在海洋領域中長達數周至數月的無船員任務對自主系統提出了獨特的挑戰。在這些任務長度中，平臺必須承擔自我評估和任務規劃任務，以及諸如導航等短期自主任務。這里報告了一個探索這些挑戰的四管齊下的研究計劃的結果。對現有的船只進行了審查和分析，并構建了一個新的評級系統。對人類船員進行了訪談，以確定評估和規劃方法。一個簡化的模擬和一個受STPA啟發的分析被用來確定那些研究將是有益的領域。從這些調查中可以看出，現有的規劃系統在很大程度上依賴人類來整合不同的信息來源。今天，人類根據共同的經驗和隱含的標準來做決定。將這個過程自動化是一個重大的挑戰。提出了三個測試案例來探索已確定的研究需求，一個是關于燃料管理，一個是關于機械系統的設計和操作支持，還有一個是關于在服務中適應和更新風險標準。

事實證明，使海事平臺在海上執行數周至數月的長期任務時具有自主性，這與無船員的空中和地面車輛所面臨的挑戰根本不同。自我健康評估、任務規劃和后勤考慮對于可能一次出海數周至數月的海洋船舶來說都是非常重要的。然而，目前人們對有船員的船只如何進行這種評估和任務規劃還不是很了解，這使得對這一領域的算法的研究變得困難。

這項工作報告了對這種長期任務的風險關注的廣泛框架，然后回顧了目前正在使用的海洋系統。現有的平臺顯示了平臺的復雜性和可實現的續航能力之間的明顯權衡。滑翔機和簡單的平臺已經完成了數周至數月的航行，但損失率很高。更復雜的船只仍然處于幾天到幾周的任務長度范圍內，而且目前沒有船只能自主地進行長期規劃。提出了一個新的由三部分組成的評級系統來跟蹤平臺，使用平臺的決策、耐力和平臺復雜性作為衡量標準。現有的平臺用這個系統進行了可視化，證實了能力的差距。

通過對船舶和岸上人員的一系列訪談，試圖確定今天是如何進行這種規劃的。這個過程顯示，機械系統是平臺健康的核心問題。機械的維護在船舶的預防性維護系統（PMS）中是高度結構化的。然而，整合平臺的整體健康狀況和權衡風險的規劃是以人為中心的方式進行的。這種規劃沒有標準化，也沒有記錄在正式的程序中，而是使用了大量的人類經驗和隱性標準。岸上的支持也被廣泛用于診斷問題、計劃維修和支持船上的決定。因此，訪談產生了一個關注的清單，但沒有一個明確的可以自動化的規劃方法。

一個高層次的基于模擬的方法被用來觀察圍繞平臺健康的規劃必須有多精確才能提高運營績效。一支由10艘船組成的船隊被用來維持離支持基地不同距離的巡邏線，每艘船都有一個隨機退化的健康參數。對四種不同的規劃方法進行了比較，結果表明，即使是不完善的長期規劃系統也可能在平臺有效性方面比基于靜態規則的方法產生巨大的收益。

最后，一個修改過的STPA方法被用來嘗試探索長期規劃系統的重大風險領域。比較了兩種STPA公式，更狹隘地專注于任務規劃的方法能夠確定現有算法可能不足的廣泛領域。構建了一個由此產生的挑戰領域的表格，并提出了三個開發案例研究來解決表格中的差距。這些案例被設計成對基礎研究的探索是可行的，但涉及足夠多的學科，以廣泛代表海上任務規劃問題。這三個案例研究包括一個燃料管理研究，一個機械設計和支持案例，以及一個可適應的風險水平案例。報告最后提出了實施這些案例研究的建議，以及進一步的工作。

1 引言

機器人和自主系統（RAS）是一個不斷發展的軍事產業。雖然軍方對RAS的興趣已經存在了幾十年，但這種系統在實驗和地面行動中的使用和應用是相對較新的，而且在不斷增長。這也是荷蘭武裝部隊的情況。2018年，荷蘭皇家陸軍建立了一個實驗單元來探索RAS，即所謂的戰爭的第四次進化。與這個單元一起，荷蘭陸軍開始了實地實驗和正在進行的研究，涵蓋了關于RAS軍事用途的廣泛的基本主題。這篇文章是對這項研究的總結，進行了兩年時間。本文簡要討論了軍事應用、自主性的含義、倫理和法律方面的考慮，以及陸軍內部需要采取不同的方法來跟上技術革新的步伐。隨后，本文描述了荷蘭武裝部隊安排其概念開發與實驗（CD&E）計劃的方式，以及鑒于快速創新的需要和大型組織內官僚主義的現實，它所遇到的摩擦。最后，本文對實地實驗的第一批發現和結論進行了反思。

圖 1 操作員和 MIS。操作員使用（數字）集成在平臺上的遙控武器站。立陶宛國防部，2022 年。

2 RAS的軍事背景

機器人和自主系統(RAS)在軍事方面提供了大量的、重要的和意義深遠的機會。為了觀察這些系統在這種情況下的適用方式并評估其效用，需要解決一些定義和概念：

• 自主性。人類授予一個系統執行特定任務的獨立程度。它是自我管理的條件或質量，以實現基于系統的情景意識（綜合感應、感知、分析）、計劃和決策的指定任務。自治指的是自動化的一個范圍，其中獨立決策可以為特定的任務、風險水平和人機合作的程度量身定做。自主程度可以從遠程控制（非自主）操作員協助、部分自動化、有條件的自動化、高度自動化或完全自動化。

• 機器人。能夠通過人類直接控制、計算機控制或兩者兼而有之的方式執行一套動作的動力機器。它至少由一個平臺、軟件和一個電源組成。

• 機器人和自主系統（RAS）。RAS是學術界、科技界（S&T）公認的術語，強調這些系統的物理（機器人）和認知（自主）方面。RAS是一個框架，用于描述同時具有機器人元素和自主元素的系統。值得注意的是，RAS的每個連續部分都涵蓋了一個廣泛的范圍。系統 "部分指的是廣泛的（軍事）應用領域中的各種物理系統。在計算機或網絡上運行的自動化軟件系統，包括 "機器人"，即可以在沒有人類干預的情況下執行命令的軟件片斷，不符合RAS的要求，因為它們缺乏物理組件。機器人 "部分，指的是系統的物理布局，認為該系統是無人駕駛或無人居住的。所有其他物理方面（大小、形式、是否飛行、漂浮或滾動等）都是開放的。

• 致命自主武器系統（LAWS）。一種無需人類干預的武器，在人類決定部署該武器后，選擇并攻擊符合某些預定標準的目標，因為一旦發動攻擊，人類無法阻止。

• 生命周期。生命周期的概念包括系統的各個階段，從設計到制造、測試、運行中的使用和退役。每個階段的責任以及自動化系統的各個方面都有所不同。總而言之，在法律和道德范圍內，自動化（軍事和或雙重用途）組件的生命周期得到良好管理的總體責任在于訂購系統的國防組織。在這樣做的時候，其采購規格應包含這些內容。各個(子)系統的生產商要對其部件的運作負責。

圖2 一個系統的生命周期

• 有意義的人類控制（MHC）。有意義的人類控制包括（至少）以下三個要素。(1) 人們對武器的使用作出知情的、有意識的決定；(2) 人們在對目標、武器和使用武器的背景的了解范圍內，得到充分的信息，以確保武力的使用符合國際法；(3) 有關的武器是在現實的操作環境中設計和測試的，有關人員接受了充分的培訓，以便以負責的方式使用武器。MHC是一個復雜的概念，在許多情況下，上述描述并不是結論性的。荷蘭的官方立場是，"所有武器，包括自主武器，都必須保持在有意義的人類控制之下"。

3 概念與應用領域

"殺手機器人 "的言論使公眾對軍事背景下的機器人和自主系統的看法變得狹隘，只認為是高度或完全自主的系統對武力的致命使用。實際上，RAS可以應用于許多軍事功能和任務，每種功能都有不同程度的自主性（見圖1）。機器人和自主系統的廣泛軍事適用性產生了許多巨大的機會。未來幾年的挑戰是如何充分利用這些機會，發揮軍事優勢的潛力，同時減輕所帶來的風險。

圖 3 RAS在軍事中的應用領域

4 評估RAS的軍事價值

為了衡量RAS對軍隊的附加值，有必要確定這些系統能夠（或不能）積極促進軍事組織能力的不同方式。這可以防止為創新而創新，并將RAS的發展定位在其產生切實的、可感知的結果的潛力上。為了確定RAS的軍事用途，我們提出以下標準（見圖2）：

圖 4 RAS評估矩陣

1.在部署RAS的軍事任務中實現預期效果或目標的有效性。

2.使用資源的效率。理想情況下，系統的生命周期成本（初始投資、維護、升級等）以及運行成本（如燃料、備件和維修）都要考慮在內。

3.根據當前情況的要求進行調整的敏捷性，以及隨著時間的推移適應新情況的敏捷性。

4.應用RAS的合法性，無論是在正式意義上還是在戰區和國內的（軍事）操作人員和人民/社會所認為的合法性。

5 目前的RAS系統概述

HCSS使用的RAS數據集在很大程度上建立在SIPRI數據集的基礎上，該數據集包含了380多個RAS，被分為若干一般類別。我們的概覽目前包括299個不同的RAS解決方案。我們的概覽目前包括299個不同的RAS解決方案。大多數RAS被歸入信息和情報類別，而使用武力的RAS解決方案最少。恰恰是由于涉及國家安全問題的分類所帶來的限制，使用武力的實際RAS數量可能比可以斷言的更多。此外，在中國和俄羅斯等國家收集有關RAS的數據受到其已知的保密性和語言障礙的限制。

使用HCSS的軍事功能分類法，對當前的RAS進行了事實性的概述（見圖1）。本節將首先展示該分類法的第一層；然后是第二層，對RAS的潛在軍事應用進行更詳細的說明。為了提供一個清晰的關于RAS生產和使用的廣泛觀點，可視化將顯示每個國家生產/使用的項目的大致數量。

我們根據其軍事功能對299種RAS進行了分類，即在服務與支持、信息與情報、防御性使用武力和進攻性使用武力等領域，形成了第一層分類法。圖3描述了RAS的第二層，為HCSS的系統分類提供了更全面的觀點。

圖 5. HCSS RAS 分類法

在這些功能中實施RAS帶來了巨大的挑戰，但也預示著軍隊有了更有效、更高效和更敏捷的新機會。可以根據這些類別來評估RAS繼續（重新）進化國防領域的潛力。

速度。在人工智能的幫助下，RAS已經能夠超越人類的反應時間，縮短OODA（觀察、定向、決定、行動）的循環，從而促進快速決策和對威脅進行優先排序。

可靠性。將任務委托給機器需要極大程度的信任，到目前為止，RAS還不能證明在所有軍事應用領域都有足夠的可靠性。然而，隨著這些系統在執行具體任務時證明其可靠性和有效性，我們對這些系統的信心會增加。

精確性。人工智能系統已經發展了面部圖像識別和感官能力，超過了人類的表現水平，盡管無人駕駛系統比人類操作人員更精確的說法受到廣泛爭議。

量。由于射程和耐力的增加，RAS有能力加強對戰斗空間的覆蓋，并壓倒對手。這種潛力的最好例子是 "蜂群"。

射程。RAS大大增強了監視、情報、偵察和武器系統的可用存在點。

穩健性。在短期內，RAS將比人類更容易受到意外情況的影響，包括惡劣的天氣和任務的變化。這種脆弱性延伸到了虛擬領域：因為連接的損失、黑客攻擊和其他干擾會使一個系統失去能力。

安全性。RAS可以執行 "枯燥、危險和骯臟 "的任務，這樣人類就可以專注于更專業的任務，并遠離火線。

成本。盡管對最先進技術的獨家使用權將保留給最富有的參與者，但現在被認為是高度先進的系統的成本將在未來20年內下降，從而變得更廣泛地可獲得。

維護。鑒于系統的復雜性和所涉及的多個（外部）合作伙伴，更新和升級RAS的軟件和硬件可能被證明更加困難。

時間效率。RAS可以在不需要休息的情況下24小時高標準地執行枯燥和重復的監測任務，后勤規劃可以得到有效解決，并且可以迅速超越人類多任務處理的極限。

靈活性。盡管RAS目前在執行特定任務方面表現出色，而人類在可預見的未來仍將是最靈活的。隨著開發人員對當前系統的不斷創新，這種動態可能會發生變化。

適應性。RAS具有很強的適應性，在系統的生命周期中可以很容易地進行重新配置（擴展、延伸、升級等），以便跟上動態環境中出現的新要求。

外部合法性。因此，軍隊與RAS的接觸必須在它們（可能）提供的先進能力和它所服務的社會的價值觀和規范之間取得平衡。

內部合法性。對RAS的信任和組織正常化將隨著時間的推移得到加強。隨著對系統的理解、其可預測性和熟悉程度的提高，其在組織內的合法性將得到鞏固。

圖6 荷蘭陸軍機器人

6 自主性等級

RAS的 "自主性"部分是討論最多的，也是最受限制的。一個關鍵的概念是有意義的人類控制（MHC）。荷蘭的正式立場是，"所有武器，包括自主武器，都必須保持在有意義的人類控制之下"。同樣，沒有國際公認的定義。有意義的人類控制包括（至少）以下三個要素：

• 人們對武器的使用作出知情、有意識的決定。
• 人們在對目標、武器和使用武器的背景有充分了解的情況下，確保武力的使用符合國際法的規定。
• 有關的武器是在現實的操作環境中設計和測試的，有關人員接受了充分的培訓，以便以負責任的方式使用該武器。

然而，MHC是一個復雜的概念，在許多情況下，上述描述并不是結論性的。同樣，經常使用的人在環中、人在環上和人在環外的區分也是不夠的。這些術語指的是一個未指定的人和一個未指定的決策循環之間的關系，而在現實中，一些不同的人可能與各種循環有關。循環中的人類指的是人類具有監測功能，能夠在需要時進行干預的情況。許多這樣的環路都是非操作性的，例如，在RAS的設計階段發揮。同時，這些術語也涵蓋了人類控制（或機器自由）的方面。自主性一詞中還包含的另外兩個概念是機器的復雜性和被自動化的決策類型。

為了我們的目的，我們提出了一個基于SAE國際標準J3016的分類法（見圖4），該標準確定了六個級別的駕駛自動化來對自動駕駛汽車進行分類。

圖7 自動化等級

0：遠程控制：由操作者全時執行動態核心任務的所有方面，即使有警告或干預系統的加強。

1: 操作員協助：由協助系統利用環境信息執行核心任務的某些功能方面，而操作員執行核心任務的所有其余方面，并期望操作員對干預請求作出適當的反應。

2：部分自動化：由協助系統使用環境信息執行核心任務的所有功能方面的特定模式，并期望操作者對干預請求作出適當的反應。

3：有條件的自動化：由一個或多個輔助系統對核心任務的所有功能方面進行特定模式的執行，使用關于環境的信息，并期望操作者將對干預的請求作出適當的反應或/和可以推翻自主行為。

4：高度自動化：由一個或多個輔助系統利用有關環境的信息，執行核心任務的所有功能方面的特定模式，即使操作者沒有對干預的請求作出適當的反應。

5：完全自動化：由一個自動化系統在所有環境條件下全時執行核心任務的所有方面，至少達到可由操作員管理的水平。

7 存在的困境

7.1 RAS軍事應用的社會考慮

在軍事背景下開發、整合和使用RAS的倫理和法律考慮比比皆是。雖然目前關于機器人和自主系統（RAS）的倫理辯論往往被圍繞著全面禁止 "殺手機器人 "的相對極端的敘述所主導，但目前關于RAS的討論卻忽略了對決定如何在軍事背景下引入RAS有關鍵影響的細微差別。醞釀中的人工智能軍備競賽以及廉價、技術先進的系統在國家和非國家行為者中的傳播，迫使各國采用RAS。軍隊如何在保持人類機構、人類尊嚴和責任不變的情況下做到這一點是非常重要的。

7.2 倫理考慮

保持人的能動性，特別是在自主武器系統（AWS）的背景下，是關于在軍事領域整合RAS的最有爭議的辯論問題之一。人的能動性是一個概念，包括 "自我控制、道德、記憶、情感識別、計劃、交流和思考"。它包括 "自我意識、自我意識和自我授權的特點"，因此與道德機構有關，并影響到責任的歸屬。

人類控制也被稱為 "有意義的人類控制"（MHC），是人類機構的一個操作組成部分，它區分了人類和人工決策過程。維持MHC的一個基本方面是操作者對算法過程的參數的理解，作為計算結果的呈現，以及事后解釋機器通往結論的路徑的能力。從這一點出發，產生了RAS特別是AI的一個重要的倫理問題：缺乏算法的透明度。神經網絡等算法存在不透明性，因為它們像 "黑匣子 "一樣運作，因此算法得出結論的路徑往往無法追蹤。操作者對此類系統的理解減少，降低了他們預測和/或解釋系統推理過程的能力，削弱了操作者對結果的控制，因此，對其（錯誤）使用的責任。此外，算法驅動的系統的進化性質，無論是自學特性還是軟件更新，都有可能大大影響系統行動的可解釋性。獨立發展其對周圍環境的理解的自學人工智能、自動化偏見和對系統輸出的過度信任可能會限制人類對RAS系統運行的控制。由于系統的設計可以在觀察、定向、決定、行動（OODA）循環中的多種功能中納入不同程度的自主性（從遠程控制到完全自主），有意義的人類控制原則應在開發的最初階段被考慮。

基本的指導原則是以 "設計的倫理 "來工作，即在用例識別、系統設計、驗證、制造和測試過程中納入倫理考慮，而不是僅僅在系統生命周期的 "使用 "階段。這就需要在設計和測試階段的早期建立對系統性能和行為的理解，通過早期讓終端用戶參與進來，這意味著操作員、監督員和指揮官將能更好地追蹤、理解和預測系統的決策過程。應該為將開發過程外包給外部承包商建立最佳實踐指南。

7.3 法律考慮

RAS中缺乏有意義的人類控制，這推動了對管理自主武器的法律討論和辯論的考慮。國際上的立場仍然大相徑庭，從禁止這類武器的支持者和反對者到介于兩者之間的一些國家，強調需要進一步澄清和闡述現有制度。然而，很明顯，目前的規則、標準和做法是相關的，但很可能不足以涵蓋自主武器方面的發展。至少，RAS需要對現有法規進行完善。雖然基于共識的《特定常規武器公約》/《政府專家組》仍然是推動這一辯論的必要工具，但僅靠這一努力是否足夠令人懷疑。盡管有非政府組織和學術界的參與，但在這種形式下，國家締約方占主導地位，工業界只是以后備身份出現。在國際層面的定義、規范和標準的各種方法中，荷蘭需要決定其武裝部隊現代化的方向，并在不斷加強的公眾辯論中決定其國際姿態。

管理RAS的法律方法包括硬法律、軟法律和自愿措施。硬法涉及國家間談判和商定的具有約束力的條約。軟法涉及準法律文書，如具有政治約束力的行為守則（CoCs）或建立信任和安全的措施（CSBMs），有時涉及國家以外的多個利益相關方。最后，自愿性文書包括行為原則或規范以及最佳做法的交流，或傳統軍備控制界內部或外部的其他信息（見圖6）。

圖 6：監管 (L)AWS 的三種機制

8 概念開發與實驗是必需的環節

8.1 RAS軍事應用的操作考慮

對RAS的軍事適用性的業務操作考慮涉及現有程序和武裝部隊內部文化帶來的挑戰，特別是在與外部伙伴的合作以及概念開發和實驗（CD&E）方面。在合作方面，RAS的出現對軍事背景下多利益相關方合作的有效性提出了挑戰，特別是當它涉及與私營部門的合作結構時。除了與外部關系的變化，武裝部隊還必須努力解決CD&E過程的內部重組問題，這不僅會對指導組織功能的結構過程提出質疑，也會對更廣泛的理論思維提出質疑。RAS的獨特之處在于，它們最終會將人類帶入 "圈外"，并因此極大地影響作戰性能、組織嵌入（例如，影響人員的數量、技能和培訓）以及作戰概念（理論和戰術）。

協作考慮

由于RAS的發展在很大程度上是由民用創新驅動的，RAS的整合創造了與傳統國防工業以外的設計者、開發者和制造商互動的需求。管理這種關系需要：a）綜合和跨學科的合作；b）明確的任務、投資和責任分工；c）實施共同的系統結構；d）平衡軍事要求和期望、技術可能性以及（可能沖突的）法律、倫理和安全參數。

此外，由于快速的創新周期，例如人工智能（AI），RAS必須在快節奏的程序中開發和獲得，使用時間較短，并在系統的整個生命周期中進行修改、更新、插入或交換。而常規系統的整合包括從開發者/生產者到將使用新系統的軍事組織的某種 "移交"。RAS的一個特點是對持續發展的集成軟件的依賴；當然，在自我學習算法是系統自主推理的一部分的情況下。因此，RAS的移交并不一定是生產者在生命周期的后期階段的最終參與。生產者必須確保系統得到充分和定期的更新，確保系統的自學性質得到控制，并繼續滿足需求和標準。

與這些快速的創新周期相比，關于倫理問題和法律不確定性的社會討論展開得很慢。這些對話需要與國防組織之外的一系列利益相關者和政策制定者進行互動。軍方應盡可能地讓外部開發者參與這一辯論，并應通過使用內部準則或行為守則對所有利益相關者進行有意義的監督。

RAS的整合涉及到對所有 "DOTMLPF "類別的調整。軍隊應重新考慮理論是否涵蓋了RAS部署的情況，部隊的培訓和組織是否足以確保RAS得到充分利用，是否有足夠的技術知識來處理臨時的技術問題，設施是否具備維修RAS的能力，等等。RAS可能給DOTMLPFelements（部分或全部）帶來的根本性變化，需要與國防組織內的利益相關者、國際軍事伙伴，以及可能與其他伙伴機構進行廣泛的互動。

8.3 概念開發與實驗（CD&E）考慮

在武裝部隊中引入RAS，不僅僅是為了適應和使用新的武器系統。為了站在快速變化的需求和新興技術的最前沿，并能夠就RAS如何增強軍隊做出正確的決定，實驗是關鍵。對于設備的開發者來說，軍事世界可能是相當新的，并且鑒于在與RAS合作時出現的新問題，必須組織與開發者、生產商、知識機構，當然還有作戰用戶本身的密集工作關系。這些工作關系和隨后的討論應該為幾乎準備好的產品建立，但也特別是為武裝部隊的最概念性的想法建立。這些討論可以在所謂的 "試驗臺 "中進行。

在武裝部隊內部，如何從目前和計劃中的部隊轉向未來部隊的文化需要改變態度。需要進行深入的對話和研究，不僅是關于確定性的話題，如更新舊設備，而且是關于不確定性的話題，如思考未來需要的能力，并就如何達到這一點制定戰略。國防規劃系統需要為此進行調整，可能還需要在國防投資或生命周期計劃中設立單獨的創新基金。首先，關于采購的嚴格規定需要進行一些調整，以允許從舊手段向新手段的創新過渡。一個可能的方法是在定義新的能力需求的早期階段成立一個工作組，所有相關的參與者，從法律團隊和采購支持到業務用戶和負責的參謀人員，都可以討論和規劃新能力的獲得。

訪談發現，相當多的創新來自于組織的低層，而不是對未來技術的大局思考的產物。創新部門應該提供靈活的程序和一定程度的操作自由，以允許 "草根 "創新。創新競賽是另一個很好的例子，說明組織可以相當迅速地、不通過復雜的程序達成某些創新解決方案。同樣重要的是，允許創新失敗，在這種情況下，沒有人必須為這種失敗而受到懲罰的想法。雖然不能指望軍事組織像工業界那樣接受失敗和承受風險，但如果要取得進展，必須向這種態度轉變。失敗和風險是真正創新的不可分割的組成部分。因此，工業界和軍方必須緊密合作，在RAS技術的生命周期內對創新進行評估。

圖8 第13輕裝旅RAS-CD&E單元

9 第 13 輕旅 RAS-CD&E單元

9.1 啟動

在許多陸軍中，啟動一個新項目或創建一個新單元的常見方式是通過周密的計劃、研究和大量的耐心。2018年，荷蘭皇家陸軍司令部偏離了這一軌道，指派一名軍官開始RAS考察，只下了一個非正式的命令："剛剛開始，探索各種可能性"。在沒有正常的組織分解結構和工作描述的情況下，這名軍官將具有不同專長的人聚集在他周圍，并進行了簡短的文獻審查和市場調查，以考察設備的可能性和可用性。這個新成立的團隊得到了RAS實驗單元的名字。該單元負責RAS領域的概念開發和實驗，并與工業界和大學一起探索短期和中期的研究目標。

這種迅速的開始使得在短短兩年內建立一個大約20人的團隊，擁有各種機器人、無人機和其他設備。在此期間，在蘇格蘭和奧地利進行了重大演習，RAS團隊帶著機器人參加了演習。

9.2 執行

軍隊指揮部的明智決定是將RAS實驗單元設在一個作戰旅，即13輕騎兵旅內，而不是教育和訓練單元或卓越中心內。這樣一來，就有可能為最終用戶進行實驗，并與最終用戶一起進行實驗，從未來必須操作這些系統的人那里獲得直接反饋。終端用戶由一個常規步兵排代表，該排被旅長指定為執行實驗的專用排。這個所謂的RAS排被置于RAS實驗單元的戰術指揮之下。

在第一年半的時間里，RAS-單元抓住一切機會快速啟動，這導致了各種各樣的項目分散到各個方向，它們之間沒有明確的凝聚力或明顯的焦點。這種工作方式是經過深思熟慮的選擇，即在短時間內非常靈活地探索RAS的廣泛領域，并采摘低垂的果實，而不是被阻礙和束縛在一個僵化的路徑上。這種方法在短時間內取得了許多小的成功，其結果是在組織內創造了一種積極的運動和熱情，以接受這一計劃，并繼續為一個相對不確定的計劃分配資金和資源。它引起了上級指揮部的注意、信任和 "贊助者"，產生了促進該計劃成為武裝部隊創新的主要先鋒之一的積極結果。

基于過去一年半的知識和經驗，廣泛而多樣的方法匯聚成2021年和2022年的三條行動路線。第一條線的目標是在2022年底與RAS排一起在軍事相關的環境中進行操作實驗，如任務。第二條是繼續進行已經開始的短周期實驗，第三條是（內部）開發人工智能，以實現從遠程控制到更多自主系統的步驟。這三條線都將集中在戰斗功能上。雖然從后勤或傳感開始爭議較少，但國家擁有使用武力的壟斷權，因此有責任在這一領域啟動控制良好和負責任的研究和開發。在其他研究領域有可能出現雙重用途的情況下，軍隊應以最低限度的能力采用和吸收這些研究結果，使其成為軍事證據。在戰斗功能方面，需要與工業界和大學的技術專長緊密合作并結合具體的軍事領域知識。

9.3 先決條件與挑戰

上述所選方法的成功程度取決于某些先決條件和滿足這些條件的方式。以下因素對RAS項目第一階段的迅速開展至關重要。

首先，被指派領導項目的人必須有一種反叛和創業的心態，特別是在像軍隊這樣的大型官僚組織。這是必要的，以便以非傳統的方式將組織從A地轉移到B地。如果以傳統的方式進行，你最終可能只是把事情做得更好一點。第二，項目負責人必須表現出毅力和勇氣，因為這將是一個艱難的內部旅程，團隊會遇到很多不情愿、不靈活和保守的情況。第三，管理層必須表現出對項目負責人的充分信任，并以誠實的意圖而不是以時間表來支持任務。這意味著一級和二級管理層必須接受混亂和 "不受控制 "的感覺。因此，重要的是在組織內部盡可能低的層次上賦予全部責任。例如，在計劃開始時，只有少數項目和活動是由上級指揮部設立和了解的。但隨著時間的推移，RAS單元不斷壯大，項目和活動的數量也隨之增加。當上級指揮部和上級領導對他們所不知道的項目數量感到 "驚訝 "時，當他們 "面對 "進展的規模時，就出現了轉折點。盡管所有項目似乎都符合方案和指揮官的意圖，但未知的情況讓上級指揮部感到不舒服。花了一些時間和多次 "咖啡機會議 "才阻止了收緊規則和增加控制措施。為了提高上級指揮部對形勢的認識，同意在RAS-單元內引入某種聯絡方式。

造成這種失控感的部分原因是，RAS計劃是一個復雜的、全面的和技術性的計劃。它有各種各樣的基礎項目，在技術領域、工程師或概念的成熟度、工業伙伴和方法上都有所不同。所有這些較小和較大的項目在時間上平行和/或串行運行，最終都有助于實現商定的目標。但這需要對所有這些項目有深入的了解，并以整體的觀點來看待這種相互聯系。只看到這個復雜的拼圖的一部分會給人一種混亂的印象。然而，正如高級指揮部所意識到的那樣，對方案細節有一個非常簡要的概述，但對目標和目的有一個清晰的看法和把握，這是第一步。下一步是接受這種簡短的細節，抑制試圖掌握所有細節的第一反應，這仍然是方案中的一個問題。為解決高層領導的這一擔憂，一個可能的解決方案是創建一個大型的圖像序列，其中所有的（子）項目都圍繞著主要目標進行可視化，并概述這些（子）項目之間的關系。有了這樣的圖示，就更容易說服和告知上級指揮部這些（子）項目的必要性，以及它們在大局中的作用。最后，對于參與項目的每一個人來說，接受（或更好地擁抱）失敗并保持耐心是很重要的。

圖 9.NLRA，RAS 排。 Themis RC 機器人在奧地利與荷蘭步兵一起進行 CD&E 演習

9.4 前進之路

隨著RAS發展的重點放在戰斗上，荷蘭國防部已經啟動了對無人駕駛地面車輛（UGV）和人工智能（AI）的長期投資計劃。在15年的期限內，軍隊將投資于各種戰斗型UGV的實驗，包括進一步開發相應的人工智能。隨著這項投資集中在連級，實驗將被執行，以開發更大規模單元（如營或旅）的新操作概念，同時還將建立一個模擬程序。這一發展的第一步從2022年開始，并將在2023年繼續。目標是創造一個模擬環境，在這個環境中，指揮官和他的工作人員可以嘗試新的作戰概念，除了現有的軍隊裝備外，還可以自由地納入各種RAS。除了概念的發展，這些模擬的結果將為新單元的形成和設置、這些單元內所需的RAS組合以及這些系統的具體資格提供指導。

本論文利用軸向動量理論（AMT）的修改版本和計算流體動力學（CFD）來模擬具有類似的簡化流動的多個螺旋槳，以估計小型無人飛行器（UAVs）的空氣動力恒定力。利用AMT的修改版本，對一個現成的商用垂直起降（VTOL）平臺和一個為向前飛行而優化的新設計進行了比較。

目標

本論文利用軸向動量理論（AMT）的修改版本和計算流體動力學（CFD）來模擬具有類似的簡化流動的多個螺旋槳，以估計商業現貨（COTS）垂直起飛和降落（VTOL）平臺上的空氣動力和重力作用。利用AMT的修改版本，對COTS平臺和為前向飛行優化的新設計進行了比較，以研究VTOL飛行器的潛在改進。

能源

美國國防部（DOD）有興趣在軍隊活動的地方開發和部署能源解決方案，而不是遠距離運輸燃料[1]。使用移動手段在當地生產氫氣可以使任務更加安全，并改革能源供應鏈[1]。由于氫氣的高燃燒熱和高比熱，它是傳統飛機燃料的一個有利的替代品[2]。

與傳統的化石燃料相比，"氫氣的體積密度明顯較低，但重量密度是其兩倍以上" [3]。在Sarkar和Banerjee對氫氣儲存方案的分析中，他們得出結論，氫氣 "似乎對長期可行性最有利"，"[壓縮方案]所需的總能量最低" [3]。壓縮氫氣增加了其體積能量密度，使其成為立即用于燃料電池或渦輪機的可行選擇[3]。氫氣有可能以有效和具有成本效益的方式得到適當的利用，通過水解使可再生能源的可能性變得無限大[4]。

一個小規模的、可靠的氫氣站在船上或部署，加上持久的無人指揮、控制、通信、計算機、網絡、情報、監視和偵察（C5ISR）資產，由當地生產的氫氣驅動，可以滿足全世界對自我維持和高度移動資產的需求[5]。由于氫氣可以使用任何可用的電能來源從水中制造出來，它幾乎可以在世界任何地方就地生產[2]。一種清潔、可持續和可移動的氫氣生產方法是電解水[3]。如果利用海水，每艘海軍艦艇都可以生產無人駕駛航空器（UAV）、無人駕駛水面艦艇（USV）或無人駕駛水下艦艇（UUV）所需的壓縮氫氣。這種能源獨立的海軍部隊將改革目前需要的供應線，并增加戰區資產的駐扎時間。

商業平臺

多旋翼飛機，如四旋翼飛機，正在成為軍事應用中更相關的平臺。由于多螺旋槳的設計，用計算便宜的方法對這些平臺進行建模被證明是一個挑戰。所選擇的COTS平臺將基于復合材料的結構與壓縮氫氣儲存和燃料電池技術相結合。像Intelligent Energy和HES Energy Systems這樣的公司已經證明了他們的燃料電池無人機在續航能力上可以超過只有電池的單位[5]。當操作氫燃料電池時，唯一的副產品是電能、熱量和水蒸氣。

海軍研究生院從HES能源系統公司獲得了一個名為 "Hycopter "的COTS平臺[6]。這個氫燃料電池驅動的系統具有以下飛行特性[7]。

• 在12升氫氣罐加壓到34.5兆帕（5000磅/平方英寸）且無有效載荷的情況下，飛行時間為3個多小時

• 宣傳的最大有效載荷為2.5公斤

• 最大起飛重量（MTOW）為16.5公斤

根據宣傳材料，"Hycopter無人機可以覆蓋6倍于當今大多數電池無人機的表面積，使大規模檢查更快、更便宜、更容易完成" [7]。在有人落水或海上搜救的情況下，這種增加的續航能力可以定位目標，彌補部署載人飛機進行救援所需的時間。圖1顯示了COTS平臺與市面上的附件。

"為安靜的長續航時間（LE）多旋翼飛行、可靠性和高性能而設計"，這種飛行器可能的軍事應用包括C5ISR或搜索和救援（SAR）任務，與有人駕駛的飛機行動一起或代替有人駕駛的飛機[7]。所宣傳的2.5公斤的有效載荷能力限制了將該平臺用于戰斗行動或營救受傷或被困人員的可能性[7]。

本研究的COTS平臺是一種VTOL飛行器，可在10分鐘內由一個兩人小組輕松部署，是當前技術的代表[7]。該COTS平臺的設計飛行特性包括最大橫向速度為15.6米/秒，最大輔助速度為3米/秒，最大傾斜角度為32度[7]。Yang為Aqua-Quad提供的稀少數據表明攻角和真實空速之間存在線性關系[8]。圖2顯示了Aqua-Quad的數據。

圖 2. Aqua-Quad 真實空速與平臺俯仰。

推力換算

COTS氫氣平臺與類似尺寸的電池動力飛機相比具有明顯的優勢，但由于該平臺專注于懸停飛行，因此在飛行包絡上受到限制。"為了實現最小重量的目標，VTOL飛機的設計應優化為向前飛行"[9]。"有四種技術可以將系統從垂直推力模式轉換為水平巡航飛行模式：傾斜飛機、傾斜推力、推力矢量和單獨（雙）推力" [10-12]。從概念上講，這些技術可以使飛機在相同的燃料量下，比同等大小的直升機多走一倍的路程，多走一倍的速度[13]。例如，V-22鶚式飛機的飛行包絡線超過了直升機，也超過了渦輪螺旋槳飛機的大部分[13]。

對懸停飛行的關注以類似于直升機和其他VTOL平臺的方式限制了多旋翼飛機。由于多旋翼飛機通常是無人駕駛的，所以沒有像V-22鶚式飛機那樣可以攜帶貨物或人員的駕駛艙的設計要求。設計方案將是一個傾斜的飛機，這大大降低了工藝復雜性，但保持了V-22所看到的類似優勢。與目前的COTS氫氣平臺相比，V-22的一個優勢是V-22有可變距螺旋槳。變距螺旋槳允許在所有的飛行模式下高效飛行。圖3顯示了飛翼方案的起飛配置。

圖 3. Bluff Body Flying Wing建議起飛配置

"飛機的航程取決于諸如空速、燃料容量、載荷、懸停要求和起飛/降落配置等因素" [13]。傳統的飛機在起飛時的推力值是被提升的總重量的百分之三十到四十[11]。對于VTOL飛機，垂直升降模式下的推重比必須超過工作重量一定的幅度[14]。圖4顯示了V-22飛行包絡線與傳統飛機相比的優勢。

圖 4. V-22 與直升機/渦輪螺旋槳飛行包線的對比。

在巡航飛行中，有人駕駛的直升機和旋轉型VTOL飛機的效率比管道風扇或渦輪風扇和渦輪噴氣機要差[12]。傳統飛行的續航能力和航程優勢使得從旋翼飛行過渡到固定翼飛行非常可取。保持旋翼飛機的配置限制了速度，因為在前進的葉片上會產生沖擊波，在后退的葉片上會出現失速情況[15]。這些跨音速問題嚴重限制了載人旋翼平臺的最高速度；然而，旋翼飛機在需要快速橫向運動和快速盤旋上升/下降程序的機動中速度較快[15]。對于較小的無人駕駛平臺來說，這些限制中的一些可能沒有那么重要。圖5顯示了V-22與傳統飛機相比在燃油經濟性方面的優勢。

圖 5. 到真實空速的特定航程（NM/LB 燃料）

論文大綱

第一章討論了燃料選擇的考慮，介紹了目前市售的無人機，并討論了推力轉換技術。

第二章討論了AMT和多項式速度分布的創建。

第三章討論了AMT在自由空間的圓盤上的應用，它在CFD建模中的應用，以及對自由空間的圓盤建模的結果。

第四章討論了COTS平臺的基本空氣動力學特征，用于創建飛行翼方案的設計特征和方法，工藝品的CFD建模，以及CFD建模的結果。

無人機系統和下一代戰車（NGCV）集成的重點是由美國國防部航空航天教育、研究和創新中心團隊推動的，以支持美國陸軍士兵的項目合作。通過與克里斯-克羅寧格和巴勃羅-古茲曼的雙周互動，與美國陸軍作戰能力發展中心陸軍研究實驗室合作，提出了創造一個盒子的想法，這個盒子可以作為無人機的存儲和平臺，讓無人機降落、起飛，并在航行中得到保護。這項工作的最初目標是開發一個高效和有效的移動無人機平臺原型，供士兵們在戰場上最終使用。計劃是對無人機停留在盒子的蓋子（平臺）上的方法進行多次測試，在盒子里時提供額外保護。

摘要

為了支持加拿大皇家空軍（RCAF）領導的遙控飛機系統（RPAS）項目，加拿大國防研究與發展部（DRDC）-多倫多研究中心（TRC）在2016年開發了一個綜合地面控制站實驗和演練的試驗平臺，以研究中隊級無人機系統（UAS）作戰單元的關鍵作戰概念。測量操作員的決策性能是分析、設計和評估人機交互（HMI）和智能自適應系統（IAS）概念的一個特別重點。在這份參考文件中，我們對直接和間接的性能測量（MoPs）進行了全面的審查，在無人機系統和人機協作的概念開發和實驗（CD&E）方面。

對國防和安全的意義

本參考文件提供了適合于無人機系統模擬器實驗和人類與自主系統互動的MoPs總結和描述。它為其使用提供了科學證據，并為其應用提供了指導，以可靠地評估和評價軍事環境中涉及無人機系統和廣義上的人類自主協作的作戰概念。

1 引言

1.1 概述

本參考文件對無人機系統（UAS）和人機協作的概念開發和實驗（CD&E）中使用的直接和間接性能測量標準（MoPs）進行了審查。直接性能測量標準，或基于結果的測量標準，包括決策準確性、決策效率、決策質量和操作者任務績效的決策一致性。間接的，或與過程相關的測量，指的是培訓效果、態勢感知、操作員的工作量、人機信任、可用性、團隊合作和操作員反饋。在加拿大國防研究與發展部（DRDC）--多倫多研究中心（TRC），這兩種類型的措施都已成功地適應于無人機系統地面控制站（GCS）模擬器的使用。

1.2 背景

為了支持加拿大皇家空軍（RCAF）領導的遙控飛機系統（原聯合無人機監視和目標獲取系統項目），DRDC多倫多研究中心在2015年開發了一個綜合地面控制站實驗和演練的試驗平臺，以研究中隊級無人機系統作戰單元的關鍵作戰概念。這些概念包括GCS功能要求、適航認證、人類系統集成（HSI）、機組配置和操作員培訓要求。

位于DRDC TRC的TIGER是一個GCS模擬器，用于遠程駕駛中高度長壽命（MALE）無人機（UAV）（Hou，2015）。該模擬器包括飛行器操作員（AVO）和有效載荷操作員（PO）工作站，以及另外四個可重新配置的工作站，用于圖像分析員和報告員（IMA-A和IMA-R），以及電子戰分析員和報告員（EW-A和EW-R）。駕駛和傳感器操作可由操作員進行，或根據編程腳本自主進行。該平臺允許在組件的位置（工作空間安排）、訓練或測試重點（團隊、部分團隊或個人）、環境視角（空中飛越、空中監視或地面觀察）以及用于信息處理、利用和傳播（PED）的指揮和控制（C2）單元方面有相當大的靈活性。TIGER可以是一個獨立的GCS和/或支持網絡中心戰的分布式演習。表1描述了每個操作員的角色和職責，相關的工作站布局在圖1中說明。

當前無人機系統任務的復雜性和無人機系統技術能力的不斷提高，對操作人員提出了重大的認知要求。Arrabito等人（2010年）提供了一份關于一系列認知風險的綜合報告，這些風險導致了許多與無人機系統有關的事件和事故，如操作人員的疲勞、工作量和情景意識（SA）的喪失。

表1：TIGER中無人機系統操作員的角色和責任

角色	工作職責
飛行器操作員 (AVO)	作為機組指揮官，駕駛無人機，并控制任何武器的釋放
有效載荷操作員 (PO)	控制無人機有效載荷，確保傳感器設置對當前任務是最佳的，并控制無人機的激光瞄準。
圖像分析員(IMA-A)	查看來自無人機傳感器的視頻資料，識別任何潛在的重要事件和實體，并將這些信息傳達給IMA-R
圖像報告員（IMA-R）	審查來自IMA-A的事件和實體，并為無人機任務分配機構和AVO編寫報告
電子戰分析員(EW-A)	專注于無人機的電子支持措施，確定任何潛在的重要事件和實體，并將這些信息傳達給EW-R
電子戰報告人（EW-R）	審查來自EW-A的事件和實體，并為無人機任務分配機構和AVO編寫報告

圖1：TIGER中的UAS地面控制站布局。

本參考文件概述了根據NATO STANREC 4685《無人機系統人類系統集成指南》（Hou & Geesman, 2022）和人因設計標準HF-STD-004（聯邦航空管理局，2009），使用無人機模擬器進行作戰概念開發和測試的實驗要求。這些研究強調了進行實驗、調查和演示（包括動態模擬和軟件原型）的重要性，以確定和解決人類工程問題，并評估操作員的認知負荷。測量操作員的決策表現是分析、設計和評估人機交互（HMI）和智能自適應系統（IAS）概念的一個特別重點（Hou, Banbury, & Burns, 2014）。這是一個不小的挑戰，因為 "正確 "決策的概念，特別是在不確定的條件下，是高度主觀和依賴環境的（Hou等人，2014；Banbury, Pelletier, Baker, Tremblay, & Proulx, R，2014b）。因此，一套定量和定性的MoPs被用來描述個人和集體的決策表現。本研究報告確定并總結了用于評估操作者決策過程的 MoPs，以及衡量其結果的 MoPs，并概述了在 DRDC TRC 的三項 TIGER 研究中所采用的措施。

2018年，TRADOC發布了《多域作戰中的美國陸軍（2028年）》，TP 525-3-1。眾所周知，MDO是陸軍的作戰概念，旨在威懾并在必要時在戰斗中擊敗有能力和實力挑戰美國的對手，在所有領域和每個戰爭要素中進行對等戰爭。盡管戰爭的性質、原因和目標在歷史上保持不變，但21世紀的信息時代戰爭的開展在許多極其重要的方面不同于20世紀的機械化戰爭，美國軍隊，特別是美國陸軍必須改變以應對這些問題。最明顯的區別之一是和平與戰爭的模糊，MDO是第一個包括從和平競爭到武裝沖突的全部沖突的陸軍作戰概念，從而解決了這個問題。雖然兩者在過渡時期的區別是模糊的，但在MDO環境下的大規模作戰行動本身就是與眾不同的。

以下概念，即《美國陸軍多域作戰機動概念（2028-2040年）》，描述了陸軍在多域作戰戰場上的大規模作戰行動中如何進行機動。盡管它涉及到機動在競爭中的作用，但這一概念主要集中在陸軍如何在梯隊中作戰，以贏得與同行競爭者的戰斗。雖然看起來是 "進攻"性質的，但不能忘記，威懾的首要前提是在戰斗中獲勝的能力是毋庸置疑的。這一概念描述了陸軍將如何排兵布陣以克服對手的對峙，并深入細致地擊敗敵人的戰斗編隊。機動概念牢牢地嵌套在MDO中，但也在MDO的基礎上進行了擴展，包括兩年的全球作戰經驗，以及機構研究、兵棋推演和實驗。

有幾個關鍵的想法支撐并促成了這個概念。機動同時發生在師、軍團和更高級別的每個梯隊。機動發生在競爭和恢復競爭的過程中，而不僅僅是武裝沖突。在競爭中，我們通過機動來獲得優勢地位，塑造安全環境，支持區域安全，并能迅速過渡到武裝沖突。在武裝沖突中，我們通過機動來摧毀或擊敗敵軍，控制土地區域和資源，并保護民眾。這一概念描述了戰役，其設計必須包括所有領域的所有梯隊。

一個概念是變革的起點。它是變革過程的開始，而不是其結束。2018年發布的MDO啟動了一系列的研究、兵棋推演和實驗，從而形成了這個機動概念，并描述了在梯隊中進行的具體作戰功能。在這個概念之后，必須在未來和概念中心以及卓越功能中心內進一步努力，以確定所有的作戰功能，而不僅僅是機動，如何整合以在每個梯隊的MDO戰斗中取得成功。同時，這個概念應該在作戰部隊中啟動探索，以發展戰術、技術和程序（TTP），從而使MDO的機動性得以實現。正是作戰部隊和體制內的軍隊一起努力實現本概念中所描述的規則，將確保美國陸軍仍然是世界上最有統治力的陸軍。

圖：多域作戰中的機動

概括

歷史。這本新的美國陸軍未來司令部（AFC）小冊子介紹了陸軍如何描述2028-2040年的機動功能的概念。這個概念與《美國陸軍旅級戰斗隊跨域機動概念（2028-2040年）》一起取代了2017年2月的TRADOC Pam 525-3-5《美國陸軍行動和機動功能概念》。

摘要。這一概念描述了陸軍部隊如何在動態和擴大的作戰環境中進行機動，包括有爭議的戰場和領域，綜合對手的防御與對峙，作戰和戰略威懾的挑戰，以及多國和政府合作。陸軍部隊在不可預測的作戰環境中面對高度致命的對手，這與新的作戰環境相結合，為軍事問題提供了參考，以確定陸軍部隊如何取得相對優勢地位并產生超額效果。中心思想是計算來自所有領域的多軍種同時匯合的成功，并促進加強聯合和作戰指揮與控制、分層機動和決定性的戰役。

適用性。本概念適用于陸軍部所有發展理論、組織、訓練、物資、領導和教育、人員、設施和政策能力的活動。這一概念指導實驗和部隊發展，并支持聯合能力整合和發展系統的進程。它還支持《陸軍未來司令部概念和能力指南》中描述的陸軍能力發展過程。當與陸軍概念框架的其他內容發生沖突時，本文件具有優先權。

美國海軍部長

托馬斯-W-哈克: 海軍部長（代理）

美國海軍部正在有目的地進行創新和適應新技術，為未來建立一支更具殺傷力和分布式的海軍部隊。為了在一個大國競爭的時代進行競爭并取得勝利，海軍部致力于在先進的自主性、強大的網絡和無人系統方面進行投資，以創造真正的人機一體化團隊，在整個艦隊中無處不在。

這些持續的投資將產生新的能力，遠遠超出獨立的平臺或以人為本的系統的有效性。它們將通過為每一個水手和海軍陸戰隊員提供不對稱的優勢來改變海戰。

美國海軍和海軍陸戰隊現在已經邁出了下一步，調整無人系統愿景，以執行分布式海上作戰（DMO）和有爭議環境中的瀕海作戰（LOCE）。為了確保成功，海軍和海軍陸戰隊正在將需求、資源和采購政策緊密結合起來，以便更快地開發、建造、整合和部署有效的無人系統。

美國海軍部的無人駕駛作戰規劃橫跨整個理論、組織、培訓、物資解決方案、領導和教育、人員、設施和政策的構建。這份文件提供了運動計劃的總體框架，并得到了更高等級的詳細實施計劃的支持。它們共同勾勒出一個具體的戰略，其根基是對當今每個領域的現實評估。前進的道路需要一個整體的方法來開發和部署無人系統，確保個別技術可以在一個更廣泛的網絡化作戰系統架構中運行，并得到正確的人員、政策、作戰概念和其他推動因素的支持。

整個海軍企業致力于為美國和每一個水手和海軍陸戰隊員提供人機協作所提供的戰略和戰術優勢，以保證所有人的海洋自由。

美國海軍水手和公務員水手從美國海軍 "赫歇爾 "號上發射一個無人水面飛行器（USV）從USNS赫歇爾 伍迪-威廉姆斯，2019年9月14日。

美國海軍作戰部部長

M. M. GILDAY：美國海軍作戰部長海軍上將

隨著海軍適應日益復雜的安全環境，必須了解未來的部隊在日常競爭和高端戰斗中都需要什么。

無人系統（UxS）已經并將繼續在未來的分布式海上作戰（DMO）中發揮關鍵作用，而且顯然需要部署負擔得起的、致命的、可擴展的和連接的能力。這就是為什么海軍正在擴大和發展一系列無人駕駛飛行器（UAV）、無人駕駛水下航行器（UUV）和無人駕駛水面艦艇（USV），當把重點轉向以更分散的方式運作的小型平臺時，它們將發揮關鍵作用。

一個混合艦隊對于海軍滿足新出現的安全問題來說是必要的。需要平臺在所有領域的多軸上同時提供致命和非致命的效果。UxS將為未來艦隊提供額外的能力--在空中、在水面上和在水下。

該活動計劃將作為實現無人系統作為海軍作戰團隊的一個組成部分的未來的全面戰略。它將是一份活的、反復的文件，闡明愿景，即通過加快技術、流程和伙伴關系中的關鍵使能因素，建立一支更加準備就緒、致命和有能力的艦隊。

注意到過去的缺點，因此其方法是深思熟慮的，但有一種緊迫感。將解決理論、組織、訓練、物資、領導和教育、人事、設施和政策（DOTmLPF-P）的各個方面，確定并消除能力差距，并努力創建和維護未來的海軍部隊。

MQ-25 T1，左翼下有空中加油站，在坡道上。

海軍陸戰隊司令員的致辭

大衛-H-貝格爾：美國海軍陸戰隊將軍 海軍陸戰隊司令員

美國、盟國和敵方部隊獲得無人駕駛技術的速度要求有一個愿景和路線圖來最大化這種能力。海軍陸戰隊需要無人駕駛的空中、水面和地面系統來充分利用固有的遠征性質和能力。與海軍伙伴合作，將提供一個聯合部隊的海上組成部分指揮部，在居住的獨特海域支持聯合部隊。當在惡劣的條件下以小隊形式在前方作戰時，最大限度地利用無人系統為盟友和對手創造巨大的效果的能力是未來成功的一個關鍵因素。

該戰役計劃作為海軍陸戰隊的一個起點，使其了解到無人系統在不久的將來必須而且將具有更大的重要性。諸如一半的航空機隊在近期到中期內實現無人駕駛，或者大部分的遠征后勤在近期到中期內實現無人駕駛的概念不應該讓任何人感到害怕。相反，這些想法應該點燃海軍陸戰隊的創造性和狡猾的天性，以便前沿部署部隊對聯合部隊更加致命和有用。

大衛-H-貝格爾和海軍作戰司令部（CNO）一起，致力于為海軍陸戰隊的無人駕駛系統制定一個審慎但積極的前進路線。這份文件提供了初步的愿景，并取決于與海軍陸戰隊艦隊、艦友、聯合部隊、國會、盟友和工業界的反復討論。大衛-H-貝格爾希望海軍陸戰隊能接受這種未來的戰爭，并將其轉化為他們在戰場上的優勢；從日常競爭到大規模作戰行動。

一架VBAT垂直起降（VTOL）無人機系統準備在飛行甲板上降落。準備在海軍艦艇的飛行甲板上著陸。一艘海軍艦艇的飛行甲板上。

美國海軍作戰架構

無人系統通過解除對有人系統的限制來提供實現任務結果的能力。僅靠搭建平臺是無法實現任務成果的。為了在無人空間提供整體解決方案，DON 將更加關注開發成功擴展投資經驗所需的推動力。其中一些關鍵推動因素包括：網絡、控制系統、基礎設施、接口、人工智能和數據。海軍和海軍陸戰隊正在設計和實施一個全面的作戰架構來支持 DMO。這種架構將為單位、作戰群和艦隊提供準確、及時、分析的信息。

摘要

兵棋模擬是一種決策工具，可以為利益相關者分析的場景提供定量數據。它們被廣泛用于制定軍事方面的戰術和理論。最近，無人駕駛飛行器（UAVs）已經成為這些模擬中的一個相關元素，因為它們在當代沖突、監視任務以及搜索和救援任務中發揮了突出的作用。例如，容許戰術編隊中的飛機損失，有利于一個中隊在特定戰斗場景中勝利。考慮到無人機的分布可能是這種情況下的決定性因素，無人機在超視距（BVR）作戰中的位置優化在文獻中引起了關注。這項工作旨在考慮敵人的不確定性，如射擊距離和位置，使用六種元啟發法和高保真模擬器來優化無人機的戰術編隊。為紅軍蜂群選擇了一種空軍經常采用的戰術編隊，稱為line abreast，作為案例研究。優化的目的是獲得一個藍軍蜂群戰術編隊，以贏得對紅軍蜂群的BVR戰斗。采用了一個確認優化的穩健性程序，將紅軍蜂群的每個無人機的位置從其初始配置上改變到8公里，并使用兵棋方法。進行了戰術分析以確認優化中發現的編隊是否適用。

索引詞：優化方法，計算機模擬，無人駕駛飛行器（UAV），自主智能體，決策支持系統，計算智能。

I. 引言

兵棋是在戰術、作戰或戰略層面上模擬戰爭的分析性游戲，用于分析作戰概念，訓練和準備指揮官和下屬，探索情景，并評估規劃如何影響結果。這些模擬對于制定戰術、戰略和理論解決方案非常有用，為參與者提供了對決策過程和壓力管理的洞察力[1]。

最近，無人駕駛飛行器（UAVs）作為一種新的高科技力量出現了。利用它們來實現空中優勢可能會導致深刻的軍事變革[2]。因此，它們的有效性經常在兵棋中被測試和評估。

由于具有一些性能上的優勢，如增加敏捷性、增加過載耐久性和增加隱身能力，無人機已經逐漸發展起來，并在許多空中任務中取代了有人系統[3]。然而，由于戰斗的動態性質，在視覺范圍之外的空戰中用無人系統取代有人平臺是具有挑戰性的。在空戰中，無人機可以被遠程控制，但由于無人機飛行員對形勢的認識有限，它將在與有人平臺的對抗中處于劣勢。然而，這種限制可以通過自動戰斗機動[4]和戰術編隊的優化來克服。此外，使用無人機可以允許一些戰術編隊和戰略，而這些戰術編隊和戰略在有人駕駛的飛機上是不會被考慮的，例如允許中隊的飛機被擊落，如果它有助于團隊贏得戰斗。文獻中最早的一篇旨在優化超視距（BVR）作戰中的飛機戰術編隊的文章[5]表明，空戰戰術是用遺傳算法（GA）進行優化的候選方案。該實施方案采用分層概念，從小型常規作戰單位建立大型編隊戰術，并從兩架飛機的編隊開始，然后是四架飛機，最后是這些飛機的倍數。在模擬中沒有對導彈發射進行建模。當一架飛機將其對手置于武器交戰區（WEZ）的高殺傷概率（Pkill）區域內一段特定時間，簡化的交戰模擬器就宣布傷亡。事實證明，所提出的方法的應用是有效的，它消除了團隊中所有沒有優化編隊的飛機，并為整個優化編隊的飛機團隊提供了生存空間。

Keshi等人[6]使用了與[5]相同的分層概念，從由兩架飛機組成的元素中構建大型戰術編隊。模擬退火遺傳算法（SAGA）被用來優化編隊，使其能夠克服對局部最優解的收斂。對16架飛機的編隊進行了優化，提出的最優解表明SAGA比基本的GA更有效。最后，為了探索一個穩健的SAGA，對不同的馬爾科夫鏈進行了比較，事實證明自調整馬爾科夫電流更適合所提出的問題。

Junior等人[7]提出使用計算機模擬作為一種解決方案，以確定BVR空戰的最佳戰術，使擊落敵機的概率最大化。在低分辨率下使用通用參數對飛機和導彈進行建模，并改編了名為COMPASS的模擬優化算法，模擬了兩架飛機對一架飛機的BVR戰斗。低分辨率模型假定在水平面的二維空間內有一個均勻的直線運動。使用優化的戰術表明，擊落敵機的平均成功率從16.69%提高到76.85%。 Yang等人[8]提出了一種方法來優化飛機對一組目標的最佳攻擊位置和最佳路徑。該工作考慮到飛機能夠同時為每個目標發射導彈，并將飛機與目標有關的攻擊性和脆弱性因素作為評價攻擊位置的指標。一個高保真模擬被用來模擬每個導彈的飛機、雷達、導彈和WEZ的動態特性。這項工作并沒有解決在BVR戰斗場景中優化一組飛機對另一組飛機的編隊問題。

Li等人[9]提出了一種基于指揮員主觀認識的編隊優化方法，即在空戰中目標設備信息不確定的情況下選擇飛機編隊的問題。首先，計算戰斗機的戰斗力，這是通過指揮員的主觀認識評估目標戰斗力的基礎。戰斗機的戰斗力以能力的形式表現出來，包括攻擊、探測、生存能力、通信、電子戰、預警系統等。因此，通過采用前景理論和綜合模糊評估來優化空戰訓練。最后，一個應用實例證明了該方法在小規模空戰中的可行性。作者聲稱，利用戰斗力評估戰斗情況的能力為優化空戰訓練提供了一種新的方法。

?zpala等人[10]提出了一種在兩個對立小組中使用多個無人駕駛戰斗飛行器（UCAVs）進行空戰的決策方法。首先，確定兩隊中每個智能體的優勢地位。優勢狀態包括角度、距離和速度優勢的加權和。在一個團隊中的每個智能體與對方團隊中的每個智能體進行比較后，每個航空飛行器被分配到一個目標，以獲得其團隊的優勢而不是自己的優勢。為一對對立的團隊實施了一個零和博弈。對許多智能體參與時的混合納什均衡策略提出了一種還原方法。該解決方案基于博弈論方法；因此，該方法在一個數字案例上進行了測試，并證明了其有效性。

Huang等人[11]開發了新的方法來處理UCAV編隊對抗多目標的合作目標分配和路徑規劃（CTAPPP）問題。UCAV的編隊是基于合作決策和控制的。在完成目標偵察后，訓練指揮中心根據戰場環境和作戰任務向每架UCAV快速傳輸任務分配指令。UCAV機動到由其火控系統計算出的最佳位置，發射武器裝備。合作目標分配（CTAP）問題通過增強型粒子群優化（IPSO）、蟻群算法（ACA）和遺傳算法（GA）來解決，并在歸因、精度和搜索速度等方面進行了比較分析。在進化算法的基礎上發展了UCAV多目標編隊的合作路徑規劃（CPPP）問題，其中提供并重新定義了獨特的染色體編碼方法、交叉算子和突變算子，并考慮燃料成本、威脅成本、風險成本和剩余時間成本來規劃合作路徑。

Ma等人[12]開展的工作解決了在BVR作戰場景中優化兩組（R和B）無人機對手之間的優勢地位問題。一個無人機ri∈R對一個無人機bj∈B的優勢是通過ri和bj之間的距離、ri的導彈發射距離的下限和上限、ri的高度和bj的高度之差以及ri的最佳發射高度來估計的。決定性的變量是無人機在兩組中的空間分布和每架飛機在這些組中的目標分配。無人機在三維作戰空間BVR中的可能位置被簡化（離散化），通過立方體的中心位置來表示。每個無人機組都有一組立方體。優化問題被建模為一個零和博弈，并被解決以獲得納什均衡。

Ma等人[12]提出的工作沒有使用高保真模擬來分析無人機空間分布的選擇和分配給它們的目標對BVR作戰的影響。高保真模擬對飛機、雷達、導彈及其導彈的WEZ的動態特性進行建模。這些動態特性也影響到BVR作戰時每架飛機的行動觸發，因此也影響到最終的結果。例如，如果在兩組無人機之間第一次沖突后的時間窗口內考慮高保真BVR作戰模擬，新的沖突可能會發生，直到模擬結束。因此，每個在交戰中幸存的無人機將能夠選擇一個新的目標，這取決于可用目標的優勢值。在[12]中沒有考慮與無人機行為有關的不確定性。有關敵方無人機在戰術編隊中的確切位置及其導彈發射距離的信息是行為不確定性的例子。這兩個信息和上面描述的其他信息在BVR戰斗中是相關的：它們直接影響飛機之間的交戰結果。

在這項研究中，我們試圖解決文獻中發現的一些局限性，如低分辨率模擬、與敵人有關的不確定性的處理以及缺乏對優化解決方案的穩健性的確認，旨在提高兵棋結果的質量。我們的目標是驗證哪些藍色蜂群的戰術編隊可以在BVR戰斗中戰勝紅色蜂群。作為一個案例研究，RED蜂群使用了空軍經常采用的戰術編隊，稱為line abreast[13]。為了評估BLUE蜂群解決方案的穩健性，我們解決了新的問題，改變了RED蜂群每架飛機的位置，目的是估計新的RED蜂群編隊對BLUE蜂群的優化戰術編隊的效率的影響。

我們使用自主智能體和高保真計算機模擬來優化BVR戰斗中的無人機戰術編隊，考慮與敵人相關的不確定性，如戰術編隊中的位置誤差和導彈發射距離。統一行為框架（UBF）被采納為創建自主智能體的基礎。飛機和導彈在三維環境中用六個自由度（DoFs）建模。

該程序將在接下來的章節中進一步討論。