本報告介紹了美國陸軍研究實驗室內容理解處的研究人員在 2023 財年為采用增強型戰術推理（ETI）框架所做的工作。ETI 的開發旨在支持多智能體環境（數據源智能體、推理模型智能體和決策者智能體）中人工推理研究的實驗和演示。在本報告中，ETI 被用于在跨現實環境中演示基于不確定性的決策推薦功能。從模擬場景的數據開始，再加上額外的外部環境，ETI 智能體對態勢感知信息中的不確定性進行推理，為決策者提供建議選擇。最后，ETI 的產品被轉化為跨現實可視化，以探索新的人機交互模式。

增強戰術推理（ETI）框架的設計和創建是為了支持人工推理研究的實驗和演示。ETI 目前的結構包括三個主要智能體：數據源智能體、推理模型智能體和決策者智能體。數據源智能體分為幾大類：信息（圖像、音頻、文本）、設備、網絡和可視化。數據源智能體可以捕獲數據并將數據傳輸給其他智能體。其他信息系統也可以向這些智能體提供數據。推理模型智能體執行不同方面和不同層次的推理。推理智能體的輸出將有助于生成建議的決策。決策者智能體負責做出最終決策。這些 ETI 智能體可以是模塊化的，允許串行或并行處理，以及獨立或相互依存。在這項工作中，ETI 發揮著決策輔助工具的作用。主要的推理模型是信息不確定性（UoI）模塊。該 UoI 模塊可在決策建議中考慮任何信息的不確定性。ETI 的另一項功能是實現與人類的互動，包括未來的可視化和協作環境。我們在跨現實（XR）環境--運籌、研究與分析加速用戶推理（AURORA）中進行了演示。與 AURORA 等系統集成后，可以探索智能系統與人類交互的新模式。在本報告中，將詳細介紹我們的演示開發過程，包括將模擬環境中的數據映射到可視化環境中，將決策點和 ETI 建議納入行動方案中，以及用 "假設 "情況來增強場景，以探索基于推理的框架的影響。

這項研究的目標是開發、整合和演示基于推理的決策框架。ETI 框架的決策建議被用于師演習訓練和審查系統（DXTRS）中的模擬場景，并在 XR 環境 AURORA 中實現可視化。下文將介紹 DXTRS、場景和 AURORA 可視化的背景情況。

• DXTRS場景

在該場景中，藍軍（BLUFOR）的目標是向東推進，穿過阿塞拜疆名為阿格達姆區的地區，同時與部署在河東的對方部隊（OPFOR）交戰并將其消滅。(見圖 1）

隨著任務的展開，BLUFOR 將遇到一條阻礙他們前進的河流，他們需要在那里進行濕空隙穿越。(見圖 2）

• AURORA跨現實共同作戰圖 (XRCOP)

為了探索可視化和與 ETI 的交互，DXTRS 場景和相關的 ETI 推理信息在 XR 環境中顯示。該環境由美國陸軍作戰能力發展司令部（DEVCOM）陸軍研究實驗室（ARL）開發，名為 AURORA。AURORA 為安全、聯網、多設備跨現實信息調解和交互提供了一個通用作戰框架。為了便于可視化，將場景數據集合映射為 AURORA 可以處理的目標光標（CoT）信息。本報告第 3 部分將詳細解釋映射過程。圖 3 和圖 4 顯示了AURORA環境中的場景截圖。

• ETI 決策建議

如前所述，ETI 的設計是利用各種推理模型作為模塊，允許不同的推理配置。本次工作的推理模型是用戶體驗模塊。UoI 的概念包括產生或捕捉一個值，并用描述符對不確定值進行分類。這為決策者提供了不確定性的上下文信息，并支持對由此產生的建議進行推理。描述符基于格申論文中提出的不完全信息的性質。目前，該分類法包括不一致、損壞、不連貫、不完整、不精確、復雜和可疑。它們共同描述了特定信息源不確定性的原因和類型。

當前版本的UoI表達式是一個加權和，如式1所示。

公式 1. UoI 計算，其中 dp 為決策點，D 為變量，表示可能是任務關鍵因素的決策組成部分，W 為與這些組成部分的重要性相關的權重，T 為分類權重類別（相當于 G），S 為數據來源類別。UoI 值表示數據源和因素對所分類的不確定性的貢獻。

以下是分類法中七個術語的描述：

• 不一致： 由于來源不同或不一致而導致的不確定性。
• 錯誤： 因數據源含有錯誤而導致的不確定性。
• 可疑： 由于信息來源缺乏信息或信息來源可疑而導致的不確定性。
• 不連貫： 由于信息來源缺乏連貫性或組織性而造成的不確定性。
• 不完整： 由于信息來源未完成或不完整而造成的不確定性。
• 不準確： 由于信息來源不準確或不詳細而造成的不確定性。
• 復雜： 由于信息來源錯綜復雜或令人困惑而造成的不確定性。

本科學報告探討了地基防御系統（DS）攔截以地面為目標的巡航導彈（CM）的有效性。該分析開發了一些公式和算法，用于描述地基防御系統針對來襲威脅的交戰機會大小，以促進兵棋推演中的巡航導彈防御分析。根據交戰機會的大小以及所采用的射擊和瞄準策略，計算和分析擊毀一枚或多枚來襲 CM 的概率。然后制定交戰機會數量及其位置的公式，用于分析威脅和 DS 的屬性如何影響成功殺死來襲威脅的可能性。最后，本文將前面的分析擴展到 DS 與 CM 最終目標不在同一地點的情況。總之，本文提供了一系列方便的公式和算法，可為涉及集束彈藥防御的兵棋推演編制參考資料。

雖然威懾是抵御導彈攻擊的第一道防線，但當威懾失效時，就必須建立各種機制，確保人民的安全，使其免受對其領土的實際攻擊。任務式指揮是進行航空航天預警、航空航天控制和海上預警，因此確定如何最好地防御是司令部特別關心的問題。本分析報告旨在支持防空司令部開展的兵棋推演活動。本報告提供了一些方程式和算法，使兵棋推演者能夠快速方便地評估游戲中與巡航導彈防御有關某些行動的成敗，作為了解當前和未來防御戰略的更大工作的一部分。

該項目為與使用無人系統支持分布式海戰（DMO）有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動，支持對無人系統（UVC）進行能力級分析。分析結果表明，UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性（Ao）和使用時間（TOS），因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施，而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時，單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構，其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架，以最大限度地提高 Ao。

在支持分布式海上作戰（DMO）時，無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用，在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而，無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包（AFP）的總體駐扎時間（TOS）。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題，該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中，"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。

如 Van Bossuyt 等人（2019 年）所述，項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中，項目團隊重點開發了作戰概念（CONOPS），并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段，團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性（Ao）的影響。

A. 系統定義

在系統定義階段，從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看，團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力，而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看，團隊評估了一艘登陸直升機船塢（LHD）艦，以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求，項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力：指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想，UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站，以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。

B. 系統建模

項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后，UxV 提供全天候的情報、監視和偵察（ISR）、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標，研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標（MOP），并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標（MOE）。

設計并開發了一個離散事件仿真模型，用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前，該模型并未考慮 UxV 的損失或故障；這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。

C. 系統分析

為了廣泛探索實驗空間，同時減少試驗總數和模型運行時間，我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值，得出每個試驗的統計平均值。

分析結果表明，UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施，而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運，從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV，通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量，從而消除或減少這些服務的排隊時間，可獲得最大的 Ao。分析表明，UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限，這也是未來研究的一個潛在領域。

有趣的是，雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇（LUSV）的航速，但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長，假定維護間隔長，因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務，但即使是單個船側停泊區，也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。

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

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

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

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

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

本研究調查了使用雷達跟蹤數據將無人機(UAs)分類為旋翼或固定翼類，作為減少誤報和操作員負擔的一種手段。該研究使用來自實驗飛行的UA遙測數據以及模擬雷達軌跡數據來訓練機器學習(ML)分類器。探討了遷移學習的應用。使用有限的數據集獲得的結果顯示，根據所使用的配置，真陽性和真陰性率超過80%。初步研究強調了改善這一性能的一些重要途徑。

對國防和安全的重要性

探測和識別無人機對加拿大武裝部隊保護部隊和資產至關重要。作為一種全天候和遠程能力，雷達提供關鍵的軌跡數據，可以提示光電/紅外(EO/IR)系統或操作員。本研究開發了一種基于雷達航跡數據的分類器，用于區分旋翼和固定翼兩類無人機，以減少誤報和操作人員負擔。

本文內容概述

在本節中，我們將概述當前研究的數據流。基本概念是利用飛行中保存在無人機上的遙測數據。這些數據集代表了典型的UA軌跡，無論是在飛行員控制下還是使用預先編程的航路點，以及在真實的風環境條件下飛行等。這些遙測數據集可以告知軌跡本身，并可以作為訓練分類器區分uav和雜波(特別是鳥類)或不同UA類型之間的基礎。在本研究中，我們研究訓練分類器來區分I類的旋轉翼和固定翼無人機。

圖1中的原理圖解釋了數據流。首先，對遙測數據集進行預處理，并將其標記為屬于旋翼類(ID = 0)或固定翼類(ID = 1)。預處理的軌跡可以并將直接與涉及ML模型的其余數據流一起使用。經過預處理的軌跡數據還可以作為Stone Soup跟蹤庫的輸入，與建模的雷達參數和位置一起，生成模擬雷達軌跡數據。這個過程將在第4節中介紹。

軌跡(來自預處理器和模擬軌跡數據)用于創建更多數量的子軌跡。這里的想法是獲得一個分類器，它可以在只處理子軌跡后區分UA類。可以研究創建子軌跡的不同方法，這將在第5節中討論。對于本研究，我們選擇將子軌跡視為獨立的實體，但其他選項都是有效的研究思路，如第7節所述。

其余的數據流涉及典型的監督機器學習技術，將數據集分為訓練、驗證和測試數據集、計算特征以及訓練和測試ML模型。在我們的例子中，我們有預處理的遙測數據和模擬雷達軌跡數據的混合。

圖1:當前研究中涉及的不同步驟的示意圖。

各軍種和部門的指揮官總是盡其所能獲得信息并與他們的部隊共享，因為信息是戰爭經濟中的資本。隨著陸軍內部、聯合部隊和商業部門的技術不斷發展，一個清晰的網絡架構有利于與其他網絡的有效整合，避免通信工作的脫節。本專著通過組織、訓練和理論以及設備的角度研究了無線電在第一次世界大戰期間在美國陸軍中的實施情況，以評估美國陸軍如何整合一項新的信息技術。為了更好地理解無線電在第一次世界大戰期間和戰間時期的實施，本專著還借鑒了兩位理論家丹尼爾-卡尼曼和赫爾南多-德索托的作品。隨著信息技術在民用社會中越來越普遍，假定對民用系統的熟悉可以轉化為操作人員天生就懂得如何整合和操作軍事系統是很危險的。整個聯合部隊共享信息的速度越快，效率越高，軍隊在戰場上發揮所有資源的效率就越高。為了充分利用不斷發展的通信技術來實現高效的信息共享，美國國防部（DOD）應該實施并保持一個慎重的過程，使整個聯合部隊的網絡架構、政策和理論標準化，以指導操作人員的培訓并為系統開發提供依據。

本報告總結了迄今為止在路線偵察領域的本體開發的進展，重點是空間抽象。我們的重點是一個簡單的機器人，一個能夠感知并在其環境中導航的自主系統。該機器人的任務是路線偵察：通過觀察和推理，獲得有關條件、障礙物、關鍵地形特征和指定路線上的敵人的必要信息。路線偵察通常是由一個排的騎兵和非騎兵進行的。這項研究探討了機器人執行部分或全部必要任務的合理性，包括與指揮官進行溝通。

1.1 背景與動機

這是一項具有挑戰性的對抗性任務，即地形穿越加上信息收集和解釋。偵察的解釋方面需要考慮語義學--確定相關的信息和確定它如何相關（即有意義）。語義信息在本質上是定性的：例如，危險是一個定性的概念。為了將危險與某些特定的區域聯系起來，我們需要一種方法來指代該區域。這意味著至少能夠給空間的某些部分附上定性的標簽。

Kuipers在他的空間語義層次的早期工作中指出了空間的定性表示對機器人探索的重要性。例如，層次結構的拓撲層次包含了 "地方、路徑和區域的本體"，歸納產生了對較低層次的因果模式的解釋。

最近，Izmirlioglu和Erdem為定性空間概念在機器人技術中的應用提供了以下理由：

• 各種任務，如導航到一個目的地或描述一個物體的位置，涉及處理物體的空間屬性和關系。......或某些應用（如探索未知環境），由于對環境的不完全了解，可能并不總是有定量的數據。......可理解的相互作用和可接受的解釋往往比高精確度更可取（Kuipers 1983）。對于這些應用，定性的空間關系似乎更適合。

對于負責路線偵察的無人地面車輛（UGV）來說，其架構中的不同模塊將消費和產生語義信息：負責語義感知和目標識別、計劃和執行、自然語言對話等的模塊，加上主要負責維護信息的語義世界模型。例如，在美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的自主架構中，語義/符號世界模型被用來 "實現符號目標（例如，去接近一個特定的物體）"，*其中接近是一個語義概念。

一個關鍵問題是如何在世界模型和其他模塊之間分配維護和處理不同類型語義信息的責任。從語義世界模型的角度來看，這取決于有多少符號推理是合適的。例如，假設要接近的物體位于一個給定區域的某個位置，而不是靠近該區域的外部邊界。一旦機器人靠近物體，就可以推斷出機器人在物體的位置附近，而且也在同一區域內。如果有公制信息，就可以用幾何例程得出這個結論。在沒有公制信息的情況下，是否會出現在純粹的定性空間中推斷有用的情況？

本報告不涉及這個問題。我們的目標是確定什么應該被代表，而把如何代表和在哪里代表留給未來的工作。

1.2 路線偵察

以下片段取自FM7-92中對路線偵察的描述。空間表達是彩色的，周圍有一些文字作為背景。

• 路線偵察的重點是獲得關于一條指定路線和敵人可能影響沿該路線移動的所有地形的信息。路線偵察的方向可以是一條道路、一條狹窄的軸線（如滲透通道），或一個總的攻擊方向......防御陣地。......部隊可以機動的可用空間......所有障礙物的位置和類型以及任何可用的繞道位置。障礙物可包括雷區、障礙物、陡峭的峽谷、沼澤地或核生化污染 ......沿途和鄰近地形的觀察和火力范圍 ......沿途提供良好掩護和隱蔽的地點 ......。橋梁的結構類型、尺寸和分類。著陸區和接駁區。與路線相交或穿越的道路和小徑。. . 如果建議路線的全部或部分是道路，則該排認為該道路是一個危險區域。它使用有掩護和隱蔽的路線與道路平行移動。當需要時，偵察和安全小組靠近道路，以偵察關鍵區域。

路線偵察的結果是一份報告，以圖表的形式，并附有文字說明。FM7-92給出了一個例子，我們可以從中提取一些更必要的概念：

• 網格參考。磁性北方箭頭..道路彎道..陡峭的坡度..道路寬度的限制（橋梁，隧道等）..岔道的位置..隧道..

讓我們把這段關于路線偵察的描述中提到的概念建立一個綜合清單，重點放在空間概念上，并盡可能地保留軍事術語:

1）必須指定環境中的位置、路線、區域和感興趣的物體。稱這些為 "實體"。

2）這些實體之間的空間關系是相關的（例如，一個地點在另一個地點的北邊）。值得注意的是，不同類型的實體之間的關系是被指定的。

a. 物體（例如，障礙物）在位置或區域。

b. 一些地點在空間上與路線有關（例如，沿著路線，毗鄰，或靠近道路）。

c. 地點可能代表更大的區域（例如，雷區的位置）。

d. 道路和小徑可以與路線相關：它們可能相交、重疊（部分疊加），或平行運行。

3. 一些實體對路線具有戰術價值，無論是進攻還是防御（例如，雷區）。

a. 一些地點相對于其他地點或區域有方向性的定位（例如，一個防御性的位置）。

b. 有些區域是由其與另一個區域或地點的關系來定義的，這可能不是一種局部的關系（例如，觀察和火力場是由一個潛在的遠程位置來定義的，該位置有一條通往路線上的一個區域的線路）。

4）路線可能被障礙物阻擋，障礙物可能是明確的物體或更大的區域（例如，一個障礙物與一個雷區）。

5. 路線和地形的三維幾何特性是相關的：道路上的急轉彎，陡峭的坡度，等等。

6）有時，描述物理基礎設施（如道路、橋梁）及其屬性是很重要的。

1.3 路線偵察抽象

路線偵查收集和解釋不同種類和不同來源的信息:

• 背景知識。這包括關于環境特征的類型和預期成為任務一部分的物體的信息，包括道路、障礙物、溝壑、橋梁等等。

• 任務規范。確定偵查的區域和路線，以及當時可獲得的任何信息。

• 環境。通過空間分析（包括幾何學、拓撲學等）、感知、地圖衛星數據的離線圖像處理和其他類型的分析，確定環境的相關特征。

• 任務執行期間的通信。我們假設指揮官或人類操作員在偵察過程中可以向UGV提出詢問或命令，提供新信息或集中注意力。

• 如前所述，一份報告。

原則上，所有這些信息都以某種抽象的形式組合在一個語義世界模型中。我們把環境的物理屬性和特征稱為 "實體"。把我們用來表示這些實體和它們之間關系的抽象概念稱為 "概念"。

不同類型的實體的概念。層次結構在語義表征中很常見，用來捕捉關于世界上遇到的實體類型的一般知識。一個類型就是一個概念，類型被組織在一個層次中：MRZR是一種輕型的、戰術性的、全地形的車輛，它是一種輪式地面車輛，它是一種地面車輛的類型，等等。屬性和關系可以與一個給定的概念相關聯，而下級概念則繼承這些屬性。在路線偵察中，如果有信息說某一地區有一條道路，但沒有更多的細節，仍然可以從道路的概念中推斷出它的預期屬性：它比它的寬度長得多；它在人們感興趣的地點之間通向；在其他條件相同的情況下，它可能比周圍的地形行駛得快。從實用的角度來看，這意味著如果有可能將某物歸類為一個已知的概念，那么語義世界模型就不需要記錄關于該物的每一條相關信息。

用于實體的目的和用途的概念。一個代表道路典型用途的概念可以進一步區分其長度和寬度的語義，這反過來又導致了跨越和沿途、穿越和跟隨等概念之間的區別。這將使UGV能夠以不同的方式對待 "偵察道路對面的區域 "和 "偵察前方的道路 "的命令。前方的道路也是一個語義概念：它取決于對過去去過的地方的了解。

代表部分信息的概念。有時可能會有定性的信息。想象一下，任務規范的一部分是關于雷區在計劃路線上存在的信息，但不知道具體位置，或者知道雷區的位置，但不知道其范圍。這種無知可以很容易地在代表實體的概念中得到體現。

新概念適用于新環境。另一個交流的例子可能是信息性的。想象一下，當一輛UGV穿越一條東西走向的道路時，它與遠程指揮官進行交流，指揮官問道："道路北側是什么？"* 需要識別的物體可能不在道路和地形的邊界上（與 "建筑物的一側 "形成對比），而是在以道路邊緣為界的某個感興趣的區域內，距離UGV的位置向北不遠，向東和向西也有一些距離。這個區域可能沒有事先作為一個概念被劃定；相反，它是在當前的背景下構建或推斷出來的。這是一個有趣的例子，一個概念不是從公制數據中抽象出來的，而是被強加在公制數據上的。

背景中的概念的適應和組合。想象一下，對一張地圖的分析產生了對代表區域、道路等等的概念的分解。這些概念可能直接適用于某些目的。例如，與道路相聯系的概念在推理兩點之間的導航時是有用的。然而，在其他情況下，這些概念可能需要調整或與其他概念相結合。例如，如果一條道路被指定為 "危險區域"，那么這個區域的概念可能會超出道路的邊界，延伸到周圍的地形。

本報告介紹了在三個主要議題方面取得的成果：

• 對小型無人機系統（SUAS）的分布式團隊進行實驗驗證，以協調執行復雜的行為。

• 開發了一個現實的多架無人機模擬器，以應用強化學習技術來協調一組小型無人機系統以達到特定目的。

• 設計并驗證了安裝在無人機上的帶有主動多輸入多輸出（MIMO）毫米波雷達傳感器的融合光學相機。

與驗證SUAS團隊有關的工作提出并實驗測試了我們的態勢感知、分布式SUAS團隊所使用的框架，該團隊能夠以自主方式實時運行，并在受限的通信條件下運行。我們的框架依賴于三層方法：（1）操作層，在這里做出快速的時間和狹窄的空間決定；（2）戰術層，在這里為智能體團隊做出時間和空間決定；以及（3）戰略層，在這里為智能體團隊做出緩慢的時間和廣泛的空間決定。這三層由一個臨時的、軟件定義的通信網絡協調，即使在通信受限的情況下，也能確保各層的智能體小組和團隊之間的信息傳遞稀少而及時。實驗結果顯示，一個由10個小型無人機系統組成的團隊負責在一個開放區域搜索和監測一個人。在操作層，我們的用例介紹了一個智能體自主地進行搜索、探測、定位、分類、識別、跟蹤和跟蹤該人，同時避免惡意碰撞。在戰術層，我們的實驗用例介紹了一組多個智能體的合作互動，使其能夠在更廣泛的空間和時間區域內監測目標人物。在戰略層，我們的用例涉及復雜行為的檢測--即被跟蹤的人進入汽車并逃跑，或者被跟蹤的人離開汽車并逃跑--這需要戰略反應以成功完成任務。

目標搜索和檢測包括各種決策問題，如覆蓋、監視、搜索、觀察和追逐-逃避以及其他問題。我們開發了一種多智能體深度強化學習（MADRL）方法來協調一組飛行器（無人機），以定位未知區域內的一組靜態目標。為此，我們設計了一個現實的無人機模擬器，它復制了真實實驗的動態和擾動，包括從實驗數據中提取的統計推斷，用于其建模。我們的強化學習方法，利用這個模擬器進行訓練，能夠為無人機找到接近最優的政策。與其他最先進的MADRL方法相比，我們的方法在學習和執行過程中都是完全分布式的，可以處理高維和連續的觀察空間，并且不需要調整額外的超參數。

為了給在受限通信條件下運行的SUAS開發一個分布式的分類和協調框架，我們的第一個目標是在無人駕駛飛行器（UAV）上建立一個多傳感器系統，以獲得高探測性能。眾所周知，安裝在無人機上的光學和熱傳感器已被成功用于對難以進入的區域進行成像。然而，這些傳感器都不提供關于場景的范圍信息；因此，它們與高分辨率毫米波雷達的融合有可能改善成像系統的性能。我們提出了一個配備了無源光學攝像機和有源多輸入多輸出（MIMO）毫米波雷達傳感器的下視無人機系統的初步實驗結果。毫米波雷達的三維成像是通過收集通過運動線的數據來實現的，從而產生一個合成孔徑，并使用垂直于運動軌跡的結線MIMO陣列。我們的初步結果顯示，融合的光學和毫米波圖像提供了形狀和范圍信息，最終導致無人機系統的成像能力增強。

認知型雷達，根據IEEE標準雷達定義686[1]，是 "在某種意義上顯示智能的雷達系統，根據不斷變化的環境和目標場景調整其操作和處理"。特別是，嵌入認知型雷達的主動和被動傳感器使其能夠感知/學習動態變化的環境，如目標、雜波、射頻干擾和地形圖。為了達到探測、跟蹤和分類等任務的優化性能，認知雷達中的控制器實時適應雷達結構并調整資源分配策略[2, 3, 4]。對于廣泛的應用，已經提出了不同的適應技術和方法，例如，自適應重訪時間調度、波形選擇、天線波束模式和頻譜共享，以推進認知雷達背景下的數學基礎、評估和評價[5, 6, 7, 8, 9, 10]。

雖然認知方法和技術在提高雷達性能方面取得了很大進展，但認知雷達設計和實施的一個關鍵挑戰是它與最終用戶的互動，即如何將人納入決策和控制的圈子。在國家安全和自然災害預報等關鍵情況下，為了提高決策質量和增強態勢感知（SA），將人類的認知優勢和專業知識納入其中是必不可少的。例如，在電子戰（EW）系統中，在設計適當的反措施之前，需要探測到對手的雷達。在這種情況下，戰役的進程和成功取決于對一個小細節的觀察或遺漏，僅靠傳感器的自動決策可能是不夠的，有必要將人納入決策、指揮和控制的循環中。

在許多應用中，人類也充當了傳感器的角色，例如，偵察員監測一個感興趣的現象（PoI）以收集情報。在下一代認知雷達系統中，最好能建立一個框架來捕捉基于人類的信息來源所建議的屬性，這樣，來自物理傳感器和人類的信息都可以被用于推理。然而，與傳統的物理傳感器/機器4的客觀測量不同，人類在表達他們的意見或決定時是主觀的。人類決策的建模和分析需要考慮幾個因素，包括人類的認知偏差、處理不確定性和噪音的機制以及人類的不可預測性，這與僅由機器代理組成的決策過程不同。

已經有研究工作利用信號處理和信息融合的理論來分析和納入決策中的人類特定因素。在[11]中，作者采用了先驗概率的量化來模擬人類在貝葉斯框架下進行分類感知而不是連續觀察的事實，以進行協作決策。在[12，13]中，作者研究了當人類代理人被假定使用隨機閾值進行基于閾值的二元決策時的群體決策性能。考慮到人類受到起點信念的影響，[14]中研究了數據的選擇、排序和呈現對人類決策性能的影響。在人類協作決策范式中，已經開發了不同的方案和融合規則來改善人類人群工作者的不可靠和不確定性[15, 16]。此外，在[17，18]中，作者將前景理論（PT）用于描述人類的認知偏見，如風險規避，并研究了現實環境中的人類決策行為。在[19, 20]中也探討了基于人類和機器的信息源在不同場景下的信息融合。在[19]中，作者表明，人類的認知力量可以利用多媒體數據來更好地解釋數據。一個用戶細化階段與聯合實驗室主任（JDL）融合模型一起被利用，以在決策中納入人類的行為因素和判斷[20]。

未來的戰場將需要人類和機器專業知識的無縫整合，他們同時在同一個環境模型中工作，以理解和解決問題。根據[21]，人類在隨機應變和使用靈活程序、行使判斷和歸納推理的能力方面超過了機器。另一方面，機器在快速反應、存儲大量信息、執行常規任務和演繹推理（包括計算能力）方面勝過人類。未來雷達系統中的高級認知尋求建立一種增強的人機共生關系，并將人類的優點與機器的優點融合在一起[22]。在本章中，我們概述了這些挑戰，并重點討論了三個具體問題：i）人類決策與來自物理傳感器的決策的整合，ii）使用行為經濟學概念PT來模擬人類在二元決策中的認知偏差，以及iii）在相關觀測下半自主的二元決策的人機協作。

本章的其余部分組織如下。在第11.1節中，我們介紹了一項工作，說明如何將人類傳感器的存在納入統計信號處理框架中。我們還推導出當人類擁有機器無法獲得的輔助/側面信息時，這種人機一體化系統的漸進性能。我們采用行為經濟學的概念前景理論來模擬人類的認知偏差，并在第11.2節中研究人類在二元假設檢驗框架下的決策行為。第11.3節討論了一種新的人機協作范式來解決二元假設檢驗問題，其中人的知識和機器的觀察的依賴性是用Copula理論來描述的。最后，我們在第11.4節中總結了與這個問題領域相關的當前挑戰和一些研究方向，然后在第11.5節中總結。

美國缺乏一套專門的人工智能（AI）戰爭的理論。這導致了在戰爭的作戰層面上缺乏對人工智能影響的討論。人工智能的定義通常采用技術視角，不考慮對作戰藝術的影響。提議的作戰藝術的新要素 "抓手（Grip）"解釋了人工智能和人類在兩個方面的基本關系：自主性和角色交換。“抓手”為人工智能戰爭的理論奠定了基礎，除了揭示改變任務指揮理論的必要性外，還提出了作戰的假設。美國空軍陸戰隊的發展以及由此產生的戰爭作戰水平（和作戰藝術）在歷史上有類似的案例，說明關鍵假設如何影響戰場的可視化。去除“人在回路中”的人工智能戰爭的假設，揭示了需要一種新的作戰藝術元素來安排部隊的時間、空間和目的，此外，美國陸軍任務指揮理論需要調整，以使指揮官能夠在各種形式的控制之間移動。

簡介

“機器人和人工智能可以從根本上改變戰爭的性質......誰先到達那里，誰就能主宰戰場。”- 美國陸軍部長馬克-埃斯佩爾博士，2018年

預計人工智能（AI）將極大地改變21世紀的戰爭特征。人工智能的潛在應用只受到想象力和公共政策的限制。人工智能擁有縮短決策周期的潛力，超過了人類的理論極限。人工智能也有望執行人類、機器和混合編隊的指揮和控制功能。人工智能在自主武器系統（AWS）中的潛力同樣是無限的：分布式制造、蜂群和小型化的先進傳感器為未來的指揮官創造了大量的配置變化。與圍繞人工智能的技術、倫理和概念問題相關的無數問題，為如何將這項技術整合到戰爭的戰術層面上蒙上了陰影。現代軍隊幾個世紀以來一直在為正確整合進化（和革命）的技術進步而奮斗。美國內戰期間的鐵路技術對 "鐵路頭 "軍隊和格蘭特將軍在維克斯堡戰役中的勝利都有貢獻。25年后，法國人忽視了普魯士的鐵路試驗，給第三帝國帶來了危險，同時也沒能把握住小口徑步槍的優勢。卡爾-馮-克勞塞維茨在《論戰爭》中指出，每個時代都有自己的戰爭和先入為主的觀念。本專著將探討當前的先入為主的觀念和人工智能在戰爭的操作層面的出現。

對作戰層面的討論側重于作戰藝術，以及指揮官和他們的參謀人員如何通過整合目的、方式和手段，以及在時間、空間和目的上安排部隊來發展戰役。在作戰藝術中缺乏以人工智能為主題的討論，增加了不適當地部署裝備和以不充分的理論進行戰斗的風險；實質上是在邦聯的火車上與追兵作戰。美國的政策文件和技術路線圖主要集中在能力發展和道德影響上，而沒有描述一個有凝聚力的人工智能戰爭的理論。但美國和中國在自主行動方面的實驗趨于一致；這引起了沖突的可能性，其特點是越來越多的被授權的人工智能和AWS沒有得到實際理論框架的支持。這個問題導致了幾個問題。美國軍隊的人工智能戰爭理論是什么？大國競爭者的人工智能戰爭理論是什么？有哪些關于顛覆性技術的歷史案例？理論應該如何改變以解釋顛覆性技術？

本專著旨在回答上述問題。它還提出了兩個概念，以使指揮官能夠在戰場上可視化和運用人工智能；一個被暫時稱為 "抓手"的作戰藝術的新元素和一個任務指揮理論的延伸。該論點將分三個主要部分進行闡述。第一節（理論）將證明人工智能需要一個認知工具來在時間、空間和目的上安排部隊，方法是：綜合美國的人工智能戰爭理論，描述中國的人工智能戰爭理論，以及揭示當前文獻中的“抓手”理論。第二節（歷史）是對1973年為應對技術轉變而從主動防御演變而來的空地戰（ALB）的案例研究。第二節將重點討論戰場維度的思想、任務指揮理論的演變以及相關的作戰藝術的正式出現。第三節（新興理論）提出了作戰藝術的新要素，作為一種認知工具，幫助指揮官和參謀部將21世紀的戰場可視化。第三節將把以前的章節整合成一個有凝聚力的模型，讓指揮官和參謀部在時間、空間和目的方面可視化他們與AI和AWS的關系。第三節還將提供一個任務指揮理論的建議擴展，以說明人機互動的情況。

主要研究成果

人工智能的復雜性導致了正式的戰爭理論的缺乏；然而，在美國的政策和發展文件中存在著一個初步的美國人工智能戰爭理論。人工智能戰爭理論必須解釋人類和人工智能之間的關系，這樣才能完整。通過作戰藝術和任務指揮的視角來看待人工智能，揭示了自主性和角色互換的兩個頻譜，通過不同的組合創造了人工智能戰爭理論的維度。這些維度，或者說掌握的形式，代表了作戰藝術的一個新元素。同樣，需要將任務指揮理論擴展到一個過程-產出模型中，以實現掌握形式之間的移動。

方法論

綜合美國目前的人工智能政策和AWS的發展路線圖，提供了一幅戰略領導人如何看待人工智能的圖景，允許發展一個暫定的戰爭理論。由于缺乏關于武器化人工智能的歷史數據，政策和發展路線圖是必需的，因此本專著中提出的理論是由提煉出來的概念產生的。由于中國的工業和技術基礎的規模，中國被選為對抗模式，預計在10到15年內，中國將超越俄羅斯成為美國最大的戰略競爭對手。

圖文并茂的案例研究方法將被用來分析主動防御和空地戰之間的過渡。該案例研究將整合技術、政策和戰爭理論，以喚起人們對多域作戰（MDO）和人工智能在21世紀戰爭中作用的疑問。第二節的批判性分析側重于理論的發展，而不是其應用。第二節的詳細程度是有限制的，因為它仍然是一個更大（和有限）整體的一部分，因此重點應繼續揭示戰場可視化和認知輔助工具之間的聯系。第三節通過作戰藝術的新元素和任務指揮理論的調整來回答每一節中發現的問題，從而將前幾節連接起來。人工智能缺乏歷史，考慮到人們不能直接分析以前的沖突，以獲得教訓或原則。在這種情況下，任務指揮理論提供了一種間接的方法來理解使人類能夠集中式和分布式指揮和控制功能的機制，以及為什么人工智能缺乏相應的機制會抑制我們感知機會的能力。第三節將把美國現行政策和路線圖中的幾個抓手成分匯總到任務指揮理論提供的框架中。

范圍和限制

本專著存在于美國陸軍多域作戰概念的框架內，其理解是解決方案是聯合性質的，因為 "陸軍不能單獨解決問題，概念發展必須在整個聯合部隊中保持一致，清晰的語言很重要。"本專著不能被理解為對MDO中提出的問題的單一解決方案，而是一種幫助實現戰斗力聚合的方法。

關于人工智能的討論充滿了倫理、法律和道德方面的考慮，本專著不會涉及這些方面。本專論的假設是，人工智能的軍事用途在政治上仍然是可行的，而且 "戰略前提 "允許該技術的軍事應用走向成熟。由于運用的變化幾乎是無限的，人工智能的戰術實施將不會被詳細討論，而重點是在作戰層面上的概念整合。一般能力將被限制在與作戰藝術和作戰過程有關的具體趨勢上。