美國國防部越來越重視實現及時創新以支持國防和軍事戰略的能力。在全球安全和全球競爭力快速發展的背景下，美國國防部（DoD）技術創新所面臨的挑戰與日俱增，不斷暴露出當前武器系統開發和采購實踐中的許多不足之處。隨著技術創新步伐的加快，美國國防部面臨的挑戰是，同樣的顛覆性技術進步也在為對手提供或由對手開發。根據文獻綜述，目前尚無創新系統理論來解釋組織在社會經濟目標和相關任務下與環境的互動，包括以一種不那么封閉的系統方法來處理私營和公共部門之間的互動。

任務工程探索-開發創新架構擴展了 Bennan 和 Tushman（2003 年）以及 O'Reilly 和 Tushman（1996 年）的探索-開發理論，從流程管理、創新行為以及私營企業在環境技術變革背景下的績效等方面進行了闡述。基于系統理論框架的定性內容分析對創新和國防部數據集進行了分析，并產生了一組初始種子類別。對這些種子類別進行解釋后，產生了架構觀點和相關命題。由此產生的架構貢獻是在軍事任務和復雜情況下對任務工程和集成管理功能的命題定義，包括識別社會-技術錯位的構造，作為理解和識別技術創新機會及相關伙伴關系的基礎。

研究結果

研究目的是利用系統理論框架，通過定性內容分析，開發一個用于技術創新的任務工程和集成探索-開發架構，重點如下：

• 執行任務工程功能，通過定義和連接活動、資源和技術，促進任務的概念化，使其長期免受脆弱性和威脅的影響。
• 履行互操作性和集成管理職能，這與任務組成人員在總體層面上互操作、保持復原力和冗余水平的能力有關。
• 利用任務工程、互操作性和集成管理參數，確定有前途的技術創新合作機會。
• 確定與盟國建立探索-開發型創新伙伴關系的相關條件，以促進武器技術的技術創新推廣。

收集和共享信息以及指揮和控制是所有軍事行動的重要組成部分。建立一個靈活的通信網絡，以適應每次行動的具體要求，是在當前和未來軍事行動中提供必要信息流的關鍵要求之一。目前正在開展一些活動，為固定網絡基礎設施提供靈活的聯盟網絡，并在一定程度上為半移動部署網絡提供靈活的聯盟網絡，例如聯邦任務網絡（FMN）。然而，對于如何部署高效、連接良好的異構戰術無線電網絡，目前還沒有明確的指導方針。這極大地阻礙了低級戰術層面的信息共享。本報告介紹了北約科技組織所做的研究，目的是加深對如何在戰術邊緣構建可互操作的異構移動無線電網絡的理解，并提出一些建議。目的是找到最有效利用不同聯盟伙伴為行動提供的移動網絡的方法。報告涵蓋三大主題：

1. 描述一個場景并實施一個類似云的測試平臺環境，以評估與該場景相關的不同技術解決方案。該試驗臺是提高信息和通信技術國際研究合作效率的一個示例。場景和試驗臺的作用與技術合作示范（CDT）類似，都是對不同技術進行基于場景的合作分析，但成本比 CDT 低得多。利用仿真技術可以加快從早期研究成果到為標準化測試解決方案所需的時間。建立測試平臺環境的工具和腳本將公開提供。

2. 描述和分析在不同移動網絡之間提供端到端連接的架構和機制。報告比較了不同的路由架構，并提出了一種混合架構。一個核心觀點是，網絡規劃者需要選擇不同的機制，以便為不同類型的操作提供必要的性能。為了確保不同機制之間的互操作性，我們確定了必要的信息交換接口，并對不同協議的可擴展性進行了研究。我們概述了不同的安全架構，討論了安全架構的選擇對路由架構效率的影響，并提出了一個目標安全架構。

3. 對稀缺網絡資源進行最佳優先排序和利用的準則和機制。建議監測網絡健康的三種狀態（正常、減少、最后努力），以改善網絡的資源管理（RM）和服務質量（QoS）。不同的網絡狀態需要一套或多套機制。我們還建議選擇單一網絡層來實施 QoS 或 RM 機制，因為這樣可以降低不同層的機制不合作而降低性能的風險。要使 RM 和 QoS 運行良好，必須有一個信息價值（VoI）的概念。VoI 會隨時間發生變化，RM/QoS 需要適應這些變化。

更好地了解在戰術邊緣建立移動異構聯盟網絡時所面臨的挑戰，這將有助于北約國家發展/采購具有互操作性的網絡設備。成果非常及時。預計從螺旋 4 開始，FMN 將開始包括移動戰術網絡的不同方面。結果將成為相關 FMN 的重要投入。

重點關注可部署和移動戰術領域的異構網絡

圖 2 展示了依賴于這些網絡的軍事場景概覽。創建該場景是為了顯示行動期間的信息需求，并舉例說明在異構網絡中建立必要服務所面臨的挑戰。

該場景描述的是一個機械化營的連級特遣部隊和一個海軍特遣艦隊開展的行動。它們是由聯軍總部協調的軍事特遣隊 (MC) 的一部分。連隊通信和信息系統 (CIS) 與國家作戰廣域網相連，并可訪問聯軍系統。MC 總部在行動期間發揮后援作用，并應要求提供戰斗支援（CS）和戰勤支援（CSS）。根據行動背景，假定敵軍正準備從位于圖 2 右下角行動區內的村莊向聯軍基地發動復雜的攻擊。敵軍裝備精良，活動區域可能埋有地雷，因此有可能出現簡易爆炸裝置（IED）危險。己方部隊的任務是進入作戰區域，消滅叛亂分子并銷毀他們收集的武器裝備。避免村莊居民傷亡并使叛亂分子無法逃脫是非常重要的。這一任務中最重要的因素是由聯軍提供的獨聯體、后勤和醫療支持。因此，需要有運作良好的通信能力來幫助組織武裝部隊。

完成這項任務需要使用各種系統和通信網絡，如無線電通信系統（高頻、甚高頻、超高頻、衛星通信）、傳感器網絡和無人機系統。海軍管理系統也已到位，用于支持任務的偵察和監視，并提供數據、語音和視頻等服務。

為實施場景中的行動，確定了三個小故事。每個小故事的角色和參與者都相同。第一個小場景涉及戰場的情報準備工作。第二個小場景包括聯軍進入作戰區，包括在周邊沿海地區開展海上攔截行動。第三個小故事包括一次城市行動，結果是消滅了叛亂分子。第三個小故事還包括在解除簡易爆炸裝置后向軍艦進行的醫療后送。每個小故事都提出了行動者和 C4IS（指揮、控制、通信和計算機信息系統）設備之間預期交換的數據，強調了軍事異構網絡的連接性和網絡效率問題。

美國國防部（DoD）正迅速與各軍種合作，從多年期（如 7-10 年）傳統采購計劃轉向基于商業行業的軟件開發方法。雖然商業技術和方法為快速部署任務能力以應對威脅提供了機會，但商業技術是否適用于滿足水面作戰系統的實時要求尚不清楚。這項研究建立了技術數據，以驗證當前商業技術的有效性和適用性，從而滿足國防部作戰管理系統的硬實時要求。有學者進行了類似的研究；然而，微服務、容器和容器編排技術當時還未出現在國防部的雷達上。該領域的最新知識將為國防部未來的路線圖和投資提供參考。將采用基于任務的方法，利用任務工程為應用研究設定背景。已經建立了一個假設的但與業務相關的海峽過境方案，以便在評估假設時為確定實驗參數提供背景。將系統模型聯合起來形成一個系統架構，并利用云計算環境中的數據收集數據進行定量分析。

本文件編排如下：

• 第 1 章（導言）討論了擬議研究背后的理論體系，討論了本研究的目的，并確定了要解決的問題。

• 第 2 章（研究背景）介紹了文獻綜述，并討論了以往研究的局限性。

• 第 3 章（方法論）討論了方法論方法，闡明了任務工程背景，提出了預測和假設，并討論了原型測試環境的開發和實例化。

• 第 4 章（結果）討論統計分析結果。

• 第 5 章（討論）概述了研究結果，并討論了研究意義和局限性。

• 第 6 章（結論）介紹了本研究對工程管理與系統工程（EMSE）"知識體系 "的貢獻，并對未來研究提出了建議。

美空軍研究實驗室（AFRL）的使命是為空中、太空和網絡空間部隊領導作戰技術的發現、開發和交付。為完成這一使命，空軍研究實驗室需要獲得國內外的研發（R&D）和技術人才。美國空軍后勤部的國際組合和參與方法很好地利用了國際研發和人才，但僅靠這些方法可能不足以獲取越來越多的海外研究成果。為此，美國空軍后勤部委托進行了這項研究，以探討在美國空軍后勤部目前的海外辦事處（負責考察和資助研發工作）之外，在海外實驗室建立強大的實際存在的各種方案。根據這項研究獲得的信息，提出了四項主要建議： 2) 擴大、簡化和充分利用各種方法，將 AFRL 技術人員嵌入海外實驗室；3) 開展國際合作，應對駐地研發挑戰；以及 4) 不尋求影響國際科技資金的方法。

這項研究包括六項任務：

任務 1：確定在海外實驗室建立實體機構的目標
任務 2：記錄行業和大學在海外實驗室方面的經驗
任務 3：確定在海外實驗室建立實體機構的方法
任務 4：將行業/大學的經驗與建議的目標和方法進行比較
任務 5：評估功能要求
任務 6：建議

在最近的出版物中，歐洲防務機構指出，需要使供應鏈更有彈性，俄羅斯對烏克蘭的侵略進一步突出了這一優先事項。本文認為，通過采用數字孿生作為技術解決方案，使（軍事）供應鏈減少冗余是可行的。數字孿生提供了許多優勢，首先是實時監測和分析，可以戰略性地與創新的危機模擬和額外的支持技術相結合，以確保供應鏈在不利和潛在的未知條件下生存，防止供應短缺，減少維護成本和時間，并能夠與其他合作伙伴和利益相關者合作。

1 背景與引言

2018年6月，EDA的能力發展計劃（CDP）進行了重大修訂，從而定義了11個歐洲能力發展優先事項，包括加強后勤和醫療支持能力。同樣，總體戰略研究議程（OSRA）以技術基石（TBB）的形式定義了共同的科技優先事項，其中包括國防關鍵技術供應鏈（TBB45）。正如正在進行的烏克蘭戰爭所表明的那樣，軍事供應鏈--及其對挑戰性地形、維護成本、材料供應等問題的適應性--已成為國防的關鍵因素。使軍事供應鏈更具彈性，理所當然地成為EDA的優先事項[1]。在這一優先事項的基礎上，本文旨在探索一種可能的方式，使軍事供應鏈減少冗余。在供應鏈的背景下，冗余是指擁有備用系統、流程或資源，以確保在發生意外中斷的情況下，例如由于對手的進攻、自然災害、地緣政治不穩定或設備故障，業務可以繼續。

數字孿生是一種關鍵的使能技術，它使民事和軍事利益相關者能夠精確地模擬災難，并制定更好的和以情報為導向的決策，以減輕這種危機事件。識別關鍵材料和資產（包括主要的和輔助的）提供方面的依賴性、瓶頸和弱點，也有助于以較低的成本更好地制定抗災計劃和戰略。此外，通過使用數字孿生，民事和軍事利益相關者可以及時和正確地監測生產過程，確定短缺或缺乏供應鏈的多樣性。特別是在軍事物流這樣的領域，高速度、高保真和低容錯性至關重要，數字孿生在改善和促進軍事供應鏈方面具有真正的潛力。

然而，數字孿生的操作化本身并不是什么新鮮事，因為這種創新技術的許多例子已經在（軍事）航空領域被采用[2]。2018年，土耳其飛機工業公司與西門子產品生命周期管理軟件達成協議，在該公司的制造企業中實施完整的數字孿生；2020年，美國軍方使用數字孿生技術來提高F-35戰斗機和西科斯基UH-60黑鷹直升機的規劃和效率，2021年，勞斯萊斯公司轉向數字孿生來提高噴氣發動機效率[3]。雖然這項技術已經出現在（軍事）航空領域，但在國防部門的其他領域開發和實施，并擴大到整個軍事供應鏈--從單一（武器）系統到更廣泛和更復雜的系統，還有巨大的未開發的潛力。與其他創新技術和流程的整合，如"（軍事）物聯網"、區塊鏈和智能蜂群，再加上不斷增長的計算能力，可以使數字孿生成為操作的現實。這種數字孿生將被證明在跨境供應鏈的情況下最為有效，以評估/監測國際項目合作的可行性（如EMBT或歐洲巡邏隊）或在危機情況下（如涉及軍事行動的人道主義反應，或向烏克蘭等盟友和合作伙伴供應關鍵設備/物資）。

2 案例

軍事供應鏈是一個復雜和多方面的生態系統，涉及各種相互關聯的過程，如設備、物資和軍事人員的采購、儲存、運輸和分配。正如最近的軍事行動所表明的那樣，有彈性和可靠的供應鏈對社會復原力和確保行動的有效性至關重要，而軍事供應鏈管理的現狀往往表現為效率低下、冗余和缺乏端到端的可視性[4]。軍事供應鏈的關鍵特征之一是其冗余性[5]。通過建立冗余系統，軍隊可以最大限度地減少中斷對其業務的影響，并確保貨物和服務繼續流動。然而，如果管理不善，冗余也會導致效率低下和不必要的復雜性。例如，保持過量的庫存會占用重要的資源并增加成本，而擁有太多冗余的供應商會導致不必要的重復工作。因此，重要的是要仔細平衡冗余的需求與維護冗余系統的成本和風險。

2.1 實時監測和分析

數字孿生可以提供對整個軍事供應鏈的實時監控和分析，從供應商到制造商，一直到最終用戶。因此，它們可以用來實時跟蹤庫存水平，清楚地了解哪些設備是可用的，哪些需要補充，以及監測生產狀態，預測何時需要維護。反過來，這將減少停機時間，增加設備的使用壽命。通過這樣做，數字孿生可以幫助識別供應鏈中的潛在問題和瓶頸，允許及時干預以防止中斷。例如，在軍事供應鏈方面需要考慮的主要問題之一是需求波動，即需求和/或預算的差異。軍事供應鏈面臨著巨大的訂單波動，從幾個零件的訂單到大批量的訂單，都是在選擇和未預測的需求驅動下迅速進行。考慮到這一點，軍事供應鏈將受益于數字孿生的幫助，以促進端到端的資產可見性，從而確保供應品到達正確的目的地和時間[6]。換句話說，數字孿生可以支持決策者，為他們提供關于關鍵軍事物資（食品、燃料、武器、設備和備件）的位置和條件的精確和最新信息，并迅速作出反應以滿足行動需要。在歐盟之外，人們可以發現許多數字孿生被用于改善庫存管理、修理和維護軍事裝備的例子，其總體目標是優化軍事行動。例如，美國陸軍已經開發了其供應鏈的數字孿生，稱為全球戰斗支持系統-軍隊（GCSSArmy）。GCSS-Army是一個基于網絡的物流信息系統，提供庫存水平、運輸狀態和交貨時間的實時可見性。它已經在各種軍事行動中進行了實地測試，如在伊拉克和阿富汗的行動，它有助于減少美國武裝部隊龐大的作戰供應鏈中的冗余。數字孿生的另一個例子是美國海軍的虛擬艦艇項目，它提供了關于海軍艦艇系統和操作的實時數據。這使海軍能夠優化維護和修理計劃，主動識別潛在的問題，并減少停機時間。

由于數字孿生依靠及時提供可靠的數據來呈現準確的供應鏈模擬，并允許進行有意義的情景模擬，因此應建立具體的（組織和法律）框架，以確保整個供應鏈的所有關鍵利益攸關方共同承擔數據質量的責任，特別是當數據必須跨境共享時。然而，由于供應鏈的復雜性、數據來源的多樣性以及與（機密）數據共享和整合相關的挑戰等幾個原因，軍事供應鏈管理中的數據質量可能是多變的。事實上，軍事供應鏈涉及多個行為體--包括制造商、供應商、物流供應商和最終用戶，每個行為體都有自己的數據系統和流程--并且經常在戰斗區或災區等具有挑戰性的環境中運作，這可能影響數據的質量和可用性。法律框架還可以為解決與數據質量問題有關的爭端提供依據，并為未能達到數據質量標準或違反與數據管理有關的協議制定懲罰措施。最后，它們還可以鼓勵整個供應鏈采用數據質量的最佳實踐和標準。這可以幫助確保所有各方都能獲得準確和可靠的數據，這對軍事供應鏈管理中的有效決策和高效運作至關重要。

2.2 仿真

在危機管理中，關鍵活動--如供應鏈的復原力--往往要定期進行危機演習和測試。這可以幫助軍事規劃者為潛在的破壞做準備，根據模擬結果做出明智的決定，制定應急計劃并評估其有效性。然而，這些演習存在很多缺點，降低了它們在龐大的軍事供應鏈上的效率：除其他外，它們不夠頻繁，不能調整，要求太高，而且非常昂貴。在一個全面運作的數字孿生體中，物理世界的變化直接轉化為虛擬副本。通過傳感器、"軍事物聯網 "和一般IT系統提供的數據質量越高，數字孿生體就越準確，其提供當前狀態快照的能力和支持模擬的能力就越強。

通過危機管理與數字孿生的融合，軍事決策者可以從博弈論決策中獲益，以改善局勢評估，促進多行為體和跨領域的決策，并加強各種公共和私人利益相關者之間的協調。除了這些宏觀層面的優勢，危機模擬也可以用來測試數字環境--以及部分供應鏈--本身的復原力。模擬網絡攻擊和由其引起的供應鏈中斷，可以準備具體的戰略和協議，以盡量減少影響。擁有一個數字復制品并測試不同的場景，可以快速發現異常情況，并檢測現實是否與之前測試的一些場景相匹配。在這個意義上，數字孿生體有可能通過學習攻擊者的行為來防止網絡攻擊，并提高整個供應鏈對網絡入侵和惡意軟件的安全性[7]。

2.3 關鍵支持技術和數據基礎設施

為了給數字環境提供必要的數據流，諸如 "邊緣計算 "等分散的數據處理方法是恰當的。邊緣計算在軍事環境中并不是一個新概念，并且已經成功地應用于空中領域，與人工智能相結合，在信息優勢的基礎上獲得軍事優勢[8]。F-35就是這種情況，它具有獨特的能力，通過將每架飛機處理的信息合并成單一的態勢感知和威脅評估流，在飛機群中建立網絡。將邊緣計算擴展到整個供應鏈環境，可以實現前所未有的數據驅動的戰略決策和長期政策制定。在這樣的環境中，即使供應鏈中的一個節點被破壞，其他節點也能繼續運作并提供關鍵數據。

結合邊緣和分散計算，現有的數據空間倡議可以成為在數字孿生環境中匯集必要數據使用的關鍵推動因素。預計在幾年內，歐盟委員會將成功地領導在幾個領域推出共同的歐洲數據空間，包括制造業和供應鏈或單一歐洲天空，這對支持軍事互操作性和協調有明顯的潛力[9]。總的來說，邊緣計算和數據空間的結合可以創造一個更加分散和有彈性的供應鏈生態系統，數據可以在邊緣進行處理和分析，同時仍然被整合到一個集中的平臺上進行整體供應鏈管理。數據收集和處理的分散化可以使數字孿生更加靈活和可行。通過使計算能力更接近數據生成點，邊緣計算可以減少延遲并提高數據處理的速度。此外，這種方法可以幫助識別與數據泄露和網絡攻擊有關的新風險并減輕現有風險，這些都是軍事供應鏈管理中的主要問題。

此外，通過提高數據可用性和計算能力，與先進的可視化技術的逐步整合可以進一步支持軍事供應鏈流程的優化，并幫助限制冗余。工廠和軍事倉庫中的混合現實（MR）或擴展現實（XR）應用有可能提供一個現實的模擬環境，使用戶能夠與虛擬物體和數據進行實時互動。例如，MR/XR應用可用于模擬軍事倉庫中設備和物資的擺放，使用戶能夠測試不同的場景并優化布局，以獲得最大的效率。此外，這些應用可以用來模擬工廠的裝配線和后勤行動，使用戶能夠識別瓶頸，改善工作流程，優化資源利用[10]。

2.4 歐洲合作

當涉及到各成員國在軍事采購和維護領域的合作時，諸如 "共享備件 "等倡議--旨在管理各國裝備和武器系統的備件--已被證明是成功的。最近，歐盟委員會通過了一項關于建立2022-2024年通過共同采購法加強歐洲國防工業的條例提案[11]，該條例已被用于為烏克蘭聯合采購支持。再往前走一步，數字孿生可以用來分享數據，并在不同的軍事單位和組織之間進行協作[2]。這可以改善溝通和協調，從而實現更有效的供應鏈管理。通過操作數字孿生，軍事組織可以促進一個共享的數字平臺，為整個軍事供應鏈提供實時可見性。除了為所有利益相關者提供一個共同的作戰圖景，這有助于減少重復工作，數字孿生--以這種方式使用--可以通過為共享敏感信息提供一個安全空間來促進數據共享。在先進的加密和訪問控制的幫助下，數字孿生可以確保只有經過授權的人員才能訪問敏感信息，同時實現協作和信息共享。

數字孿生已經被用來改善參與制造過程的不同團隊之間的協作和協調。通過創建一個制造過程的數字孿生，設計師、工程師和生產經理可以更有效地合作，以優化生產和減少成本。通過將數字孿生融入軍事供應鏈，將有可能創建軍事物流和供應鏈系統的虛擬副本，包括運輸網絡、倉庫和配送中心。因此，來自不同單位或部門的軍事物流人員可以一起工作，優化物流和供應鏈運作。展望未來，數字孿生可以促進協作，但反過來，也可以通過歐洲層面的協作和協調來改善。為確保及時提供數據，應建立特設系統，以便在安全和可信的環境中共享數據。為此，可以在歐洲層面開發軍事供應鏈數據湖和國防數據空間，并成為數字孿生的骨干，將工業、政府和軍事結構結合起來。

歐盟可以通過幾種方式支持數字孿生的發展。歐盟（也通過EDA）可以提供資金和資源，支持數字孿生技術的研究和開發。這可以幫助加快沖突情況下的數字孿生解決方案的開發和部署。數字孿生的技術設置必須包括明確的數據互操作性方法，這是數據共享的本質，以確保它們在不同行業和部門之間具有互操作性和兼容性。這意味著重復使用現有的標準和格式，以確保與其他倡議（如部門數據空間）保持一致。此外，歐盟可以投資于教育和培訓計劃，以發展設計、開發和運營數字孿生解決方案所需的技能和知識。例如，這可以幫助創造一支熟練的勞動力，確保數字孿生的高網絡安全要求，因為數字孿生依賴于連接和數據交換，因此容易受到網絡威脅。

3 跨域的適用性

數字孿生的相關性還在于其跨領域的性質和適用性。在跨軍事層面上，有幾個系統需要相同類型的組件來生產或運作。當涉及到用于生產艦艇、飛機和坦克的火炮瞄準/制導系統的相同類型的微芯片，或可能被部署在不同場景的相同類型的彈藥時，情況就是如此。后者的一個例子是Aster導彈，它可以由不同的發射平臺操作，如FREMM護衛艦或SAMP/T防空陸地系統。對軍事物資的生產過程、庫存和位置有一個最新的看法，就有可能根據需要在可互操作的系統中重新部署這些物資，解決迫切的需求，同時允許制造商補充庫存。這可能被證明在常規軍事和聯盟行動中特別有用，在這些行動中，不同國家之間大規模的軍事資源匯集使庫存和制造商面臨壓力。這一緊急情況相對較晚地暴露了生產和供應鏈能力方面的廣泛問題，而這些問題本可以通過準確和數據驅動的模擬預先發現。

除了純粹的軍事層面，旨在支持軍事供應鏈的數字孿生還必須收集來自制造業、后勤服務和關鍵服務提供商（如能源）的數據。例如，許多戰略領域的歐洲制造商都依賴于關鍵原材料和中間產品的供應來進行生產。例如，這包括鋰、半導體和微芯片，它們不僅對軍事系統至關重要，而且對日常生活中使用的車輛或電子醫療設備的正常生產也至關重要，在危機時期也是如此。這也符合歐盟的最新政策，如《關鍵原材料法案》，該法案明確指出需要確保歐洲工業的原材料安全和可持續供應，這是綠色轉型的核心，總的來說是為了歐洲在世界級的長期競爭力和自主權[12]。

需要保持最低水平的戰略生產能力，以確保關鍵貨物的供應鏈得到不斷的監測和多樣化。數字孿生體將使其能夠對關鍵制造商和關鍵服務的供應短缺和削減進行模擬，并預先采取行動，為不間斷的供應鏈準備應急計劃。

能源（在能源網和燃料方面）是另一個關鍵供應鏈的例子，應加以監測，以確保在發生自然或人為的不利事件時，軍事設施和系統的運作不會被改變。然而，還有更多的關鍵基礎設施必須保持運行，不僅包括醫院或政府大樓，還包括生產線和初級產品的交付，從彈藥廠到食品加工場。與能源供應有關的數字孿生已經存在，并被用來為決策提供信息和支持能源短缺的反應。將能源供應的數據匯集到一個更廣泛的安全層面，將使它們能夠擴大范圍，支持軍事和民事準備和復原力。因此，很明顯，開發數字孿生所需的基礎設施也可以在和平時期保持使用，并被部署用于解決和預防與軍事層面具體相關的問題。

4 結論與建議

歐盟軍事委員會主席羅伯特-布里格將軍在考慮從俄羅斯對烏克蘭的侵略中吸取的作戰教訓時強調，"與作戰方面相比，后勤工作往往被認為是次要的，但它們再次證明了對戰爭的關鍵影響：坦克沒有燃料、長達數公里的車隊停在街道兩旁以及士兵在尋找食物的鏡頭將在歷史書中充滿強大的畫面"[1] 。在這方面，彈性和高效的供應鏈在軍事環境中的重要性怎么強調都不過分。本文建議使用數字孿生體，通過減少供應鏈的冗余度，使其更具彈性和效率，而冗余度是所有供應鏈固有的特征，包括軍事供應鏈。特別是，它建議通過利用數字孿生的實時監測和分析，結合創新的危機模擬，以及利用合作戰略和數字孿生與其他關鍵支持技術和數據基礎設施的聯合部署，有可能做到這一點。

本文所討論的解決方案包括在更大的范圍內創建一個數字孿生體，與迄今為止所實施的方案相比，其規模更大。它包括匯集大量的數據，這些數據可以支持在沖突時期和和平時期對供應鏈過程的監測，以提高準備和復原力。這是通過一個監測關鍵貨物的生產、運輸和庫存的數字生態系統來實現的，該系統匯集了來自眾多來源的數據。目前，這樣的數據量并不存在，或者只是部分存在，因此建議與歐盟目前在多個領域推出的歐洲共同數據空間建立協同作用。這也將允許建立一個 "模塊化 "的數字孿生，可以插入到一個特定的數據空間來檢索數據。這也有利于多種原因：i）在必要的質量/粒度水平上獲得數據，ii）受益于已經到位的治理和安全要求，iii）受益于分散的計算。

考慮到目前的狀況以及高質量數據可用性和計算能力的預期增長，我們有理由認為在未來20年內這種數字孿生解決方案會逐步發展。在計算能力方面，目前的能力已經可以使數字孿生體不僅可以對當前環境進行準確的描述性分析，進行預測性建模，還可以進行情景規劃和模擬。然而，真正的目標是在控制塔中通過人工智能進行實時數據整合，并可能與基于MX或XR的先進數據可視化同步，從而實現卓越運營。

同時，關于數據的可用性，這代表了主要的問題，應該在技術和政策方面投入最大的努力來促進它。到本十年末，在民用方面，可以預期第一個共同的歐盟數據空間將開始運作，并提供對描述性分析和預測性建模有用的數據。在軍事方面，如果每個國家（單獨或合資）開始開發自己的數字孿生，把倉庫和軍營、維修和訓練場地、港口/機場/導彈基地等的數據集中起來，就可以實現同樣的能力。隨后，將通過插入國防工業的數據來擴展供應鏈數據流。其結果將是一個 "國防數據空間"，隨后與其他歐洲共同數據空間（如制造業）相連接，用其他貨物（如醫療用品）、能源和原材料供應方面的進一步數據來補充虛擬供應鏈。

美國國防部長辦公室（OSD）和各軍種已經做出了廣泛的工作，將無人系統納入其現有的組織結構，顯示了無人系統考慮因素所代表的整體重要性。整個美國防部仍有改進合作的空間。將正在進行的工作標準化，盡可能地進行合作，并整合基礎政策和技術，將使無縫的團隊合作成為未來國防行動的亮點--無論這些團隊是有人的、無人的，還是聯合的。

無人系統技術的進步強調了將重點從特定領域過渡到不分領域的必要性。任何領域的進步都有利于所有領域的發展。未來的行動將在很大程度上依賴于多領域的能力，這些能力必須與聯合部隊的結構無縫對接和整合。

美國國防部、工業界和學術界擁有先進的技術、戰略和標準，對無人系統的發展及其與國防部任務的整合構成挑戰。這些主要的進步、挑戰和趨勢可以整合成四個關鍵主題，它們涉及到將繼續加速無人系統進入未來的基礎性利益領域：

• 互操作性 - 互操作性在歷史上一直是，并將繼續是無人系統集成和操作的一個主要推力。載人和無人系統已經越來越多地協同他們的能力，專注于使用開放和通用架構的關鍵需求。一個強大的可互操作的基礎提供了一個結構，將使未來的作戰取得進展。

• 自主性 - 自主性和機器人技術的進步有可能徹底改變作戰概念，成為一個重要的力量倍增器。自主性將大大提高載人和無人系統的效率和效力，為國防部提供戰略優勢。

網絡安全--無人系統的運作通常依賴于網絡連接和有效的頻譜訪問。必須解決網絡的漏洞，以防止破壞或操縱。

• 人機協作 - 如果互操作性奠定了基礎，那么人機協作是最終目標。人類力量和機器之間的協作將實現革命性的合作，機器將被視為重要的隊友。

支持政策、需求和采購環境必須繼續發展和進步，以跟上所有系統的快速技術和能力進步的步伐。為了確保我們的軍事優勢，應該把重點放在無人駕駛技術的發展、可用性和使用上。美國防部在無人駕駛系統方面的舉措的調整將影響美國軍隊的未來構成

在一個跨國威脅不斷增加、全球相互依存度空前提高、大國競爭重新抬頭的時代，美國正處于一個拐點。這是在技術革命的背景下發生的，技術革命加劇了面臨的挑戰，同時也提供了潛在的解決方案，在氣候、醫藥、通信、運輸、智能和許多其他領域提供了突破。其中許多突破將通過利用人工智能（AI）及其相關技術--其中主要是機器學習（ML）。這些進步可能會塑造國家之間的經濟和軍事力量平衡，以及國家內部的工作、財富和不平等的未來。

ML的創新有可能從根本上改變美國軍隊的戰斗方式，以及美國防部的運作方式。機器學習的應用可以提高人類在戰場上的決策速度和質量，使人機合作的性能最大化，并將士兵的風險降到最低，并極大地提高依賴非常大的數據集的分析的準確性和速度。ML還可以加強美國以機器速度防御網絡攻擊的能力，并有能力將勞動密集型企業功能的關鍵部分自動化，如預測性維護和人員管理。

然而，人工智能和機器學習的進步并不只是美國的專利。事實上，面對中國在該領域的挑戰，美國在人工智能領域的全球領導地位仍然受到懷疑。美國防部和學術界的許多報告反映了需要在人工智能研究和開發方面進行更多投資，培訓和招聘一支熟練的勞動力，并促進支持美國人工智能創新的國際環境--同時促進安全、安保、隱私和道德的發展和使用。然而，人們對信任問題，特別是對這些系統的測試、評估、驗證和確認（TEVV）的關注太少。建立一個強大的測試和評估生態系統是負責任地、可靠地和緊急地利用這一技術的一個關鍵組成部分。如果不這樣做，就意味著落后。

本報告將首先強調為人工智能系統調整美國防部現有的TEVV生態系統的技術和組織障礙，特別強調ML及其相關的深度學習（DL）技術，我們預測這對未來的威懾和作戰至關重要，同時在可解釋性、可治理性、可追溯性和信任方面帶來獨特的挑戰。其次，本報告將向國防部領導層提供具體的、可操作的建議，與情報界、國務院、國會、工業界和學術界合作，通過改革流程、政策和組織結構，同時投資于研究、基礎設施和人員，推進ML/DL的TEV系統。這些建議是基于作者幾十年來在美國政府從事國家安全工作的經驗，以及對從事ML/DL和測試與評估的政府、工業和學術界專家的數十次訪談。

在未來的空戰中，無人協同系統的整合將是一個潛在的巨大力量倍增器。其成功的關鍵因素將是編隊情報、協調任務規劃和跨平臺任務管理。因此，構思下一代機載武器系統的任務需要一個整體的系統方法，考慮不同的航空飛行器、其航空電子任務系統和針對未來威脅的整體作戰概念。為了盡早驗證可能的解決方案概念并評估其作戰性能，在過去幾年中，在空中客車防務與航天公司未來項目中開發了一個動態多智能體戰斗仿真。除了比實時更快的工程功能外，該仿真還可以進行實時人機對話實驗，以促進工程師、操作員和客戶之間的合作。本文介紹了動態任務仿真方法，以及在未來戰斗航空系統（FCAS）研究中應用此工具所得到的啟示，在此期間，我們清楚地認識到什么是未來應用的一個關鍵挑戰。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

1 引言

每一代新的戰斗機都可以通過一個或多個技術飛躍來定義，這些技術飛躍使其與上一代的設計有很大區別。毫無疑問，自從大約15年前第一架第五代戰斗機投入使用以來，幾乎所有的設計學科都有了顯著的進步。不同的飛機制造商，包括空客，已經宣布他們目前正在構思或研究第六代戰斗機[1] [3]。與目前最先進的飛機相比，這些項目很可能在各個領域都有改進，如飛行性能、全方面和全模式隱身、低概率攔截雷達和通信或武器裝備。但問題仍然存在：什么將是這一代的決定性因素，一個真正改變未來戰斗空間的因素？

一個常見的假設是，未來的戰斗空間將是 "高度網絡化 "的，即所有參與的實體都可以交換他們的態勢視圖，并以近乎實時的方式創建一個共享的戰術畫面。一方面，這使得多個平臺在空間和時間上可靠同步達到了以前不可能達到的程度。許多算法，特別是發射器定位或目標測距的算法，如果能從多個位置產生測量結果，會產生明顯更好的效果。另一方面，高質量數據的可靠交換通過分配以前由單一平臺執行的任務，使戰術更加靈活。對作戰飛機的主要應用可能是所謂的合作交戰概念（CEC），這已經是美國海軍針對反介入/區域拒止（A2/AD）環境的海軍綜合火控-反空（NIFC-CA）理論的一部分[4]，但其他應用也是可能的，例如合作電子攻擊。所提到的概念主要適用于任務期間單一情況的短期范圍，例如偵察或攻擊薩母基地、空對空（A2A）作戰等。然而，就整個任務而言，還有一個方面需要提及。鑒于所有參與實體之間的可靠通信，規劃算法可以交換任務計劃變更的建議，并根據其目標和當前的戰術情況自動接受或拒絕。這在一個或多個不可預見的事件使原來的任務計劃無效的情況下特別有用，盡管所有預先計算的余量。與其估計一個替代計劃是否可行，并通過語音通信與所有其他實體保持一致（考慮到船員在某些任務階段的高工作負荷和參與實體的數量，這是一項具有挑戰性和耗時的任務），一個跨平臺的任務管理系統可以快速計算出當前任務計劃的替代方案，并評估是否仍然可以滿足諸如開放走廊等時間限制。然后，一組替代方案被提交給機組人員，以支持他們決定是否以及如何繼續執行任務。

將上述想法與現在可用的機載計算能力結合起來，由于最近在硬件和軟件方面的進步，可以得出結論，未來一代戰斗機將很有可能在強大的航空電子系統和快速可靠數據交換的基礎上，采用卓越的戰術概念進行作戰。然而，這還不是我們正在尋找的明確游戲改變者--甚至現有的第五代戰斗機已經應用了一些提到的概念，例如，在NIFC-CA背景下的F-35[4]。因此，下一步不僅要改進飛機的航電系統，而且要在完全網絡化環境的前提下連貫地優化航電、戰術和平臺設計。這種方法允許思考這樣的概念：如果得到網絡內互補實體的支持，并非每個平臺都需要擁有完整的傳感器套件和完整的決策能力。因此，不同的平臺可以針對其特殊任務進行高度優化，從而與 "單一平臺做所有事情 "的方法相比，減少了設計過程中需要的權衡數量。很明顯，一個專門的傳感器平臺不需要或只需要非常有限的武器裝備，因此現在可用的空間可以用來建造更好的傳感器或更大的燃料箱。這已經可以使該平臺專門從事的任務性能得到顯著提高，但有一樣東西可以去掉，它的影響最大：飛行員。在這一點上，必須明確指出，目前沒有任何算法或人工智能能夠接近受過訓練的機組人員態勢感知和決策能力。這就是為什么在不久的將來，人類飛行員在執行戰斗任務時將始終是必要的。然而，如果飛行員（或更準確地說，決策者）被提供了指揮無人駕駛同伴的所有必要信息，那么就不需要在同一個平臺上了。因此，我們提出了一個概念，即一個或多個載人平臺由多個無人駕駛和專門的戰斗飛行器（UAV）支持。在下文中，我們將把至少一個載人平臺和一個或多個由載人平臺指揮的專用無人機組成的小組稱為包。我們聲稱，由于以下原因，無人平臺將作為有人平臺的力量倍增器發揮作用：

• 無人機是可擴展的，而空勤人員是不可擴展的。因此，無人機可以執行高風險的任務，并允許采用只用載人平臺無法接受的戰術。

• 無人機更便宜（即使不考慮機組人員的價值），因為它們可以在性能相同的情況下比載人平臺建造得更小。這意味著，在相同的成本下，更多的平臺可以執行任務，更多的平臺會導致更高的任務成功率。首先，因為有更多的冗余，其次，如果有更多的資產參與其中，一些任務可以更好地完成，例如發射器的定位。

• 不同的無人機和載人平臺可以任意組合。在任務開始前，可以根據需要組成包。在任務期間，在某些限制條件下，也可以重新組合軟件包，例如，如果交戰規則禁止不受控制的飛行，則指揮平臺之間的最大距離。這使得任務規劃和執行有了更大的靈活性，預計也能保持較低的運行成本和材料損耗（"只使用你需要的東西"）。

像往常一樣，沒有免費的午餐這回事。在我們的案例中，所有上述優勢對飛機設計師來說都是有代價的。不是按照一組技術要求優化單一設計的性能，而是必須設計多個平臺及其子系統，使其在各種任務和組合配置中最大限度地提高整個系統的性能。在本文的其余部分，我們將介紹FCAS原型實驗室（FPL），這是一個在FCAS背景下開發的模擬環境，用于解決這一高度復雜的問題。在第2章中概述了它在概念設計和跨學科技術原型開發中的作用后，我們將在第3章中介紹底層動態多智能體任務仿真的概念和架構。在第4章中，我們將介紹選定項目的結果，以概述該工具的多功能性。本文最后將介紹可能是未來最大的挑戰之一，不僅對模擬，而且對一般的無人系統的引進。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

FCAS原型實驗室（FPL）：動態多智能體任務仿真

FPL的核心是一個動態多智能體任務仿真，可以在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺機器上，并使用不同的附加硬件組件。為了方便兵棋推演的進行，對人機界面技術進行原型測試，或用于一般的演示目的，模擬中的所有載人機載資產都可以選擇由硬件駕駛艙控制。如果沒有人類操作員參與，模擬必須能夠比實時運行更快。這對于在可能需要數小時的大規模任務中進行有效的開發和權衡分析尤為必要。為了以客觀和公正的方式評估概念和技術，每個模擬任務的過程都是由預先定義的系統屬性、物理效應的模擬和可配置的智能體行為和合作演變而來。不存在任何腳本事件，每一次新的模擬運行的結果都是完全開放的。藍軍和紅軍是在相同的假設下，以可比的抽象水平進行模擬。以下各章概述了如何在FPL中動態地模擬當前和未來機載系統的任務。介紹了我們的仿真結構，在對這類系統進行建模時最重要的設計權衡，以及行為建模的高層次規劃/低層次控制方法。

架構

FPL的仿真架構由三個邏輯部分組成：應用、仿真控制和通信中間件。該架構的一個核心特征是，模擬被分割成幾個應用程序。每個應用程序運行不同的模型，例如，有一個應用程序用于模擬自己的（藍色）航空器、敵方（紅色）航空器、綜合防空系統（IADS）以及更多的模型，如下所示。所有的應用程序共享相同的標準化接口，并且可以任意組合。這種模塊化允許只運行某個任務或項目所需的部分模型。所有的應用程序都是獨立的可執行文件，可以在同一臺計算機上以并行進程運行，也可以分布在幾臺機器上。通過交換編譯后的二進制文件，來自不同公司的模型的整合是可能的，而不會暴露詳細的基本功能。一般來說，不同公司之間的快速和容易的合作是FPL架構的一個主要驅動力。為此，提供了一個基礎應用類，它提供了所有與仿真有關的功能，如仿真控制狀態機、通信中間件接口和通用庫，例如用于不同坐標系的地理空間計算。通過簡單地實現一個新的基礎應用實例，新的模型可以被添加到仿真框架中。所有應用程序的執行都由一個中央仿真控制實例控制。它提供了一個圖形化的用戶界面，可以根據需要啟動、停止和加速模擬。在執行過程中，所有應用程序的運行時間被監控，仿真時間被動態地調整到最慢的模型。這使得分布式的比實時更快的模擬具有自適應的模擬時間加速。應用程序之間的通信是通過數據分配服務（DDS）標準[2]實現的。它使用發布-訂閱模式在網絡中實現了可靠和可擴展的數據交換。兩個不同的分區用于廣播仿真數據（如實體狀態、仿真控制命令等）和多播命令和控制數據（如通過BUS系統或數據鏈路實際發送的數據）。DDS標準的開放源碼實施被用來進一步方便與外部伙伴的合作。

圖1提供了我們的模擬架構的概況，包括大多數任務所需的應用程序。如前所述，這個架構并不固定，幾乎任何應用都可以根據需要刪除或交換。如黑色虛線箭頭所示，通過DDS中間件在仿真控制處注冊一個基本的應用實現，可以集成新的模型。藍色/紅色背景的方框描述了己方/敵方系統，混合顏色的方框可供雙方使用。仿真基礎設施組件的顏色為灰色，用戶界面的顏色為橙色。黑色箭頭表示模擬過程中的通信，灰色箭頭代表模擬運行前后的數據交換。

對于兵棋推演環節，不同的應用程序分布在FPL的多個房間內運行，以模仿真實的空中作業程序。在設置好一個場景后，藍方和紅方的操作人員使用任務配置工具，在不同的房間里計劃他們的任務。空中行動指揮官留在這些房間里，而飛行員則分成兩個房間，每個房間有兩個駕駛艙來執行任務。藍方和紅方空軍應用的任何飛機都可以從駕駛艙中控制，因此飛行員可以接管不同的角色，并相互對抗或作為一個團隊對抗計算機控制的部隊。所有房間都配備了語音通信模擬。任務結束后，各小組在簡報室一起評估任務，可以從記錄的模擬數據中回放。一個額外的房間配備了多個連接到模擬網絡的PC，可以選擇用于特定項目的任務，例如硬件在環實驗。

建模

為FPL選擇正確的建模范式事實上并不簡單，因為它涵蓋了操作分析工具（通常是隨機的）以及工程模擬（通常是確定性的或混合的）的各個方面。這個決定的影響可以用一個例子來說明，即如何確定一架飛機是否被導彈擊中。在隨機模型中，這個決定是基于可配置的概率，例如，被擊中的概率（導彈）和回避動作成功的概率（飛機）以及一個隨機數。為了使最終的任務結果對單一的隨機數不那么敏感，在實踐中經常用不同的隨機種子進行多次模擬運行。按照確定性的方法，導彈的飛出是根據導彈的發射方向、制導規律和固定的性能參數如推力、最大加速度等來模擬的。飛機在規避機動過程中的軌跡也是基于其初始狀態、空氣動力學、反應時間等。例如，當彈頭引爆時，如果導彈和飛機之間的距離低于某個閾值，那么飛機就會被認為被殺死。在一個確定性的模型中，在導彈發射時已經知道飛機是否會被擊中。確定性模型中必要的簡化通常是通過引入固定參數來完成的，比如導彈例子中的距離閾值。混合模型允許使用隨機數進行這種簡化，例如，作為失誤距離的函數的殺傷概率。

為了有效地測試和分析大規模的空中作業，在單臺機器上有幾十種藍色和紅色資產運行的情況下，模擬運行的速度至少要比實時快10倍（平均）。這對所用算法的時間離散性和運行時的復雜性提出了重大限制。為了保持快速原型設計能力，為新項目設置仿真或開發/集成新組件所需的時間應保持在較低水平。太過復雜的模型會帶來更多的限制，而不是顯著提高結果的質量。在這些方面，（更多的）隨機模型在運行時間和開發時間上都有優勢，更快。然而，在我們的案例中，有兩個主要因素限制了隨機模型的使用，使之達到最低限度。首先，模擬只有在給出他們的戰術和演習成功與否的確切原因時才會被操作者接受。此外，隨機模型是由數據驅動的，但對于未來自己和/或敵人的系統來說，所需的數據往往無法獲得。對于已經服役多年并在測試或實際作戰中多次射中的導彈，有可能估計其殺傷概率。然而，僅僅為未來的導彈增加這一概率是非常危險的，特別是因為隨機模型對這些參數非常敏感。從我們的觀點來看，通過將所有系統建模為基于技術系統參數的通用物理模型，可以實現對未來系統更健全的推斷。第一步，通過模擬已知技術和性能參數的現有系統，對模型本身進行驗證。對于未來的系統，技術參數會根據預期的技術進步、領域專家知識和他們的工具進行推斷。堅持最初的例子，未來戰斗機的回避機動性能的推斷，例如，基于從CAD和流體動力學模型計算出的更高的升力系數，或基于更高的導彈接近警告器的分辨率和靈敏度。

客觀評價未來概念在模擬中的表現的一個關鍵方面是環境和威脅的建模。必須考慮到，系統的方法在紅方和藍方都是有優勢的。現代國際防空系統的危險來自于結合不同的系統，從非常短的距離到遠距離。所有這些系統都有它們的長處和短處，但它們被組織起來，使個別的短處被其他系統所補償，并使整個系統的性能最大化。因此，第一個困難是必須對大量的系統進行模擬，并且必須確定這些系統的個別優勢和劣勢。通用物理模型的方法可用于這兩個方面。在通用防空系統模型被開發和驗證后，它可以迅速將新的系統整合到模擬中。根據模擬的物理效果，可以估計敵方系統的作戰優勢和弱點或未來可能的威脅概念。另一方面，使用通用模型的困難在于，必須將真實系統的功能映射到通用模型中，以便保留所有重要的單個系統屬性。這不可避免地導致了相當復雜和詳細的通用模型。我們將以地基雷達組件為例，概述我們平衡復雜性和保真度的方法。如圖2所示，IADS模擬中的一個實體由不同的組件組成。這些組件可以任意組合，以快速配置新系統。從功能角度看，地面雷達組件由控制器、探測模型和目標跟蹤器組成。根據實體的當前任務，控制器選擇所需的雷達模式，例如，360°搜索的監視或戰斗搜索，如果一個特定的部門必須優先考慮。為了對付干擾或地面雜波，可以使用不同的波形。根據雷達的類型，如機械或電子轉向的一維或二維，控制器有不同的可能性來適應搜索模式。在為一個波束位置選擇了波形的類型和數量后，探測模型根據目標、地面雜波、地形陰影、大氣衰減和電子對抗措施等方面的雷達截面模型，產生測量結果。測量誤差是由取決于隨機模型的信噪比引起的。由此產生的測量結果然后由目標跟蹤器處理，它執行測量-跟蹤關聯和跟蹤過濾。

這種詳細模型產生的另一個困難是必須估計的參數總數。在這一點上也要注意，模擬中的所有數據都是不受限制的。這一方面是由于大多數項目的限制，但另一方面，它在日常工作中也有實際優勢。我們必須牢記，模擬是用于概念驗證，而不是用于詳細的系統設計，所以在這個早期階段使用機密的威脅數據會對基礎設施和開發過程造成重大限制，而不會給結果帶來重大價值。基于此，所有的威脅數據都必須根據公開的來源或來自內部項目和外部合作伙伴的非限制性數據進行估算。這再次導致了大量的數據，而這些數據的詳細程度往往是非常不同的，或者是不一致的，例如，由于對限制性數據的去分類。隨著我們模型的不斷發展和多年來獲得的工程專業知識，我們有可能為不同的當前和推斷的未來威脅系統估計出一致的參數。這主要是在一個自下而上的迭代過程中完成的。根據現有的技術和性能參數，對缺失的模型參數進行估計以適應組件的性能。然后對單一系統的不同組件之間的行為和相互作用進行調整，以達到理想的系統性能。最后，在不同的情況下測試IADS內這些系統的協調，以使整個系統的性能最大化。

在不確定的情況下評估和選擇最合適的國防能力組合，一直是軍隊面臨的一個挑戰。這一戰略決策過程面臨著許多挑戰性的困難。它涉及到長期承諾、具有不同目標的多個利益相關者，以及廣泛的相互依賴的替代方案。盡管有現有的實踐，我們仍然缺乏一種能夠在不確定情況下評估和選擇武器系統和軍事人員組合的綜合方法。本科學報告開發了一種新的經濟方法，為戰略組合選擇提供信息。該方法得出了每項國防能力的平均經濟價值和將其納入國防組合的概率。進行了一個組合風險分析，以顯示結果對主要的不確定性來源有多敏感。一個假想的例子被用來說明這個方法。建議的方法在經濟上是合理的，在組合選擇上也是實用的。它將使決策者和國防分析人員能夠評估、優先考慮和選擇最佳的能力組合。

軍事組合決策涉及（1）多個目標，（2）復雜的替代方案，以及（3）許多不確定的變量。盡管有現有的實踐，但仍缺少一種在不確定情況下評估和選擇武器系統和軍事人員組合的綜合方法。為了最大限度地提高國防組合的整體價值并改善部隊結構組成，加拿大國防部（DND）已經開始開發企業成本模型（ECM）。ECM將使用建議的方法來評估候選能力的價值，對其進行優先排序，并確定加拿大武裝部隊可能采用的關鍵能力。至少確定了ECM的三個潛在用戶：助理副部長（財政）（ADM[Fin]）、助理副部長（物資）（ADM[Mat]）和盟國。通過使用ECM，這些社區也將從這項工作中受益。

引言

1.1 背景

選擇項目清單或武器系統組合的過程是一個戰略決策過程。它使軍隊能夠發展使未來部隊在戰略上具有相關性、在行動上具有響應性、在戰術上具有決定性的能力。在這個過程中，最合適的未來部隊選項是由應該實現的目標倒推到需要的目標來設計的。然而，選擇最合適的國防組合面臨著幾個復雜和極具挑戰性的困難（DND，2014）[1]。困難的主要來源包括但不限于：（Kangaspunta等人，2012 [2]；Tate和Thompson, 2017 [3]；Harrison等人，2020 [4]）。

多重目標--這些目標涉及多個利益相關者，他們有不同的偏好和相互沖突的目標。籌資決策不僅影響投資成本，還影響犧牲其他項目的機會成本。隨著關鍵利益相關者立場的不斷變化，通常不容易將這些與環境相關的目標減少到一個單一的維度，并找到一個共識的解決方案。目標和約束條件之間也存在著持續的二元性。決策者可能希望確定實現某一特定能力水平的最低成本，或者相反，在預算約束下確定可能的最高能力水平。

風險和不確定性--組合決策涉及長期承諾，其中許多變量是不確定的。這種不確定性的關鍵驅動因素是成本、進度和運營需求過程的結果。這些驅動因素之間的相互依賴使得風險分析更加困難。例如，一個項目執行中的任何變化都會對成本和進度的不確定性產生直接影響。任何成本的降低或進度的收緊都會增加結果的不確定性。此外，這樣的決定同時將生命、美元和時間置于風險之中，導致了對風險的復雜和不一致的態度。這種不確定性通常與其他幾個不確定性的來源結合在一起，如能力要求、預算和地緣政治局勢。

復雜的替代方案--選擇一個最佳的投資組合以達到預期效果或緩解特定的能力差距，在軍事部門不是一件容易的事。軍事投資組合決策涉及廣泛的相互依賴和重疊的備選方案。它們的影響往往是非線性的，并且取決于環境。它們的相互依賴程度一般很難描述。軍事選擇也是離散的和非二元的，這使得稀缺資源的優化更加困難。這些特點往往與既非線性也非加法的復雜成本函數結合在一起。

到目前為止，還缺少一種評估和選擇國防能力組合的綜合方法。為了在最有效地利用資源的情況下構建最合適的能力組合，首席財務官（CFO）責成加拿大國防研究與發展中心（DRDC）-運營研究與分析國防經濟團隊（DET）開發ECM（Morrisey, 2021）[5]。作為這項工作的一部分，我們進行了兩項研究以支持該項目。在第一個研究中，我們提供了一個評估和選擇能力組合的二元反應模型[6]。第二項研究通過能力組合風險分析[7]補充了最初的工作。這種新的隨機方法將蒙特卡洛模擬技術應用于二元反應模型。

1.2 目的

這項工作的目的是綜合參考文獻[6]和[7]中提出的前兩種能力組合評估和選擇方法。它有兩個相互關聯的主要目標：

• 開發一個完整的方法，該方法在理論上是合理的，并與國防能力組合建設實際相關；以及

• 說明該方法并演示其過程實現。

1.3 方法

建議的方法結合了或然估值法（CVM）的一個變種和投資組合風險分析來選擇能力組合。1963年，CVM在哈佛大學的一篇經濟學博士論文中得到實施。包括美國陸軍工程兵團在內的許多組織都使用了這種方法，并對所采用的方法的發展做出了貢獻（Hanemann, 1984 [8]; Cameron, 1988 [9]; Sokri, 2012 [10]）。我們的方法包括四個主要步驟，如圖1中的流程圖所總結的。首先是選擇能夠比較能力的主題專家（SMEs），最后是對備選方案進行排名并進行組合風險分析。

圖 1：主要方法步驟的示意圖。

1.3.1 選擇主題專家

這種方法成功的關鍵在于選擇有經驗的主題專家。正如過去所做的那樣，他們應該來自整個國防組織，并在分析能力的性質方面擁有廣泛的專業經驗。他們應該能夠比較能力并回答調查問題。這些問題將取決于每套能力（飛機、艦艇等）的性質。它們的范圍可以從戰略防御目標（例如，保衛國家及其盟友）到能力的技術措施（例如，規模、生存能力、范圍、持久性、響應性和互操作性）。

1.3.2 評估備選方案

如附件A所示，每個主題專家要求從每個標準的角度對每個備選方案進行0-100分的評分。每個主題專家還被要求(1)以0-100的尺度對每個備選方案進行總體評價，(2)決定該備選方案是否應被納入防御組合。如果主題專家決定將其納入，該替代方案將被賦予1的數值，否則為0。

1.3.3 估計回歸模型

分析師將從每個標準的角度使用0-100分的比率作為解釋變量。對于因變量，分析者有兩種選擇：（1）他/她可以使用一個非線性回歸模型，其中因變量只能取兩個值（即每個主題專家的決定），（2）他/她可以使用每個備選方案在0-100等級上的總體評價來計算 "提供的幾率"（而不是預測的幾率）。在這種情況下，分析員將估計一個線性回歸，其中因變量是賠率的自然對數（即對數）。

1.3.3.1 對備選方案進行排名

可以使用三種預測措施（產出）之一，對備選方案從最好到最差進行排名。(1) 它們被納入防御組合的概率，(2) 它們的幾率，(3) 它們的量化經濟價值。賠率是列入概率的一個增加函數。它們將提供相同的結果。經濟價值應該與它們呈正相關關系。這些衡量標準是根據專家們的評價進行統計推斷的。

1.3.3.2 進行組合風險分析

為了評價結果的穩健性，可以進行能力組合風險分析。進行這種風險分析可采用三種互補技術：（1）通過評估每個預測因素的邊際效應，（2）通過估計每個結果的三點估計值（樂觀、最可能和悲觀），以及（3）通過使用計算機模擬得出每個備選方案的風險狀況。關于這個方法步驟的更多細節，請讀者參考附件A。

建議的方法為能力組合的評估和選擇提供了更多的機會：

• 嚴謹性（基于合理的理論基礎）。
• 可靠性（以正確的評估為基礎）。
• 可復制性（明確的程序，而不是黑箱）；以及
• 一致性（方法步驟的一致性）。

由此產生的科學報告將為分析人員和決策者提供一個共同的基礎：

• 以一致的方式匯總若干評價標準。
• 用它們的價值來描述替代品。
• 對它們進行排名；和/或
• 將它們歸入預先確定的類別。

本報告分為七個部分。導言之后，第2節概述了能力組合分析領域的最新進展。第3節建立了所采用的二元模型，并指出其數學推導。它還說明了如何對一組候選能力進行估值和排序。第4節介紹并討論了一種新的能力組合風險分析方法。第5節提供了一個說明性的例子，使形式主義更容易被理解。第6節展示了建議的方法與一些傳統方法和投資規劃的聯系。最后一節提出了一些結論性意見。