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當前用于自動規劃的戰斗模擬軟件開發在其方法中沒有考慮到戰爭迷霧。這使得他們的輸出不太現實,因為在現實世界的規劃中不可能有精確的敵人位置。人工智能控制的部隊應該能夠在沒有信息的情況下運作,而這些信息在相同的情況下是人類無法獲得的。本文提出了一種AI智能體在給定典型情報的情況下預測和評估敵方兵力位置的方法。我們還提出了一種方法來匯總這些位置的風險影響。我們在一個戰斗模擬環境中展示了這些技術,并評估了它們在多個戰斗場景中的表現。結果顯示了戰斗模擬中不確定性的重要性,并說明我們的風險匯總方法是有效的。

在將人工智能(AI)技術與作戰模擬相結合時,重要的是要將戰爭迷霧的考慮因素包括在內并加以考慮。目前的自動規劃方法依賴于對敵方部隊位置的完美了解,使得人工智能控制的智能體行動不太現實。為了使智能體的行為更加自然,人工智能兵力應該接受與人類指揮官在類似情況下可用的相同類型和數量的信息并采取行動。這將要求人工智能依賴對其對手和環境條件的理解,就像人類一樣。

這篇論文著重討論了人工智能在模擬環境中處理戰爭迷霧的能力的兩個方面。第一個方面是人類對提交給人工智能的關于敵人和環境的知識的表述。這包括敵人的優先級和程序,以及環境因素,如能見度和視線。第二方面是當給定這些知識時,人工智能可以預測戰霧中可能的敵人位置,并評估可能的敵人編隊的風險影響。

關于第一個方面,我們審查了人工智能在模擬環境中跟蹤對手和戰術注釋的方法。我們發現有必要將戰斗地形離散為一個導航圖。這個導航圖將有支持實體運動的邊和可以被注釋的節點,為人工智能代理提供戰略信息。我們還確定了在戰斗模擬環境中對單位幾何的戰術評估技術。

然后,我們發現適用于檢查軍事決策過程(MDMP)中進行的分析,特別是由戰斗空間情報準備(IPB)產生的產品。IPB的輸出包括將已知的對手戰術分層到當前的作戰環境中,以產生一個預期的敵人行動路線(ECOA),如圖1所示的態勢模板。

節點的戰術注釋可以看作是圖1中所示的頂層敵人威脅模型。當這些注釋被應用于地形的導航圖(環境層)時,其結果是將ECOA編碼到模擬中。然后,我們可以評估潛在的敵人位置與編碼的ECOA有多大的一致性。

我們把這種評估稱為編隊評分函數。這個評分函數是讓人工智能預測和評估戰爭迷霧中風險的起點。該函數產生一個數字分數,它取決于一個給定的敵方編隊在保持理想的單位幾何形狀和火力掩護的同時瞄準目標優先事項的能力。分數越高,表明越符合編碼的ECOA的要求。我們把一個能使給定評分函數最大化的編隊稱為預測。

不幸的是,識別一個最大化的編隊并不是一項微不足道的任務,因為它涉及到多個實體平衡幾個競爭性因素以產生一個分數。我們采用的方法是將未被發現的實體隨機放置在地形上的可能位置,讓它們爬到對陣型得分貢獻最大化的位置。通過幾輪的隨機放置和爬坡,產生了候選陣型集,每個陣型都是評分函數的局部最大值。每個編隊由一組不同的敵人實體位置和導航圖中節點的相關威脅值組成。

然后,我們使用吉布的典型集合方程,將候選集合中的每個編隊視為實際敵方編隊可能處于的一種 "狀態"。這使我們能夠為候選集合中的每個編隊計算出一個概率值。然后,我們可以根據每個編隊的計算概率來匯總其節點威脅值。這使我們能夠將可能的敵方陣地的估計風險表示為一個單獨的圖,我們稱之為不確定性威脅圖。由于該圖僅由現有的情報產品和觀察結果產生,它不依賴于人類指揮官無法獲得的無關信息。

本論文介紹了我們在WOMBAT XXI(WXXI)中對這些方法的實施和評估,WXXI是一個用Unity 3D游戲引擎構建的輕型戰斗模擬環境(圖2)。

使用WXXI的單位模板和真實世界的地形表現,我們進行了60次模擬戰斗,跨越三個不同層次的敵軍陣地信息。這些戰斗模擬了攻擊一個藍軍排,對抗一個靜態的紅軍小隊。在第一種情況下,我們將藍方的知識限制在一組探測到的紅方防御者。在第二種情況下,我們使用檢測到的紅色防御者和一個陣型評分函數來產生一個不確定性威脅圖,以估計實際的紅色陣型。在最后一個場景中,藍色被賦予了關于紅色陣地的全部信息。在每場戰斗中,我們都收集了關于藍方和紅方的傷亡、零散交換率(FER)和任務完成情況的數據。我們發現,當藍方得到紅方陣地的估計時,他們的表現與得到實際陣地時相當。表1提供了在三個戰斗場景中收集到的定量數據。

論文中預測和不確定性建模的新方法在自動計劃和改善兵棋推演中人工智能控制的兵力方面有很大的應用潛力。論文還提供了運動到交戰行動的進一步測試實例,并提供了一種使用編隊評分功能的計劃識別方法。最后,我們為WXXI作戰模擬環境貢獻了附加功能。

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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。

計算機視覺與現有艦載飛機傳感器的集成為利用通常被忽視或丟棄的數據提供了機會。每天,旨在幫助機組人員導航或瞄準目標的傳感器都會收集數千小時的圖像,這些圖像可用于情報收集。在不影響飛機任務和機組人員程序的情況下,計算機視覺可作為附加功能安裝。

本論文提出了將計算機視覺集成到海軍戰術飛機上的基本概念(CONOPS)。論文探討了樣本飛機的能力,以檢驗基于航空計算機視覺的可行性。監視、持續觀察和目標識別(SPOTR)系統的程序和演示能力被用作 CONOPS 的起點。征求了主題專家對 CONOPS 草案的初步意見和反饋。基本工程流程被用作制定 CONOPS 的框架。

在飛機上增加計算機視覺功能的時間相對較短,而且成本較低,這使得 SPOTR 等系統成為為作戰人員提供新能力的可行選擇。

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人工智能是下一個競爭領域;第一個開發出人類水平人工智能的國家將產生類似于原子彈開發的影響。為了維護美國及其人民的安全,美國國防部資助了人工智能及其應用的發展研究。本研究使用強化學習和深度強化學習方法作為當前和未來AI智能體,并評估開發中的潛在問題。在兩個游戲和一次遠足中對智能體的表現進行了比較: 分別是貨物裝載、河內塔和背包問題。據觀察,深度強化學習智能體能處理更廣泛的問題,但表現不如專門的強化學習算法。

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許多武裝部隊正變得以網絡為中心并高度互聯。數字化戰場的技術進步促成了這一轉變和分散決策。隨著戰場的演變,任務要求部隊具有機動性并支持多種戰術能力,目前部署靜態無線電中繼節點以擴大通信范圍的概念可能不再適用。因此,本論文旨在設計一種使用無人機系統(如航空浮空器和戰術無人機)的作戰概念,為戰術部隊提供視距外通信,同時克服全球定位系統失效環境下的限制。鑒于聯邦通信委員會規定工業、科學和醫療頻段的最大有效各向同性輻射功率為 36 dBm,擬議的概念分為三個階段,以評估操作和通信系統需求。兩個節點之間的最大通信距離可使用 Friis 傳播方程進行研究。此外,還使用 Simulink 軟件研究了有效應用吞吐量與距離的關系。分析結果表明,IEEE 802.11ax 可提供更高的數據吞吐量,并支持 2.4 GHz 和 5.0 GHz 兩個頻段。通過模擬環境和運行場景,確定了在 50 千米乘 50 千米的區域內提供通信覆蓋所需的航空系統估計數量。

隨著數字化戰場的擴展,以及對可進行多域作戰的高度互聯部隊的需求日益增長,目前在戰區采用靜態中繼節點的通信概念可能不再可行。因此,本論文旨在設計一種作戰概念,利用無人機作為戰術部隊的通信中繼節點,同時克服全球定位系統(GPS)封閉環境的限制。具體來說,這項研究的主要重點是確定這一作戰概念的最大通信范圍,并研究兩個空中中繼節點之間的有效數據吞吐量。此外,研究還試圖確定提供 50 千米乘 50 千米或同等通信覆蓋所需的空中中繼節點數量。最終,本論文的研究結果旨在進一步提高作戰行動環境中的通信效率。

擬議的作戰通信框架將采用一種混合通信系統,同時使用航空浮空器系統和戰術無人機作為通信中繼節點。利用戰術無人機的靈活性,在需要時可以方便地增加網絡數據帶寬。為分析行動需求和可部署的通信系統類型,擬議的行動構想分為三個不同階段。

為了研究擬議概念的可行性,采用了 IEEE 802.11ax 和 IEEE 802.11n Wi-Fi 標準來檢查網絡性能,并確定估計的有效通信范圍。之所以采用這些 IEEE 標準,是因為它們可以在 2.4 GHz 和 5.0 GHz 頻段上運行。

根據美國聯邦通信委員會 (FCC) 的規定,在 2.4 GHz 頻段工作時,工業、科學和醫療 (ISM) 頻段的最大有效各向同性輻射功率 (EIRP) 規定為 36 dBm。通過限制輸出功率和有效輻射功率,可以確定在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段工作時的理論有效通信范圍。利用弗里斯傳播方程,計算出的范圍分別約為 5.5 千米和 2.6 千米。

通過修改 MATLAB Simulink 軟件中現有的 IEEE 802.11 MAC 和應用吞吐量測量模型,確定了使用 IEEE 802.11ax 和 IEEE 802.11n 標準的有效應用吞吐量。從仿真結果可以看出,隨著距離的增加,兩種工作頻率的應用吞吐量都會下降,這是由延遲和數據包丟失數量增加等因素造成的。此外,與 2.4 GHz 相比,5 GHz 頻段的傳輸距離較短。因此,為了彌補傳輸距離的限制并優化在 5 GHz 頻段工作時的數據吞吐量,建議使用比在 2.4 GHz 頻段工作時更高的信道帶寬。

從模擬結果來看,IEEE 802.11ax Wi-Fi 標準的數據吞吐量高于 IEEE 802.11n。這是因為 IEEE 802.11ax 采用了比 IEEE 802.11n 更有效的調制和編碼方案。因此,以 IEEE 802.11ax 作為推薦的 Wi-Fi 標準,在 2.4 GHz 和 5 GHz 上運行時的最大應用吞吐量分別約為 4.403 Mbps 和 4.488 Mbps。

為了估算在 50 千米乘 50 千米的作戰區域內提供通信覆蓋所需的空中中繼節點數量,使用了地圖規劃工具軟件 ArcGIS Pro 來模擬作戰區域并規劃通信網絡。根據計算得出的有效通信距離和地圖規劃,估計總共需要 23 個航空浮空器系統才能在 2.4 GHz 頻段上提供網絡覆蓋,另外還需要 24 架戰術無人機才能支持在 5 GHz 頻段上運行的更高數據帶寬網絡。

值得注意的是,本論文僅限于分析兩個空中中繼節點之間的性能,并使用了仿真模型。在現實世界中,有多種因素可能會影響室外環境中的網絡性能,例如地形影響造成的衰減。因此,為了更好地了解系統的性能,建議在實地進行深入的開發測試,并考慮環境造成的衰減和干擾。在這種情況下,提供通信覆蓋所需的空中中繼節點的估計數量可能會有所不同。此外,性能和有效通信距離也可能下降。

除中繼通信外,空中中繼節點的高度優勢還可提供額外服務,如執行監視和偵察任務。因此,為了最大限度地提高系統性能,建議未來的研究人員研究不同傳感器系統可能造成的干擾影響。為了最大限度地降低干擾幾率,可能有必要制定詳細的頻率分配計劃,以確保不同系統之間有足夠的頻率間隔。

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前沿作戰基地(FOB)防御是一項人力密集型任務,需要占用作戰任務的寶貴資源。雖然能力越來越強的無人駕駛飛行器(UAV)可能會執行許多任務,但目前的條令并沒有充分考慮將其納入。特別是,假設操作人員與飛行器的比例為一比一,并沒有考慮到無人機自主性的提高。本論文描述了使用先進機器人系統工程實驗室(ARSENL)的蜂群系統開發和測試自主FOB防御能力。開發利用了基于任務的蜂群可組合性結構(MASC),以任務為中心,自上而下的方式開發復雜的蜂群行為。這種方法使我們能夠開發出一種基于理論的基地防御戰術,在這種戰術中,固定翼和四旋翼無人機的任意組合能夠自主分配并執行所有必要的FOB防御角色:周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應。該戰術在軟件在環模擬環境中進行了廣泛的測試,并在實戰飛行演習中進行了演示。實驗結果將使用本研究過程中制定的有效性措施和性能措施進行討論。

背景與動機

2019年,海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍發布了他的規劃指南,作為塑造未來四年的部隊的一種方式。他在其中指出:"正如我們今天所做的那樣好,我們明天將需要做得更好,以保持我們的作戰能力"[1]。這句話摘自海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍的《2019年司令員規劃指南》(CPG),呼吁采取集中行動,以應對海軍陸戰隊在未來戰爭中預計將面臨的不斷變化的挑戰。在為海軍陸戰隊確定未來四年的優先事項和方向的CPG中的其他指導,呼吁建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人駕駛系統系列"[1]。伯杰將軍進一步呼吁利用新技術來支持遠征先進基地作戰(EABO)。EABO將需要靈活的系統,既能進行有效的進攻行動,又能進行獨立和可持續的防御行動。簡而言之,實現EABO將需要最大限度地利用每個系統和海軍陸戰隊。

從本質上講,伯杰將軍正在呼吁改變無人駕駛車輛的使用方式。通過使用大型合作自主無人駕駛車輛系統,或稱群,將有助于實現這一目標。無人車群提供了在人力需求和后勤負擔增加最少的情況下成倍提高戰場能力的能力。正如伯杰將軍所提到的 "下一個戰場",海軍陸戰隊將必須利用各種技術,最大限度地利用自主性和每個作戰人員在戰場上的影響。

目前的無人系統使用理論是以很少或沒有自主權的系統為中心。而且,目前的系統依賴于單個車輛的遠程駕駛;也就是說,每輛車有一個操作員。部隊中缺乏自主系統,這在監視和直接行動的作戰能力方面造成了差距。此外,側重于一對一操作員-車輛管理的無人系統理論要求操作員的數量與車輛的數量成線性比例。這對于 "下一個戰場 "來說是不夠的。相反,海軍陸戰隊將要求系統使操作人員喪失能力,或提高他們同時控制多個車輛的能力[2]。

考慮到這些目標,海軍研究生院(NPS)的先進機器人系統工程實驗室(ARSENL)已經開發并演示了一個用于控制大型、自主、多車輛系統的系統,該系統利用了分布式計算的優勢,并將駕駛的認知要求降到最低。ARSENL在現場實驗中證明了其系統的功效,在該實驗中,50個自主無人駕駛飛行器(UAV)被成功發射,同時由一個操作員控制,并被安全回收[3]。

研究目標

這項研究的主要目的是證明使用無人機群來支持前沿作戰基地(FOB)的防御行動的概念。特別是,這需要自主生成、分配和執行有效的、符合理論的基地防御所需的子任務。這一部分的研究重點是開發基于狀態的監視、調查和威脅響應任務的描述;實施支持車輛級任務分配的決策機制;以及任務執行期間的車輛控制。

輔助研究目標包括展示基于任務的蜂群可組合性結構(MASC)過程,以自上而下、以任務為中心的方式開發復雜的蜂群行為,探索自主蜂群控制和決策的分布式方法,以及實施一般蜂群算法和游戲,這將證明對廣泛的潛在蜂群戰術有用。總的來說,這些目標是主要目標的一部分,是實現主要目標的手段。

方法

基地防御戰術的制定始于對現有基地防御理論的審查。這次審查是確定該行為所要完成的基本任務和子任務的基礎。然后,我們審查了目前海軍陸戰隊使用無人機的理論,以確定它是否考慮到了在基地防御任務中使用這些系統的問題。

在確定了任務要求的特征后,我們為基地防御的整體任務制定了一個高層次的狀態圖。然后,我們為高層圖的所有狀態制定了狀態圖。子任務級別的狀態圖等同于MASC層次結構中的角色。

ARSENL代碼庫中現有的算法和游戲以及在研究過程中開發的新算法和游戲被用來在ARSENL系統中實現子任務級的狀態圖。最后,根據高層次的狀態圖將這些游戲組合起來,完成基地防御戰術的實施。

在游戲和戰術開發之后,設計了基于理論的有效性措施(MOEs)和性能措施(MOPs)。通過在循環軟件(SITL)模擬環境中的廣泛實驗,這些措施被用來評估基地防御戰術。在加利福尼亞州羅伯茨營進行的實戰飛行實驗中,也展示了該戰術和所有包括的劇目。

結果

最終,這項研究在其主要目標上取得了成功,并展示了一種融合了周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應等功能的基地防御戰術。此外,開發工作在很大程度上依賴于MASC層次結構,作為制定任務要求的方法,并將這些要求分解為可在ARSENL蜂群系統上實施的可管理任務。這一戰術在實戰飛行和模擬環境中進行了測試,并使用以任務為中心的MOP和MOE進行了評估。最終結果令人鼓舞,在本研究過程中開發的戰術被評估為令人滿意的概念證明。

論文組織

本論文共分六章。第1章提供了這項研究的動機,描述了這個概念驗證所要彌補的能力差距,并提供了ARSENL的簡短背景和所追求的研究目標。第2章討論了海軍陸戰隊和聯合出版物中描述的當前海軍陸戰隊后方作戰的理論。它還概述了目前海軍陸戰隊內無人機的使用情況,并描述了目前各種系統所能達到的自主性水平。第3章概述了以前在自主系統的基于行為的架構領域的工作,ARSENL多車無人駕駛航空系統(UAS)和MASC層次結構。第4章對基地防御戰術的整體設計以及高層戰術所依賴的游戲進行了基于狀態的描述。本章還詳細介紹了用于創建、測試和評估這一概念驗證的方法。在此過程中,重點是對每一戰術和戰術所針對的MOP和MOE進行評估。第5章詳細介紹了所進行的實戰飛行和模擬實驗,并討論了與相關MOPs和MOEs有關的測試結果。最后,第6章介紹了這個概念驗證的結論。本章還提供了與基地防御戰術本身以及更廣泛的自主蜂群能力和控制有關的未來工作建議。

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強化學習(RL)的成功,如《星際爭霸》和《DOTA 2》等視頻游戲達到了高于人類的性能水平,這就提出了關于該技術在軍事建設性模擬中的未來作用的問題。本研究的目的是使用卷積神經網絡(CNN)來開發人工智能(AI)Agent,能夠在具有多個單位和地形類型的簡單場景中學習最佳行為。這篇論文試圖納入一個可用于軍事建設性模擬領域的多Agent訓練方案。八個不同的場景,都有不同的復雜程度,被用來訓練能夠表現出多種類型戰斗行為的Agent。總的來說,結果表明,人工智能Agent可以學習在每個場景中實現最佳或接近最佳性能所需的強大戰術行為。研究結果還表明,對多Agent訓練有了更好的理解。最終,CNN與RL技術的結合被證明是一種高效可行的方法,可以在軍事建設性模擬中訓練智能Agent,其應用有可能在執行實戰演習和任務時節省人力資源。建議未來的工作應研究如何最好地將類似的深度RL方法納入現有的軍事記錄構建性模擬項目中。

引言

A. 戰斗建模和戰爭

正確預測對手在戰爭中的戰略或戰術行為的愿望與人類進行這些戰爭的能力一樣古老[1]。在中國古代,像魏黑和圍棋這樣的游戲最初被用作加強軍事和政治領導人的戰略思維能力的方法。后來,羅馬人利用沙盤在戰役或戰斗前討論自己和敵人的可能行動。然而,直到19世紀初,普魯士人用他們的兵棋推演(Kriegsspiel)才開始利用具有嚴格規則的游戲來預測軍事交戰的可能結果。雖然這些兵棋推演在接下來的幾十年里在世界各地的許多武裝部隊中越來越受歡迎,但進行必要計算的能力有限,總是限制了這些基于棋盤的兵棋推演所能達到的復雜程度。此外,棋盤游戲的物理限制限制了設計者簡化行為和游戲元素,而不是努力追求真實。然而,計算能力的提高和用戶友好的圖形界面使設計者在20世紀末能夠以更高的復雜性來模擬兵棋推演的規則和游戲中的組件數量。此外,計算機的使用允許實施基于計算機的對手,在基于硬編碼規則的人工智能軟件的基礎上成功地與人類玩家進行比賽。

今天,基于計算機的兵棋推演,也被稱為建設性模擬[2],已經成為整個國防部(DOD)的一個有用工具。它們使軍事領導人能夠進一步學習和發展他們在那些通常被認為成本太高或太危險而無法定期演練的領域的行動程序。領導人有能力在實際執行前針對多種紅色力量設計使用他們的部隊,使他們有機會在不承擔任何額外風險的情況下驗證他們的機動方案。在戰略層面上,大型單位的工作人員經常使用建設性的模擬作為訓練方法[3],領導人可以在模擬環境中進行投入,但他們不參與確定場景的結果[2]。

B. 范圍和問題陳述

在基于計算機的兵棋推演中用來表現對抗行為的方法,需要由場景設計者通過腳本直接編碼,或者使用真人玩家進行所有紅軍的決策。這兩種方法都能提供足夠的分辨率來表現對抗性行為,但每種方法都有其缺點[4]。對于低級別的場景來說,直接對特定行為進行編碼可能是可行的,但隨著場景的擴大,單位的數量和可能的行動對于腳本的控制來說變得太有挑戰性,往往會導致不現實的行為[4]。對于大型場景,使用人類玩家作為紅色力量可能會提供更真實的結果,但額外的人力資源會造成后勤方面的壓力,而且整體的生產力也受限于單個玩家的知識和能力。

解決這個問題的一個可能的方法可能在于利用人工神經網絡。在計算機游戲領域,這種方法最近已被證明是相當成功的。例如,對于實時戰略游戲《星際爭霸II》,一個人工神經網絡被開發出來,打敗了99.8%經常參加在線比賽的玩家[5]。雖然在計算機游戲領域,人工神經網絡的利用最近取得了巨大的進展,但在軍事用途的兵棋推演領域,研究才剛剛開始。在最近的研究中,Boron[6]和Sun等人[7].已經表明,人工神經網絡適合解決簡單軍事兵棋推演場景中的挑戰。基于以前的工作,特別是Boron[6]的工作,本論文旨在提高所使用的軍事場景的復雜性。雖然Boron使用了簡單的多層感知器(MLP)神經網絡,但在處理己方和敵方單位的動態起始位置以及敵人的動態行為時,這種結構被證明是不合適的。此外,所使用的場景被限制在戰場上最多五個單位[6]。在本論文中,將建立一個支持卷積神經網絡(CNN)架構的訓練模擬,包括多個單位和地形類型以克服這些限制。此外,將在一個確定的場景中應用多智能體訓練,以測試這種方法是否可以成功地用于軍事建設性模擬領域。

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無人駕駛地面車輛(UGVs)可用于軍事領域,以減輕士兵承擔的風險,以及為體力要求高、枯燥或危險的任務提供解決方案。雖然使用UGV有好處,但也有需求和限制。本論文探討了最終用戶--瑞典武裝部隊的一個輕步兵營--對于為城市地形中的軍事行動而設計的UGV在功能方面的要求。這是通過一個帶有焦點小組的探索性案例研究來完成的,來自第31游騎兵營的士兵和軍官使用兩種不同的UGV原型來完成任務。隨后是半結構化的小組討論,探討了需求、限制和要求。然后,通過主題分析方法對收集的數據進行分析。

主題分析的結果發現,焦點小組的要求有幾個重復出現的意見。這些要求被分為四類:(1)速度,(2)用例,(3)圖像生成的傳感器,以及(4)自主功能。總之,本論文在四個類別中共確定了13個需求。總而言之,這些要求意味著用于城市地形的軍事行動的UGV必須能夠跟上沖刺的士兵,提供視覺掩護,能夠與附近的物體互動,有幾個高質量的傳感器和強大的自主功能,使士兵能夠專注于控制UGV以外的其他事情。

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一個持久的、精確的和適應性強的安全應用是有效的部隊保護條件(FPCON)的必要組成部分,因為美國的軍事設施已經成為恐怖主義和暴力行為的常見目標。目前的軍事安全應用需要一種更加自動化的方法,因為它們嚴重依賴有限的人力和有限的資源。目前的研究開發了一個由嵌入式硬件組成的離網部署的聯合微調網絡,并評估了嵌入式硬件系統和模型性能。聯合微調采用集中預訓練的模型,并在一個聯邦學習架構中對選定的模型層進行微調。聯合微調模型的CPU負載平均減少65.95%,電流平均減少56.18%。MobileNetV2模型在網絡上傳輸的全局模型參數減少了81.59%。集中預訓練的MNIST模型開始訓練時,比隨機初始化的模型的初始準確率提高了53.94%。集中預訓練的MobileNetV2模型在第0輪訓練時表現出90.75%的初始平均準確率,在75輪聯合訓練后,整體性能提高了3.14%。目前的研究結果表明,聯合微調可以提高系統性能和模型精度,同時提供更強的隱私性和安全性,以抵御聯邦學習攻擊。

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許多國家都使用了像“三角洲” (Delta) 這樣的作戰管理系統(BMS),包括烏克蘭,使指揮部能夠共享態勢感知信息;本研究的重點是信息在作戰網絡中的分配。與自然系統類似,螞蟻和蜜蜂等自主代理遵循一套簡單的規則,BMS是一個由基地和電子作戰平臺組成的網絡,在國防條令的指導下,軍事資產作為網絡內的智能體。這種系統的可操作性的原理是基于多個子系統相互作用時每個子系統都是可靠的。然而,潛在相互作用的排列組合會引起不可預測的負反饋或正反饋循環,導致不可預測的和不想要的結果。突現行為的結果是出乎意料的,有時在情報和無線網絡等領域是不受歡迎的。理解突發行為對于理解復雜的工程系統是勢在必行的,并且要提出新的見解,采取切實可行的措施來改善復雜系統的設計和分析。本文介紹了BMS和網絡與用戶定義的系統集成的網絡士兵概念的例子。作者認為,烏克蘭和其他軍隊可以直接從利用元控制論、元元系統模型分析來控制突現。

圖2:作戰管理系統(BMS)的集中式指揮通信網絡

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自主和半自主系統在一個系統的框架內運行,利用其自身的感知、認知、分析和執行行動的能力來實現其目標。無人系統對美國國防部(DoD)的采購程序提出了重大挑戰,該程序是為開發和部署人在環型能力而建立的。本論文的目的是對通過軍事采購程序開發半自主和自主系統的挑戰進行分析,以確定增加項目成功的可能性所需的最佳做法和趨勢。

分析的第二個目標是比較和對比具有自主能力的系統的測試和評估方法。測試和評估過程的目的是使決策者能夠管理技術風險,并在做出實戰決定之前評估能力的強大和成熟程度。自主系統需要嚴格的測試/制造策略,對大多數項目來說,這將導致成本超支和進度違反。此外,試圖跟上快速變化的技術步伐超過了美國防部使用尖端技術的成熟系統的能力。

圖12。DoDI 5000.02自適應采購框架。

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近年來,針對工業生態系統的高級持續性威脅(APT)的復雜性急劇增加。這使得開發超越傳統解決方案的高級安全服務成為必須,輿論動力學(Opinion Dynamics)就是其中之一。這種新穎的方法提出了一個多智能體協作框架,允許跟蹤APT的整個生命周期。在本文中,我們介紹了TI&TO,這是一個攻擊者和防御者之間的雙人博弈,代表了一個現實的場景,雙方都在爭奪現代工業結構中的資源控制權。通過使用博弈論來驗證這種技術,我們證明,在大多數情況下,輿論動力學包括有效的第一項措施,以阻止和減少APT對基礎設施的影響。為了實現這一目標,攻擊者和防御者的模型都被標準化,并應用了一個公平的評分系統,后者用不同的策略和網絡配置運行了幾個模擬測試案例。

引言

世界各地的公司面對的網絡安全攻擊數量明顯增長,導致了巨大的經濟損失[2]。當涉及到關鍵的基礎設施(即核電站、電網、運輸和制造系統)時,這種情況變得更加嚴重,其工業控制系統必須在所有條件下保持工作。在這里,我們處理的是SCADA(監督控制和數據采集)系統,幾十年來一直在與外部網絡隔離的情況下工作;反過來,如今它們正越來越多地整合新技術,如物聯網(IoT)或云計算,在削減成本的同時外包各種服務。因此,需要做出更大的努力來跟上這種進步,以應對這些系統可能帶來的最新的攻擊載體和可利用的漏洞。

近年來最關鍵的問題之一是高級持續性威脅(APTs),這是一種復雜的攻擊,特別是針對目標基礎設施,由一個資源豐富的組織實施。它們的特點是利用零日漏洞(零時差攻擊),采用隱蔽技術,使威脅在受害者網絡中長期無法被發現。Stuxnet是第一個報道的這種性質的威脅[6],但許多其他的威脅在之后被發現,通常是在攻擊完全執行后的幾個月[7]。在網絡安全方面,只是提出了一些機制來從整體上解決這個問題,超越了傳統的機制(如防火墻、入侵防御系統(IPS)、入侵檢測系統(IDS)、防病毒),這些機制只代表了在第一階段對APT的準時保護[21]。

在這些新穎的機制中,輿論動力學(Opinion Dynamics)[15]包括一個多智能體協作系統,通過分布式異常關聯,使攻擊的整個生命周期都可以被追蹤。在本文中,我們提出了一個理論但現實的方案,以證明該方法在不同類型的攻擊模式下的有效性,使用結構可控性領域[8]和博弈論[14]支持的概念。為了這個目標,我們開發了TI&TO,這是一個雙人博弈,攻擊者和防御者為控制現代工業結構中的資源而競爭。兩個玩家都有自己的動作和相關的分數,分別根據APT和基于Opinion Dynamics的檢測系統的行為。這個博弈最終在不同的模擬中運行,旨在展示算法的能力,同時也建議將該技術與其他防御方案結合起來進行最佳配置。因此,我們可以把我們的貢獻總結為:

  • 正式定義TI&TO博弈,指定游戲板、每個玩家的目標和得分規則。
  • 設計一個攻擊者模型,以一組階段的形式,靈活地表示APT的各個階段,以表示攻擊者的行動,這些行動受制于一個確定的分數。
  • 設計一個基于使用意見動態和響應技術(即本地檢測、冗余鏈接、蜜罐)的防御者模型,以減少APT在網絡中的影響,這也意味著博弈中的相關得分。
  • 進行的實驗驗證了該算法,并推薦了返回最佳結果的防御者的配置。

本文的其余部分組織如下。第2節介紹了 "輿論動力學"的概念,并強調了應用博弈論來檢測網絡攻擊的建議。在第3節中,定義了博弈,包括規則以及攻擊和防御模型。然后,進行了幾次模擬,并在第4節進行了討論。最后,在第5節中提出了結論和未來的工作。

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