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碎片和子彈等穿透性彈道射彈造成的傷害是沖突中軍人（和平民）傷亡以及恐怖事件傷亡的主要原因。

本研究項目的主要目的是開發便于在物理和虛擬環境中評估穿透彈道射彈傷害的模型。

該領域的現有模型和文獻僅限于范圍較窄的場景（如特定的射彈類型），或對模型的驗證有限。

除了廣泛的原始數據集和新穎的數據分析技術外，還整理了肌肉組織的彈道數據和文獻中的模擬物，從而對皮膚和肌肉組織模擬物在傷口彈道學研究中與碎片和子彈相關的有效性進行了明確的評估。

開發的一系列物理和虛擬模型適用于評估彈道和爆炸場景中穿透性射彈的風險。

被認為特別新穎的是開發了一種新的碎片，通過預測眼睛穿透和皮膚穿孔的風險來評估低密度和低能量碎片的危害，并估計射彈的沖擊速度。

所開發的一系列物理和虛擬模型已用于深入了解（和描述）在使用真實組織或組織模擬物時影響物理測試結果的目標因素。

利用這些模型改進了英國武裝部隊和警察的戰術、技術、程序和設備，最終減少了傷害，挽救了生命。

圖 2：模型聯系概述。箭頭表示數據流/模型開發的方向（MDFPIM = 多離散碎片物理損傷模型）。

現有的決策計算模型往往局限于特定的實驗設置。造成這種限制的主要原因是無法捕捉決策者對情況的不確定性。本文提出了一個計算框架，用于研究神經科學和心理學中不確定情況下的決策制定。框架主要側重于決策者對世界狀況的概率評估，即他們的 “信念”。具體來說，它基于部分可觀測馬爾可夫決策過程（POMDPs），結合貝葉斯推理和獎勵最大化來選擇行動。利用感知決策和社會決策方面的各種實驗數據，證明了基于信念的決策框架的可行性。框架解釋了感知決策實驗中決策者的實際表現與他們對實際表現的信念（即決策信心）之間的關系。它還說明了為什么在許多情況下這種評估會偏離現實。這種偏差通常被解釋為次優決策的證據，或選擇和信心的不同過程。我們的框架對這些解釋提出了挑戰，它表明，一個優化收益的規范貝葉斯決策者也會產生同樣的偏差。此外，在定量預測人類在社會決策任務中的行為方面，方法優于現有模型，并提供了對潛在過程的洞察。結果表明，在涉及大型群體的決策任務中，人類采用貝葉斯推理來模擬 “群體心理”，并對他人的決策做出預測。最后，將方法擴展到關于他人的多個推理層次（心智理論層次），并將服從作為群體決策的一種策略聯系起來。這個擴展框架可以解釋人類在各種集體群體決策任務中的行為，為大型群體中的合作與協調提供了新的理論。

圖 1.1： 基于信念的決策框架。智能體通過行動、觀察和獎勵與世界互動。智能體無法完全觀測到世界的狀態，只能根據觀測結果和智能體的內部世界模型，以概率方式表示世界的狀態。智能體的目標是根據當前狀態的概率分布來制定策略，即所謂的信念

美國國防部（DoD）正迅速與各軍種合作，從多年期（如 7-10 年）傳統采購計劃轉向基于商業行業的軟件開發方法。雖然商業技術和方法為快速部署任務能力以應對威脅提供了機會，但商業技術是否適用于滿足水面作戰系統的實時要求尚不清楚。這項研究建立了技術數據，以驗證當前商業技術的有效性和適用性，從而滿足國防部作戰管理系統的硬實時要求。有學者進行了類似的研究；然而，微服務、容器和容器編排技術當時還未出現在國防部的雷達上。該領域的最新知識將為國防部未來的路線圖和投資提供參考。將采用基于任務的方法，利用任務工程為應用研究設定背景。已經建立了一個假設的但與業務相關的海峽過境方案，以便在評估假設時為確定實驗參數提供背景。將系統模型聯合起來形成一個系統架構，并利用云計算環境中的數據收集數據進行定量分析。

本文件編排如下：

• 第 1 章（導言）討論了擬議研究背后的理論體系，討論了本研究的目的，并確定了要解決的問題。

• 第 2 章（研究背景）介紹了文獻綜述，并討論了以往研究的局限性。

• 第 3 章（方法論）討論了方法論方法，闡明了任務工程背景，提出了預測和假設，并討論了原型測試環境的開發和實例化。

• 第 4 章（結果）討論統計分析結果。

• 第 5 章（討論）概述了研究結果，并討論了研究意義和局限性。

• 第 6 章（結論）介紹了本研究對工程管理與系統工程（EMSE）"知識體系 "的貢獻，并對未來研究提出了建議。

過去幾十年來，在安全、監視、情報收集和偵察等許多領域，對目標跟蹤（OT）應用的需求一直在增加。最近，對無人系統新定義的要求提高了人們對 OT 的興趣。機器學習、數據分析和深度學習的進步為識別和跟蹤感興趣的目標提供了便利；然而，持續跟蹤目前是許多研究項目感興趣的問題。本論文提出了一個系統，實現了一種持續跟蹤目標并根據其先前路徑預測其軌跡的方法，即使該目標在一段時間內被部分或完全隱藏。該系統分為兩個階段： 第一階段利用單個固定攝像機系統，第二階段由多個固定攝像機組成的網狀系統。第一階段系統由六個主要子系統組成：圖像處理、檢測算法、圖像減法器、圖像跟蹤、跟蹤預測器和反饋分析器。系統的第二階段增加了兩個主要子系統：協調管理器和相機控制器管理器。這些系統結合在一起，可以在目標隱藏的情況下實現合理的目標跟蹤連續性。

現在，模擬被更頻繁地用于對現實世界或擬議系統進行實驗，以了解系統行為或評估改進策略。隨著時間的推移，大型企業越來越需要開發精密復雜的系統來與同行業競爭。而且，這些企業之間的聯系越來越緊密，就像一個網絡化的企業。這就進一步提高了開發能與其他企業互聯的越來越復雜的模擬的要求。在這方面，分布式仿真已廣泛應用于軍事領域，但在其他領域并沒有得到普及。這背后的原因是，在分布式仿真之間建立通信協議需要專業技術知識。科研行業一直在努力縮小這一差距，其中最重要的工作是制定高級架構（HLA）標準，為分布式仿真模型之間提供通用通信協議。

建模與仿真（M&S）行業也為開發人員提供了大量有關獨立仿真建模的文獻。在這種情況下，概念建模的重點是模型的準確性和效率，而不是互操作性。本研究也對此進行了詳細討論。直到最近，從業人員也一直在努力尋找對底層技術的支持。但隨著標準運行時基礎設施（RTI）和仿真開發平臺支持的引入，這一差距已經縮小。

HLA 標準承諾解決分布式仿真模型之間的互操作性問題，但只能提供語法層面的標準指南。因此，仿真互操作性標準組織（SISO）繼續開展研究，確定了從業人員在語義層面面臨的互操作性問題，并起草了一份互操作性問題清單。然而，已發布的 SISO-STD-006-2010 標準只指出了問題，卻沒有提供語義解決方案。

本研究的主要貢獻是提出了分布式仿真互操作性（DSI）框架，為《商用現成仿真包互操作性參考模型》（SISO-STD-006-2010）中列出的互操作性問題確定了語義解決方案。本研究建議將這些互操作性語義解決方案納入 HLA 對象建模模板規范。這樣做將有助于行業從業人員實現 HLA 的互操作性承諾，并使分布式仿真模型更具可重用性和可組合性。

本研究論文調查了第一人稱計算機游戲能夠在多大程度上模擬戰術步兵交戰，以期提高其在未來步兵訓練中的實用性，并為后續的學術和軍事研究提供參考。由于經濟不景氣導致預算削減，迫使武裝部隊尋求更具成本效益的士兵訓練方法，因此這一研究領域與現代軍事機構的關系日益密切。由于現代游戲技術非常先進，而且開發單機產品的成本很高，因此使用現成的商用（COTS）視頻游戲作為訓練輔助工具變得越來越普遍。由于這些游戲同時適用于軍事和商業領域，因此開發商可以通過同時向兩個市場銷售這些游戲來獲取雙重價值。逼真性與娛樂性之間的內在矛盾不可避免地會導致產品在真實性方面的妥協，本論文認為，只有在步兵訓練的特定方面，實現這種雙重價值才是可行的。

迄今為止，幾乎沒有學術研究對 COTS 游戲在軍隊中的使用效果進行過研究，這主要是由于 COTS 游戲作為合法的訓練工具剛剛得到發展和認可。不過，由兩個不同專業所開展的相關研究主要有三條主線： 軍隊投入了大量資源來了解步兵戰斗模型和動態，其次是如何利用定制的虛擬環境來加強訓練，而社會科學家則對模擬環境的固有特征進行了評估，以研究心理上的沉浸感。

本論文將把這些研究領域聯系起來并加以擴展，這些領域研究了迄今為止商業視頻游戲和軍事模擬的不同方面。將這些方法結合起來，就可以從軍事角度評估商業游戲產品的逼真程度，同時研究它們與設計者的意圖和市場需求等社會學方面的關系。這將為評估如何成功地調整 COTS 視頻游戲以適應武裝部隊的需求鋪平道路，特別是在創建適合訓練步兵作戰特定方面的作戰環境方面。這項研究將彌合專業軍事和模擬界之間的差距，使模擬專業人員了解戰斗，使軍事專業人員掌握有效利用第一人稱射擊游戲（FPS）環境作為訓練工具的技能。

通過與被稱為計算機生成兵力（CGF）的虛擬對手進行訓練，受訓戰斗機飛行員可以積累空戰行動所需的經驗，而其成本僅為使用真實飛機訓練的一小部分。但實際上，計算機生成兵力的種類并不豐富。這主要是由于缺乏 CGF 的行為模型。在本論文中，我們研究了空戰訓練模擬中 CGF 的行為模型在多大程度上可以通過使用機器學習自動生成。空戰領域非常復雜，在該領域內運行的機器學習方法必須適合該領域帶來的挑戰。我們的研究表明，動態腳本算法極大地促進了空戰行為模型的自動生成，同時又具有足夠的靈活性，可以根據挑戰的需要進行調整。然而，確保新生成行為模型的有效性仍是未來研究的一個關注點。

生成空戰行為模型

人工智能（ai）領域可以為行為建模過程提供一種替代方法，并通過糾正上一節中提到的兩種后果來提高模擬訓練的效果。這種替代方法是通過機器學習生成行為模型。機器學習程序在各種任務中的表現都優于人類，例如信用卡欺詐檢測、云計算資源分配，以及玩撲克和圍棋等游戲。對于此類任務，機器學習程序能夠通過以下三種特性的結合產生創造性的解決方案：（1）計算速度；（2）精確的約束滿足能力；（3）巧妙的學習算法。利用這三個特性并將其應用于行為模型的開發，我們就能獲得以下能力：(1) 以更快的速度開發行為模型；(2) 開發出比目前更多變化的行為模型。因此，使用機器學習程序開發行為模型有可能消除當前行為建模過程對訓練效果造成的兩種影響。

不過，在將機器學習應用于空戰模擬之前，我們必須先考慮空戰領域。空戰領域十分復雜，在這一領域內運行的機器學習方法必須適合該領域帶來的挑戰。五項挑戰：(a) 形成團隊合作，(b) 對 cgf 行為進行計算評估，(c) 有效重用已獲得的知識，(d) 驗證生成的行為模型，以及 (e) 生成可訪問的行為模型。這五大挑戰并非空戰領域所獨有。但是，這些挑戰需要適合該領域的解決方案。

研究問題

研究問題 1：能在多大程度上生成能產生團隊協調的空戰行為模型？

動態腳本使用獎勵函數來評估使用生成的行為模型的空戰 cgf 所顯示的行為。獎勵函數產生的獎勵用于調整新生成的行為模型，以尋找最佳模型。如前所述（見挑戰 b），空戰行為評估存在兩個問題。在文獻中，這兩個問題分別被稱為獎勵稀疏和獎勵不穩定（見第 4 章）。不過，文獻中提出的空戰行為獎勵函數并不總是考慮到這兩個問題。然而，這樣做可能會產生更理想的行為模型。這就引出了第二個研究問題。

研究問題 2：能在多大程度上改進空戰 cgf 的獎勵功能？

動態腳本將 cgf 在整個學習過程中積累的知識以權重值的形式存儲在規則庫中的規則上。每條規則的權重值表示該規則相對于規則庫中其他規則的重要性。就重復使用而言，在一個空戰場景中構建的知識也有可能在另一個空戰場景中得到有效應用。我們將知識重用置于遷移學習的背景下，即讓一個 cgf 在一個場景中學習，然后將其知識遷移到一個新的、未見過的場景中。這就引出了第三個研究問題。

研究問題 3：使用動態腳本構建的知識在多大程度上可以在不同場景下的 cgf 之間成功轉移？

我們的目標是將生成的行為模型用于模擬訓練。驗證模型是實現有效使用模型的重要一步。行為建模過程中的第 4 步說明了驗證的重要性。然而，由于行為模型驗證沒有放之四海而皆準的解決方案，我們首先必須確定驗證的正確方法。這就引出了第四個研究問題。

研究問題 4：我們應該如何驗證機器生成的空戰行為模型以用于模擬訓練？研究問題 4 的答案就是驗證程序。通過該程序，我們可以確定我們在研究中生成的行為模型的有效性。所選擇的研究方法引出了第五個研究問題。

研究問題 5：通過動態腳本生成的空戰行為模型在多大程度上可用于模擬訓練？

回答了這五個研究問題，我們就能回答問題陳述。

在第 1 章中，我們介紹了問題陳述和五個研究問題。此外，還介紹了解決研究問題的研究方法。

在第 2 章中，我們提供了有關四個主題的文獻背景信息（另見第 1.1 節）： (1) 行為建模過程的詳細步驟；(2) 在模擬訓練中使用機器學習的潛在好處和缺點；(3) 過去使用機器學習生成空戰行為模型的方法；(4) 動態腳本及其在空戰模擬中的適用性。

在第 3 章中，我們介紹了團隊協調的三種方法：(1) 默契；(2) 中心；(3) 體面。我們通過實驗研究團隊協調方法的益處，然后回答研究問題 1。

在第 4 章中，我們將深入研究動態腳本編寫過程的一個特定部分，即獎勵功能。我們將展示三種不同獎勵函數的使用如何影響我們的 cgfs 的行為，然后回答研究問題 2。

在第 5 章中，我們研究了 cgf 在某種空戰場景中積累的知識在多大程度上可以成功轉移到不同空戰場景中的 cgf 上，然后回答了研究問題 3。

在第 6 章中，我們設計了一個驗證程序，通過該程序可以驗證為空戰 cgf 生成的行為模型。此外，我們還介紹了 atacc，然后回答了研究問題 4。

在第 7 章中，我們將驗證程序應用于戰斗機 4 艦模擬器中新生成的行為模型，然后回答研究問題 5。

在第 8 章中，我們將對五個研究問題的答案進行總結，從而結束本論文。最后，基于這些答案，我們提出了問題陳述的答案。之后，我們將對未來的工作提出兩點建議。

美國海軍正在重組其艦隊結構。美海軍正在探索使用無人潛航器 (UUV) 平臺來補充艦隊的可行性。目前的 UUV 只能提供最低限度的監視和水雷探測能力；一種解決方案是在 UUV 平臺上增加攻擊性和增強型探測能力。本研究采用基于模型的系統工程（MBSE）方法，在聯合戰區模擬級全球作戰環境中探索具有增強能力的 UUV 的效果。該方法包括概念原型開發過程、作戰概念、效果衡量標準、不同的 UUV 因素（速度、組成和聲納類型）以及實驗設計。在對 540 次模擬運行的輸出結果進行分析后，結果證明所有三個因素對 UUV 的作戰性能都有重要影響，并表明使用先進的 UUV 可以提高特遣部隊的能力。此外，實驗還揭示了 UUV 的組成與探測和交戰速度之間的強相關性，并證實了使用主動聲納在作戰中的優勢，從而形成了 UUV 功能的交換空間。這項研究證明了 MBSE 在為未來艦隊進行可行性評估方面的實用性。

2016 財年，美國參議院軍事委員會下令海軍將艦隊規模擴大到 355 艘。然而，建造設施的缺乏阻礙了這一工作。負責預算的海軍副助理部長布萊恩-盧瑟少將估計，355 艘艦艇的目標要到 2050 年代才能實現（Larter 2018）。因此，美國海軍正在探索潛在的艦隊重組方案。海軍對用無人系統來補充傳統的有人海軍資產非常感興趣。無人潛航器 (UUV) 就是這樣一種系統。由于高層對艦隊和無人系統都很感興趣，海軍研究辦公室（N9）要求提供測試 UUV 未來能力的方法和流程，以及開展此類研究的實驗環境或工具。此外，目前的無人潛航器主要用于支持水雷戰和小型監視任務（美國防部，2007 年），因此還不了解其對其他角色的影響。

本研究的目的是在計算機輔助兵棋推演中使用基于模型的系統工程（MBSE）方法，特別是聯合戰區級模擬全球行動（JTLS-GO），以探索先進的 UUV 能力作為未來美國海軍艦隊資產的影響，以及作為日益減少的潛艇部隊的替代品的影響。

MBSE 方法是一個多步驟過程，從頭至尾探索整個項目。通過這種方法，我們開發出了一種先進的 UUV 概念和 "眼鏡蛇黃金 2018"（CG18）小插圖或作戰概念（CONOP），這是一種六國（太平洋司令部主辦）指揮所演習（CPX）。小插圖的創建允許對 CG18 進行反復檢查，以確定 UUV 可以解決的能力不足問題。在這種情況下，虛擬演習的重點是敵方（索諾拉）特遣部隊與盟軍特遣部隊（包括 USS Benfold (DDG-65) 和 RSS Endurance (LS-207)）之間的互動。實際演習的結果包括上述艦艇的傷亡。造成這些傷亡的原因是缺乏態勢感知和進攻火力。這些問題為在模擬中注入 UUV 以增強傳感器和火力提供了機會和動力。隨后，確定和建立新能力的作戰要求和限制的過程隨之展開。新的模擬 UUV 設計必須能夠提供額外的進攻和偵察能力。衡量無人潛航器的性能如何以及哪些屬性需要改變，從而制定了效能衡量標準（MOE）和性能衡量標準（MOPs）。這些衡量標準有助于指導實驗設計（DOE）的制定，從而指導名義 UUV 的實驗和評估。

性能指標包括探測效果和敵方減員。關注的性能因素（屬性）包括 UUV 速度、UUV 數量（UUV 艦隊組成）和聲納類型（主動或被動）。DOE 包括對這些因素在三個不同值（水平）下的測試。不同水平的因素組合產生了 18 個設計點。

JTLS-GO 模型是由 Rolands and Associates 設計的事件驅動兵棋推演模擬，用于測試多方聯合戰役和行動（Rolands and Associates 2018）。該項目測試戰爭的多個層面，包括政治、戰略、作戰和戰術層面。

雖然 JTLS-GO 在模擬交戰方面很有用，但根據 Cayirci 和 Marincic（2009 年）的說法，其功能是培訓總部人員更有效地指揮和控制單元。因此，僅使用 JTLS-GO 測試未來概念是不可行的，因為這需要大量資源。為了充分利用 CG18 的人的反應和結果，作者在 NPS 仿真實驗和高效設計（SEED）中心的幫助下，將原始 JTLS-GO 仿真程序轉換為自動化計算機輔助兵棋推演（CAW）仿真。這種轉換允許對未來能力進行多次重復模擬，以便進行統計分析。

這項工作涉及 540 次模擬運行，耗費了 810 個小時的計算機時間。通過回歸分析、趨勢分析和分區樹分析，得出了以下結論：

1.通過在 JTLS-GO 中的 CG18 自動版本中建立建模和實驗環境，MBSE 方法為評估未來 UUV 能力對作戰的影響提供了途徑。

JTLS-GO 中的 CG18 提供了一個框架，利用 MBSE 方法來定義操作差距、創建 UUV 原型、定義測量方式和內容（MOE 和因素）并快速進行實驗。MBSE 所要求的有條不紊和一絲不茍的努力表明，應用這一過程有利于探索 UUV 的未來能力，同時也表明它如何為考察未來艦隊的一系列能力提供機會。

2.UUV 的存在為提供態勢感知和攻擊火力提供了額外的能力，減少了水面的脆弱性。

即使增加了效果最差的因子組合的 UUV，也產生了積極的結果：3 個 "索諾蘭 "單元被擊斃，60% 的單元被發現。采用首選探測因子值的 UUV 使 RSS Endurance (LS-207) 在 30 次模擬中擊沉了 12 次。與此同時，USS Benfold (DDG-65) 在使用這些 UUV 的 30 次模擬演習中只擊沉了 2 次。當環境中存在具有優先損耗因子值的 UUV 時，RSS Endurance (LS-207) 在 30 次模擬中擊沉了 10 次，USS Benfold (DDG-65) 在 30 次模擬中擊沉了 2 次。因此，UUV 的性能導致模擬環境中盟軍傷亡人數減少。

3.主動聲納提高了殺傷力和探測能力，但在速度和 UUV 艦隊組成方面，并不是越多越好。

表 ES-1 列出了實驗中最佳和最差的 UUV 配置。根據該表，推薦的最佳組合是一支中等規模的 UUV 艦隊，以 8 節的速度航行并配備主動聲納。這種配置平均可摧毀近 88% 的敵方目標。

采用自動 JTLS-GO 仿真軟件包的 MBSE 方法所得出的結果可為先進的 UUV 性能提供深入見解，而無需投入大量人力和物力。海軍在規劃其未來架構的過程中，應考慮使用此類工具對平臺進行評估。此外，海軍還應考慮增加先進的 UUV 平臺以補充艦隊。

由于水下聲學的復雜性，水下模擬器并不常見。模擬是快速測試自主飛行器的有效工具，是測試和評估過程的補充。本論文的目標是為機器人應用提出一種計算效率高的前視聲納仿真模型。本論文使用點散射模型開發了單聲納波束模型，并應用了傅立葉合成和波束形成修正。將單個聲納波束連接起來，模擬前視聲納系統的視場。結果是一個聲納模擬模型，可用于已建立的 ROS Gazebo 機器人框架，作為有效測試自主水下航行器的工具。聲納模型聲學方面的未來改進包括增加混響、多路徑傳播和干擾。

艦船集成項目辦公室（PMW760）對其權限范圍內所有無人系統都能使用的統一、有凝聚力的通信協議的前景很感興趣。數據分發服務（DDS）是使用點對點鏈路進行這種內聚通信的主要候選協議。本論文的目的是評估 DDS 在符合海軍用例標準的網絡架構中的性能。提出了一個包含衛星通信（SATCOM）和無線保真（WiFi）鏈路的網絡架構，以測試 DDS 在場景設置的限制下在網絡節點之間執行內聚通信的能力。使用網絡模擬器 Mininet 來設置網絡參數，并研究各個點對點鏈接在不同數據樣本大小下的吞吐量和延遲性能。使用實時創新 Perftest 軟件工具進行模擬，測量不同網絡配置（理想、抖動和多流）下的吞吐量和延遲。在理想配置和抖動配置下，對可靠通信和最佳努力通信以及實施和未實施 DDS 安全性進行了模擬。還對多流量配置進行了模擬，以評估同時多流量數據（在網絡節點內并行運行的流量數據）如何爭奪網絡資源并影響性能。

建議的網絡架構如圖 7 所示。任務指揮官駐扎在總部，對由現場指揮官、支援艇、拖車和兩架無人機組成的任務單元實施指揮和控制。場景設置如下：

• 任務指揮官位于總部，通過總部 WiFi 與網絡其他部分連接。他還控制任務地點的黑色無人機。
• 支援艇位于海上，通過 SATCOM 直接與衛星連接。
• 拖車位于任務現場，與衛星連接，為現場的任務單元提供 WiFi。
• 現場指揮官位于任務現場，與拖車 WiFi 接入點 (AP) 連接。他轉發拖車 WiFi 信號，為無人機提供通信。現場指揮官還控制白色無人機。
• 黑色和白色無人機連接到現場指揮官轉發的無人機通信 WiFi 接入點。
• 任務指揮官、輔助飛行器和現場指揮官可以通過語音通信進行對話。
• 任務指揮官和現場指揮官分別從黑色無人機和白色無人機接收視頻數據。支援艇也與任務指揮官和現場指揮官共享視頻數據。