本研究的目的是分析將下一代中波段干擾器（NGJ-MB）項目的作戰測試和評估（OT&E）作用從第九航空測試和評估中隊（AIRTEVRON NINE；VX-9）的OT&E中隊轉移到艦隊航空電子攻擊中隊的潛在優勢、劣勢和成本、進度和性能的風險。研究了現代海軍航空企業（NAE）中隊作為作戰力量的一部分部署對抗同行對手的行動限制，以確定NGJ-MB項目成功OT&E的風險。我的方法包括檢查艦隊的行動節奏和海軍的優化艦隊反應計劃的調度、資源配置、訓練、熟練程度、戰術專長和管理。通過優勢、劣勢、機會和威脅分析，然后是成本效益分析，來分析與VX-9相比測試執行和報告的風險。在研究結論中，建議為NGJ-MB項目執行OT&E的更有利、更有效的路徑。對NGJ-MB項目的成本、進度和性能所造成的后果，使人們對艦隊航空中隊不應該被賦予執行OT&E的任務有很高的信心。VX-9應該得到適當的資源、資金和海軍的支持，以評估NGJ-MB吊艙的作戰效能和適用性。

圖 6. 綜合T&E（測試評估）框架

引言

美國在運用先進技術挑戰同行對手方面處于落后。中國可以迅速地運用先進技術，在武器、平臺、傳感器和自動化方面達到或超過美國的能力。破壞其殺傷鏈的能力與日俱減。作為回應，美海軍作戰部長贊成采用一種 "加速艦隊"能力的方法，這種方法 "偏重于完成任務，而不是偏重于在我們完成任務之前再次研究它們"（Maucione, 2019, p.1）。

美國防部（DOD）最近更新了它的采購戰略，通過自適應采購框架（AAF）快速制作原型、測試和部署新技術。目標是 "及時向最終用戶提供解決方案"（政府問責局[GAO]，2021年，第1頁），為項目經理（PM）提供靈活性，"根據項目目標和與被收購的武器系統相關的風險，在各種途徑之間進行調整、組合和過渡"（第2頁）。盡管有了這個新舉措，項目經理必須始終平衡 "改善成本和進度結果的機會"（第3頁）和 "產品知識"（第3頁），以盡量減少對產品性能的風險。尋找產品交付的效率是項目辦公室在海外戰斗開始前必須征服的斗爭。

A 問題

為了跟上中國快速獲取軍事技術的能力，美國海軍正尋求通過解散海軍航空兵的作戰測試中隊來簡化其程序并降低為美國作戰人員提供先進技術的成本。作戰測試和評估（OT&E）中隊的任務是負責任地建議在現實的戰斗條件下部署適合作戰和有效的武器，這一任務有可能被艦隊航空單位承擔不足。

B 研究問題

讓艦隊航空中隊承擔操作測試者角色的行動方案（COA）是否有助于縮短作戰人員獲得下一代中波段干擾器（NGJ-MB）吊艙的時間，以及該行動方案是否有效地管理成本和產品性能的風險，以 "加速進入艦隊"？

C 為什么這項研究是重要的

本研究的目的是分析將美海軍航空兵的空對地武器、空對空武器、傳感器、電子戰系統和任務軟件升級的飛機和武器系統的OT&E作用轉移到艦隊航空中隊的潛在好處、成本和風險。

在作戰指揮官和國家決策者眼中，將海軍最先進的技術盡快交到作戰人員手中的概念是很誘人的。正如《海軍航空愿景：2014-2025》中所述，"能力是維持我們作戰優勢的關鍵。海軍航空部隊將帶著在戰斗中獲勝的手段--能力到達駐地"（海軍航空企業[NAE]，2014，第3頁）。然而，確保這種 "能力 "在與作戰相關的環境中進行實地測試，對于保證武器在有爭議的戰斗空間的持續作戰行動中的可維護性、可靠性和可用性至關重要。"提高向艦隊交付能力的速度"（NAE，2014年，第7頁）決不能接受對經過測試和驗證的系統的妥協，以達到或超過性能閾值。

D 范圍

本分析的初衷是廣泛考察海軍采購如何將其大部分先進技術整合到海軍航空中，并討論取消整個作戰測試中隊的后果。然而，分析跨越武器、軟件、硬件、通信、監視、情報和電子戰的眾多技術，并在幾個型號/模型/系列（TMS）中采取不同的采購策略，是一項艱巨的任務。

相反，本分析側重于海軍航空兵的電子攻擊中隊（VAQ）和ALQ-249下一代中波段干擾器（NGJ-MB）的計劃開發、生產、測試和實戰。縮小分析重點提供了一個主要國防采購計劃（MDAP）的具體例子，該計劃對于面對同行對手至關重要，而且考慮到已經投入到該計劃的時間和成本，"規模太大，不能失敗"。

E 方法

文獻回顧研究了國防部的報告和海軍研究生院（NPS）以前的論文，涉及測試和評估的最佳實踐。此外，還審查了一個已部署的電子攻擊中隊（VAQ）在操作上測試和評估兩個采購項目的努力。

優勢、劣勢、機會和威脅（SWOT）分析研究了下一代干擾器（NGJ）項目在速度、成本和性能方面的優勢或劣勢，并考慮了艦隊作戰節奏（OPTEMPO）和優化的艦隊反應計劃（OFRP）。此外，SWOT分析評估了現代艦隊中隊作為 "卓越的作戰力量"（NAE，2014年，第4頁）部署的操作限制，處理資源、VAQ準備標準、培訓、空勤人員戰術專長和安全管理，可能承擔采購類別（ACAT）一級項目的操作測試者的角色。

然后，進行成本效益分析（CEA），以比較NGJ-MB項目的運行測試的相對成本和結果，由艦隊航空中隊與執行運行測試職責的空中測試中隊進行比較。

方法中包括的另一個信息來源是作者作為九號航空隊（VX-9）的機載電子攻擊（AEA）分部負責人的實際經驗。

摘要

指揮偵察區域協調和控制環境網絡（CRACCEN）是加拿大國防研究與發展部（DRDC）-大西洋研究中心正在開發的決策輔助系統，旨在徹底改變加拿大皇家海軍（RCN）進行水下戰爭（UWW）的方式。本科學報告概述了CRACCEN系統的高級目標和要求，并審查了幾個研究領域，以確定開發該系統的適當候選技術。根據任務要求和UWW任務環境的特點，對各種潛在的顯示和輸入硬件技術進行了評估。審查結果表明，應采用能夠容納一組同時使用的桌面顯示器作為CRACCEN系統的中央顯示器，并有可能使用其他顯示器和顯示模式來增強UWW團隊的能力。建議與主題專家（SMEs）進一步研究，以驗證這些顯示器的可行性、可用性和附加值，并反復設計適合顯示器類型和CRACCEN用戶需求的界面。

對國防和安全的意義

皇家海軍有一個長期目標，即徹底改變WW的行為并使之現代化，而指揮偵察區域協調和控制環境網絡CRACCEN系統將在這個目標中發揮核心作用。為了進行CRACCEN系統的開發和原型設計，需要有適當的技術來適應任務的要求和任務環境的條件。本報告針對這些要求審查和分析了各種潛在的顯示和輸入技術，并為原型開發和未來研究提供了具體建議，以便最終整合到CRACCEN中。

1 引言

加拿大皇家海軍（RCN）正致力于水下戰爭（UWW）的革新和現代化。指揮部偵察區協調和控制環境網絡（CRACCEN）項目是實現這一目標的第一步。該項目不是對UWW系統的各個部分進行漸進式的改進，而是旨在重新思考現有的指揮和控制（C2）結構。雖然用革命性的新系統和結構取代現有系統和結構的潛力為精簡和改善UWW的行為提供了寶貴的機會，而不受現有系統的限制，但項目的開放式性質帶來了新的復雜性。

也就是說，這樣一個革命性的系統應該是什么樣子的問題是完全開放的。任何數量的現有的、新興的或未來的顯示和交互技術都可以應用于這個問題，并具有不同程度的有效性。為了進行CRACCEN系統的開發和原型設計，必須縮小設計空間，并選擇適當的技術。本科學報告針對CRACCEN系統要完成的任務要求，對現有的顯示和輸入技術進行了審查，并對技術選擇和未來研究提出了具體建議。

1.1 報告綱要

本報告的組織結構如下。

• 第2節描述了CRACCEN項目和系統，并利用以前的工作來定義系統要求，為隨后的審查和分析奠定基礎。

• 第3節討論了這次綜合審查所采取的方法。

• 第4節回顧了可能應用于CRACCEN系統的技術。

• 第5節評估了這些技術在兩類限制條件下的適用性：UWW團隊使用CRACCEN系統所要完成的任務的特點，以及艦載UWW任務環境的條件。

• 第6節從綜合審查的結果中得出了顯示和輸入技術選擇的建議，并概述了驗證和建立這些建議所需的未來研究。

• 第7節對CRACCEN系統的顯示和輸入技術選擇進行討論。

2 CRACCEN

在漫長的和平時期，在皇家海軍內部進行UWW需要最小的現代化。相比之下，在同一時期，技術領域發生了巨大的變化，因此進行UWW的環境也發生了變化。2017年，加拿大國防研究與發展部（DRDC）--大西洋研究中心對科學與技術總監--海軍發布的直接客戶支持任務做出了回應，該系統將使RCN計劃和進行UWW的方式現代化和革命化[1]。DRDC-大西洋研究中心的提案包括一個為期五年的系統研究和開發項目，以徹底改變現有的預測性態勢感知、戰斗空間管理、作戰計劃和任務執行的方法和程序[2]。

2.1 CRACCEN項目

早期的一份內部出版物將CRACCEN項目分解為可操作的工作分解要素（WBEs），涵蓋了徹底改變UWW行為所需的廣泛努力[2]。本報告屬于WBE 1：革命性C2系統的設計概念，其目標是為CRACCEN開發設計概念和工作流程，并確定可視化的最佳方法。CRACCEN系統的開發預計將遠遠超過本項目的五年時間框架，其目的只是為革新的WWW系統奠定基礎。在本報告中，對CRACCEN的提及是指預期的未來系統，而不是五年期項目。

2.2 CRACCEN系統

CRACCEN系統旨在通過自動信息整理、環境預測、實時建模和模擬工具以及新型決策支持工具來支持UWW指揮團隊[2]。目前WW指揮小組的規劃和決策結構是，小組成員操作各自的桌面軟件，手工整理數據以發展態勢感知（SA），并為作戰方案（COA）的開發和任務規劃編制自己的視覺輔助工具[3]。相比之下，CRACCEN系統的概念是成為一個中央協作環境，為指揮小組提供與其任務規劃和決策相關的所有信息，并支持小組討論、協作制定COA，以及建立和維護共享SA。

本報告的主要重點是CRACCEN的協作界面，供指揮小組使用。正如定向客戶支持的海軍命令所描述的，CRACCEN應涉及一個協作界面，能夠顯示動態（如海洋條件預測、環境風險評估、水下威脅軌跡）和靜態（如圖示沉船、海洋哺乳動物目擊、歷史測深）信息層，以便為UWW任務規劃和執行提供一個中央指揮和控制環境[4]。在本報告的范圍之外，該系統將更廣泛地涉及一個廣泛的信息骨干和一套算法，以支持這些數據的自動收集、整理、處理、分析、共享和動態可視化[2] 。

2.3 CRACCEN的系統要求

2.3.1 引出要求

可以采用一些半正式和描述性的分析來描述C2環境的性質，目的是為了改進C2工作系統。分層目標分析（HGA）確定了工作系統需要實現的目標，以支持其操作者[5]。因為HGA關注的是可能是非線性或平行的目標，而不是使用當前系統完成目標的線性任務流，所以它是一種理想的分析方法，可以為設計新的或革命性的系統（如CRACCEN）得出需求[6]。

過去的工作利用HGA[3][7][8][9]探討了RCN中UWW C2環境的性質。最近的一份報告具體確定了在設計CRACCEN時需要考慮的四個高層次目標[10]。為實現這些目標，對CRACCEN的要求描述如下。

1.評估準備情況。CRACCEN應自動收集和整理有關自身艦艇和任務組（TG）資產狀態（如位置、方位、武器狀態、傳感器狀態和定位）的信息，并在接到命令后，以易于解析和直觀互動的空間可視化媒介向UWW小組提供這些信息。

2.規劃和管理。CRACCEN應通過以下方式促進短期和長期規劃工作：a）自動收集和整理來自多個數據流的數據，以協助建立公認的海上圖景；b）使用人工智能（AI）預測數據流的未來狀態，并提出規劃建議；c）提供工具，幫助UWW團隊合作建立、可視化和頒布COA和計劃。

3.維護SA。CRACCEN應簡化SA的開發并使其自動化，以便在中央顯示器上向UWW團隊提供行動區（AOO）的實時概覽。這將減少相關信息被忽視的可能性，將認知負擔降到最低，并使團隊能夠專注于任務規劃和執行任務。CRACCEN中央顯示器顯示與SA相關的信息，也可以讓UWW團隊成員之間共享SA，從而促進COA的合作開發。

4.行動任務。CRACCEN應通過以下方式促進任務的執行：a）將多種信息來源（如水深測量、戰術、關于所看到的敵人行為的歷史數據、情報）納入預測敵方潛艇活動高風險區域的算法；b）使用人工智能預測以前看到的潛艇的未來位置；以及c）為傳感器和資產布置提出建議，以便最好地保護TG免受威脅。

這些高層次的目標之間存在重疊和相互依賴，它們共同闡明了CRACCEN的預定和預期用例。本報告的重點是能夠支持這些要求的顯示和輸入技術。

2.3.2 根據需求來限制顯示和輸入技術的選擇

可以在上述要求的基礎上建立技術選擇的初步約束。為了滿足CRACCEN的要求，至少需要一個中央顯示器；這個中央顯示器的確切性質和互動方法有待探討。由于WWW必然發生在一個三維（3D）空間，從水面到海底，所以也必須考慮三維顯示能力，以最好地支持SA。本報告將探討幾種三維顯示的方法，以確定其與CRACCEN整合的可行性。最后，UWW團隊的每個成員都是各自領域和角色的專家，他們需要在CRACCEN促進的合作工作中完成持續的個人工作。事實上，任務規劃和執行的合作工作取決于個人對問題的專業知識。因此，也應考慮將多個顯示器結合起來，靈活地融合個人和小組工作。

盡管與上級指揮部或其他TG成員進行遠程協作的能力可能是未來需要的一種能力，但目前的工作僅集中在同地辦公的情況下。

2.4 系統用戶

已經進行了任務分析、目標分解分析和任務分析，以確定預期使用CRACCEN的人員，并通過與主題專家（SMEs）的訪談加以證實[10][11] 。預計使用該系統的人員包括反潛計劃官員（ASPO）、反潛戰指揮官（ASWC）、指揮官（CO）、當前行動官員（COpsO）、未來行動官員（FOpsO）、水下部隊追蹤協調員（FTC-SS）、行動室官員（ORO）、聲納控制主管（SCS）和水下戰爭主管（UWWD）。這些用戶共同組成了UWW的指揮團隊，盡管所有這些角色都不可能同時參與規劃和決策。CRACCEN應能容納三到五個同時在同一地點的用戶，并能根據需要靈活地容納更多的用戶。

3 方法

本報告的中心研究問題可以概括為 "哪些顯示和輸入技術最適合于為WW指揮小組提供革命性的決策輔助工具的預期使用情況？" 即使在這種最簡化的形式下，這個問題也跨越了幾個學科，因為它必須考慮到顯示和輸入技術、要完成的任務的特點以及環境和其他實用的限制。其中一些學科包括C2、工程、人體工程學、人機交互、人類因素、團隊認知和心理學。因此，本報告的方法遵循綜合評論的方法，其目的是通過回顧和綜合現有的文獻，對一個主題產生新的框架和觀點[12]。當一個研究問題過于寬泛或跨學科，無法進行完全系統的回顧時，這種文獻回顧的方法特別有用。

研究問題（即，哪些顯示和輸入技術最適合于WWW指揮小組的革命性決策輔助工具的預期使用情況）可以分解為三個不同的部分，需要采用不同的文獻搜索和審查方法。(1)潛在技術的描述；(2)技術對團隊工作和協作的適用性；以及(3)技術對UWW團隊完成任務的船上環境條件的適用性。第5節綜合了所有三個方面的審查結果，可與附件A中提供的結果匯總表一起閱讀。

3.1 數據庫

綜合性審查所參考的數據庫有。電氣和電子工程師協會（IEEE）Xplore、Inspec、ScienceDirect、加拿大國防信息數據庫（CANDID）、國防技術信息中心（DTIC）和谷歌學術。

3.2 檢索參數

對于下面描述的所有文獻搜索，結果僅限于那些用英語寫的，并且在2010年至2022年之間發表的文獻，以確保調查結果與當前和未來的需求相關。不是來自同行評議的期刊文章、書籍章節、會議記錄或軍事報告的結果被放棄考慮。根據已發表的關于最佳實踐的文獻，對谷歌學術數據庫的搜索只限于前100個結果，按相關性排序[13]。對DTIC技術報告數據庫的搜索也同樣受到限制，因為該數據庫由谷歌提供，即使搜索結果超過100條，也不會顯示超過前100條按相關性排序的結果。對于所有其他的數據庫，沒有這種限制。

對于所有的搜索，感興趣的關鍵詞必須包含在摘要或文件標題中1。閱讀所有結果的標題和摘要，評估其相關性，并在認為不相關的情況下予以舍棄；例如，在搜索中產生的關于某項技術是否適合團隊工作的結果，如果實際上與團隊活動無關，則予以舍棄。保留下來的項目被充分閱讀，并進一步篩選其相關性。在閱讀過程中，掃描了參考文獻列表，以尋找數據庫搜索中沒有發現的其他相關參考文獻。這些二手資料被標記出來，并以類似的方式進行評估；這些二手資料不考慮出版年份，因為它們通常提供背景信息或更多的基礎性證據。

在某些情況下，在數據庫搜索中發現的文章顯示了與研究問題直接相關的專門議題的會議記錄（例如，IEEE水平互動人機系統國際研討會）。在這些情況下，對會議記錄進行了手工搜索，以獲得更多的相關結果。

3.3 審查主題

3.3.1 對顯示和輸入技術的審查

對于這方面的審查，潛在技術領域來自第2節討論的系統要求。也就是說，CRACCEN將需要至少一個中央顯示屏，并有可能將顯示屏增加到三維空間。技術審查的結果可在第4節找到。

對顯示技術的描述是從現有的評論文章中發展出來的，這些文章用于定義可能的技術空間。在描述二維(2D)顯示技術時，沒有參考任何評論文章，因為該技術已經很成熟了，在以后考慮輸入方法和任務需求時，會出現最有意義的差異。兩篇評論文章為三維顯示技術的回顧提供了基礎[14][15]。在討論擴展現實時還參考了其他評論文章，其中包括增強現實（AR）和虛擬現實（VR）頭戴式顯示器（HMD），以及手持設備的AR[16][17]。

3.3.2 顯示和輸入技術對團隊工作的適用性

在這一方面的審查中，使用關鍵詞 "團隊工作"、"團隊"、"協作 "和 "小組工作"，對具體與團隊工作有關的個別技術或技術類別進行了搜索。為每項技術選擇的其他關鍵詞列于表1。這一部分的審查結果收集在第5.1節中討論。

表1：用于審查顯示和輸入技術是否適合團隊工作的搜索詞列表。

主題	關鍵詞
顯示屏尺寸	顯示尺寸、屏幕尺寸、大型顯示器
顯示方向	桌面、水平顯示、水平屏幕、垂直顯示、垂直屏幕、顯示方向、屏幕方向
鼠標輸入	鼠標輸入、電腦鼠標、多用鼠標
筆輸入	手寫筆，手電筒，筆輸入，多筆，筆觸摸
觸摸輸入	觸摸屏，觸摸屏，觸摸輸入，多點觸摸
軌跡球輸入	軌跡球
文本輸入	文本輸入，鍵盤，語音識別，手寫
3D顯示器	3D眼鏡，眼鏡，3D顯示，視差顯示
擴展現實	虛擬現實、增強現實、擴展現實、共處一地、共處一地

本綜述的范圍集中在真實人類的同地協作上，因此放棄了與遠程協作和人類-機器人協作有關的結果。大部分關于擴展現實技術的搜索結果都與遠程和/或網絡協作設置有關。因此，在這個特定的搜索中加入了額外的關鍵詞 "共同定位或共同定位"，以排除這些結果，并更好地集中在感興趣的結果上。

3.3.3 UWW任務環境的顯示和輸入技術的適用性

在這方面的審查中，使用關鍵詞 "人機工程學"，對個別技術或技術類別的人機工程學特性進行了搜索。每個技術或技術類別所使用的其他關鍵詞與表1中給出的相同。請注意，在這些搜索中，為了獲得更多的結果，出版年份的納入范圍被擴大到2000-2022年。

這些搜索還輔以針對眼睛疲勞和網絡病主題的搜索，這些都是已知的問題，特別是對于VR和AR HMD來說。請注意，對于這些有針對性的搜索，作者把重點放在比較技術的實驗和評論研究上，而不是測試可能的病因或探索實時檢測和預測現象的廣泛的實驗研究。最后，有針對性地搜索了船上UWW任務環境的已知環境條件對顯示和輸入技術的影響：船舶運動和振動。

這些補充搜索的關鍵詞在表2中給出。這一部分的審查結果收集在第5.2節中討論。

表2：用于審查UWW任務環境的顯示和輸入技術的適用性的補充搜索詞列表。

主題	關鍵詞
眼睛疲勞	眼睛疲勞，視覺疲勞，虛擬現實，增強現實，HMD，頭戴式顯示器
暈機	暈機，模擬器暈機，虛擬現實，增強現實，頭戴式顯示器，頭戴式顯示器
船舶運動和振動	船舶運動，物理運動，發動機振動，運動技能，手動控制，輸入設備，文本輸入，虛擬現實，增強現實，人為因素

4 對顯示和輸入技術的審查

本審查概述了CRACCEN可能考慮的顯示和輸入技術。本節無意對所有可能的顯示和輸入技術進行深入審查，而是對許多至少大致符合先前確定的系統要求的技術進行簡要概述，以便在第5節中更仔細地探討它們是否適合CRACCEN。

4.1 二維顯示器

二維顯示器是人們熟悉的、無處不在的技術，有各種各樣的尺寸。對于CRACCEN來說，中央二維顯示器的目標尺寸是大到足以容納多個用戶，但又不至于大到不適合安裝在軍艦上。二維顯示器的方向也同樣可以變化，從垂直方向到水平方向，或以垂直和水平之間的某個角度傾斜。

大型顯示器的尺寸和方向對一些設計限制有影響，這些限制將在第5節中考慮，包括有多少用戶可以同時觀看和與顯示器互動，各種輸入方法的可行性，以及顯示器的人體工程學。水平方向的二維顯示器在面向多個用戶時通常被稱為桌面顯示器，因為它們允許用戶站在或坐在一個桌子大小的水平顯示器周圍，從上面向下看信息。桌面顯示器經常被用來以數字方式重現圍繞物理桌面的協作工作的體驗。在本報告中，"桌面顯示器 "一詞將被用來指代這種水平方向的二維顯示器。

4.2 三維顯示

從水面延伸到海底的UWW場館是三維的。因此，二維顯示器準確表現AOO的能力有內在的限制。UWW團隊目前使用各種二維圖形系統進行操作，但CRACCEN的開發代表了一個徹底改變和簡化工作流程的機會。盡管三維空間可以從二維視圖的組合和/或操作中推斷出來，但提供一個直觀的三維視圖可能會減輕WWW團隊的認知負擔，并釋放出額外的精神資源來完成他們所需的復雜的任務規劃和執行任務[18]。以下是對三維顯示技術的簡要概述，這是從最近的兩篇評論文章中整理出來的[14][15]。雖然許多三維顯示技術的開發只是為了顯示目的（即不考慮用戶互動），但下面的重點是那些已經開發了互動機制的三維顯示技術，以滿足CRACCEN的要求。

也許最熟悉的3D顯示器類型是波長選擇立體系統，它向用戶展示兩個略微偏移和色變的圖像。用戶戴上特殊的立體眼鏡，過濾信息，使每只眼睛只能看到特定的波長（即顏色），當兩幅圖像被大腦合并時，其效果就是三維視圖[19]。類似的系統使用偏振鏡來過濾掉每只眼睛的不同圖像，每幅圖像要么同時呈現[20]，要么非常快速地連續呈現[21]。

自動立體(AS)系統通過向每只眼睛呈現略微不同的信息來喚起深度幻覺，從而允許在沒有任何特殊眼鏡的情況下對3D場景進行立體觀看。這些系統可以是時間順序的，以快速交替的順序從兩個不同的方向（即分別朝向一只眼睛）呈現光線[22]；或者是時間平行的，在觀看者和顯示器之間有一個層，同時向每只眼睛呈現略有不同的畫面。雖然AS消除了對專門的可穿戴設備的需求，但它往往需要其他高度專業化的硬件（例如，[23][24]）。其他的AS三維顯示系統產生多個不同的、略微偏移的圖像，每個圖像只在有限的觀察區域內可見，因此每次只對一只眼睛可見[25][26][27][28]。當用戶移動她的頭部時，她就會在觀察區中移動，從而改變三維物體的視圖。最后，容積式三維顯示器通過照亮懸浮在半空中的容積式像素，在真正的三維空間中呈現圖像，通常是在一個封閉的表面內[29]。體積顯示需要專門的硬件（即顯示體積），并產生高計算成本。

4.3 擴展現實顯示

擴展現實是一個總括性術語，包括虛擬和現實環境的結合，特別強調沉浸感和互動：擴展現實技術允許用戶不僅查看虛擬的三維信息，而且在真實或虛擬環境中移動時與真實或虛擬物體互動。

根據[15]的分類法，虛擬現實（VR）和增強現實（AR）頭戴式3D顯示器（HMD）是采用先進立體眼鏡的雙視角立體顯示器。然而，它們在此類技術中有些特別，因為它們提供了完全的視差體驗，其中3D視圖隨著頭部的水平和垂直運動而變化。因此，近年來它們比非沉浸式3D顯示器獲得了更多的關注和研究努力。下文將單獨考慮每一種，以及手持式AR和空間AR。

4.3.1 虛擬現實HMDs

VR HMDs將一個虛擬渲染的環境投射到安裝在用戶眼前的小型光學顯示器上，以獲得完全沉浸式的體驗[14][16]。在HMD內，用戶不能看到外部世界，包括他們自己的身體和手，除非外部世界的物體被跟蹤并在虛擬世界內再現。因此，用戶通常被賦予相機追蹤的手持遙控器，以便與虛擬世界互動。VR HMD通常通過直接放置在HMD上的揚聲器向用戶展示聽覺信息。

目前一些常用的商業VR HMD系統是HTC Vive（HTC）和Oculus Rift（Meta Technologies, LLC）。這兩個系統目前都需要將HMD，也就是用戶的頭部，與一臺功能強大的電腦進行物理連接，并且建議每臺電腦只能連接一個頭顯，以確保顯示的虛擬環境的低延遲。這兩種系統也都采用了手持式控制器，使用戶能夠瀏覽虛擬環境并與虛擬物體互動。一些VR系統采用頭戴式攝像機，而另一些則需要一套外部攝像機來跟蹤頭戴式攝像機和控制器的運動。外部攝像機每次移動時都必須仔細校準，因此一般建議在校準后保持在一個地方。其他消費級的VR HMD系統已經被開發出來，在不使用外圍攝像頭或系繩的情況下也能發揮作用（例如，Oculus Go、Oculus Quest、Lenovo Mirage）。

4.3.2 增強現實HMDs

AR HMDs是將虛擬渲染的元素疊加到用戶對真實世界的看法上的設備[14][16]。面向前方的攝像頭跟蹤現實世界環境的三維結構，面向用戶的傳感器跟蹤頭部和/或眼睛的運動，使用戶能夠通過在物理空間中的移動從各個角度觀看三維物體。面向前方的攝像頭也可以用來跟蹤用戶的手部運動，從而使他們能夠操縱虛擬物體。與VR HMD一樣，AR HMD通常通過設置在HMD耳朵附近的揚聲器直接向用戶呈現聽覺信息。

與VR HMD一樣，AR HMD也可以在用戶眼前有一個完整的視頻屏幕，然后呈現真實世界的視頻資料并與虛擬物體重疊。然而，更常見的是，AR HMD屏幕是透明的，允許直接看到現實世界，然后在一定的視覺范圍內與虛擬物體重疊。微軟Hololens2是目前最常用的透明AR HMD的例子。

4.3.3 手持設備的AR

用戶可以通過舉起手持設備（如智能手機、平板電腦）作為虛擬增強環境的窗口來體驗視頻傳輸的AR，而不是佩戴HMD[16][17]。設備中面向前方的攝像頭可以感知真實的三維環境，并將實時視頻傳輸到手持顯示器上，與虛擬渲染的物體一起呈現。當用戶（或設備）在物理空間中移動時，來自設備的加速計和陀螺儀數據幫助系統跟蹤運動并準確地渲染三維物體，而設備的觸摸屏允許用戶與顯示在上面的虛擬物體進行互動。

4.3.4 空間AR

空間AR，也被稱為有形AR，使用相機和投影儀系統來跟蹤環境中的物理對象，并將虛擬信息投射到它們身上。這使得用戶可以有形地查看和互動物理物體，這些物體被數字增強了額外的視覺信息，不需要眼鏡、HMD或專門的顯示器[17][30]。該技術可用于在實物上顯示補充文字注釋，在無紋理的物體上展示紋理，為用戶提供進入物體三維內部的虛擬視圖，或將非數字物體（如一張紙）轉化為數字顯示。常見的空間AR系統采用了一個桌面沙盤，用戶可以在沙盤中移動沙子以使物理景觀變形，環境細節可以通過光學方式投射在沙盤上。

空間AR對建筑和設計領域特別有用（例如，能夠與新產品的快速數字模擬進行物理互動），也可用于某些培訓目的（例如，能夠將3D器官投射到物理假人上進行手術培訓）。然而，它對WW戰斗空間的有用性是值得商榷的，因為期望的互動目標是整個AOO的表面和次表面。盡管將WW的戰斗空間投射到一個大的物理3D盒子上可以幫助一般的SA，但用戶的互動將受到物理盒子的外部尺寸的限制。操作的自由度將不足以支持探索和與該三維空間的互動，以進行任務規劃和執行。因此，本報告中沒有進一步考慮空間AR。

5 對技術適用性的審查

如第2節所述，CRACCEN的要求建議至少有一個用于規劃和決策的中央二維團隊顯示屏，一種納入互動三維信息的方法，以及納入多個顯示屏的可能性。本報告的主要考慮是顯示和輸入技術對團隊工作和協作的適用性。次要考慮的是每種技術是否適合于船上UWW任務環境的特殊限制。技術對個人工作的適用性被認為是一個基線，特別是涉及到輸入方法和人體工程學的選擇，這在協作環境中并不經常被研究。附件A中列出了一個總結研究結果的表格，這有利于在不同技術之間進行直接比較。

5.1 顯示和輸入技術對團隊工作的適用性

5.1.1 二維中央顯示屏

同時使用CRACCEN的人數可能會對適當的二維中央顯示技術產生重要制約。早期的任務、使命和工作分析結果表明，CRACCEN應該能夠容納三到五個同地的中小企業，并根據需要為更多的用戶提供空間[10][11]。由于預計多個用戶將同時與CRACCEN互動，應考慮將更大的顯示器（即大于32英寸）作為CRACCEN的中心顯示技術。最近對大型顯示器的審查發現，在促進交流、協調和工作空間意識方面，大型顯示器比更傳統的單個顯示器（如臺式機、筆記本電腦）有明顯的優勢[32]。直接比較 "小"（17英寸）和 "大"（33英寸）顯示器的研究表明，大顯示器比小顯示器更容易支持協作任務活動的公平分配[33]（參見[34]，該研究發現較小的中央顯示器增加了交流的數量，這可能是對較小和不太有效的信息顯示的一種補償）。手持二維顯示設備本身并不是協作工作的理想選擇，因為相對于較大的共享工作空間而言，它們阻礙了交流，降低了工作量的公平性，也降低了解決方案的質量[35]。海軍艦艇上的空間限制通常為中央二維顯示器的尺寸提供了實際的上限，盡管以前的工作表明，全墻（如120英寸）顯示器可以改善陸上指揮中心的軍事指揮團隊的共享SA[36][37]。

屏幕顯示方向包括垂直、水平（如桌面），或介于垂直和桌面方向之間的傾斜顯示。需要用戶花大部分時間與系統互動的任務可能更受益于垂直顯示，而需要大量人際互動的任務，包括小組情景理解、討論和非平行工作，可能更受益于桌面顯示[38]。事實上，據報道，桌面顯示器通常能夠自然而舒適地支持高效的協作和面對面的交流，通過利用熟悉的圍繞物理桌子的協作模式，并結合自然的交流模式來促進知識轉移[33][39][40][41][42][43][44]。在屏幕的任何邊緣工作的能力也允許對個人的工作空間進行劃分，這些空間以后可以合并為小組級活動[45][46]。關于其他用戶行動的反饋通知可以減少工作的冗余，并在這種平行任務中增加SA[47]。相比之下，圍繞垂直屏幕的交流不那么自然，而且更加不對稱（例如，一個人在說話，其他人在聽），并且通常與角色轉換、想法探索和他人意識的減少有關[39]（參見[48]）。

垂直顯示器更適合于時間較短、用戶較少的重點任務，因為垂直方向限制了用戶與屏幕互動而不互相碰撞的能力，而桌面顯示器則更適合于持續時間較長、需要更多討論的任務[33]。一些研究表明，在少數合作者之間共享的全墻顯示器并不像較小的垂直顯示器那樣對合作工作帶來限制[49]，這可能是由于增加了表面積和交流空間。對介于垂直和桌面方向的傾斜屏幕的研究較少。盡管最初的證據表明，對于一對合作的用戶來說，傾斜的屏幕可能比垂直和桌面的屏幕更受歡迎[50]，但目前還不清楚這種偏好是否預示著更好的表現，也不清楚這種偏好是否對兩個以上的用戶之間的合作有效。

盡管桌面屏幕對協作工作有明顯的好處，但必須注意的是，將用戶分布在桌面屏幕的所有邊緣會對顯示元素的方向產生復雜的影響[51][52]。在桌面顯示器的用戶界面設計中，需要考慮到方向問題，以確保多個用戶能夠有效地理解、交流和協調所呈現的信息[53]。文本信息的方向對桌面顯示器來說是一個特別的挑戰，因為文本相對于讀者的方向對閱讀速度和準確性有很大影響。然而，在水平觸摸顯示器上存在旋轉和翻譯數字對象的解決方案，無論是手動還是通過檢測用戶的傳感器自動進行[54][55]。當需要呈現的主要信息是空間或圖形而不是文字時，用戶在桌面顯示器周圍的方向就不那么令人擔憂了。然而，值得注意的是，研究表明，群體傾向于聚集在桌面顯示器的一個邊緣，以分享二維地圖的共同視角[56]，因為當用戶從不同角度觀看地圖時，他們會發現空間導航是混亂的[57]。

CRACCEN系統可以具有靈活性，允許中央二維顯示器在垂直和桌面方向之間轉換，以適應不同的任務要求[58]。

5.1.1.1 二維顯示器的輸入方法

輸入法是指允許用戶與顯示器上的信息進行交互的技術和機制。輸入方法可以包括用戶的動作和顯示器之間的直接映射（例如，直接觸摸屏、筆式手寫器6），也可以是間接映射，即用戶的動作被一些設備捕捉，并轉化為顯示器上的動作（例如，鼠標、軌跡球）。

對單個用戶的直接和間接輸入法進行比較，直接觸摸輸入更快、更準確，相對于鼠標輸入來說，當任務是雙手操作時，直接觸摸輸入是首選。相比之下，在大多數單點交互的研究中，所有指標都普遍偏向于鼠標（例如，[59][60]），除非任務涉及繪畫或游戲時[61]。[62]發現相對于鼠標和手寫筆輸入，單點觸摸輸入的速度提高了，但準確度卻降低了。對于要求高精度的任務，鼠標輸入通常比觸摸輸入更受歡迎[59][62][63]，除非需要操作三維信息[64]。當一項任務不需要高精度時，鼠標輸入比直接觸摸輸入要慢[65]。

鼠標輸入的熟悉程度可能是上述許多比較中的一個因素，因為觸摸輸入的準確性似乎會隨著經驗的積累而提高[66]。事實上，最近的研究表明，在某些任務中，觸摸輸入和鼠標輸入的差別不大，這也許反映了自手持觸摸設備的商業化普及以來，公眾對觸摸屏技術越來越熟悉[67]。對直接觸摸輸入的各種基于軟件的調整顯示，有希望克服其對小目標的不精確性[68]。筆觸也可以提供更好的精確度，因為它們的接觸點更小，產生的遮擋和偶然的觸摸比手指更少[62][69][70]，但與手指觸摸相比，其代價可能是速度降低[71]。當追蹤筆在表面上懸停時，納入視覺反饋（例如，與鼠標光標相當）可以略微提高速度，并極大地提高精確度。

在大多數任務中，軌跡球運動比傳統的鼠標運動既慢又不準確，因為很難將軌跡球的旋轉運動轉化為二維顯示器的線性空間[73] 。在更大的顯示器上，保持對間接輸入映射的光標的跟蹤可能被證明是一種挑戰，特別是當鼠標或軌跡球的加速度被設置為高時[74]。當輸入設備的加速度被設置為低時，在大型顯示器上移動光標會變得很乏味。有證據表明，在大屏幕上高速移動時，軌跡球有優勢，但用戶在放慢速度選擇目標時，速度和準確性仍然會下降[75]。

直接觸摸輸入對于大型顯示器來說有其自身的缺點。例如，用戶發現隨著顯示器尺寸的增加，拖動和旋轉物體的任務更加困難[76]。用戶與屏幕上的信息互動的能力也必然受到她的觸及范圍的限制，而這又受到顯示器方向以及她是坐著還是站著的限制[77]。外部跟蹤攝像機可以與基于手勢的輸入一起使用，以擴大在大型顯示器上的觸及范圍[78]，或者識別和區分個別用戶的輸入[79]。筆觸也可以用來區分多個用戶的同時輸入。

最后，鼠標和軌跡球輸入的相對性在桌面顯示器上變得不那么直觀，因為用戶可能位于屏幕的任何邊緣，這樣光標的相對運動可能與用戶視角下的鼠標或軌跡球的移動方向不一致。對于CRACCEN的多用戶設置來說，至關重要的是，當使用多個間接輸入時，用戶很難定位彼此的光標并跟蹤運動[38][80][81][82]。

與單鼠標設置相比，多鼠標也可能降低他人意識和協作，而傾向于分而治之的策略[83]（參見[84]，它顯示了多鼠標在墻壁大小的顯示器上的混合焦點協作任務的潛在作用）。相比之下，直接觸摸輸入能提高協作任務中的他人意識，因為可以很容易地看到他人與顯示器的互動[82][85][86][87] 。同樣，與帶鍵盤的小型筆記本相比，團隊使用單個平板電腦時，語言和非語言交流都得到了改善[88]，這表明無論屏幕大小如何，直接觸摸輸入對團隊工作的好處可能都是真實的。事實上，與間接（如鼠標）輸入相比，直接觸摸和筆輸入為協作顯示器周圍的人際互動提供了更好的支持，因為它們允許做手勢，更輕松地意識到其他用戶的行動，以及對意圖進行更自然的推斷[80][81]（參見[89]，該研究顯示在桌面顯示器的鼠標和觸摸輸入之間沒有協作任務表現或個人偏好的差異）。與單次觸摸、單次鼠標和多次鼠標輸入相比，圍繞桌面的直接多點觸摸特別有利于交流和公平協作[90]。目前可用的觸摸屏支持高水平的多點觸摸（例如，多達30個以上的同時觸摸輸入），允許多個用戶直觀地同時與顯示器互動，無論是否有筆觸的幫助。

5.1.1.2 二維顯示器的文字輸入

盡管對指揮小組成員進行的各種任務分析表明，CRACCEN的使用不會涉及大量的文字輸入[10]，但用戶可能還是有必要輸入數據、注釋信息或互相輸入簡短的說明。

一般來說，物理鍵盤提供了最熟悉的文本輸入方法，因此無需培訓就能產生最快和最準確的結果。然而，多用戶與顯示器的互動需要多個物理鍵盤，這將占用空間并使工作站雜亂無章，或者需要一個可以輪流使用的單一鍵盤。對于垂直方向的顯示器，物理鍵盤的位置是不言而喻的，因為將鍵盤放在垂直顯示器的前面符合人體工程學。然而，對于桌面顯示器來說，物理鍵盤的適當位置并不明顯，因為用戶可以在任何邊緣與桌面顯示器互動。

物理鍵盤的另一個選擇是數字觸摸或軟鍵盤，它們可以與任何觸摸顯示器一起使用。與物理鍵盤不同，軟鍵盤可以旋轉、移動和調整大小，以適應用戶在垂直或桌面顯示器周圍的需要，而且多個軟鍵盤可用于同時進行文字輸入任務。因此，軟鍵盤可能比物理鍵盤更適合在大型顯示器上進行協作工作，盡管在設計階段應該考慮提高速度和準確性的方法。例如，可用性研究發現，軟鍵盤產生的速度和準確性比物理鍵盤低，這可能是由于缺乏物理按鍵的觸覺反饋[91][92]。基于字母預測算法的動態調整按鍵大小，在提高速度和準確性方面顯示出一定的前景[93]，正如根據個人的人體工程學習慣自適應地調整按鍵間距[94][95]。應注意盡量減少輸入延遲，并在可能的情況下，引入其他方式的按鍵反饋（如聲音、振動），以提高性能和可用性[96][97]。

軟鍵盤也可以通過鋼筆觸摸來激活，盡管相對于使用所有十個手指來說，這大大限制了輸入速度。基于手勢的解決方案允許用戶在移動視覺呈現的字母時，無需抬起手指或手寫筆就能打字[98]。然而，由于這些鍵盤以旨在提高手勢流暢性的布局（即圓形布局）來呈現字符，它們并不熟悉，因此難以使用[99]。

在觸摸表面上用筆式或手指自然書寫，可以實現直觀的文字輸入方法，而且手寫識別算法現在已經足夠先進，可以提供快速而準確的輸入處理。值得注意的是，用鋼筆手寫的速度和準確性要比用指尖手寫的高得多[100]。然而，這種方法的速度受限于人類手寫的速度，使其明顯慢于其他文本輸入方法[91][99]。因此，手寫文本輸入可能適用于簡短的注釋，但不太適合較長的條目。

語音識別軟件采用自然語言處理來聆聽和解釋語音，是另一種直觀的文本輸入方法，對于短信息來說，可能比打字有好處[91][101]。然而，這種方法在CRACCEN中的可行性不太樂觀，因為該軟件需要能夠在環境噪音大、領域特定術語和縮略語多的環境中識別和區分多個用戶。協作環境中的語音識別軟件的一個主要障礙是，系統需要區分用于系統的口頭輸入和隊友之間正在進行的交流[102]。

5.1.2 納入三維信息

由于UWW是在三維空間中進行的，CRACCEN應該納入一些三維可視化和與AOO互動的能力。第4節概述了幾種潛在的三維增強方法。下面將簡要討論3D顯示的適用性，然后再具體討論VR和AR顯示，對其在團隊工作中的應用還有很多研究。

5.1.2.1 立體和自動立體的三維顯示器

總的來說，很少有工作直接研究多人同時使用立體和自動立體三維顯示的問題。然而，從單個用戶對這種顯示的用戶體驗中可以推斷出一些結論。

與通過立體眼鏡觀看的3D顯示器的互動面臨著3D圖像的虛幻性帶來的復雜問題：雖然圖像是3D的，但用戶可以與圖像互動的表面仍然是二維的。這對觸摸輸入的準確性有影響[103]，因為用戶不能同時將目光集中在屏幕表面的手指/手指關節和出現在屏幕前后的物體的三維圖像上[104]。其結果是，她的手指/腳趾或三維圖像會顯得模糊和加倍。為了解決這個問題，可以用跟蹤手/手指運動的攝像頭來支持半空中的三維觸摸[105][106][107][108][109]。然而，通過立體眼鏡看到的圖像是扭曲的，當以不同于正面和中間的垂直或水平角度觀看時，會引起用戶的不適[110]。這種局限性使人們對立體眼鏡在多個用戶圍繞顯示屏互動時的可行性產生了疑問，特別是在桌面顯示屏所需的角度上。

其他技術，如Euclideon Holographic Table（Euclideon Pty Ltd），允許多個佩戴特殊立體眼鏡的用戶以模仿全息技術的方式觀看詳細的三維物體并與之互動（另見[111][112]）。三維圖像從桌面表面投射出來，攝像機跟蹤用戶的眼鏡，以便在他們在桌子上移動時顯示正確的觀看角度。多個用戶能夠同時看到不同的角度，因為計算機為所有用戶在各自的光頻范圍內向桌子上投射適當的視角。用戶的眼鏡會過濾光線，以便只看到適合其視角的頻率范圍。此外，追蹤式測針允許多個用戶與3D圖像互動。

自動立體視覺（AS）系統在可以準確觀看三維物體的 "甜蜜點 "的數量上是有限的[15]；因此用戶數量是有限的，觀看角度也受到限制。最近的創新加入了眼睛或頭部追蹤，以調整顯示器，使 "甜蜜點 "隨用戶移動[113]，而多用戶追蹤的進一步創新使AS的三維視圖可以同時進行[114][115]。在所有情況下，當屏幕表面與用戶的臉部大致平行時，這些技術的效果最好，因此對顯示方向和多個用戶的分布有限制。因為它們依賴于二維顯示表面，AS系統通常對用戶的交互有同樣的限制，就像立體眼鏡一樣，盡管在運動追蹤的空中手勢輸入方面已經顯示出一些前景[115]。相比之下，體積顯示器，即像素懸浮在一個封閉的三維表面內的半空中，對交互沒有同樣的限制。用戶可以通過觸摸外殼的外表面與三維圖像進行有限的互動[29]，而最近的創新則允許通過運動追蹤的手勢輸入[30]或角度和壓力敏感的手寫筆輸入[116]實現更高層次的互動。

5.1.2.2 擴展現實顯示器

VR HMD已經顯示出在協作規劃任務中增強SA的一些前景，作為對傳統的二維地圖規劃的補充[117]。事實上，VR HMD系統經常被提議用于遠程協作，因為它們允許共享對虛擬環境的認識，并促進其他困難的遠距離互動（例如，[118][119]）。然而，這種系統對同地協作的能力造成了限制，因為外部世界，包括一個人的合作者，都被遮蔽了，被全視角的虛擬顯示所取代。與真實環境中面對面的協作工作相比，使用VR HMD的協作工作受到了溝通不暢和碰撞的影響[120]。這是由于無法看到合作者的行動、目光、動作和非語言線索。其結果是，與透明的AR HMD相比，一些協作任務的表現有所下降[120]。通過跟蹤用戶的身體運動，并將每個用戶的數字頭像納入虛擬世界，可以在一定程度上緩解這種影響[121][122]。但是重要的線索，如凝視方向，不容易從這樣的化身中讀出，它們可能無法幫助任務執行[123]。其他解決這些限制的方法是將用戶的指向（例如，通過手指或輸入設備）渲染成共享虛擬環境中的可見光線，或者采用算法將不同用戶的視圖結合起來，以獲得協作虛擬環境的更完整的視圖[124]。

當需要完成的大部分工作是松散耦合的個人工作時，VR HMD可能更合適，其中穿插著短時間的討論和緊密耦合的合作[125]。一些研究提出將單個VR HMD與手持AR設備上的虛擬場景的次要視圖結合起來，這產生了與兩個VR HMD的設置類似的交流和性能結果[126]（也見[127][128][129]）。關于這種不對稱使用VR HMD的研究仍處于早期階段，并可能很快為不同風格的協作工作提供不對稱設置的指導[130][131][132]。

相比之下，微軟HoloLens2等透視AR HMD允許多個用戶在同一空間內安全互動。AR HMD的同地協作使用已經被證明可以同時容納八個以上的用戶[133]。事實上，文獻推薦了透明的AR HMD，以便在共處一地的合作用戶之間進行成功和安全的交流[120][134]。多個AR-HMD設置支持每個:

1）緊密耦合的交互，每個用戶都可以操縱同一個三維場景（例如，[31][134]）；2）驅動-跟隨的交互，其中一個用戶主動控制場景，其他用戶只是查看正在進行的改變（例如，[136]）；以及3）松散耦合的交互，其中每個用戶操縱自己的獨立視圖（例如，[137]）。這種在多層次交互性之間切換的能力為協作工作提供了重要的靈活性。與VR HMD一樣，使用AR HMD的協作和交流可以通過將用戶的點或目光渲染成共享虛擬環境中的可見光線而得到促進[138]。

與VR HMD相比，使用AR HMD完成任務的用戶對現實世界保持更大的意識，并且與不使用任何HMD完成相同任務的水平相當[139]。AR HMD系統減少了任務空間和交流空間之間的分離，促進了自然的交流線索，以改善任務表現和交流指標[140][141]。此外，AR HMDS的透視特性允許用戶之間繼續互動和協作，即使有些人沒有戴HMD[142]。相對于沒有AR HMD的團隊來說，這種在團隊中不對稱地使用AR HMD可能事實上提高了溝通質量[143]。研究表明，在由消防員、警察和軍事規劃人員組成的共處一地的團隊中，AR系統比傳統的SA和規劃方法更具優勢[144]。這一用例與CRACCEN的預期應用有明顯的相似之處。同樣，美國海軍和陸軍最近也展示了AR HMD作為協作指揮和控制任務的有用工具[145][146]。

AR HMD可能特別適合與桌面顯示器結合使用，這樣用戶就可以在桌面上充分移動，從各個角度觀看3D場景，而不會失去對桌面或現實世界中的合作者的視線（例如，[147]）。這種設置也將解決桌面顯示器上文本方向的復雜問題，因為AR HMD可以以適合每個用戶的方向呈現文本。這種組合得益于AR提供的豐富的深度線索來實現信息的可視化，以及桌面顯示器上觸摸輸入的便利性和熟悉性[137]。它已被證明是城市可視化[148][149]、建筑設計[150]和空中任務監測[134]的有用組合，所有這些都涉及到三維物體（即建筑物、飛機）和三維空間從地面水平表面延伸的可視化。UWW同樣可以從AR HMD和桌面顯示器的結合中獲益，因為這個領域的SA涉及到3D物體（即船舶和潛艇）的可視化和從海底表面延伸的3D空間。

手持式AR提供了HMD的替代方案，盡管通過平板電腦與3D物體的互動已被證明比AR HMD更慢、更耗費體力，也更不可取[151]。對用于協作導航任務的手持式AR的研究發現，與傳統的二維虛擬地圖相比，手持式AR地圖在促進交流、建立共同理解和鼓勵討論方面具有明顯的優勢[152]。同樣，允許對一個三維物體進行單獨操作的視圖可以幫助教學和學習[153]。然而，用于小組工作的手持式AR可能與較高的工作量有關，特別是對于復雜的問題，這反過來會阻礙交流和合作[154]。事實上，雖然VR HMD在促進合作者之間的有效溝通方面不如完全透視（如AR）HMD[120]，但與VR HMD相比，手持式（如視頻傳輸）AR的任務和溝通性能都受到影響[126]。關于合作任務環境中的混合現實和增強現實的全面回顧，見[155][156]。

5.1.2.3 3D顯示和擴展現實的輸入方法

當3D信息呈現在2D顯示器上時，存在幾種熟悉的輸入方法。直接觸摸（例如，在手持AR設備上）和間接的鼠標拖動可以用來在3D空間中平移、傾斜和旋轉，而游戲控制器通常使用雙操縱桿來促進3D導航。在設計行業，三維鼠標是在二維顯示器上操縱三維物體的常見解決方案，它提供了沿所有軸線運動的六個自由度（例如，羅技3DConnexion的SpaceMouse）。基于手勢的方法也已經被開發出來，用于在二維顯示器上直接觸摸操縱三維物體[157]。

這樣的輸入方法在與VR和AR HMD的交互中不太可行[158]。更常見的是，HMD使用基于運動的手部跟蹤來支持半空中的虛擬 "直接 "觸摸，或者使用基于紅外傳感器的手持遙控器跟蹤來間接選擇和操縱虛擬物體。這兩種輸入方法都允許用戶與虛擬物體進行互動，以加強對三維環境的沉浸感。

大多數現成的VR HMD都配備了紅外跟蹤的手持遙控器。用戶將遙控器上的激光光標投射到虛擬物體上，并可以按下幾個按鈕中的一個來進行不同的互動。VR HMD系統也可以追蹤手部動作，進行無遙控手勢輸入，并提供與手持遙控器相當的性能和可用性[159]。

由于AR環境的性質，手勢和半空中的 "直接 "觸摸是AR HMD最常見的輸入形式。研究表明，通過提供用戶自己的身體作為自然的空間參照物，對3D場景的雙肢操作有助于用戶對3D空間的理解[160]。盡管執行起來很直觀和自然，但預先定義的手勢可能不符合用戶的假設和偏好的功能，因此可能難以學習和記憶[161][162]。用戶定義的手勢可以規避其中的一些復雜問題[162][163]。微軟HoloLens2支持通過向外的跟蹤攝像頭對簡單的手勢進行準確的板上識別，以便輸入。其他設備，如微軟Kinect，可以與AR或VR HMD系統相連，以擴大可用的手勢輸入范圍，并允許自定義用戶定義的手勢[163]。

追蹤式遙控器在現成的AR HMD中不太常見，但與半空中的 "直接 "觸摸相比，可能提供一些可用性和人體工程學方面的優勢[164]。與追蹤式手持遙控器不同，空中 "直接 "觸摸缺乏觸覺反饋，這可能會影響準確性、速度和感知到的使用便利性[164]。最近的工作研究了使用系留的智能手機[165]或平板電腦[166]作為AR環境中協作工作的有形輸入設備。其他形式的反饋，如聽覺提示，可以被納入支持AR HMD上顯示的虛擬物體的空中操作，但必須考慮到船上操作環境中的環境噪音[167]。

由于特定的三維輸入法的特殊性與顯示技術密切相關（例如，VR HMD的專有遙控器和AR HMD的內置手勢），并且由于文獻搜索沒有得到與三維輸入法對團隊工作和協作的適用性有關的結果，本節的結果沒有在附件A的匯總表中獨立考慮。

5.1.3 結合多個顯示器

盡管CRACCEN的要求表明至少需要一個中央二維顯示器，但該系統不必局限于單一的顯示技術。事實上，對于涉及多個用戶的復雜任務，采用多種技術可能會有一些好處[168][169]。研究小組協作工作時考慮到了耦合的概念，這是衡量合作者對彼此工作的參與程度的標準（例如，[170]）。對于緊耦合的任務，小組成員朝著一個或幾個共同的目標緊密合作，通過小組層面的討論和共識來做決定和實施改變。對于松散耦合的任務，小組成員可以在問題的不同方面平行工作，以便共同達到一個目標；決定是在個人層面做出的，或者偶爾與其他小組成員進行松散的協商。混合重點的協作任務涉及松散和緊密耦合的混合，并根據任務要求的流動在兩者之間進行轉換[56][84][168]。一個特定任務的工作量水平也可能影響到耦合和信息共享的要求。例如，當耦合太松（例如，團隊成員之間不共享信息）或太緊（例如，團隊成員之間共享所有信息）時，高工作量下的團隊表現可能會受到影響，而低工作量的情況可能會從較松的耦合中受益[171]。

UWW團隊使用CRACCEN完成的各種復雜的任務規劃和執行任務，預計將涉及混合焦點和各種工作負荷條件。因為在混合焦點工作中，松散和緊密耦合的平衡可能會因各個UWW指揮小組[40]，以及不同的任務和工作量條件而有所不同，所以所選技術的靈活性可能具有普遍的好處。結合CRACCEN的多個顯示器可以促進這種靈活的耦合。

在一種可能的配置中，可以提供用于個人工作的手持設備，這些設備隨后可以將數據發送到中央小組顯示器，供討論和進一步協作工作[34][35][172][173][174][175][176]。同樣，系留的手持設備也被證明可以作為大型群體顯示器的替代輸入方法[175][176][177]。有趣的是，上述垂直方向和桌面方向在促進協作和交流方面的差異（例如[39]）可能會因為引入輔助的手持設備而減少，這使得工作更加分散[178]。將手持設備保持在一個舒適的高度和角度的對接架（例如[179]）可以放在小組顯示器周圍，以促進個人工作的匯總和討論。臺式電腦也可以被納入混合焦點協作系統，為小組工作的不同方面組合多個顯示器，在復雜的決策任務中顯示了前景[172]。

混合焦點系統設計的主要障礙之一是意識的平衡：確保合作者保持對彼此的行動和小組層面的任務進展狀態的了解，同時也能保持對自己個人工作的關注[170][180]。一些研究發現，當手持設備與平板電腦結合在一起時，合作的水平會下降[181]。這種有害的影響可能會被有助于保持他人意識的通知和提醒所緩解[47]，而設備之間的信息聯系可以幫助用戶在設備和任務模式之間順利切換[182][183][184][185]。

針對多種集成技術的設計還必須考慮系統復雜性和技術故障排除等更實際的挑戰。聯網到中央小組顯示器和/或相互之間的輔助設備可能會帶來挫折和使用障礙，表現為集成度低、軟件更新不匹配、帶寬限制、網絡連接、設備通信問題，以及對多個設備及其集成的更高維護要求。必須進一步研究系統靈活性和復雜性之間的權衡。

5.2 顯示和輸入技術對UWW任務環境的適用性

UWW的任務環境必然受到UWW指揮小組使用CRACCEN的實際艦上環境的限制。環境因素，如環境噪音、物理空間、溫度、濕度和照明，肯定會在CRACCEN的開發和使用中發揮作用。然而，CRACCEN是為未來船舶開發的未來技術，因此不受現有船舶上物理環境的限制。本節只關注WW任務環境中那些不能由未來船舶設計選擇解決的條件，這些條件將有助于區分考慮中的不同顯示和輸入技術。

5.2.1 顯示技術帶來的眼睛疲勞

盡管任何電子顯示器都會引起眼睛疲勞和視覺疲勞，特別是在長時間使用后，但有證據表明，AR和VR HMD的癥狀的可能性和嚴重程度比普通2D顯示器更大[186][187][188]（參見[189]）。立體觀看，包括通過HMD和立體眼鏡系統，在觀看虛擬3D物體時，由于輻輳（調整眼睛的轉動以匯聚到物體的距離）和調節（調整眼睛的焦點以匯聚到物體的距離）之間的不匹配，可能會加劇眼睛的疲勞[190][191][192][193][194]。

盡管一些研究表明，與VR HMDS相比，透視AR HMD可以促進更好的深度估計、更高的交互精度和更少的眼睛疲勞[195][196]，但眼睛疲勞癥狀的可能性應該是AR和VR HMD的一個嚴肅考慮。設計師必須了解最佳做法，以盡量減少眼睛疲勞，提高用戶體驗和健康水平[197][198]。常見的AR和VR HMD的焦距設定為無限遠（HTC Vive）或大約2米（Oculus Rift、Microsoft HoloLens2）。無限的焦距為開發者簡化了數學運算，但增加了眼睛疲勞的可能性[199]。

用戶需要關注的虛擬物體應該投射在離用戶眼睛不少于0.5米的感知距離上[200]。應該避免要求用戶在更近和更遠的界面之間切換的任務，因為沿Z軸移動焦點會加劇輻輳沖突和緊張[199][200][201]。值得注意的是，透明的AR HMD系統可能需要用戶在投射在眼睛附近的虛擬物體和更遠的真實世界物體之間切換焦點。建議此類系統中的虛擬物體投射在離用戶1.2米到5米之間的感知距離，以獲得最佳的舒適度和抗眼疲勞的效果[200][202]。

各種自適應算法已經被開發出來，通過動態調整用戶的視線，可以最大限度地減少HMD使用中出現的眼睛疲勞和視覺疲勞[203][204] 。使用 "黑暗模式 "圖形，將淺色文本和圖形置于深色背景下，可以減輕VR HMDS中的眼睛疲勞癥狀[205]。同樣，在昏暗的環境中采用淺色的圖形會使用戶對AR HMD的體驗和舒適度達到最佳[206]。也有一些證據表明，訓練和使用HMD的經驗可以改善眼睛疲勞的癥狀[207][208]。

5.2.2 擴展現實HMD帶來的暈機現象

VR用戶經常經歷一種被稱為 "bersickness "或 "模擬器病 "的現象，其癥狀包括惡心、疲勞、迷失方向、頭痛和全身不適[209][210][211]。這些癥狀在移除VR HMD后會持續數小時，并可能最終阻礙使用或妨礙在現實世界中的任務表現[211][212][213]8。雖然還沒有完全理解，但研究表明，暈機是由感官沖突或期望與感知現實之間的不匹配引起的--無論是由于投影圖像的刷新率不足、延遲問題、對用戶頭部運動的跟蹤不佳，還是視覺和前庭系統之間的不匹配（即用戶看到他們正在快速穿過一個場景，但耳朵里的前庭系統沒有記錄任何運動）[209][212][215][216][217][218] 。在使用VR之前立即進行眼動訓練可能會減輕暈機癥狀的可能性[219]，盡管還需要更多的研究來驗證這一效果，以擴大樣本量。同樣，用于調節個人暈動癥的技術可能會隨著時間的推移減輕暈機的傾向[220]。

暈車的傾向在不同的人和不同的VR應用之間是不同的，很多人都在努力開發實時檢測和減輕暈車的手段（例如，[221][222][223][224]）。由于HMD使用時間的增加通常與暈機癥狀的可能性和嚴重性有關，設計者應該只考慮將HMD作為CRACCEN的補充顯示（參見[225]）。多篇綜述論文對使用HMD的經驗和暈機的時間過程中的高度個體差異進行了編目[226][227]。

很少有研究探討虛擬世界中的暈船效應與真實的全身運動之間可能存在的相互作用。用戶在海上會經歷持續的全身運動，特別是在波濤洶涌的海面上（見第5.2.3節），這可能會放大VR環境中感知和預期之間的不匹配，從而增加暈車的風險。在移動的車輛或運動平臺上的乘客使用VR HMD時，已經觀察到了這種放大效應（參見[228]），努力將外部運動的同步視覺指標納入其中，可能會緩解[229][230]或進一步加劇[231]癥狀。其他研究沒有發現在模擬船舶運動的條件下使用AR或VR HMD時，與沒有運動相比，暈船癥狀的風險增加。然而，沒有評估沒有HMD的船舶運動的影響，所以不能區分暈船和暈機的影響[232]。作為進一步的復雜性，一些研究表明，VR HMD用戶在經歷船上運動時可能會有意識或下意識地限制他們的頭部運動，以抵消感覺到的或預期的暈船影響[233]。也有一些證據表明，VR HMD帶來的暈機可能會對平衡和姿勢的穩定性產生負面影響[234][235]，這可能是在移動的船上發生事故或受傷的一個風險因素。毋庸置疑的是，需要進一步的研究，特別是在有經驗的海軍人員這一獨特的人群中，對網絡沖突和船舶運動的互動進行研究。

盡管AR HMDs似乎不像VR HMDs那樣容易誘發暈船[195][236]（參見[237][238]，其中沒有發現使用VR或AR HMDs出現暈船的證據），但AR HMD用戶仍然可以經歷由眼球運動引起的暈船癥狀[239]。例如，瞳孔間的距離因人而異，與HMD的設置不一致會使立體適應和會聚受挫，導致一些用戶出現疲勞和頭痛的癥狀[240][241]。一些HMD系統，如HoloLens2，有內置的設置，可以為獨特的用戶調整瞳孔間距離，并可以通過本地存儲的視網膜數據庫識別個人用戶，自動調整瞳孔間距離以達到最佳的立體觀看效果。然而，與手持式AR相比，使用AR HMD引起的暈機發生率更高，一些初步證據表明，癥狀在長期使用后可能會像VR HMD一樣持續存在[239]。需要更多的研究來驗證在海軍艦艇上使用AR HMD的健康和安全問題。

5.2.3 船舶運動對輸入技術的影響

湍流條件，如波濤洶涌的海面上的船舶運動引起的湍流，會對電子設備的輸入準確性產生負面影響[242][243]，無論是直接影響還是間接影響（例如，通過增加疲勞或暈船[244]，或損害視覺跟蹤[245]）。精細運動尤其受到影響，這使得直接輸入（即觸摸、筆觸）比間接方法如鼠標、軌跡球或鍵盤輸入更困難[246][247]。在模擬船舶運動的研究中，觸摸輸入的準確性隨著船舶運動的增加而急劇惡化，特別是對于較小的目標和基于手勢的輸入[248][249]。相比之下，鼠標輸入對模擬船舶運動有相當大的適應性[248]。盡管軌跡球通常被認為是承受船舶運動的最佳輸入設備，但[248]也發現，軌跡球輸入始終比鼠標和觸摸輸入慢，而且準確度低，即使在嚴重的模擬船舶運動下也是如此（也見[250]）。

在模擬湍流的飛機條件下，觸摸屏用戶的整體性能、可用性和舒適性都有所下降[251]。隨著顯示器尺寸的減小，這種情況尤其明顯，這表明大型群體顯示器可能不會像手持設備那樣受到運動的不利影響[252]。當用戶可以以某種方式支撐他們的手或手腕時，觸摸性能會得到改善，但這可能會因手指伸得不自然或困難而帶來新的人體工程學問題[253][254] 。目前還不知道擴展現實手勢輸入的準確性在多大程度上會受到飛船運動的類似阻礙，未來的研究必須探索這種可能性。然而，研究表明，當軍人在模擬艦艇運動的條件下佩戴AR或VR HMD時，對使用物理輸入（即計算機化的射擊任務）的準確性有明顯的不利影響[232]；兩種類型的HMD之間的影響沒有差別。

次要考慮的是，使用外設進行間接（如鼠標）或直接（如筆式）輸入，會引入船舶運動帶來的額外復雜問題。外圍設備如果沒有固定好，無人看管，就會從其顯示設備上滑落，造成損壞或損失。

5.2.4 船舶振動對顯示和輸入技術的影響

雖然船舶在波濤洶涌的海面上的運動可以被認為是低頻振動，但通常所說的那種全身性的高頻振動也會對船舶人員的運動和認知能力產生影響，因此在顯示和輸入技術的選擇上都必須加以考慮[255]。較高頻率的振動，如發動機或其他船上機械產生的振動，會影響視覺和精細運動技能的穩定性[256]，導致感知和輸入準確性方面的錯誤[257]。一項薈萃分析發現，高頻率的全身振動可能比低頻率的振動對表現有更大的不利影響，特別是對于需要高度輸入準確性的任務[258]，盡管振動的幅度可能是比其頻率更關鍵的因素[255]。與低頻率的船舶運動一樣，人們期望在大型顯示器上的輸入性能，即提供更大的目標，因此需要更少的精度來操作，會比小型顯示器更少受到高頻振動的影響。比較輸入方法的研究發現，軌跡球輸入的速度和準確性受發動機振動的負面影響比鼠標或觸摸輸入更大，兩者之間并無差異[259]。

HMD可能會加劇振動對視覺的有害影響，因為眼睛和眼前的屏幕都可能經歷振動的抖動。在操作室中經歷的振動量會在多大程度上阻礙HMD的舒適使用，這是一個值得進一步研究的課題，然后才能將擴展現實HMD納入艦載系統。以前在軍事環境中使用的HMD表明，如果仔細注意將HMD正確地安裝在用戶的頭上，就可以改善空中和地面車輛的振動問題[260]。然而，這種反饋涉及到定制設計的美國軍用HMD，可能并不適用于RCN最終采購的系統。

最后，如果振動反饋或警報與CRACCEN的功能有關，那么需要評估用戶通過全身振動的噪音感知這種反饋的能力。這對手持設備來說是一個特別相關的問題，但也可能是軟鍵盤和大型顯示器上的直接觸摸輸入的一個因素，這可能得益于振動式按鍵反饋[96][97]。

5.2.5 顯示和輸入技術的人機工程學

設備的人機工程學特性對于長期或頻繁的技術使用是至關重要的，因為它們會極大地影響用戶的士氣和健康。例如，人們早就知道，長期使用電腦鼠標與肌肉骨骼疾病有關，如腕管綜合癥（例如，[261]）。替代的輸入設備已經被開發出來，以減輕人體工程學的壓力，但用戶往往更喜歡傳統的鼠標，而不愿意學習新的輸入方法，這往往需要大量的培訓才能顯示出任何人體工程學或可用性的好處[262][263][264][265]。軌跡球可能比傳統的鼠標輸入設備提供更多的人體工程學支持，只要在放置軌跡球時注意減少極端的手腕姿勢，并考慮到個別用戶的人體工程學[266]。對前臂和手掌的支持可以抵消標準鼠標[267]和鍵盤[268]輸入的人體工程學壓力。標準電腦鼠標和鋼筆輸入（即在水平輸入板上）與桌面設置的比較表明，肌肉負荷沒有差異[269]，或者使用鋼筆的肌肉負荷更大[270]，這取決于實驗設置的具體情況。相比之下，在傾斜的觸摸屏平板電腦上使用鋼筆輸入，前臂和平板電腦都靠在水平面上，與標準的電腦鼠標輸入相比，引起的腕部負荷更小，用戶的舒適度更高[271]。對于文本輸入，軟鍵盤在短期內由于減少了輸入力而顯示出相對于物理鍵盤的人機工程學優勢，但從長期來看，其缺點是增加了肩部勞損[272] 。

對比平板電腦、筆記本電腦、平板電腦、垂直顯示器和智能手機，發現只有筆記本電腦適合長期使用，而且只有在鼓勵正確坐姿的情況下[273]。其余的設備被證明會對肩部、頸部和手臂造成重大壓力。同一研究顯示，大型垂直顯示器在站立狀態下使用時，特別容易造成疲勞，不建議長期使用（另見[274]）。

大型觸摸屏顯示器被證明在垂直而非桌面方向顯示時，會引起更多的肌肉疲勞[275][276]，這可能會復合成對肌肉骨骼系統更持久的損害。研究人員建議減少所需的連續交互程度，并通過讓重要的界面靠近用戶來規避在大型顯示器上進行遠距離交互的需要[275][277]。例如，在桌面顯示器上進行舒適的觸摸互動的觸及距離比許多大型顯示器的尺寸還要小[77]，所以設計者需要仔細考慮界面的布局。與垂直或水平顯示器相比，傾斜45o的觸摸屏顯示器引起的自我感覺不適更少，自我感覺可用性更高[278]。當參與者可以選擇幾個屏幕角度時，他們傾向于選擇30-45o之間的角度[50][279]。在使用觸摸屏時，用雙手而不是用單手做手勢似乎可以減少主觀上的不適感，尤其是在較長的使用時間內[279]。然而，更復雜的手勢，如捏住旋轉或輕掃，與簡單的點擊手勢相比，有更多的關節活動，這可能構成更高的傷害風險[276][280]。在開發可用的手勢和界面時，需要同時考慮舒適的手指位置和顯示方向的人體工程學限制[281]。

桌面顯示器的高度對其使用的人體工程學舒適度有很大影響，頭部和屏幕之間的垂直距離越大，不適感就越強，可用性就越低[278]；因此，站著的時候喜歡抬高屏幕，坐著的時候喜歡降低屏幕。使用時間對于桌面顯示器來說是一個特別相關的因素，因為桌面使用所需的頭部向下的角度會對頸部和脊椎周圍的肌肉造成很大的壓力[273][282]。此外，相對于在筆記本電腦上執行的類似任務，在桌面顯示器上長時間的閱讀任務會增加感知的視覺疲勞和所需的頭部運動，從而增加頸部疲勞[282]。輸入方法同樣在桌面使用的人體工程學方面起著作用，對于長期使用來說，鼠標輸入通常比直接輸入（如觸摸或筆式）更受歡迎[80]，但對于短期使用則不一定[86]。與鼠標輸入相比，軌跡球輸入可能會減少手部的不適感，但其代價是增加手臂、頸部和肩部的不適感[73]。使用手寫筆的手寫識別可能會減輕圍繞鍵盤使用的一些人體工程學問題[283]，但對于CRACCEN使用中預計涉及的相對較少的文本輸入，人體工程學的優勢可能對整體用戶體驗沒有什么影響。

值得注意的是，桌面顯示器的一些人體工程學復雜問題可以通過將二維圖像增強為三維來緩解。虛擬三維信息可以在眼睛的高度呈現給HMD用戶，而不是要求他們低頭看桌面顯示器。與垂直顯示相比，用3D AR HMD和精心設計的手勢輸入對桌面顯示進行增強，有助于使用戶的手保持在肩部和腰部之間相對舒適的位置，從而最大限度地減少疲勞[284][285]。然而，半空中的互動可能容易導致手臂疲勞[160][286]（參見[287]，該研究顯示，與標準鼠標相比，用戶用半空中的手勢玩2D游戲時沒有額外的疲勞感）。其他研究發現，在虛擬世界中通過VR HMD進行的手勢比在現實世界中進行的相同手勢導致了更高的自我報告的疲勞程度[288]。輸入放大的方法可以減少半空中輸入帶來的肌肉疲勞[289]。

VR和AR HMD也會給頭部和頸部肌肉帶來額外的壓力[290][291][292][294]，并引起不適和疲勞[294][295][296]，盡管用戶報告的不適程度似乎主要取決于HMD的整體重量和重量分布[293][297][298]。一般來說，不建議長時間使用。最近由DRDC承包的一項審查表明，像微軟Hololens2這樣的AR HMD在UWW中使用一般是安全的，盡管人體工程學的考慮表明使用的時間是有限的[297]。

相比之下，3D AR互動在通過手持設備而不是通過HMD進行時，身體會更加疲憊[151]。研究發現，長時間使用手持設備后，頸部、背部和手臂都會有明顯的勞損[61][273][299]。坐著時將手持設備放在腿上，頸部和背部的不適尤其明顯[300]，而用一只手高舉設備，另一只手進行觸摸操作，會對支持的手腕造成很大的壓力[301]。手持設備在人體工程學上的缺點可以通過整合對接架來緩解，對接架可以支持設備并允許在相對于用戶的舒適高度和角度進行雙手觸摸輸入[302]，但手持AR設備通常需要高舉并移動以查看3D場景。

6 建議

第2節中概述的CRACCEN的需求分析確定，鑒于UWW環境的三維性質，至少需要一個中央二維群組顯示器，以及可視化和與三維信息互動的能力。還討論了結合多個顯示器的可能性，以適應UWW任務工作中個人和團體之間的靈活轉換。第4節和第5節對文獻進行了廣泛和跨學科的審查，以確定哪些顯示和輸入技術最適合促進UWW環境中的團隊工作。

附件A中列出了一份總結審查結果的表格，這有利于在不同技術之間進行直接比較。總結表中提供了指導每項技術評估的參考文獻的完整清單，為了簡潔起見，下面的書面建議中沒有轉載。下面依次討論從審查中得出的建議。

1.一個大型的桌面二維顯示器應作為中心組的顯示器。

2.應選擇安裝硬件，使中央顯示器能夠根據需要在水平和垂直方向上靈活轉換；以及

3.可選的額外設備可以與中央顯示器聯網，以改善戰斗空間的三維可視化（即AR HMD），并更好地支持個人工作，隨后可以在中央顯示器上進行組合和共享（即手持設備或桌面工作站）。

6.1 大型中央桌面二維顯示器

圍著桌子工作是人們熟悉的小組討論、商議、信息共享和決策的配置，而多點觸摸屏幕的直觀性使所有用戶很容易做出貢獻，無論是同時還是輪流。這種布局提高了協作任務中的溝通和互動質量，從任何邊緣與顯示屏互動的能力大大增加了同時使用的能力。該技術與熟悉的、經常使用的技術（如臺式電腦和智能手機）有相似之處，這將使用戶能夠利用現有的知識框架，從而減少學習時間。閱讀地圖的知識框架經常發生在水平面上，也可以利用空間導航規劃和SA。

直接觸摸是二維桌面顯示器的理想輸入方法。當需要進行小組工作時尤其如此，因為它允許用戶輕松地跟隨他們的合作者的行動。用鋼筆觸控器可以提高精確度，而且還可以用手寫識別作為文本輸入方法，不過考慮到船舶運動和移動的外圍設備可能會超過觸控器的任何附加價值。軟鍵盤可以根據需要供UWW團隊使用。

在設計階段必須特別考慮到使用的人機工程學，確保重要的顯示菜單容易獲得和/或可以靈活地在屏幕上移動以方便使用。桌面上的二維顯示器如果相對于用戶的位置太低，有可能對頸部和脊柱造成壓力，而大型顯示器上的觸摸式互動在長時間使用后會造成肌肉疲勞。

6.2 靈活的顯示角度

由于需要支持混合焦點任務，靈活性將大大有利于CRACCEN的可用性。只需花很少的額外費用購買專門的安裝硬件，以協作為重點的桌面顯示器就可以根據需要轉換成以演示為重點的垂直顯示器。垂直方向將支持更多的演講式交流；將促進簡報；并可作為背景顯示器，在不積極用于協作任務規劃或執行任務時，保持任務、平臺和任務狀態的SA。

在設計階段必須特別考慮靈活的界面，因為屏幕的方向將極大地影響到要顯示的信息類型和交互空間的組織。例如，到達左上角的菜單對于在桌面顯示器上邊緣的用戶來說可能是件小事，但對于位于垂直顯示器前的用戶來說卻是件非常費力的事。靈活的系統應該能夠自動識別顯示器的方向并相應地調整輸出和界面。雖然現有的研究提供了一些一般的指導原則（如[38][39]），但未來探索不同顯示方向的具體海軍用例的研究應該指導CRACCEN的界面設計。

6.3 用于個人工作的可選AR HMD和設備

由于UWW的環境是3D的，SA和任務規劃可能會從其3D表現中獲益匪淺。盡管VR和AR HMD都支持與虛擬三維物體的沉浸式互動，但透明的AR HMD為交流和小組工作提供了更好的支持，也降低了暈機的可能性。AR HMD可以作為3D可視化和互動的可選輔助工具提供給CRACCEN用戶，研究表明，即使在一些合作者佩戴HMD而其他合作者不佩戴的情況下，有效的合作和交流也可以保持在較高水平。

AR HMD的用例已經在各種軍事環境中進行了探索，包括城市環境中的導航和SA[303][304]、軍隊的地面和車輛作戰場景[260]、空軍飛行員的平視顯示器[260]，以及高風險場景的模擬訓練[305]。到目前為止，很少有工作評估AR HMD在艦艇環境中的可用性（但見[232][306]）。在開發之前，必須進行研究以測試AR HMD在船上環境中的可行性，因為船舶運動和振動的影響可能從一開始就阻礙或排除了可用性。

盡管CRACCEN的重點是小組工作，但UWW小組成員個人仍需要將其個人專長應用于協作任務的規劃和決策任務。平板電腦或臺式電腦系統可以作為個人工作的可選支持，具有聯網功能，在積極的任務規劃任務中向中央小組顯示器傳輸信息。科學文獻目前沒有提供明確的指導方針，說明一種設備（如臺式電腦或平板電腦）比另一種設備更適合于混合焦點任務，因此在最初的研究中應考慮這兩種設備。以前的工作結合了平板電腦、平板電腦、3D增強和AR HMD等技術，用于考古學的多用戶可視化，可以作為一個有用的概念證明：提供多種方法來探索和瀏覽復雜的3D環境，可以幫助可視化和SA，從而支持解釋和決策[307]。

靈活耦合的CRACCEN系統的設計者將需要考慮個人工作的最佳界面，如何在顯示器之間傳輸信息，以及如何將傳輸的信息納入中央小組顯示器的可視化中。還必須仔細考慮系統的靈活性和整合多個設備的額外實際復雜性（如設備間的通信挑戰、軟件更新、帶寬限制）之間的權衡。

6.4 未來的研究

需要進行更多的研究來驗證上述建議在RCN的艦載UWW指揮小組的獨特操作環境中的有效性。下文按優先順序介紹了開發過程中下一步的未來研究建議，盡管幾條研究路線可能同時進行。在所有建議的研究案例中，原型開發和用戶研究是同步進行的，每一項都為另一項提供信息。

6.4.1 靈活顯示器的構思研究

到目前為止，本報告建議使用一個中央二維桌面顯示器，可選擇垂直方向，可選擇AR HMD來顯示三維信息，可選擇桌面或平板設備來進行個人工作。然而，目前還不清楚哪些信息和能力最適合在哪些顯示器上以何種組合方式呈現。一個初步的想法研究可以讓中小企業進行頭腦風暴活動，讓他們想象在不同的顯示器選項上進行各種任務規劃、執行和決策任務。這個研究方向的問題包括：中小企業希望通過每個顯示選項完成哪些任務，他們在尋求特定信息時可能會參考哪些顯示選項，他們在使用某個顯示選項時預見了哪些問題，以及他們可以想象自己在UWW團隊中使用每個顯示選項會有哪些貢獻。

在這個最初的構思活動的基礎上，后續的研究應該評估設計概念和每個顯示器的界面的靜態模型。最初的模型和概念將從現有的用戶體驗專業知識中開發出來，然后提交給用戶測試和完善。在這個階段感興趣的問題包括：所展示的界面布局的可感知的可用性，中小型企業可能會建議做哪些改變來改善特定顯示器的布局，中小型企業可能會建議對信息或功能在顯示器上的分布做哪些改變（例如，驗證最初的構想研究），以及中小型企業如何想象自己與顯示器的互動。很可能需要幾次反復的設計概念開發和用戶測試，而且這些初步研究的結論有可能與本初步報告中提供的建議相反。例如，可能會出現這樣的情況：WWW團隊現有的臺式工作站可能被證明足以滿足CRACCEN個別工作方面的能力要求，在這種情況下，不需要進一步開發個別臺式或平板電腦界面。這樣一來，這些研究的結果將為下面的額外研究建議提供信息和約束方向。

研究人員還可以考慮采用VR技術，在模擬的艦船環境中與中小企業一起測試設計概念。這將使中小企業在開發的早期階段，在真實工作環境的虛擬模擬中，而不是在不太現實的實驗室環境中，體驗和評估CRACCEN的外觀和感覺[308][309]。

6.4.2 測試中央顯示屏的原型

本報告的結論所建議的下一步是為CRACCEN桌面開發一個低保真度的初始原型，重點是一個可用的二維界面，有一個模擬場景，UWW團隊可以作為一個小組進行工作。然后，研究人員可以使用這個原型，與中小企業和中小企業團隊一起測試系統的可用性[310]。

原型設計和開發的早期迭代可以集中在高層次的目標上，早期的測試同樣可以涉及相對簡單的反饋方法，例如特征捕捉網格，它將反饋組織成喜歡、批評、問題和想法，以便完善后來的設計迭代[6]。

后續的原型迭代應該包括越來越詳細的目標和具體的能力。這些后期迭代的用戶測試可以包括對任務表現、可用性（例如，桌面協作可用性評估[311]）、系統使用的口頭走過（例如，[312]）、場景后訪談、工作量和認知負荷的測量（例如，NASA-TLX[313]），以及團隊溝通和凝聚力的測量。眼球追蹤測量可以被納入，以幫助改善界面設計[314]。根據[315]的建議，在對原型熟悉一段時間后，應該對任務技術匹配度（TTF）進行正式評估，以驗證其與任務的匹配度。

6.4.3 測試AR HMD和個人工作原型

必須在海上測試AR HMD在艦船環境中的可行性。只要這些測試證明AR HMD可以在其所處的環境中安全使用，原型的開發和測試就應該按照對中央顯示器建議的方式進行：從高層次的目標和簡單的反饋到具有全套措施的具體能力測試。開發應考慮設計啟發式，以最大限度地減少人體工程學的壓力和最大限度地提高可用性[319]。最初的評估可能會孤立地檢查AR HMD，但以后的研究必須也包括桌面顯示器的原型。中小企業可以單獨承擔任務，為CRACCEN使用AR HMD提供初步的高水平評估和投入。

對于協作任務來說，混合現實系統的虛擬性和沉浸感水平應該只根據任務需求來增加，以使用戶保持對物理空間和合作者的認識[17]。AR HMD的測試和開發周期不僅需要檢查可用性和TTF，還需要比較納入HMD和3D信息所增加的價值[320]，相對于任務表現、認知負荷、團隊合作或溝通質量的任何變化。

如果上述構思研究的結果驗證了平板電腦或臺式電腦對個人工作的有用性，那么對這個原型的測試也同樣應該從高層次的目標和簡單的反饋開始，到用一整套措施對具體能力進行測試。最初的評估可以孤立地檢查個人工作原型，但以后的研究必須把桌面顯示器的原型也納入其中。因為這些設備是為個人工作準備的，所以最初的評估可以與單個的中小企業一起進行。

個人工作原型的測試和發展需要檢查可用性，TTF，以及比較納入這些額外的設備所增加的價值，相對于任何任務執行質量的變化，認知負荷，團隊合作，或溝通。

7 結論

CRACCEN系統預計將徹底改變在RCN內進行UWW的方式，不僅有可能重塑UWW任務的技術使用方式，而且有可能重塑指揮小組成員之間的相關任務分配和完成方式。為了適應這種重新設想的任務和人員空間，系統應該是什么樣子是一個關鍵問題，因為在早期高水平設計階段做出的決定可能會限制和確定未來RCN的UWW的性質。本報告試圖通過審查這些技術與一些高層次的任務要求和約束條件的關系，來確定最適合艦載UWW團隊使用的顯示和輸入技術。

第2.3節提出的初步需求分析表明，至少需要一個中央二維顯示屏幕，能夠顯示并與三維信息互動，并有可能結合多個顯示器進行靈活的混合焦點工作。本報告審查了多種顯示技術、輸入方法和三維增強的方法，考慮了各種技術對團隊工作和UWW任務環境的限制的適用性。

根據綜合文獻審查的結果，作者建議采用二維桌面顯示器作為CRACCEN的中央顯示屏，具有靈活的顯示方向，可選擇AR HMD來增強UWW環境的三維可視化，可選擇桌面或手持顯示器進行個人工作，隨后可以在中央團隊顯示器上共享規劃和討論。然而，UWW指揮小組及其作戰環境的特點可能會影響這些技術和技術組合的實用性和可用性。與中小企業的進一步研究必須驗證這些技術，并在原型開發過程中測試界面設計的實用性。

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。

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

軍事和民事情報組織經常被要求為指揮官和決策者提供支持，他們的決定影響著國家和國際安全。除其他特征外，如及時性和相關性，情報組織應做出有嚴格分析支持的評估，準確無誤，并明確傳達給決策者。不確定性對情報的評估和溝通功能都構成了關鍵挑戰。例如，分析員收到的信息的質量往往是不確定的，他們所依賴的概念模型也是如此。簡而言之，大多數分析都是在不確定的條件下做出的人類判斷。決策者可能希望完全消除不確定性，但情報組織必須努力將有關事件（概率）和他們的評估（信心）的揮之不去的不確定性盡可能連貫和清晰地傳達出去，以避免誤傳。

SAS-114研究工作組通過研究(a)在不確定情況下促進情報評估準確性的現有和新方法，以及(b)在這種評估中溝通不確定性的標準來應對這些雙重挑戰。本報告概述了SAS-114所完成的研究和分析，分為以下四個部分。

第一部分（第1-5章）研究了情報生產管理的組織方面。第1章概述了目前由科學知識有限的思想領袖制定的情報培訓如何未能解決不確定性溝通中固有的主觀性或鼓勵分析員的自我批判性認知。第二章根據英國國防情報局的經驗，提出了一個不確定性評估的框架，旨在為決策者創造最大價值，減少情報失敗的風險。第3章介紹了荷蘭國防情報和安全局利用 "魔鬼建議 "來改進分析產品。第四章介紹了關于加拿大情報從業人員認為自己及其組織在多大程度上符合美國情報界第203號指令規定的分析嚴謹性標準的研究。在第五章中，英國分析傳統技術培訓小組的成員討論了學術合作和內部研究如何促進循證傳統技術在其組織中的實施。

本報告的第二部分（第6-9章）重點討論了不確定情況下的信息評估。第6章介紹了一種基于預期信息價值建立情報收集優先級的新方法。第7章批判性地審查了目前評估來源可靠性和信息可信度的標準，并強調了未來研究的途徑。接下來，第8章介紹了 "可靠性游戲"，作為衡量來源因素對人類處境意識影響的一種游戲方法。第九章接著討論了風險游戲，這是一種評估專家如何處理異質信息、考慮信息質量和形成對同時發生的事件的信念的方法。

第三部分（第10-15章）探討了不確定性下的情報和風險評估。第10章討論了系統地監測地緣政治預測技能的重要性，并概述了這樣做的經驗方法。第11章重點討論了信息安全持續監測（ISCM）在防御性網絡行動中的挑戰，并討論了應用ISCM框架來改善情報評估。第12章介紹了關于競爭假設分析的有效性的實驗研究，以及分析后的重新校準和匯總方法，作為提高分析員判斷準確性的手段。第13章介紹了批判現實主義理論，以及批判話語分析和安全化理論的理論組成部分，它們共同為一種新穎的分析方法提供了框架：通過對比敘述進行分析。第14章接著介紹了一種以3值和6值邏輯的真值表形式結合分析判斷的透明方法。第15章的結論是一個分類系統，它有助于將分析技術與具體的情報問題相聯系。

本報告第四部分（第16-20章）根據SAS-114的最初目標，討論了情報制作中不確定性的交流。第16章研究了自然語言中固有的不確定性是如何影響報告質量的，并提出了一種識別、評估和權衡文本信息的證據性的方法。第17章對美國和英國在情報分析中交流概率的政策進行了批判性評論。第18章介紹了由SAS-114的成員和附屬機構收集的估計概率標準的注釋集。同樣，第19章介紹了SAS-114收集的用于評估和溝通分析信心的標準。第20章是報告的結尾，討論了數字時代的交流，特別關注商業開放源代碼情報中的不確定性溝通。

因此，本報告中的二十個章節涵蓋了廣泛的概念領域。SAS-114團隊希望，讀者會發現這套報告既能激發智力，又有實際用途。

內容提要

軍事和民事情報組織經常被要求為指揮官和策略制定者提供支持，他們的決定影響著國家和國際安全。除其他特點外，如及時性和相關性，情報組織應做出有嚴格分析支持的評估，準確無誤，并明確傳達給決策者。不確定性對情報的評估和溝通功能都構成了關鍵挑戰。例如，分析員收到的信息的質量往往是不確定的，他們所依賴的概念模型也是如此。簡而言之，大多數分析都是在不確定的條件下做出的人類判斷。決策者可能希望完全消除不確定性，但情報組織必須努力將有關事件（概率）和他們的評估（信心）的揮之不去的不確定性盡可能連貫和清晰地傳達出去，以避免誤傳。

SAS-114研究任務組通過研究來應對這些雙重挑戰。

a) 在不確定情況下促進情報評估準確性的現有和新方法；以及

b) 溝通此類評估中不確定性的標準。

本報告概述了SAS-114所完成的研究和分析，分為四個部分。

a) 第一部分（第1-5章）探討了情報生產管理的組織方面。

b) 第二部分（第6-9章）研究了不確定性下的信息評估。

c) 第三部分（第10-15章）研究不確定條件下的情報和風險評估；以及

d) 第四部分（第16-20章）研究了目前在情報生產中溝通不確定性的方法。

第一部分的核心主題是，情報組織需要積極主動地利用判斷和決策的科學。第一部分進一步說明了盟國的情報組織正試圖發展一種更加基于證據的分析技術和情報監督的方法。第二部分批判性地審查了目前評估信息有用性和質量的情報方法，并提出了替代方法。第二部分還介紹了測試分析員在不確定環境中如何評估信息質量的研究方法。第三部分描述了監測情報預測的準確性和監測防御性網絡風險的方法。第三部分還對支持情報分析的替代方法給予了極大的關注，包括通過對分析員的支持，以及通過從決策科學中提取的分析后方法。第四部分集中討論了自然語言和情報領域中不確定性的溝通。有幾章對目前向決策者傳達概率和置信度的情報（和其他專業）標準進行了批評分析。

盡管本報告所涉及的主題和調查方法多種多樣，但有幾個章節在一些關鍵結論上是一致的。首先，現有的交流信息質量、事件發生和評估準確性的不確定性的方法在多個方面存在缺陷，應促使北約下的情報界更密切地關注相關科學。具體來說，我們建議情報組織考慮使用數字概率，而不是目前使用的不確定性的模糊的口頭表達。其次，我們建議情報組織在符合科學標準的實驗中測試分析技術方法的有效性，并建議他們考慮在科學理論中具有更強基礎的替代方法。這一點至關重要，因為正如我們的一些研究表明，現有的方法可能不僅不能提高分析的嚴謹性，事實上還可能削弱分析員的評估質量。最后，我們建議情報組織采用積極的自我監測系統，除其他外，跟蹤他們提供給決策者的預測的準確性。

前言

SAS-114小組的前身是SAS-ET-CR探索小組，該小組于2014年12月在北約合作支持辦公室（CSO）召開了一次會議。最初的想法是專注于審查不確定性和風險的溝通標準。根據英國的建議，將范圍擴大，不僅包括不確定性的溝通，還包括在不確定性條件下如何進行評估。一年后，SAS-114研究任務小組（RTG）在CSO啟動，最初的團隊來自加拿大、丹麥、英國、荷蘭和美國，以及北約的海洋研究和實驗中心。隨后，它的成員擴大到包括德國、挪威、西班牙和瑞典。在第一年內，SAS-114也變得很明顯，它主要集中在情報分析領域。對情報的強調在活動中期的重新命名中被正式體現出來。SAS-114從情報界吸收了許多新成員，團隊的組成變得真正多樣化，包括科學家和情報專家的組合。每次會議的結構就像一個小型會議，旨在交流思想和新的發現，并做一些很少做的事情：給科學家和從業人員一個一年兩次的幾天空間來討論情報分析中的挑戰，并聽取可用于改善情報和向決策者傳達的前沿研究。因此，SAS-114也受益于來自科學界和情報界的大量特邀發言人。一個有代表性的例子是在會議記錄中，溝通不確定性，評估信息質量和風險，以及在情報分析中使用結構化技術（doi: 10.14339/STO-MP-SAS-114），其中概述了Arne Biering在哥本哈根Kastellet舉辦的研討會。SAS-114的會議結構與RTG的會議不同，是為了刺激坦率和公開的對話，并為合作的形成和發展提供機會。核心團隊并沒有著手設計所有成員都會參與的實驗。相反，在雙方興趣濃厚且每個參與成員都有貢獻的地方，形成了較小的合作集群。本報告中的許多章節概述了這種合作努力的結果。其中一些團隊的努力仍在進行中，并不是所有的團隊都已經成熟到可以在本報告中總結的地步。如果SAS-114在過去的三年里沒有什么成果，這可能會被理解為 "未完成的工作"，然而根據任何合理的標準，SAS-114已經有了很高的成果，正在進行的合作更適合被理解為團隊持續合作的力量和產生的潛力的明確標志，這將遠遠超過其預定的年份，甚至可能成為北約未來的一個或多個活動。

SAS-114被證明是一個公開對話和自我形成研究合作的實驗，這一點在這份最終報告中得到了很好的體現。在報告中，讀者將發現沒有成員共同簽署的共識文件，而是一個結構化分析、研究結果、專業見解和影響SAS-114關鍵焦點的思想文章的多樣化集合。作為編輯，我偶爾會在實質性問題上對作者提出質疑，但這只是為了進一步突出論點，而不是為了強求一個共同的觀點。本報告中的20個章節分為四個部分：（a）情報生產管理的組織方面，（b）不確定性下的信息評估，（c）不確定性下的情報和風險評估，以及（d）情報生產中的不確定性溝通。最后一部分正視SAS-114的最初目標，追溯到探索小組，而前三部分則強調該活動自早期開始以來的發展。

序文

指揮官和策略制定者需要高質量的信息來做出適當的決定。在處理他們自己的部隊時，在正確的級別和正確的時間獲得正確的信息，雖然不是小事，但可以通過卓越管理來實現。然后，風險可以得到適當的衡量和說明。然而，如果不注入大量的不確定性，再好的管理也無法提供關于一個合格對手的決策質量信息。

大部分的不確定性來自于無法獲得第一手的信息，而不得不從不完整的或智能體的測量結果中進行推斷--這種情況對于其他行業的分析人員來說是很熟悉的，無論是市場研究、運營研究還是財務分析。然而，其中一些不確定性來自于對手使用積極的欺騙手段，試圖讓我們自己的偏見對我們不利，以掩蓋意圖和能力。為了適應我們用來描述對手行動路線的描述詞：如果第一個不確定性的產生者是最有可能的，那么第二個就是最危險的。它們共同為情報分析員提供了兩個不同但相關的挑戰：如何在這些條件下達成適當的評估，以及如何將這種不確定性適當地傳達給決策者。

雖然在大多數情報組織中，促進情報評估的準確性和溝通不確定性的直觀一致的程序已經使用了一段時間，但本報告中的研究表明，有些程序經不起科學方法的檢驗。這組論文中反復出現的主題是，隨著我們繼續在研究人員和從業人員之間不斷加深理解，不斷發展的判斷和決策科學可以幫助發展一種基于證據的情報分析技術。

科學和戰爭之間的共生關系并不新鮮。從最早的洞穴居民嘗試用棍子的大小、形狀和材料來保護家人免受攻擊，到隱形飛機的開發，研究、開發和國防從業人員之間的聯系在 "行動"、"防護 "和 "感知 "的操作功能中一直很緊密。指揮職能，包括其情報子集，已被證明對科學界的幫助有更大的阻力。文化、難以讓科學家獲得適當級別的批準，以及發表機密到無法進行同行評審的研究缺乏吸引力，是造成這種距離的一些因素。

本技術報告收集了豐富的思想文章、專業見解和研究成果，是科學家和從業人員特意聚在一起討論情報分析中的挑戰的產物，這表明我們最終正在打破這一鴻溝。兩個部落都肯定會從這種合作方式中獲益，但最大的贏家無疑是情報的消費者：指揮官、策略制定者和他們所服務的人。

• 克里斯蒂安-盧梭上將（退役）（MGen (Ret'd) Christian Rousseau，加拿大恐怖主義綜合評估中心主任；前加拿大國防情報局局長和加拿大部隊情報指揮部的創始指揮官。

全球信息網絡架構（GINA）是一個語義建模框架，旨在促進特設傳感器資產和指揮與控制系統的整合，因為它們可以通過被稱為矢量關系數據建模的實施方式提供給戰斗空間中的操作人員。為了評估GINA的互操作性和推理能力，開發了一個概念驗證評估，并在真實世界的傳感器數據上進行測試。

正如美國陸軍的多域作戰（MDO）概念所指出的，美國的對手試圖通過在政治、軍事和經濟領域的分層對峙來實現他們的戰略目標，而不是通過沖突來對抗美國軍隊和聯盟伙伴。此外，MDO概念指出，對手可能采用多層跨域對峙--跨越陸地、海洋、空中、太空和網絡空間，在時間、空間和功能上威脅美國和聯盟部隊。反擊這些戰略的中心思想是快速和持續地整合所有領域的戰爭（即融合），跨越時間、空間和能力，以戰勝敵人。

為了實現MDO的執行，聯合軍種、政府機構和多國伙伴之間的互操作性是一個關鍵要求。戰術行動已經越來越依賴于信息網絡的傳感、通信、協調、情報和指揮與控制（C2）。因此，美國陸軍不斷尋求提高其整合網絡系統的能力，并在不同的作戰節奏水平上實現同步效果。從歷史上看，由于沒有足夠的能力來支持現有的和新興的技術和進程，這種整合在以無處不在的物聯網（IoT）和軍事C2系統為特征的不斷發展的網絡化戰斗空間中帶來了技術挑戰。這種限制因不同系統的孤島而進一步加劇，限制了戰術、技術和程序的跨系統使用，以及支持硬件和軟件組件。這些限制使作戰人員面臨不一致和缺失的關鍵任務數據，促使作戰功能在孤立中運作。例如，行動和情報之間的數據交換是有限的，范圍也受到限制，增加了指揮官決策過程中的風險和延誤。

為了實現陸軍網絡現代化，陸軍未來司令部網絡跨職能小組（N-CFT）正在調查通過創新、整體和適應性的信息技術解決方案來實現網絡互操作性的顛覆性方法，以滿足既定的C2互操作性挑戰。根據NCFT的指示，美國陸軍作戰能力發展司令部（DEVCOM）陸軍研究實驗室（ARL）的研究人員評估了一項名為全球信息網絡架構（GINA）的技術，作為多源傳感器數據融合的系統解決方案，以支持決策。 根據其軟件規格，GINA的目的是減少在互操作和集成方面存在的技術挑戰，并支持及時的共同情報/作戰圖景和決策的情報分析。

目前，語義互操作是一個活躍的研究領域；近十年來，已經開發了一些軍事技術解決方案。語義互操作提供了促進快速整合來自臨時傳感器資產和異質C2系統的信息的手段，因為它們為戰斗空間中的操作人員所了解。這項初步評估表明，GINA能夠整合不同的傳感器系統，并對數據進行同質化和協調，以便在本次評估的實驗場景下提供解釋、分析和推理。在這一評估的基礎上，在與MDO的規模和復雜性相匹配的實地演習或實驗中進行進一步的評估可能是有意義的。具體來說，進一步評估的能力是：1）來自多個部門的傳感器和通信設備之間及時的互操作性；2）連接來自不同結構和標準的盟國、合作伙伴或商業數據流系統；3）豐富、數據分析、推理或增強其他決策支持C2系統；以及4）與其他技術解決方案的比較。

這項評估的綜合分析已經在DEVCOM ARL技術報告ARL-TR-9100中記錄和公布。

將數字資源信息整合形成系統對這些資源的利用至關重要。這種信息的形式可能是誰負責該資源，該資源可用于什么，該資源在哪里，如何獲得該資源，以及該資源如何與其他資源結合。總的來說，這些信息代表了當前信息環境中各要素態勢感知的組成部分。對這些要素的了解使數字資源的利用更有能力。在實踐中，這種感知可以幫助以一種更適應的方式分配資源，考慮到諸如信息消費者的要求以及提供者和消費者之間的通信渠道所帶來的限制。這里介紹了與自適應處理有關的概念，在基于云的聯盟反潛作戰（ASW）的背景下。在與北大西洋公約組織（NATO）合作伙伴的合作中，一個云基礎設施被用來構建與虛擬平臺相關的計算能力，包括虛擬平臺之間的模擬通信渠道。對基礎設施適應性性質的測試依賴于與 ASW 中的信息分發和利用相關的已定義用例。這里，這些用例被詳細描述。這些用例顯示了支持這樣一個適應性系統所需信息快速增長的復雜性。這些用例還指出了許多未來的研究途徑。

引言

在加拿大皇家海軍（RCN）的作戰任務中，海上信息和衍生物的收集、處理和傳播主要集中在平臺的自主性上，無論是船只還是飛機。這種以平臺為中心的觀點部分是由于在作戰中必須成為一個自給自足的實體，有能力收集和處理對平臺重要的所有信息。盡管實驗已經顯示了無縫連接和利用外部信息的能力[1][2]，但在依靠外部資源進行數據和信息處理方面存在著一種謹慎的做法。

這種謹慎的做法部分是由于不愿意依賴外部伙伴，因為與該伙伴的通信可能很差或不存在。遇到諸如缺乏帶寬、大延遲或質量下降等問題的通信渠道通常被稱為 "弱勢網絡（disadvantaged network）"[3]。這種網絡確實抑制了盟軍中其他人或海上平臺與總部所在地之間對任何收集的數據或信息的分發和使用。

當然，處理通信問題的標準對策是構建通信機制，允許更大的信息量通過通信渠道。這種解決方案有效地解決了 "給我更多帶寬"的要求。然而，另一種有效的方法則側重于更好地利用現有帶寬。這里，"更好地使用 "意味著以更全面的方式使用，通過考慮以下因素考慮到整個處理周期：

• 正在使用的信息。

• 該信息的位置。

• 對該信息采取行動所需的處理算法、模型等。

• 處理算法或模型的位置。

• 完成處理所需的計算能力。

• 參與平臺之間的帶寬連接。

• 最終產品的使用地點。

這些因素認識到信息是一種資源，要被移動并與處理算法相結合，然后形成一個新的產品。這些組成部分的重要性，以及這些組成部分與歷史信息科學的關系，在[4]中有所描述。

對這種描述來說，重要的是認識到信息資源有多種形式。在數字空間中，資源可以是輸入數據、軟件形式的處理算法，或可以許多形式表示的輸出產品（例如，一個數字文件，一個圖像）。還要注意的是，在許多情況下，輸出可能成為另一種算法的輸入。

然而，通過諸如上述（即清單）的考慮來利用信息資源，需要對資源本身有廣泛的了解。請考慮一下，一個信息系統如何確定它所擁有的數字模型是否與一個獨立的、不同的信息系統上存在的輸入數據集兼容。創建資源層面的元數據是一項艱巨的任務，而這一層面的資源知識是需要的。

盡管資源級元數據的編譯是有問題的，但第二個問題很可能更困難--使用資源級數據來自動調整信息系統所需的分配和處理。事實上，如果不做大量的假設來降低問題的復雜性，這種適應性系統方法是非常困難的[5]。

北約的自適應系統研究

北約信息系統技術組168（IST168）成立于2018年[6]，研究一種基礎設施，允許對自適應信息處理和分配技術進行實驗。IST168下進行的研究重點是允許數據或應用程序在聯盟網絡內流動，從而促進該網絡內不同位置的自適應處理和信息創建。其目的是考慮到數據存儲、處理能力和平臺間通信連接的本地和當前可用性。簡單地說，IST168的口號是："把數據移到代碼上；或者把代碼移到數據上；或者把兩者都移到別的地方？"

為了將IST168的工作建立在軍事背景下，該小組正在通過為陸地和海洋領域設計的軍事場景來探索這種架構的預期應用。這些場景旨在為這種適應性基礎設施的使用方式提供一個作戰背景、故事情節或敘事說明。這些場景在IST168的研究中被廣泛使用[7-10]。

IST168的陸地場景是基于北約先前創建的名為Anglova vignette No.3的場景[11]。這集中在一次城市行動中，涉及到士兵捕捉過往車輛的視頻片段，對該片段進行處理，然后由遠程總部制作成產品。對陸地場景感興趣的人可以參考[11]。

IST168的海上場景是本文件的重點。由于以前沒有滿足參與國需求的海上場景，因此努力開發一個場景，并說明北約構建的基礎設施將如何支持該場景。因此，根據參與的北約國家和眾多加拿大CRACCEN團隊成員所表達的需求，在此創建了一個海上情景。該場景的主題是反潛作戰（ASW）。

海上反潛作戰方案利用了IST168的優勢，也為IST168做出了貢獻。作為IST168努力的一部分，多個北約國家提供了云計算基礎設施，包括加拿大的云計算基礎設施。每個貢獻的云都在東道國的完全控制之下。這些國家基礎設施然后與其他國家部分共享，產生一個國家控制但國際共享的信息空間。在這個空間內，對信息的資源級理解得到了發展。

自適應的云基礎設施--虛擬實驗室

國際云基礎設施以及單一的國家基礎設施代表了大量的工作，但也是研究信息問題的高度靈活資源。一個單獨的國家云或一個國際云，可以被配置成代表戰斗空間中物理實體上存在的信息系統。例如，云基礎設施可以被重新配置為眾多的虛擬計算單元，這些單元代表了單個平臺，如一艘船、一架直升機、一架無人駕駛飛行器（UAV）、一個總部等。然后，這些虛擬平臺可以用來容納存在于真實物理平臺上的信息系統。在虛擬環境中使用仿真通信信道可以使虛擬平臺通過現實的通信信道連接起來。在這里，通信信道是使用可擴展移動特設網絡仿真器（EMANE）[12], [13]來模擬的。

從本質上講，可以構建一個虛擬實驗室來代表整個物理平臺連接中可用的計算、通信和信息資源。

與加拿大研究的關系

指揮部偵察區協調和控制環境網絡（CRACCEN）活動[14]是由加拿大國防研究和發展部正在執行的一項研究活動。CRACCEN被設想為一個整體的社會技術系統，所有指揮小組的決策和反潛戰任務的相關信息都將被匯集起來，以發揮作戰和戰術優勢。

CRACCEN打算徹底改變加拿大水下戰爭[15]。CRACCEN的工作支持這一變革，其研究方向是解決一個全面的人類/信息系統，以滿足未來反潛作戰的需要。在這方面，CRACCEN有一個龐大而重要的反潛隊伍，該隊伍可以在地理上分散在海上平臺和岸上的組件中。

CRACCEN下調查的概念與IST168的活動部分地相互聯系。實際上，IST168正在開發的互連云基礎設施和模擬通信渠道與支持的反艦導彈海上場景相結合，提供了與CRACCEN相關的信息發現和共享環境。這種相關性包括展示云基礎設施在ASW環境中支持數字信息發現、共享和使用的能力。

在這方面，與IST168相關的發展可以被視為具有幾個與信息相關的特點，這些特點對CRACCEN是有用的，分別是（非廣泛的清單）：

• a. 可訪問性--信息環境的共享區域允許其他各方訪問共享區域內的信息資源。

• b. 可調整性--信息環境中的隔離區域可以被創建，這些區域允許一個特定的國家在環境中獨立于其他國家行事。

• c. 靈活性--它考慮到了信息環境中共享區域之間不同的通信連接和斷開。

• d. 可發現性--共享信息環境中的信息資源可以被有機會進入該環境的國家發現。

• e. 有效性--在信息環境中的一個共享區域向另一個共享區域轉移資源之前，有能力評估信息資源的潛在用途。

信息環境的上述特征是可以通過生成元數據來實現的，元數據具體描述了信息環境中可用的個別信息資源。這些元數據描述，作為一個完整的集合，允許單個信息系統對該系統內可用的信息資源形成一種 "態勢感知"。這種感知有效地建立了對當前情況下的元素（即數字資源）的感知，這是態勢感知（SA）的第一個構建模塊[16]。對這種類型的態勢感知的研究是DRDC海上信息電子化（MIX）活動的一部分[17]。

總之，MIX為理解和形成信息領域的態勢感知提供了研究基礎，然后將其應用于反艦導彈的場景。這種聯系為更好地理解如何利用信息領域進行軍事行動提供了一個現實的背景。

報告提綱

第2節介紹了一個海上反艦導彈的敘述或情景。該場景描述了在一個海峽中的一個精心設計的反艦作戰行動，涉及兩艘水面艦艇、一架無人機和一個岸上的站點。第3節描述了9個用例，展示了在反潛作戰中如何考慮信息資源、計算資源和通信渠道。第4節提供了一個結論。

在加拿大國防研究與發展部（DRDC）05da聯合情報收集和分析能力（JICAC）項目下，本科學報告提出了創新貢獻，為作戰提供先進的情報收集任務支持，作為情報需求管理和收集管理（IRM/CM）能力的一部分。它報告了新型收集任務優化工具的設計，旨在支持收集管理人員處理復雜任務和支持收集資產設施。它總結了新的研究和開發情報收集概念和自動決策支持/規劃能力，以支持/建議收集經理有效和高效的資源分配。以多衛星收集調度用例問題為重點，簡要報告了導致快速、自動和優化收集任務的新技術解決方案概念，提供服務水平的改善和增強及時的態勢感知。從人工智能和運籌學中借用的基本概念，目的是在各種任務、機會、資源能力、時間和成本約束下實現收集價值最大化。報告總結了技術成果，描述了新的快速、自動和優化的收集任務解決方案和原型推薦器，以安排真實/虛擬的多衛星星座。它應對了一些缺陷和挑戰，如短視（以單一任務為重點）或臨時性的情報收集任務分配方法，不適合集中式/分布式的開放和閉環資源管理方法或框架，以確保靜態/動態規劃或處理約束的多樣性/差異性和不確定性管理。本報告還旨在向加拿大軍隊情報指揮部（CFINTCOM）、空間總督（DG SPACE）、加拿大聯合行動指揮部（CJOC）和主要的軍事聯合情報、監視和偵察（JISR）利益相關者提供信息。

對國防和安全的意義

本科學報告提出了適用于天基情報、監視和偵察的多衛星情報收集調度問題的新型收集任務技術概念和技術發現。這項工作與雷達衛星星座任務（RCM）項目的后續舉措和加拿大軍隊（CF）在北極和北方的持久性聯合情報、監視和偵察方面的一些優先事項相吻合，以便及時提出增強情報收集任務的解決方案和工具。它提出了新的科學和技術方法，為低密度、高需求的可部署收集資產提供近乎最佳的情報收集。

1. 引言

針對適當的情報、監視和偵察(ISR)應用領域的具有成本效益的天基情報收集任務，對發展適當的國防情報需求管理和收集管理(IRM/CM)能力至關重要。因此，收集管理，特別是收集任務分配，對于保持加拿大領土、空中和海上領域的準確、及時和持久的態勢感知至關重要。典型的收集管理要求包括在資源有限的情況下進行適應性和響應性收集（CFINTCOM）；收集任務分配；規劃執行；傳感器組合優化；支持聯合ISR（JISR）資產的動態執行新任務（CJOC）；實時收集規劃以及有效的傳感器提示（DG SPACE），等等。最終的目的是有效地彌補信息需求和信息收集之間的差距，最佳的資源管理主要是由人員短缺、有限的收集任務自動化、成本效益、資源限制和低密度高需求的收集資產（衛星）在一個時間限制的不確定環境中的發展。通過多衛星收集調度問題（m-SatCSP）開展北極情報和監視的基于空間的圖像情報（IMINT），代表了一個典型的相關使用案例。

為處理情報收集任務的缺陷和挑戰而提出的解決方案[1]有很多。最近關于收集任務，特別是多衛星圖像采集調度的公開文獻，在 "多異質衛星任務的收集規劃和調度：調查、優化問題和數學規劃公式"[2]和 "QUEST--多衛星調度問題的新二次決策模型，計算機與運籌學"[3]。以下是對擬議方法的主要局限性的簡要總結。讀者可以參考后面的出版物[2],[3]以了解更明確的細節。基于低密度高需求的集合資產為前提，一般的問題在計算上是困難的。大多數研究貢獻主要限于同質衛星和單一星座情景，主要處理簡單的觀測點目標（"點 "區域）任務，并提出新的任務聚類和預處理策略以減輕計算復雜性。已呈現的工作大多忽略了大面積覆蓋的復雜性、及復雜的任務結構、聯合價值任務構成、觀測結果和成像機會質量的不確定性以及常見的操作約束。這些制約因素包括最小任務覆蓋閾值、相互任務排斥、任務優先級和成像成本。目前的采集資產任務分配方案大多提供基于短視啟發式的策略，以規劃或分配采集器任務。在實踐中，最好的資源往往是短視推薦或局部選擇，以完成一個特定的任務，而忽略了其他約束條件（例如，為其他采集請求服務的時間窗口和成像機會）、追求的全局目標和持續進行的部分規劃解決方案質量。因此，ISR資源分配和動態重新分配是臨時性的，因為它們是以單一任務為中心的，而不是采用更全面的任務觀，關注整體任務，更好地利用替代機會，更有效地滿足整體收集要求。擬議的基本收集任務的部分解決方案沒有提供一個健全的資源管理框架，以確保適應性動態規劃或處理約束的多重性/多樣性和不確定性管理。它們也未能展示有價值的分布式規劃和融合的協同作用或整合，同時對支持可重構的傳感器網絡提出很少的指導。一方面，減少感知或高級信息融合與資源分配（RA）任務之間的差距，另一方面，規劃（任務分配）和執行（收集）監測之間的差距，仍然難以實現。

這項工作提出了新的研究和發展情報收集概念和自動決策支持/規劃能力，以支持/建議收集人員有效和高效的資源分配。它旨在開發自動咨詢調度組件和概念驗證原型，以實現有效的收集任務分配。以多衛星圖像采集（IMINT）調度為重點，介紹了導致快速、自動和優化采集任務的新技術解決方案概念，改善提供的服務水平，并增強及時的態勢感知。所設想的問題包括許多新的附加功能和完善的元素，這些元素在公開的文獻中主要是被忽視或忽略的。假設在低密度、高需求的收集資產條件下的m-SatCSP，新的特征包括收集資產的多樣性和敏捷性、任務抽象化、更多的包容性目標和更多的約束多樣性。重新審視的表述涉及抽象的情報收集任務，將單一目標區域（點）的重點明確地包括在大面積覆蓋范圍內，同時考慮多個或虛擬的異質衛星星座，脫離了傳統的同質情景。新的空間和時間依賴性，反映更現實的任務復雜性，放松相互獨立和可分離的假設。它抓住了成像質量、部分任務執行和成功概率等概念，擺脫了對有序行動執行或確定性結果的不現實的假設。該方法還重新審視了任務優先級利用的概念。因此，優先權被用作沖突解決機制，而不是基于優先權的有偏見的短視策略，強加任意的任務部分排序來管理高復雜性需求。設想的問題目標是要捕捉到超越通常區域覆蓋范圍特定任務的性能措施，引入收集質量，考慮到探測成功率、跟蹤質量和識別的不確定性，以提高收集的信息價值。基于最近提出的一個問題陳述，即m-SatCSP的背景[3]，將情報請求映射到收集資產成像機會，以實現收集價值最大化，這項工作簡要地擴展了標準確定性問題決策模型，使用常規的混合整數二次規劃優化問題表述[5]。針對基于空間的ISR應用領域，新的優化模型降低了計算復雜性，使得在某些情況下利用精確的問題解決方法成為可能，同時提供了對最優解的約束。在公開文獻中大量報道的傳統特征約束的基礎上，推廣的模型引入了額外的規范，如合適的任務覆蓋閾值、可選的任務互斥、任務優先級、聯合值任務組成、成像/服務時間窗口，以及單個和平均軌道的熱約束。報告了在集中式和分布式決策背景下各種靜態和動態情景下的主要貢獻和創新之處。簡要介紹了為支持收集任務而明確開發的創新模型、求解器和概念驗證原型（推薦器）。

本科學報告總結了技術成果，描述了新的快速、自動和優化的收集任務（改善服務水平，增強態勢感知）解決方案和原型推薦器，為規劃多衛星真實/虛擬星座。它還旨在向CFINTCOM、DG SPACE和CJOC軍事組織通報主要發現，并確定最有希望的收集管理性能要求、技術和工具，容易對正在進行的主要軍事舉措產生潛在影響。這項工作是在2015年12月至2020年3月的DRDC聯合部隊發展（JFD）05da聯合情報收集和分析能力（JICAC）項目下進行的。

本報告概述如下。第2節簡要介紹了m-SatCSP問題陳述。它描述了問題的基本特征，并強調了開環和閉環設定以及集中式和分布式的決策背景。第3節和第4節分別總結了各自的開環（靜態）和閉環（動態）建議的貢獻。簡要介紹和討論了所開發的概念、模型特征、算法或求解器以及主要結果。第5節介紹了在JICAC下明確開發的概念驗證集合任務原型，以檢驗靜態/動態問題。第6節總結了核心貢獻、發現及其潛在影響。最后，在第7節中提出了建議。提出了一些進一步的技術解決方案開發和未來工作擴展的方向。