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模擬作戰需要了解友軍和敵軍在既定友軍目標和可信敵軍目標方面的進展情況。在美國防部（DoD），這些目標的結構是分層的，從國家戰略層面一直到戰術層面。軍事評估旨在回答兩個主要問題： 1）是否創造了所期望的效果？對模擬作戰評估方法的研究很少。一些主要的評估應用領域是教育和游戲，它們為模擬軍事作戰評估提供了有益的借鑒。本研究從美國防部政策和這些領域的研究中總結出模擬作戰評估方法的幾個理想特征。在根據這些特征建立價值層次結構之后，本論文提供并評估了幾種可用于模擬作戰的候選方法--貝葉斯企業分析模型（BEAM）中現有的 "戰斗力與戰斗脆弱性 "方法、貝葉斯網絡、價值思維和線性規劃。每種替代方案的評估都是通過其在小型作戰模擬中的應用來進行的。然后，從 "價值思維 "和 "線性規劃 "中創造出一種替代方案，其評估結果優于其他四種方案。論文最后對線性規劃進行了總結，并提出了未來研究的想法。

與真實戰爭類似，作戰模擬需要了解友軍和敵軍的進展情況。這種知識將潛在的模擬停止條件擴展到時間之外，并允許分析與時間、資金和資產態勢相關的進展情況。雖然記錄資產的損毀和消耗品的使用情況可能會提供有價值的分析結果，但指揮官通常更關心的是一個更廣泛的問題，即這一場景是贏了還是輸了？要回答這個問題，模擬必須包含一定的勝負定義。要做到這一點，最簡單的辦法就是完成既定目標。戰斗模擬必須能夠評估作戰環境，并報告實現或未實現這些目標的進展情況。從具體的目標（如摧毀敵方所有港口）到較為抽象的目標（如實現海軍優勢），模擬中的單一作戰評估方法應具有足夠的通用性，以便在面對多種不同的勝負定義時，為勝負問題提供答案。本論文提供了這樣一種方法，可用于模擬戰爭的戰役級戰斗評估。

評估的一個直接定義是 "使用數據來證明既定目標和目的是否真正實現的過程"（1，第 554 頁）。在國防領域，美國參謀長聯席會議（JCS）將評估定義為 "在軍事行動中衡量運用聯合部隊能力的整體有效性的持續過程"（2）。一般來說，評估是一個用于持續或不斷反饋的詞，旨在改進一個過程。在更正式的場合，評估分為兩類：總結性評估和形成性評估。總結性評估，或有些人稱之為評價，是對表現進行事后審查。總結性評估的例子包括簡單的評分和與基準的比較，以及從過程產出中獲取比較結果的統計或其他分析方法。終結性評估的 "外部"（3，第 19 頁）特征自然會導致其結果的呈現是遙遠的和/或靜態的。終結性評估的一些例子包括年度人事審查和評估、學生考試和業務指標報告。相反，形成性評估關注的是持續的學習過程，目的是在特定過程中提供反饋（4）。在教育領域，形成性評估包括學生與評估者之間的合作，以 "積極創造[學生的]最佳表現"（5，第 242 頁）。形成性評估在本質上是互動的，它的目的是在一個過程結束之前提高學生的表現，利用數據（或經驗）為被評估方提供定制化的幫助。因此，形成性評估還可能包括進度跟蹤或報告。本論文重點關注戰役級模擬戰爭背景下的形成性評估方法。我們對 "如何在計算模擬中進行戰役級戰斗評估 "這一問題提出了建議。

模擬戰爭中的評估方法，尤其是用于軍事訓練或分析的模擬戰爭，應模仿實際決策者對戰爭努力的評估。在實際作戰環境中，軍事下屬和分析人員會準備一份評估報告，供指揮官了解態勢。指揮官利用評估結果為操縱作戰環境提供進一步指導。當我們在模擬作戰中模擬戰爭努力時，評估部分實際上應是下級/分析員評估與指揮官反饋相結合的模型。在第 3.1 節中，我們將這一概念納入了作戰模擬評估方法的價值層次中。此外，我們還提出了一個必要的特點，即評估方法應簡單易懂，便于向指揮官和其他決策者介紹。將評估結果歸納為不同類別（如勝利或失敗）對簡單交流非常有用，第 3.1 節將對此進行更詳細的討論。

作為聯合部隊行動的權威資料，美國聯合司令部的 "聯合出版物 3-0"(2)提供了模仿決策類型的見解。聯合司令部最關心的是 "行動評估"，即 "衡量完成任務、創造條件或效果以及實現目標的進展情況 "的過程（2，第 II-9 頁）。聯合司令部聲稱，行動評估應 "從任務式指揮分析開始，由指揮員和參謀人員考慮衡量什么和如何衡量"（2，第 II-9 頁）。對于實戰中使用的計算模型而言，這一步將發生在模型運行之前，分析人員將在運行過程中設定初步目標和任何初始參數。此外，本定義中的 "目標 "是指指導行動方案的目標。目標可以是一個短語，如國防部的國家戰略目標，也可以是單項軍事任務的目標。無論如何，模擬戰爭評估方法中的目標決定了代理指揮官的注意力在哪里，以及他們建議的行動方向。

圖 1 提供了不同層次的戰爭與相應目標之間的嵌套關系。在軍事應用中，圖 1 中紫色箭頭所示的評估框架通常被稱為 "從戰略到任務 "框架（6；7；8）。在該框架中，目標之下是可評估的效果。效果 "是 "行動的結果、成果或后果"（2，第 GL-9 頁）。任務 "被視為軍事行動的最小單元，小到摧毀敵方資產，大到運送物資。有些任務本身就是目標，有些任務支持相應的目標，沒有中間影響。然而，如圖 1 所示，上級目標為下級目標提供依據，而下級目標又指導各級軍事行動。同時，評估是用于提供自下而上反饋的機制。在提供反饋時，評估應回答兩個關鍵問題： 1）"我們是否在[作戰環境]中創造了我們所期望的效果或條件？"和 2）"我們是否按標準完成了任務？(2，第 II-11 頁）。

這兩個核心評估問題的重點自然而然地將模擬戰爭的作戰評估引向形成性領域。盡管分析人員傳統上使用總結性評估方法對這些問題進行追溯性回答，但如果將形成性評估與回答這兩個關鍵問題的意圖結合起來，則可實現被動的模擬作戰環境。利用形成性評估方法，模擬環境（或指揮官）可收到與特定目標相關的作戰環境狀態的實時更新。與進行事后分析相比，形成性評估更接近于實時戰爭工作，即評估對友軍造成的戰損，以及任務匯報和關于敵方單元的情報報告。因此，本論文側重于形成性評估方法。

本論文的其余部分致力于將聯合司令部的作戰評估要求綜合為一個連貫的結構，以便在作戰建模模擬環境中有效部署評估方法。Gallagher 等人（9）利用分辨率定義了不同層次的作戰：系統/工程、交戰、任務、戰役、國防企業和整個政府。聯合司令部的條令規定，每個層次的戰斗分辨率都要分層評估。本論文并不試圖將評估范圍縮小到任何特定的交戰決議；相反，我們提出了一般結果，試圖盡可能廣泛地應用于國防部的各種應用。本研究的重點是回答兩個研究問題：

研究問題

1. 程序化/計算機化模擬的作戰評估方法需要具備哪些特征？

2. 如何在程序化戰爭模擬中進行戰斗評估？

下一章將通過其他主要應用領域介紹評估方法。根據第二章的經驗教訓和聯合司令部的評估指南，我們在第三章構建了一個價值層次。在第四章中，我們介紹了幾種可供選擇的評估方法，并在小型作戰模擬中對其機制進行了研究。然后，我們在第五章對這些替代評估方法在模擬戰爭中的應用進行評估。第五章最后提出了模擬作戰評估方法的建議。我們在第六章中提出了一些結束語和進一步研究的建議。

美軍目前的條令基本摒棄了使用潛艇協同戰術（稱為 "狼群戰術"），原因是 "狼群 "之間和 "狼群 "內部的協調十分復雜。然而，最近的技術進步可能會大大提高在狼群中行動的潛艇之間進行安全通信的可行性。基于智能體的建模用于模擬潛艇在戰時環境下的海上行動。模擬了三種安全通信可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續安全通信。考慮了三種戰時環境：獵殺過境商船的潛艇、在中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇，以及在中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。效果以 "產量 "來衡量，即目標的平均殺傷數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。模擬結果表明，隨著戰時中立航運的增加，"狼群 "戰術的成功越來越依賴于潛艇的安全通信和態勢感知。

圖 1.1. 狼群攻擊階段

由于編隊間和編隊內協調的復雜性，目前的條令已基本摒棄了使用潛艇協同戰術（即所謂的狼群戰術）。最近，自主水下定位、通信和其他技術的進步提高了水下艦艇之間協同作戰的可行性。此類技術的興起要求圍繞更具生存力和殺傷力的水下能力重新思考當前的作戰條令。對這一主題的深思熟慮的探索已經開始，如 Cares 和 Cowden（2021 年）對分布式戰爭時代艦隊戰術的未來進行了仔細分析。重新審視 "狼群 "戰術將為海軍思想家提供價值，因為他們將繼續在未來自主無人系統日益增多的海戰環境中尋找最佳戰略。

仿真用于探索 "狼群 "戰術在七個不同場景中的有效性，這些場景既改變了戰時環境，也改變了潛艇獲得信息的頻率。對模擬輸出進行分析，以確定 "狼群 "戰術的成功率在潛艇與目標環境之間安全通信的不同限制條件下如何變化。考慮了三種安全通信的可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續可用通信。考慮了三種目標環境：獵殺過境商人的潛艇、在含有中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇以及在含有中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。潛艇被分配到不重疊的水域空間，每艘潛艇都不會離開其分配的水域空間，也不會試圖擊殺其水域空間外的目標。船只進入第一個水域空間，然后前往第二個水域空間，依此類推。潛艇靠近并將其水域內的船只分類為中立或目標。分類完成后，潛艇會殺死被列為目標的船只。潛艇在一個水域發射的武器不會影響其他水域的潛艇，也不會影響航運行為。效果用 "當量 "來衡量，"當量 "的定義是成功擊殺目標的平均數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。潛艇沒有后勤限制，沒有彈藥限制，敵方戰艦也不會試圖摧毀任何潛艇。

當潛艇進行通信時，它們會將完美的信息傳遞給艇外實體，而不會失去隱蔽性或被攔截的機會。只有當潛艇探測到目標，但無法在目標離開其水域之前對其實施攻擊時，潛艇才會與艇外實體通信。所傳遞的信息是潛艇無法起訴的目標的位置和未來路徑。只有下一個水域的潛艇才會收到來自艇外入口的信息；它會在確定的時間訪問這些信息。與中立航運有關的信息不會傳遞。因此，雖然存在通信的動機，但通信對平均擊斃目標數量的影響是有限的。在戰時環境下，目標與中性商船到達率之比非常小，通信可最大程度地提高 "狼群 "的性能，使潛艇能夠更好地采取行動，摧毀隱藏在大量中性航運交通中的水面行動小組。

盡管最近在美國防部參謀培訓和兵棋推演模擬中對后勤因素的表現有所進步，但后勤信息系統（IS）的表現仍然不足。許多指揮與控制（C2）系統可通過通用協議（如 OTH-Gold）與仿真集成，但許多后勤信息系統與仿真-信息系統（sim-IS）的集成則需要人力密集的 "人在回路"（HitL）過程。在已實現自動仿真-IS 集成的地方，通常無法仿真重要的社會技術系統（STS）動態，如信息延遲和人為錯誤，從而使決策者無法真實地了解物流 C2 的能力。本研究試圖通過開發和驗證一種通過機器人流程自動化（RPA）進行模擬-信息系統信息交換的新方法，克服傳統模擬-信息系統互操作性方法的局限性。RPA 軟件通過 IS 現有的圖形用戶界面支持 IS 信息交換的自動化。這種 "由外而內 "的 IS 集成方法減少了為自動信息交換而對 IS（或模擬）進行工程更改的需要。除了驗證基于 RPA 的模擬-IS 集成方法的潛力外，本研究還提出了分布式模擬工程和執行過程（DSEEP）覆蓋的建議，以指導模擬-IS 環境的工程設計和執行。

在現代工作場所和戰場上，日益強大的信息系統和相關業務流程的激增，需要有能夠體現信息系統（IS）和相關社會技術系統（STS）動態的人員培訓環境。需要這樣的環境來鍛煉組織流程和信息系統，并培養人員的能力。盡管在仿真支持的人員培訓環境中，一些指揮與控制（C2）系統的表現形式取得了進步，但在表現包括許多后勤信息系統在內的 "人在回路"（HitL）信息系統以及影響這些信息系統如何在作戰環境中填充的 STS 動態方面，仍然存在局限性。現有的模擬和 C2 系統集成手段不足以支持自動模擬信息系統（sim-IS）的信息交換和 STS 動態模擬。

這項研究探索了機器人流程自動化（RPA）如何促進模擬信息系統信息交換和 STS 動態模擬自動化的新方法。研究采用了設計科學研究（DSR）方法，以確定基于 RPA 的模擬-IS 信息交換方法能否支持自動化模擬-IS 信息交換和 STS 動態模擬，以及如何設計和開發這種基于 RPA 的模擬-IS 環境。這些研究問題是通過開發和驗證兩個 DSR 工件來解決的：一個是基于 RPA 的模擬-IS 信息交換架構原型形式的實例化工件，另一個是分布式仿真工程和執行過程（DSEEP）（IEEE Std 1730，2011 年）模擬-IS 環境覆蓋建議形式的方法工件。從 DSR 的意義上講，實例化工件已通過驗證，能夠支持自動模擬-IS 信息交換和指定 STS 動態模擬。模擬的 STS 動態包括時間動態（信息延遲和及時性變化）和信息內容退化（準確性、精確性和完整性變化）。這是通過建模與仿真（M&S）驗證和確認過程實現的，包括在實驗室和現場環境中對實例化工件進行定量和定性分析。

通過在受控實驗室環境中的兩個模擬-IS 環境中對原型的性能進行定量分析，對基于 RPA 的模擬-IS 架構支持自動模擬-IS 信息交換和特定 STS 動態模擬的能力進行了驗證。在一個模擬-IS 環境中，海軍陸戰隊空地特遣部隊（MAGTF）戰術戰爭模擬（MTWS）與海軍陸戰隊通用后勤指揮與控制系統（CLC2S）集成在一起。在另一個模擬-IS 環境中，實體級建設性模擬--聯合沖突與戰術模擬（JCATS）與 CLC2S 集成。在這兩個模擬-信息系統環境中，都使用了圖 1 所示的基于 RPA 的模擬-信息系統信息交換架構，將建構模擬和 HitL 后勤信息系統集成在一起。

圖 1. 基于 RPA 的模擬信息系統信息交換架構

對原型架構在兩種模擬-IS 環境中的性能進行定量分析的結果表明，基于 RPA 的模擬-IS 信息交換方法可支持自動模擬-IS 信息交換和 STS 動態模擬。在時間動態模擬方面，發現及時性和延遲分布的模擬與目標分布充分吻合，每個場景的奇平方擬合度檢驗值都超過了 0.95 臨界值。對信息內容退化的模擬觀察具有實際意義，但不具有統計意義。雖然該架構為模擬信息系統信息交換提供了足夠的準確性和精確性，但確定基于 RPA 的模擬信息系統信息交換的及時性需要考慮所支持的特定模擬信息系統環境。在設計和開發基于 RPA 的模擬-IS 環境時，開發了解決這一問題的技術，并在模擬-IS 環境的 DSEEP 重疊建議中得到了解決。

定量分析的結果是必要的，但不足以支持對基于 RPA 的模擬-IS 架構的驗證。在實地環境中為領域主題專家 (SME) 進行了架構演示，以支持對該工具在支持其預期用途方面的實用性進行定性驗證。演示和隨后的中小型企業訪談結果表明，擬議的基于 RPA 的架構將支持在促進員工培訓的模擬信息系統環境中的預期用途。這包括支持在人員培訓環境中表現更多的 HitL 信息系統的潛力，以及模擬 STS 動態的潛力，否則人力或成本將無法表現。

為 DSEEP 開發的方法工件--模擬-信息系統疊加建議，旨在促進模擬-信息系統環境的設計和開發，這些環境代表了目標集成業務流程和相關 STS 動態，包括使用基于 RPA 的模擬-信息系統信息交換方法。雖然 DSEEP 為分布式仿真環境的工程設計和執行提供了指導，但它并沒有為支持仿真-IS 環境提供必要的指導。本研究針對 DSEEP 重疊中需要解決的問題提出了 43 項具體建議，以指導模擬-IS 環境的工程設計和執行，重點是支持基于 RPA 的模擬-IS 信息交換。這些建議是在設計、開發和驗證基于 RPA 的模擬-IS 架構的同時提出的。提供的許多建議與設計、開發和測試基于 RPA 的模擬信息系統架構原型過程中發現的障礙以及為克服這些障礙而開發的工具和技術直接相關。

除了展示和驗證一種基于 RPA 的新方法，用于 Sim-IS 信息交換和工作人員培訓的 STS 動態模擬之外，這項研究還為設計支持其他領域的模擬-IS 環境提供了新的機遇。基于 RPA 的模擬-信息系統信息交換方法所帶來的低成本、模塊化模擬-信息系統環境，可以支持一種新的兵棋推演環境，增強對現實世界中的 HitL 信息系統以及填充這些系統的綜合業務流程的表現力。它還可以為集成業務流程本身的持續共同發展提供一個靈活的環境。本研究為探索和開發基于 RPA 的模擬信息系統信息交換方法邁出了第一步，該方法可支持在模擬支持環境中增強 HitL 信息系統的代表性，以支持人員培訓和其他重要問題空間。

在海軍陸戰隊的戰術部隊中，有一個關于技術進步和認知負荷的認知問題；具體來說，現代戰場上幾乎無窮無盡的新信息流正在過度消耗人腦。無人戰術自主控制與協作（UTACC）是一種替代性作戰概念，它的開發可以澄清技術進步與認知負荷之間的關系。UTACC的目的是通過自主協作，在提高任務完成度的同時減輕海軍陸戰隊員的認知負荷。

本論文制定了UTACC作戰概念，其中包含了海軍陸戰隊作戰實驗室提供的場景邏輯、作戰活動排序和初始信息交換要求。要應對UTACC的復雜性，還需要對協同自主、人機系統集成因素和決策支持進行深入分析。

本研究發現，在早期階段，UTACC 可以作為一種可擴展的決策支持工具，實現常規計劃流程的自動化，從而提高小型戰術部隊的效率。此外，本研究還發現了未來的工作領域，其中三個領域是：衡量能力差距、共同行動圖像管理/融合和安全。

戰爭中出現了各種旨在幫助作戰人員完成任務的先進技術。這些進步也引入了信息超載的概念。決策者在做出決策之前，必須從龐大的信息庫中收集特定的信息。大量的信息很容易使作戰人員的認知負荷過重，從而導致任務性能下降，這是一個意想不到的后果。無人戰術自主控制與協作（UTACC）的目的是通過自主協作提高任務完成度，同時減輕操作員的認知負荷。UTACC的概念是武裝陸戰隊員在半自主無人地面和空中飛行器的協助下開展行動。一個UTACC系統由人類組件、空中組件和地面組件三部分組成（SOW，2014年）。

A. 研究目的和方法

盡管人們擔心幾乎無窮無盡的新信息流會過度消耗人腦（Bates，2010 年），但目前專門針對技術進步與認知負荷之間現象的研究極少。UTACC這一另類戰爭概念的提出，可以澄清技術進步與認知負荷之間的關系。要有效地做到這一點，研究必須包括對作戰環境的深入分析；可能的任務及相關任務；協作自主、人類系統集成（HSI）因素；以及信息交換要求（IERs）。該系統需要高度的語義互操作性和創新的技術流程，使操作員能夠將所有 UTACC 組件（人類或機器）視為隊友。 海軍陸戰隊作戰實驗室（MCWL）于 2013 年啟動了 UTACC 項目。MCWL 在其任務說明中指出： 利用兵棋推演、基于概念的實驗、技術評估和分析的整體組合，嚴格探索和評估海軍陸戰隊的服役概念，以驗證、修改或否定概念的可行性，并確定能力差距和機會，為未來兵力發展提供信息。（"MCWL"，未注明日期，任務）

MCWL 邀請海軍研究生院協助對UTACC 概念進行探索性研究，以實現 "以決策為中心、半自主、分布式、多代理、多領域機器人系統 "的愿景（SOW，2014 年，第 1 頁）。

本論文是這一研究計劃的第一步，即制定 "操作概念"。這項探索性研究捕捉到了 MCWL 的邏輯、操作活動排序和初始 IER，并提供了范圍有限的場景。系統工程方法與海軍陸戰隊部隊領導步驟相結合，用于在任務規劃和執行的整體流程中構建任務和子任務。這項研究探索了將機器組件納入這些步驟中的每一個步驟，以幫助實現自動規劃和執行。

作為一種未來軍事概念，UTACC 必須以現有的條令和戰術、技術與程序（TTPs）為框架，以便 MCWL（注：任務）驗證、修改或拒絕概念的可行性。規劃與執行模型（見附錄 A）完成后，針對選定的單一任務，共確定了 38 項任務和子任務。創建了任務分析工作表（見附錄 D），作為記錄與 "作戰概念 "相關的輔助信息的中央資料庫。這些工作表將幫助潛在的系統建模人員、開發人員、設計人員和未來的UTACC研究人員了解基線UTACC作戰概念，并對其進行修改以滿足新的要求。

外部評審和反饋對于確定項目范圍，使其成為論文級別的工作非常重要。2014 年進行了兩次外部評審，以聽取各領域責任專家的不同觀點。第一次評審強調，在開發的早期階段，UTACC 最好用作決策支持工具，使任務規劃期間的常規流程自動化。第二次外部審查強調，UTACC 的許多支持技術已經存在；挑戰在于將技術融合到一個共享的共同環境中。

卡內基梅隆大學（CMU）于 2015 年 2 月舉辦的概念驗證演示證明，只要有適當的可互操作軟件，無人機（UAV）和無人地面飛行器（UGV）就能在沒有人類協助的情況下協作尋找目標、拍攝目標照片并將照片發送給上級總部。雖然該演示是在受控環境下利用 CMU 設備進行的，但演示結果證明，UTACC 是一個可行的概念，并有能力隨著技術的進步而不斷成熟。

2015 年 2 月演示的成功以及自 2014 年 1 月以來所有與UTACC 相關的探索性研究工作獲得了尊敬的雷-馬布斯（海軍部長）和凱文-基里亞準將（MCWL 總司令）的關注。在2015年海空博覽會期間，兩位領導人討論了UTACC的價值。馬布斯的評論側重于創新，他說UTACC計劃的成員 "開發了一種無人地面飛行器與無人空中飛行器無縫通信、自主識別目標并執行任務的方法"（馬布斯，2015年，第7頁）。Killea 的評論集中于 UTACC 作為戰場自主性的下一個層次為戰場帶來的戰術價值（Tucker，2015 年）。Killea 進一步解釋說："無人系統必須認識到他們被告知要做什么，制定計劃，然后執行對任務要求的共同理解......海軍陸戰隊操作員告訴無人系統做什么，而不是怎么做。這樣，操作員就可以騰出手來處理其他任務，而自主系統則可以共同協作完成手頭的任務"（Tucker，2015 年，第 1 頁）。

B. 主要結論

1.在有足夠制圖和傳感器數據的條件下，UTACC 的早期階段可完全設計為一種規劃工具。海軍陸戰隊規劃流程中的許多任務和過程都屬于常規性質，可以實現自動化。盡管強調自動化，但作者認識到在特定的關鍵點上仍需要人工輸入和監督。

2.UTACC 軟件應完成約 80% 的規劃，并允許人工完善最后 20% 的規劃。

3.任務規劃自動化的一個風險是會損失人類在規劃過程中獲得的隱性知識。可以通過使用 3D 演練和虛擬演練來降低這一風險。

4.支持UTACC行動概念的許多技術已經存在，盡管還處于起步階段。應立即開始行動，了解當前技術存在的問題，并不斷發展以適應技術的進步。

5.在計劃和執行模型中，明確的反饋回路是必要的，這可以讓機器組件補充人類的自然思維過程。

C. 對未來研究的主要建議

1.UTACC是一個模塊化的系統（SoS）。未來的研究工作需要利用這種模塊化設計，納入更多的任務、條件和威脅。

2.通過度量解決能力差距問題對于了解UTACC的戰術價值至關重要。這種分析應比較UTACC輔助單位與非UTACC輔助單位在執行任務中的表現。通過這一過程，應開發出評估人機協作的新指標。

3.未來研究應解決共同行動圖像（COP）管理和融合方面的挑戰。這項研究應解決以下方面的挑戰：大數據管理；信息過濾；信息推與拉；共同行動畫面顯示硬件選擇；以及聯合/機構間共同行動畫面融合。

4.如果從一開始就不考慮系統的安全性，UTACC 將無法完成任何任務。使用保密性、完整性和可用性（CIA）三要素，通過人員、操作和技術（Batson & Wimmer，2015 年）的視角完成了初步的威脅和漏洞評估。未來的工作應在這一初步評估的基礎上進行擴展。

D. 結論

UTACC是一個有效的探索性研究領域，它研究了未來海軍陸戰隊中人與機器組件之間協作自主的概念。本論文是企業級潛在的更大規模倡議的第一批種子之一。成果摘要是討論UTACC戰術價值的起點。對進一步研究的建議說明了協作自主的復雜性。盡管UTACC能力的實戰化面臨無數挑戰，但利益相關者必須始終牢記，UTACC的概念是利用機器人技術提高海軍陸戰隊的戰斗力。

這項研究的目的是定義對手作戰方案支持數據模型，以及它與自動白方（TAWC）的關系，后者是一種理論上的先進規劃輔助結構。新提出的作戰概念依賴于較小規模的集中式兵力，需要處理的信息可能更多。這種模式迫使兵力領導者依靠更直觀的決策和/或使用技術來支持傳統上由人類完成的分析功能。要使新技術為規劃做出重要而可靠的貢獻，軟件開發人員必須考慮到條令流程，如 "作戰空間情報準備"（IPB）。軍事出版物中蘊含著無數年的經驗，而將減少不確定性的條令模型映射到領先技術的文獻卻很少。本論文探討了流程如何導致發現，從而減少戰斗空間中的意外情況。

海軍任務規劃器（NMP）是一種基于優化的作戰計劃工具，適用于設計海軍部署的各級決策者，從戰區級計劃到單個航母打擊群（CSG）或驅逐艦中隊（DESRON）。調度人員的任務過多，卻沒有足夠的艦艇來完成這些任務。該輔助決策系統采用多任務能力艦艇，在給定的規劃范圍內將其分配到任務中，目標是最大限度地提高完成任務的總價值，同時考慮到任務集的地理位置以及艦艇的能力和局限性。以前的版本使用獲得許可的商業軟件和求解器進行優化，并對可供選擇的艦艇部署進行有限的列舉。本論文的重點是通過使用開源軟件和求解器，使所有海軍人員都能使用海軍任務規劃器。此外，它還在優化過程中提供了持久性，允許調度人員在規劃期限內重新配置計劃，并將對之前公布的計劃的改動降到最低。我們還開發了兩種部署規劃方法，即隨機路徑枚舉和網絡流表述，這兩種方法都提高了海軍任務規劃器的任務完成水平。此外，我們還創建了一個 "兵力比護航"參數，允許非作戰艦艇在多艘具備防御能力的艦艇護航下通過危險區域。

執行總結

海軍任務規劃器（NMP）是一個基于優化的決策支持系統，適用于從海上聯合部隊作戰指揮官（JFMCC）作戰視角到驅逐艦中隊（DESRON）和航母打擊群（CSG）戰術視角的各級海軍規劃決策者。在考慮到多艘艦艇、它們的多種任務能力以及從一個地理區域轉運到另一個地理區域所需的時間之前，在整個規劃范圍內規劃任務已經是一項極具挑戰性的任務。我們還必須考慮到任何需要與支援任務同時完成的前提任務。確定后勤支持，預測在同一規劃范圍內何時何地艦船需要更多燃料和其他補給，也是一項挑戰。這對于 JFMCC 或海上行動中心 (MOC)、DESRON 或 CSG 來說，仍然是一個人工和耗時的過程。

NMP 接收用戶輸入的信息，包括任務、地理區域、可用艦船、綜合任務能力、按任務和艦船能力劃分的商品消耗率。NMP 將有能力的艦船分配到執行任務的地區，從而最大限度地提高完成任務的總價值。NMP 包括一個作戰后勤部隊（CLF）規劃要素，能夠跟蹤艦艇的物資水平，并就何時何地與客戶艦艇開展海上補給（RAS）活動提出建議。NMP 還提供護航和近距離護航選項，允許非戰斗艦艇由防御戰斗艦艇護航，可以是同一區域的一艘防御艦艇護航所有非戰斗艦艇（護航），也可以是同一區域的防御艦艇和非戰斗艦艇一對一護航（近距離護航）。

本研究探討了改進 NMP 的方法，即從未獲批準在海軍陸戰隊互聯網（NMCI）計算機、保密互聯網協議（SIPR）計算機或其他保密網絡上使用的昂貴的特許專有軟件轉向開源軟件。通過將 NMP 轉換為開源代數建模語言，我們消除了所有成本，而且該軟件已被批準或可被批準在安全計算機上使用。求解器也從特許優化軟件轉為開源混合整數編程求解器。

我們還將研究如何改進船舶在區域之間的轉運方式，并增加一種對之前公布的時間表影響最小的時間表變更方式。

NMP 以前計劃從一個區域到另一個區域的船只部署的方法涉及基于堆棧的部分枚舉，這限制了船只探索區域的多樣性。在這項研究中，我們將重點放在通過兩種額外的方法來改變這種區域間探索的多樣性。第一種是隨機路徑生成法；與基于堆疊的部分枚舉法類似，這種方法為每艘戰艦生成一定數量的部署路徑。但是，船只的部署路線是隨機的，這就增加了船只交替路線的多樣性。隨機路徑生成通過增加完成任務的數量來改進 NMP，并通過讓艦船到達 RAS 事件所需的位置來大大減少對商品消耗的懲罰。

我們的第二種方法在 NMP 中添加了網絡流部署模型，允許艦船探索從區域到區域的所有可能路線。與其他路由模型相比，網絡流大大縮短了 NMP 的運行時間，并為我們提供了一個接近最優甚至是最佳的解決方案。我們將隨機路徑生成和網絡流部署模型與基于部署堆棧的枚舉法進行了比較，在我們的韓國行動區域場景中，我們有 695 項任務需要在 15 天的規劃期限內完成。

這項研究專門為航空母艦或兩棲攻擊艦增加了額外的護航功能，因為它們在一個區域內需要不止一次護航。這種兵力配比要求每艘非戰斗艦艇在通過高危區域時都要由多艘具備防御能力的艦艇護航。我們在 NMP 的一個新場景中測試了這一功能，即一支從關島經菲律賓海前往菲律賓宿務的有防御能力的 CLF 護航艦隊。

最后，這項研究為 NMP 增加了優化的持久性，這一調度功能允許用戶在規劃期內隨時隨地增加或減少任務和/或艦船，并且只需對原有調度進行少量修改即可完成任務。這極大地減少了因命令過多艦船進行過多計劃調整而造成的動蕩、信息傳遞和混亂。

隨機部署路徑生成、網絡流部署模型和持久性的加入使 NMP 有了顯著的改進。隨機部署路徑生成顯示，在某些情況下，目標函數的增幅高達 45%，而對 500 萬條可能路徑的采樣率不到 1%，即對 1,058,826,559,993 條可能部署路徑的采樣率為 0.000019%。我們的網絡流部署模型探索了超過一萬億條可能的部署路徑，取得了最佳結果，使我們在某些情況下的目標值提高了 50%。與基于堆棧的枚舉法和隨機路徑生成法相比，網絡流部署模型的求解時間最快，大多數場景的求解時間都在一小時之內。

在作出魚雷裝載決定時，規劃者必須考慮不同反潛戰（ASW）單位的能力和實力、有限的預算和不同的對手潛艇艦隊。目前，Mk-54輕型魚雷的裝填決定是人工做出的，而且沒有一個系統的方法來處理威脅的不確定性。這項研究試圖通過使用隨機優化來確定美國水面艦艇、固定翼飛機和直升機上裝載魚雷的類型和數量，從而為這些決策提供參考，以面對不確定的潛艇威脅，達到預期的殺傷概率。開發了兩種魚雷分配隨機優化模型（TASOM）的配方： TASOM-1，最小化錯過的潛艇數量；TASOM-2，最小化殺傷概率閾值以下的偏差。為了顯示隨機編程方法比典型的確定性規劃的價值，提出了一個概念性案例，旨在代表一個行動，即反潛部隊在一個區域內巡邏對手的潛艇。隨機生成100個威脅場景，其中部署在該地區的潛艇的數量和級別各不相同。TASOM-2的裝載量明顯優于確定性的平均裝載量。所提出的模型與可訪問的用戶界面相結合，為規劃者提供了一個決策輔助工具，以進行敏感性分析，指導不確定情況下的魚雷分配和預算決策。

反潛戰（ASW）被定義為 "為了不讓敵人有效使用潛艇而進行的行動"（參謀長聯席會議2021年，第IV-10頁）。這些行動包括定位、跟蹤和消滅敵人的潛艇。這項研究的重點是最后一項任務。隨著對手繼續現代化和增長他們的潛艇艦隊，尋求以最佳方式為美國海軍的反潛平臺配備能夠有效瞄準這些潛艇的武器。

A. 背景情況

ASW主要由海上巡邏機、水面作戰艦艇及其搭載的直升機和潛艇執行。通信限制和水域管理要求通常使潛艇無法與其他類型的平臺協同作戰。假設友好的潛艇將在不與水面和空中資產重疊的區域進行反潛作戰。本報告將不進一步討論潛艇行動。

巡洋艦和驅逐艦都可以從其水面艦艇魚雷發射管（SVTT）和垂直發射反潛火箭（ASROC）系統中發射輕型魚雷。

P-8 "海神 "是一種多任務海上巡邏機。在進行反潛作戰時，它可以配備輕型魚雷，用來對付對手的潛艇。與水面平臺相比，P-8在搜索潛艇時可以覆蓋更大的區域，并且可以在沒有敵人魚雷的威脅下進行交戰。一個P-8中隊由六或七架飛機組成，一個分隊由四或五架飛機組成。中隊和分隊可以在世界各地的美國、盟國和合作伙伴的空軍基地進行部署和行動。

MH-60R海鷹直升機與P-8一樣具有水面平臺的優勢，但可以攜帶較少的魚雷，作戰范圍也短得多。MH-60R分隊可以搭載在Flight IIA阿利-伯克導彈驅逐艦、提康德羅加導彈巡洋艦、獨立和自由級瀕海戰斗艦以及航空母艦上。驅逐艦、巡洋艦和瀕海戰斗艦最多可以搭載兩架MH-60R。

美國海軍必須準備好面對一個非常多樣化的威脅。根據Janes（Janes 2021a）的說法，俄羅斯海軍有27種。

俄羅斯等潛艇艦隊組成的分歧給國防規劃帶來了復雜的挑戰。

Mk-54輕型魚雷可從水面艦艇上的SVTT和ASROC系統發射。在進行反潛作戰時，它也可以被裝載到MH-60R和P-8上。考慮分配由0型、1型和2型變體組成的魚雷庫存。

B. 技術現狀和動機

在這項研究中開發的模型是具有追索性的兩階段隨機模型。具體來說，在第一階段（武器分配）將魚雷分配給反艦導彈部隊，在第二階段（武器目標分配，WTA）將魚雷分配給潛艇。武器分配決定往往是在不完全了解威脅的情況下做出的，這就促使了隨機優化和模擬。

自從Manne（1958）提出WTA問題以來，在武器分配和WTA方面已經做了大量工作。佩奇（1991）開發了一個混合整數編程模型，以獲得火炮系統和彈藥的最佳組合。Jarek(1994)利用模擬得到空戰所需的艦載防空導彈的數量。Tutton（2003）開發了一個使用隨機優化的傳感器分配模型，在不確定的敵方作戰順序下將搜索包分配給目標。Avital（2004）開發了一個兩期的隨機供應鏈模型，以確定在不確定的目標需求下，應該采購多少反艦巡航導彈以及如何分配這些導彈。Uryasev和Pardalos（2004）表明，與隨機對應的決定性武器分配決策相比，缺乏穩健性。Buss和Ahner（2006）開發了一個戰斗模擬，稱為DFAS，用于評估軍隊的未來戰斗系統（Havens 2002）。DFAS是一個離散事件模擬，代表實體運動、探測和武器效果事件。它還包括定期優化，以修訂WTAs。Hattaway（2008）通過考慮雷達和電子傳感器以及海軍軍械，將DFAS調整為海戰應用。Laird（2016）考慮了混合武器，以分配對抗來自空中、地面和地下的蜂群威脅。Cai（2018）使用基于代理的時間階梯式模擬，為城市環境中的進攻行動找到精確和區域火炮彈藥的有效組合。Brown和Kline（2021年）考慮了任務覆蓋范圍而不是目標交戰，以確定VLS艦的最佳武器裝載。不同類型的導彈，每一種都用于不同的任務（打擊、防空或反潛戰），可以被容納在VLS單元中。Adamah等人（2021）建立了一個非線性優化模型，用于確定分配給進行反潛作戰的潛艇的Mk-48重量級魚雷的類型和數量。Templin(2021)考慮了以啟發式方法解決的WTA問題的衍生物，其簡化的假設是只有一個目標要參與。研究的重點是為發射政策提供信息，特別是對威脅使用的導彈的數量和類型。

在上述文獻中的武器分配模型中，與本研究有關的是，注意到Page（1991）和Avital（2004）都使用了指揮官指定的期望成功的閾值；然而，他們在模型中著重于最小化武器成本，并將目標視為總需求。Jarek（1994）和Cai（2018）的模擬為所需的總導彈或彈藥組成提供了一般建議，但沒有提供可作為可操作的裝載計劃的閉合式解決方案。Tutton（2003）的模型將傳感器分配給單位，這與魚雷分配不同，傳感器不在目標上消耗（使用后）。Brown和Kline（2021）考慮的是任務覆蓋范圍，而不是目標，這對問題來說不是一個合適的方法，因為魚雷的使用只是為了與對手的潛艇交戰（或反擊對手的潛艇魚雷）。只有Adamah等人（2021年）涉及魚雷作為武器類型；然而，他們的模型是非線性的，也沒有推薦一個考慮到多個目標的魚雷裝載計劃。

另外，除了DAFS，上面審查的WTA模型只考慮一個射手。雖然希望對不確定的威脅進行計劃，在一個場景中出現不同類型和數量的目標，但Uryasey和Paradalos（2004）對一個場景進行計劃，但對武器的殺傷概率不確定。和其他的模擬工作一樣，DAFS（Havens 2002；Buss和Ahner 2006；Hattaway 2008）并沒有提供一個關于武器應該如何分配給目標或分配給單位的閉合式解決方案。Laird（2016）和Templin（2021）都是為給定的威脅做計劃，并沒有考慮到威脅情況下的任何不確定性。

盡管在武器分配和指派模型方面有大量的文獻，但注意到大多數模型沒有使用隨機優化。此外，目前，魚雷的裝載決定是由人工做出的。這項研究的目標是利用正式的數學優化來幫助魚雷分配決策。具體來說，隨機優化將使決策者能夠對不確定的威脅進行規劃。對威脅構成的不確定性進行規劃是現實的，因為通常情況下，必須在發現敵方潛艇或甚至部署反潛部隊之前作出裝載決定。

無人駕駛地面車輛（UGVs）可用于軍事領域，以減輕士兵承擔的風險，以及為體力要求高、枯燥或危險的任務提供解決方案。雖然使用UGV有好處，但也有需求和限制。本論文探討了最終用戶--瑞典武裝部隊的一個輕步兵營--對于為城市地形中的軍事行動而設計的UGV在功能方面的要求。這是通過一個帶有焦點小組的探索性案例研究來完成的，來自第31游騎兵營的士兵和軍官使用兩種不同的UGV原型來完成任務。隨后是半結構化的小組討論，探討了需求、限制和要求。然后，通過主題分析方法對收集的數據進行分析。

主題分析的結果發現，焦點小組的要求有幾個重復出現的意見。這些要求被分為四類：（1）速度，（2）用例，（3）圖像生成的傳感器，以及（4）自主功能。總之，本論文在四個類別中共確定了13個需求。總而言之，這些要求意味著用于城市地形的軍事行動的UGV必須能夠跟上沖刺的士兵，提供視覺掩護，能夠與附近的物體互動，有幾個高質量的傳感器和強大的自主功能，使士兵能夠專注于控制UGV以外的其他事情。

許多國家都使用了像“三角洲” (Delta) 這樣的作戰管理系統（BMS），包括烏克蘭，使指揮部能夠共享態勢感知信息；本研究的重點是信息在作戰網絡中的分配。與自然系統類似，螞蟻和蜜蜂等自主代理遵循一套簡單的規則，BMS是一個由基地和電子作戰平臺組成的網絡，在國防條令的指導下，軍事資產作為網絡內的智能體。這種系統的可操作性的原理是基于多個子系統相互作用時每個子系統都是可靠的。然而，潛在相互作用的排列組合會引起不可預測的負反饋或正反饋循環，導致不可預測的和不想要的結果。突現行為的結果是出乎意料的，有時在情報和無線網絡等領域是不受歡迎的。理解突發行為對于理解復雜的工程系統是勢在必行的，并且要提出新的見解，采取切實可行的措施來改善復雜系統的設計和分析。本文介紹了BMS和網絡與用戶定義的系統集成的網絡士兵概念的例子。作者認為，烏克蘭和其他軍隊可以直接從利用元控制論、元元系統模型分析來控制突現。

圖2：作戰管理系統（BMS）的集中式指揮通信網絡

長期以來，系統工程師一直在努力識別和理解作戰環境中的系統行為。系統建模語言（SysML）是一種圖形語言，在系統工程師中使用，用于向各利益相關者傳遞系統設計的細節。蒙特雷鳳凰（MP）是一種行為建模方法和工具，利用輕量級的正式方法和語言來生成圖表，并顯示預期和意外的突發系統行為。通過對SysML和MP行為模型的系統分析，本研究提出了在未來版本中改進MP以適應SysML的建議。將MP的范圍完整的事件跟蹤生成合并到SysML兼容格式的能力將為美國防部的采購過程提供巨大的洞察力和好處。這項研究的結果包括對MP圖的幾個簡單補充，使其更好地符合SysML標準，同時保留MP在設計過程中早期識別突發行為的能力，在系統設計特征被制造或測試之前就可以解決風險。

長期以來，系統工程師（SE）一直在努力識別和理解操作環境中的系統行為。系統工程師工具箱中的一個主要工具是使用系統建模語言（SysML）行為圖。這些圖包括活動圖、序列圖、狀態機圖和用例圖。它們允許SE繪制出系統的子系統（或組件）、操作環境（包括任何外部系統）和系統操作者的預期互動關系。

SysML是一種圖形化的語言，在系統工程從業者中被用來向各利益相關者傳遞系統設計的細節。這種語言有一個詞匯和語法結構，適用于其所有的圖表類型。它要求建模者對系統的功能、使用方式、操作環境以及操作者如何使用系統有深入的了解，以便正確地映射行為。人們普遍認為，行為圖的好壞取決于SE對系統的理解以及他們對系統行為方式的固有偏見。

Monterey Phoenix (MP)是一種行為建模方法和工具，利用一種由精確的邏輯和數學符號組合而成的輕量級正式方法和語言來生成圖表和顯示系統行為（NPS Wiki n.d.）在MP中建模系統行為需要建模者定義系統、環境和終端用戶所包含的事件之間的關系。然后，這些關系被自動顯示在一組稱為事件追蹤的圖形模型中。MP在單獨的事件追蹤中生成所有可能的關系組合，這將有助于SE識別操作環境中的突發行為。MP也能夠生成被建模的系統的活動和狀態機圖。然而，目前工具的圖形輸出并不符合SysML。

這個頂點項目的主要目標是通過確定這兩種圖形語言之間的重疊和差距，促進或阻礙一種符號和另一種符號之間的自動轉換，從而推動系統工程界對SysML和MP行為模型的理解。MP能夠根據建模者定義的關系生成范圍完整的事件跟蹤圖（類似于SysML的序列圖），這是目前生成SysML行為圖的工具所缺乏的能力。

為了彌補行為建模語言的這一缺陷，我們為兩個案例研究系統開發了SysML和MP行為模型；自動地面防撞系統（Auto GCAS）和槍支安全模型（FSM）。自動地面防撞系統是戰斗機的一項安全功能，旨在防止地面碰撞。FSM模擬射手和槍支之間的相互作用。之所以選擇每一種，是因為其對系統行為建模的適用性，并且可以在不同類型的行為圖之間進行一對一的比較，對兩種建模語言進行比較。活動圖、序列圖和狀態機圖都是以符合SysML的格式為Auto GCAS和FSM生成的。然后將從MP模型中生成的等效圖與SysML圖進行比較。雖然MP圖形語言缺乏SysML的視覺詞匯，但MP模型中包含的信息能夠被格式化以符合SysML。

該小組系統地確定了兩種圖形語言之間的符號差異和相似之處，并為在未來的版本中改進MP以適應SysML兼容的圖表生成提供了建議。對比MP事件追蹤和SysML順序圖，共發現了它們之間的四個差異，并提供了四個改進MP事件追蹤發生器的建議。接下來，對MP和SysML活動圖進行了比較，共發現了5個不同點和4個相同點，并提供了5條改進建議。最后，對MP和SysML的狀態機圖進行了比較，發現在概念就業方面有三個很強的相似之處，在圖形符號方面有三個微小的差異，并為改進MP的狀態機生成提供了六個建議。在整個研究活動中，Model Wreckers還為未來的工作確定了三項建議，以改善用MP建模系統行為的能力和整體用戶體驗。

將MP的范圍完整的事件跟蹤生成合并到一個符合SysML的格式中的能力使國防部的采購過程有很大的洞察力和好處。通過能夠在設計過程中更早地識別潛在的突發行為，風險可以在系統設計功能被制造或測試之前被解決。在對物理設計方案進行原型設計和測試后，糾正或減輕突發行為的成本會大大增加。這項研究使SE界在利用MP產生的、熟悉的SysML符號的突發行為方面又前進了一步。