這篇文章回顧了機器人技術和 "無人駕駛 "或 "不載人"（有時是 "遙控"）系統在一些相關沖突環境中的軍事和安全用途，這反過來又提出了對外交和國內政策舉措有重大影響的法律和道德問題。本文處理方法適用于自主無人平臺在戰斗和低強度國際沖突中的使用，但也為美國國內越來越多地使用遙控和完全自主的無人駕駛航空、海洋和地面系統進行移民控制、邊境監視、毒品阻截和國內執法提供指導。本文概述了有關 "機器人道德 "和道德認知的計算模型的新辯論，并研究了這一辯論對未來可能被部署在國內和國際沖突情況下的自主系統（無論是武器化還是非武器化）的可靠性、安全性和有效性的影響。同樣，討論了國際機器人軍備控制委員會（ICRAC）試圖取締或禁止使用帶有致命武器的自主系統，以及耶魯大學知名倫理學家Wendell Wallach提出的另一項建議，即帶有致命武器的自主系統可能能夠獨立于任何人類監督做出目標決定，根據國際法特別指定為 "本身無效"。然而，按照Marchant等人的做法，本文總結了迄今為止在這場辯論中所吸取的教訓和達成臨時共識的領域，其形式為 "軟法（soft-law）"規則，反映了關于此類武器的適當使用和治理的新興規范和日益增長的國際共識。

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。

對蜂群機器人的研究已經產生了一個強大的蜂群行為庫，它們擅長確定的任務，如集群和區域搜索，其中許多有可能應用于廣泛的軍事問題。然而，為了成功地應用于作戰環境，蜂群必須足夠靈活，以實現廣泛的特定目標，并且可以由非專業人員配置和使用。這項研究探索了使用基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）來開發特定任務的戰術，作為更普遍的、可重復使用的規則組合，供高級機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統使用。開發了三種戰術，用于對一個地理區域進行自主搜索。這些戰術在現場飛行和虛擬環境實驗中進行了測試，并與預先存在的完成相同任務的單體行為實現進行了比較。對性能的衡量標準進行了定義和觀察，驗證了解決方案的有效性，并確認了組合在可重用性和快速開發日益復雜的行為方面所提供的優勢。

1.1 動機

美國軍方對無人駕駛飛行器（UAV）的研究和利用有很長的歷史，早在第二次世界大戰之前就有了。最近，"捕食者 "無人機的推出，首先作為偵察平臺，后來作為武裝戰斗成員，徹底改變了現代戰爭。使用 "捕食者 "型無人機的優勢很多，而且有據可查，但是這類系統并不能為每一類任務提供通用的解決方案。系統的可用性、便攜性、后勤和維護要求、人力專業化和道德問題只是限制無人機向各級作戰部隊傳播的部分因素。一些人認為，戰爭的下一次革命將來自于蜂群技術：大量低成本的自主系統采用合作行為和分散控制來實現任務目標[1]-[3]。

在過去的十年中，已經進行了大量的工作來擴展無人機群的行為、能力以及指揮和控制（C2）。海軍研究生院先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）小組以前的研究推動了以任務為中心的C2方法的發展[4]，并通過分散的動態任務分配實現了蜂群自主[5]。然而，在描述高層行為和目標以及在機器人代理的強大分布式系統中實現這些目標方面，設計蜂群系統仍然存在獨特的挑戰。目前的行為實現往往是單一的，而有效的設計需要專家編程。這項研究探索了在一個面向任務的分層框架內組成原始蜂群行為的方法，以自主實現復雜的任務目標。在面向任務的框架內應用行為組合技術，可以促進簡化行為開發和重用，并有可能加速創建復雜的以任務為重點的蜂群行為，用于軍事應用。

1.1.1 蜂群案例

蜂群飛行器并沒有提供將完全取代目前無人駕駛航空系統（UAS）的好處和能力，但它們確實有可能吞并許多目前的能力。然而，更有趣的是，蜂群有可能迫使戰爭行為的技術轉變。在[1]中，Arquilla提出蜂群是一種建立在高度連接和機動能力的小型單位上的戰爭形式，這些小型單位可以快速分散和聚集在一起。Scharre[2]和Hurst[3]通過分析機器人群的屬性及其對現代戰場的潛在影響，闡述了群戰的概念。與目前的無人機系統相比，蜂群通過飛行器的異質性使自己與眾不同，這種異質性提供了單一無人機所不具備的廣泛能力。特別是，合作行為和分散控制所帶來的決策和執行速度，可能再加上人工智能（AI），使蜂群系統具有潛在的決定性作戰優勢。或者正如[2]中指出的，"擁有最智能的算法可能比擁有最好的硬件更重要"。

美國防部已經認識到蜂群技術的內在可能性，并將蜂群行為列為具有 "推動無人系統的巨大潛力 "的人工智能技術之一[6]。這種認識進一步體現在國防高級研究計劃局（DARPA）的項目中，如進攻型蜂群戰術（OFFSET）[7]。各軍種也在各自探索蜂群技術[8]，成功的概念驗證包括海軍研究辦公室（ONR）的低成本無人機蜂群技術（LOCUST）[9]，海軍航空系統司令部（NAVAIR）的Perdix系統[10]，以及NAVAIR對DARPA的CODE計劃的收購[11]。這些計劃不僅探討了自主協作系統的發展，而且還探討了與這些系統相關的C2和人機界面（HSI）要求。蜂群C2和HSI已被確定為建議研究的核心，以使該技術進入軍事應用范圍[2]、[6]、[8]。

1.1.2 蜂群特征

蜂群機器人的研究源于早期的元胞自動機領域的研究。元胞自動機通常可以被描述為一組細胞的數學模型，其中單個細胞的狀態由其鄰居的狀態隨時間變化的某些函數決定[12]。細胞本身的效用是有限的，但一組細胞可以有效地模擬自然和生物模式，而且一些細胞自動機已被證明能夠模擬任何計算機器[12]。

貝尼[13]的早期工作將自動機的概念應用于機器人學。他和Wang[14]的工作創造了"蜂群智能 "一詞，即 "非智能機器人系統表現出集體的智能行為，表現為在外部環境中不可預測地產生特定的有序物質模式的能力。" 該定義后來被完善，指出智能蜂群是 "一群能夠進行普遍物質計算的非智能機器人" [15]。這種蜂群智能的概念是蜂群的一個基本屬性。對于這項研究來說，這個概念可以簡化為：蜂群是一個無人機的集合，這些無人機單獨只能夠進行簡單的行為，但當它們聚集成一個集體系統時，能夠產生特定的額外和更復雜的行為。

確保蜂群中的集體行為產生最終的預期行為是蜂群工程的一個基礎概念[16]。蜂群行為通常依賴于涌現，被定義為由單個智能體構成集體行為，進而產生全系統行為[17]。雖然涌現是蜂群的一個理想和基本特征，但它并不容易預測。意外的涌現行為會表現出潛在的負面后果，降低對系統的信任度[16], [17]。涌現行為不僅在蜂群智能方面得到了廣泛的研究，而且在多Agent系統的背景下也得到了更廣泛的研究，包括經濟、物流和工程等廣泛的應用。因此，有大量的行為問題的涌現算法解決方案，已經成為該領域的基礎。直接適用于機器人群領域的是基于生物的行為集合，如成群結隊[18]，螞蟻和蜜蜂群優化[19]，以及粒子群優化[20]，[21]。在這些問題中的每一個，單個智能體，即本研究中的單個無人機，根據本地知識和對蜂群其他部分的有限知識決定自己的最佳行動。

分散控制和集體行為使關鍵蜂群屬性成為可能：適應性（靈活性）、穩健性和可擴展性[22]。適用于蜂群機器人和蜂群智能的這些屬性的精確定義在[22]-[24]中提供。一般來說，適應性是突發行為的結果，是蜂群在動態環境中實現一系列任務的能力。穩健性源于分散控制，即無論其他智能體是否失敗，單個蜂群智能體仍然可以做出適當的決定；也就是說，即使單個智能體失敗，蜂群仍然可以集體完成行為。可擴展性與此類似，即蜂群的規模應根據需要進行調整，以便在約束條件下完成特定目標。

1.1.3 機器人群

在過去的十年里，隨著低成本機器人和通信組件的普及，蜂群的實現已經取得了快速進展。像Kilobot[25]這樣的開源機器人很容易獲得，而像海軍研究生院（NPS）ARSENL的Zephyr II固定翼和Mosquito Hawk四旋翼無人機這樣更先進的平臺也很容易制造[26]。仿真環境，如Autonomous Robots Go Swarming（ARGoS）[27]、Open Robotics的Gazebo模擬器[28]和ArduPilot的軟件在環（SITL）環境[29]，可免費用于測試與物理系統相結合的行為，以加快開發速度。

物理機器人群的C2系統并不像模擬器那樣發達，而且很少有管理機器人群的總體框架。值得注意的框架包括用于無人機的Aerostack[30]和ARSENL的基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）[4]框架。此外，C2要求與蜂群的HSI研究密切相關。鑒于蜂群的潛在規模和相對于人的認知能力而言的行為復雜性，蜂群對人類互動提出了獨特的挑戰[31]。由于集體行為的突發性質與軍事環境中固有的嚴格的操作控制結構相匹配，HSI對軍事應用具有特別的意義[32]。在進攻性機動中使用無人駕駛車輛已經引起了倫理方面的爭論，而蜂群的自主性質只會使這個問題更加復雜[33]。

1.1.4 技術現狀

目前對多機器人系統和多機器人任務分配（MRTA）的重要研究工作集中在實現機器人群中復雜行為的規劃和執行。多機器人系統通常依靠任務分配技術和高層規劃來確定實現整體蜂群目標所需的單個平臺行動。有任務的機器人可以利用蜂群智能和涌現來實現子任務目標，但也有可能采用更多慎重的方法。Khaldi[23]和Arnold等人[34]對多機器人系統和蜂群機器人技術進行了比較和分析，重點是蜂群智能的應用。

MRTA的進展通過考慮時間和任務優先級限制的綜合能力匹配，使越來越復雜的任務領域成為可能[35], [36]。例如，NPS的ARSENL小組以前的研究推動了分散的、基于市場的任務分配的發展[5],[37]，并在復雜的多域蜂群行動中成功地進行了演示[26]。ARSENL已經成功地采用大型蜂群來合作執行定義明確的復雜任務。對這些系統的有效控制仍然需要操作員的實時監督。

最近的論文如[38]將機器學習和人工智能技術應用于蜂群系統以實現行為發展。在這一領域的工作相對較少，實現先進的蜂群自治的目標，即通過 "提供指揮官的意圖，系統能夠從該指揮官的意圖中找出系統能夠做什么"[11]，仍然是相當遙遠的。

1.2 研究目標

這項研究的目的是實施和評估基于MASC的分層解決方案，將能夠自主搜索和調查任務的不同規則組合成更強大的戰術，在異質蜂群上執行。基于市場的任務分配被調整為向參與戰術的平臺分配行為角色。本論文假設，以這種方式組成的簡單行為可以實現與更多單一行為相媲美的性能特征，并且該方法廣泛適用于創建面向任務的一般戰術。這一目標為實現MASC的目標提供了一個步驟，即促進簡單行為的設計和重用，并為任務應用創建越來越有能力的戰術。

對所開發的解決方案進行分析，以驗證復合任務分配方法的使用，并為未來實施和研究異構多無人機群的性能和C2提供建議的基礎。特別是，本論文討論了以下研究問題。

• 使用組合行為的蜂群與使用單體行為的蜂群相比，其性能是否具有可比性？

• 在有效性和可用性方面，可組合行為比單體行為有哪些好處（如果有的話）？

• 哪些性能指標適合于比較行為的實現？

• 如何將建議的行為開發方法擴展到支持適用于任意任務的行為開發？

• 所開發的方法是否提供了所需的靈活性和接口，以納入更大的任務控制框架中？

這項研究的范圍僅限于利用原始的規則和算法來組成強大的戰術。它沒有探索或開發在單個平臺上執行行為的算法。

1.2.1 方法

開發了三個符合MASC戰術理念的蜂群行為，該戰術由[4]中描述的更原始的規則組成。這些戰術是作為現有ARSENL規則的組合來實現的。每個戰術都由一個搜索規則和一個調查規則組成，前者指導平臺參與協調的區域搜索，后者指導平臺協調調查一個或多個感興趣的聯系體。這兩種戰術都利用以前開發的拍賣算法進行任務分配[37]。戰術動態地將每個平臺分配到其中一個規則中，并且在任何給定的時間，只有被分配的規則被用來控制平臺。

該戰術是為使用由具有獨特特征的平臺組成的異質群而開發的，這些特征影響了它們執行搜索和調查行為的適宜性。該戰術利用基于市場的方法（即拍賣算法）來考慮單個平臺的能力，具體描述如下。

• SearchTacticStatic。一種戰術，在行為初始化時，搜索者和調查者的角色被靜態地分配給特定平臺。分配規定了搜索者的最低數量，并有效地按飛機類型優先分配（例如，更快的固定翼無人機被分配為搜索者）。

• SearchTacticDynamic。采用這種戰術，所有平臺開始時都是搜索角色，但隨著行為的進展，可以在搜索者和調查者角色之間動態切換。當遇到聯系人時，一個單項拍賣被用來重新分配角色。需要改變角色的車輛會推遲執行向新角色的轉換，直到當前分配的任務完成之后。

• SearchTacticImmediate。這個戰術實現了與SearchTacticDynamic戰術相同的分配方法；但是，搜索者和調查者角色之間的轉換會立即發生，而不是在當前分配的任務完成后發生。也就是說，如果平臺需要轉換角色，一個正在進行的搜索單元或調查任務將被中止。

1.3 論文組織

本論文分為五章。第一章討論了空中蜂群系統的現狀，它們與美國防部的相關性，以及這項研究的動機。第二章對相關的蜂群研究領域及其與本研究的關系進行了更詳細的討論。第三章描述了組成行為的實現，并將其與之前實現的單體行為進行了比較。第四章描述了所利用的實驗過程，并討論了所收集的數據，以提供實施的戰術性能和理論上的最佳性能之間的比較。最后，第五章提供了這項工作的結論和對該領域未來工作的建議。

這項工作包括在征求研究、設計和開發用于人工智能（AI）系統對抗性測試和評估的反人工智能工具的初步建議和結論。該報告包括對相關人工智能概念的文獻回顧和對抗性人工智能領域的廣泛研究。一項密集的利益相關者分析，包括從20多個政府和非政府組織中征集需求，協助確定哪些功能需求應包括在反人工智能工具的系統設計中。隨后的系統架構圖接受用戶輸入，測試各種類型的對抗性人工智能攻擊，并輸出人工智能模型的脆弱性。在這個工具投入使用之前，伙伴組織將進行迭代實驗，這是開發和部署這個反人工智能工具的下一個步驟。

美國國防部（DoD）對使用人工智能（AI）技術來提高軍事任務能力和日常工作越來越感興趣。美國防部將人工智能定義為 "旨在像人一樣思考或行動的人工系統，包括認知架構和神經網絡"（Sayler, 2020）。它將對抗性人工智能定義為 "對手可能針對人工智能系統部署的反措施，以及保障性能所需的評估步驟和防御措施"（美國防部，2018）。美國防部承諾研究新的理論、技術和工具，使人工智能系統更有彈性，表現出更少的意外行為。美國防部的戰略概述包括提供解決關鍵任務的人工智能能力，通過共同的基礎擴大人工智能在整個國防部的影響，培養領先的人工智能勞動力，與各種合作伙伴合作，并在軍事道德和人工智能安全方面引領世界（美國防部，2018）。

然而，隨著人工智能系統實施和采用的增加，對手已經威脅要攻擊和操縱這些系統；目前，沒有現成的工具來幫助對人工智能系統進行對抗性測試和評估（T&E），以便在其投入使用之前評估漏洞和失敗模型。在任務使用情況下，美國防部不應該在沒有事先評估安全或反人工智能措施的有效性的情況下部署這些人工智能系統。設計和建立有彈性的人工智能系統對人工智能防御至關重要，因為這些系統更容易解釋，更值得信賴，并能確保其免受各種已確定的對抗性攻擊方法的影響。

因此，美國防部旨在確保部署的人工智能系統更加安全，以防止對手的操縱。對手將基于三種訪問范式攻擊人工智能：白盒、黑盒、灰盒。白盒攻擊給予攻擊者最高的能力，這發生在對手可以訪問所有模型組件時（Kurakin，2018）。在黑箱攻擊中，對手對模型沒有完全透明的看法，但能夠探測模型以推斷其結構和組件（Kurakin，2018）。攻擊者能力的最后一個順序是灰盒（或隱盒）攻擊，這是指對手不能直接訪問模型，只能對模型的結構進行假設（Kurakin，2018）。

對人工智能系統的潛在威脅包括各種攻擊模式，如中毒、規避和模型反轉。中毒攻擊是指污染訓練數據以歪曲模型行為的攻擊，例如將用戶輸入的數據錯誤地分類到AI系統中（Bae，2021）。逃避攻擊并不直接影響訓練數據，但有效地掩蓋了它所提供的內容，使攻擊對人類觀察者、人工智能系統識別和分類都不可見（Bae，2021）。模型反轉（偷竊）攻擊發生在對手探測人工智能系統以提取有關模型配置或訓練數據的信息，從而有效地重建模型（Bae，2021）。所有這三種對抗性攻擊對已部署的人工智能系統構成了不同的后果，最明顯的是與用戶隱私和數據安全有關。

鑒于感知到的威脅和缺乏充分評估對抗性人工智能漏洞的工具，我們的工作旨在了解如何設計、開發和利用反人工智能工具，以幫助保護人工智能系統免受這些新發現的對抗性威脅載體。具體來說，我們的工作有助于并支持研究、設計和開發用于人工智能系統的對抗性T&E的反人工智能工具，供人工智能紅隊成員使用，以提高人工智能系統的復原力。

本報告著重于2025年混合部隊的任務工程過程。來自OPNAV N9I的最新任務強調了關注使用成本保守的無人系統的必要性。具體來說，重點放在近鄰的競爭對手大國以及在南海的反介入/區域拒止（A2/AD）情況下可能出現的問題。海軍水面作戰中心的任務工程方法被用來確定擬議的替代艦隊架構的具體事件，然后使用作戰模擬和優化模型進行分析。對目前的無人系統，特別是那些正在開發的高技術準備水平無人系統的性能特征和成本的研究進行了匯編。提議的無人系統架構是作為A2/AD問題的解決方案而開發的。然后，無人系統架構通過優化模型運行，以最大限度地提高系統性能，同時最小化成本。然后，架構優化的結果被輸入到建模和仿真中。然后比較每個架構的整體有效性，以找到最有效的解決方案。對結果進行了分析，以顯示預期的任務有效性和利用擬議解決方案的無人架構的擬議成本。最有效的架構包括搜索、反蜂群、運送和攻擊系統。

執行總結

A 引言

系統工程分析31組由美海軍作戰司令部戰爭整合處（OPNAV N9I）負責確定一個解決方案，以彌補與大國在2025年的預期能力差距（Boensel 2021）。該解決方案系統必須具有成本效益并能在2025年之前交付。SEA團隊利用任務工程過程來確定候選的未來艦隊架構來解決問題（工程副主任辦公室2020）。

B 問題陳述

到2025年，如何才能有效地對抗近鄰對手的反介入和區域拒止能力？

C 能力需求

以具有成本效益的方式調整目前的能力，并創建一個未來的架構，以加強美國海軍的作戰能力，包括存在、欺騙、ISR以及在反介入和區域拒止環境中的防御和進攻能力。

D 任務描述

利用任務工程流程，總體情景被設定在2025年的南海。大國已執行了其九段線的領土要求，并建立了一個反介入/區域拒止（A2/AD）區。大國不斷擴大的艦隊、對人造島嶼的使用、遠距離ASCMs以及對無人系統的擴大使用使美國的水面作戰艦艇處于高風險之中。總體任務是美國海軍DDG通過提高其殺傷力和生存能力，在A2/AD區域內進行FONOPS。在整個方案中，有三個小場景被開發出來。OTH ISR、目標選擇和交戰，威脅無人機蜂群，以及提供目標選擇的威脅無人機ISR資產。

E 任務衡量

衡量任務成功與否的總體標準是美國海軍部隊在近乎同行的反介入區域拒止環境中的作戰能力。有助于衡量成功的有效性的措施是DDG的生存能力和殺傷力的提高程度與解決方案系統的成本相結合。

F 分析設計

為了分析擬議的系統解決方案（SoS）是否能達到既定的成功標準，設計了一個價值體系。利用通用的海軍任務列表，項目組確定了擬議的系統解決方案需要完成的三個二級任務，以完成任務（海軍部，2008）。

對三個選定任務下的后續任務進行了評估，以確定擬議系統需要完成的具體功能。通過這次審查，確定了候選無人系統需要完成的四項高級功能。這些功能是交付、搜索、通信中繼和打擊。為每項功能選擇了性能措施，以用于多屬性價值分析。

多屬性價值分析被用來比較完成四個功能中一個或多個功能的候選系統。一個系統的價值是根據每個性能指標對完成一個特定功能的重要性，給每個性能指標分配一個權重而得出的。權重從1到5不等，其中5表示最重要的MOP。計算MOP和權重的乘積，并將每個乘積相加，以獲得系統的價值。

為了確定可行的候選系統，項目組成員各自研究了一個不同的無人系統，并收集了每個候選系統的性能衡量標準。如果一個特定的無人系統的MOP值不知道，則推斷其值與一個類似的系統相同。如果不存在這樣的類似系統，則使用啟發式方法估計該值。對于每項功能，至少有一個系統符合技術成熟度，可考慮用于2025年的混合部隊。

F.1 建議的系統簇

為了實現所有四個功能，候選系統的組合被排列組合成16個系統簇。每個備選方案的系統價值和成本都被計算出來。系統價值的計算方法是將每個備選方案中的每個系統的價值相加。

F.2 優化

為了產生用于比較的替代方案，該團隊使用整數線性規劃生成了架構。這是用Pyomo的優化功能完成的。線性規劃被創建、約束以更好地表示現實，并被解決以生成分別針對性能、預算和替代合約選項進行優化的替代架構。

F.3 使用炮擊作戰模型計算MOE

現代導彈戰可以使用炮擊作戰模型進行評估。這個模型被用來計算每個小場景中的每個SoS備選方案的有效性。結果顯示了超視距ISR平臺的重要性，一個獨立的武器系統來對付敵人的無人機，目前IAMD作戰系統的有限防御能力，以及超視距搜索和瞄準能力。

F.4 基于電子表格的戰斗模擬

“大國”和美國都擁有深入的綜合空中和導彈防御。為了證明這種互動，在微軟Excel中使用反二項式函數對不同的交戰進行了建模。每一個擬議的艦隊架構都被輸入到三個小插曲的戰斗模擬中。為了獲得隨機的結果，試驗的數量被設定為300次，每個概率都有一個可能的值范圍。該模型中的自變量可分為防御性或進攻性變量。防御性變量是每個單位的綜合防空和導彈防御武器的殺傷數量和殺傷概率。PLAN的進攻性變量是YJ-18 ASCM和Harpy無人機的命中數。美國海軍的進攻性變量是海上攻擊戰斧、ASCM和特定攻擊無人機的進攻性命中數量。

模擬的結果顯示了擊中敵方水面平臺或美國海軍水面部隊的數量。通過比較建議的系統與基線的命中率，可以得出變化的百分比。在我們的分析中，進攻和防御的有效性被平均加權，允許將進攻和防御百分比變化的高值相加，以計算出高低變化的總百分比。

F.5 使用基于智能體的建模和仿真進行模型驗證

基于智能體的建模和仿真（ABMS）被用來驗證每個設想的系統架構與所需的MOE。ABMS旨在通過對智能體之間的相互作用進行建模，來捕捉戰爭交戰的隨機性，但又很復雜。進行了蒙特卡洛分析，以收集每個系統性能的個體層面的數據。隨后的統計分析提供了一個途徑，以確定和量化每個擬議的系統架構所實現的改進。為此目的，指揮部：現代行動（CMO），是一個跨領域的現代兵棋推演計算機軟件，旨在模擬戰術到作戰水平的行動，被用作仿真引擎。CMO模擬的是基于規則的智能體，它們相互之間以及與環境之間的互動，包括感興趣的場景中的武器系統（Coyote, YJ-18, Chaff）和平臺（例如PLAN DDG, Luyang）。與多屬性價值分析方法相比，CMO允許對定量的系統MOP進行建模，并在模擬結果中觀察其相對差異。

G 電子表格作戰模擬結果

電子表格戰斗模型模擬的第一個結果是解放軍DDG在三個不同的迭代中對美國海軍DDG的命中率，即只用YJ-18攻擊，只用哈比攻擊，以及YJ-18和哈比同時攻擊。同時使用YJ-18和Harpy的命中率被作為防御性MOE的基線值。接下來，兩種不同的防御性無人機系統被分別加入到作戰模型中。對只有哈比的攻擊和YJ-18與哈比的同時攻擊進行了重復模擬。每個系統的防御性百分比變化是用前面描述的公式計算的。

接下來的結果是美國海軍DDG在三次不同的迭代中擊中PLAN DDG的次數。模擬了僅用MST攻擊、僅用ASUW無人機攻擊以及MST和ASUW同時攻擊的結果。只用MST攻擊的命中率作為進攻性MOE的基線值。接下來，七個不同的運載系統被分別加入到作戰模型中。對僅有ASUW無人機攻擊和同時進行的MST和ASUW無人機攻擊進行了重復模擬。每個投送系統的進攻百分比變化被計算出來。

將同等權重的進攻和防守百分比變化相加，計算出高和低的總變化百分比。根據該模型，期望值是這樣的：在0.95的置信度下，增加SoS將使水面部隊的有效性增加一個介于高值和低值之間的百分比。

H. 基于智能體的建模和仿真結果

總的來說，從ABMS觀察到的性能與從電子表格模型觀察到的性能MOE相關。在所有提議的架構中，都觀察到了防御和進攻MOE的明顯改善。這是預料之中的，因為在DDG上增加任何防御性武器系統應該減少艦隊DDG的直接命中數量。同樣，增加一個具有增強OTH感知能力的進攻性武器系統會增加對目標直接作用的武器數量。

對防御性和進攻性MOE與每一方所消耗的平均武器數量的比率的進一步分析顯示，由于美國海軍DDG上增加了反群武器系統，防御性MOE得到了改善。這種增加被證明是對所有架構的一種有效的廣泛改進。三種提議的架構之間最明顯的差異來自于進攻性MOE（%），其中性能系統優于其他架構。與發射的武器總數相比，預計一個性能更好的系統會向目標發射更少的武器，同時造成更多的命中。

I 結論

這項工作證明了低成本的無人駕駛威脅系統給傳統水面戰艦帶來的危險，這些系統可以在幾乎沒有警告的情況下進行協調和攻擊，并為船員提供很少的反應時間。為了避免強制增加對峙距離以提高生存能力，有必要使用增程傳感器系統和反無人機系統來彌補預期的能力差距并提供進入被拒絕區域的機會。為了使這些系統可行和安全，高帶寬的通信系統將是必需的。

為了滿足這些需求，建議的解決方案系統利用Dive-LD來運送Coyote無人機平臺。搜索和通信中繼將由兩個VBAT無人機平臺提供。這種平臺組合為每一美元的系統成本提供了最高的進攻和防御能力的提高。叢林狼 "無人機也將作為一個蜂群來防御威脅性無人機群和威脅性無人機ISR資產。增加解決方案系統的采購將提高艦隊的生存能力和殺傷力，并允許在其他艦隊優先領域進行額外投資。

建議通過為無人機平臺配備額外的無源傳感器來改進該系統，以利用電磁頻譜的所有部分，從而提高在所有天氣和戰斗條件下探測敵方威脅的能力。此外，擬議的解決方案系統可以擴展到許多其他領域和任務區，如港口防御和反對出口。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中作戰，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以支持在非許可環境下的任務。將自動化和人機協作納入現有的防御能力，可以減少威脅的反應時間，提高有人和無人飛機配置的防御機動的有效性。這篇論文研究了作為威脅反應一部分的飛機機動的價值，以確定人類干預對時間和準確性產生負面影響的情況。它還考慮了復制Merlin實驗室的飛行自動化方法和將能夠進行防御性機動的機器訓練系統納入現有飛機的機會。分析表明，飛機的機動性對于有效的威脅反應至關重要，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。這篇論文建議重新關注特種部隊飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以提高防御性威脅反應。它還主張繼續研究在SOF任務中使用可選的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中運作，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由于地對空威脅已經擴散到在世界各地活動的敵對行為者，未來的作戰環境將以有爭議的空域為特征，這將對有人和無人駕駛飛機的操作構成挑戰。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以便在這些有爭議的地區進行機動，同時支持傳統SOF任務。這篇論文研究了商業能力的進步，以減少威脅的反應時間，提高有人和無人駕駛飛機配置的防御性機動的有效性。

通過與位于波士頓的飛行自動化初創公司Merlin實驗室合作，本分析探討了防御性機動的潛在自動化。飛機機動是對威脅作出有效反應的一個關鍵方面，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。通過確定AC-130J威脅反應中人為干預影響飛機操縱時機和準確性的步驟，這項分析揭示了復制梅林實驗室的飛行自動化方法和將能夠執行防御性操縱的機器訓練系統納入現有飛機的機會。

在威脅反應過程中確定的關鍵步驟包括威脅指示、威脅作戰識別和威脅反應配對。目前，機組人員手動執行這些步驟來完成防御性威脅機動。然而，這些步驟中的每一個都可以從自動化和人機協作中受益，通過三種明顯的方式提高整體性能。首先，生成簡化的視覺和聽覺威脅指示，確保及時通知威脅的存在。其次，自動識別過程以準確識別威脅的變體，減少了反應時間和人類識別錯誤的可能性。最后，將威脅識別與適當的飛機反應同步配對，減少了不必要的延誤，并提高了威脅操縱的準確性。

這篇論文建議重新關注SOF飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以改善防御性威脅反應。將人機協作和自主能力納入飛機防御系統，可以使防御機動性能優于傳統系統，并允許在更廣泛的環境中作戰。除了改善防御性機動，梅林實驗室的自動飛行甲板在各種不同的飛機和任務中提供了潛在的用途。繼續研究應該調查在SOF任務中使用可選擇的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。最后，在整個特種部隊中采用梅林系統將顛覆既定的操作慣例，需要個人和組織行為的改變。為了緩解過渡期并提高采用率，AFSOC應采取步驟，盡量減少利益相關者的行為變化，同時最大限度地提高系統的操作效益。培養對人工智能、機器學習和自動化的理解，將使這些行為者為軍事技術的快速變化和戰爭特征的變化做好準備。

圖 9. AC-130 防御性威脅反應圖。

美國海軍陸戰隊正在探索使用人機協作來控制前線部署環境中的無人駕駛航空系統（UAS），其任務范圍廣泛，包括情報、監視和偵察（ISR）、電子戰（EW）、通信中繼和動能殺傷。美國海軍陸戰隊設想使用未來的垂直起降平臺（VTOL）來支持混合戰爭任務并實現軍事優勢。對于美國海軍陸戰隊的混合戰爭應用，以實現任務優勢和戰爭主導權，美國海軍陸戰隊需要了解VTOL機組和無人機系統之間錯綜復雜的人機互動和關系，以獲得戰斗空間態勢感知，并有效地計劃和執行針對常規和不對稱威脅的旋轉翼行動。這項研究的重點是美國海軍陸戰隊在海洋環境中的打擊協調和偵察（SCAR）任務，以促進遠征基地先進作戰（EABO）在沿岸地區。有多種復雜的功能必須加以考慮和評估，以支持人機協作互動，提高任務的有效性：任務規劃、移動和滲透、區域偵察、偵察戰斗交接和過渡。

這份頂點報告探討了SCAR任務期間三個系統之間的人機協作：UAS、VTOL和地面控制站（GCS）。該研究從VTOL項目的文獻回顧開始，研究了美國海軍陸戰隊SCAR任務戰術和用于促進EABO的理論概念。此外，它還包括對自主性和自動化、人工智能和機器學習的研究。通過使用合作設計模型來探索這三個系統的人機協作互動和過程，文獻回顧探討了如何使用基于三個因素的相互依賴性分析（IA）框架來確定人類執行者和機器團隊成員之間的相互依賴性：可觀察性、可預測性和可指導性。

通過基于模型的系統工程（MBSE）工具，將SCAR任務的高級功能分解為分層次的任務和子任務，系統分析被用來支持聯合設計方法。根據Johnson（2014）的說法，合作設計方法研究了相互依賴的概念，并使用IA框架作為設計工具。IA框架捕捉了主要執行者和支持團隊成員之間的互動，以發展支持每個主要任務和分層子任務的所需能力，從而產生HMT要求。這份頂點報告分析了兩種選擇。第一個方案認為UAS是主要執行者，VTOL和GCS是輔助團隊成員。第二種方案認為VTOL是主要執行者，UAS和GCS是輔助團隊成員。基于這兩種選擇，IA框架評估了17個主要任務、33個分層子任務和85個執行SCAR任務的所需能力。

此外，研究發現需要一個強大的數字任務規劃系統，如升級后的海軍陸戰隊規劃和行動后系統（MPAAS），通過存儲以前的任務和經驗教訓的數據來促進機器學習。美國海軍陸戰隊將面臨無人機系統的處理能力和信息存儲方面的挑戰。應盡一切努力增加UAS的處理能力。必須實施一個有效的主要、備用、應急和緊急（PACE）通信計劃，以確保UAS、VTOL和GCS之間所有通信平臺的冗余。美國海軍陸戰隊必須實施支持信任、提供快速反饋和簡單操作的接口。

最后，為了準確評估VTOL、UAS和GCS之間的HMT要求，頂點報告促成了一個探索性實驗的發展，該實驗將在海軍研究生院（NPS）建模虛擬環境和模擬（MOVES）實驗室使用，以促進未來的研究。制定了操作要求和測量方法，以確定HMT要求的有效性。

這項頂點研究為在SCAR任務中執行VTOL/UAS混合行動的人機互動復雜性提供了明確的證據。該頂點研究確定了使用系統分析和協同設計作為一種有效的方法，通過IA框架促進人機協作需求的發展。此外，該研究確定了對復雜的自主性和技術準備程度的需求，這可能是目前還沒有的。頂點建議美國海軍陸戰隊繼續研究人機協作，并利用SCAR任務探索性實驗來進一步完善和研究VTOL/UAS的高級系統要求，以支持具有前沿部署的UAS的混合行動，重點是實現4級自主權。

執行摘要

隨著海軍引進大排量和超大級別的無人潛航器（UUV），即LDUUV和XLUUV，對增加幾周到幾個月的續航能力的需求和愿望都在增長。延長續航時間是一種必要的能力，使UUV開始承擔核潛艇的一些任務領域。能源效率和存儲能力是延長無人駕駛航行器續航能力首先要考慮的因素。然而，一個次要的、更具挑戰性的因素是無人潛航器系統的可靠性以及其容忍或避免系統故障的能力。海軍需要在改進能源容量、能源消耗效率和關鍵部件的可靠性之外，增加其UUV的續航時間。通過基于狀態的維護（CBM）來解決UUV系統的可靠性問題，將提高UUV的平均故障間隔時間（MTBF）率。提高UUV的平均無故障時間以支持數周至數月的任務持續時間是一個關鍵的能力差距。

本項目的目的是捕捉利益相關者對提高UUV可靠性、可維護性和可用性的需求，然后將這些需求轉化為旨在提高UUV系統可靠性的概念系統的系統需求，即基于狀態的UUV維護監測和預測系統（C-BUMMPS）。C-BUMMPS架構、UUV接口和系統要求將被提出并展示，以滿足利益相關者的需求。具體來說，本項目將開發利益相關者、系統功能和系統非功能要求。開發的架構將包括UUV上的機載傳感、監測和處理元素，以及岸上的測試、數據分析和維護活動，以支持C-BUMMPS。

圖1描述了C-BUMMPS概念的高級運行視圖。按照設想，C-BUMMPS將監測和記錄UUV系統、子系統和組件的性能參數。最初的數據收集將形成機載設備的基線性能概況。在役工程智能體（ISEA）將收集、分析并使用這些數據來形成維護和故障預測算法。當UUV執行任務以及其他測試和訓練操作時，CBUMMPS將持續監測和記錄與環境條件和UUV指揮和控制有關的設備性能。當感覺到異常和非標稱性能時，C-BUMMPS將檢測潛在的問題和故障模式，并與UUV的健康評估一起傳達警報信息。這些信息將被傳達給UUV控制器，并通過衛星通信（SATCOM）轉發給運行中心。運行中心將決定是否繼續或中止任務，并將UUV的健康數據轉發給ISEA。然后，ISEA將分析數據并確定UUV返回時要執行的適當的維護行動。這些維護行動將作為維護指令傳達給維護活動。當UUV仍在航行時，C-BUMMPS提供的早期信息使維護活動有更多的時間來提前計劃和提供維護行動，以便在UUV回港時立即執行。當維修行動完成后，UUV將被測試以驗證維修情況，C-BUMMPS將監測UUV，以添加維修或更換設備后的生命周期性能概況。

圖1. C-BUMMPS運行概念圖。改編自Sutton（2019）。

系統工程方法被用來指導這個項目。一項任務分析有助于在正常的UUV操作范圍內形成C-BUMMPS的任務。該團隊通過查閱文獻和與利益相關者的互動收集數據和信息。對利益相關者需求的評估產生了一份利益相關者需求清單。然后進行了需求分析和UUV子系統故障模式分析，以確定潛在的C-BUMMPS系統需求。

該項目采用了數字建模工具，并利用基于模型的系統工程（MBSE）方法，從系統、運行和能力的角度提出C-BUMMPS架構。這包括高層次的操作概念圖（OV-1）、資源流（SV-2）、運行活動（OV-5b/6c）、功能塊圖以及數據和信息流圖。最后，將提出一套系統要求，并可作為未來C-BUMMPS的工程建議。此外，還將提供用于本項目的MBSE模型，該模型是在Innoslate中開發的。本項目的系統工程產品可以作為未來在UUV上開發和實施CBUMMPS的一個工程框架。

保持技術優勢是美軍作戰方式的一個關鍵組成部分。向大國競爭（GPC）的轉變重新強調了保持技術領先。然而，絕大多數所謂的幫助美國保持領先優勢的技術戰略都將這一概念作為一份文件，簡單地回答 "軍隊應該開發或采用什么技術 "的問題。這種狹隘的技術戰略觀幾乎沒有將手段（技術獲取決策）與戰略目的聯系起來，而且往往將技術的發展本身視為目的--這種錯誤的概念可能導致不適應或停滯的戰略和資源的浪費。本論文試圖通過定義一個技術戰略的概念和框架來幫助提高技術決策的效率和重點，將技術的強調和獲取作為手段，將戰略效果作為目的。

這種方法對技術戰略是描述性的，而不是規定性的。其產出可作為認識、分析和構建技術戰略的基礎。

第一個關鍵發現是，當軍事技術決策導致從戰爭方式范式到作戰概念，然后到所需能力組合，最后到技術獲取（技術戰略）、組織結構和理論創新（"DOT三要素"）的選擇時，它們就是戰略性的。至少，技術戰略的內容通過確定作戰概念中所需要的技術能力、獲取方法和主要的技術重點來指導關于獲取、開發和/或改進武器、運載和信息技術的決策。

第二個關鍵發現是形成兵力開發戰略的分類法。了解每個層次是技術戰略制定和分析的關鍵。該分類法在圖1中顯示，并在后面進一步解釋。

圖1. 擬議的技術戰略分類法

實現層對技術和DOT三要素的追求按其設計的時間范圍進行分類，以滿足其戰略最終狀態。將技術戰略（和其他DOT組件）的實現時間與作戰概念的預期實現時間同步是這一層次的主要目的。

交戰概念層顯示了范式和概念之間的聯系，并按照大戰略中的戰略目的來組織技術追求（即技術如何在戰略環境中創造效果）。作戰概念是軍方對在特定情況下如何進行戰爭的設想，以及軍方將如何進行戰爭（例如，馬賽克戰爭或空地戰）。

能力組合是所有DOT三要素及其DOTMLPF-P對應物的組合，以實現作戰概念中的能力（例如，自主飛機或蜂群無人機以支持馬賽克戰爭概念中的JADC2能力）。以這種方式看待技術及其伴隨的DOT戰略的主要好處是，它使DOT決策與特定的概念相聯系，從而與它的預期戰略效果相聯系。

戰略形式層面（圖2）描述了戰略家滿足能力的技術要求方式。技術戰略形式作為一種模式或模板，描述了戰略家用來實現所需能力的方法。這些是技術戰略的模板，與人們可能認為的戰略類型（如費邊延遲戰略）的方式有相似之處。下面顯示的三種原型，對技術戰略的形式進行了分類。風險與效率，平價驅動，以及基于進攻和防守的形式。

圖2. 觀察到的和推導出的技術戰略形式

購置方式層面確定了該戰略將指導用于滿足能力組合要求的技術購置方式。這些選擇對戰略形式有很大影響。有四種類型的方法被確認。模仿性獲取方式側重于復制其他國家已經在使用的技術。發展性獲取方法側重于新技術的發明，對新興技術的利用，和/或對已有的（但不強調的）技術進行重新構想。創新性方法涉及到購買技術，并將其與軍隊自己的或其他購買的技術相結合，以創造新的東西。監測方式假定軍隊至少有一些手段和理由來追求技術變革，但選擇繼續沿著目前的路線進行典型升級。戰略形式和方法層面是技術戰略家的主要關注領域。

最后的關鍵發現是，對技術戰略的明確描述和結構化突出了一系列的陷阱：比較陷阱（鏡像）；冰山（暗示高度的隱蔽能力）；交叉點（挪用技術發展）；機會成本（每一個是也是對其他東西的否定）；戰爭和技術關系（技術發展可以改變戰爭和沖突的特征）；重點發展（試圖為所有任務建立一種技術），以及果斷的投資者行為（戰略上錯位的技術追求）。這一小部分的經驗教訓可能只是從不斷研究和完善技術戰略概念中獲得的豐富知識的開始。在一個競爭激烈的時代，我們必須在技術追求上集中精力，深思熟慮，并具有戰略性。本研究提供的意見和建議可能有助于這種努力。