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海洋環境中的防空是保護友軍海軍資產免受空中威脅。為了最大限度地減少對被防御資產的威脅,需要將稀缺的防御資源優化分配給目標。靈活的指揮和控制功能是處理防空事件動態性質的必要條件。須確保單艦或特遣艦隊防空環境中傳感器和武器之間的協調和自動化。為了在決策自動化方面提供有效的決策支持,艦艇指揮控制系統需要采用快速高效的算法。

艦艇防空規劃(NADP)問題包括艦艇的機動決策以及針對威脅分配/調度武器和傳感器,從而使友軍部隊的總預期生存概率最大化。NADP 問題可定義為武器目標分配(WTA)問題的一個特定版本,自 20 世紀 50 年代以來,已有文獻對該問題進行了廣泛研究。與其他研究相比,NADP 問題包含了新的特征,使問題的定義更加現實和適用。它還涉及傳感器分配要求、武器/傳感器盲區、取決于序列的設置時間和艦船雷達信號。

本文的目標是開發精確/啟發式求解方法,為 NADP 決策自動化提供快速高效的決策支持。論文提出了 NADP 問題的混合整數非線性規劃 (MINLP) 模型,并針對靜態和動態問題開發了啟發式求解方法。計算結果證明,這些啟發式方法在解決 NADP 問題時既快速又高效。

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相關內容

人工智能在軍事中可用于多項任務,例如目標識別、大數據處理、作戰系統、網絡安全、后勤運輸、戰爭醫療、威脅和安全監測以及戰斗模擬和訓練。

威脅改變形式和特征的速度與陸軍改造能力的適應速度之間的差距,清楚地凸顯了陸軍轉型過程中所面臨的困難。

為了應對陸軍面臨的作戰挑戰,需要持續不斷地進行現代化改造。技術發展的極快速度和不斷變化的全球戰略環境加劇了這種狀況。

因此,陸軍必須有效采用能夠盡可能預測未來需求的組織流程,并提供能夠在戰略層面提高對實施適當轉型過程必要性認識的有效解決方案。陸軍迫切的轉型需求可以用圖 1 中的模型來表示。該模型結合了國家經濟增長(Y 軸)、陸軍與其他武裝力量的一體化水平(Z 軸)和國防愿景水平(X 軸)。當形狀規則時,模型顯示的是一個處于平衡狀態的系統,而當形狀不規則時,模型則突出了關鍵領域。

目的

本研究旨在指導陸軍轉型的長期進程。它將成為以下方面的主要概念參考

  • 通過提出塑造未來陸軍的功能概念,指導未來的適應性研究;
  • 假設未來可能的需求,以支持陸軍在不久的將來(2035 年后)的作戰活動, 整個文件的目的是概述意大利陸軍未來所需的能力發展,通常是在北約范圍內。

目標

本文件是陸軍開展的概念性工作的一部分,其目的是界定和確定主要行動者以及陸軍可能需要在其中行動的未來環境的性質。

因此,本文件的目的是描述假設情景和陸軍將面臨的主要挑戰。目的是找到可能的解決方案,以推動支持國防的能力發展進程。

本文件介紹了未來指揮官為更好地應對 "陸軍指揮官面臨的新挑戰 "而必須面對的各種論題及其影響。

方法

本文件將使用北約 "全球戰略趨勢分析 "文件和 "戰略前瞻分析 "文件中已確定的要素,同時還將引入復雜環境中的遠見方法要素,特別是規劃情景。

這項研究(也考慮到了作為遠見方法一部分的尋路方法)不僅考慮了分配給陸軍的主要任務,還考慮了戰略趨勢(地緣政治、人口、技術、經濟和環境)的演變。它希望勾勒出未來陸軍必須保持實質性優勢的領域。

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本研究探討了如何將移動與機動這一在動能環境中行之有效的作戰功能應用到網絡領域。復雜的網絡應對措施,如屬于移動與機動(M&M)戰術的應對措施,可用于防御性網絡作戰(DCO),使網絡更加敏捷、靈活和堅固,以抵御攻擊。然而,由于此類網絡的靜態性質、對特定設備專業知識的需求以及進行網絡更改所需的人員組織協調,傳統能力使 M&M 戰術難以實施。

為解決這一問題,建議使用軟件定義網絡(SDN)來實施網絡移動和機動(網絡 M&M)行動。SDN 具有多種功能,有助于支持各種防御性網絡移動和機動戰術,如防火墻、節流、中間人、重定向和源隱藏。在這項工作中,利用 SDN 設備將數據包移動引導到一個單獨的設備,該設備可提供有針對性的網絡防御響應(機動)。為便于共享網絡 M&M,開發了一種經過修訂的開放式指揮與控制(OpenC2)SDN 方案,該方案特別適合網絡響應的需要。采用標準化模式的動機是以一種與設備無關的方式促進盟友之間的網絡響應通信。這項工作的成果已與技術合作計劃(TTCP)社區分享,作為網絡感知與執行(NWSE)活動的一部分。

圖 5:網絡 M&M 防御架構選項:上圖:直接驅動,中間:間接驅動,下圖:帶代理的間接驅動。

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問題

情報、監視和偵察(ISR)行動的目的是收集信息并將信息提供給操作人員,而操作人員則需要就戰區內的各種行動方案做出具體決策。可以肯定的是,ISR 行動是技術密集型的。但與此同時,ISR 行動也是一個非常以人為本的過程。盡管如此,在 ISR 概念開發和評估(CD&E)過程中卻很少甚至根本沒有進行人為因素(HF)研究。通過研究新的 ISR 技術和概念在各種作戰環境下對操作人員表現的影響,研究人員可以提供更加科學嚴謹的建議,為高層政策制定者和決策者提供有關未來 ISR 技術和能力的信息,這些技術和能力適用于所有 ISR 環境:空中、海面、地下和太空,貫穿國內、盟國和整個政府(WoG)的合作關系。因此,HF研究方法應成為任何 ISR CD&E 流程的組成部分,以便為 ISR 指揮系統各級的政策和決策者提供信息和建議。

目的

北大西洋公約組織(NATO)研究與技術組織(RTO)人為因素與醫學(HFM)小組任務組(研究與技術組(RTG)-276 NATO RTG HFM-276)"人為因素與 ISR 概念開發與評估 "的成立是為了確定和了解對有效的 ISR 行動至關重要的HF問題。更確切地說,這項開創性工作的目標是 (1) 確定對有效的 ISR 行動至關重要的HF問題(如態勢感知 (SA)、工作量、組織結構、協調和協調機制、可視化、信任、信息共享和管理、領導力和決策);(2) 使用行為理論模型來制定我們的研究方法并理解我們的研究結果;(3) 就在 ISR CD&E 行動中使用和實施HF研究提出建議。

范圍和限制

基于并擴展最初由北約 HFM-163 RTO 小組開發的軍事組織效能模型,北約 HFM RTG-276 小組的工作范圍是確定并了解對 ISR 行動至關重要的HF問題。為此,小組決定于2018年6月11日至2018年6月26日在德國Einsiedlerhof的美國空軍歐洲(USAFE)戰士準備中心(WPC)的 "北約2018聯合愿景"(UV18)試驗模擬內開展關于聯合ISR(JISR)作戰效能的研究。此外,小組還在 2019 年 5 月于芬蘭舉行的 "大膽探索 2019"(BQ19)演習中進行了類似研究。

結果、對北約的意義和實際影響

北約 HFM-276 任務小組使用組織有效性模型制定了一套調查,以確定和了解對有效的 ISR 行動至關重要的HF問題。該模型的核心是由任務分配、收集、處理、利用和傳播(TCPED)組成的聯合監查制度流程。從這一模型和其他來源得出的數據收集計劃審視了一些HF問題在整個 ISR 行動中的作用:基本HF知識、態勢評估、工作量、組織結構、信任、信息共享、信息管理、領導力、文化、組織流程、組織靈活性、共同意識和責任、協調和協調機制、決策、能力、情報需求管理(IRM)、通信、元數據和應用系統。所有這些HF因素都將影響 ISR 的作戰概念,并影響操作人員的績效。此外,本文還總結了改進北約和非北約行動 ISR CD&E 流程的一些實際意義,重點是開發應納入 ISR CD&E 流程的HF研究方法。這種HF方法就像 ISR 概念開發的技術和程序質量控制部分。預計研究結果將有助于為 ISR 指揮系統各級的政策和決策者提供信息和建議,以加強北約 ISR 規劃、任務執行和能力發展方面的信息和決策優勢。預計研究結果還將有助于為 ISR 與其他聯合進程(如聯合目標定位)的整合提供信息,以確定當前與 ISR 有關的HF差距以及與其他進程的整合。

理論框架

在本節中,我們將為監委會的HF行動提供一個高層次的理論框架。廣義上,理論可以理解為在一組邊界假設和約束條件下對概念間關系的陳述,因此我們對一般假設、約束條件和概念及其與我們框架的關系進行了劃分[1]。我們認為我們的理論框架由三個關鍵概念組成:1)監委會進程;2)各種HF變量;3)產出因素。本節關注的是這些概念之間的關系,以及它們之間關系的支配因素。各節詳細介紹了監委會進程的理論和分析、各種HF因素的影響及其對產出因素的影響。各節還深入介紹了與各小節相關的方法。

人們提出了不同的組織流程方法,如輸入-中介-輸出框架、輸入-中介-輸出-輸入框架以及受結構化啟發的流程框架[2, 3]。從廣義上講,這些方法既包括目的論和順序論的觀點,即假定有明確的目標來指導行動以產生特定的結果,也包括更具突發性的變革觀點,即人類在其中工作的結構會影響其他結構中的人類,并受到其他結構中人類的影響[4]。

我們認為,作為一個基本假設,在聯盟背景下開展的監委會聯合審查進程并不容易采用上述任何一種模式:相反,它是一個預先計劃和設計的順序進程與突發進程的混合體[5]。一方面,有正式定義的程序、理論、戰術、技術和流程(TTP),如《支持北約行動的聯合情報、監視和偵察程序》(AintP)和《作戰命令》(ORBAT);另一方面,也有包括特定節點在內的工作流程的實驗。這表明,我們的研究一方面要對 TTPs 的影響保持不可知論的觀點,另一方面要對執行聯合監查制度時的行動和對這些 TTPs 的看法保持不可知論的觀點。因此,我們的理論框架包含兩種相互作用的兵力:計劃行動和突發行動。計劃中的監委會審查和執行中的監委會審查之間的區別既體現在實驗計劃和實際實驗/演習執行之間的對立,也體現在計劃中的監委會審查行動和執行中的監委會審查行動之間的緊張關系,執行有時甚至是動態的。我們認為,計劃與執行動態之間的矛盾對于理解HF如何影響聯合監委會至關重要。應建立人類決策和協作機制,確保北約的聯合監委會從預先計劃順利過渡到動態執行。

更具體地說,我們的模型試圖將聯合監委會合作的線性和非線性軌跡結合起來。從順序計劃的角度來看,該模型的核心是聯合監委會流程,其中的 TCPED 階段可視為構成伯克等人[6]團隊適應模型的不同階段: SA、計劃制定、計劃執行和團隊學習(可以是評估收集處理、利用和傳播(CPED)是否有助于解決任務)(見下圖 1)。單個 PED 單元的這種相對線性的團隊流程也應結合其在多團隊系統中與其他團隊(單元)的協作來看待,即多個團隊為實現共同目標而集成工作[7]。涉及多個 PED 單元的聯合 PED 對于確保收集必要數據以獲取可采取行動的情報尤為重要。我們預計,由于不同的原因,計劃中的監委會審查流程可能并不總是按照預期的計劃方式可行。例如,從任務的角度來看:一個 PED 單元在執行任務期間的實際工作量可能會嚴重影響其參與整個聯盟聯合監 督和報告進程的能力。北約的事先規劃可在一定程度上減少這一因素,但不能完全消除不確定性。其他一些因素也可能對事先規劃的聯合監查制度進程構成挑戰:如各 PED 單元的動機、經驗、對任務的不同理解程度等。因此,我們認為HF的影響不僅與在單個小組內實現聯合監委會進程的總體目標有先后關系,而且在很大程度上以其他無意方式影響了北約的整體聯合監委會進程。另一方面,所述的監委會進程不一定會因這些障礙而改變,因為這可能取決于多個國家政策、執行和評估小組內部和之間協調和信任的有效性。

在不同的章節中,我們闡述了個人和人際因素、組織因素、文化因素、任務因素、系統因素和團隊因素如何影響聯合監委會。這些輸入因素預計會影響監委會的程序及其在監委會內部以及向外部組織要素(如聯合目標或情報界)提供可用結果的能力,進而影響諸如共享情況意識、數據分析、信息共享和決策以及任務完成的準確性和速度等輸出因素。圖 1 描繪了輸入和輸出因素之間的擬議聯系;該圖概述了本報告研究的所有因素。藍色和帶下劃線的因素是經過實證研究的因素。在隨后的章節中會有更詳細的理論介紹,其中還包括更詳細解釋一般模型中提出的各因素之間擬議相互關系的模型。

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高超聲速導彈仍需克服技術挑戰

基本挑戰涉及管理高超音速導彈在大氣層中以超過五倍音速(5馬赫)的速度飛行所暴露的極端熱量。(對于在大氣層中以較低速度飛行的巡航導彈和主要在大氣層上方飛行的彈道導彈來說,高熱是一個較小的問題)。廣泛的飛行測試是必要的,以保護高超音速導彈的敏感電子器件,了解各種材料的性能,并預測持續溫度高達3000華氏度時的空氣動力學。測試正在進行中,但近年來的失敗已經推遲了進展。

高超音速導彈和彈道導彈都非常適合在潛在對手的反介入/區域拒止區內作戰

美國防部已經制定了一項戰略,在沖突早期使用精確的高速導彈,以化解潛在對手,如俄羅斯正在開發的反介入和區域拒止(A2/AD)能力。高超音速導彈和配備機動彈頭的彈道導彈都可以提供速度、精度、射程和生存能力(到達目標而不被攔截的能力),這在CBO考慮的軍事場景中是有用的。然而,許多任務并不要求快速打擊。對于這些任務,存在成本較低的高超音速導彈和彈道導彈的替代選項,包括亞音速巡航導彈。高超音速武器主要用于應對防御力強且時間極其敏感的威脅。

除非彈道導彈遇到高效的遠程防御,否則高超音速導彈在沖突中不會比具有可機動彈頭的彈道導彈更具生存能力

高超音速導彈可以抵消遠程(中程)防御系統,因為它們在大氣層內飛行,低于中程彈道導彈防御系統通常運行的高度。高超音速武器還能以不可預測的高速機動來對付目標附近的短程防御系統,使其更難追蹤和攔截。彈道導彈也很難防御,特別是如果它們配備了混淆中程導彈防御系統的反措施和擊敗短程導彈防御系統的可操縱彈頭。只有非常有效的遠程防御系統才有可能威脅到中途的彈道導彈。迄今為止,沒有任何潛在的美國對手部署過這種防御系統。

高超音速導彈的采購和部署成本可能比相同射程的機動彈頭彈道導彈多三分之一

CBO估計,購買300枚帶有機動彈頭的地面或海上發射的中程彈道導彈,并將導彈系統維持20年,將總共花費134億美元(按2023年美元計算)。CBO估計,同樣數量的可比高超音速導彈的成本將增加約三分之一,即179億美元。(這兩項估計都不包括通常與技術上具有挑戰性的項目有關的成本超支。) 高超音速導彈的較高成本部分反映了建立能夠承受高超音速飛行熱量的系統的復雜性。CBO的估計不包括導彈的研究和開發費用。

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隨著美國陸軍發展其在多域戰場上的競爭、威懾和制勝的理論,戰爭規劃者必須考慮互操作性的價值,以促進校準的部隊態勢。在歐洲,當考慮到俄羅斯構成的威脅時,俄羅斯反介入/區域防御武器的強大將限制美國陸軍前哨部隊的能力。為了克服這一不足,能夠與美國陸軍部隊習慣性地建立互操作關系的北約盟友最適合于促進調整部隊態勢。然而,完美的互操作性在北約聯盟內仍然難以實現。在與歐洲盟國合作時,了解并平衡互操作性的三個領域的美軍指揮官,最能激發出有效的、習慣性的、有說服力的互操作性解決方案。美國陸軍和盟軍部隊如果能夠在他們選擇的時間內再現有效的互操作性,就會直接加強校準部隊態勢的想法,在沖突期間提供前沿能力,并在競爭環境中推進盟軍的說法。

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指揮所的作用是為指揮官和參謀部提供理解。隨著戰場的發展,涵蓋了多域作戰,指揮所的規模和基礎設施也在不斷增加,以應對不斷增加的復雜性。今天的指揮所相當于小村莊的大小,在包含無處不在的情報監視偵察能力和傳感器的作戰環境中已經無法生存。為了適應不斷變化的環境,指揮所必須遷移到完全虛擬的環境中,以減少其特征,提供增加的容量,并在多域環境中的大型復雜人員之間提供一致的協作。

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對美國國防部(DoD)采購的武器系統進行嚴格的作戰測試(OT)是確保這些復雜的系統不僅滿足其既定要求,而且在面對使用其自身高能力進攻和防御武器的堅定對手時,在現實的作戰條件下也能發揮作用的根本。如果沒有足夠的OT,作戰指揮官將無法最有效地利用他們的能力,而作戰人員將對他們帶到戰場上的武器缺乏信心,或者,更糟糕的是,由于他們沒有從根本上了解他們的武器的能力和限制,可能無意中將自己置于危險之中。美國防部的測試和訓練場提供了地理、基礎設施、技術、專業知識、流程和管理,使安全、可靠和全面的OT成為可能。然而,靶場,以及使該系統發揮作用的有才能和有決心的靶場工作人員,正處于巨大的壓力之下。除非迅速采取行動解決長期存在和新出現的挑戰,包括測試能力、現代化、數字基礎設施、侵占和資源,否則國防部的靶場將無法在未來支持及時或充分的OT。

國家靶場基礎設施面臨的挑戰正在增加和加速。物質資源和勞動力的有限測試能力,測試基礎設施的年齡,測試先進技術的能力,以及侵占影響了告知系統性能的能力,綜合系統性能,以及測試的整體速度。對美國測試基礎設施的投資以及測試和評估(T&E)方法和數據處理的改變是必要的,以便為以與作戰需求相關的速度向戰場提供致命的、可生存的、可靠的和可負擔的武器系統提供信息。本研究借鑒了來自作戰、采購和測試背景的高級軍官和官員的證詞,以及測試和培訓專家、領先的技術專家、相關商業企業的領導人,以及在國防部和國會預算過程中有深厚經驗的個人。研究委員會對具有代表性的試驗場進行了虛擬和實際的實地考察;收集了試驗場在現代化、維持、操作和資源挑戰方面的意見;并審查了先前的研究和來自作戰測試與評估主任辦公室(DOT&E)、軍種測試組織和測試資源管理中心(TRMC)的報告。本報告提出了一系列相互依存的建議,委員會認為這些建議將使國防部靶場企業進入現代化軌道,以滿足未來幾年OT的需求。該報告強調了以下三個基本主題:

1.未來的戰斗將要求在聯合全域作戰(JADO)的環境下建立連接的殺傷鏈。美國防部設計、規定、開發和測試系統,以確保它們在這種新的現實中投入使用時是非常有效的,這是至關重要的。美國防部的采購流程、組織結構、測試方法和為測試單一領域的單個武器系統而優化的靶場基礎設施將不足以測試未來的綜合武器系統,因為它們將在跨越所有作戰領域(包括陸地、海洋、空中、太空和網絡空間)的機速戰爭中運行。

2.數字技術正在極大地重塑測試的性質、實踐和基礎設施。今天和明天的武器系統從根本上說是由數據和軟件促成的,美國防部的試驗場也不例外。自主性、人工智能(AI)和機器學習在整個國防系統中的重要性迅速增加,為OT創造了新的挑戰。此外,數字孿生和高性能建模與仿真(M&S)的出現使新的測試方式成為可能,甚至新領域和操作限制的組合使虛擬測試成為某些應用的唯一實用方法。

3.現場速度是今天衡量業務相關性的標準,而這又是一個不斷變化的目標。在許多基于數字、軟件和通信技術的全球擴散的推動下,美國的對手正在迅速和持續地部署新一代的武器,旨在否定美國的作戰優勢。同時,新的武器系統正在采用從未投入使用的技術,這些技術也在以摩爾定律所允許的速度發展。可用的武器系統被迅速投入使用,但也需要持續的測試和評估。

為了應對與這些主題相關的挑戰,委員會制定了結論和建議,分為以下五大類:

1.開發 "未來的靶場",在聯合防務環境中測試完整的殺傷鏈。靶場企業必須適應新的作戰概念和新的測試方法,以進行真實的作戰測試,這包括為系統集成測試和不同領域的多個靶場的互操作性提供有利的基礎設施。[建議3-1] 2.

2.調整靶場能力要求程序,以實現持續的現代化和維持。在保持嚴格的作戰測試和評估的同時,實現快速進入戰場,需要快速實現新武器技術和新威脅的靶場現代化。同時,關鍵能力需要保持,甚至增加,以確保所需的測試能力和吞吐量,同時減輕物理和無線電頻率環境中的侵占所造成的問題。[建議3-2、3-3、3-4、3-5] 。

3.在整個武器系統開發和測試生命周期中,為無處不在的M&S啟動一個新的范圍操作系統。今天的許多美國防部項目不能僅在現場測試中得到有效的測試。高保真虛擬測試可以提高實際硬件測試的準備程度和成功的可能性,并且可能是進行某些類型測試的唯一環境。然而,廣泛和標準化地使用M&S進行作戰測試,將取決于一個新的M&S基礎設施,測試界的重大文化變化,以及在不斷變化的威脅和技術環境中驗證M&S的新方法。[建議4-1]

4.為未來的作戰測試和無縫靶場企業互操作性創建 "TestDevOps "數字基礎設施。重新定義TRMC和試驗場的企業支持的核心數字標準和能力,以利用國防部在軟件、數據、網絡、AI、網絡安全和M&S方面的規模。使基于模型的工程、不間斷的數字線路和持續集成/持續交付的軟件實踐成為試驗場敏捷性、快速測試演化和快速到場的基礎。超高帶寬的信息流必須變得無摩擦、按需和安全。[建議4-2、4-3]

5.重塑靶場企業的籌資模式,使之具有響應性、有效性和靈活性。今天和明天的資源需求反映了快速變化的技術和威脅的現實;持續的資本投資用于創建、升級和維護長壽命的靶場系統;以及對跨領域的系統測試和無縫整合的M&S的需求不斷增加。將DOT&E更早和持續地納入需求開發和采購過程,將更好地建立和證明靶場投資的及時性和充分性。[建議5-1, 5-2;結論5-1, 5-2] 。

圖 3.2 多域戰場中真實殺傷鏈測試場景的表示。 A表示潛在運輸的豎立發射器; B 表示敵方代表雷達; C 表示敵機。

圖 4.3 將測試與模擬相結合的新范例。

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對指揮官的認知要求正在增加。由于創新和變化的速度,指揮官做出良好風險決策的能力受到挑戰。未來的戰爭不太可能像以前的沖突或訓練演習那樣以常規戰斗為主。美國的對手避免使用既定的理論,這提出了難以預料或減輕的危險。鑒于指揮官不能僅僅避免風險,而是要接受風險以獲得并保持戰爭的主動權,指揮官及其參謀部應考慮陸軍的風險理論和陸軍風險管理中心的理論風險梯度法是否足以應對多域作戰概念中描述的未來戰爭。

從對認知的研究來看,"風險認知 "的概念為風險管理人員(通常是參謀人員或主題專家)和風險決策者(通常是指揮官)如何評價風險分析方法提供了啟示。風險感知,即對風險水平的主觀判斷,這種想法與提出事實和數據就一定有說服力的想法形成鮮明對比。風險感知的研究已經證明了背景、敘述和簡單性在風險交流中的重要性。在風險決策者中,不熟悉、不了解、以及深深的偏見或恐懼會導致對風險水平的認知與專家的認知相差甚遠。

另外三種風險分析方法與陸軍理論風險梯度進行了比較。這些工具源自民用方法,被用于項目管理、工程和其他與風險和預見有關的領域。它們是故障樹、場景假設和風險三要素。雖然它們都有一些量化的元素,但它們為風險管理人員提供了同樣多的空間,甚至更多的空間,以應用批判性思維和分享背景,如預測的不確定性或與規劃行動的聯系。

正如陸軍出版物和文章所描述的那樣,未來的戰爭預計需要指揮官掌握五個領域--包括不熟悉的網絡和空間領域--在作戰領域往往比以前更廣闊,在行動中趨向于提高機動速度和創新。在這樣的環境中,無論是競爭、沖突、反叛亂,還是大規模的地面作戰,所有軍事專業人員都應該使用盡可能好的風險分析來保護生命和實現目標。為此,本文對理論、領導人發展和參謀部行動提出了潛在改變方法。

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目前,人工智能(AI)為改造許多軍事行動領域提供了巨大的機會,包括作戰、指揮與控制(C2)、后勤、安全和維護,以提高其整體作戰效率。空中和導彈防御(AMD)是一個特別復雜的任務領域,人工智能的應用至關重要。空中導彈防御任務指的是保衛國土、保護區、地面基地、地面部隊或艦艇免受敵對的空中或導彈威脅。AMD的威脅包括敵對的飛機、無人駕駛飛行器(UAV)或機載導彈。AMD行動的復雜性源于威脅的嚴重性、威脅的意外性、對形勢認識的不確定性以及事件的快速發展,因為作戰人員必須迅速評估形勢,制定適當的行動方案,并最好地利用他們的戰爭資產來應對。美國國防部(U.S. DOD)正在研究使用AI系統(或AI-enabled AMD[AI-AMD]系統)作為AMD作戰人員的自動決策輔助工具,以大大減少他們的認知負荷(Jones等人,2020),使AMD決策更快、更好。

人工智能的一個關鍵方面已經聚集了大量的研究興趣,那就是信任。信任是有效團隊的一個基本原則。它同時適用于人類和人機團隊。信任使團隊成員能夠很好地合作,是有效團隊表現的基礎(Lee and See 2004)。與人工智能系統的成功合作將需要人類對人工智能系統有一個校準的信任和依賴程度(泰勒等人,2016)。

隨著更先進和更快的空中和導彈威脅彈藥的發展和投入使用,操作人員更需要在AMD行動中迅速作出監測。不及時的決策和反應將導致災難性的后果。因此,人工智能是一個可能的解決方案,通過自動決策輔助工具加快和加強決策過程。這些AMD自動戰斗管理輔助工具可以幫助戰術操作人員應對更快的決策周期、大量的數據以及需要觀察的幾個系統或屏幕(Galdorisi 2019)。然而,為了有效地利用人工智能能力的潛力,需要操作員的高度信任。操作員對系統的信任程度低,可能會導致人工智能-AMD系統利用不足,受到不適當的監控,或者根本不使用(Floyd, Drinkwater, and Aha 2016)。這些問題中的任何一個都可能導致操作者的工作量不必要的增加,或者任務失敗的可能性。

論文對信任的定義、人機交互(HMI)的概念、信任因素以及包括AMD殺傷鏈模型、威脅場景、架構、模型和功能在內的概念模型進行了廣泛的回顧。有了這樣的認識,論文提出了人工智能-AMD系統的信任框架,對人機交互和人工智能-AMD系統信任因素的描述。論文最后提出了在人類操作者和AI-AMD系統之間實現校準信任的策略

信任框架始于對系統背景的分析。圖1顯示了AI-AMD指揮與控制(C2)系統(包括AI-AMD操作員和決策輔助工具)及其他與之互動的子系統的背景圖,這些子系統有助于操作員和AI-AMD決策輔助工具之間信任的發展。背景圖使我們能夠研究各系統之間的相互作用,以及它們對AI-AMD操作員和決策輔助工具之間信任動態的影響。

圖1. AI-AMD系統框架圖。

這篇論文將信任定義為操作者的態度,即AI-AMD決策輔助工具將有助于實現操作者的目標,即在一個以不確定性和脆弱性為特征的作戰環境中迅速摧毀來襲威脅的任務。這種信任的定義表明,它是對操作者相信或感知AI-AMD決策輔助工具的一種情感評估。為了積極地影響信任,操作者必須親自看到并感受到AI-AMD決策輔助行動的優勢。AI-AMD行動涉及很多不確定因素,以及天氣、電磁干擾和地形等環境因素以及不斷變化的威脅的性質所帶來的脆弱性。操作員將預期AI-AMD決策輔助系統按照 "合同 "執行,以處理這些不確定性和脆弱性。這些合同將是人工智能-AMD決策輔助工具應該執行的感知功能或任務,以及執行這些功能或任務的理想表現。

圖2說明了操作員和AI-AMD決策輔助工具之間的信任框架。y軸代表人類對AI-AMD決策輔助系統的信任程度,x軸代表AI-AMD決策輔助系統的能力。綠色的45°虛線表示最佳的信任水平或校準的信任線,其中的信任與AI-AMD的能力相對應,導致正確的利用(Lee and See 2004)。過度信任由最佳信任水平線以上的區域表示,此時的信任超過了系統能力,導致誤用。低于理想信任水平線的區域表示不信任,這時的信任沒有達到系統能力,導致濫用。假設存在一些默認的信任水平(如黃框所示),目標是制定一個策略,以提高AI-AMD輔助決策能力的信任。在使用該系統時,可能會發生違反信任的情況,從而降低操作員的信任。因此,信任修復行動必須被納入,以保持信任在最佳水平。

圖2. 人類操作員和AI-AMD決策輔助工具之間的信任。

基于功能分配的操作員和AI-AMD決策輔助工具之間的人機交互研究表明,操作員和AI-AMD決策輔助工具應該被設計成在大多數殺戮鏈功能中作為一個 "團隊"運作。這引導論文研究了單獨和集體考慮人類和決策輔助的信任因素。對操作員和人工智能-AMD決策之間的人機交互的研究還顯示,操作員的角色已經從手動控制器變成了監督控制器。因此,一個值得信賴的決策輔助工具是很重要的,因為操作者會期望系統的表現符合預期,以幫助操作者更好地履行他的角色。另外,為了進一步幫助減輕操作者的認知工作量,信息的外部表示、決策輔助工具的建議必須易于閱讀和理解。

關于信任因素,本論文提出了一個 "由外而內 "的框架,如圖3所示。論文首先考慮了與操作環境相關的因素,這些因素描述了AMD操作系統的背景。第二,它研究了與組織環境相關的因素,操作人員和人工智能-AMD系統得到了培訓和發展。第三,論文研究了操作人員和人工智能-AMD決策輔助工具之間的交互,以提出與操作人員、人工智能-AMD、單獨和集體相關的因素。

圖3. 建議的信任因素

圖4顯示了擬議的戰略銜接圖,以實現操作者和AI-AMD輔助決策之間的校準信任。對信任定義、人機界面和信任因素的審查表明,該戰略應關注三個關鍵領域:(1)人類對自動化技術和AI-AMD決策輔助系統的集體和個人感知;(2)增強操作員和AI-AMD決策輔助系統的團隊活力;(3)AI-AMD決策輔助系統的可信度,重點是系統開發。該戰略利用DOTMLPF-P框架提出了三個關鍵原則和五個支持原則。首先,軍事作戰人員需要被告知自動化技術的真正能力和局限性,特別是AI-AMD輔助決策。第二,操作員的培訓要求必須增加,以應對新的工作范圍和不斷變化的威脅。第三,必須在人工智能-AMD決策輔助系統的開發中加入新的要求,以提高系統的可感知的可信度。這三個關鍵原則得到了DOTMLPF-P框架其他方面的支持,如組織、領導、人員、設施和政策。

圖4. 實現操作員和人工智能-AMD決策輔助工具之間校準信任的戰略銜接圖

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