設想中的未來戰斗航空系統（FCAS）中的 "暴風雪"計劃具有多重的重要性，涉及到英國的軍事能力、先進技術的發展、作戰的獨立性、國際地位和關系、經濟繁榮和長期國防工業能力。在該計劃宣布四年后，本文將評估 "暴風雪"計劃在五個方面的進展：能力要求；技術；政府與工業界的關系；國際伙伴關系；以及成本控制和數字化。

五個核心進展領域中的第一個領域涉及產生審慎和相關的要求，這些要求與可用的資金、時間和技術相匹配，同時考慮到潛在對手的能力、威懾的需求以及任何潛在的未來沖突的規模和持續時間。

第二個領域的重點是需要在飛機的動力和推進系統、航空電子設備、傳感器和數據系統以及導彈和其他效應器方面實現技術進步。從本質上講，這需要開展去風險活動，以控制這種性質的項目所固有的技術風險--以及培訓和雇用一批合格的數字技術工人。

第三，根據以往項目的經驗教訓，政府已經選擇了利用與英國私營部門的高度合作關系來開展暴風雨計劃。四家關鍵的主導公司（BAE系統公司、勞斯萊斯公司、萊昂納多英國公司和MBDA導彈系統公司）在早期階段就被確定下來，此后有超過580家其他英國公司和學術機構加入到與暴風雨團隊合作伙伴合作的更廣泛的供應鏈中。如果這些實體之間能夠保持開放、透明和誠實的關系以及對風險的共同認識，項目的前景將保持積極。這種開放性顯然需要與嚴密的安全系統相協調，以保護該項目免受外部威脅。

第四，由于這從來就不是一個單純的英國項目，與其他國家政府的合作關系將是至關重要的，意大利、日本和瑞典與該計劃的聯系正在不斷發展。本文件對2022年秋季的發展和狀況進行了總結。

最后，"暴風雨 "的成功交付將需要打破作戰飛機實際成本大幅代際增長的趨勢（這也是其他主要軍事平臺的一個趨勢）。英國有雄心壯志，至少要使這一成本增長曲線趨于平緩，并強調了項目交付速度的重要性。成功實現這一愿望的核心是一個現實的、去風險的需求設置，以及數字工程和有時被稱為工業4.0的廣泛運用。這也意味著國防部自己的安全和數字驗證機構的運作方式將發生重大變化。

美眾議院報告117-118的第64頁，美國2022財政年度國防授權法案，要求美國防部研究和工程副部長向眾議院軍事委員會提供一份簡報，內容是：在國防部分析界投資和改進游戲、演練、建模和仿真（GEMS）創新的當前和潛在工作。該簡報應包括計劃或正在進行的工作、評估和評價、投資，涉及以下方面：

(1) 支持企業級GEMS戰略的數字工程，以促進有效采用的工具。

(2) 通過工具增強和促進培訓和實驗，以幫助更好地實施建模和仿真，發現新的戰術和概念，提高作戰人員在面對同行競爭對手新威脅時的性能和準備。

(3) 更好地收集和使用戰略數據，改進建模和仿真，以便能夠評估和測試具有長時間范圍的高級地緣政治戰略。

(4) 整合使用基于技術的輔助手段，如游戲引擎和合成環境，用于美國防部的各種任務。

(5) 促進有效的GEMS管理，以便能夠適當協調整個部門和更廣泛的國家安全企業的活動和使用。

美國防部已經實施了有關GEMS的戰略、政策、標準、指示、指令、指導委員會和企業流程。2018年6月，國防部長辦公室（OSD）發布了他們的 "數字工程戰略"，為國防部構思、建造、測試、部署和維持國防系統的方式確立了新的愿景。各軍種迅速跟進；到2021年10月，所有軍種，包括新成立的太空部隊，都發布了他們的數字化轉型愿景。各軍種和導彈防御局（MDA）已經確定了執行人員和高級顧問，以確保下屬組織履行其職責，根據需要創建新的政策，并領導有效的執行和管理。各軍種和機構的指令是全面的，涉及建模與仿真的配置和發布；校核、驗證與確認(VV&A)；數據管理；架構、網絡和環境的整合；以及互操作性。

美國防部正在使用GEMS來提高能力，增強作戰人員的表現以及戰術、技術和程序的發展。例如，MDA正在使用游戲和演練來推進高超音速技術的工作。美空軍研究實驗室已經開發了一個兵棋推演和高級研究仿真（WARS）實驗室。不同的機構和美國防部可以就定向能部署概念進行合作。在WARS實驗室內，可以展示可能的藝術，包括讓作戰人員沉浸在使用未來技術的場景中。

美國防部擁有一套強大的、不斷發展的GEMS工具來支持訓練和實驗。這些工具通過一個由用戶、軟件開發商、情報專家和先進技術機構組成的聯合體保持最新能力。各項計劃正在使用GEMS進行測試和評估，以增強和改進培訓，并支持實驗。對現場測試數據的嚴格收集和分析支持了建模和仿真預測以及工具驗證。OUSD（R&E）已經建立了一個數字工程知識體系，并正在建立一個建模和仿真知識體系，以支持整個國防部的數字工程和建模與仿真實踐的培訓和進步。

美國防部負責人事和戰備的副部長辦公室正在建立一個數據庫，以跟蹤所有用于作戰人員訓練、分析和評估的有效游戲引擎和環境。截至2022財政年度，該部已經確定了86個非保密的GEMS系統。其中一個例子是合成戰區作戰研究模型（STORM），這是一個由所有部門使用的多軍種工具，為高層官員提供關于部隊結構、作戰概念和軍事能力的分析。所附的文件強調了該部已開發的一些GEMS系統。

總之，美國防部正在投資和改進游戲、建模、實驗和仿真，以構思、建立、測試等創新技術和新的作戰能力。各軍種已經發現GEMS是一種具有成本效益的方式來訓練部隊，測試新系統，構思新的戰術、技術和程序，分析數據和先進技術，在整個國防企業中進行兵棋推演等。因此，美國防部已經實施了政策、指導、標準和治理結構，以使整個部門和更廣泛的國家安全企業的活動和使用得到適當協調。

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。

隨著戰爭預期特征的變化，新的作戰概念被提出以應對新的需求，培訓也必須進行調整以支持這些概念并確保準備就緒。鑒于概念發展的速度和事后調整訓練可能需要的時間，謹慎的做法是在概念成熟時而不是在概念完全投入使用后評估訓練能力和實踐。

聯合全域指揮與控制（JADC2）正在成為美國國防部最重要的作戰概念。它的目的是提高態勢感知能力，提高跨領域和跨軍種指揮部隊的能力，并促進快速決策。來自所有領域的分布式傳感器、射手和數據與聯合部隊相連，使得協調行使權力，在時間、空間和目的上進行整合規劃和同步匯合。然而，JADC2正在由所有軍種以及聯合參謀部進行開發，因此，其執行計劃還不成熟。這是一個復雜的、網絡化的概念，支持這一概念的訓練將需要預先考慮支持能力，特別是在考慮對空中作業中心（AOC）人員進行繼續訓練時。

實時、虛擬和建設性（LVC）模擬可以幫助支持JADC2所需要的復雜訓練，但適當的開發和部署將需要調整訓練過程、LVC能力和JADC2的訓練需求。作者根據文件審查和對主題專家的采訪，制定了一個利用LVC支持JADC2培訓的路線圖。

研究問題

• 在各AOC對JADC2的預期要求方面，有哪些主要的培訓需求？
• 在AOC中，繼續培訓的程序和課程是什么？
• 哪些現有的或正在開發的LVC能力可以幫助支持與JADC2有關的培訓？

主要結論

• JADC2概念的意圖和支持能力有可能在各梯隊中不明確。
• 平衡集中的協調和分散的需求對于有效的培訓發展至關重要。
• 隨著JADC2的發展，必須考慮對培訓過程進行調整以支持它。
• 初始資格培訓（IQT）是建立必要的JADC2專業知識的一個有用的杠桿，并將繼續提供一個集中協調的機制。
• AOC人員傾向于支持培訓工作，但作為目標培訓對象參與的頻率較低。
• LVC有可能支持JADC2的培訓，集中的LVC資源可能是執行未來培訓的復雜需求的關鍵。
• 鑒于JADC2的操作和技術的復雜性，以及其固有的聯合性質，存在著孤立發展的風險。
• LVC可以通過各種方式來支持JADC2的培訓。

建議

• JADC2跨職能小組（CFT）應該在分配JADC2目標、計劃和能力方面發揮主導作用。
• 在與AF/A3T的合作中，第505戰斗訓練小組應該利用IQT作為集中協調各AOC的指揮與控制（C2）訓練的機制。
• 在AF/A3T的監督下，AOC應該專注于涉及整個AOC工作人員的繼續培訓（CT），而不僅僅是個別部門或單位。
• 作為IQT的一部分，第505戰斗訓練小組和每個AOC作為CT的一部分，應該將測試文化規范的場景納入訓練課程。
• AF/A3T應該在分布式訓練演習中利用LVC對AOC進行C2訓練。
• 在AF/A3T的監督下，培訓的所有方面（IQT、任務資格培訓和CT）都應該增加對其他領域的任務分配過程和能力的戰術和作戰C2水平的審查時間。
• JADC2的CFT和聯合參謀部的J7應該為JADC2利用現有的和正在開發的分布式訓練系統，并確保高級戰斗管理系統與LVC訓練能力相整合。
• AF/A3T應該與訓練團體分享擬議的信息技術背景圖。
• AF/A3T應該指導增加LVC的使用，按照擬議的大綱，包括對空中任務單程序、AOC結構、分布式訓練演習和分布式訓練架構的潛在價值。
• 在AF/A3T的監督下，一個集中的組織應該專注于在大型訓練演習中持續整合LVC能力。
• AF/A3T應該與作戰指揮部、作戰支援機構、其他部門和主要指揮部合作，加強AOC訓練的空間和網絡效果，以支持多域訓練。

目錄

第一章

簡介

第二章

評估培訓需求

第三章

AOC培訓過程

第四章

支持JADC2培訓的能力：技術現狀

第五章

AOC對支持JADC2培訓的LVC的具體分析和評估

第六章

討論、結論和建議

附錄A

為C2官員提供的教學計劃

附錄B

JADC2的主要利益相關者

附錄C

培訓要求程序和任務清單如何為培訓目標提供信息

附錄D

空中作業中心

附錄E

ATO階段、基本工作職能和審批

附錄F

LVC最先進的技術

美過戰略與預算評估中心（CSBA）在2017年9月至2019年1月進行了一項全面的研究，其中涉及海軍部研究與開發（R&D）生態系統的很大一部分。具體而言，采訪并訪問了超過145名主題專家和50多個在全域無人自主系統（UxS）和人工智能（AI）方面開展工作的組織。這些組織包括聯邦資助的研發中心（FFRDCs）、大學附屬研究中心（UARCs）、工業界、學術界、智囊團和獨立組織、海軍和國防部實驗室/作戰中心、海軍艦隊和作戰指揮部、以及海軍政策和研究資助辦公室。通過這些訪問，我們可以了解到這個研發生態系統（該生態系統被定義為上述所有致力于為海軍推進自主性和人工智能技術的組織的總和，包括無人駕駛車輛）在這方面的表現。在個人、組織層面上，這些組織容納了大量的人才，并在廣泛的學科和技術的最前沿從事創新研究，可以保持美國海軍的技術優勢。

然而，海軍目前的UXS研發結構有機會繼續改進這一工作的組織，以進一步擴大和利用其最近的努力。盡管海軍的服務精神支持權力下放，但本報告將說明，為了實現能力發展，利用商業和學術部門在自主系統方面的進展，強有力的集中努力是必要的。正是在這種具有挑戰性的環境中，美國海軍正在競爭，以便在所有物理領域提供無人自主車輛。美國目前在人工智能和其他關鍵的無人駕駛系統支持技術方面相對于同行/近鄰對手所享有的技術優勢可能會被削弱，因為這種結構對創新造成了障礙，阻礙了美國海軍在無人駕駛系統方面開發、保持或擴大優勢的努力。因此，由此產生的摩擦正在降低快速發明、創新和原型的能力。這些不利因素使得無人駕駛系統研發的成功在沒有巨大的努力和巨大的高級領導層參與的情況下是很難實現的。

近年來，美國海軍在組織和追求無人駕駛車輛及其關鍵使能技術--人工智能方面取得了顯著的進展。然而，為了超越潛在的對手，海軍必須在這些努力的基礎上加速發展，不僅要保持而且要提高其技術優勢。海軍部已經公布了一份簽署的無人系統戰略路線圖，以制定有意研發和采購無人駕駛車輛的戰略和愿景。然而，這些計劃可以從對無人駕駛系統研發官僚機構的全面重組中獲益，以使海軍過渡到一個最佳的成功軌道。如果沒有這種重組，現有的結構可能不足以完成任務，阻礙了UxS的技術進步。以下是這種困境的癥狀：

• 資源過度集中于某些研發工作線（LOE），而在其他關鍵的工作線上處于饑餓狀態。

• 對研發生態系統內的關鍵組織專家中心缺乏認識。

• 官僚主義、行政和風險規避對研發的阻礙。

• 評估UXS研發和S&T能力展示的程序不一致，無法進行原型設計。

• 研發生態系統不能靈活地利用新興技術；以及

• 艦隊運營商和研發生態系統之間的合作不足。

隨著同行競爭者在UXS和AI方面的研發激增，包括軍事應用，現在是美國海軍全面重組其努力的時候了，以確保其持續的技術優勢和超越潛在對手。鑒于自主系統的潛在影響和本報告中確定的障礙，海軍的一個選擇是進行類似于過去成功實施的組織變革，以開發和部署先進系統，如核反應堆、潛射彈道導彈和宙斯盾武器系統。在所有這三個案例中，海軍創建了強大的、跨職能的、跨學科的組織，由來自軍隊、文職政府服務部門、工業界和學術界的人員組成，他們被賦予了廣泛的、強有力的任務和權力，以研究、開發、制作原型和操作轉型戰略能力。這種重組的最佳方式是建立一個專門的多領域自主項目辦公室（APO），專注于推進和交付UXS操作原型的實驗、測試，并最終在艦隊中投入使用和收購。通過建立一個APO，海軍可以在目前在這一努力中扮演不同角色的廣泛的組織、參謀和指揮部之間建立統一的方向和努力。建議APO的主要任務應該是統一監督、授權和指導整個UxS生態系統的所有研發工作，以不斷地將最新的技術進步轉化為無人機、水面和海底飛行器原型的自主能力的流水線，并可以展示和應用于戰爭價值。一個以交付UxS原型為主要任務的APO可以大大減少官僚主義的摩擦，增加部件和系統的通用性，加快發展勢頭，真正利用工程師、科學家和水兵的巨大創新和才能，從而加快海軍的技術進步。

APO不需要重復優秀的創新和現有的研發、科學、工程、系統集成和T&E組織，它們已經存在于UxS研發生態系統中。相反，APO的存在是為了更好地促進他們之間的協調和合作，以產生統一的努力/方向，從而更迅速地提供UXS原型。它必須由來自UXS研發生態系統各個角落的科學家、工程師、研究人員、專家和管理人員組成，包括海軍和國防部實驗室/作戰中心、FFRDCs、UARCs、行業和學術界。與其責任和義務相稱的是，APO必須被賦予指導生態系統中所有與UXS、自主和人工智能研發、原型設計和T&E有關的事務的權力，包括資金的分配和配置。APO的領導層和工作人員必須表現出靈巧、輕巧的觸覺，從而促進生態系統各組成部分之間的適當協調，以實現更多的協調，而不同時扼殺創新。建立一個APO有一些明確的優勢，這將有利于海軍對無人自主車輛進行原型設計和操作。這些優勢包括：

• 清晰、一致的權力和統一的方向。

• 鞏固和擴大已建立的無人駕駛系統的成果。

• 更有效地利用革命性的技術突破。

• 大幅提高實驗和技術進步的速度；以及

• 更有效地將UxS運用到艦隊中。

海軍應建立APO，以更好地交付UxS技術，包括自主性、機器人技術和人工智能，并避免進一步削弱美國海上優勢所依賴的技術優勢。一個以交付UxS原型為任務的APO可以減少摩擦，加快研發勢頭，并充分利用生態系統內UxS研究人員的才能。

第五代無線通信技術（5G），有可能改變通信系統。5G移動網絡將提供更高的速度、更低的延遲、更高的可靠性、更多的網絡容量和更多的互連性。隨著5G技術在原有系統和新系統中的部署、現代化和實施，預計會有巨大的改進。近年來，隨著各行各業都希望在新技術的風口浪尖上有所創新，對5G技術的投資和興趣也呈指數級增長。充分利用這項技術將推動工業和美國國防部（DoD）的能力在未來有巨大的改進，如更高的性能和更高的效率。本報告重點介紹該技術的現狀和國防部的具體使用案例。

5G在美國防部和軍隊中的應用

美國防部已將5G技術列為一項重要的戰略技術。從美國防部5G戰略開始，"......那些掌握先進通信技術和無處不在的連接的國家將擁有長期的經濟和軍事優勢" [8]。通信和互聯系統的未來是5G，這本身就使它對美國防部極為重要。通過追求5G技術的最大潛力，美國防部將有能力在技術、性能和額外能力方面達到新的高度。

3.1 美國防部5G政策

美國防部5G戰略和美國防部5G戰略實施計劃[9]為解決美國防部如何使用和推進5G網絡和應用的技術、安全、標準和政策以及合作方面提供了路線圖。全面的美國防部5G戰略實施計劃包括四個方面的工作。第一條努力路線是 "促進技術發展"，例如，進行5G示范，實施毫米波和動態頻譜共享技術，促進開放架構和虛擬化，并重點發展5G員工隊伍。第二條努力路線是 "通過5G評估、緩解和運營"。這第二條努力路線主要側重于威脅情報、基礎設施風險、供應鏈的安全、全球運營、安全評估、網絡安全和零信任。第三條努力路線是 "影響5G標準和政策"，包括與標準制定機構緊密結合。按照這些思路，國防部將創建和更新先進的頻譜管理、支持5G的作戰概念（CONOPS）和技術控制措施的標準和指導方針。最后，第四條努力路線是 "吸引合作伙伴"，如國際盟友、工業界和國會成員。

3.2 5G國防部用例

本節確定了國防部對5G技術的具體使用案例。目前，由于各種原因，5G正被應用于所有服務。5G技術是一個關鍵的推動因素，其能力將使整個國防部在許多方面的性能得到改善。

2020年10月，國防部宣布了6億美元的獎勵，用于在五個美國軍事試驗場進行5G實驗和測試，這是世界上最大的全面5G測試的雙重用途。國防部尋求保持在尖端5G測試和實驗的前沿，以加強我們國家的作戰能力，以及美國在這個關鍵領域的經濟競爭力[10]。這五項測試將在3.2.1-3.2.5節中描述。

3.2.1 5G智能倉儲

海軍陸戰隊后勤基地（MCLB）項目將開發一個5G智能倉庫，專注于車輛存儲和維護，以提高MCLB Albany后勤業務的效率和保真度，包括物資和供應的識別、記錄、組織、存儲、檢索和庫存控制。此外，該項目將為測試、完善和驗證新興的5G技術創造一個試驗場。

3.2.2 分布式指揮和控制

在內華達州的內利斯空軍基地進行的測試和試驗的目的是為使用5G技術開發一個測試平臺，以幫助空中、太空和網絡空間的殺傷力，同時提高指揮和控制（C2）的生存能力。具體來說，5G網絡將被用于分解和調動現有的C2架構，以實現敏捷作戰的場景。該測試與AT&T公司合作，提供高容量和低延遲的移動5G環境。

3.2.3 增強和虛擬現實

在華盛頓的劉易斯-麥克喬德聯合基地（JBLM）正在測試一個項目，其目標是能夠快速部署一個可擴展的、有彈性的、安全的5G網絡，為任務規劃、分布式訓練和作戰使用提供一個試驗平臺，以實驗5G支持的增強現實/虛擬現實（AR/VR）能力。

3.2.4 5G智能倉庫

美國海軍圣地亞哥基地（NBSD）的一個項目的目標是開發一個支持5G的智能倉庫，專注于岸上設施和海軍單位之間的轉運，以提高海軍后勤業務的效率和真實性，包括物資和供應的識別、記錄、組織、存儲、檢索和運輸。此外，該項目將為測試、完善和驗證新興的5G技術創造一個試驗場。

3.2.5 5G動態頻譜共享利用

猶他州的希爾空軍基地已經開始調查技術可行性、方法和頻譜共享的效用，以及在商業行業中至關重要的頻段與不同的5G網絡共存。這一事件表明，國防部致力于通過提供分配的頻譜供非聯邦（商業）系統使用，促進美國在5G時代的經濟競爭力。

接下來，來自美國陸軍以及國防高級研究計劃局（DARPA）和MITRE的其他5G國防部用例的進一步例子將在以下3.2.6至3.2.9節中提供。這些額外的用例顯示了在5G領域正在進行的工作的廣度，包括戰術網絡、開源計劃和基于威脅的框架。

3.2.6 5G++為戰術毫米波網絡調整5G

5G++為戰術毫米波網絡調整5G是一個正在進行的美國陸軍第二階段小企業創新研究（SBIR）計劃，于2021年2月開始，預計結束日期為2022年8月[11]。這項工作的目標是解決關鍵需求，并提議開發5G++作為毫米波無線電原型，通過納入抗干擾性、改進的低截獲概率/低檢測概率（LPI/LPD）和安全網絡通信，使5G適應戰術領域。5G技術的目標是非常高的吞吐量、低功率和低延遲，預計這不僅有利于商業，也有利于戰術通信。在毫米波頻段工作提供高帶寬，以滿足共享頻譜環境中新興戰術應用不斷增長的吞吐量需求。然而，目前的5G波形并不能滿足美國陸軍對抗干擾性、LPI/LPD和安全性的要求，也不能支持設備對設備（D2D）的ad-hoc網絡模式而不依賴蜂窩狀基礎設施。跨越物理層、鏈路/MAC層和網絡層的新型算法集需要在毫米波、軟件定義的無線電（SDR）平臺上實現，并與5G協議棧一起進行廣泛的測試，以加速5G優勢向戰術領域的轉移。

3.2.7 5G技術在美國陸軍戰術環境中的實施技術方案支持

指揮、控制、通信戰術項目執行辦公室（PEO C3T）進行了一項研究，評估當前和潛在的通信技術，以整合到未來的美國陸軍戰術網絡中。這項研究確定并總結了已經標準化的5G功能和技術，以及尚未標準化的新興功能。它還確定并總結了與現有和計劃中的美國陸軍戰術網絡相關的各種用例和關鍵性能指標（KPI）。這項研究進一步縮小了5G功能和技術的范圍，確定了哪些功能正在進行大量的商業開發，并可能在其商業和國防部部署的情況下有類似的應用和用例。最后，它的結論是建議進一步推進5G技術在美國陸軍各種戰術環境中的潛在應用所需的額外研究投資（見2020年9月出版的報告[12]）。

3.2.8 開放、可編程、安全的5G (OPS-5g)

DARPA的開放、可編程、安全的5G（OPS-5G）項目正在進行研究，以開發一個可移植的符合標準的5G移動網絡堆棧，該堆棧是開源的，設計上是安全的。OPS-5G尋求創建開源軟件和系統，以實現安全的5G和后續移動網絡，如6G。開源軟件的標志性安全優勢是增加了代碼的可見性，這意味著代碼可以被檢查、分析和審計，無論是手動還是使用自動工具。此外，開源的可移植性作為一個理想的副作用，使硬件和軟件生態系統脫鉤。這極大地提高了供應鏈攻擊的難度，并簡化了創新硬件進入市場的過程。該計劃旨在實現各種軟件組件的 "即插即用 "方法，從而減少對不信任的技術來源的依賴[13]。DARPA的OPS-5G計劃將創建開源軟件和系統，以實現安全的5G和后續的移動網絡。OPS-5G創造能力，以解決開源軟件的特征速度、萬億節點的僵尸網絡、可疑設備上的網絡切片以及大規模運作的適應性對手。長期目標是一個對美國友好的生態系統[14]。這個項目于2020年9月開始，估計完成日期為2024年9月。

3.2.9 MITRE 5G威脅等級體系（FiGHT）框架

MITRE Five-G Hierarchy of Threats（FiGHT）是一個基于威脅的框架，用于評估5G網絡的保密性、完整性和可用性，以及美國及其合作伙伴使用的設備、武器系統和應用程序。FiGHT利用現有安全框架的概念，并在此基礎上探索5G構件和相關的假設威脅，考慮美國政府的關鍵資產。

通過將一個全面的5G威脅框架應用于具體的用例和架構，這使得網絡投資規劃和優先次序得以確定，從而可以量化風險和優先緩解措施，以確保5G能夠以最小的損害進行革新。這項工作開始于2021財年（FY21），計劃在24財年完成[15]。

數字孿生有可能支持設計、建造、運營和維護美海軍部（DON）賴以開展海軍行動的平臺的決策者。然而，由于數字孿生的應用范圍和與之相關的風險仍不清楚，因此關于數字孿生的知識體系很薄弱，這給美海軍部帶來了挑戰。本論文進行了定性的技術評估，以確定采用數字孿生對DON的企業架構的影響。對企業范圍內采用的分析確定了數字孿生在DON的戰略、流程、人員、技術、網絡安全和風險管理方面的機會和風險。數字孿生提供的商業價值主要取決于物理平臺的總風險值和數字孿生同步的度和頻率。

海軍服務是基于平臺的（美海軍部，2020c）。在戰術層面上，海軍行動是由艦艇、飛機和潛艇等平臺進行的（海軍部，2020c）。這些海軍行動是為了履行海軍的持久職能。

海軍對復雜系統的依賴，如艦艇和潛艇，來進行海軍行動，這就要求有效地管理和開發這些產品及其相關的信息。這些產品的開發采用了設計、開發、運行和處置四個階段的過程。這個過程被稱為產品生命周期管理（PLM）。DON開發和維持有效的PLM是至關重要的。沒有足夠的PLM，國防部不可能開發、部署和維持滿足不斷變化的海洋環境需求的平臺。海軍作戰部長（CNO）2021年的NAVPLAN進一步強調了PLM對海軍的重要性。在他對美國海軍的指導中，CNO解釋說，"專業地照顧我們的平臺是我們的DNA"，"維持我們的船舶和飛機對滿足未來的需求絕對是至關重要的"（海軍作戰部長[CNO]，2021，第7頁）。

為了維持所需的PLM，DON必須發現和利用減少不確定性的手段。不確定性限制了決策者在他們管理的產品中避免風險和利用機會的能力。不確定性表現為知識不足的結果（Kramer，1999）。因此，不確定性可以通過決策支持工具來減少，這些工具可以為決策者提供及時和相關的信息，以做出更明智的決策（Kramer, 1999）。數字孿生是一種新興技術，能夠在PLM過程中支持DON決策者。數字孿生是現實世界系統的數字表示（Gartner，n.d.-a）與數字建模等類似概念不同，數字孿生是完全集成的，數據在物理產品和虛擬產品之間雙向常規流動（Grieves & Vickers，2017）。對產品數據的常規捕獲和分析可以支持對物理產品的決策。然而，在DON背景下，采用的好處和風險并沒有明確界定。本論文旨在探討數字孿生如何以及為什么可以在產品生命周期管理（PLM）的背景下被DON采用。

A. 問題陳述

美國防部的運作需要協作、復雜和昂貴的系統。國防部產品生命周期管理（PLM）中的挑戰導致操作能力下降以及財政需求增加。數字孿生有可能幫助國防部克服這些挑戰，保持國防部系統狀態的最新數據，并進行自動數據分析以幫助決策。然而，關于數字孿生的知識體系對國防部來說是一個挑戰，因為整個應用范圍和與數字孿生相關的風險仍不清楚。隨著國防部繼續尋找能夠延長其系統使用壽命的方法，由計算機支持的收集和響應通過數字孿生提供的數據變得越來越可取。因此，需要研究如何在DON企業內采用數字孿生，以及與這種潛在采用相關的商業價值。

B. 目的聲明

本研究的目的是探索如何在國防部內采用數字孿生。這項研究的重點是確定（a）數字孿生對國防部企業架構的影響，（b）采用數字孿生對美國防部PLM的好處和風險，以及（c）數字孿生能夠為國防部提供的商業價值。這項研究的目標很重要，因為美國防部PLM的不足對國防部的運營能力有直接的負面影響。這項研究的結果可以幫助國防部更好地了解如何采用數字孿生，最終目的是改善PLM，從而提供商業價值。

C. 研究問題

• 1.采用數字孿生如何影響海軍部的企業架構？

  • 1.1.業務流程是如何改變的？

  • 1.2.對海軍部的網絡安全有什么積極和消極影響？

• 2.如何采用數字孿生來支持海軍部的產品生命周期管理？

  • 2.1.數字孿生給組織帶來什么好處？

  • 2.2.數字孿生給組織帶來什么風險？

• 3.數字孿生能給海軍部帶來什么商業價值？

  • 3.1.所提供的價值是否值得采用？

D. 論文的組織

本論文又分為四章。第2章是文獻回顧，調查了數字孿生的背景、組成部分和應用。第3章解釋了分析的方法。第4章是基于研究問題的數字孿生的分析。第5章是結論，提供關鍵的見解、建議和未來研究的機會。

1.0 評估建模和仿真的使用風險

1.1 背景

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

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

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

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

? 促進 M&S 界內對 V&V 的共同理解和交流；

? 適用于 M&S 生命周期的任何階段（例如，開發、使用和再利用）；

? M&S利益相關者的接受決策過程導向；

? 由 M&S 利益相關者的需求和 M&S 使用風險承受能力驅動；

? 可擴展以適應任何 M&S 范圍、預算、資源和使用風險閾值；

? 適用于多種M&S 技術和應用領域；

? 將產生可追溯、可重復和透明的基于證據的接受論點；

? 可以在企業、項目或技術級別進行實例化；

? 促進 V&V 結果、工具和技術的重用和互操作性。

圖1: GM-VV參考框架

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

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

1.2 MSG-139 目標、任務和成果

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

? M&S使用風險識別的通用方法和指南；

? 對M&S使用風險問題和解決方案有共同的理解和知識;

? 一套M&S使用風險分析的方法和技術;

? 基于M&S使用風險而不是成本的替代方法和相關指導方針;

? M&S使用與M&S技術和系統生命周期范例無關的風險識別和分析解決方案。

報告結構

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

圖 2：建模和仿真使用風險方法論（MURM）建立在現有概念的基礎上