執行摘要

美國國防科學委員會博弈、演習、建模和模擬（GEMS）工作組的任務是審查國防部使用GEMS工具的現狀，并提出改進GEMS工具的建議，以充分發揮其在國防部企業中從行政到作戰的潛力。GEMS工具和能力為測試新想法和概念、設計新系統并制作原型、模擬軍事行動、進行地緣政治分析以及提供培訓以提高作戰人員的準備和表現提供了具有成本效益的創新方法。工作隊認為，在當今與大國競爭回歸有關的高度競爭和動態戰略環境中，這種能力越來越重要，技術進步使全球環境監測系統的能力比過去更加強大和有用。

雖然美國防部有一些GEMS的卓越和創新，但特別工作組注意到，國防部缺乏必要的整合、資源和人才來獲得GEMS的全部利益。尤其缺乏的是將GEMS的洞察力有效地整合到高級領導對國防需求和采購項目的決策中的機制。

鑒于GEMS工具的廣泛性以及它們的不同適用性，特別工作組選擇將重點放在五個廣泛的應用領域（數字工程、訓練、實驗和演習、行動建模和分析以及戰略博弈），如圖ExS-1所示，以及它們之間的相互依賴關系。

圖ExS-1：GEMS應用領域

任務組在這五個應用領域以及兩個交叉主題領域提出了建議：基于技術的推動因素和GEMS治理。

數字工程：美國防部正在努力推進數字工程（DE）。例如，各軍種內部一直在推動使用數字工程來考慮新的系統概念；但廣泛采用數字工程仍然是一項正在進行的工作。特別工作組注意到，已經采用嚴格的數字工程的組織獲得了可衡量的好處，并強烈建議在整個企業中加速采用數字工程。此外，這種能力為國防部全面利用GEMS工具和有效地大規模生產作戰能力提供了必要的基礎。特別工作組認為，國防部全面采用DE并不要求對采購過程進行實質性的改變；然而，它將需要一些調整，特別是國防部的評估和審查過程，以便在虛擬測試中獲得DE的全部附加值。另外，虛擬測試依賴于嚴格的紀律，在所有工程活動中使用經過驗證的工具和來自權威代表的數據。這意味著國防部的工程師必須熟練掌握DE的方法、紀律、工具和技術。扶持和支持這支隊伍將需要國防部投資于必要的信息基礎設施，特別是在一系列工程任務中實現更大的自動化。

培訓：各軍事部門的培訓能力長期以來一直受益于GEMS工具和創新的使用，這些工具和創新幫助刺激了幾十年前開始的培訓革命，對美國的軍事優勢做出了重大貢獻。特別工作組注意到，在模擬、建模、虛擬現實（VR）和人工智能（AI）的推動下，軍事部門的第二次訓練革命正在進行中，但它注意到聯合部隊的訓練需要大幅改進。雖然作戰司令部（CCMD）努力保持聯合訓練，但現實情況是，大多數CCMD演習是由對特定場景最負責的軍事部門領導的--因此訓練具有特定軍種的味道。為了讓潛在的對手面臨多種困境，并使他們的計劃變得復雜，聯合部隊必須進行訓練，以便在所有領域內進行協作和同時作戰。為此，特別工作組建議集中精力激勵各軍事部門使其訓練更加聯合--更加代表 "我們將如何作戰"，確保各軍事部門之間必要的網絡連接以支持聯合訓練，并建立強大的全領域聯合訓練能力。工作隊還建議不斷努力加強其分布式訓練能力，確定具體的模擬訓練，在主要的訓練中心提供高質量的訓練，但可以從家庭駐地進行操作。與其他GEMS能力一樣，實現這種聯合和全域訓練的能力將需要持續的行政級別領導和多年的充足資源。

實驗和演習：美國防戰略（NDS）委員會報告呼吁 "通過實驗、演習和訓練驗證新的作戰概念以實現戰略優勢"。特別工作組贊同這一呼吁，并得出結論，國防部必須在聯合軍事部門/合作伙伴層面重振基于概念的實驗，以應對同行競爭對手帶來的長期挑戰。特別工作組注意到，聯合概念實驗在國防部已經成為一門失傳的藝術。特別工作組建議重振這種能力，采用一種基于運動的方法，更迅速地提供新的作戰方式和新的能力來應對當前和新出現的作戰挑戰。特別工作組建議采用運動式方法，產生一個反饋循環，反復完善概念和能力，在這個過程中盡早剔除失敗，同時將完善的概念和能力反饋給下一階段的實驗。特別工作組進一步建議，將聯合作戰問題和想法注入正在進行的軍種實驗中；國防部應在軍事部門之外贊助聯合概念實驗；并為軍種和CCMD（特別是美國印太司令部（USINDOPACOM）和美國歐洲司令部（USEUCOM））的實驗運動和演習提供額外支持。

行動建模和分析：國防部目前的行動模型被用來為投資決策提供信息，特別是在各軍事部門之間；然而，這些模型在關鍵領域存在不足。特別是，它們沒有有效地解決國防部所處的多領域安全環境的復雜性，而且它們沒有能力提供快速分析以告知決策者。特別工作組還發現，國防部領導層對行動建模的支持和信心不一。因此，特別工作組的建議側重于發展補充性戰役分析，更加強調及時、簡單、定性/定量的模型，同時也投資于下一代行動建模能力，利用包括人工智能和機器學習領域的技術進步。需要提高這些能力，以灌輸對這些工具的有用性的信心，為投資決策提供信息。工作隊還建議在發展基于情景規劃的聯合作戰概念（CONOPS）方面做出更有力的努力，以推動戰役建模和分析，并為資源分配提供依據。

戰略博弈：美國在冷戰期間很好地利用了戰略博弈技術--在一個長期的分析區間內進行 "移動-反移動 "評估。最近的努力集中在眼前的威脅上（例如，恐怖主義），戰略博弈已經成為分析當今更大和更長期挑戰的一個很少使用的工具。現在，美國面臨著先進的大國對手，其技術能力和經濟實力可以與我們匹敵。為了應對這些挑戰，國防部需要重振其戰略博弈。工具的好壞只取決于使用它們的參與者。有效的戰略博弈將需要高層領導認真參與博弈本身。特別工作組建議利用新的技術和分析發展來重建戰略博弈能力，以更好地了解地緣政治的變化、對手的目標以及對手在大國競爭時代對美國行動和舉措的潛在反應。特別工作組指出，在開發新的博弈工具方面存在利用技術進步的機會--包括社會、金融和通信網絡的算法分析、因子樹、定量建模和分布式博弈技術，以更有效地支持戰略博弈。特別工作組還承認，與大國對手的有效競爭將需要一個整體的政府方法，國防部應率先將戰略博弈擴展到美國政府的相關部門。

基于技術的促進因素：雖然GEMS工具受益于許多領域的技術進步（如不斷提高的計算能力、人工智能/機器學習），但特別工作組重點關注兩個相關技術--游戲引擎和合成環境。商業化的游戲引擎可以加速GEMS工具的開發，強大的合成環境可以提高數字模型的效用。特別工作組注意到，國防部的一些組織已經在使用這些技術，但主要是以臨時的方式使用。因此，建議的重點是：建立一個基礎設施，以實現和激勵重復使用，從而在降低成本的同時加快進展；確保承包商在產品采購（或重大升級）期間建立的符合要求的合成環境可供整個部門重復使用。采用更好的數據分析方法來生成大規模的事后報告，將有助于從游戲、實驗和演習以及原型設計中獲得最大價值。

GEMS管理：特別工作組注意到，雖然工業界的成功案例表明，需要持續的、自上而下的領導和管理來實現變革，并實現GEMS工具的潛在效益，但國防部的管理結構并沒有促進整個企業的做法。鑒于整個國防部顯然需要進行文化和技術變革，必須建立一個更加協調的管理結構。這一領域的建議集中在促進GEMS互操作性和可重復使用性的行動上，以及建立一個由高級領導人領導的治理結構，并為指導國防部的建模和仿真（M&S）企業提供適當的權力和資源。

本報告中的大多數建議是文化和技術轉型的起點，如果美國防部要從GEMS工具中獲得全部利益，就必須進行這種轉型。雖然特別工作組對已經開展的GEMS行動表示贊賞，但結論是，如果美國防部要充分利用GEMS在上述應用領域潛在的改變博弈規則的力量，全企業的努力是必不可少的。

在這個大國競爭的新時代，美國防部（和美國政府）面臨著復雜的選擇，需要有分析性的選擇；對決策速度和敏捷性的需求從未如此迫切。在這方面，特別工作組的結論是，國防部必須大幅提高其全球環境監測系統的能力，以跟上其競爭對手的步伐并有效地應對威脅--今天和未來幾年。要做到這一點，需要整個企業的文化變革和技術變革。在美國今天所處的高度競爭和動態的國家安全環境中，需要一個強大的GEMS工具箱來為國防部的決策提供信息。然而，如果國防部要實現GEMS的潛力，該部的高層領導必須負責提供愿景、支持和持續的資源，以實現所需的變革。本報告為國防部提供了一個路線圖，以充分利用GEMS工具，實現更好的決策、更智能的演習和實驗，并最終實現更強大的軍事力量。

彈道導彈能力的增長已經威脅到了傳統航母及其機群的作用。在未來的對抗中，目前的平臺將需要被重新評估，并承擔新的和非傳統的角色，以填補傳統上由航母打擊群占據的空白。潛艇將需要一個新的和更具進攻性的理論，作為分布式海上作戰（DMO）的一個組成部分。兩棲平臺將發揮新的作用，成為能夠分散航空資產并為艦隊帶來超視距打擊能力的水面平臺。航空母艦將擺脫傳統的打擊角色，成為指揮和控制（C2）、情報、監視、偵察（ISR）和維持的中心。目前具有綜合能力和創新部署的平臺可以克服遠程陸基導彈防御帶來的威脅。

引言

"這句話不是由機智的馬克-吐溫、深思熟慮的亞伯拉罕-林肯、甚至是聰明的愛因斯坦說的，而是由80年代的電視英雄馬蓋先說的。這部長期播出的節目講述了一個沒有超能力的普通英雄的冒險故事，以及他利用周圍任何東西來解決問題的非凡能力。馬蓋先從未將“回形針”用于其預期目的，而是創造了一個獨特的變通方法來實現預期目標。經過深思熟慮和創造性的再利用，“回形針”找到了新的用途和新的意義。今天，現代軍隊有許多 "回形針 "平臺，它們有各種不同的目的和能力。也許現在是海軍對其平臺采取類似馬蓋先的方法的時候了，以便在與同行競爭者的沖突中發揮能力。

杰拉爾德-R-福特號航母是美國海軍最新和最現代化的航空母艦。一個新的電磁飛機發射系統（EMALS）、經過改造的甲板配置和靈活的電子結構只是這艘價值130億美元的船的一些新升級。在與同行競爭者的現代沖突中，如果美國海軍失去了能力或直接拒絕冒失去數十億美元資產的風險，它將轉向什么？由于航空母艦的脆弱性和其在戰場上可能喪失的能力，美國海軍應該研究現有平臺的額外和非傳統用途，以便在海洋環境中與同行競爭者競爭制海權。首先，核潛艇作為一個能夠爭奪制海權的平臺具有很大的優勢。其次，裝載有飛機和無人機的較小的兩棲艦提供了一個可行的替代方案，可替代在敵對環境中運行的一或兩艘大型航空母艦。最后，提高航母機翼的模塊化程度，可以增強其航程和影響在目前航程不允許使用的地區的行動的能力。

摘要

在過去的幾十年里，美國海軍庫存中只保留了少許類型的海上水雷，且戰術理論研究停滯不前，而主要優先考慮反雷能力。本論文通過一個現代的視角來審視水雷戰（MIW），使用建模和仿真（M&S）來捕捉圍繞水雷戰環境的更廣泛的因素，除了水雷的性能特點和使用參數外，還包括根據最新的任務成功標準來衡量敵方的反應概率。本論文探討了三種通用的非保密實驗方案，得出了對水雷成功影響最大的因素的廣泛結論，并為未來探索具體水雷用例的演習奠定了基礎，以便為下一代水雷及其使用提供信息。分析表明，在影響敵方行為結果方面，空中投送策略通常優于水面、潛艇或無人水下航行器（UUV）投送。請注意，UUV的投放與較低的水雷總量有關，其影響可以通過UUV的移動速度和單個水雷的探測和交戰概率來減輕。

執行摘要

有許多歷史實例證明了海上水雷的價值和通過水雷戰（MIW）取得的勝利。美國海軍在反水雷（MCM）領域的大量投資說明了海軍水雷的致命功效。然而，目前用于進攻性水雷能力的支出與這些防御性工作的投資相比相形見絀。進攻性水雷理論、熟練程度和使用已經停滯、倒退，甚至被忽視，直到沖突迫在眉睫或已經開始。最近，人們對利用水雷的成本效益和力量倍增的特點又有了新的興趣。美國海軍正在重新調整其任務重點，以包括這些潛在的好處，特別是當它涉及到無人水下航行器（UUV）能力的進步、探測傳感器技術，以及未來水雷的自主性、半自主性和可編程性的實際可行性。

該項目尋求更好地了解在不同的水雷作戰框架內可以利用的關鍵性能驅動因素，以最大限度地提高雷場的有效性。在傳統的進攻性水雷有效性措施（MOE）的基礎上，增加了愛德華茲（2019年）定義的四個以任務為中心的MOE，即轉向、阻斷、固定和破壞，定義了一種新的進攻性水雷思維，稱為進攻性拒止水雷（ODM）。ODM可以與現代戰爭的殺傷鏈相結合，對不需要的海上交通提供戰略威懾，在這樣做的同時也被動地釋放了海軍的關鍵資源，否則將支持戰略目標。這個項目的重點是使用概率行為模擬對ODM進行定義、建模和分析，以比較這些更新的MOE下的雷場有效性。

海軍水面作戰中心達爾格倫分部在過去十年中一直在開發通過建模進行協調模擬（OSM）框架。目前，利用OSM框架的JAVA GUI軟件的迭代被稱為MAST，是建模和仿真工具包的簡稱，是專門為這種類型的海軍系統的作戰研究和任務工程分析而創建。該團隊開發了三個實驗場景，定義為探索非保密級別的ODM考慮之間的關系。這些場景分別被指定為空中、艦艇和UUV投送，其中藍色為友軍，紅色為敵軍。為了便于比較和大致了解與這些替代場景有關的作戰考慮因素，每種場景一般都以投送平臺的速度、水雷部署能力、利用的投放點數量和部署水雷的相對能力為特征。空中投送實驗是一種高速、中等能力的飛行器，在單一地點部署能力較弱的水雷。艦艇投送實驗是一個中等速度、高能力的飛行器，在多個地點部署普通水雷。而UUV投送實驗則是一個慢速、低容量的飛行器，能夠使用高能力的水雷，如表1所示。

表1. 基準實驗方案假設

如圖1所示，所有的模擬考察都利用了在50 x 50海里的雷場區域內隨機分配的雷場投放點，目的是影響兩艘紅色船只從部署區以東的設定起始位置向西的預期航點過渡。紅色船只的邏輯實現了概率行為決策，以模擬敵人對其探測到的水雷的反應，或者改變其路線，固定在原地，或者繼續其路徑，并以 "逃離"信息傳達危險。

為了評估行動的重要性，我們開發了五個MOE。主要的MOE，稱為 "紅色影響"，是指雷區影響紅方船只駛向預定航點的能力。如果紅色船只都沒有決定轉向或固定，那么紅色影響在該次航行中為零。如果兩艘紅方船只都被抑制，紅色影響為2；如果只有一艘船只受到影響，紅色影響為1。Agent的終止被指定為次要的MOE，用來捕捉傳統思維的MOE，最后部署的水雷被指定為次要的MOE，以更好地通知各實驗的決策點。MOE表見表2。

圖1. ODM移動場景(MAST)

表2. ODM MOEs

輸入變量的定義是為了檢查對藍軍行動、藍軍系統設計特征和紅軍行為邏輯的變化的影響。在空中實驗中定義了21個變量，在艦艇和UUV實驗中定義了25個變量。一個近乎正交的拉丁超立方實驗設計（DOE）在所有三種情況下運行。為空氣實驗確定的21個變量產生了128個獨特的偏移運行，為船舶和UUV確定的25個變量各產生了256個偏移。然后，在與NPS SEED中心的合作下，利用Hamming超級計算機復制了這些DOEs，為空氣產生了3780次偏移，為船只和UUV產生了5000次偏移，以供分析。研究小組發現，與紅色船只的概率決策邏輯有關的變量通常比那些具有物理價值的變量（如速度、范圍或水雷數量）更具影響力。在所有三種情況下，紅色影響的主要MOE也是如此。

為了降低紅色行為在模型中的相對重要性，進行了細化分析，特別關注對作戰效能影響最大的藍色配置特征。初級MOE（紅色影響）、傳統MOE（Agent終止）和次級MOE（部署時間）的結果顯示在圖2。盡管三個實驗似乎都顯示出類似的主要MOE結果，但結果差異在模型中是有統計學意義的。空中投送在 "紅色沖擊 "方面是最有效的，而且部署的速度比船只或UUV投送都快得多。這一點特別重要，因為在只關注紅色制劑死亡的傳統思維模式下，空中投送的單點播種將被歸類為最不有效。同樣，緩慢但有能力的UUV水雷投送，在使用毒劑死亡的情況下，也只是略微有效，但在使用ODM紅色影響MOE的情況下，其評級僅次于空中。

圖 2. ODM場景的結果

該模型為ODM的運行分析提供了一個起點。雖然模擬中的系統故意是通用的，以避免分類，但該模型的設計允許快速引入特定的系統數據。未來的工作可以更全面地實現任務目標（Edwards 2019）的MOE，或增加紅軍決策邏輯的復雜性。然而，即使在這個較高的水平和早期成熟階段，在這個項目中應用ODM概念的意義可以應用于集中開發和采購努力，并更好地告知未來戰斗空間的使用戰略。

I. 簡介

A. 背景情況

有許多歷史實例表明了海上水雷的價值和通過水雷戰（MIW）取得的勝利。美國海軍對其反水雷(MCM)社區的大量投資說明了海軍水雷的致命功效。然而，對防御性努力的投資使目前對未來進攻性水雷能力或國家研究委員會所說的進攻性拒止水雷（ODM）（2000）的支出相形見絀。從歷史上看，進攻性水雷的理論、熟練程度和使用已經停滯、倒退，甚至被忽視，直到沖突迫在眉睫或已經開始。

最近，人們對利用水雷的成本效益和力量倍增的特點重新產生了興趣。美國海軍正在重新調整其任務重點，以包括這些潛在的好處，特別是涉及到無人水下航行器（UUV）能力的進步、探測傳感器技術，以及未來水雷的自主性、半自主性和可編程性的實際可行性。ODM是為海軍作戰司令部（CNO）項目 "超配 "挑戰做出貢獻的自然選擇，即通過 "提供同步的致命和非致命效果"（2020年），"支持將使我們的持續海上主導地位的作戰......環境"。實現CNO建立未來部隊的海軍作戰架構的目標所必需的信條是由他在2020年10月的A Novel Force備忘錄中定義的 "一個綜合的任何傳感器/任何射手的殺傷鏈 "來建立。ODM能夠通過積極參與這些殺傷鏈來加強這一目標，對不受歡迎的海上交通提供戰略威懾，并在這樣做的同時也被動地釋放了原本支持這些戰略目標的關鍵海軍資源。

B. 項目目標

一般來說，進攻性水雷和具體的ODM是可以提供不對稱戰略優勢的領域，但對其研究不足，因此也沒有得到充分的利用。這就提供了一個機會。目前的ODM理論和戰術需要通過現代有效性措施（MOE）進行分析，以量化保護性（藍水）和進攻性（敵對海岸線12英里內）的潛在水雷環境，并確定任何不足之處（Edwards 2019）。在以前的研究中，"重點是孤立地檢查雷場的部署和特點，這項研究......檢查了能夠部署和支持雷場的替代無人和有人系統，作為聯合進攻行動的一個組成部分......[通過]考慮多個候選操作區域和替代交付平臺"（Beery 2020）。給予該小組探索的具體任務是。

1.定義一個候選的進攻性水雷戰行動概念（CONOPS）。

2.界定一個可供審查的作戰活動和相關系統的系統結構，以確定其對雷場部署有效性的影響

3.開發和分析作戰模擬，以便：a. 確定關鍵的性能驅動因素；b. 為作戰框架的比較提供依據（Beery 2020）。

C. 過程

為了實現這些廣泛的項目目標，團隊開發了一個項目瀑布方法，以定義主要的門和里程碑，如圖1所示，首先是文獻回顧，以熟悉MIW、其附屬元素和相關主題。目前的MIW分析員、操作員和專家被確認，他們幫助確定審查的范圍，并闡明了一些圍繞它的歷史。該小組與顧問合作，以確定MIW領域的適用資源和其他專家。項目發起人和顧問團的投入被用來為小組規劃提供信息和貢獻專業知識，以確保小組的產出為海軍提供價值。最初的文獻審查發現了涵蓋MIW CONOPS的材料和分析MIW操作的技術報告，但它未能產生一個普遍可用的ODM實用指南。為了填補現有文獻的空白，項目工作的重點是開發一個操作模擬，可以用來確定關鍵的性能驅動因素，并最終就如何最大限度地提高雷場部署的有效性提出建議。

圖1.BCM論文項目方法論

為了開發將要使用的作戰模擬模型，該小組采用了自上而下的系統工程（SE）方法，如圖2所示的修改后的軟件工程Vee。通過將通用的高層軍工項目分解為其系統需求的組成部分，團隊設計了一個仿真模型，產生了與這些需求相對應的數據，如修改后的Vee方法的左側所示。模型的輸出數據被收集和分析，驗證其與系統設計要求的適當映射，并驗證建議以滿足操作框架的比較。

此外，團隊每季度向社區利益相關者和感興趣的NPS教師介紹情況，以征求所有相關方的額外意見，并提供一個合作論壇的機會。最終的結果和建議在本報告中正式公布，并在畢業前的進度審查中提出。

圖2：BCM修改后的Vee方法。改編自Buede（2009）。

D. 團隊組織

團隊成員被分配了責任，以確保公平分工，充分考慮技術能力和行政后勤。盡管所有的團隊成員在每個階段都是積極的貢獻者，并幫助確保SE原則在每個步驟中得到遵循，但指定的牽頭人在其主題領域的執行方面保留了打破僵局的投票權。

• 首席程序員和軟件開發人員。負責模型設計架構、模擬開發，以及與軟件（SW）開發人員和團隊外部的SW項目主題專家（SME）的聯絡。

• 海上環境專家和UUV社區聯絡員。負責識別環境變量和考慮因素，并將其納入模型，通過無人潛航器社區的聯系和無人潛航器測試的個人經驗進行驗證。

• 艦隊聯絡和安全經理。負責與美國海軍運營商和社區經理互動，以確保在整個模型開發、數據生產和分析報告中充分納入適當分類級別的CONOPS和技術規范。

• 首席編輯和數據分析師。負責所有團隊交付成果的最終審查、格式化和提交。對報告的格式和內容的決定擁有最終決定權。

在高度競爭的空域中，反空防行動對人的生命和稀缺物質資源構成了巨大的風險，因此希望減少人員遭受生命損失的風險。因此，在爭奪空中優勢的過程中，用一群低成本的無人駕駛系統取代人類駕駛的空中平臺是一個備受關注的領域。然而，目前還沒有關于蜂群作戰的理論或戰術的最佳實踐。這篇論文記錄了在認知智能體的控制下，利用強化學習方法，為無人駕駛飛行器發現反空防衛戰術而進行的系統性框架研究。傳統上，反空防衛任務的有效性是通過使用具有高數量、低雷達截面、高速度、低高度和/或電子攻擊組合的武器來實現。在沒有任何這些力量倍增器的情況下，可以利用合作性的蜂群戰術來實現任務的有效性。與其他更有約束性的基于規則的游戲相比，這一領域呈現出高度復雜的狀態-行動空間，在這些游戲中，人工智能agent已經成功地學習了游戲策略。本研究采取的方法是開發高度語義化的觀察和行動功能，將認知agent行為功能與游戲環境對接，通過重復游戲進行訓練。對認知agent的觀察和行動功能的各種設計進行了開發和分析，開發的框架被用來促進agent的強化學習以及評估任務的有效性。所提出的框架被證明能夠產生高效的認知agent，學習支持蜂群的戰術行為，使任務效率最大化，并利用傳統的優化，而非認知agent無法做到這一點。

第1章 導言

本章介紹了空中優勢、防空的概念，并討論了現代空軍用來擊敗現代防空網絡的傳統和現代方法。然后闡述了研究的主要假設，接著討論了本論文其他部分的組織。

1.1.問題陳述

1.1.1. 空中優勢

美國空軍（USAF）的主要任務目標是實現空中優勢，作為所有其他聯合戰斗行動的先導[1]。美國聯合部隊將空中優勢定義為[2] ：

• "......一支部隊對空中的控制程度，允許其在特定的時間和地點開展行動而不受空中和導彈威脅的禁止性干擾"。

在被防衛的空域實現空中優勢所產生的沖突對人員的生命帶來了巨大的風險，以及昂貴的物質資源損失的風險。

1.1.2. 進攻性反空襲

壓制（SEAD）或摧毀（DEAD）敵方防空是進攻性反空作戰，試圖通過破壞性（DEAD）或干擾性（SEAD）手段，使敵方地表防空系統失效、被摧毀或暫時退化，以使聯合部隊能夠無爭議地進入受控空域。除了針對AD的傳感器和武器外，DEAD任務通常還針對高價值的固定地點的地面資產，如[2] 。

1）機場和作戰基地

• a) 飛機

• b) 跑道

• c) 空中交通管制

• d) 機庫

• e) 燃料儲存

• f) 庇護所和人員設施

• g) 維修設施

2. 指揮和控制（C2）系統

• a) 預警（EW）系統

• b) 情報收集系統

• c) 通信基礎設施

3. 武器

• a) 發射設施

• b) 儲存設施

4. 支持性基礎設施

• a) 發電和配電

• b) 鐵路和鐵路終端

• c) 港口和海運碼頭

1.1.3. 防御性反空

敵方的防空系統對試圖在有爭議的空域，對實現空中優勢的空降部隊提出了實質性的挑戰。敵方綜合防空系統（IADS）的防衛性反空任務是摧毀、破壞或抵消空中和導彈攻擊、情報、監視和偵察收集，或其他未經授權的對防衛空域的滲透。現代IADS已經變得越來越復雜，在組織、復雜性和操作程序方面可以有很大的不同。現代地對空導彈（SAM）系統在射程和能力方面都得到了極大的提高，并對美國部隊構成了嚴重的威脅。遠程薩姆導彈通常部署在高價值資產附近，以提供點防御覆蓋，同時也有效地拒絕進入廣泛的空域。

反坦克元素的分布、分層和相互連接的性質允許采取深度防御戰略，允許進行多次交戰以增加成功的概率。許多對手采用集中的AD活動的C2，而其他對手可能采用分散的系統，其中多個節點有必要的冗余來指揮部分或整個IADS。數據基礎設施包括無線電、固定電話（電纜/光纖）、微波、蜂窩電話、衛星和互聯網系統[2]。

圖1.1顯示了一個概念性的IADS布局，其中幾個遠程防空導彈（LRS）站點被部署在兩個高價值的受保護資產（PA）的前方，以形成一個受保護的正面。LRS站點由兩個預警雷達和指揮、控制和通信（C3）站點支持，這些站點提供了對防御空域的綜合態勢感知。此外，每個PA都有一個LRS站點，提供點狀防御。圖中的橙色楔形代表了每個LRS的武器交戰區（WEZ）。

圖1.1: 國際防空系統的概念布局

顯然，本例中的防空系統是為了防御預計來自保護前線東南部某處的攻擊而布置的。

成功壓制敵方的防空系統可以通過多種方式實現。干擾通信系統和傳感器可以提供短期的局部壓制，如果足夠的話，或者作為一種臨時措施來實現所需的高階間接效果。破壞C3或EW資源，或迫使敵方反坦克部隊自主行動，有時可以充分降低對友軍的威脅程度，以獲得所需的空中優勢水平。然而，通常情況下，如果一個反坦克基地的自主行動能力繼續對友軍構成重大威脅，那么它本身就必須成為摧毀目標[3]。

1.2. 無人駕駛飛行器（UAV）蜂群

鑒于IADS的相互聯系和分層性質，DEAD任務需要一個作戰概念（CONOPS），以解決在整個有爭議的空域的不同點上具有不同能力的防御性武器。很少有單一的故障點可供利用。事實上，IADS的設計是隨著AD元件由于破壞、性能下降或彈藥耗盡而被關閉而優雅地退化。事實上，反坦克部隊包含先進的技術武器和為防御性反空襲任務而優化的傳感器，并由各級C2的人類決策來支持，這意味著反空襲任務可以以相當難以預測的方式展開。這些因素，再加上人命的高風險和稀缺的物質資源，使得在實現空中優勢的沖突中，減少友軍人員和高成本空中平臺面臨的損耗風險是可取的。因此，在爭奪空中優勢的競賽中，最好是用低成本的無人系統取代人類操作昂貴的載人空中平臺[4] 。

與傳統的機載打擊包相比，無人機群呈現出一系列獨特的特征，使其能夠以不同的方式執行DEAD任務。首先，如果蜂群是由大量的單位組成，它可以實現更大的幾何多樣性。蜂群的規模也允許戰術上的多樣性。蜂群對損耗也很強大：雖然打擊包中單個有人平臺的損失可能會導致人的生命損失，但它也經常導致嚴重的損害。首先，如果蜂群由大量的單位組成，它可以實現更大的幾何多樣性。蜂群的規模也允許戰術上的多樣性。蜂群對損耗也很強大：雖然打擊包中單個載人平臺的損失可能導致人命損失，但它也經常導致任務結果受到嚴重影響。一個無人機群可以通過替換角色、調整戰術和調整目標來適應單個單位的損失。此外，由于蜂群的性質，由大量單位組成的蜂群更能適應不斷變化的條件：可用于執行行動的單位數量越多，可用于實現有利解決方案的自由變量數量就越多。

然而，由大量無人機組成的蜂群將很難由人類操作員協調和控制，除非每個人都由人類操作員單獨遠程駕駛。即使如此，操作者可用的數據的延遲和質量可能不足以完全實現最佳的合作行為，以支持動態DEAD任務。將人類飛行員與遠程控制的無人機裝置聯系起來，大大增加了該裝置的成本，因此也增加了整個任務的成本。一個（半）自主的蜂群的一大優勢是，生產和運營成本可能遠遠低于遙控無人機蜂群。因此，至少在某種程度上，無人機群將從某種類型的自主行為中大大受益。

蜂群中的每個無人機都有可能根據自己從環境中觀察到的信息以及蜂群中其他成員與它共享的信息，執行自主行動。為無人機群自主性開發行為算法的問題，很自然地被歸入多Agent學習領域，特別是合作多Agent學習。文獻中已經考慮了幾種技術來實現合作式多代理學習：團隊學習、混合團隊學習和并發學習[5]。基于代理的建模（ABM）是一種通過模擬相互作用的代理來理解系統的一般方法。

無人機群應用于DEAD任務問題的復雜、動態性質，肯定會導致多Agent系統中眾所周知的 "涌現的復雜性 "現象。這指的是這樣一個概念：隨著大量的Agent相互作用，特別是沖突雙方的Agent，每個團隊的聯合行為都會令人吃驚[5]。本研究沒有將其視為消極的副作用，而是表明這種現象導致了蜂群Agent行為的新穎性和信息量，特別是由于在DEAD任務領域中還沒有關于無人機蜂群作戰CONOPS的理論或戰術最佳實踐。

1.3.假設

除去隱身、電子攻擊、遠距離武器和嚴重不對稱的數量等昂貴的特征，無人機群能夠用來對付IADS的主要武器是它能夠在整個有爭議的空域中動態地擺出其各種成分，采用的戰術主要是調節攻擊時機、節奏和幾何表現。

本研究的假設是，通過使用ABM，可以通過機器學習（ML）發現無人機群代理行為的新型合作行為，產生一種認知Agent，即

1）在DEAD領域展示任務有效性（ME）。

2）等同于或超過由更多單位組成的 "啞巴"群體的有效性，例如一大排常規巡航導彈的有效性

3）對人類控制的對抗性IADS有效

一旦發現無人機群Agent的行為，顯示出對由算法控制的Agent組成的IADS成功執行DEAD任務，將通過實時戰略游戲（RTSG）對人類控制的IADS測試相同的蜂群Agent。這將允許對潛在的微妙的蜂群Agent策略進行定性，并評估蜂群Agent適應不同和變化的IADS防御策略的能力。

對行為學習的ABM的一個重要批評是，行為的學習是使用不能代表現實世界效果的模擬，也就是說，如果模擬環境走了太多的捷徑或做了簡化或不正確的假設，那么學到的行為就不會有現實世界的意義[6]。本研究的一個目標是在無人機DEAD領域開發適用于現實世界的CONOPS，因此對這一批評意見相當重視。為了克服這一潛在的缺陷，ABM學習的模擬環境將采取RTSG的形式。這為無人機群學習行為的結果提供了一個重要的檢查，原因有幾個。

1）基于物理學的DEAD任務模擬具有很高的保真度

• a）無人機飛行動力學、飛行持久性、對各種目標的殺傷概率

• b）AD傳感器探測、跟蹤、測量分辨率、信息共享

• c）AD導彈攔截器飛行動力學、對無人機的殺傷概率

2. 各種程序化的代理可以控制沖突的任何一方。無人機群或IADS

• a) 這提出了不同的戰術、理論和難度水平

3. 人類玩家可以控制沖突的任何一方：無人機群或IADS

• a) 這為對手提供了創新的、不可預知的行為。

4. 游戲玩法（DEAD場景）是高度可配置的

• a) 這提出了不同級別的場景復雜性

5. 實時戰略格式強制執行人類決策的及時性，這是問題領域的一個關鍵特征。

6. 每個游戲環節都會捕獲非常豐富的狀態數據集

RTSG的性質也帶來了各種挑戰，例如取消了傳統的回合制游戲。這意味著代理人的決策必須實時發生，從一組不斷變化的環境輸入數據中工作。

1.4.本學位論文的組織結構

本論文分為13章和5個附錄。

第2章討論了任務有效性的概念，以及預測空中飛行器對由先進防空網絡防御的一組地面目標進行大規模突襲結果的分析方法。

第3章描述了為進行這項研究而采取的基于agent的模擬方法。

第4章記錄了用于訓練認知群agent的方法，描述了環境、agent和實體的模擬，并討論了有關基于agent的機器學習和游戲方法的現有文獻。

第5章描述了用于在強化學習過程中提供獎勵的目標函數的設計背景和發展。

第6章描述了用于蜂群單元的運動學模型。

第7章描述了用于防空傳感器和武器的物理學模型。

第8章描述了基本的非認知性蜂群agent的設計，這些agent被用來了解針對各種防空agent的基線任務有效性。

第9章描述了基本防空agent邏輯的設計，這些agent是認知蜂群agent在游戲訓練課程中競爭的對手。

第10章記錄了通過蒙特卡洛分析編制的基本非認知型蜂群agent的統計任務有效性。

第11章記錄了本研究中探索的各種實驗性認知蜂群agent的設計。

第12章記錄了對選定的認知蜂群agent學到的高效戰術的分析和評估。

第13章是論文的結論，總結了主要和次要的發現，并提出了繼續這項工作可能關注的領域。

前沿作戰基地（FOB）防御是一項人力密集型任務，需要占用作戰任務的寶貴資源。雖然能力越來越強的無人駕駛飛行器（UAV）具備執行許多任務的能力，但目前的理論并沒有充分考慮將其納入。特別是，如果操作人員與飛行器的比例為一比一時，并沒有考慮提高無人機的自主性。本論文描述了使用先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統開發和測試自主FOB防御能力。開發工作利用了基于任務的蜂群可組合性結構（MASC），以任務為中心、自上而下的方式開發復雜的蜂群行為。這種方法使我們能夠開發出一種基于理論的基地防御戰術，在這種戰術中，固定翼和四旋翼無人機的任意組合能夠自主分配并執行所有必要的FOB防御角色：周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應。該戰術在軟件模擬環境中進行了廣泛的測試，并在現場飛行演習中進行了演示。實驗結果將使用本研究過程中制定的有效性措施和性能措施進行討論。

第1章：導言

1.1 背景和動機

2019年，美國海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍發布了他的規劃指南，作為塑造未來四年的部隊的一種方式。他在其中指出："我們今天做得很好，我們明天將需要做得更好，以保持我們的作戰優勢"[1]。這句話摘自海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍的《2019年司令員規劃指南》（CPG），呼吁采取集中行動，以應對海軍陸戰隊在未來戰爭中預計將面臨的不斷變化的挑戰。在為海軍陸戰隊確定未來四年的優先事項和方向的CPG中的其他指導，呼吁建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人駕駛系統系列"[1]。伯杰將軍進一步呼吁利用新技術來支持遠征前沿基地作戰（EABO）。EABO將需要靈活的系統，既能進行有效的進攻行動，又能進行獨立和可持續的防御行動。簡而言之，實現EABO將需要最大限度地利用每個系統和海軍陸戰隊。

從本質上講，伯杰將軍正在呼吁改變無人駕駛飛行器的使用方式。通過使用大型的合作自主無人飛行器系統，或稱蜂群，將有助于實現這一目標。無人飛行器蜂群提供了在人力需求和后勤負擔增加最少的情況下成倍提高戰場能力的機會。正如伯杰將軍所提到的 "下一個戰場"，海軍陸戰隊將必須利用各種技術，最大限度地利用自主性和每個作戰人員在戰場上的影響。

目前的無人系統使用理論是以很少或沒有自主性的系統為中心。另外，目前的系統依賴于單個飛行器的遠程駕駛；也就是說，每輛飛行器有一個操作員。部隊中缺乏自主系統，這在監視和直接行動的作戰能力方面造成了差距。此外，側重于一對一操作員-飛行器管理的無人系統理論要求操作員的數量與車輛的數量成線性比例。這對于 "下一個戰場 "來說是不夠的。相反，海軍陸戰隊將需要能夠讓操作員擺脫束縛或提高他們同時控制多個飛行器的能力系統[2]。

考慮到這些目標，美國海軍研究生院（NPS）的先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）已經開發并演示了一個用于控制大型、自主、多飛行器的系統，該系統利用了分布式計算的優勢，并將駕駛的認知要求降到最低。ARSENL在現場實驗中證明了其系統的功效，在該實驗中，50個自主無人駕駛飛行器（UAV）被成功發射，同時由一個操作員控制，并安全回收[3]。

1.2 研究目標

這項研究的主要目標是證明使用無人機蜂群來支持前沿作戰基地（FOB）的防御。特別是，這需要自主生成、分配和執行有效的、符合理論的基地防御所需的子任務。這部分研究的重點是開發基于狀態的監視、調查和威脅響應任務的描述；實施支持多飛行器任務分配的決策機制；以及任務執行期間的多飛行器控制。

輔助研究目標包括展示基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）過程，以自上而下、以任務為中心的方式開發復雜的蜂群行為，探索自主蜂群控制和決策的分布式方法，以及實施一般的蜂群算法，并證明了對廣泛的潛在蜂群戰術有用。總的來說，這些目標是主要目標的一部分，是實現主要目標的手段。

1.3 方法論

基地防御戰術的制定始于對現有基地防御理論的審查。這一審查是確定該行為所要完成的基本任務和子任務的基礎。然后，我們審查了目前海軍陸戰隊使用無人機的理論，以確定這些系統在基地防御任務中的使用情況。

在確定了任務要求的特征后，我們為基地防御的整體任務制定了一個高層次的狀態圖。子任務級別的狀態圖等同于MASC層次結構中的角色。

ARSENL代碼庫中現有的算法和游戲以及在研究過程中開發的新算法和游戲被用來在ARSENL系統中實現子任務級的狀態圖。最后，根據高層次的狀態圖將這些游戲組合起來，完成基地防御戰術的實施。

在游戲和戰術開發之后，設計了基于理論的有效性措施（MOE）和性能措施（MOPs）。通過在循環軟件（SITL）模擬環境中的廣泛實驗，這些措施被用來評估基地防御戰術。在加利福尼亞州羅伯茨營進行的實戰飛行實驗中，也展示了該戰術和游戲。

1.4 結果

最終，本研究成功地實現了其主要目標，并展示了一種包含周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應的基地防御戰術。此外，開發工作在很大程度上依賴于MASC層次結構，以此來制定任務要求，并將這些要求分解成可在ARSENL蜂群系統上實施的可管理任務。這一戰術在實戰飛行和模擬環境中進行了測試，并使用以任務為中心的MOP和MOE進行了評估。最后的結果是令人滿意的，在本研究過程中開發的戰術被評估為有效的概念證明。

1.5 論文組織

本論文共分六章。第1章提供了這項研究的動機，描述了這個概念驗證所要彌補的能力差距，并提供了ARSENL的簡短背景和所追求的研究目標。

第2章討論了海軍陸戰隊和聯合出版物中描述的當前海軍陸戰隊后方作戰的理論。還概述了目前海軍陸戰隊內無人機的使用情況，并描述了目前各種系統所能達到的自主性水平。

第3章概述了以前自主系統基于行為的架構工作，ARSENL多車輛無人駕駛航空系統（UAS）和MASC層次結構。

第4章對基地防御戰術的整體設計以及高層戰術所依賴的游戲進行了基于狀態的描述。本章還詳細介紹了用于創建、測試和評估這一概念驗證的方法。在此過程中，重點是對每一戰術和戰術所針對的MOP和MOE進行評估。

第5章詳細介紹了所進行的實戰飛行和模擬實驗，并討論了與相關MOPs和MOEs有關的測試結果。

最后，第6章介紹了這個概念驗證的結論。本章還提供了與基地防御戰術本身以及更廣泛的自主蜂群能力和控制有關的未來工作建議。

達爾豪斯大學大數據分析研究所、加拿大國防研究與發展部（DRDC）-大西洋研究中心和加拿大通用動力任務系統公司（GDMS-C）向加拿大自然科學與工程研究委員會（NSERC）成功申請了一項名為海軍信息空間自動監測（AMNIS）的三年期資助項目。AMNIS啟動會議于2020年10月14日舉行，許多教授、國防科學家和GDMS-C技術人員參加了會議。會議為這三個組織確定了許多行動。與DRDC和GDMS-C相關的一項行動是需要與任務相關的場景來幫助指導預期的研究。因此，DRDC率先描述了一個有代表性的海陸場景，使研究人員能夠更好地了解與AMNIS有關的潛在研究途徑。制定的方案涉及加拿大皇家海軍（RCN）和加拿大陸軍（CA）執行的一項加拿大人道主義任務。該任務是向一個最近遭受自然災害的國家分發食品和醫療用品。一支敵對勢力還試圖偷竊這些物資。該情景描述了通過更好的處理技術和決策來改善信息流、共享和使用的必要性。該方案旨在引起進一步的討論，并幫助鞏固AMNIS參與者的研究課題。

1 引言

2015年，加拿大皇家海軍（RCN）的海上信息戰（MIW）概念[1]發布，概述了信息對RCN的影響。MIW的推出使人們非常需要關注信息，它既是皇家海軍使用的一種資源，也是為了更全面地使用和利用優勢而需要理解的一個概念。

該概念文件概述了信息的影響，包括其廣泛的可用性、皇家海軍對信息的依賴性以及信息的使用，特別是在戰爭中和作為戰爭倍增器的跨梯隊的使用。該概念文件還談到需要更好的處理技術來處理MIW功能領域內的數據量，如指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）、指揮和控制（C2）、情報、監視和偵察（ISR）以及態勢感知（SA）。

在MIW概念文件之后，2016年又發布了RCN信息戰戰略文件[2]。這里的重點是發展海戰MIW能力和能力，以支持國內活動（即加拿大的防御）和國際部署。盡管戰略文件指出了信息的更多傳統用途，如收集、利用和傳播，但它也認識到網絡武器領域是一個機動的地方，可以采取防御和進攻的行動。MIW的概念文件涉及物理、虛擬和認知領域，而戰略文件則談到了信息領域，從而表明了信息對于作戰人員的地位和重要性。

在概念和戰略文件之后，加拿大在2017年發布了新的國防政策[3]。該國防政策并沒有明確提到信息領域。然而，該政策確實催生了兩個最近的文件，繼續表明信息對RCN的重要性：2019年的DND數據戰略[4]，以及2020年的RCN數字海軍[5]。

數字海軍[5]支持加拿大國防政策[3]的創新目標，特別是那些涉及適應和利用新技術的能力。數字海軍 "作為一個指南，將數字技術與人結合起來加以利用，以確保未來海軍的成功和可持續。這份文件提出的前進方向涉及自動化、大數據分析、云計算、人工智能（AI）和機器學習（ML）方面的創新，成功是指通過上述手段做出數據驅動的決策的RCN。

數字海軍的概念促進了企業和運營RCN社區在決策中對數據的使用。在操作方面，這是為了將海軍團隊和水兵從日常工作中更平凡的方面解放出來，通過自動化功能，如基于規則的重復性任務。從更廣泛的操作角度來看，使用這種數字技術和技巧是為了更好地進行操作。

上面提到的所有文件都指出，希望將RCN推向一個信息組織，在這個組織中，信息是用來使用的，但也被用作防御和安全的工具。由于其中一些方面對RCN來說是新的，因此顯然需要一個由信息科學、人工智能、ML以及將這些與認知科學相結合的專家組成的強大而明智的科學團體，以開發更好的人類決策模型來支持RCN的目標。

1.1 發展科學專長

通過政府、學術界和工業界合作伙伴的參與，建立了一個強大而知情的科學界。這個群體完全有能力在與現代軍隊相關的科學和技術問題上取得進展，以幫助滿足國內和國外對加拿大武裝部隊（CAF）不斷增長的需求。

為了發展這個社區，在自然科學與工程研究委員會（NSERC）的聯盟計劃下，成立了一個DRDC（大西洋研究中心）、工業界（加拿大通用動力任務系統公司，GDMS-C）和學術界（達爾豪西大學）的伙伴關系。提交并被NSERC接受的提案名為《海軍信息空間自動監測》（AMNIS）。該提案概述了海上和陸地的信息問題，特別是數據整合、事件和警報的ML、信任和對抗性數據，以及信息的可視化和呈現供用戶使用。

為了給學術研究小組提供背景和指導，下面提供了一個大大簡化的行動的基于場景的描述。該方案包括許多問題，表明與AMNIS相關的可能研究途徑。這里的目的是培養研究人員對與DRDC和GDMS-C有關的問題的理解，使研究人員能夠發展自己的思路，幫助他們追求與他們的研究和AMNIS有關的創新方法、技術和發現。

這項工作的動機是基于兩個愿望，即：

1.描述一個現實但簡化的操作，其中存在與AMNIS相關的信息問題，以及。

2.強調在AMNIS項目下DRDC和GDMS-C感興趣的研究領域。

1.2 概要

其余各節將提供一個現實場景的發揮、可視化部分、性能建模、決策和學習的概述。每一節都包含了一系列的問題，這些問題的提出有助于為研究工作提供思考點和指導。

第2節描述了一個聯合行動的場景，陸地和海洋部隊共同支持人道主義任務。通過可能被破壞并有相關安全風險的節點相互連接和共享信息資源來實現這一目的。第3節討論了可視化在該場景中的作用及其對決策的影響。這包括物理環境的可視化表示，以及額外信息源的聚合如何影響主題專家的決策。本節還考慮了與人工智能（AI）和多樣化技術合作的人類表現模型。第4節討論了如何利用數據檔案來開發和學習對抗性注入檢測方法。第5節以總結性意見完成了本文。

小型無人駕駛飛機系統（sUAS）的指數式增長為美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正極大地改變著小型無人機系統的合法應用，同時也使它們成為國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中日益強大的武器。如果被疏忽或魯莽的操作者控制，小型無人機系統也可能對美國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。越來越多的 sUAS 將與美國防部飛機共享天空，此外美國對手可能在美國防部設施上空運行，在此環境下美國防部必須保護和保衛人員、設施和資產。

為了應對這一挑戰，美國防部最初強調部署和使用政府和商業建造的物資，以解決無人機系統帶來的直接風險；然而，這導致了許多非整合的、多余的解決方案。雖然最初的方法解決了近期的需求，但它也帶來了挑戰，使美國防部跟上不斷變化問題的能力變得復雜。為了應對這些挑戰，美國防部需要一個全局性的戰略來應對無人機系統的危害和威脅。

2019年11月，美國防部長指定陸軍部長（SECARMY）為國防部反小型無人機系統（C-sUAS，無人機1、2、3組）的執行機構（EA）。作為執行機構，SECARMY建立了C-sUAS聯合辦公室（JCO），該辦公室將領導、同步和指導C-sUAS活動，以促進整個部門的統一努力。

美國防部的C-sUAS戰略提供了一個框架，以解決國土、東道國和應急地點的sUAS從危險到威脅的全過程。國防部的利益相關者將合作實現三個戰略目標：（1）通過創新和合作加強聯合部隊，以保護國土、東道國和應急地點的國防部人員、資產和設施；（2）開發物資和非物資解決方案，以促進國防部任務的安全和可靠執行，并剝奪對手阻礙實現目標的能力；以及（3）建立和擴大美國與盟友和合作伙伴的關系，保護其在國內外的利益。

美國防部將通過重點關注三個方面的工作來實現這些目標：準備好部隊；保衛部隊；和建立團隊。為了準備好部隊，國防部將最大限度地提高現有的C-sUAS能力，并使用基于風險的方法來指導高效和快速地開發一套物質和非物質解決方案，以滿足新的需求。為了保衛部隊，國防部將協調以DOTMLPF-P考慮為基礎的聯合能力的交付，并同步發展作戰概念和理論。最后，作為全球首選的軍事伙伴，國防部將通過利用其現有的關系來建設團隊，建立新的伙伴關系，并擴大信息共享，以應對新的挑戰。

通過實施這一戰略，美國防部將成功地應對在美國本土、東道國和應急地點出現的無人機系統威脅所帶來的挑戰。在這些不同操作環境中的指揮官將擁有他們需要的解決方案，以保護國防部人員、設施、資產和任務免受當前和未來的無人機系統威脅。

戰爭的特點正在發生根本性的變化，這些變化對空中力量的影響尤其深遠。多域整合為空中力量和越來越多的空間力量在未來幾年內的一系列轉變做好了準備，這些轉變不僅與技術有關，而且與空軍組織和進行規劃和行動的戰略和作戰概念有關。

迫在眉睫的、不可避免的多域作戰似乎是空中力量的一個明顯的邏輯演變，它可能會引發這樣的問題：為什么我們沒有更早地沿著這些思路思考和發展作戰概念？畢竟，對優化、作戰協同和武力經濟的尋求在空中力量中是持久的。可以說，多年來，空軍及其相關部門事實上已經嘗試以某種方式或形式在多域背景下運作。然而，在整個部隊甚至整個戰區范圍內，為多域作戰（MDO）提出的早期作戰概念（CONCOPS），在多域作戰空間產生作戰協同和效果的努力是前所未有的。

諸如聯合全域指揮與控制（JADC2）這樣的結構闡述了一個作戰云賦能的未來戰爭，其中任務指揮和戰斗空間管理被有效地隱含在整個戰斗部隊中，觀察-定向-決定-行動（OODA）環路被加速到邊緣計算的速度。傳感器和通信網絡決定了空軍承擔幾乎所有傳統任務的功能能力。數據和數據流將變得比空軍傳統上對機動自由的依賴更加重要，并且有效地成為其戰略推動者。空軍力量將越來越多地與網絡而非平臺、數據而非武器系統有關。

任務的成功和失敗一直是由指揮官和作戰人員可用的態勢感知水平決定的。在新興的作戰模式中，空軍以近乎實時的速度收集、處理和利用數據的能力有效地使數據成為最大的工具和最令人垂涎的武器。收集、處理、匯總、分析、融合和傳播大量的數據、信息和知識將需要像未來有爭議的戰場上的事件速度一樣快。目前正在進行的戰爭數字化將導致在未來幾年內將 "大數據"廣泛用于作戰過程。空間領域將在實現全球范圍內連續的、有保障的和安全的通信方面發揮顯著的作用，除了更傳統的遠程監視用途外，它還被用作這種通信的運輸層。

對信息主導地位的追求將以新的和不確定的方式在物理、電磁和虛擬世界中擴展競爭的連續性。隨著空軍對帶有嵌入式人工智能（AI）工具和應用的作戰云的使用，新的風險、脆弱性和故障點將被引入。本出版物收集了來自世界各地領先的思想家的文章和見解，對多域整合和空中力量的信息優勢框架和概念的一些最相關問題提供了深入的觀點。這里的觀點和討論反映了當前對各種戰略、指揮和作戰層面的思考，讀者會發現這些思考對他們更廣泛的理解很有幫助。

這里介紹的專家展望本身既不樂觀也不悲觀，正如我們所期望的那樣，所確認的是各種新技術促成的 "飛躍"機會正在地平線上形成，但其有效利用帶來了復雜和破壞性的新挑戰。在強調其中一些關鍵的挑戰和更好地理解這些挑戰的必要性的同時，正如通常的情況一樣，沒有快速的解決辦法或現成的解決方案。然而，有令人信服的理由認為，今天所預見的眾多挑戰似乎在理論上和技術上是可以克服的，有些甚至在未來幾年內就可以克服。在未來存在的許多不確定因素中，可以肯定的是，空中力量將被徹底重新定義。

引言

在俄羅斯-烏克蘭軍事行動之后，北約盟國終于認識到有必要重新武裝，以威懾和抵御俄羅斯。德國政府宣布它將把國防開支增加一倍以上，其他國家也紛紛效仿。由于缺乏資金不再是主要制約因素，歐洲的北約盟國現在將重建其軍事力量。但在重建的同時，他們的軍隊必須應對今天的緊迫挑戰，為明天的沖突做好準備。保持--或達到--軍事技術優勢將有助于北約未來的作戰能力，并首先要求具備創新能力。不幸的是，由于各種原因，經過幾十年的預算削減，軍事創新不再是西方軍事組織的強項。北約即將出臺的戰略概念需要為全聯盟刺激軍事創新的努力提供指導并設定界限。本文概述了聯盟在這一努力中所面臨的挑戰，并為應對這些挑戰提出了具體建議。

新與舊

現在人們普遍承認，軍事技術和軍事戰略的發展正在重塑戰爭的特征，并重新分配地區的力量平衡--在大國之間（例如美國和中國）以及小國之間（例如阿塞拜疆和亞美尼亞）。這些發展影響了戰爭的所有層面。例子很多：深度學習的進展正在加速OODA（觀察、定向、決定、行動）循環，并改變指揮的動態；A2/AD（反介入區域封鎖）能力的擴散正在破壞空中優勢，并使競爭環境趨于平等；傳感器的無處不在正在刺激物理環境的全景化，迫使人們采取新的軍事行動方式；各種規模的無人系統的普遍存在正在使更多的行為者能夠從遠處進行攻擊。但是，在新事物誕生的同時，舊事物不會凋零，至少現在不會。事實證明，現有的武器系統遠遠沒有被淘汰。它們可以被用來威脅和施加巨大的破壞。作戰坦克具有軍事重量（weight），火箭和導彈具有破壞力和摧毀力。盡管有大量關于靈活性和敏捷性的討論，但大量裝備（mass）仍然很重要，且現代技術未能解除當代戰爭的迷霧。

轉型時期

因此，一個合理的斷言是，戰爭的特點可能正在發生變化，但預期的軍事事務革命（RMA）肯定還沒有實現。用軍事創新的話說，當軍事組織采用新技術、開發使用這些技術的作戰概念并調整其組織結構以提供支持時，就會發生RMA。這反過來又使 "武裝力量的戰斗潛力和軍事效力大幅提高--往往是一個數量級或更大"。 下一個RMA被描述為圍繞 "自主武器、多領域機器人集群、自組織防御系統、自動化武器、大數據分析以及機器和深度學習程序"。 預計它將轉化為超強的態勢感知和理解，并加速決策，以更高的速度實現更高的精度。預計它將以人機團隊為特色，人和機器無縫地一起運作；大量的一次性無人系統可以在類似蜂群的編隊中半自主地運作；以及數量較少的分布式人類單位利用戰斗云在戰場上尋找作戰方式，以越來越快的戰爭的形式呈現。

軍事戰略家和未來學家對下一個軍事事務革命（RMA）到來的確切時間跨度并不確定。雖然許多新興和顛覆性技術仍然相當不成熟，但邁克爾-奧漢隆預計，"與軍事創新有關的技術變革在未來20年可能比過去20年證明的速度更快、影響更大。" 在2021年的一項研究中，基于廣泛的文獻回顧和深入的專家訪談，我的研究小組也評估了在下一個區域軍事聯盟愿景中出現的關鍵技術，將對國際安全產生巨大影響（見表1）。

表1：敏感技術及其對國際安全的影響（來源：HCSS）

在未來一段時間內，計算機和機器人技術以及人工智能和大數據應用方面的快速變化預計將繼續進行，并對武器系統產生重大影響。正如O'Hanlon所寫的那樣："如機器人系統集群等在戰場上既可作為傳感器又可作為武器的時代，將可能會真正到來。此外，激光武器、可重復使用的火箭、高超音速導彈、軌道炮、無人潛水艇、生物病原體和納米材料可能會發展得非常快。總的來說，可能是也可能不是一場革命。但其潛力是不容忽視的"。

因此，未來的時期可以說是一個過渡時期。過渡時期充滿著不確定性，但那些頑固地堅持自己的老路的人很可能會面臨失敗。與此相反，那些成功駕馭過渡期的人必然會在下一次軍事沖突中勇往直前。

因此，真正的不確定性取決于軍事組織是否能夠通過發展概念和調整組織結構，富有成效地利用技術進步，使其在戰場上獲得競爭優勢。目前的技術進步速度與高水平的地緣政治競爭（以及隨之而來的高水平的威脅感）相結合，很可能會激勵沖突各方投入大量。

在認識到創新的必要性后，北約已經實施了一系列舉措來支持創新，特別是在新興和顛覆性技術領域，如人工智能、量子技術和生物技術。它在2021年2月宣布了一項戰略（"培養和保護：北約關于新興和顛覆性技術的一致性實施戰略"），并在2021年7月創建了DIANA（北大西洋防御創新加速器），以 "促進北約盟國之間的技術合作，促進互操作性，鼓勵開發和采用技術解決方案"。它還建立了價值10億歐元的北約創新基金，在2021年10月投資具有軍事用途的尖端兩用技術。至少在紙面上，北約似乎正在采取真正的措施，為明天的沖突做準備，但我們從軍事歷史中知道，新技術的發展是必要的，但遠遠不夠。畢竟，"要在軍事事務中帶來一場革命，通常需要兩樣東西：一個使之成為可能的客觀發展，以及一個能抓住這種發展的人，駕馭它，并指導它"。

因此，北約的新戰略概念應提供指導和方向，說明聯盟如何管理過渡，利用現有和新興技術提供的機會，并提高其作戰潛力。聯盟需要注意以下陷阱，并注意以下建議：

1. 優先考慮重要的事情，而不僅僅是緊急的事情

"我有兩種問題：緊急問題和重要問題。緊急的不重要，重要的永遠不緊急，"美國總統艾森豪威爾在1954年說了一句著名的話。

對組織來說，一個常見的謬誤是，盡管有良好的意圖，但任何眼前的危機都會吸走組織的大部分注意力和精力。竭盡全力去處理當前的危險，而明天的挑戰卻被有效地忽略了。

軍事組織意識到了這種偏見，并將其組織分層為處理當前、未來和長期未來規劃的不同單位。然而，幾十年來的預算削減已經大大削弱了這些面向未來的單位所能支配的資源。在一些中小國家（SMPs），這些部門甚至被完全取消，人力被重新分配來處理當前事務。在其他中小國家，這些單位在機構層次中的地位被削弱，不利于它們在官方決策中的地位。因此，至少可以說，他們對實際能力組合發展決策的投入是微弱的。有必要避免重蹈覆轍，造成今天的局面：當 "重要 "最終變成 "緊急 "時，完全沒有準備好應對俄烏沖突。這可以在未來被避免，通過重振未來規劃部門，提高他們在官方機構中的地位，以及關閉展望活動和能力發展活動之間的循環。

2. 在翻新與創新之間取得平衡

當然，經過幾十年的衰敗，迫切需要加強現有部隊的裝備和庫存。填補關鍵的能力差距，補充庫存，加強軍事準備，提高軍事流動性：每一項都是重建北約作戰能力的必要因素。

事實上，歐洲北約成員國仍未實施所有必要的轉型，以完全收獲在20世紀90年代承諾的完全信息化戰場的技術成果，并且在指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）、"壓制敵方防空能力（SEAD）、巡航導彈、彈道導彈防御、隱形飛機和電子戰資產 "以及作戰總部的部署和指揮方面都依賴于美國。但是，完全專注于重建部隊將阻礙對未來戰爭預測中所設想的未來武裝力量的創新。此外，一個危險的事實是，重新武裝將加強現有的支持者的地位，他們將保護現有的資產并阻礙變革。

要在翻新與創新之間取得適當的平衡，并沒有什么神奇的公式，也很難給出一個具體的數字（還因為漸進式的調整有時也會導致轉型），但有必要創造一個擁抱變化和支持實驗的環境--下文將詳細介紹。這也將有助于分配所需的手段，例如，將整個國防開支的至少2%分配給研究和投資（R&I）。

3. 協同硬件、軟件和濕件

北約保持其軍事優勢的能力的一個真正風險在于過度關注硬件和平臺，而沒有充分考慮如何協同使用這些平臺來實現戰場上和戰場下的政治目標。正是硬件、軟件和濕件（即 "人的東西"）的結合使情況發生了變化。

軍事創新源于技術、作戰概念和組織調整這三者。將這三者割裂開來可能會產生尋找問題的解決方案（而不是相反），并且不太可能為北約提供它所需要的軍事技術優勢。現在是時候縮小富有想象力的實踐者和長期規劃者之間的差距了。

國防組織應該建立紅色小組，并責成他們進行零基礎規劃：他們應該從一張白紙開始，考慮如何將技術（包括新舊技術）和作戰概念結合起來，以便在未來的戰爭環境中獲勝。這可以為新能力的發展提供信息，并推動創新而非更新的進程。同時，其他小組可以負責確定如何將創新的作戰概念應用于現有能力，以實現競爭優勢。這應該在北約成員國和北約層面進行。北約，特別是盟軍指揮部轉型（ACT），可以成為最佳實踐的重要收集者和優秀成果的傳播者，并在該領域的現有倡議的基礎上進行。

4. 思考勝利和成功的理論

知識和思想在全球的思想市場上迅速傳播。這個全球思想市場不僅限于新聞和娛樂，而且還延伸到了戰爭領域。戰略家和國防規劃人員畢竟不是在真空中運作。

在思想的喧囂中，參與者爭先恐后，形式變得和內容一樣重要。技術被描述為新的和革命性的，并被斷言一定會破壞戰爭性質。這不可否認地灌輸了 "敬畏"的效果，但不一定能讓人了解這些技術將如何帶來勝利。然而，在許多21世紀的武裝沖突中，智力和道德因素與物質因素一樣重要，是戰斗和勝利的關鍵。要解決這種對技術的執著，需要作出更多的努力，思考在未來的安全環境中，什么樣的方式和手段的組合會帶來勝利或成功。同時，需要確定組織和作戰的要求，這當然包括--但顯然超出了--硬件。這將需要戰略、作戰、組織和規劃專家利用專門的未來戰爭模擬進行緊密合作。歸根結底，它始于將未來戰爭的預測和準備作為一個專業行業認真對待。這開始于在（國防）大學為未來的平民和軍事規劃者制定課程，在其中接受類似于軍事專業人員在戰爭藝術方面的培訓和教育。

5. 注意聯盟成員之間的技術差距

長期以來，技術通貨膨脹的幽靈一直籠罩著國防能力的發展：每一代軍事平臺都會變得更加昂貴。這就造成了一種情況，即平臺的數量，特別是SMP的數量，已經大量減少。這也導致了頭號軍事強國--美國--與聯盟內其他國家之間的技術差距擴大。

當歐洲的北約成員國仍在努力充分吸收和利用C4SIR的進步所提供的機會時，美國已經開始了另一項創新戰略，以延長其軍事技術優勢。總的來說，平臺數量的減少和對未來互操作性的威脅意味著國防規劃者和他們在SMPs的政治決策者面臨著重要的選擇。

有必要重新認識SMP的優勢，以及它們能夠真正帶來什么。它需要接受的是，一些平臺不需要是 "軍事規格"，但也可以不那么通用和堅固，在某些情況下是可有可無或一次性的，更容易負擔。它要求在考慮到國家實力、戰略文化、威脅觀念和盟國需求的情況下，處理國家專業化的敏感問題。通過一個與盟軍作戰概念緊密結合的戰略概念，可以作為一個有用的統一催化劑來指導這一努力。

最后的想法

建議北約接受這些挑戰并聽取這些建議。即將出臺的戰略概念應該為成功的軍事創新設定參數。但是，這就留下了文化這個不太實際的因素。

軍事創新只有在一個刺激而不是反對它的大環境中才能開花結果--正如軍事創新文獻中充分記載的那樣。近年來，在我與國防規劃人員和軍官的交談中，已經非常清楚地看到，幾十年的預算削減已經扼殺了大部分創新的沖動。僵化的官僚結構、不鼓勵破壞者的職業道路結構、注重保護和保存的廣泛文化：可以說，創新不再是現有軍事組織的DNA。好消息是，通過專門的努力，使用逆流的規劃方法，即自上而下和自下而上的同時實施，這種情況是可以改變的。這需要在機構層級中賦予創新者權力，調整職業道路以促進和獎勵創新者，更廣泛地認識到停滯不前意味著衰退。

作者：Tim Sweijs——海牙戰略研究中心（HCSS）研究主任、戰爭研究中心（WSRC）高級研究員