技術的改進將在中期內改變影響力作戰；然而，美國將盡早采取行動，以防止美國利益繼續受到損害。美國采取雙管齊下的戰略，在技術進步出現時將其納入其中，同時利用現有技術改進條令，以應對當前的威脅。至關重要的是，美國將充分利用被動信息收集指揮、主動敘事塑造和信息傳輸層基礎設施之間的協同作用。

本文提出三項具體建議。首先，以國家情報總監開源中心、現已過時的美國新聞署（USIA）和法國外籍軍團為藍本，組建一個組織結構。第二，實施一種可能利用區塊鏈的解決方案，為新聞機構、單篇報道和用戶分配信任度和相關性值。第三，確保不斷重新評估美國及其對手在智能代理領域可用的技術，尤其是智能代理技術。

物聯網（IoT）正在迅速普及。預計到 2025 年，物聯網設備將從目前的 307.3 億臺增至 754.4 億臺。這些設備無處不在，已經延伸到我們生活的方方面面，包括健身追蹤、智能家電、工業解決方案和戰場傳感器。然而，移動物聯網設備對網絡的動態擴展給安全帶來了重大挑戰，尤其是與隱私和個人信息披露相關的挑戰。傳統的計算機安全模型無法擴展到這些設備的有限資源。為此，用戶既不知道也無法控制設備分析數據向云端的永久流動。這個問題與海軍密切相關。隨著單個作戰人員使用物聯網設備，這一問題已經超出了海軍官方系統的范圍，擴展到每個水手和海軍陸戰隊員所擁有和操作的系統。隨著物聯網設備在本土和部署環境中的廣泛使用，出現了一系列相關的不同物聯網安全威脅。這項研究工作的目標是培養預備役軍官訓練營學生在多學科研究計劃中的研究能力，研究基于物聯網的網絡安全威脅，這些威脅涉及廣泛的海軍作戰領域。這包括：(1) 了解進出這些設備的相互關聯的信息流以及對隱私的威脅；(2) 制定提供保護的戰略政策；(3) 研究用戶如何與設備互動。六名預備役軍官訓練營學生擔任該項目的專職研究助理，每周工作 10-15 個小時，為研究工作提供支持。其次，約有 20 名預備役軍官訓練營的學生作為研究參與者參與其中，為他們提供了接觸研究方法的機會。

這些工作包括戰術網絡安全研究，我們首先創建了一個自動標注的物聯網設備行為數據集，從多個數據源構建標簽，包括查詢供應商應用程序編程接口、連接配套應用程序的通知子系統，以及利用觸發行動框架生成和識別設備活動。我們進一步利用該數據集了解物聯網設備的安全和隱私侵犯情況，報告了物聯網設備中的七個關鍵漏洞，并確定了物聯網配套應用程序加密的系統缺陷設計方法。此外，我們還開展了戰略性網絡安全研究，利用 CSADL/architecture 中的本體論和設備表示法對物聯網設備的組成進行了分析，從而分析了可能導致違規（如披露私人信息）的潛在行為。然后對與物聯網設備交互的人類行為進行建模，以識別更多安全漏洞，從而進一步幫助創建基于安全的策略。最后，我們還開展了人為因素研究，對 179 位物聯網設備用戶進行了調查，以了解用戶對物聯網設備隱私的看法、知識、行為和經驗。這些調查結果顯示，用戶對物聯網設備如何使用其數據缺乏了解，也沒有采取用戶知道會增加其隱私的安全預防措施。基于這些發現，我們提出了指導安全方法的建議，并開發了一個測試平臺來評估旨在提高用戶安全行為的干預措施。然后，我們對 100 多名參與者進行了實驗，以評估干預措施在影響用戶安全行為方面的效果，結果表明干預措施使用戶閱讀了物聯網設備的相關條款和條件，并適當調整了設置。以下報告詳細介紹了這些研究工作的方法和結果。

主要研究目標

這項研究工作的主要目標是培養預備役軍官訓練營學生在多學科研究計劃中的研究能力，該計劃（1）研究基于物聯網的網絡安全威脅，這些威脅橫跨廣泛的海軍作戰領域；（2）開發緩解措施，以減少這些威脅對作戰人員的影響。該研究領域是（a）戰術網絡安全防御、（b）戰略網絡安全政策和（c）人類網絡安全決策之間有趣的交叉點。物聯網設備/網絡的設計必須能夠在操作層面上抵御網絡安全威脅。這包括了解和控制進出這些設備的互聯信息流，以及對隱私和機密或秘密信息披露的相關威脅。然而，鑒于這些設備是由其他設備和物體組成的網絡的一部分，有必要制定提供保護的戰略政策。與這些保護措施的戰術和戰略實施都息息相關的是，用戶將如何與這些設備互動并對所實施的政策做出反應。為了實現和諧的人機系統，必須綜合考慮這些方面，并讓一個領域的研究成果最終為其他領域的研究和開發提供參考。

新興(和)顛覆性技術(EDTs)在創造經濟繁榮方面發揮著關鍵作用。但它們也帶來了一系列挑戰，帶來風險和機遇，而且往往是同時出現的。例如，社交媒體公司目前使用人工智能(AI)的方式可能會影響民主進程。但是，類似的技術——例如用于確定個別帖子內容的技術——可以用來幫助創造促進包容性公民話語和防止暴力煽動的網絡環境。就人工智能而言，這項技術可能的發展方向，至少在社交媒體領域，取決于立法者采取什么措施來監管這項技術、開發這項技術的公司，以及使用這項技術的環境。在軍事和經濟等其他領域，人工智能對社會的影響軌跡將在很大程度上取決于各國政府能夠在多大程度上達成限制人工智能可接受應用的協議。

因此，國際合作是必要的，但由于越來越多地認為獲取和控制EDT是一種零和博弈，這一事實嚴重阻礙了國際合作。在當今國家間競爭的時代，各國都有動機利用自己掌握的工具來擴大對這些技術的獲取和控制，以提高自己當前和未來的競爭力，并削弱對手的競爭力，在某種程度上也削弱盟友的競爭力。政策工具包括但不限于傳統的重商主義做法，如進出口管制、補貼國家冠軍企業、旨在迫使外國公司轉讓核心技術的法律、修訂國際技術標準的倡議，甚至包括全球基礎設施發展戰略。此前HCSS在2021年進行的一項研究將這種現象稱為“技術民族主義”。本報告以這項研究為基礎，更新并擴展了其建議。

在當前競爭激烈的全球環境中，荷蘭的政策制定者應該尋求減少荷蘭創新生態系統對技術民族主義做法的脆弱性，并提高其國際競爭能力，同時尋求國際合作來規范EDT的社會影響。近年來，荷蘭已經投入了各種形式的長期資金，以提高其創業生態系統的生產力。然而，新的立法還必須減輕荷蘭在基于外國直接投資(FDI)的技術民族主義實踐之外的脆弱性。

這項研究涵蓋了量子計算、人工智能、半導體和空間相關技術。這些EDT有可能(在某些情況下已經)對地緣政治、社會和戰爭產生廣泛影響。其中一些EDT會相互作用。例如，量子計算是一種為基于人工智能的過程提供超充電的途徑。這對各種變化都有影響，例如軍事感知的轉變。EDT還影響多個領域。人工智能應用程序可以用來收集和利用個人數據。此外，人工智能應用還可以在短期內用于自主武器系統的部署以及軍事規劃和后勤的自動化優化。在州際競爭日益激烈的背景下，EDT的相關性也帶來了其他問題。例如，半導體供應鏈引發了荷蘭和歐洲對外國依賴的嚴重擔憂。這些連鎖店也有相當大的環境足跡，加劇了全球不平等，并使工人在所需的關鍵原材料(CRM)的開采和精煉過程中暴露于有毒化合物中。最后，與空間有關的技術對經濟繁榮以及國際和國家安全正變得越來越重要。然而，它們在國際層面上監管不足，為太空競爭和軍事化打開了大門。這四種顛覆性技術及其影響在本研究的附件中有詳細闡述。

電子信息技術帶來的威脅和機遇可以從三個方面來列舉:(1)電子信息技術的獲取;(二)作戰能力和EDTs;(3)電子廢棄物的社會影響。

第一個方面主要是地緣政治和地緣經濟。不同的國家和地區對培育電子教育發展所需的物質和資源的獲取不平等。EDTs也是高度資源密集的。因此，電子信息技術相關行業的金融準入門檻非常高。不同國家和行為體在使用電子貿易工具方面的不平等勢必導致基于規則的國際秩序內部的摩擦。過度優化的“準時制”全球供應鏈和由此產生的瓶頸進一步加劇了這種摩擦。中美兩國之間的大國對抗和中美經貿摩擦將相互加劇。這些事態發展可能會推動經濟脫鉤進程，從而確保供應安全，但也消除了政治和軍事領域競爭的限制。與此同時，對于歐洲來說，在獲取和使用電子傳輸裝置方面保持戰略優勢至關重要。

第二個維度，作戰能力和電子傳輸技術，涉及電子傳輸技術對軍事領域的影響。EDT允許更多自主武器系統的擴散和部署。類似地，電子數據傳輸系統也可以為不太敏感的領域提供支持，例如通過實現更智能的軍事后勤。由此產生的難題是雙重的。一方面，修正主義行為體通過發展EDT來增強其作戰能力，對自由國家構成威脅。同樣，鑒于這些行為者的人權記錄不佳，這些行為者部署EDT授權的能力會引發道德困境。另一方面，如果自由民主國家能夠成功地利用EDT提供的作戰能力，這可能有助于基于規則的秩序的安全。

第三個方面，電子廢物的社會影響，論述電子廢物對社會的影響。例如，社交媒體、民主進程和司法程序都可能受到EDT的積極或消極影響，并在各個領域產生多米諾骨牌效應。例如，社交媒體上的回音室效應也對民主進程產生了影響。因此，EDT通過民粹主義、幻滅和激進主義對自由民主構成威脅。然而，EDT也可能被證明是社會增強復原力的寶貴工具。盡管事實證明，系統競爭對手在社會工程方面依賴edt。EDT確實可能使專制的治國模式成為可能，但也可能作為防止其影響的保護性檢查。這里的挑戰將在于自由民主國家在利用edt對維護社會凝聚力的可能貢獻方面，實行克制和節制。

下表總結了所研究的四個EDT在三個概述維度上帶來的威脅和機遇。

政策制定者和社會對電子交通相關問題的認識和理解有助于荷蘭應對電子交通帶來的挑戰。這將是帶頭和支持建立面向管理可接受使用的國家和國際管理框架的關鍵。以下要點簡要概述了這些政策目標的重要性，以及可以設想的可能解決方案。報告第4章提供了一套更為詳細的建議。

1.減輕荷蘭和歐盟市場的脆弱性。荷蘭和歐盟市場盡管出臺了幾項有希望的監管措施，但仍極易受到其他國家采取的技術民族主義措施的影響。荷蘭應該實施更強大、更全面的監管框架，以減輕間諜活動、網絡犯罪和各種形式的技術盜竊的負面影響。緩解措施將包括審查《投資、兼并和收購安全評估法》的各個方面。

2.加強荷蘭和歐盟市場的競爭力。適應日益加劇的州際競爭需要提高荷蘭創新生態系統對外國技術民族主義實踐的適應能力。實現具有國際競爭力的創新生態系統將為荷蘭提供更多的荷蘭和國際人才，將理論研究轉化為現實世界的用例，并為尖端研究和開發(R&D)創造必要的收入。一個必要的步驟將是深化與歐洲防務局(EDA)、永久結構性合作(PESCO)和歐洲防務基金(EDF)等機制的接觸。荷蘭和歐洲應該繼續加大對半導體產業的支持力度，并投資于敏感技術。加強先進民主國家在半導體生態系統中的技術優勢，可能需要與半導體行業積極對話，調動荷蘭、歐洲和機構資金，分配稅收優惠，快速跟蹤荷蘭和歐盟的晶圓廠建設，擴大半導體和關鍵原材料價值鏈的競爭前研究資金。透過選擇性放寬簽證，培育和吸引與經濟技術發展有關的學生和人才，以及推動科學、技術、工程和數學(STEM)領域的發展。與上面列出的措施類似的措施可以推廣到整個edt。

3.提高對EDT相關問題的認識和理解。圍繞技術民族主義和EDT的負面社會和軍事影響問題制定有效的監管框架取決于對這些技術如何工作及其實際用例的深刻理解。提高包括立法者在內的關鍵利益相關者對電子傳輸相關主題的認識和理解，將有助于制定更有效的立法。在政策一級，這些措施應包括實施獎勵措施，以吸引人力資本也進入公共部門。此外，擴大和補貼現有的國家資助的研究委員會，如分析和研究服務(DAO)或數字事務委員會(DiZa)，可以作為這里概述的努力的有效框架。

4.減少半導體供應鏈對東亞的過度依賴。不僅是荷蘭消費者面臨的一個關鍵挑戰，也是支撐荷蘭武裝部隊作戰能力的供應鏈面臨的一個關鍵挑戰，就是對臺積電(TSMC)的持續依賴。這使得荷蘭不僅容易受到地緣政治事件可能導致的供應鏈中斷的影響，而且容易受到其控制之外的供需動態的影響。這些挑戰可以通過提高國內和區域生產能力來緩解。最近的美國和歐洲芯片法案或荷蘭經濟事務和氣候部(EZK)在2022年初申請2.3億歐元的研發項目補貼計劃，可以作為相關的先例，并可能作為這一努力的框架。

5.支持建立國家和國際監管框架。與edt相關的很大一部分風險可以直接或間接地與edt開發過程中缺乏(或有意識地忽視)護欄聯系在一起。反過來，這可以歸因于作為國家間競爭副產品的無能的國際監管環境。建立國家和國際框架來管理EDT，它們在軍事和國內環境中使用之前應該滿足的標準，以及它們應該和不應該使用的用例，將大大有助于減輕這些風險。這種多邊或多邊協定應處理不同層次的管制，在每個層次上有不同的適用。因此，本報告分別從國內、區域、國際和商業四個層面對現有的四種EDT進行了擬議的規定。

6.制定荷蘭和歐洲監管社交媒體平臺的立法。人工智能和潛在的量子計算對民主進程的負面影響，在很大程度上可以歸因于部分國家在監管社交媒體平臺方面的缺陷。目前有很多政策可供選擇，以減少網上錯誤信息帶來的威脅，其中一些政策尚未在荷蘭實施。例子包括隱私保護、過濾深度造假，以及禁止主要向用戶展示令人不快的內容的算法。這些措施將減輕回聲室效應，從而抑制幻滅和激進化的影響。

7.促進歐洲冠軍企業和自愿聯盟的發展。由于國內在優化抗風險能力方面的努力不充分，電子交易相關風險帶來的地緣政治風險進一步加劇。這些影響又可以通過軍事和民用領域的一體化努力、補貼和鼓勵歐洲冠軍企業以及這些行動者聯盟密切監測與歐洲經委會相鄰的活動來減輕。在美國等盟友實施保護主義政策，并向歐洲經濟體施加壓力，要求其遵守其政策之際，這也將加強歐洲的地位。荷蘭可以通過深化與ASML等瓶頸公司以及恩智浦等該領域占主導地位但非瓶頸公司的合作，鞏固其在半導體供應鏈中獨特角色所帶來的戰略杠桿作用。反過來，在歐洲和大西洋兩岸的層面上，國家行為體和行業領軍者之間形成自愿聯盟，可能會加強對修正主義系統性競爭對手的戰略姿態。最后，民用和軍事領域在電子信息技術相關問題上的深化融合帶來了雙重好處，即通過電子信息技術提高軍事能力，以及通過電子信息技術提高社會經濟復原力。

這些建議應成為荷蘭和歐洲政策制定者的重要目標。地緣政治局勢緊張，并傳達了一個直截了當的信息:警鐘已經響起，現在是采取行動的時候了。

美國國防部長辦公室（OSD）和各軍種已經做出了廣泛的工作，將無人系統納入其現有的組織結構，顯示了無人系統考慮因素所代表的整體重要性。整個美國防部仍有改進合作的空間。將正在進行的工作標準化，盡可能地進行合作，并整合基礎政策和技術，將使無縫的團隊合作成為未來國防行動的亮點--無論這些團隊是有人的、無人的，還是聯合的。

無人系統技術的進步強調了將重點從特定領域過渡到不分領域的必要性。任何領域的進步都有利于所有領域的發展。未來的行動將在很大程度上依賴于多領域的能力，這些能力必須與聯合部隊的結構無縫對接和整合。

美國國防部、工業界和學術界擁有先進的技術、戰略和標準，對無人系統的發展及其與國防部任務的整合構成挑戰。這些主要的進步、挑戰和趨勢可以整合成四個關鍵主題，它們涉及到將繼續加速無人系統進入未來的基礎性利益領域：

• 互操作性 - 互操作性在歷史上一直是，并將繼續是無人系統集成和操作的一個主要推力。載人和無人系統已經越來越多地協同他們的能力，專注于使用開放和通用架構的關鍵需求。一個強大的可互操作的基礎提供了一個結構，將使未來的作戰取得進展。

• 自主性 - 自主性和機器人技術的進步有可能徹底改變作戰概念，成為一個重要的力量倍增器。自主性將大大提高載人和無人系統的效率和效力，為國防部提供戰略優勢。

網絡安全--無人系統的運作通常依賴于網絡連接和有效的頻譜訪問。必須解決網絡的漏洞，以防止破壞或操縱。

• 人機協作 - 如果互操作性奠定了基礎，那么人機協作是最終目標。人類力量和機器之間的協作將實現革命性的合作，機器將被視為重要的隊友。

支持政策、需求和采購環境必須繼續發展和進步，以跟上所有系統的快速技術和能力進步的步伐。為了確保我們的軍事優勢，應該把重點放在無人駕駛技術的發展、可用性和使用上。美國防部在無人駕駛系統方面的舉措的調整將影響美國軍隊的未來構成

關鍵點

• 將越來越多的自主無人機與有人駕駛飛機組合在一起，對于發展具有在同行沖突中競爭和獲勝所需的復原力、能力和殺傷力的未來空軍至關重要。
• 國防戰略家、政策制定者和作戰人員對自主性、人工智能及其目前的技術準備水平缺乏深入了解。這可能會滋生對采用這些關鍵技術的不信任和阻力。
• 需要一個框架來幫助美國國防界更好地了解不同的自主功能，然后定義和開發具有MUM-T行動所需的適當自主水平的系統。
• 需要一個由自主性的 "作戰人員觀點 "和 "工程師觀點 "組成的兩部分框架來指導該企業。"作戰人員觀點 "定義了無人機執行功能所需的不同自主水平，然后航空航天工程界--工程師觀--可以用來定義和開發必要的技術和系統。
• 這個框架將幫助空軍和國防部調整規模，加快下一代自主無人機隊友的開發和投入使用，以保持對美國戰略競爭對手的技術優勢。

摘要

在過去十年中，美國空軍發布的幾乎所有愿景、戰略和飛行計劃都將下一代無人駕駛飛機、自主性和人工智能作為確保在未來戰區獲得決定性戰斗優勢的關鍵技術。空軍目前正在開發新的作戰概念，將有人駕駛的戰斗機和轟炸機與自主無人駕駛飛行器（UAV）組成團隊--稱為有人-無人編隊（MUM-T）--以執行打擊、反空、電子戰和其他任務。鑒于作戰人員和工程師之間經常存在的脫節，開發這種能力具有挑戰性。

目前，作戰人員沒有充分理解無人機需要什么樣的自主權和多少自主權來實現預期行為。另一方面，工程師們往往不完全了解如何分解作戰人員的操作性能要求，以使他們能夠快速部署有效的系統。最重要的是，期望的作戰效果和實現這些效果的技術途徑之間的聯系并不明確。因此，與之相關的愿景、戰略、飛行計劃、作戰概念、計劃以及自主飛行器（ATA）的無數研究和開發工作都沒有以一種清晰和一致的方式結合起來。

一個代表作戰人員和工程師觀點的框架將為這兩個群體在創建自主系統時提供一個結構和共同理解。"作戰人員觀點 "代表了作戰人員如何在戰斗空間中組織思維任務，可以整合不同層次的自主性。然后，"工程師觀點 "可以利用這些任務來開發必要的具體算法、技術和系統，以提供滿足作戰人員需求和期望的自主團隊飛機。本文提出了一個框架，以幫助空軍作戰人員、戰略家和政策制定者更好地理解自主技術，并幫助指導企業走向未來人工智能賦能的美國行動。

圖1. 一個由兩部分組成的框架概述，以提高作戰人員對自主性的理解，并將他們的要求傳達給開發和采購部門。

一個擬議的無人駕駛飛機自主性框架

擬議的自主性框架中的 "作戰人員觀點 "有三個主要類別，每個類別又被細分為五個自主性級別。核心類、任務類和團隊類反映了飛行員的認知任務，旨在為作戰人員提供直觀的信息，幫助他們表達對自主系統應如何執行的要求。核心自主性類別包括飛行控制輸入和導航功能，這是飛機在沒有人類直接控制的情況下飛行所必需的。任務類包括完成與任務有關的任務所必需的功能，如管理傳感器操作、向目標釋放武器和執行其他戰術。協作類包括自主無人機與其他飛機（包括有人和無人）進行協作行動所必需的功能和特點。這三大類中的每一類又被細分為五個自主等級。第1級代表在執行任務時幾乎沒有自動化，第5級包括無人機完全自主執行的行動。

該框架的第二部分是工程師觀點。工程師視圖代表了作戰人員視圖的功能分解，將定義的類別和級別分解為功能、技術和數據。這種清晰的重點使工程師能夠將他們的開發工作與所需的車輛屬性和行為進行映射和優先排序。作戰人員關注的是宏觀層面的任務執行、操作行為和人類在行動中的作用，而工程師關注的是建立一個滿足作戰人員需求的自主系統所必需的基本功能、硬件、軟件和數據。換句話說，工程師觀點使航空航天工程師和技術專家能夠將作戰人員的要求解構為基礎技術和基本的自主要素。

這兩種觀點共同充當了作戰人員和工程師之間的連接組織和翻譯。值得注意的是，這個框架并不打算成為一個規范或標準。這類似于SAE的自動駕駛框架，它說該框架的預期目標是 "描述性和信息性，而不是規范性"。本著這一精神，擬議的雙視角自動駕駛框架的主要目的是使作戰人員和航空航天工程師能夠以結構化和一致的方式明確溝通和交流自主無人駕駛飛機的想法和要求。

圖6.作戰人員觀點：自主性類別和等級在作戰人員視圖中一起使用，形成一個描述無人駕駛飛機的操作行為和屬性的評分標準。

圖8. 工程師視圖從作戰人員視圖中獲取每個自主性類別所需的自主性水平，并提供一種結構化的方式，將自主性能力分解為必要的功能、技術和數據。在這個例子中，作戰人員視圖為核心飛行和導航類別分配了4級自主權，同時為任務分配了2級，為團隊分配了1級。

在海洋領域中長達數周至數月的無船員任務對自主系統提出了獨特的挑戰。在這些任務長度中，平臺必須承擔自我評估和任務規劃任務，以及諸如導航等短期自主任務。這里報告了一個探索這些挑戰的四管齊下的研究計劃的結果。對現有的船只進行了審查和分析，并構建了一個新的評級系統。對人類船員進行了訪談，以確定評估和規劃方法。一個簡化的模擬和一個受STPA啟發的分析被用來確定那些研究將是有益的領域。從這些調查中可以看出，現有的規劃系統在很大程度上依賴人類來整合不同的信息來源。今天，人類根據共同的經驗和隱含的標準來做決定。將這個過程自動化是一個重大的挑戰。提出了三個測試案例來探索已確定的研究需求，一個是關于燃料管理，一個是關于機械系統的設計和操作支持，還有一個是關于在服務中適應和更新風險標準。

事實證明，使海事平臺在海上執行數周至數月的長期任務時具有自主性，這與無船員的空中和地面車輛所面臨的挑戰根本不同。自我健康評估、任務規劃和后勤考慮對于可能一次出海數周至數月的海洋船舶來說都是非常重要的。然而，目前人們對有船員的船只如何進行這種評估和任務規劃還不是很了解，這使得對這一領域的算法的研究變得困難。

這項工作報告了對這種長期任務的風險關注的廣泛框架，然后回顧了目前正在使用的海洋系統。現有的平臺顯示了平臺的復雜性和可實現的續航能力之間的明顯權衡。滑翔機和簡單的平臺已經完成了數周至數月的航行，但損失率很高。更復雜的船只仍然處于幾天到幾周的任務長度范圍內，而且目前沒有船只能自主地進行長期規劃。提出了一個新的由三部分組成的評級系統來跟蹤平臺，使用平臺的決策、耐力和平臺復雜性作為衡量標準。現有的平臺用這個系統進行了可視化，證實了能力的差距。

通過對船舶和岸上人員的一系列訪談，試圖確定今天是如何進行這種規劃的。這個過程顯示，機械系統是平臺健康的核心問題。機械的維護在船舶的預防性維護系統（PMS）中是高度結構化的。然而，整合平臺的整體健康狀況和權衡風險的規劃是以人為中心的方式進行的。這種規劃沒有標準化，也沒有記錄在正式的程序中，而是使用了大量的人類經驗和隱性標準。岸上的支持也被廣泛用于診斷問題、計劃維修和支持船上的決定。因此，訪談產生了一個關注的清單，但沒有一個明確的可以自動化的規劃方法。

一個高層次的基于模擬的方法被用來觀察圍繞平臺健康的規劃必須有多精確才能提高運營績效。一支由10艘船組成的船隊被用來維持離支持基地不同距離的巡邏線，每艘船都有一個隨機退化的健康參數。對四種不同的規劃方法進行了比較，結果表明，即使是不完善的長期規劃系統也可能在平臺有效性方面比基于靜態規則的方法產生巨大的收益。

最后，一個修改過的STPA方法被用來嘗試探索長期規劃系統的重大風險領域。比較了兩種STPA公式，更狹隘地專注于任務規劃的方法能夠確定現有算法可能不足的廣泛領域。構建了一個由此產生的挑戰領域的表格，并提出了三個開發案例研究來解決表格中的差距。這些案例被設計成對基礎研究的探索是可行的，但涉及足夠多的學科，以廣泛代表海上任務規劃問題。這三個案例研究包括一個燃料管理研究，一個機械設計和支持案例，以及一個可適應的風險水平案例。報告最后提出了實施這些案例研究的建議，以及進一步的工作。

2018年，傳統基金會開始了重建美國軍事項目（RAMP），為確保國家的長期軍事領導地位提供實用方法。本文繼續該項目，重點關注海軍。

然而，自2018年以來，俄羅斯等越來越多的挑釁性海上活動導致了對大國競爭的進一步強調。在這場競爭中，傳統的威懾和戰爭方法正在受到挑戰，這場競賽目前在武裝沖突水平以下進行，繞過了今天所設想的美國軍事力量。近年來，俄羅斯等已被證明善于在改變地面和海上的事實，使美國的反應保持沉默或無關緊要。如果不加控制，這種影響將導致具有重要戰略意義的聯盟最終被削弱，并關閉幾十年來一直支撐著美國繁榮的世界各地的市場。

與冷戰時期的蘇聯不同，中國是一個工業和經濟巨無霸。因此，為了長期成功，美國的海軍必須得到一個重振的海運業的支持，以在和平時期維持它，并在戰爭中迅速重建它。然而，今天，這樣做的能力是有問題的。此外，這種威脅要求重新認識海軍如何能以最佳方式應對俄羅斯等海軍力量的穩步提升。像俄羅斯吞并克里米亞的事件已經清楚地表明，需要一個新的博弈計劃。

為了與俄羅斯等的勝利理論相抗衡，美國國家力量的所有杠桿都必須在一個統一的工作中使用。對海軍來說，這意味著將海外海軍活動與經濟和外交舉措相結合。2020年夏天，當美國海軍在東南亞增加的存在支持了明確的外交努力時，就暗示了這是什么樣子。這一成功說明了新的海軍國策方法對大國競爭的效用。

由一支規模適當、訓練有素、裝備精良的艦隊支持的海軍國策方法可以與俄羅斯等的全面競爭和軍事力量的混合使用相抗衡。同時，它還能促進伙伴關系，使海軍既能應對長期的競爭，又能在戰爭不可避免的情況下應對戰斗。確保姿態優勢對于大國競爭和作戰是至關重要的，盟友作為一個力量倍增器，在獲得這項任務方面將是至關重要的。然而，盟友不能取代美國海軍。

在這場全球競爭中，由于海軍的機動性和快速應用持續力量的能力，它對俄羅斯等的勝利理論提出了不對稱的挑戰。這一優勢必須得到加強，但要做到這一點，海軍需要從幾十年來微薄且經常不一致的預算中恢復過來。作為一個例子，所謂的冷戰后和平紅利是通過削減國防經費來實現的，而海軍所占的份額很大；如果其預算自1989年以來只隨著通貨膨脹而增長，與實際提供的資金相比，海軍的購買力將損失超過1.2萬億美元。

雖然國家預算中顯然需要更大的份額來對抗兩個大國，但需要的不僅僅是錢。海軍還必須解決其體制上的各種裂痕，并在建造未來艦隊時成為一個更聰明的客戶。決不允許像海軍造船業失去的十年中與瀕海戰斗艦、福特級艦和祖姆沃爾特級艦有關的延誤和重大成本超支再次發生。

為了在與俄羅斯等的競爭中獲勝，海軍的航行方向是明確的：在和平時期對基于規則的海上秩序原則進行更有效的競爭，同時建立一支能夠贏得戰爭的艦隊。為了完成這一任務，海軍必須駕馭來自競爭對手的各種挑戰，并克服作為過去時代遺產的官僚主義惰性。

為了在一個長達數十年的大國競爭時代維持海軍，為早期事業（即冷戰和全球反恐戰爭）建立的框架和機構必須被重新審視、刷新，并根據需要進行更新。為了在這個時代實現效率最大化，有必要進行與1947年《國家安全法》不一樣的重組。這些改革使美國防部（DOD）在二戰后的冷戰時代走上了正軌。海軍在大國競爭中的表現將受益于一個現代的審查，即仔細審查諸如《戈德華特-尼科爾斯法案》和《美國法典》第10章等國防福音書。無論如何，為了使海軍走上新的道路，需要對一項全面的國家海事計劃采取緊急行動。

最重要的是，實現戰略和有意義的外交需要有形的力量支持。沒有所需的艦艇，外交和戰略只不過是俄羅斯等過去利用的那種空洞的姿態，并將再次利用它們的優勢來使美國失去意義。2018年的國防戰略是有幫助的，但更有效地實施該戰略將需要海軍的愿景和增加資源。

國家在大國競爭中所需要的海軍，需要在2035年之前擁有一支超過575艘有人和無人駕駛艦艇的艦隊。很多時候，為了減少成本，行動和戰略影響都被推遲了，而結果往往是沒有行動。對冷戰后心態的初步順應導致了不作為的代價太高的局面。俄羅斯的海軍繼續用武器進行現代化改造，使美國本土面臨蘇聯永遠無法做到的風險，而中國的海軍在一個巨大的、充滿活力的造船業的支持下，在數量上正在使美國海軍黯然失色，并可能很快超過它。

維持一支更大和更有能力的艦隊需要一些非華麗的投資，特別是在船廠、商船和后勤船只方面，這些方面往往被擱置。國會和海軍已經開始了為期20年的210億美元的船廠基礎設施優化計劃（SIOP），這很有幫助，但不足以滿足海軍目前的維修需求，更不用說更大的艦隊的要求了。額外的船廠能力是至關重要的；至少需要一個額外的公共船廠來為海軍在西海岸的重要核艦隊提供服務，因為該艦隊的其余部分在那里運作。

為了引起競爭對手的注意，行動必須以近期為重點。在頭五年，一個全面的海軍計劃將需要比目前的造船、運營和基礎設施預算平均每年增加123億美元。這接近于20世紀80年代冷戰時期海軍建設的歷史先例，并注意到今天的預算和資源現實。有了這些額外的資源，新的艦艇設計可以進入生產階段，船廠可以開始擴張，商船可以增長，艦隊可以涌入像南海和東地中海這樣的決定性戰區，擁有迫使中國和俄羅斯退出游戲所需的數量和能力，如多靜態雷達和自主艦艇。這不可能通過一支空洞的部隊來實現。

同樣迫切需要的是對國家的海運業和商船進行資本重組，它們在國家的安全中發揮著關鍵但未被重視的作用。如果不這樣做，海軍將不得不依賴有問題的外國航運，這些船員很可能不愿意把關鍵的彈藥、零件和人員運送到與俄羅斯等沖突的前線。需要采取行動確保國家的海運業，作為國家工作的一部分，在美國經濟的這一戰略部門重新獲得國際競爭力，這對繁榮和安全都至關重要。

總而言之，需要采取以下行動以確保海軍能夠在大國競爭的時代保護美國的重要利益：

• 應在東地中海等建立常設海軍特遣部隊，以維持更大的海軍存在，從而實現大國競爭的主動戰略。

• 海軍應盡快在第一島鏈與伙伴國進行大規模演習和兩棲演示，最好在2021年進行，這既是為建設未來艦隊提供寶貴的經驗，也是振興海軍戰略的開始。

• 為了應對中國和俄羅斯的海軍挑戰，海軍將需要在2035年之前建立一支575艘艦艇的戰斗艦隊，其中包括25%的無人艦艇和幾個新級別的戰艦（例如，護航航母），以便在中國的反介入和區域封鎖（A2/AD）威脅下作戰。

• 為了避免成本超支和延誤，海軍必須在造船方面成為一個更聰明的客戶，并擴大其內部軍艦設計和建造專業知識的能力，這一點已經被過度外包了。

• 據估計，從2023-2035財年，建造、運營和維護一支575艘艦艇的艦隊將比目前預計僅隨通貨膨脹增長的預算多花費1227.6億美元。如果考慮到船廠資本重組和擴張的必要增長，13年的總成本將上升到1480億美元（平均每年增加113億美元）。

• 如果不采取行動，商船和懸掛美國國旗的商業船隊將仍然無法滿足戰時海運的要求。擴大商業船只的培訓能力和津貼，可能需要每年增加10億美元來解決短缺問題。

歸根結底，未來戰爭的結果將在戰斗開始前決定；因此，姿態更好、資源更豐富、訓練更有素的部隊將獲勝。這意味著，保持海軍的強大是最關鍵的任務。為此，應采取以下行動：

• 應該成立一個國家委員會，其成員來自工業界、海事界和政府海事機構，以研究如何恢復國家的綜合海事領導地位。

• 應該任命一位海事掌權者，負責協調執行一項全面的國家海事復興計劃。

• 美國防部必須改革若干內部程序，以確保美國的海軍存在得到最佳利用，并確保不錯失加強海外港口和基礎設施建設的機會（例如，最近帕勞共和國和巴布亞新幾內亞提出的基地建設）。

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。

在未來的空戰中，無人協同系統的整合將是一個潛在的巨大力量倍增器。其成功的關鍵因素將是編隊情報、協調任務規劃和跨平臺任務管理。因此，構思下一代機載武器系統的任務需要一個整體的系統方法，考慮不同的航空飛行器、其航空電子任務系統和針對未來威脅的整體作戰概念。為了盡早驗證可能的解決方案概念并評估其作戰性能，在過去幾年中，在空中客車防務與航天公司未來項目中開發了一個動態多智能體戰斗仿真。除了比實時更快的工程功能外，該仿真還可以進行實時人機對話實驗，以促進工程師、操作員和客戶之間的合作。本文介紹了動態任務仿真方法，以及在未來戰斗航空系統（FCAS）研究中應用此工具所得到的啟示，在此期間，我們清楚地認識到什么是未來應用的一個關鍵挑戰。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

1 引言

每一代新的戰斗機都可以通過一個或多個技術飛躍來定義，這些技術飛躍使其與上一代的設計有很大區別。毫無疑問，自從大約15年前第一架第五代戰斗機投入使用以來，幾乎所有的設計學科都有了顯著的進步。不同的飛機制造商，包括空客，已經宣布他們目前正在構思或研究第六代戰斗機[1] [3]。與目前最先進的飛機相比，這些項目很可能在各個領域都有改進，如飛行性能、全方面和全模式隱身、低概率攔截雷達和通信或武器裝備。但問題仍然存在：什么將是這一代的決定性因素，一個真正改變未來戰斗空間的因素？

一個常見的假設是，未來的戰斗空間將是 "高度網絡化 "的，即所有參與的實體都可以交換他們的態勢視圖，并以近乎實時的方式創建一個共享的戰術畫面。一方面，這使得多個平臺在空間和時間上可靠同步達到了以前不可能達到的程度。許多算法，特別是發射器定位或目標測距的算法，如果能從多個位置產生測量結果，會產生明顯更好的效果。另一方面，高質量數據的可靠交換通過分配以前由單一平臺執行的任務，使戰術更加靈活。對作戰飛機的主要應用可能是所謂的合作交戰概念（CEC），這已經是美國海軍針對反介入/區域拒止（A2/AD）環境的海軍綜合火控-反空（NIFC-CA）理論的一部分[4]，但其他應用也是可能的，例如合作電子攻擊。所提到的概念主要適用于任務期間單一情況的短期范圍，例如偵察或攻擊薩母基地、空對空（A2A）作戰等。然而，就整個任務而言，還有一個方面需要提及。鑒于所有參與實體之間的可靠通信，規劃算法可以交換任務計劃變更的建議，并根據其目標和當前的戰術情況自動接受或拒絕。這在一個或多個不可預見的事件使原來的任務計劃無效的情況下特別有用，盡管所有預先計算的余量。與其估計一個替代計劃是否可行，并通過語音通信與所有其他實體保持一致（考慮到船員在某些任務階段的高工作負荷和參與實體的數量，這是一項具有挑戰性和耗時的任務），一個跨平臺的任務管理系統可以快速計算出當前任務計劃的替代方案，并評估是否仍然可以滿足諸如開放走廊等時間限制。然后，一組替代方案被提交給機組人員，以支持他們決定是否以及如何繼續執行任務。

將上述想法與現在可用的機載計算能力結合起來，由于最近在硬件和軟件方面的進步，可以得出結論，未來一代戰斗機將很有可能在強大的航空電子系統和快速可靠數據交換的基礎上，采用卓越的戰術概念進行作戰。然而，這還不是我們正在尋找的明確游戲改變者--甚至現有的第五代戰斗機已經應用了一些提到的概念，例如，在NIFC-CA背景下的F-35[4]。因此，下一步不僅要改進飛機的航電系統，而且要在完全網絡化環境的前提下連貫地優化航電、戰術和平臺設計。這種方法允許思考這樣的概念：如果得到網絡內互補實體的支持，并非每個平臺都需要擁有完整的傳感器套件和完整的決策能力。因此，不同的平臺可以針對其特殊任務進行高度優化，從而與 "單一平臺做所有事情 "的方法相比，減少了設計過程中需要的權衡數量。很明顯，一個專門的傳感器平臺不需要或只需要非常有限的武器裝備，因此現在可用的空間可以用來建造更好的傳感器或更大的燃料箱。這已經可以使該平臺專門從事的任務性能得到顯著提高，但有一樣東西可以去掉，它的影響最大：飛行員。在這一點上，必須明確指出，目前沒有任何算法或人工智能能夠接近受過訓練的機組人員態勢感知和決策能力。這就是為什么在不久的將來，人類飛行員在執行戰斗任務時將始終是必要的。然而，如果飛行員（或更準確地說，決策者）被提供了指揮無人駕駛同伴的所有必要信息，那么就不需要在同一個平臺上了。因此，我們提出了一個概念，即一個或多個載人平臺由多個無人駕駛和專門的戰斗飛行器（UAV）支持。在下文中，我們將把至少一個載人平臺和一個或多個由載人平臺指揮的專用無人機組成的小組稱為包。我們聲稱，由于以下原因，無人平臺將作為有人平臺的力量倍增器發揮作用：

• 無人機是可擴展的，而空勤人員是不可擴展的。因此，無人機可以執行高風險的任務，并允許采用只用載人平臺無法接受的戰術。

• 無人機更便宜（即使不考慮機組人員的價值），因為它們可以在性能相同的情況下比載人平臺建造得更小。這意味著，在相同的成本下，更多的平臺可以執行任務，更多的平臺會導致更高的任務成功率。首先，因為有更多的冗余，其次，如果有更多的資產參與其中，一些任務可以更好地完成，例如發射器的定位。

• 不同的無人機和載人平臺可以任意組合。在任務開始前，可以根據需要組成包。在任務期間，在某些限制條件下，也可以重新組合軟件包，例如，如果交戰規則禁止不受控制的飛行，則指揮平臺之間的最大距離。這使得任務規劃和執行有了更大的靈活性，預計也能保持較低的運行成本和材料損耗（"只使用你需要的東西"）。

像往常一樣，沒有免費的午餐這回事。在我們的案例中，所有上述優勢對飛機設計師來說都是有代價的。不是按照一組技術要求優化單一設計的性能，而是必須設計多個平臺及其子系統，使其在各種任務和組合配置中最大限度地提高整個系統的性能。在本文的其余部分，我們將介紹FCAS原型實驗室（FPL），這是一個在FCAS背景下開發的模擬環境，用于解決這一高度復雜的問題。在第2章中概述了它在概念設計和跨學科技術原型開發中的作用后，我們將在第3章中介紹底層動態多智能體任務仿真的概念和架構。在第4章中，我們將介紹選定項目的結果，以概述該工具的多功能性。本文最后將介紹可能是未來最大的挑戰之一，不僅對模擬，而且對一般的無人系統的引進。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

FCAS原型實驗室（FPL）：動態多智能體任務仿真

FPL的核心是一個動態多智能體任務仿真，可以在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺機器上，并使用不同的附加硬件組件。為了方便兵棋推演的進行，對人機界面技術進行原型測試，或用于一般的演示目的，模擬中的所有載人機載資產都可以選擇由硬件駕駛艙控制。如果沒有人類操作員參與，模擬必須能夠比實時運行更快。這對于在可能需要數小時的大規模任務中進行有效的開發和權衡分析尤為必要。為了以客觀和公正的方式評估概念和技術，每個模擬任務的過程都是由預先定義的系統屬性、物理效應的模擬和可配置的智能體行為和合作演變而來。不存在任何腳本事件，每一次新的模擬運行的結果都是完全開放的。藍軍和紅軍是在相同的假設下，以可比的抽象水平進行模擬。以下各章概述了如何在FPL中動態地模擬當前和未來機載系統的任務。介紹了我們的仿真結構，在對這類系統進行建模時最重要的設計權衡，以及行為建模的高層次規劃/低層次控制方法。

架構

FPL的仿真架構由三個邏輯部分組成：應用、仿真控制和通信中間件。該架構的一個核心特征是，模擬被分割成幾個應用程序。每個應用程序運行不同的模型，例如，有一個應用程序用于模擬自己的（藍色）航空器、敵方（紅色）航空器、綜合防空系統（IADS）以及更多的模型，如下所示。所有的應用程序共享相同的標準化接口，并且可以任意組合。這種模塊化允許只運行某個任務或項目所需的部分模型。所有的應用程序都是獨立的可執行文件，可以在同一臺計算機上以并行進程運行，也可以分布在幾臺機器上。通過交換編譯后的二進制文件，來自不同公司的模型的整合是可能的，而不會暴露詳細的基本功能。一般來說，不同公司之間的快速和容易的合作是FPL架構的一個主要驅動力。為此，提供了一個基礎應用類，它提供了所有與仿真有關的功能，如仿真控制狀態機、通信中間件接口和通用庫，例如用于不同坐標系的地理空間計算。通過簡單地實現一個新的基礎應用實例，新的模型可以被添加到仿真框架中。所有應用程序的執行都由一個中央仿真控制實例控制。它提供了一個圖形化的用戶界面，可以根據需要啟動、停止和加速模擬。在執行過程中，所有應用程序的運行時間被監控，仿真時間被動態地調整到最慢的模型。這使得分布式的比實時更快的模擬具有自適應的模擬時間加速。應用程序之間的通信是通過數據分配服務（DDS）標準[2]實現的。它使用發布-訂閱模式在網絡中實現了可靠和可擴展的數據交換。兩個不同的分區用于廣播仿真數據（如實體狀態、仿真控制命令等）和多播命令和控制數據（如通過BUS系統或數據鏈路實際發送的數據）。DDS標準的開放源碼實施被用來進一步方便與外部伙伴的合作。

圖1提供了我們的模擬架構的概況，包括大多數任務所需的應用程序。如前所述，這個架構并不固定，幾乎任何應用都可以根據需要刪除或交換。如黑色虛線箭頭所示，通過DDS中間件在仿真控制處注冊一個基本的應用實現，可以集成新的模型。藍色/紅色背景的方框描述了己方/敵方系統，混合顏色的方框可供雙方使用。仿真基礎設施組件的顏色為灰色，用戶界面的顏色為橙色。黑色箭頭表示模擬過程中的通信，灰色箭頭代表模擬運行前后的數據交換。

對于兵棋推演環節，不同的應用程序分布在FPL的多個房間內運行，以模仿真實的空中作業程序。在設置好一個場景后，藍方和紅方的操作人員使用任務配置工具，在不同的房間里計劃他們的任務。空中行動指揮官留在這些房間里，而飛行員則分成兩個房間，每個房間有兩個駕駛艙來執行任務。藍方和紅方空軍應用的任何飛機都可以從駕駛艙中控制，因此飛行員可以接管不同的角色，并相互對抗或作為一個團隊對抗計算機控制的部隊。所有房間都配備了語音通信模擬。任務結束后，各小組在簡報室一起評估任務，可以從記錄的模擬數據中回放。一個額外的房間配備了多個連接到模擬網絡的PC，可以選擇用于特定項目的任務，例如硬件在環實驗。

建模

為FPL選擇正確的建模范式事實上并不簡單，因為它涵蓋了操作分析工具（通常是隨機的）以及工程模擬（通常是確定性的或混合的）的各個方面。這個決定的影響可以用一個例子來說明，即如何確定一架飛機是否被導彈擊中。在隨機模型中，這個決定是基于可配置的概率，例如，被擊中的概率（導彈）和回避動作成功的概率（飛機）以及一個隨機數。為了使最終的任務結果對單一的隨機數不那么敏感，在實踐中經常用不同的隨機種子進行多次模擬運行。按照確定性的方法，導彈的飛出是根據導彈的發射方向、制導規律和固定的性能參數如推力、最大加速度等來模擬的。飛機在規避機動過程中的軌跡也是基于其初始狀態、空氣動力學、反應時間等。例如，當彈頭引爆時，如果導彈和飛機之間的距離低于某個閾值，那么飛機就會被認為被殺死。在一個確定性的模型中，在導彈發射時已經知道飛機是否會被擊中。確定性模型中必要的簡化通常是通過引入固定參數來完成的，比如導彈例子中的距離閾值。混合模型允許使用隨機數進行這種簡化，例如，作為失誤距離的函數的殺傷概率。

為了有效地測試和分析大規模的空中作業，在單臺機器上有幾十種藍色和紅色資產運行的情況下，模擬運行的速度至少要比實時快10倍（平均）。這對所用算法的時間離散性和運行時的復雜性提出了重大限制。為了保持快速原型設計能力，為新項目設置仿真或開發/集成新組件所需的時間應保持在較低水平。太過復雜的模型會帶來更多的限制，而不是顯著提高結果的質量。在這些方面，（更多的）隨機模型在運行時間和開發時間上都有優勢，更快。然而，在我們的案例中，有兩個主要因素限制了隨機模型的使用，使之達到最低限度。首先，模擬只有在給出他們的戰術和演習成功與否的確切原因時才會被操作者接受。此外，隨機模型是由數據驅動的，但對于未來自己和/或敵人的系統來說，所需的數據往往無法獲得。對于已經服役多年并在測試或實際作戰中多次射中的導彈，有可能估計其殺傷概率。然而，僅僅為未來的導彈增加這一概率是非常危險的，特別是因為隨機模型對這些參數非常敏感。從我們的觀點來看，通過將所有系統建模為基于技術系統參數的通用物理模型，可以實現對未來系統更健全的推斷。第一步，通過模擬已知技術和性能參數的現有系統，對模型本身進行驗證。對于未來的系統，技術參數會根據預期的技術進步、領域專家知識和他們的工具進行推斷。堅持最初的例子，未來戰斗機的回避機動性能的推斷，例如，基于從CAD和流體動力學模型計算出的更高的升力系數，或基于更高的導彈接近警告器的分辨率和靈敏度。

客觀評價未來概念在模擬中的表現的一個關鍵方面是環境和威脅的建模。必須考慮到，系統的方法在紅方和藍方都是有優勢的。現代國際防空系統的危險來自于結合不同的系統，從非常短的距離到遠距離。所有這些系統都有它們的長處和短處，但它們被組織起來，使個別的短處被其他系統所補償，并使整個系統的性能最大化。因此，第一個困難是必須對大量的系統進行模擬，并且必須確定這些系統的個別優勢和劣勢。通用物理模型的方法可用于這兩個方面。在通用防空系統模型被開發和驗證后，它可以迅速將新的系統整合到模擬中。根據模擬的物理效果，可以估計敵方系統的作戰優勢和弱點或未來可能的威脅概念。另一方面，使用通用模型的困難在于，必須將真實系統的功能映射到通用模型中，以便保留所有重要的單個系統屬性。這不可避免地導致了相當復雜和詳細的通用模型。我們將以地基雷達組件為例，概述我們平衡復雜性和保真度的方法。如圖2所示，IADS模擬中的一個實體由不同的組件組成。這些組件可以任意組合，以快速配置新系統。從功能角度看，地面雷達組件由控制器、探測模型和目標跟蹤器組成。根據實體的當前任務，控制器選擇所需的雷達模式，例如，360°搜索的監視或戰斗搜索，如果一個特定的部門必須優先考慮。為了對付干擾或地面雜波，可以使用不同的波形。根據雷達的類型，如機械或電子轉向的一維或二維，控制器有不同的可能性來適應搜索模式。在為一個波束位置選擇了波形的類型和數量后，探測模型根據目標、地面雜波、地形陰影、大氣衰減和電子對抗措施等方面的雷達截面模型，產生測量結果。測量誤差是由取決于隨機模型的信噪比引起的。由此產生的測量結果然后由目標跟蹤器處理，它執行測量-跟蹤關聯和跟蹤過濾。

這種詳細模型產生的另一個困難是必須估計的參數總數。在這一點上也要注意，模擬中的所有數據都是不受限制的。這一方面是由于大多數項目的限制，但另一方面，它在日常工作中也有實際優勢。我們必須牢記，模擬是用于概念驗證，而不是用于詳細的系統設計，所以在這個早期階段使用機密的威脅數據會對基礎設施和開發過程造成重大限制，而不會給結果帶來重大價值。基于此，所有的威脅數據都必須根據公開的來源或來自內部項目和外部合作伙伴的非限制性數據進行估算。這再次導致了大量的數據，而這些數據的詳細程度往往是非常不同的，或者是不一致的，例如，由于對限制性數據的去分類。隨著我們模型的不斷發展和多年來獲得的工程專業知識，我們有可能為不同的當前和推斷的未來威脅系統估計出一致的參數。這主要是在一個自下而上的迭代過程中完成的。根據現有的技術和性能參數，對缺失的模型參數進行估計以適應組件的性能。然后對單一系統的不同組件之間的行為和相互作用進行調整，以達到理想的系統性能。最后，在不同的情況下測試IADS內這些系統的協調，以使整個系統的性能最大化。

在不確定的情況下評估和選擇最合適的國防能力組合，一直是軍隊面臨的一個挑戰。這一戰略決策過程面臨著許多挑戰性的困難。它涉及到長期承諾、具有不同目標的多個利益相關者，以及廣泛的相互依賴的替代方案。盡管有現有的實踐，我們仍然缺乏一種能夠在不確定情況下評估和選擇武器系統和軍事人員組合的綜合方法。本科學報告開發了一種新的經濟方法，為戰略組合選擇提供信息。該方法得出了每項國防能力的平均經濟價值和將其納入國防組合的概率。進行了一個組合風險分析，以顯示結果對主要的不確定性來源有多敏感。一個假想的例子被用來說明這個方法。建議的方法在經濟上是合理的，在組合選擇上也是實用的。它將使決策者和國防分析人員能夠評估、優先考慮和選擇最佳的能力組合。

軍事組合決策涉及（1）多個目標，（2）復雜的替代方案，以及（3）許多不確定的變量。盡管有現有的實踐，但仍缺少一種在不確定情況下評估和選擇武器系統和軍事人員組合的綜合方法。為了最大限度地提高國防組合的整體價值并改善部隊結構組成，加拿大國防部（DND）已經開始開發企業成本模型（ECM）。ECM將使用建議的方法來評估候選能力的價值，對其進行優先排序，并確定加拿大武裝部隊可能采用的關鍵能力。至少確定了ECM的三個潛在用戶：助理副部長（財政）（ADM[Fin]）、助理副部長（物資）（ADM[Mat]）和盟國。通過使用ECM，這些社區也將從這項工作中受益。

引言

1.1 背景

選擇項目清單或武器系統組合的過程是一個戰略決策過程。它使軍隊能夠發展使未來部隊在戰略上具有相關性、在行動上具有響應性、在戰術上具有決定性的能力。在這個過程中，最合適的未來部隊選項是由應該實現的目標倒推到需要的目標來設計的。然而，選擇最合適的國防組合面臨著幾個復雜和極具挑戰性的困難（DND，2014）[1]。困難的主要來源包括但不限于：（Kangaspunta等人，2012 [2]；Tate和Thompson, 2017 [3]；Harrison等人，2020 [4]）。

多重目標--這些目標涉及多個利益相關者，他們有不同的偏好和相互沖突的目標。籌資決策不僅影響投資成本，還影響犧牲其他項目的機會成本。隨著關鍵利益相關者立場的不斷變化，通常不容易將這些與環境相關的目標減少到一個單一的維度，并找到一個共識的解決方案。目標和約束條件之間也存在著持續的二元性。決策者可能希望確定實現某一特定能力水平的最低成本，或者相反，在預算約束下確定可能的最高能力水平。

風險和不確定性--組合決策涉及長期承諾，其中許多變量是不確定的。這種不確定性的關鍵驅動因素是成本、進度和運營需求過程的結果。這些驅動因素之間的相互依賴使得風險分析更加困難。例如，一個項目執行中的任何變化都會對成本和進度的不確定性產生直接影響。任何成本的降低或進度的收緊都會增加結果的不確定性。此外，這樣的決定同時將生命、美元和時間置于風險之中，導致了對風險的復雜和不一致的態度。這種不確定性通常與其他幾個不確定性的來源結合在一起，如能力要求、預算和地緣政治局勢。

復雜的替代方案--選擇一個最佳的投資組合以達到預期效果或緩解特定的能力差距，在軍事部門不是一件容易的事。軍事投資組合決策涉及廣泛的相互依賴和重疊的備選方案。它們的影響往往是非線性的，并且取決于環境。它們的相互依賴程度一般很難描述。軍事選擇也是離散的和非二元的，這使得稀缺資源的優化更加困難。這些特點往往與既非線性也非加法的復雜成本函數結合在一起。

到目前為止，還缺少一種評估和選擇國防能力組合的綜合方法。為了在最有效地利用資源的情況下構建最合適的能力組合，首席財務官（CFO）責成加拿大國防研究與發展中心（DRDC）-運營研究與分析國防經濟團隊（DET）開發ECM（Morrisey, 2021）[5]。作為這項工作的一部分，我們進行了兩項研究以支持該項目。在第一個研究中，我們提供了一個評估和選擇能力組合的二元反應模型[6]。第二項研究通過能力組合風險分析[7]補充了最初的工作。這種新的隨機方法將蒙特卡洛模擬技術應用于二元反應模型。

1.2 目的

這項工作的目的是綜合參考文獻[6]和[7]中提出的前兩種能力組合評估和選擇方法。它有兩個相互關聯的主要目標：

• 開發一個完整的方法，該方法在理論上是合理的，并與國防能力組合建設實際相關；以及

• 說明該方法并演示其過程實現。

1.3 方法

建議的方法結合了或然估值法（CVM）的一個變種和投資組合風險分析來選擇能力組合。1963年，CVM在哈佛大學的一篇經濟學博士論文中得到實施。包括美國陸軍工程兵團在內的許多組織都使用了這種方法，并對所采用的方法的發展做出了貢獻（Hanemann, 1984 [8]; Cameron, 1988 [9]; Sokri, 2012 [10]）。我們的方法包括四個主要步驟，如圖1中的流程圖所總結的。首先是選擇能夠比較能力的主題專家（SMEs），最后是對備選方案進行排名并進行組合風險分析。

圖 1：主要方法步驟的示意圖。

1.3.1 選擇主題專家

這種方法成功的關鍵在于選擇有經驗的主題專家。正如過去所做的那樣，他們應該來自整個國防組織，并在分析能力的性質方面擁有廣泛的專業經驗。他們應該能夠比較能力并回答調查問題。這些問題將取決于每套能力（飛機、艦艇等）的性質。它們的范圍可以從戰略防御目標（例如，保衛國家及其盟友）到能力的技術措施（例如，規模、生存能力、范圍、持久性、響應性和互操作性）。

1.3.2 評估備選方案

如附件A所示，每個主題專家要求從每個標準的角度對每個備選方案進行0-100分的評分。每個主題專家還被要求(1)以0-100的尺度對每個備選方案進行總體評價，(2)決定該備選方案是否應被納入防御組合。如果主題專家決定將其納入，該替代方案將被賦予1的數值，否則為0。

1.3.3 估計回歸模型

分析師將從每個標準的角度使用0-100分的比率作為解釋變量。對于因變量，分析者有兩種選擇：（1）他/她可以使用一個非線性回歸模型，其中因變量只能取兩個值（即每個主題專家的決定），（2）他/她可以使用每個備選方案在0-100等級上的總體評價來計算 "提供的幾率"（而不是預測的幾率）。在這種情況下，分析員將估計一個線性回歸，其中因變量是賠率的自然對數（即對數）。

1.3.3.1 對備選方案進行排名

可以使用三種預測措施（產出）之一，對備選方案從最好到最差進行排名。(1) 它們被納入防御組合的概率，(2) 它們的幾率，(3) 它們的量化經濟價值。賠率是列入概率的一個增加函數。它們將提供相同的結果。經濟價值應該與它們呈正相關關系。這些衡量標準是根據專家們的評價進行統計推斷的。

1.3.3.2 進行組合風險分析

為了評價結果的穩健性，可以進行能力組合風險分析。進行這種風險分析可采用三種互補技術：（1）通過評估每個預測因素的邊際效應，（2）通過估計每個結果的三點估計值（樂觀、最可能和悲觀），以及（3）通過使用計算機模擬得出每個備選方案的風險狀況。關于這個方法步驟的更多細節，請讀者參考附件A。

建議的方法為能力組合的評估和選擇提供了更多的機會：

• 嚴謹性（基于合理的理論基礎）。
• 可靠性（以正確的評估為基礎）。
• 可復制性（明確的程序，而不是黑箱）；以及
• 一致性（方法步驟的一致性）。

由此產生的科學報告將為分析人員和決策者提供一個共同的基礎：

• 以一致的方式匯總若干評價標準。
• 用它們的價值來描述替代品。
• 對它們進行排名；和/或
• 將它們歸入預先確定的類別。

本報告分為七個部分。導言之后，第2節概述了能力組合分析領域的最新進展。第3節建立了所采用的二元模型，并指出其數學推導。它還說明了如何對一組候選能力進行估值和排序。第4節介紹并討論了一種新的能力組合風險分析方法。第5節提供了一個說明性的例子，使形式主義更容易被理解。第6節展示了建議的方法與一些傳統方法和投資規劃的聯系。最后一節提出了一些結論性意見。