威脅的反應時間，提高有人和無人飛機配置的防御機動的有效性。這篇論文研究了作為威脅反應一部分的飛機機動的價值，以確定人類干預對時間和準確性產生負面影響的情況。它還考慮了復制Merlin實驗室的飛行自動化方法和將能夠進行防御性機動的機器訓練系統納入現有飛機的機會。分析表明，飛機的機動性對于有效的威脅反應至關重要，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。這篇論文建議重新關注特種部隊飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以提高防御性威脅反應。它還主張繼續研究在SOF任務中使用可選的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中運作，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由于地對空威脅已經擴散到在世界各地活動的敵對行為者，未來的作戰環境將以有爭議的空域為特征，這將對有人和無人駕駛飛機的操作構成挑戰。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以便在這些有爭議的地區進行機動，同時支持傳統SOF任務。這篇論文研究了商業能力的進步，以減少威脅的反應時間，提高有人和無人駕駛飛機配置的防御性機動的有效性。

通過與位于波士頓的飛行自動化初創公司Merlin實驗室合作，本分析探討了防御性機動的潛在自動化。飛機機動是對威脅作出有效反應的一個關鍵方面，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。通過確定AC-130J威脅反應中人為干預影響飛機操縱時機和準確性的步驟，這項分析揭示了復制梅林實驗室的飛行自動化方法和將能夠執行防御性操縱的機器訓練系統納入現有飛機的機會。

在威脅反應過程中確定的關鍵步驟包括威脅指示、威脅作戰識別和威脅反應配對。目前，機組人員手動執行這些步驟來完成防御性威脅機動。然而，這些步驟中的每一個都可以從自動化和人機協作中受益，通過三種明顯的方式提高整體性能。首先，生成簡化的視覺和聽覺威脅指示，確保及時通知威脅的存在。其次，自動識別過程以準確識別威脅的變體，減少了反應時間和人類識別錯誤的可能性。最后，將威脅識別與適當的飛機反應同步配對，減少了不必要的延誤，并提高了威脅操縱的準確性。

這篇論文建議重新關注SOF飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以改善防御性威脅反應。將人機協作和自主能力納入飛機防御系統，可以使防御機動性能優于傳統系統，并允許在更廣泛的環境中作戰。除了改善防御性機動，梅林實驗室的自動飛行甲板在各種不同的飛機和任務中提供了潛在的用途。繼續研究應該調查在SOF任務中使用可選擇的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。最后，在整個特種部隊中采用梅林系統將顛覆既定的操作慣例，需要個人和組織行為的改變。為了緩解過渡期并提高采用率，AFSOC應采取步驟，盡量減少利益相關者的行為變化，同時最大限度地提高系統的操作效益。培養對人工智能、機器學習和自動化的理解，將使這些行為者為軍事技術的快速變化和戰爭特征的變化做好準備。

圖 9. AC-130 防御性威脅反應圖。

美國海軍陸戰隊正在探索使用人機協作來控制前線部署環境中的無人駕駛航空系統（UAS），其任務范圍廣泛，包括情報、監視和偵察（ISR）、電子戰（EW）、通信中繼和動能殺傷。美國海軍陸戰隊設想使用未來的垂直起降平臺（VTOL）來支持混合戰爭任務并實現軍事優勢。對于美國海軍陸戰隊的混合戰爭應用，以實現任務優勢和戰爭主導權，美國海軍陸戰隊需要了解VTOL機組和無人機系統之間錯綜復雜的人機互動和關系，以獲得戰斗空間態勢感知，并有效地計劃和執行針對常規和不對稱威脅的旋轉翼行動。這項研究的重點是美國海軍陸戰隊在海洋環境中的打擊協調和偵察（SCAR）任務，以促進遠征基地先進作戰（EABO）在沿岸地區。有多種復雜的功能必須加以考慮和評估，以支持人機協作互動，提高任務的有效性：任務規劃、移動和滲透、區域偵察、偵察戰斗交接和過渡。

這份頂點報告探討了SCAR任務期間三個系統之間的人機協作：UAS、VTOL和地面控制站（GCS）。該研究從VTOL項目的文獻回顧開始，研究了美國海軍陸戰隊SCAR任務戰術和用于促進EABO的理論概念。此外，它還包括對自主性和自動化、人工智能和機器學習的研究。通過使用合作設計模型來探索這三個系統的人機協作互動和過程，文獻回顧探討了如何使用基于三個因素的相互依賴性分析（IA）框架來確定人類執行者和機器團隊成員之間的相互依賴性：可觀察性、可預測性和可指導性。

通過基于模型的系統工程（MBSE）工具，將SCAR任務的高級功能分解為分層次的任務和子任務，系統分析被用來支持聯合設計方法。根據Johnson（2014）的說法，合作設計方法研究了相互依賴的概念，并使用IA框架作為設計工具。IA框架捕捉了主要執行者和支持團隊成員之間的互動，以發展支持每個主要任務和分層子任務的所需能力，從而產生HMT要求。這份頂點報告分析了兩種選擇。第一個方案認為UAS是主要執行者，VTOL和GCS是輔助團隊成員。第二種方案認為VTOL是主要執行者，UAS和GCS是輔助團隊成員。基于這兩種選擇，IA框架評估了17個主要任務、33個分層子任務和85個執行SCAR任務的所需能力。

此外，研究發現需要一個強大的數字任務規劃系統，如升級后的海軍陸戰隊規劃和行動后系統（MPAAS），通過存儲以前的任務和經驗教訓的數據來促進機器學習。美國海軍陸戰隊將面臨無人機系統的處理能力和信息存儲方面的挑戰。應盡一切努力增加UAS的處理能力。必須實施一個有效的主要、備用、應急和緊急（PACE）通信計劃，以確保UAS、VTOL和GCS之間所有通信平臺的冗余。美國海軍陸戰隊必須實施支持信任、提供快速反饋和簡單操作的接口。

最后，為了準確評估VTOL、UAS和GCS之間的HMT要求，頂點報告促成了一個探索性實驗的發展，該實驗將在海軍研究生院（NPS）建模虛擬環境和模擬（MOVES）實驗室使用，以促進未來的研究。制定了操作要求和測量方法，以確定HMT要求的有效性。

這項頂點研究為在SCAR任務中執行VTOL/UAS混合行動的人機互動復雜性提供了明確的證據。該頂點研究確定了使用系統分析和協同設計作為一種有效的方法，通過IA框架促進人機協作需求的發展。此外，該研究確定了對復雜的自主性和技術準備程度的需求，這可能是目前還沒有的。頂點建議美國海軍陸戰隊繼續研究人機協作，并利用SCAR任務探索性實驗來進一步完善和研究VTOL/UAS的高級系統要求，以支持具有前沿部署的UAS的混合行動，重點是實現4級自主權。

摘要

當作戰人員和指揮官努力理解以加速復雜性為特征的競爭環境并在其中采取行動時，他們面臨著巨大的挑戰。人工智能（AI）和機器學習（ML）對于在多域作戰（MDO）中五個領域作戰的決策者來說，代表著巨大的潛力，特別是隨著成本的下降和越來越多的破壞性技術賦能我們的對手。圍繞人工智能/ML在自動化方面的軍事應用的合理擔憂也需要仔細考慮。我們如何讓作戰人員擁有正確的工具來克服復雜性，并在緊迫的決策周期內迅速適應技術上精明的對手？重要的進展需要思考我們到底想去哪里，哪些陷阱和隱患可能會使我們誤入歧途。在本文中，我們介紹了一個框架，以促進對機器增強型未來軍隊的討論和理解，強調了愿景對實現這一目標的至關重要性。考慮到一系列MDO的挑戰，我們強調AI和ML能力如何能夠改善人類的控制，以盡量減少錯誤和悲劇的發生。最后，為了避免潛在的悲劇性失誤，我們強調了在軍事行動中應用AI/ML的關鍵陷阱，因為作戰環境和復雜系統的固有不確定性。

關鍵詞：人工智能（AI），機器學習（ML），多域作戰（MDO），機器智能，作戰復雜性，顛覆性技術，AI陷阱

1. 導言

前陸軍參謀長馬克-A-米利將軍將MDO描述為對 "人工智能、高超音速、機器學習、納米技術和機器人等新興技術 "同時驅動戰爭特征根本性變化的回應。他特別強調，這些變化及其在美國戰略競爭對手手中的力量促使我們迫切需要 "審查我們作戰方法的所有方面......挑戰我們的基本假設，并......了解我們潛在敵人的能力和目標。"在本文中，我們考慮如何在MDO的背景下思考AI/ML--智能機器的理想未來和不可避免的陷阱，不斷反省和基于威脅的評估，以了解和追求機器強化的軍隊中的正確和良好。

通過考慮正確和良好的愿景，我們希望鼓勵和集中富有成效的思考和討論，圍繞著如何最好地利用日益增長的機器力量來支持軍隊MDO的挑戰，同時也塑造未來，使我們可能真的認可我們到達那里時發現的東西。Max Tegmark堅定地提出，面對未來人機關系的不確定性，需要有遠見，他說："與其像偏執的疑病癥患者一樣被恐懼所麻痹，我們都需要加入對話，討論用技術引導的未來是什么樣的。如果我們不知道我們想要什么，我們就不可能得到它。"盡管對最好的未來可能是什么樣子不可避免地存在著廣泛的分歧，但圍繞著對一個注入了日益強大的技術的世界的愿景及其潛在的巨大社會影響的討論，只能幫助我們發現并告知一個更好的道路。愿景將有助于定義一個地平線。它應該渴望代表一個持久的理想，但也要預見到隨著我們對世界的理解而演變。

智能機器具有巨大的潛力，可以為人類帶來無數的好處。即使是那些強調機器智能危險的最強烈的聲音也承認這一點，因為有適當的解決方案。可以理解的是，當辯論轉向使用武力時，要求謹慎的呼聲就會被放大。盡管許多專家表示相信，諸如對人類命運漠不關心的超級智能機器的興起這樣的生存危險并沒有迫近到足以開始采取政府政策和監管行動的地步，但如果它們真的來了，單單是這個幽靈就迫使人們對如何最好地管理它們進行深思熟慮的審議。本文的重點是促進討論從軍事角度看理想的未來是什么樣子。我們避免對時間框架和預測的猜測，只假設機器將變得越來越有能力，并與多領域時代日益增長的挑戰有關。

我們發現，在有關自主權的道德限制、戰爭法和當前AI/ML政策的積極和持續討論的背景下，軍事業務是人類業務。例如，2018年美國防部關于人工智能的戰略指示，"我們將以以人為本的方式使用人工智能。"越來越多的智能機器有巨大的潛力來提升性能，與快速發展的復雜競爭環境保持同步，同時在以前的技術進步的基礎上，拯救生命，減少不必要的或附帶的損害。下一代系統和人機團隊可以增加而不是減少人類對戰爭的控制，超越精確制導武器已經實現的成果。

機器的作用是在人類的伙伴關系中，改善人類活動的表現。智能機器將越來越多地提高人類組織的績效，幫助人類領導層重新規劃環境的復雜性和重點，以更好地識別原始數據海洋下的相關性和意義。智能機器的應用，特別是作為與人類合作的自動化智能體，將越來越多地幫助軍隊減少浪費和提高再供應的性能，通過擴大醫療努力來發現治療和救生方法來拯救生命，減少維護成本，最大限度地減少排放和能源消耗，以及減少作戰人員的風險，同時通過提高意識和精確度來集中使用武力，保護無辜者。機器將幫助我們減輕理性和認知方面的限制和偏見，以改善決策，同時也縮短決策周期，以匹配和超越我們的對手。

技術為我們提供了比以往更多的機會，但許多可能在未來幾年影響軍事行動的進展，包括ML/AI，將有越來越低的準入門檻。正如在沒有全球和平主義的情況下，暴力或其威脅是不可避免的一樣，我們的愿景必須考慮到我們對來自廣泛的對手的威脅的反應，其中許多人將不贊同我們的克制觀點。我們將沒有其他選擇，只能在這種威脅出現時以機器的速度作出反應。基于威脅的需求將不可避免地引發緊張局勢，因為我們要努力平衡軍事效力、向機器授權和有意義的人類控制。

可能最重要的是，就像精靈的魔法愿望中令人不舒服的選擇一樣，技術的陷阱代表著濫用和遺憾的承諾，只有仔細思考和洞察力才有希望減輕。在接下來的章節中，我們將為軍事行動背景下的AI/ML提供一個框架對話，然后概述MDO的巨大挑戰和技術緩解的相關機會。最后，我們考慮了智能機器應用中與軍事行動特別相關的幾個關鍵陷阱的分類法。

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。

• 本研究由美國陸軍研究實驗室贊助，根據合作協議號W911NF-21-2-0227完成。

?在日益復雜的軍事行動環境中，下一代兵棋推演平臺可以減少風險，降低作戰成本，并改善整體結果。基于具有多模態交互和可視化能力軟件平臺的新型人工智能（AI）兵棋推演方法，對于提供滿足當前和新興戰爭現實所需的決策靈活性和適應性至關重要。我們強調了未來作戰人-機器交互的三個發展領域：由人工智能引導的決策指導，高計算力下的決策過程，以及決策空間的真實呈現。這些領域的進展將使有效的人機協作決策得以發展，以滿足當今戰斗空間日益增長的規模和復雜性。

關鍵詞：決策、交互、兵棋推演、人工智能、增強/混合現實、可視化

1 引言

在傳統的兵棋推演中，指揮官利用一個共同的基于地圖的作戰地形，并在軍事決策過程（MDMP，方框1）中模擬各種因素的組合如何產生行動方案（COA）、可能的反擊行動、資源使用估計和預測結果（美國陸軍，1997年，2014年，2015年）。在幾天或幾周的時間里，MDMP過程導致了一套精煉的COAs，它對作戰環境做出了一定的假設，包括地形、天氣以及戰區資產的可用性和能力（即塑造支持主要作戰行動的活動）。

方框1. 軍事決策過程（MDMP）
MDMP是美國陸軍解決問題的理論方法，從接到任務開始，到生成作戰命令結束。MDMP被用作一種工具，幫助指揮人員審查眾多的友軍和敵軍的作戰行動。MDMP的7個步驟在規劃新任務、擴展行動和執行訓練演習所需的決策過程中灌輸徹底、清晰、合理的判斷、邏輯和專業知識（美陸軍，1997年，2015年）。
指揮官在接到任務后啟動了MDMP。在MDMP的第1步中，所有的工作人員和關鍵的任務參與者都被告知任務和待定的規劃要求，包括進行MDMP的可用時間量。確定進行任務分析所需的工具，并收集與任務和作戰區有關的文件。步驟2，執行任務分析，建立對任務的全面理解，包括關鍵的事實和假設，形成擬議的任務說明和任務分析簡報，為制定COA做準備。
MDMP的第3至第6步著重于制定COA以進行分析和比較。這些步驟包括：第3步，制定COA；第4步，COA分析（兵棋推演）；第5步，COA比較；第6步，COA批準。COA是對一個已確定的問題的潛在解決方案。每個COA都要使用篩選標準來檢查其有效性，如在既定的時間框架、空間和資源限制內完成任務。COA的選擇過程通常涉及到兵棋推演，它試圖在考慮到友軍力量和敵人能力的情況下，將行動的順序流程可視化，同時考慮到行動區域內平民的影響和要求（美陸軍，2014）。戰術模擬（兵棋推演）方法的好處是突出了作戰行動的優勢和劣勢。這往往是一個反復的過程，對作戰行動方案進行評估，然后根據需要進行修改，直到出現一個或多個具有最高成功概率的作戰行動方案來完成任務目標。
在一個具體的行動方案得到指揮部的批準后，MDMP的最后一步是制作行動指令，這是一份給下屬和鄰近單位的指令，旨在協調所有參與任務的組織的活動。這一步驟涉及到所有受命令傳播影響的組織之間的積極合作，并建立起對局勢的共同理解。

盡管MDMP幫助指揮官了解作戰環境和考慮作戰方法，但這個過程有很多局限性，如時間密集、假設僵化、跨場景訓練的機會有限，以及將人工智能（AI）指導納入決策過程的機會很少。傳統上，一項任務的成功與指揮部執行MDMP的能力直接相關。然而，鑒于當今多域作戰（MDO）的復雜性增加（Feickert，2021年），有大量的任務指揮系統和流程，與行動相關的所有活動的整合和同步變得越來越困難，甚至到了人為無法完成的地步。由于MDMP的缺陷而導致的規劃專業知識的缺乏，可能會導致不同步和不協調的行動，從而最終導致士兵的生命損失。

MDMP中沒有具體描述戰斗空間的可視化能力，但它顯然在決策過程中發揮著重要作用。最近，集成了先進可視化能力的新系統和新技術已經被開發出來，它們可以提高態勢感知，從而增強決策過程。美陸軍的例子包括Nett Warrior（Gilmore，2015），它使下馬戰士能夠直觀地看到附近的友軍和敵軍，同時根據當地的地形協同規劃戰術任務。盡管這項技術將無線電和數字地圖擴展到了下馬戰士，但它缺乏一個底層的人工智能引擎來提供決策幫助。戰斗空間可視化和交互平臺（BVI，前身為增強現實沙盤，ARES）是陸軍技術的另一個例子，它能夠為任務規劃提供分布式協作，具有從任意視角和廣泛選擇設備的共同作戰畫面的二維和三維可視化能力（Su等人，2021）。BVI架構的制定是為了拉入外部計算服務，如分析管道、模型和人工智能引擎。美陸軍研究實驗室正在努力將這些類型的服務納入BVI，包括用于加強決策支持的人工智能。

目前，MDMP并沒有將人工智能指導納入整體任務規劃方法中。美陸軍的自動規劃框架（APF）（Bailey，2017）開始通過將自主技術插入MDMP工作流程來解決人工智能輔助決策問題。指揮人員可以通過APF的數字規劃呈現、規劃創建和規劃監控工具，在任務規劃和COA開發期間獲得背景援助。任務執行和估計能力通過監測任務的規劃和實際進展，為改進決策跟蹤和支持活動提供自動協助。盡管APF為MDMP引入了基本的自動化水平，但它缺乏Nett Warrior和BVI所提供的先進的可視化和用戶互動能力。

提供地面部隊自動化和用戶可視化能力的是美陸軍最知名的兵棋推演平臺--半自動化部隊（OneSAF），為計算機生成的地面部隊提供建模和模擬能力（PEO_STRI, 2022）。OneSAF提供了半自動和全自動的軍事實體（即士兵、坦克、直升機和綜合單位）的建模，在類似真實世界的戰斗空間中以不同的保真度來支持特定的應用和場景。OneSAF主要用于訓練，并與目前的任務指揮系統具有互操作性。它可以使用多分辨率的地形和詳細的實體相關數據庫來模擬廣泛的作戰環境。然而，OneSAF對地形和實體系統的高保真建模的優勢使得它的設置和運行成本很高。它受到老化系統的限制，而且眾所周知，士兵需要大量的培訓來學習如何操作模擬，使用起來很困難（Ballanco，2019）。OneSAF的復雜功能并不適合開發人工智能能力，以實現快速和敏捷的戰士-機器決策。

除了MDMP和上面提到的陸軍平臺外，最近將人工智能納入決策過程的工作包括一些方法（Goecks等人，2021a），在模擬人類決策過程方面取得了一些成功。一般來說，人工智能在決策變量有限的問題上取得了一些成功，如資源分配（Surdu等人，1999）、飛行模擬器（Drubin，2020）和更簡單的場景。正在進行的挑戰包括需要提高人工智能的能力，以解決有多個行為者、不完整和可能沖突的信息、不斷變化的單位行動和環境屬性的復雜決策，以及需要將這些決策的后果在許多空間和時間尺度和領域內可視化。

以下各節描述了對MDMP的潛在改進。"未來軍事決策過程所需的進步"一節概述了支持MDO決策的三個研究領域，并以圖表形式描述了這些研究領域與軍事理論決策方法之間的關系。"未來軍事決策過程所需的進步 "一節中的小節對每個研究領域進行了更深入的討論。"展望推進人-人工智能團隊決策的交互技術 "一節概述了未來的作戰人員-機器接口（WMI）的發展方向，重點是與決策有關的人-人工智能團隊的跨學科研究。

2 未來軍事決策過程所需的進步

軍事決策過程在支持MDO復雜決策方面的局限性，突出了在三個研究領域的改進需要。首先，有必要將人工智能產生的指導和輔助決策支持納入MDMP。這既包括進一步開發和整合人工智能到戰斗空間決策規劃，也包括進一步改善人工智能決策過程的可解釋性和透明度（Chen等人，2018）。第二，有必要在戰略層面以及戰術邊緣，盡可能地將決策分析與高性能計算（HPC）的力量結合起來。這將能夠利用HPC系統的力量來支持建模、分析和計算時間，同時整合和同步來自所有戰區領域的信息。最后，有必要利用先進的可視化技術，如混合現實技術，對決策空間進行更準確和互動表述。不是簡單地在一個固定的時間尺度上顯示地形的二維渲染，而是需要可視化不同領域的決策是如何相互作用的，并利用混合現實技術來提高理解的吞吐量，并產生平面顯示不可能的洞察力。

除了MDMP之外，其他更廣泛適用的支持戰斗性問題解決的軍事理論包括：DOTMLPF[例如，學說、組織、訓練、物資、領導、人員和設施；（美陸軍，2018年）]，這是一個確定差距并為當前和未來作戰要求提出設計解決方案的框架；以及METT-TC[例如，任務、敵人、地形和天氣、部隊、可用時間和民事考慮；（美陸軍，2019年）]，這是一個結構化框架，用于捕捉任務相關因素的狀態，以便在軍事行動期間進行共享評估。這些理論定義了MDO戰場的信息背景，構成了應用于上述三個研究領域的軍事決策的核心基礎。如圖1所示，在為人類和人工智能指揮開發復雜軍事決策空間的新表述時，研究進展和MDO相關理論相互借鑒、相互啟發、相互加強（美陸軍，2010）。

圖1. 新型作戰人員-機器交互（WMIs）和人工智能輔助決策所需的三個研究發展領域，以支持和加強基本的MDO理論[右下圖來源：Lebsack（2021）]。

2.1 人工智能導向的決策指導

需要新的人工智能支持的WMI，以利用人工智能決策方面正在取得的進展，并為復雜的適應性決策的人工智能學習作出貢獻。在簡化的戰斗空間中測試人工智能決策輔助工具是開發過程中重要的第一步，也是將人工智能納入更成熟的戰斗空間平臺（即BVI、OneSAF）的前奏。開發用于決策輔助實驗的人工智能測試平臺可以在MDO中產生能力越來越強的潛在COA建議。圖2顯示了陸軍開發的兩個人工智能測試平臺的例子。

圖2. 兩個ARL人工智能測試平臺的例子。左邊：ARL Battlespace（Hare等人，2021）（ //github.com/USArmyResearchLab/ARL_Battlespace ）。右邊：ARL的Simple Yeho測試平臺。圖片由C. Hung制作。

人工智能測試平臺能夠開發出匯集所有領域信息的AI，并計算出人類和AI智能體的風險和預期回報。圖2的左側顯示了ARL戰斗空間測試平臺（Hare等人，2021年），它是從頭開始開發復雜決策的新型人工智能的理想場所。它對戰斗空間的抽象強調了軍隊相關場景下的核心推理原則，在這種情況下，用蜜罐進行網絡欺騙。較小的網格空間使人工智能的學習和發展能夠集中在不確定性下的復雜推理，有多個友好和敵對的agent。圖2的右側顯示了ARL的Simple Yeho測試平臺，它提供了將人工智能開發與更多真實世界場景中的默契推理結合起來的能力，有多個基于地形的海拔高度、視線范圍、障礙物、樹葉（隱蔽）、道路和城市區域。紅色陰影和黑色線條表示任務的起點和終點、左右邊界以及人工智能建議的路線。這種額外的真實性使其能夠與MDO理論相結合，包括DOTMLPF和METT-TC，并使人工智能與自然的、機會主義的士兵行為共同發展。這兩個人工智能測試平臺都可以擴展為傳統和沉浸式混合現實WMI開發平臺。

使用漸進式和可擴展的人工智能測試平臺，可以調查現有人工智能的幾個基本限制，特別是對于具有不確定性的復雜和適應性決策，以及人類和AI智能體的協作和對抗。對多智能體的協作和對抗性決策進行建模可能特別復雜，因為其遞歸性質，其他智能體是模型的一部分（Goldman，1973；Grüning和Krueger，2021），需要對決策特征、個性化的價值、風險規避、記憶和注意力進行動態和不斷發展的估計。這些具有高度不確定性、復雜性和動態性的情況是人類擅長的領域，適當設計的交互界面和人工智能測試平臺的人機協作可以提供加速和更有效的決策。對于有效的團隊合作，新穎的WMI應該幫助作戰人員篩選復雜的信息，并幫助人工智能發現決策的隱含規則。下面，我們提供了關于人機協作如何有效的案例。

多域兵棋推演中需要的復雜決策是開發有效人工智能決策輔助工具的直接挑戰。最近人工智能在圍棋、國際象棋、Minecraft和大富翁等游戲中的成功（Silver等人，2017；Goecks等人，2021b；Haliem等人，2021）是基于對世界現有狀態有完整了解的游戲（即 "開放 "游戲），而兵棋推演平臺通常包括關于作戰環境的不完整（如星際爭霸）、不確定或欺騙性信息（Vinyals等人，2019）。不確定性也可能來自變化的物理學或其他環境規則，正如在《憤怒的小鳥》中所探索的那樣（Gamage等人，2021）。由于世界狀態、不同行動者的狀態以及所采取的行動不確定性，知識的缺乏使得人工智能agent難以計算未來行動的風險回報情況（Cassenti和Kaplan，2021）。不確定性也限制了人工智能估計其他行為者的風險回報概況的能力，而這是計算有效的博弈論策略所需要的。人工智能被可能的最優和近似最優選擇的廣度所淹沒（Lavine，2019），即由于信息有限而選擇錯誤的選項，這種情況并不罕見，因為人類在制定有效探索隱藏信息的策略時，采用啟發式方法進行有效的選擇和預測（Gardner，2019）。為了幫助發展人工智能的隱性知識和探索能力，新型的WMI需要有效地解釋和展示決策景觀，以使作戰人員能夠快速和自然地瀏覽可能的選擇，同時使人工智能能夠在不施加認知負擔的情況下從人類的決策中機會主義地學習（Lance等人，2020）。這種機會主義學習可以包括：例如，凝視跟蹤，以捕捉吸引人類興趣和意圖的視覺區域和未標記的目標。它們還可以包括建立在自然的士兵選擇行為基礎上的行動者批評方法，以改善人工智能對人類專家在不確定、不完全信息和欺騙的情況下如何優先考慮某些選擇的學習，這取決于任務相關的背景。

開發人工智能的WMI的另一個基本挑戰是如何有效地整合和顯示MDO中所有五個領域的信息，特別是空間和網絡，因為這些領域的信息具有不同的時空尺度（Gil等人，2018）。對于網絡，決策的規模和速度可能比人類處理和理解的能力更快，需要人類的輸入來指導半自動化的決策，以及實施進攻和防御性欺騙策略的人工智能。WMI需要能夠以這樣的方式顯示決策圖景，即可以解釋一小部分最優和接近最優的決策策略（例如，圖3中的決策樹）。這應該包括對關鍵agent在不確定情況下的未來狀態和風險回報情況的估計（Hare等人，2020），以使有效的博弈論決策能夠被共同開發和相互理解。

圖3. 在頂部，是BVI網絡戰術規劃器應用程序中友軍與敵軍戰爭場景的三維視圖。三維視圖提供了一個比二維視圖更真實的決策視角，例如，顯示友軍（藍色）和敵軍（紅色）機載預警系統（AEWs）和周圍地形的海拔。這使得快速審查可能的視線和相對于周圍地形的感應。下面是人工智能的導航決策樹，為人工智能計算的幾個關鍵選擇的風險/回報概況以及它們如何映射到地形上提供透明度。這種抽象的決策空間還可以整合非空間決策，例如網絡欺騙。虛線表示與友方AEW的通信聯系和對敵方AEW的可能干擾。圖片由C. Hung制作。

這些挑戰為有效的WMIs設計提供了參考。也就是說，我們需要有能力從不同的來源（包括從其他國家的決策輔助工具）提取信息，以及一個能夠承載整合這些信息的計算能力的架構，同時還要處理基礎的人工智能計算（用于學習和部署）。我們還需要共同開發一個界面和算法設計，以適時地利用人類和人工智能agent的優勢并減少其局限性。

2.2 高計算能力下的決策過程

在復雜的決策過程中，需要大量的計算能力來處理和記錄所有組件、實體和狀態空間。從積累的動態狀態空間的數據集中建立過去、現在和預測模型，需要利用HPC資源來產生分析性的見解，并在決策背景下創建有用的表述。

實施HPC分析工作流程的一種方法是使用持久性服務框架（PSF）。PSF是一個最近可用的分布式虛擬化解決方案，它可以通過一個基于網絡的前端實現對HPC服務的非傳統訪問，而不像傳統的HPC環境，計算節點在特定的時間段內以批處理模式分配給用戶。此外，PSF提供對數據、數據庫、容器化工具集和其他托管平臺的分布式連續訪問（Su等人，2021）。

在一個PSF方法的例子中，一個模擬引擎連接到PSF，用于記錄人類和人工智能做出的所有決定。這允許分析在任務規劃和COA開發過程中發生的決策行為，以及識別決策模式和戰略，以開發競爭性和現實的兵棋推演場景。一個戰斗空間可視化平臺可以托管在PSF上，并使用消息傳遞協議來更新所有連接的設備接口。來自模擬引擎的狀態信息可用于生成戰斗空間和參與作戰單位的圖形表示。

使用PSF方法并利用HPC資源，可以實施人工智能輔助決策機制，利用大數據攝取和分析，同時可供地理分布的用戶用于協作決策工作和 "永遠在線 "的個性化培訓和紅色團隊。連接到PSF托管服務器的各種混合現實顯示模式可以支持一系列作戰場景，從戰略層面的指揮和控制到作戰邊緣的更多移動戰術使用。

2.3 決策空間的真實呈現

用圖形表示各級行動的軍事決策戰略需要新的可視化方法，這些方法可以應用于以規則變化、認知狀態、不確定性以及個人偏見和啟發式方法為特征的動態環境（Dennison等人，2020；Hung等人，2020；Raglin等人，2020）。戰斗空間的視覺表現應該在技術上盡可能準確和逼真，但又保持在人類可以理解和解釋的認知水平（Kase等人，2020；Larkin等人，2020；Hung等人，2021）。融合了混合現實技術的先進可視化方法有可能更好地表現多領域戰爭的變化特征及其不斷變化的威脅和動態環境。隨著最近混合現實可視化設備的技術進步，成本降低，硬件的可靠性和實用性顯著提高，混合二維和三維可視化方法現在已經成為可能。

由多個二維顯示器組成的混合現實方法增強了更先進的三維可視化能力，可以為指揮人員提供理解復雜的兵棋推演狀態空間所需的洞察力（Su等人，2021）。當需要一個共享的戰斗空間表示時，可以通過在不同的可視化模式上實現多個協調的視圖來實現協作的戰略規劃模式，以根據分布式指揮人員的輸入進行互動更新。

BVI（Garneau等人，2018）平臺表示地理空間地形信息和地圖圖像，允許指揮人員建立和修改戰術任務規劃和COA。作為一個數據服務器，BVI將地形和作戰數據分發給支持多種可視化模式的客戶端應用程序，包括頭戴式顯示器設備、基于網絡的界面、移動安卓平板設備和混合現實設備（例如，HoloLens 2、Oculus Quest）。

例如，圖3（頂部）顯示了位于加利福尼亞州圣貝納迪諾縣歐文堡國家訓練中心的高分辨率地形上的友軍與敵軍的兵棋推演場景（Wikipedia, 2021）。與MDMP期間經常使用的傳統2D地圖顯示相比，戰斗空間的3D視圖可以從多個觀察角度提供更豐富的用戶體驗。三維視圖，在BVI的網絡戰術計劃器（WTP）中，將地形和人工特征的空間信息以及由MIL-STD 2525C符號描繪的單位位置可視化（美國防部，2014）。可以想象，地理空間視角，如BVI提供的視角，支持決策者對動態戰斗空間環境的理解。與可導航的人工智能增強的決策空間（圖3，底部）搭配，組合的視角可以使人們更好地理解視覺空間依賴性、影響和因果關系、估計的風險和價值、不確定性以及復雜決策的欺騙性。將這種以地理空間和決策為中心的視角與人工智能相結合，可以提供必要的廣度，以協調物理行動與網絡和其他非空間領域的行動，跨越多個時間尺度，并具有快速適應變化的任務目標的靈活性。

3 人-人工智能團隊決策的交互技術展望

人工智能和人-人工智能團隊的快速發展需要WMI同步發展。隨著新型人工智能對有價值的COA產生更好的預測，并能更好地處理復雜的決策，它們也必須利用人類的專業知識，學習如何處理具有高度不確定性、欺騙、隱性知識和博弈論的決策。相反，人工智能的推理必須既抽象又能與兵棋推演環境相聯系，以實現透明和信任，同時又不造成過度的認知負擔。基于三維混合現實的WMI可以利用和增強人類固有的三維認知和預測能力（Welchman等人，2005；Kamitani和Tong，2006；Kim等人，2014；Boyce等人，2019；Krokos等人，2019），如果設計得當，其交互將感覺自然，同時擴大顯示多個領域的信息的能力，同時使AI能夠適時地從用戶的決策中學習。

我們強調了三個關鍵的發展領域，即人工智能引導的決策指導，支持這種指導的計算基礎設施，以及決策透明度的混合現實表現的發展。這些領域的進步需要跨越許多不同學科的專業知識。新的人工智能發展需要融合神經科學、心理學和數學的思想，以克服復雜決策中長期存在的問題的瓶頸。這包括跨時間尺度的學習和變化環境下的災難性遺忘，以及更具體的兵棋推演問題，如具有不確定性、欺騙和博弈論的多Agent決策。計算基礎設施也需要發展，因為計算能力和數據框架對于在戰術邊緣產生人-人工智能團隊的共同操作圖來說都是必不可少的。為了有效地開發，應該通過一個共同的框架來抽象出專有的限制和軟件的依賴性，并為使用和故障排除提供清晰的文檔，以使學術界、政府和工業界更好地專注于解決人與人工智能的合作問題。這個通用框架應該包括有效的信息傳遞，同時提供靈活性和適應性，以滿足人工智能開發和人類用戶在訓練和實際使用環境中的需求。最后，交互技術的開發本身需要跨學科的協同專業技術。一個基礎性的問題是如何壓縮信息使之被用戶有效地理解，以及如何最好地利用用戶的互動來進行機會主義學習。人類的大腦并不處理所有的感官信息，而是對世界進行預測和假設，以便在信息不完整的環境下節約計算。一個有效的WMI應該同時預測潛在的決策結果以及個人用戶的期望和假設。此外，人工智能決策輔助工具必須估計用戶的默契，使其能夠提供最相關的信息和最有希望的選擇，這些信息來自整個作戰領域。

結論

信息作戰和指揮與控制（C2）是美國陸軍可以向盟友和伙伴提供的兩種能力。在未來的作戰環境中，不僅要為動能作戰做準備，而且要為混合作戰和以信息為重點的戰爭做準備。這需要在復雜和默契推理的人工智能能力方面取得進展，在能夠提供持續訓練、分布式混合決策和大數據分析系統方面取得進展，以及在人與人工智能協作決策和機會主義學習方面取得進展，以實現人工智能的持續進步和人與人工智能的共同適應。這些進展中的每一項都需要跨學科的計劃性努力，以克服復雜的技術挑戰，創造新的決策原則、理論和理論方法，包括持續開發綜合測試平臺和技術，以實現政府、學術界和工業界的合作和協同發展。

報告概述了反無人機技術及方法，介紹了美國國防部面臨的無人機威脅及反無人機投資計劃，以及美海軍、陸軍、空軍、海軍陸戰隊及國防部其它機構的反無人機武器研究進展情況，并指出了國會在監管方面可能面臨的問題。

1、報告發布背景

無人機系統技術迅速擴散，易被國家、非國家行為者和個人使用，這些系統可為美國對手提供一種低成本的手段，執行針對或攻擊美軍的情報、監視和偵察任務。大多數小型無人機尺寸小、使用特殊結構材料且飛行高度較低，無法被傳統的防空系統探測到。在2023財年，美國國防部計劃至少花費6.68億美元用于反無人機(C-UAS)技術研發，至少花費7800萬美元用于反無人機武器采購。隨著國防部繼續開發、采購和部署這些系統，美國會對其使用的監督可能會增加，也必須就未來的授權、撥款和其他立法行動做出決定。

2、反無人機技術概述

2.1 無人機探測技術

反無人機技術可以采用多種方法探測敵對或未經授權的無人機目標。一是使用光電、紅外或聲學傳感器分別通過目標的視覺、熱量或聲音特征探測目標；二是使用雷達系統探測，但由于小型無人機信號特征不明顯，該方法探測效果不佳；三是識別用于控制無人機的無線信號，通常使用射頻傳感器探測。這些方法通常被組合使用，以提供更有效的分層探測能力。

2.2 反無人機技術方法

各類系統探測到無人機后，電子戰“干擾”裝置即可干擾無人機與其操作人員的通信鏈路。干擾裝置通常可分為便攜式、固定式或可移動式，根據其類型的不同，重量可從幾公斤至數百公斤。除電子戰干擾裝置外，也可以使用槍支、網絡、定向能、傳統防空系統，甚至訓練有素的動物（如鷹）擊敗或摧毀無人機系統。目前，美國防部正在研發多種反無人機技術，以確保其具備強大的反無人機防御能力。

3、美國反無人機武器的研發進展情況

3.1 空軍

美空軍正在進行高功率微波和高能激光武器反無人機測試工作。2019年10月，空軍接收了一套車載高能激光反無人機武器系統 (HELWS)樣機。HELWS旨在在幾秒鐘內識別并壓制敵對或未經授權的無人機，幾乎可無限次射擊。此外，空軍還在尋求機載反無人機武器，目前工作狀態尚不明確。

圖1 便攜式反UAS技術

3.2 海軍

2014年，美海軍在“龐塞”號(LPD-15)上部署了第一款可作戰的激光武器系統(LaWS)，LaWS是30千瓦激光武器樣機，能夠執行反無人機任務。自那時起，美海軍就一直在開發和安裝更多的低、慢、小（LSS）無人機激光武器原型，以提高對抗水面艦艇和無人機的能力。

海軍正在研發部署的干擾無人機傳感器的光學致盲器“奧丁”（ODIN）及60千瓦“太陽神”（HELIOS）激光器，均旨在保護美海軍裝備和系統免受無人機襲擊。此外，在2019年3月28日的一份備忘錄中，海軍部宣布將與國防數字服務局合作，快速開發新的網絡賦能反無人機武器，以應對不斷演變的無人機威脅。

3.3 海軍陸戰隊

海軍陸戰隊通過其地基防空(GBAD)計劃辦公室資助了多個反無人機系統。2019年，海軍陸戰隊完成了海上防空綜合系統(MADIS)的海外測試，該系統采用電子干擾與炮彈相結合技術，可安裝在MRZR全地形車輛、聯合輕型戰術車輛和其他平臺上。2019年7月，拳師號USS BOXER LHD-4兩棲攻擊艦上的海軍陸戰隊員使用海上防空綜合系統壓制了一艘被認為在該艦“威脅范圍”內的伊朗無人機。作為地基防空計劃的一部分，海軍陸戰隊也在采購緊湊型激光武器系統(CLaWS)，該是美國防部批準的首個陸基激光武器，具有2千瓦、5千瓦和10千瓦三種型號，目前陸軍也在使用。盡管海軍陸戰隊已試驗了單兵攜帶反無人機技術，但海軍陸戰隊司令大衛·伯杰（DavidBerger）在2019年向國會作證時認為，由于重量和功率的要求，單兵攜帶反無人機技術沒有取得成功。

圖2 海上防空綜合系統

3.4 陸軍

2016年7月，陸軍發布了反無人機戰略，以指導其反無人機能力的發展。2017年4月，陸軍技術出版物3-01.81《反無人駕駛飛機系統技術》概述了作戰期間防御低、慢、小無人機威脅的規劃考慮，以及如何規劃并將反無人機士兵任務納入陸軍訓練活動。

反無人機是美陸軍作戰能力發展司令部的六層防空和導彈防御概念的一部分，六層概念包括：彈道導、低空無人機交戰(BLADE)、多任務高能激光(MMHEL)、下一代火控雷達、機動防空技術(MADT)、高能激光戰術車輛驗證機(HEL-TVD)、低成本增程防空(LOWER AD)。目前，上述系統仍在開發中，美陸軍已部署了一些便攜式、車載和機載反無人機系統。此外，美陸軍與國防數字服務局還在合作開發計算機支持的反無人機產品。

3.5 美國防部其他機構

美國防部正在研究和開發多種反無人機技術。聯合參謀部和其他國防部機構參與了反無人機研究工作，如“黑鏢”（Black Dart）演習，該演習旨在“評估和驗證現有和新興的防空和導彈防御能力及反無人機任務集特有的概念”和“倡導士兵所需的反無人機能力”。國防高級研究計劃局積極開展“反蜂群人工智能”等研究，為反無人機技術研發提供資金。2019年12月，國防部精簡了各種反小型無人機項目，指定陸軍為執行機構，負責監督美國防部所有反小型無人機的開發工作。

2019年12月，美國防部成立由陸軍領導的聯合反小型無人機系統辦公室(JCO)，負責監督美軍所有反無人機研發工作。通過與作戰司令部和負責采辦和保障的國防部副部長辦公室協商，該辦公室已評估了超過40種反小型無人機系統，并確定未來美軍反無人機項目的研發方向和標準，該辦公室還選擇了10種小型無人機防御系統和一個標準化的指揮控制系統，以進行后續研發工作。聯合反小型無人機系統辦公室還制定了一份聯合能力發展文件，概述了未來系統的作戰需求，并于2021年1月發布了《國防部反小型無人機系統戰略》。該辦公室還將制定另外一份國防部關于反小型無人機指揮和反小型無人機能力評估的文件。

根據計劃，美國防部將于2024財年在俄克拉荷馬州的福特希爾建立一個聯合反小型無人機學院，以在各軍種同步開展反無人機戰術訓練。

此外，美國會《2021財年國防授權法案》第1074節要求國防部向國會提交一系列報告，包括聯合反小型無人機系統辦公室開展的反小型無人機活動報告和獨立評估情況，以及無人機帶來威脅的報告等。

4、美國會面臨的潛在問題

伴隨美國防部開發、使用及部署反無人機系統武器，美國會需對其進行更多監管，并可能面臨如下潛在問題：

• 美國防部對反無人機系統的投資是否在研發和采購項目之間達到了適當的平衡；
• 為反無人機指定一個國防部執行機構在多大程度上減少了反無人機系統的冗余并提高了反無人機采購的效率；
• 在反無人機的開發和采購方面，國防部與其他部門和組織(如國土安全部、司法部和能源部)的協調程度；
• 為優化反無人機系統的使用并消除與其他美國軍事行動的沖突，是否需要對空域管理、作戰概念、交戰規則或戰術進行某些改變；
• 國防部在多大程度上開展了與聯邦航空管理局和國際民用航空局的協調，以識別和減輕民用飛機的反無人機操作風險。

參考來源：//mp.weixin.qq.com/s/XYS19BM8KakPEprF6fMLaw

摘要

本研究論文使用問題解決框架，研究了美國武器系統如何在采購生命周期的操作和支持階段陷入持續的陳舊和停滯循環，并提供了解決這種情況的方案。一些美國武器系統保持著它們最初在幾十年前投入使用時的能力。關鍵的發現，如厭惡風險的文化、系統要求低于計劃目標備忘錄的切割線、對財務指導的誤解、嚴格的維持法規、繁瑣的采購流程以及高于必要的決策，都被認為是導致根本問題的原因。這篇研究論文提出了幾個解決方案，解決了部分包容性的問題。對解決方案的整體可行性、對作戰人員的好處以及與實施相關的任何潛在風險進行了權衡。最后的建議包括鞏固和利用財務條例對作戰人員的好處，允許增加運營和維護資金的靈活性，允許在F3I重新設計中增加靈活性和性能，盡可能利用領先的商業技術，以及改變維持的心態，從保持準備狀態到保持相關性。結論強調，美國空軍在技術上落后于近似對手，高級領導人必須像對手一樣思考，以確保美國的法規不會抑制空軍比敵人更快地穿越OODA循環的能力。

引言

自朝鮮戰爭以來，美國在每次交戰中都保持著空中優勢；然而，一些跡象表明，空中優勢在未來的沖突中可能不再有保障。據報道，他們最新的S-500防空導彈系統成功擊中了近300英里外的目標。中國在過去十年中對其軍事進行了大量投資，現在已經達到了一個關鍵的自信點。

這個問題可能源于美國如何運作和資助其軍事項目。美國空軍將 "維持 "定義為維持一個武器系統的現有基線能力。任何改進武器系統超過其現有性能閾值的手段都被認為是開發工程的努力，需要從研究開發測試和評估（RDT&E）撥款中獲得資金。許多系統一旦投入使用就不會獲得RDT&E資金，通常在其生命周期的剩余時間內由運營和維護（O&M）撥款資助。由于對現行財務條例的嚴格解釋，財務經理通常會拒絕使用運營和維護資金來提高系統能力和應對不斷變化的威脅的創造性努力。這使得綜合產品小組（IPTs）沒有什么選擇，只能對他們的武器系統進行意義不大的改變，以保持它們在操作上的相關性。

美國不僅在做錯誤的財務決定，而且在做這些決定時也很緩慢。在過去的幾十年里，采購時間周期已經增加。據美國空軍高級領導人目前的估計，從授予合同到投入使用一個系統的時間超過10年。美國的對手在采購周期上的運作速度至少是其兩倍。在過去的二十年里，一些主要的國防采購項目（MDAP）已經被取消。事實上，國防部（DOD）已經在那些永遠不會投入使用的項目上花費了超過460億美元。

為了解決這個問題，新的倡議，如第804條快速采購和破解國防部5000號文件正受到相當大的關注。雖然它們不能解決撥款問題，但它們試圖縮短采購時間周期。在幾十年來成本成為采購決策的主要因素之后，速度現在被強調為主要考慮因素。使用問題/解決方案框架，本文將研究美國武器系統是如何陷入陳舊和停滯的循環中的，以及可以實施哪些解決方案來有效維持美國武器系統。

本文將首先闡明這個問題，描述綜合維持活動組（CSAG）和空軍維持中心（AFSC）內的幾個低效的供應鏈政策。然后，它將討論系統過時和對商業技術的依賴，接著是國防部緩慢的采購過程。問題部分最后將詳細分析當前的撥款限制以及美國空軍的幾個文化問題。

解決方案部分將首先定義具體的評價標準。該文件將提出幾個潛在的解決方案，以及建議的行動。然后將根據規定的標準對每個解決方案進行詳細評估，包括實施中的任何潛在風險。還將討論其他被考慮但未被推薦的解決方案。最后，本文將對問題進行快速總結，提出最終建議，以及為什么這項研究與美國空軍有關。

在決定是否減輕或接受網絡攻擊對武器系統的風險時，最重要的考慮因素是它如何影響作戰任務——也稱為任務影響。然而，對整個空軍的每個系統和所有任務進行全面評估是不切實際的，因為每個系統都很復雜，有大量潛在的漏洞需要檢查，每個漏洞都有自己復雜的威脅環境。

進入網絡任務線程分析框架。為了分析任務影響，作者提出了這種旨在同時實現幾個目標的新方法：足夠全面，可以在美國空軍的每個任務的規模上執行，但信息量足以指導決定接受或接受減輕特定風險。此外，該方法非常簡單，可以在不超過幾個月的時間內執行，并且可以根據需要進行更新。

該框架遵循自上而下的方法，從捕獲所有關鍵任務元素的整個任務的“線程”（映射）開始，然后是支持其執行的系統。雖然作者并未將網絡安全風險評估問題簡化為交鑰匙解決方案，但他們提出了有用的方法來分類與任務成功最相關的領域，同時將對漏洞和威脅的詳細調查限制在最關鍵的領域。他們的框架旨在大規模完成，適用于各種場景，并明確其工作方式。

00 報告研究的問題

• 評估整個空軍的任務影響或網絡安全風險有哪些挑戰？
• 網絡攻擊的風險與其他任務風險有何不同？
• 從任務影響的角度來看，網絡問題的哪些方面提出了必須解決的獨特挑戰？

01 主要發現

1.1 在合理的資源支出下分析大規模的任務影響是一個主要的挑戰

• 即使是狹義的任務也需要大量的系統，而且每個系統都可能相當復雜。
• 在美國空軍的每項任務中增加一項任務的復雜性，要評估的系統數量變得不可行。

1.2 隨著新系統的引入、舊系統的修改以及戰術、技術和程序的發展，執行任務的方式發生了變化

• 對系統的更改會導致系統漏洞的更改，同時威脅也會演變。
• 隨著任務、漏洞和威脅的變化，必須重新檢查風險評估。

1.3 網絡空間的特點之一是冗余無效

• 冗余并不能提供抵御網絡攻擊的穩健性。
• 冗余組件具有共同的網絡攻擊漏洞。

1.4 失去指揮和控制可能會在沒有任何系統或組件故障的情況下損害任務

• 對手操縱指揮和控制的脆弱性是另一種特殊的網絡效應。
• 這種類型的網絡效應通常不會在系統工程中用于安全的技術中捕獲。

1.5 當決策者不了解分析的工作原理時，他們通常會恢復直覺和判斷

• 分析工具越不透明，就越被視為“黑匣子”，越不可信。
• 這種反應提出了透明的動機，以便可以信任該方法來指導決策。

02 建議

• 要大規模執行任務影響評估并節省工作量，請使用系統工程熟悉的方法和可用于分類的任務關鍵性標準組合。

• 定義任務時，不要包含任何系統。在分析的后期介紹特定系統的作用。

• 將隨著時間推移相對穩定的工作與需要在系統生命周期中更新的分析分開。

• 盡可能使用現有的和經過驗證的技術以保持透明，以便決策者了解分析的工作原理及其局限性，并信任它來指導決策。

• 應用網絡分離的概念來解決冗余問題。

• 在任務和系統級別合并功能流程圖，以解決對手指揮和控制分析問題。

• 為了全面驗證和驗證網絡任務線程分析框架，空軍應該在各種不同的任務中應用和測試它。

03 報告目錄

第一章

評估武器系統網絡安全風險的一些注意事項

第二章

評估任務影響的原型框架

第三章

框架的討論