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光子學正在發展成為加拿大國民經濟增長的一個重要引擎。光子技術對加拿大所有經濟部門將是非常有價值的。因此，隨著技術的快速發展，加拿大必須保持甚至發展其在光子學方面的知識和領先地位。

根據Report Linker，光子學是一個價值5940億美元的全球產業，預計未來五年的年增長率為7%。加拿大的光子學產品約占整個市場的0.5%。

在對光子產業的研究中，SPIE得出結論，四個國家（中國、美國、德國和日本）生產的光子元件幾乎占全球的75%。此外，他們的研究認為，光子學對全球市場的經濟影響超過兩萬億美元。因此，光子學是一項重要的增長技術，加拿大應加大研究和工業能力來增加其在全球市場的份額。

加拿大光子產業聯盟（CPIC）從加拿大國防研究與發展部（DRDC）獲得了一份合同，以促進和加速加拿大光子學的發展。其中一個重要方面是確定光子學的重要趨勢，其可能影響加拿大的經濟未來。

為了執行這項任務，CPIC的Robert Corriveau和Nikki Bulgarea組織了網絡研討會、講習班和網絡活動，以確定對加拿大經濟至關重要的六項光子技術，并為每項技術成立了一個由工業界、大學和研發中心代表組成的CPIC專家組，公開討論技術趨勢和挑戰。

已經確定的光子關鍵技術是：

• 生物光子學
• 成像、傳感和融合
• 激光加工和先進制造
• 光通信和光子集成芯片
• 光伏技術
• 量子技術

本報告介紹了2020年11月以來舉行的網絡研討會、講習班和網絡活動，以及這一年的活動成果，概述了光子關鍵技術的趨勢和挑戰。六個專家小組的最終報告作為附件提交。各種活動的參與者名單見附件G。

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。

引言

在俄羅斯-烏克蘭軍事行動之后，北約盟國終于認識到有必要重新武裝，以威懾和抵御俄羅斯。德國政府宣布它將把國防開支增加一倍以上，其他國家也紛紛效仿。由于缺乏資金不再是主要制約因素，歐洲的北約盟國現在將重建其軍事力量。但在重建的同時，他們的軍隊必須應對今天的緊迫挑戰，為明天的沖突做好準備。保持--或達到--軍事技術優勢將有助于北約未來的作戰能力，并首先要求具備創新能力。不幸的是，由于各種原因，經過幾十年的預算削減，軍事創新不再是西方軍事組織的強項。北約即將出臺的戰略概念需要為全聯盟刺激軍事創新的努力提供指導并設定界限。本文概述了聯盟在這一努力中所面臨的挑戰，并為應對這些挑戰提出了具體建議。

新與舊

現在人們普遍承認，軍事技術和軍事戰略的發展正在重塑戰爭的特征，并重新分配地區的力量平衡--在大國之間（例如美國和中國）以及小國之間（例如阿塞拜疆和亞美尼亞）。這些發展影響了戰爭的所有層面。例子很多：深度學習的進展正在加速OODA（觀察、定向、決定、行動）循環，并改變指揮的動態；A2/AD（反介入區域封鎖）能力的擴散正在破壞空中優勢，并使競爭環境趨于平等；傳感器的無處不在正在刺激物理環境的全景化，迫使人們采取新的軍事行動方式；各種規模的無人系統的普遍存在正在使更多的行為者能夠從遠處進行攻擊。但是，在新事物誕生的同時，舊事物不會凋零，至少現在不會。事實證明，現有的武器系統遠遠沒有被淘汰。它們可以被用來威脅和施加巨大的破壞。作戰坦克具有軍事重量（weight），火箭和導彈具有破壞力和摧毀力。盡管有大量關于靈活性和敏捷性的討論，但大量裝備（mass）仍然很重要，且現代技術未能解除當代戰爭的迷霧。

轉型時期

因此，一個合理的斷言是，戰爭的特點可能正在發生變化，但預期的軍事事務革命（RMA）肯定還沒有實現。用軍事創新的話說，當軍事組織采用新技術、開發使用這些技術的作戰概念并調整其組織結構以提供支持時，就會發生RMA。這反過來又使 "武裝力量的戰斗潛力和軍事效力大幅提高--往往是一個數量級或更大"。 下一個RMA被描述為圍繞 "自主武器、多領域機器人集群、自組織防御系統、自動化武器、大數據分析以及機器和深度學習程序"。 預計它將轉化為超強的態勢感知和理解，并加速決策，以更高的速度實現更高的精度。預計它將以人機團隊為特色，人和機器無縫地一起運作；大量的一次性無人系統可以在類似蜂群的編隊中半自主地運作；以及數量較少的分布式人類單位利用戰斗云在戰場上尋找作戰方式，以越來越快的戰爭的形式呈現。

軍事戰略家和未來學家對下一個軍事事務革命（RMA）到來的確切時間跨度并不確定。雖然許多新興和顛覆性技術仍然相當不成熟，但邁克爾-奧漢隆預計，"與軍事創新有關的技術變革在未來20年可能比過去20年證明的速度更快、影響更大。" 在2021年的一項研究中，基于廣泛的文獻回顧和深入的專家訪談，我的研究小組也評估了在下一個區域軍事聯盟愿景中出現的關鍵技術，將對國際安全產生巨大影響（見表1）。

表1：敏感技術及其對國際安全的影響（來源：HCSS）

在未來一段時間內，計算機和機器人技術以及人工智能和大數據應用方面的快速變化預計將繼續進行，并對武器系統產生重大影響。正如O'Hanlon所寫的那樣："如機器人系統集群等在戰場上既可作為傳感器又可作為武器的時代，將可能會真正到來。此外，激光武器、可重復使用的火箭、高超音速導彈、軌道炮、無人潛水艇、生物病原體和納米材料可能會發展得非常快。總的來說，可能是也可能不是一場革命。但其潛力是不容忽視的"。

因此，未來的時期可以說是一個過渡時期。過渡時期充滿著不確定性，但那些頑固地堅持自己的老路的人很可能會面臨失敗。與此相反，那些成功駕馭過渡期的人必然會在下一次軍事沖突中勇往直前。

因此，真正的不確定性取決于軍事組織是否能夠通過發展概念和調整組織結構，富有成效地利用技術進步，使其在戰場上獲得競爭優勢。目前的技術進步速度與高水平的地緣政治競爭（以及隨之而來的高水平的威脅感）相結合，很可能會激勵沖突各方投入大量。

在認識到創新的必要性后，北約已經實施了一系列舉措來支持創新，特別是在新興和顛覆性技術領域，如人工智能、量子技術和生物技術。它在2021年2月宣布了一項戰略（"培養和保護：北約關于新興和顛覆性技術的一致性實施戰略"），并在2021年7月創建了DIANA（北大西洋防御創新加速器），以 "促進北約盟國之間的技術合作，促進互操作性，鼓勵開發和采用技術解決方案"。它還建立了價值10億歐元的北約創新基金，在2021年10月投資具有軍事用途的尖端兩用技術。至少在紙面上，北約似乎正在采取真正的措施，為明天的沖突做準備，但我們從軍事歷史中知道，新技術的發展是必要的，但遠遠不夠。畢竟，"要在軍事事務中帶來一場革命，通常需要兩樣東西：一個使之成為可能的客觀發展，以及一個能抓住這種發展的人，駕馭它，并指導它"。

因此，北約的新戰略概念應提供指導和方向，說明聯盟如何管理過渡，利用現有和新興技術提供的機會，并提高其作戰潛力。聯盟需要注意以下陷阱，并注意以下建議：

1. 優先考慮重要的事情，而不僅僅是緊急的事情

"我有兩種問題：緊急問題和重要問題。緊急的不重要，重要的永遠不緊急，"美國總統艾森豪威爾在1954年說了一句著名的話。

對組織來說，一個常見的謬誤是，盡管有良好的意圖，但任何眼前的危機都會吸走組織的大部分注意力和精力。竭盡全力去處理當前的危險，而明天的挑戰卻被有效地忽略了。

軍事組織意識到了這種偏見，并將其組織分層為處理當前、未來和長期未來規劃的不同單位。然而，幾十年來的預算削減已經大大削弱了這些面向未來的單位所能支配的資源。在一些中小國家（SMPs），這些部門甚至被完全取消，人力被重新分配來處理當前事務。在其他中小國家，這些單位在機構層次中的地位被削弱，不利于它們在官方決策中的地位。因此，至少可以說，他們對實際能力組合發展決策的投入是微弱的。有必要避免重蹈覆轍，造成今天的局面：當 "重要 "最終變成 "緊急 "時，完全沒有準備好應對俄烏沖突。這可以在未來被避免，通過重振未來規劃部門，提高他們在官方機構中的地位，以及關閉展望活動和能力發展活動之間的循環。

2. 在翻新與創新之間取得平衡

當然，經過幾十年的衰敗，迫切需要加強現有部隊的裝備和庫存。填補關鍵的能力差距，補充庫存，加強軍事準備，提高軍事流動性：每一項都是重建北約作戰能力的必要因素。

事實上，歐洲北約成員國仍未實施所有必要的轉型，以完全收獲在20世紀90年代承諾的完全信息化戰場的技術成果，并且在指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）、"壓制敵方防空能力（SEAD）、巡航導彈、彈道導彈防御、隱形飛機和電子戰資產 "以及作戰總部的部署和指揮方面都依賴于美國。但是，完全專注于重建部隊將阻礙對未來戰爭預測中所設想的未來武裝力量的創新。此外，一個危險的事實是，重新武裝將加強現有的支持者的地位，他們將保護現有的資產并阻礙變革。

要在翻新與創新之間取得適當的平衡，并沒有什么神奇的公式，也很難給出一個具體的數字（還因為漸進式的調整有時也會導致轉型），但有必要創造一個擁抱變化和支持實驗的環境--下文將詳細介紹。這也將有助于分配所需的手段，例如，將整個國防開支的至少2%分配給研究和投資（R&I）。

3. 協同硬件、軟件和濕件

北約保持其軍事優勢的能力的一個真正風險在于過度關注硬件和平臺，而沒有充分考慮如何協同使用這些平臺來實現戰場上和戰場下的政治目標。正是硬件、軟件和濕件（即 "人的東西"）的結合使情況發生了變化。

軍事創新源于技術、作戰概念和組織調整這三者。將這三者割裂開來可能會產生尋找問題的解決方案（而不是相反），并且不太可能為北約提供它所需要的軍事技術優勢。現在是時候縮小富有想象力的實踐者和長期規劃者之間的差距了。

國防組織應該建立紅色小組，并責成他們進行零基礎規劃：他們應該從一張白紙開始，考慮如何將技術（包括新舊技術）和作戰概念結合起來，以便在未來的戰爭環境中獲勝。這可以為新能力的發展提供信息，并推動創新而非更新的進程。同時，其他小組可以負責確定如何將創新的作戰概念應用于現有能力，以實現競爭優勢。這應該在北約成員國和北約層面進行。北約，特別是盟軍指揮部轉型（ACT），可以成為最佳實踐的重要收集者和優秀成果的傳播者，并在該領域的現有倡議的基礎上進行。

4. 思考勝利和成功的理論

知識和思想在全球的思想市場上迅速傳播。這個全球思想市場不僅限于新聞和娛樂，而且還延伸到了戰爭領域。戰略家和國防規劃人員畢竟不是在真空中運作。

在思想的喧囂中，參與者爭先恐后，形式變得和內容一樣重要。技術被描述為新的和革命性的，并被斷言一定會破壞戰爭性質。這不可否認地灌輸了 "敬畏"的效果，但不一定能讓人了解這些技術將如何帶來勝利。然而，在許多21世紀的武裝沖突中，智力和道德因素與物質因素一樣重要，是戰斗和勝利的關鍵。要解決這種對技術的執著，需要作出更多的努力，思考在未來的安全環境中，什么樣的方式和手段的組合會帶來勝利或成功。同時，需要確定組織和作戰的要求，這當然包括--但顯然超出了--硬件。這將需要戰略、作戰、組織和規劃專家利用專門的未來戰爭模擬進行緊密合作。歸根結底，它始于將未來戰爭的預測和準備作為一個專業行業認真對待。這開始于在（國防）大學為未來的平民和軍事規劃者制定課程，在其中接受類似于軍事專業人員在戰爭藝術方面的培訓和教育。

5. 注意聯盟成員之間的技術差距

長期以來，技術通貨膨脹的幽靈一直籠罩著國防能力的發展：每一代軍事平臺都會變得更加昂貴。這就造成了一種情況，即平臺的數量，特別是SMP的數量，已經大量減少。這也導致了頭號軍事強國--美國--與聯盟內其他國家之間的技術差距擴大。

當歐洲的北約成員國仍在努力充分吸收和利用C4SIR的進步所提供的機會時，美國已經開始了另一項創新戰略，以延長其軍事技術優勢。總的來說，平臺數量的減少和對未來互操作性的威脅意味著國防規劃者和他們在SMPs的政治決策者面臨著重要的選擇。

有必要重新認識SMP的優勢，以及它們能夠真正帶來什么。它需要接受的是，一些平臺不需要是 "軍事規格"，但也可以不那么通用和堅固，在某些情況下是可有可無或一次性的，更容易負擔。它要求在考慮到國家實力、戰略文化、威脅觀念和盟國需求的情況下，處理國家專業化的敏感問題。通過一個與盟軍作戰概念緊密結合的戰略概念，可以作為一個有用的統一催化劑來指導這一努力。

最后的想法

建議北約接受這些挑戰并聽取這些建議。即將出臺的戰略概念應該為成功的軍事創新設定參數。但是，這就留下了文化這個不太實際的因素。

軍事創新只有在一個刺激而不是反對它的大環境中才能開花結果--正如軍事創新文獻中充分記載的那樣。近年來，在我與國防規劃人員和軍官的交談中，已經非常清楚地看到，幾十年的預算削減已經扼殺了大部分創新的沖動。僵化的官僚結構、不鼓勵破壞者的職業道路結構、注重保護和保存的廣泛文化：可以說，創新不再是現有軍事組織的DNA。好消息是，通過專門的努力，使用逆流的規劃方法，即自上而下和自下而上的同時實施，這種情況是可以改變的。這需要在機構層級中賦予創新者權力，調整職業道路以促進和獎勵創新者，更廣泛地認識到停滯不前意味著衰退。

作者：Tim Sweijs——海牙戰略研究中心（HCSS）研究主任、戰爭研究中心（WSRC）高級研究員

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。

對智能高超音速武器（HW）的防御不僅減少了可用的戰術反應時間，而且還要求對戰略態勢進行更深入的思考，以改善對盟國基礎設施和移動資產的成功防御。現有的洲際彈道導彈（ICBM）防御方法可以在一定程度上解決來自高超音速武器的威脅。根據不同的情況，高能武器可以比洲際彈道導彈減少大約10%的飛行路徑長度和到達目標的時間。對于10000公里范圍內的目標，洲際彈道導彈可能需要約25至40分鐘來打擊，而高能武器可能需要22至36分鐘。一個具有挑戰性的方面是HW聲稱有能力躲避導彈防御系統。真正的游戲變化是當HW的發射平臺靠近預定目標時。發射平臺可以是潛艇、船舶或戰機。這種敵對力量的戰略可能會將飛行路線從10000公里減少到1000或100公里，將到達預定目標的時間縮短到約2至4分鐘，或最壞的情況下縮短到13至21秒，使目標/地區防御變得困難。戰略態勢需要盡可能地減少發射平臺過于接近潛在預定目標的可能性。因此，防御新的HW需要解決反對力量發射平臺移動的問題。戰術角度包括在很短的時間內制定行動方案的極端時間壓力，或壓縮傳感器到執行器的環路（StEL）。以前，我們發現，通過使用人工智能和基于認知網絡的增強功能，在這種反應過程中減少人類的干預，可以加速知識的獲取，共享態勢，并及時制定有效的CoAs，以達到預期的目標或最終狀態。我們將此確定為認知性StEL（CSTEL）。因此，為了擊敗HW攻擊，認知StELs可能被證明是一種合適的方法，因為它可以通過自動識別威脅來加速反應時間。

圖9：假設加拿大靜止目標的名義導彈彈道，A-D為遠程洲際彈道導彈或HW彈道，E-H為短程HW彈道

2022年3月，美國蘭德公司發布《開發嵌入人工智能應用的聯合全域指揮控制作戰概念》報告，論述了嵌入人工智能/機器學習（AI/ML）的聯合全域指揮控制（JADC2）的需求，說明了如何在JADC2中利用商業AI/ML系統和需要克服的障礙，并指出了發展路徑。報告認為，為實現嵌入人工智能應用的JADC2，需要投入人力和資源來超越如今的人力密集型指揮控制模式，用自動化和AI/ML技術改進當前的規劃過程。

報告核心觀點包括：

• 將AI/ML納入JADC2之前需要建立“信息基礎”；
• 實現JADC2目標的關鍵是確定核心軍事任務的指揮控制需求并建立可行的軟件開發計劃；
• 將商業AI/ML系統用于軍事任務，必須確定技術支持的作戰需求、隨后確定實現作戰任務所需的指揮控制過程，同時了解AI/ML技術的局限性；
• 在JADC2中應用AI/ML需要克服四個障礙：軍事文化與商業文化的差異、數據不可訪問、重組軍事行動中心并培訓人員、軍事亞文化；
• 在JADC2中應用AI/ML的目標是實現指揮控制的高效人機組隊，而不是指揮控制的完全自動化。

將人工智能（AI）和機器學習（ML）納入JADC2進行多域作戰（MDO）之前要完成一項艱巨的任務，即建立“信息基礎”。信息基礎中的數據帶有標記，能夠安全地存儲和傳輸，且易于訪問。建立信息基礎需要持續整理和保護軍方為開展指揮控制所需的跨領域、跨軍種和跨梯隊的所有信息。這些信息是AI和ML算法所需的輸入。如果沒有這樣一個信息基礎，將AI融入JADC2的工作就無法取得進展。 盡管最近AI/ML在游戲領域取得了令人鼓舞的成功，但考慮到信息不完整、數據質量差和對手行動等現實障礙，在某些指揮控制功能中使用類似的技術仍具有挑戰性。其他AI/ML技術，例如用于預測戰區內飛機狀態的應用，其成熟度更高。實現JADC2目標取決于確定核心軍事任務集的指揮控制需求，以及建立在近期和遠期都可以實現的軟件開發計劃。

1 JADC2對支撐多域作戰的必要性

現代戰爭已經超越了傳統的陸、空、海領域，軍事指揮官及其參謀人員計劃、指揮和控制部隊不能局限于這些傳統領域，還要擴展到太空、網絡和電磁頻譜領域。更復雜的是，跨領域的活動已經超出了傳統戰爭的范疇，**在還未采取公開敵對行動之前，大多數國家早已身處競爭環境。**軍隊必須能夠在戰爭和競爭中整合這些領域。今天的軍事行動已經需要靈活和安全的手段來跨梯隊、領域、組織和地理區域進行通信和共享數據。未來的全域戰爭和競爭將對獲取信息的規模和速度、對信息的理解和快速決策提出更高的要求，這些都是JADC2能力的關鍵要素。

但是，今天用于規劃、調度和執行監視軍事任務的既存系統和基礎設施不適用于現代全域作戰。鑒于多域作戰規劃日益復雜，期限縮短，而且數據要求增加，軍事規劃人員需要新的工具，包括AI/ML工具。 要想確定對AI/ML工具投入的優先級，就需要了解這些工具的能力、面臨的障礙以及它們滿足多域作戰下新興指揮控制需求的潛力。

圖1 機器學習的類型

2 如何利用商業AI/ML系統

近來，AI/ML系統在日益復雜的游戲中展現出人類所不能及的能力，再加上人們對未來高端沖突作戰需求日益加深的理解，使AI/ML變得極具吸引力。作為一種AL/ML系統，AlphaStar在即時戰略游戲《星際爭霸》中的成功**預示著監督學習和強化學習未來有可能應用于戰術級和戰役級指揮控制。**但是，將這些技術從游戲過渡到戰爭仍需要大量的研究。

隨著人工智能算法被開發用于現實、動態、多領域、大規模和快節奏的作戰，需要選擇、評估和監控重要的度量標準來衡量算法的性能、有效性和適用性。關鍵的算法度量標準包括：效率（計算所需的時間和內存）、可靠性（算法是否產生有效的結果）、最優性（算法是否為給定目標提供最佳結果）、穩健性（算法是否能夠在意外情況下平緩降級）、可解釋性（人是否能理解所產生結果的原因）和確定性（算法是否按預期運行）。

由于商業和學術AI/ML系統沒有直接應用于軍事任務，這些技術需要過渡到軍事環境才能帶來作戰優勢。為了決定采用哪些AI/ML技術，軍方**必須首先了解需要這些技術支持哪些作戰需求，如空中優勢、防空、加油機支持等。隨后作戰需求將決定****實現作戰任務所需的指揮控制過程，**如態勢感知、空域去沖突等。**了解AI/ML技術的局限性，**尤其是它們在不確定條件下進行推理時遇到的困難，也同樣重要。否則，這些技術可能會達不到預期。

圖2 AI/ML關系

3 實現AI/ML的軍事應用需要克服的障礙

實現AI/ML的軍事應用存在以下四個主要障礙。

（１）軍事文化與商業文化的差異

由于在戰爭中生命始終處于危險之中，軍事文化通常是規避風險的。但是在商業世界中，承擔大的風險可能獲得豐厚的經濟回報。這種文化差異在共享數據方面表現最為突出。軍方傾向于保護信息（只有那些“需要了解”的人才能獲取信息），而商業世界重視開放數據訪問（“廣泛共享”），以促進應用開發并獲得經濟利益。因此，將安全考慮納入軍事軟件開發和信息技術（IT）行動（稱為DevSecOps）非常重要，由此能夠挫敗試圖通過網絡手段削弱指揮控制的對手和危險份子。最大的挑戰可能是如何確保AI/ML算法適用于真實戰場。在戰場中，“戰爭迷霧”、不完整的信息和對手的行動與游戲環境截然不同。

（２）軍方內部數據不可訪問

軍方需要統一的數據管理政策和足夠先進的信息技術使指揮控制人員可以訪問大量數據，由此支持他們的人工智能輔助決策。換句話說，**必須有一個支持收集、標記、存儲、保護和共享數據的AI生態系統。**這個生態系統將依賴于通用數據標準、明確指定的權限、完整性檢查和入侵防護。**云計算和數據湖將是關鍵組成部分。**云數據湖可以用于分布式計算、冗余存儲和整個企業內的連接。考慮到現有的軍事政策、文化、權限、預算和獲取途徑，構建這樣一個環境以跨領域和跨安全級別的安全方式提供大量數據將對JADC2提出挑戰。

（３）需要重組軍事行動中心并培訓中心的人員

機器之間通信的增加和指揮控制過程的自動化，可能會帶來作戰中心硬件和人員的變化，這使人類作戰人員能夠聚焦認知任務，如評估和完善潛在的行動方案。采用AI/ML技術將創造出新的角色和職責。作戰人員需要接受培訓以便管理和運營AI生態系統，同時充當數據管理員，確保在該生態系統中捕獲和存儲的數據的質量和完整性。此外，雖然現在規劃人員和決策人員受到的培訓是要在一個領域內思考，但新的職責可能會出現，需要人們同時在多個領域內思考。

**（４）存在軍事亞文化 **

由于作戰人員之間亞文化的差異、規劃時間線的不同，以及為實現不同的作戰效果而采用的不同的權限分配方案，即使在一個軍種內，也很難跨越空中、太空和網絡領域集成AI能力。 盡管如此，對全域指揮控制的需求是急迫的，而且這種需求越來越普遍。為此，在JADC2中嵌入AI應用必須面對和克服以上所有障礙——軍事文化、網絡安全問題、用于知識質量較差的問題的算法、數據不可訪問、作戰中心重組和培訓以及軍事亞文化。

4 實現高效發展的路徑

以上障礙讓現狀看起來很嚴峻，必須立即做出改變來響應快速向前推進的迫切需求。但是，如果將實現目標的步驟分解成一個個容易解決的問題，如果軍方清楚技術的可能性和局限性，就可以取得進展。**我們的目標不應該是指揮控制的完全自動化，而是指揮控制的高效人機組隊。**實現這一目標的步驟應該包括：第一，繼續開發JADC2作戰概念并確定其優先次序；第二，在指揮控制過程中確定采用AI/ML來增強能力的需求和機會。

與此同時，有必要為數據驅動的AI生態系統設置環境，這意味著要將武器系統和相關數據遷移至多域數據湖中，供有權限的人使用，同時應用“零信任”和其他安全原則來靈活且安全地管理這些數據。隨著AI軟件應用程序的開發，有必要在作戰測試環境中對這些應用程序進行實驗，將它們與指揮控制系統集成，然后將有限的能力部署到作戰中心，接著根據用戶反饋快速更新軟件應用程序。分析師和技術專家希望探索作戰概念來促進人機組隊，建立人們對AI智能算法的信任，并提高算法的可解釋性。商業需求較少的領域可能需要有針對性的軍事投資，例如用于數據稀缺領域的AI算法學習，或者用于防御針對這些算法的攻擊的AI算法。

當前的AI/ML技術需要學習用的數據。由于缺乏真實世界的數據（缺乏這類數據也是一件幸事）來為改進這些戰爭技術提供信息，軍方可以利用建模、模擬和演習來為AI/ML算法生成訓練數據。這類算法有助于武器-目標配對等。監督或強化學習算法可以支持這種指揮控制功能，類似于最近應用于商業游戲的學習算法。但是軍事算法也必須考慮到現實世界中的不確定性，這對人類和算法來說都是一個主要困難。

正如美國空軍參謀長查爾斯?布朗（Charles Brown）2020年8月所說：“要么加速變革，要么失敗。”對現代戰爭來說，及時向JADC2邁進是必要的，而且有必要“在競爭對手的防守期限內”完成。這一需求真實存在，但對AI/ML設定現實的預期很重要。現有的指揮控制流程在自動化方面還有改進的空間，在某些情況下，在AL/ML方面也有改進的空間。美國眾議院軍事委員會主席、華盛頓州民主黨眾議員亞當?史密斯（Adam Smith）于2021年9月談到JADC2時說：“目標是正確的，但不要低估實現這個目標的難度。”

來源：防務快訊

摘要

達爾豪西大學大數據分析研究所、加拿大國防研究與發展研究所 (DRDC) – 大西洋研究中心和加拿大通用動力任務系統 (GDMS-C) 成功向加拿大自然科學與工程研究委員會 (NSERC) 提出申請， 促成了一個為期三年的資助項目，名為自動監控海軍信息空間 (AMNIS)。 AMNIS 啟動會議于 2020 年 10 月 14 日舉行，眾多教授、國防科學家和 GDMS-C 技術人員參加了會議。會議確定了三個組織的多項行動。與 DRDC 和 GDMS-C 相關的一項行動是需要與任務相關的情景來幫助指導預期的研究。因此，DRDC 率先描述了一個具有代表性的海陸情景，這將使研究人員能夠更好地了解與 AMNIS 相關的潛在研究途徑。開發的場景涉及由加拿大皇家海軍 (RCN) 和加拿大陸軍 (CA) 執行的加拿大人道主義任務。任務是向最近遭受自然災害襲擊的國家分發食品和醫療用品。敵對勢力也試圖竊取物資。該場景描述了通過更好的處理技術和決策來改進信息流、共享和使用的需求。該方案旨在引發進一步的討論并幫助鞏固 AMNIS 參與者的研究主題。

對國防和安全的意義

AMNIS 項目將推動國防界在機器學習、深度學習、人工智能、可視化的許多方面、弱勢網絡上的信息共享、基于場景的決策以及人類績效建模和團隊合作方面的知識。這里描述的海洋/陸地情景旨在激發支持這些主題的研究途徑。

新興軍事技術

國會議員和五角大樓官員越來越關注發展新興軍事技術，以加強美國的國家安全，并與美國的競爭對手保持同步。美國軍方長期以來一直依賴技術優勢來確保其在沖突中的主導地位，并保障美國的國家安全。然而，近年來，技術的迅速發展和迅速擴散，很大程度上是由于商業領域的進步。正如前國防部長查克·哈格爾(Chuck Hagel)所觀察到的，這種發展已經威脅到美國傳統的軍事優勢來源。美國國防部(DOD)已經采取了一系列措施來遏制這一趨勢。例如，2014年，國防部宣布了第三次抵消戰略，這是一項為軍事和安全目的以及相關戰略、戰術和作戰概念開發新興技術的努力。為了支持這一戰略，國防部建立了許多專注于國防創新的組織，包括國防創新單位和國防戰爭聯盟小組。

最近，2018年的國防戰略呼應了第三次抵消戰略的基礎，指出美國的國家安全可能會受到影響： 受到快速技術進步和戰爭性質變化的影響....新技術包括先進的計算、“大數據”分析、人工智能、自主、機器人、定向能源、超音速和生物技術——這些技術確保我們能夠在未來的戰爭中戰斗并贏得勝利。 美國是開發這些技術的領導者。然而，中國和俄羅斯這兩個關鍵的戰略競爭對手，在發展先進軍事技術方面正在穩步取得進展。隨著這些技術被整合到國外和國內的軍事力量中并部署，它們可能會對國際安全的未來產生重大影響，并將成為國會在資金和項目監督方面的一個重要焦點。

本報告概述了美國、中國和俄羅斯的一些新興軍事技術:

• 人工智能,
• 致命的自主武器，
• 超音速武器,
• 定向能武器，
• 生物技術,
• 量子技術。

它還討論了國際機構內監測或規范這些技術的相關倡議，考慮了新興軍事技術對戰爭的潛在影響，并為國會概述了相關問題。這些問題包括新興技術的資金水平和穩定性、新興技術的管理結構、與征聘和留住技術工作者有關的挑戰、迅速發展和兩用技術的采購過程、保護新興技術免受盜竊和征用，以及對新興技術的治理和監管。這些問題可能會影響到國會的授權、撥款、監督和條約的制定。