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1.0 評估建模和仿真的使用風險

1.1 背景

建模和仿真被開發和用作支持系統分析、設計、測試和評估、采集、培訓和指導以及更多領域的支持技術。如今，各種各樣的建模和仿真 (M&S) 工具正在更廣泛的不同應用和問題領域中使用。 M&S 通常在實際系統無法滿足用戶需求（例如，風險、可用性）或在其他方面比實際系統更有效（例如，成本、有效性）時應用。但是，本質上，所有 M&S 工具都提供了一些基于不同類型近似的系統（例如實體、現象、過程）的抽象表示。因此，M&S 功能不能完全取代實際系統，更重要的是，它們的使用會帶來不確定性。

M&S 的驗證和確認 (V&V) 是專注于在整個生命周期內評估 M&S 系統和軟件工程過程領域。實施 V&V 是為了提供必要的證據，以獲取有關 M&S 假設、能力和與可接受性標準相關限制的知識。 V&V 不僅利用系統工程和軟件工程，還利用信息科學、認知和行為科學以及其他相關學科。

北約 (NATO) 建模和仿真小組 (MSG) 進行了一系列努力，包括 MSG-054，它為 M&S 的有效 V&V 制定了標準和指導文件。 MSG-054 的努力得到了電氣和電子工程師協會 (IEEE) 標準 1516.4?-2007 聯盟的驗證、確認和認可[5]。除了建立 IEEE 標準外，MSG-054 還開發了 V&V 復合模型，從中選擇 V&V 方法和技術，以匹配 V&V 工作的風險和資源限制，同時遵守相關政策、標準和指導 [6]。V&V 復合模型是可能的活動和環境的超集。

MSG-073 實現了驗證和確認的通用方法 (GM-VV) 的標準化，如圖 1 所示，它提供了一個通用框架來有效地開發一個論據，以證明接受和使用已識別的模型、仿真、基礎數據、結果、和目標（預期）操作環境中的能力。 GM-VV 成功完成了仿真互操作性標準辦公室 (SISO) 標準化流程，以提供完全接受的驗證、確認和認可 (VV&A) 指導文件 [3]。 GM-VV 的目的是為 V&V 提供一般適用的指導：

? 促進 M&S 界內對 V&V 的共同理解和交流；

? 適用于 M&S 生命周期的任何階段（例如，開發、使用和再利用）；

? M&S利益相關者的接受決策過程導向；

? 由 M&S 利益相關者的需求和 M&S 使用風險承受能力驅動；

? 可擴展以適應任何 M&S 范圍、預算、資源和使用風險閾值；

? 適用于多種M&S 技術和應用領域；

? 將產生可追溯、可重復和透明的基于證據的接受論點；

? 可以在企業、項目或技術級別進行實例化；

? 促進 V&V 結果、工具和技術的重用和互操作性。

圖1: GM-VV參考框架

在這些先前的努力中，M&S 使用風險得到了認可，實際上是指南和標準中記錄的建議的驅動因素。盡管 M&S 界就該主題的重要性達成了共識，但沒有公認的方法可用于 M&S 使用風險的限定或量化，以說明項目特定的 M&S 要求和約束。此外，M&S 工具及其開發過程的復雜性日益增加，從而導致包括 M&S 使用風險在內的一系列風險。 M&S 使用風險與 M&S 結果的不當應用及此類應用對決策者的后果有關。

風險管理依賴于評估風險的影響（一旦實現）、定義減輕風險的方法以及評估減輕風險的成本。有效的風險管理需要識別風險和平衡額外投資以減輕風險的方法。這種評估是基于對風險實現的可能性和實現的影響的評估。識別和評估風險后，可以制定緩解策略。評估 M&S 使用風險的方法可用于確定開發目標的優先級、準備和響應資源可用性的變化，以及定制 V&V 活動。

1.2 MSG-139 目標、任務和成果

2014 年 9 月，北約合作支持辦公室 (CSO) 批準組建 MSG-139，建模和仿真 (M&S) 使用風險識別和管理。該任務組的主要目標是為 M&S 使用風險識別和分析，定義和部署具有相關方法和技術的通用方法。一套互補的、最先進的M&S使用風險識別、分析和緩解方法，通過以下方式促進未來北約和國家M&S項目的質量、可信度和效用保證：

? M&S使用風險識別的通用方法和指南；

? 對M&S使用風險問題和解決方案有共同的理解和知識;

? 一套M&S使用風險分析的方法和技術;

? 基于M&S使用風險而不是成本的替代方法和相關指導方針;

? M&S使用與M&S技術和系統生命周期范例無關的風險識別和分析解決方案。

報告結構

本文件報告了MSG-139在滿足上述目標方面的努力結果。具體來說，在第一章中，定義了問題，選擇和應用M&S使用風險方法論(MURM)的基本原理，并介紹了該方法的簡短歷史和概述。第二章從語義定義出發，推導了M&S使用風險方程，并給出了該方程的解，該方程在應用空間中以一個三維曲面表示。相關的數學證明和細節見附錄1和附錄2。第三章介紹了一個MURM的實現，并為從業者提供了建議和指導。在第4章中，一個基于實際應用的用例被提出，說明了在逐項需求的基礎上評估風險狀態的方法的有效性，同時也演示了為M&S的特定預期用途(SIU)降低風險的方法。

圖 2：建模和仿真使用風險方法論（MURM）建立在現有概念的基礎上

引言

本文件是北約 IST-151 研究任務組 (RTG) 活動的最終報告，題為“軍事系統的網絡安全”。該 RTG 專注于研究軍事系統和平臺的網絡安全風險評估方法。 RTG 的目標如下：

? 協作評估軍事系統的網絡安全，并在 RTG 的北約成員國之間共享訪問權限；

? 在 RTG 的北約成員國之間共享風險評估方法和結果；

? 將 RTG 的北約成員國使用的評估方法整合到一個連貫的網絡安全風險評估方法中，以使北約國家受益。

軍事平臺比以往任何時候都更加計算機化、網絡化和受處理器驅動。他們大量使用數據總線，如 MIL-STD-1553A/B、CAN/MilCAN、RS-422/RS-485、AFDX 甚至普通以太網，以及戰術通信的舊標準，如 MIL-STD-188C 和 Link 16。此外，捕獲器、傳感器、執行器和許多嵌入式系統是擴展攻擊面的額外無人保護的潛在輸入。結果是增加了網絡攻擊的風險。然而，這些平臺的持續穩定運行對于軍事任務的成功和公共安全至關重要。

軍事系統和平臺是網絡攻擊的首選目標，不是因為它們像消費電子產品那樣普遍，而是因為它們潛在的戰略影響。一旦受到影響，就可以實現各種短期和長期影響，從拒絕能力到秘密降低其有效性或效率。因此，軍隊必須在各個層面解決網絡安全問題：戰略層面，同時獲取平臺和系統；作戰層面，同時規劃軍事任務和戰術。

北約國家擁有大量可能面臨網絡攻擊的軍事平臺和系統。因此，北約將受益于利用當前的流程和方法來設計更安全的系統并評估當前系統的網絡安全。

本報告介紹了針對軍事系統和平臺量身定制的網絡安全評估方法，該方法由 RTG 團隊成員合作開發，并建立在他們的經驗和專業知識之上。團隊成員已經使用的流程被共享、分析、集成和擴充，以產生本報告中描述的流程。本報告的目標受眾是愿意評估和減輕其軍事系統的網絡安全風險的決策者。

圖一：網絡安全評估過程的五個主要步驟。

報告結構

第 2 節介紹了 RTG 團隊在其存在的三年中用于開發流程的方法。第 3 節列出了可以應用該過程的系統的一些特征。最后，第 4 節描述了評估流程，而第 5 節總結本報告。

執行總結

軍事平臺比以往任何時候都更加計算機化、網絡化和受處理器驅動。這導致增加了網絡攻擊的風險。然而，這些平臺的持續穩定運行對于軍事任務和公共安全的成功至關重要。

絕對的網絡安全是不存在的。必須通過迭代風險評估持續管理網絡安全。傳統 IT 系統存在許多網絡安全風險管理框架和流程。然而，在軍事平臺和系統方面，情況遠非如此。本文檔介紹了針對軍事系統量身定制的網絡安全風險評估流程。該流程由北約 IST-151 研究任務組 (RTG) 活動的團隊成員開發，該活動名為“軍事系統的網絡安全”。該過程可以應用于傳統的 IT 和基于固件的嵌入式系統，這些系統在軍事平臺和系統中無處不在。

2018年國防部人工智能戰略將人工智能定義為機器執行通常需要人類智能的任務的能力。戰略和相關計劃包括了全面戰略的一些特點，但不是全部。例如，國防部的9個與人工智能相關的戰略和計劃并不包括與采用人工智能技術相關的資源、投資和風險的完整描述(見圖)。在未來與人工智能相關的戰略中，發布包括綜合戰略的所有特征的指導，可以幫助國防部更好地定位，幫助管理者確保對人工智能的問責和負責任的使用。

國防部已經開始識別并報告其人工智能活動，但其人工智能基線庫存存在局限性，如排除分類活動。國防部官員表示，這些限制將在AI庫存識別過程的后續階段得到解決。然而，國防部還沒有開發一個高層次的計劃或路線圖來捕獲所有的需求和里程碑。該計劃將為國防部提供一個高層次的、端到端對所有必要特征的視圖，以實現該計劃的目標，為國會和國防部決策者提供一個完整、準確的人工智能活動清單。

國防部組織在人工智能活動上進行合作，但可以更充分地納入領先的合作實踐。國防部使用了各種正式和非正式的合作機制，GAO之前的工作已經確定，如跨機構小組。國防部已經部分納入了領先的協作實踐，例如識別領導能力。然而，國防部官員告訴我們，他們正在制定指導方針和協議，明確定義參與人工智能活動的國防部組件的角色和職責。通過最終確定和發布這樣的指南，國防部可以幫助確保所有參與者對整個部門的AI工作的責任和決策達成一致。

混合作戰定義

同步使用針對所有社會職能中的特定漏洞而定制的多種權力工具，以實現協同效應。混合作戰入侵者將尋求利用目標國家的弱點。每一個混合戰爭入侵者可能有獨特的能力，可用于打擊目標國家。戰爭的“奇襲”原則可能是混合攻擊成功的最大因素。

為什么兵棋推演是一個好的工具關于混合作戰分析？

• 數學模型的價值值得懷疑:有什么數據可以量化威懾或恢復力?
• 如果對手的潛在破壞性行動沒有發生，是否阻止了它?怎么知道?
• 混合戰爭通常會尋求攻擊多個方面，例如:關鍵基礎設施、民眾情緒、經濟；
• 混合攻擊將要求人類識別攻擊的本質，文職領導人（來自公共和私營部門）和潛在的軍事領導之間的協調與合作可能對減輕攻擊的影響是必要的。

摘要

將多個領域的軍事能力融合以提高效能的學說預示著國防的新時代，其特點是能夠承受更高的作戰規模和節奏，這得益于戰場自動化和協作水平的提高。然而，要獲得這些技術進步的潛在好處，前提是要找到應對無數挑戰的成功解決方案，以便在競爭環境中實現智能、異構、交互資源的更高效和可擴展的操作。換句話說，提高防御能力的自動化和協作需要更智能的“戰場操作系統”——一個在排除人類參與時間尺度上管理復雜自動化任務的系統，同時賦予作戰人員足夠的控制權。我們將此操作系統稱為戰場物聯網 (IoBT)。

在本文中，我們將重點關注維護 IoBT 所依據的三個優勢原則（在現代沖突中）所面臨的挑戰。即，

• (i) 時間是武器；贏家是那些將傳感器和行動者之間的延遲最小化的人

• (ii) IoBT 是一個戰斗網絡；所有功能都必須經受住主動、堅定和技術成熟的對手

• (iii) 需要機器智能；需要一種新型的 AI 解決方案，可以快速預測到需要的點，在那里它們可以在嚴酷的現場操作環境中生存，而不是將 AI 限制運行在更高級別數據中心的解決方案中。

戰場物聯網協作研究聯盟（由政府和學術界研究機構組成的聯盟，由美國陸軍作戰能力發展司令部資助，稱為 DEVCOM，陸軍研究實驗室 (ARL)）針對上述挑戰制定的解決方案是討論了：

• (i) 映射能力范圍（即，幫助理解設想的 IoBT 能力的基本可行性限制）
• (ii) 優化性能（即，通過以更低的成本提供智能能力來改進 IoBT 成本/價值權衡）
• (iii) 確保彈性（即，提高已開發的 IoBT 能力，以在具有挑戰性的戰場環境中抵御廣泛的威脅）。

我們特別關注涉及機器自動化和危害人工智能本身的威脅。雖然國防科學在研究保護有形資源的解決方案方面有著悠久的歷史，但一旦自動化進入循環并被依賴作為手動操作的優越替代方案，自動化或人工智能 (AI) 就需要同樣強調保護，因為它對作戰優勢至關重要。因此，戰場物聯網解決的一個關鍵挑戰是保護 IoBT 本身的效率、功效和完整性。

圖1:多域作戰(MDO)效應循環圖

圖2：分布式虛擬試驗場(DVPG)的概念架構

本報告描述了北約第一個多領域小組IST-173所取得的成果。與會者包括來自不同小組和團體的科學家，以及來自北約機構和軍事利益攸關方、學術界和工業界的科學家，這為AI和軍事決策大數據這一主題創造了第一個利益共同體。該團隊在實踐中證明了一種新的STO方法的可行性，即任務導向研究，以激發公開對話、自我形成的研究合作和跨小組活動。此外，該方法還有助于為人工智能和軍事決策大數據這兩個主要能力領域聯合開發北約首個科技路線圖，以應對北約在這些領域面臨的作戰挑戰。由于新的組織(軍事利益相關者積極參與的多領域團隊)和這種創新方法的應用，確定了一些經驗教訓，應該支持軍事決策AI和大數據的進一步操作。

【報告概要】

認識到地面自主系統需要在未知的任務中運行，北約正在對地面車輛自主移動建模和仿真進行投資，以改進和準備未來運作。來自世界各地的北約工程師和科學家正在努力而有目的地塑造未來的作戰能力，并作為地面部隊保持準備和彈性。隨著北約展望未來，地面車輛界有機會幫助塑造陸軍在實現國家和國際安全目標方面的獨特作用。隨著情報、監視、目標獲取和偵察能力的快速發展，確保自主機動性和操作變得更加重要。北約的未來部隊必須能夠并準備好在極端條件下執行各種任務，因此它必須準備好運用地面力量/地面部隊，以在整個軍事行動中實現戰略成果。

地面自主系統是許多北約國家未來軍事戰略的關鍵部分，商業公司正在競相開發自主系統以率先進入市場。在這場部署這些系統的競賽中，仍然缺乏對這些系統的能力和可靠性的了解。自主地面系統的一項關鍵性能衡量指標是其在道路上和越野時的機動性。自主武器系統的開發和部署通常指向幾個軍事優勢，例如作為力量倍增器，更重要的是，可能需要更少的作戰人員來完成特定任務。與商業自治系統不同，軍隊必須在可能不存在道路的未知和非結構化環境中運作，但物資必須到達前線。在戰場上，機動性是生存能力的關鍵，指揮官知道在什么地形上部署哪種車輛至關重要。指揮官需要有能力評估自己和敵方部隊在作戰區域的車輛機動性，這將增加對任務規劃的信心，并降低因車輛受損而導致任務失敗的風險。

北約國家聯合探索評估地面自主系統性能和可靠性的方法，制定一項戰略，以制定一個總體框架，以開發、整合和維持先進的載人和地面自主系統能力當前和未來的力量。該活動利用了 AVT-ET-148、AVT-248 和 AVT-CDT-308 在下一代北約參考移動模型 (NG-NRMM) 上的結果，并共同證明了自動駕駛汽車具有專門的建模和仿真要求關于流動性。隨后，開發了任務領域，并組建了團隊以開展以下工作：

• 自主軍事系統 M&S 的挑戰和特殊要求；

• 與自主軍事系統相關的定義；

• 當前可用于評估自主系統移動性的軟件；

• 評估移動性與數據通信的相互依賴性的方法；

• 以NG-NRMM AVT-248 結果為基礎，確定評估自主系統越野機動性的方法。

這項工作提供了一份文件，簡要概述了現有能力、計劃的未來活動以及后續研究任務組 (RTG) 的戰略方向。這份總結報告將詳細介紹這些成就，并為自主導航框架的開發和實施提供建議。