由于固有的設計復雜性、無限的測試空間和缺乏自主性的具體措施，自主和協作無人系統的實施和測試具有挑戰性。這些挑戰限制了美國空軍部署和利用這些系統所提供的戰術和戰略優勢能力。這項研究在廣域搜索（WAS）場景中實例化了一個自主系統參考架構（ASRA），作為自主和協作系統的快速原型設計和評估的測試平臺。該研究旨在提供一個框架，以評估系統實現任務和自主目標的能力，開發可重復使用的自主行為，并開發可重復使用的協作決策算法。對于這項研究和對WAS任務的應用，自主性的衡量標準來自于自主系統的要求：響應性、穩健性和感知的準確性。自主行為，包括結合簡單（原子）行為的更復雜行為被開發出來，各種協作決策規則被定義。隨后的評估在四個場景中實施了立體實驗設計。按照嚴格的測試計劃，測試是在仿真中進行的，實現了自動測試和快速分析。測試結果被用來創建一個響應模型來描述系統，并進行多重響應優化，以確定一個最佳配置，在給定的目標密度下，使搜索面積、檢測百分比和感知精度最大化。

本文總結了關于自主軍事系統的測試、評估、驗證和確認（TEV&V）的挑戰和建議的部分文獻。本文獻綜述僅用于提供信息，并不提出任何建議。

對文獻的綜合分析確定了以下幾類TEV&V挑戰：

1.自主系統的復雜性產生的問題。

2.當前采購系統的結構所帶來的挑戰。

3.缺少測試的方法、工具和基礎設施。

4.新的安全和保障問題。

5.在政策、標準和衡量標準方面缺乏共識。

6.圍繞如何將人類融入這些系統的操作和測試的問題。

關于如何測試自主軍事系統的建議可以分為五大類：

1.使用某些程序來編寫需求，或設計和開發系統。

2.進行有針對性的投資，以開發方法或工具，改善我們的測試基礎設施，或提高我們勞動力的人工智能技能組合。

3.使用特定的擬議測試框架。

4.采用新的方法來實現系統安全或網絡安全。

5.采用具體的建議政策、標準或衡量標準。

在過去的十年中，計算和機器學習的進步導致了工業、民用和學術應用中人工智能（AI）能力的激增（例如，Gil & Selman，2019；Narla, Kuprel, Sarin, Novoa, & Ko, 2018；Silver等人，2016；Templeton，2019）。由人工智能促成的系統往往在某種意義上表現得很自主：它們可能會接管傳統上由人類做出的決定，或者在較少的監督下執行任務。然而，與武裝沖突期間的錯誤決定相比，一個真空機器人、一個高頻股票交易系統，甚至一輛自主汽車做出錯誤的選擇是可以通過糾正措施相對恢復的。軍事系統將面臨與民用系統相同的大部分挑戰，但更多地是在結構化程度較低的環境中運作，所需的反應時間較短，而且是在對手積極尋求利用錯誤的情況下。人工智能和自主軍事系統將需要強有力的測試，以保證不理想的結果，如自相殘殺、附帶損害和糟糕的任務表現是不太可能的，并且在可接受的風險參數范圍內。

為了自信地投入使用自主軍事系統（AMS），必須相信它們會對設計時可預見的問題和它們必須適應的不可預見的情況做出適當的決定。簡而言之，這些系統必須是熟練的、靈活的和值得信賴的。 當AMS要在狹義的情況下運行時（例如，要求一個 "智能"地雷在一天中的特定時間內施加特定的壓力時爆炸），要保證系統的行為符合要求就容易多了。它能遇到的相關不同情況的數量和它的行為反應（即其決策的狀態空間）都是有限的。擴大這個狀態空間會使保證更加困難。例如，一個自主的基地防御系統旨在根據目前的ROE用適當的武力來應對任何可能的威脅，預計會遇到更多的情況，包括設計的和不可預見的。要在這種情況下適當地運作，需要更多的靈活性，這反過來又要求系統更加熟練，允許它運作的人類更加信任。這些需求的相互作用是這些系統的許多T&E困難的一個核心驅動因素。

人工智能技術為美國防部（DoD）內的采購項目的測試和評估過程帶來了一系列的挑戰。首先，這些系統純粹的技術復雜性和新穎性可能難以駕馭。此外，美國防部的采購流程是在假設的基礎上進行優化的，而自主權可能不再成立（Tate & Sparrow, 2018）。例如，將承包商、開發和操作測試分開，假設我們有離散的、相對線性的開發階段，導致系統的 "生產代表 "版本。對于AMS來說，這可能不是真的，特別是如果它們在整個生命周期中繼續學習。此外，在我們擁有一個系統之前就寫需求，是假設我們事先了解它將如何被使用。因為AMS的熟練度、靈活性和可信度會隨著時間的推移而發展，并會影響人類如何使用或與系統互動，所以與標準系統相比，作戰概念（CONOPS）和戰術、技術和程序（TTPs）將需要與系統共同開發，其程度更高（Haugh, Sparrow, & Tate, 2018; Hill & Thompson, 2016; Porter, McAnally, Bieber, & Wojton, 2020; Zacharias, 2019b）。

然而，即使美國防部的采購流程被更新，美國防部員工用于測試和評估（T&E）的具體方法、工具和基礎設施將無法保證系統的性能達到預期。開發和設計工作包含了測試，通過內部儀器建立可測試性；提高軟件的透明度、可追溯性或可解釋性；對培訓和其他數據進行良好的管理和驗證，可以改善開發過程，同時也為測試和評估鋪平道路，但它們沒有被普遍采用。此外，能夠幫助項目克服所有這些挑戰的政策和標準要么缺乏，要么不存在。

什么是自主性？

自主性的定義繁雜眾多，有些定義對美國防部來說不如其他定義有用。許多定義包含了獨立、不受外部控制或監督、或與其他實體分離的概念（例如，牛津英語詞典，2020年）。然而，假設任何參與者將在沒有控制或監督的情況下運作，甚至是人類作戰人員，這與美國防部的政策和指揮與控制（C2）的思想相悖。不希望自主系統擁有選擇行動路線的完全自由，而是在其分配的任務中擁有一些受約束的自由。

與作戰人員一樣，可能希望與自主系統有一個C2或智能體關系。希望：1. 明確具體任務和/或整體任務的目標或目的，可能還有這些目標的更大原因，如指揮官的意圖（即做什么和為什么）。2.明確與任務相關的約束，如交戰規則（ROE，即不能做什么）。3. 不指定使用的方法或對每一種情況給出明確的應急措施，如對對手的反應做出反應（即如何完成任務）。

一個系統是否被授權為一項任務做出這些 "如何 "的決定，是本文將區分自主系統和非自主系統的方法。

在 "是什么"、"不是什么 "和 "為什么 "的限制下，為 "如何 "做出有用的、理想的選擇，假定了某種程度的智能。因為這些是機器，這就意味著存在某種程度的人工智能。需要人工智能來實現對非瑣碎任務的有用的自主性，這可能解釋了為什么人工智能和自主性經常被混為一談。在本文件中，我們將自主性稱為系統在其操作環境中的行為，而人工智能則是與該環境進行有意義的互動的 "內在 "促成因素。

在過去的二十年里，美國防部經歷了對無人機系統（UAS）的需求和依賴，以執行廣泛的軍事應用，包括情報、監視和偵察以及打擊和攻擊任務等。隨著無人機系統技術的成熟和能力的擴大，特別是在增加自主性的情況下執行行動的能力方面，采購專業人員和行動決策者必須確定如何最好地將先進的能力納入現有和新興的任務領域。為此，美國防部已經發布了多個無人系統綜合路線圖（USIRs），目的是建立一個 "未來25年的技術愿景"。此外，每個軍種都發布了類似的路線圖，強調自主系統不斷發展的作用（美國陸軍，2010年）、（美國海軍陸戰隊，2015年）、（美國空軍AF/A2CU，2016年）、（USIR，2011年）。然而，這些路線圖并沒有提供實際應用，說明如何能夠或應該將自主性納入旨在完成未來國防部任務領域的無人機系統平臺。因此，本研究以上述出版物的概念為基礎，從自主性的角度來描述無人機系統的能力，因為它們可能在未來的美國空軍軍事任務中實施。

這項研究采用了德爾菲法來預測未來20年的無人機系統任務領域，特別是在增加無人機系統自主執行此類任務的能力方面。德爾菲技術已被應用于許多類似領域，但在預測技術發展如何影響軍事行動方面取得了明顯的成功（Linstone & Turoff, 2002）。德爾菲技術使用的主題專家（SME）來自美國空軍社區的專業人員，他們負責無人機系統技術的日常操作、采購和研究。該研究使用了兩輪問題，以深入了解無人機系統社區認為最重要和可能被納入軍事任務領域的未來能力，以及不同的無人機系統社區如何看待自主性為軍事任務帶來的挑戰和機遇。

本頂點工程探討了系統理論事故模型和過程（STAMP）框架和系統理論過程分析（STPA）方法的適用性，以指導考慮 "海獵號（Sea Hunter）"無人艇未來改型所帶來的系統安全問題。作者從功能層次的高層次角度分析了海獵號的航行任務行為，討論了如何利用基本的STAMP/STPA來確定海獵號這樣的復雜系統的安全隱患和安全隱患休閑因素的具體步驟。利用STAMP/STPA方法，作者提供了一個功能層次的例子，說明在海獵號上的轉向系統的不同層次上涉及的潛在系統安全隱患。這個頂點討論了STAMP/STPA如何用于識別系統級的危險，識別不安全的控制行為，以及識別例子中的損失情況。美國海軍需要確保其評估能力可用于充分識別和評估自主武器系統（AWS）的安全隱患、安全隱患因果因素、安全控制和安全風險。AWS被定義為可以獨立選擇和攻擊目標的武器。STAMP/STPA是一種很有前途的安全分析方法；建議進一步檢查其在AWS背景下的適用性和效用。如果有益的話，這個工具集可以幫助美國海軍加速發展完全自主的技術。

這項研究確定了自主決策的維度（DADs）--在將決策能力轉移到智能自主系統（IAS）之前，人們應該考慮的潛在風險類別和原因。這項研究的目的是提供一些執行現有策略所需的工具，涉及法律、道德和軍事上有效使用IAS的問題。這些工具有助于識別并減輕或接受與使用IAS有關的可能導致負面結果的風險。這13個確定的DADs是由565個 "風險要素 "組成的綜合清單制定的，這些要素來自于支持和反對在武器系統中使用自主技術的各方所撰寫的數百份文件。我們將這些要素以問題的形式記錄下來，以便采購界在制定確保自主系統的道德使用的需求文件時使用，并由軍事指揮官作為風險評估清單，確保自主系統不會以不道德的方式使用。這樣，美國防部就可以在開發或部署自主系統之前做出完全知情的風險評估決定。

這項研究確定了自主決策的維度（DADs）--人們在將決策能力轉移到智能自主系統（IAS）之前應該考慮的潛在風險類別。這項研究的目的是提供一些執行現有政策所需的工具，涉及法律、道德和軍事上有效使用IAS的問題。這些工具有助于識別并減輕或接受與使用IAS有關的可能導致負面結果的風險。

本研究確定的13個DADs是由565個 "風險要素 "組成的綜合清單制定的，這些風險要素來自于全球支持和反對在武器系統中使用自主技術的人士撰寫的數百份文件。此外，這些風險項目超出了國防部目前的政策和程序，因為我們預計這些政策和程序會發生變化，而且自主技術會不斷發展。我們以問題的形式捕捉每個風險要素。然后，每一項都可以很容易地被修改為 "必須聲明"，供采購界在制定功能要求時使用，以確保合法和道德地使用自主系統。這種方法可以將人工智能（AI）倫理從一套主觀定義的、因而無法行動的政策和原則，提升為一套可衡量和可測試的合同義務。

軍事指揮官也可以將這些風險要素作為（可衡量和可測試的）行動前風險評估 "清單"，以確保自主系統不會以不道德的方式使用。這樣，國防部（DOD）在開發或部署自主系統之前就可以做出充分知情的風險評估決定。由于我們的研究結果是專門為在國防采購系統和軍事規劃過程中使用而設計的，它們為將有關自主系統的政策和道德原則轉變為實際的系統工程要求提供了第一步。

我們確定的13個DADs如下。

• 標準語義和概念：確保在自主系統的整個生命周期和不同的用戶群體之間使用共同的術語和概念，以防止因溝通不暢而產生的風險。

• 法律責任的連續性：確保人在任何時候都對IAS負有法律責任，在快節奏和動態的軍事行動中沒有責任的空白。

• 自主程度：確保可以對系統自主程度進行調整，以適應動態的操作條件，并與不斷變化的風險容忍度相匹配。

• 自主性的必要性：確保使用智能系統提供的軍事優勢（包括減少附帶損害的概率）與使用該系統帶來的任何額外風險相稱。

• 指揮和控制：確保采取所有切實可行的措施，防止失去對IAS的指揮和控制，并確保IAS能夠檢測和防止意外的后果，停用可能從事意外行為的系統。

• 存在不使用武力的人員和物體：確保IAS能夠識別并不以違反法律、政策或交戰規則的方式故意傷害人員或物體。

• 操作前審計日志：通過記錄數據、軟件、硬件、人員互動的出處以及從采購前開始到交付給車隊的過程，確保在采購期間對IAS的所有方面進行積極控制。

• 操作審計日志：確保記錄輸入、行動、互動和結果，以便進行操作后的分析，支持法律責任，分享經驗教訓，并對未來的戰術、技術、程序和技術進行改進。

• 人機合作：確保行使人的判斷力（特別是在涉及使用武力的時候）。

• 測試和評估的充分性：確保在測試和評估過程中最大限度地體現所考慮的作戰環境的深度、廣度和復雜性。

• 自主性培訓和教育：確保每個與開發和使用IAS有關的人都充分了解其屬性，以履行其責任，避免非法和不道德的使用。

• 任務時間和地理范圍：確保任務的時間長度和空間范圍不會使任務前的風險評估和規劃因素失效。

• 公民權利和自然權利：確保人工智能系統在用于致命性自主武器以外的其他用途時，在設計上既能保障公民權利和自然權利，又能識別和減少自主系統中有時出現的偏見。

本研究就如何最好地利用13個DAD及其565個風險要素，積極推動國防部人工智能倫理原則從闡述階段進入實施階段，提出了六項建議。

• 將道德使用促進因素的存在作為IAS的強制性關鍵性能參數：將道德原則轉化為可衡量和可測試的合同義務。

• 將國際會計準則風險緩解清單納入理論和規劃：提供必要的理論基礎，使國際會計準則相關的風險評估成為長期戰略和短期業務規劃的強制性組成部分。

• 維護權威性和標準化的聯合自主風險要素清單（JAREL）：將565個風險要素清單轉化為主要工具，以可重復和可調整的方式實施與國際會計準則有關的道德原則。

• 最大限度地公開JAREL：促進公眾對國防部使用國際會計準則的信任，提高國防部利用和吸引國際會計準則開發隊伍的能力，提高美國吸引盟友和合作伙伴的能力。

• 重新構想 "定義 "標準術語的方法：消除在道德相關政策中使用定義不清或未定義的主觀術語所造成的實施障礙，這些術語容易被誤解或產生不同的解釋。

• 創建一個研發組合：提供能夠符合道德規范的國際會計準則的技術。

最后，我們的研究結果支持國防部通過采取透明的方法來實施國防部人工智能倫理原則，對人工智能的道德使用做出承諾。為了證明這種透明度，本研究的發起人同意公開這份報告。這樣做可以減少參與戰爭系統中人工智能開發和使用辯論的許多組織和社區所做的聲明和意圖的誤導、誤傳和誤讀。

在過去的半個世紀中，美國海軍一直是海上的主導力量，但技術的進步使其他國家有能力縮小差距，并在某些情況下威脅到美國的優勢。美國海軍、海軍陸戰隊和海岸警衛隊是保護海洋領域的三位一體力量。一個潛在的脆弱領域是在瀕海環境中。然而，新興的商業技術，如5G，可以擴大該環境中的系統和能力的足跡，供海軍部門使用。私營部門已經在開發5G最先進的資源方面處于領先地位，這使得載人和無人系統能夠完成更多任務。海軍部門實施商業可用系統的一個長期障礙是國防部希望成為其采用的任何系統的所有者和經營者。在海軍行動中利用現有商業系統的一個好處是在不開發全新系統的情況下提高能力。這篇論文探討了美國海軍部門使用商業5G技術的當前和預測能力。本研究對5G毫米波進行了測試。本論文還研究了一個理論上的新系統，它整合了商業系統以滿足海軍的要求。

引言

電信技術的發展速度超過了美國（U.S.）軍隊測試和評估作戰用途的速度。在整個國防部（DOD）中不斷出現的一個流行語是 "5G"，許多人認為第五代蜂窩技術可能被用來加強國家安全。5G技術可以在國防部各部門內開發和運行，但以前的采購和政策減緩了實施的機會。商業部門不受這些相同政策或限制的限制。商業部門收集的專業知識和經驗使他們能夠以更快的速度構建和測試最新技術，使國防部可以隨時利用技術。國防部可以使用5G的一個領域是在沿海地區。

在過去的半個世紀里，美國一直是海上的主導力量，但隨著技術的進步，對手國家已經取得了巨大的進步，擴大了他們的影響力，威脅著美國的主導地位。在《海上優勢的設計》中，海軍作戰部長（CNO）反思了這樣一個事實："自從我們上次爭奪海上控制權、海上交通線、進入世界市場和外交伙伴關系以來，已經過去了幾十年"（海軍作戰部長，2018）。3-32號出版物將 "海洋領域描述為大洋、海洋、海灣、河口、島嶼、沿海地區，以及這些地區上方的空域，包括沿岸地區"（參謀長聯席會議，2013年，第viii頁）。隨著海軍、海軍陸戰隊和海岸警衛隊在海洋領域的近岸地區的責任增加，沿岸地區被認為是一個缺乏適當關注和資源的地區。這是一個問題，因為海軍部門在沒有新的資金來開發新的戰術、技術和程序以應對潛在威脅的情況下，監測和檢測有爭議的環境中的可信威脅是一個挑戰。利用5G的下一代電信，應該能夠增加范圍和數據吞吐量，并具有低延遲率，從而提高海軍行動的海洋領域意識（MDA）能力。

這項研究的目的是開始探索5G在沿岸環境中的能力，并從理論上提出一個作戰概念（CONOPs），即各種商業智能自主系統（IAS）可以利用安全的5G系統網絡（SOS）來應對該領域日益增長的競爭者能力和威脅。這種潛在的游戲規則改變可以減輕海軍部門建立和維護獨立5G系統的心態，根據任務要求利用現有的商業基礎設施。美國防部可以通過轉向這種在沿海地區加強MDA的新方式來潛在地節省資金、時間和資源。本研究針對的研究問題是：

• 沿海環境中的5G互聯商業系統如何影響各種任務集的海洋領域態勢感知？

• 海軍部門如何從5G商業概念的系統中獲益？

• 這個框架是否可以在全球范圍內部署？

• 海軍部門利用商業5G框架所需的要求和條件是什么？

通過這些問題的指導，對沿海環境帶來的挑戰的洞察力浮出水面，并探討了啟用5G的IAS系統可以通過可能的解決方案來彌補差距的方法。

論文提綱

第二章：文獻回顧。第二章提供了國防部的政策概述，包括對當前和未來技術進步的限制以及5G如何從商業方面創造機會。本章最后概述了本論文的主旨，描述了在沿海地區擴展安全的5G網絡的能力，并納入了支持智能自主系統的私營部門解決方案，以潛在地支持海洋領域意識。

第三章：方法論和系統描述。第三章說明了使用AT&T在海軍研究生院（NPS）海陸空軍事研究（SLAMR）設施上的新的5G毫米波（mmW）塔的初步設計，以建立不同地點的吞吐量，幫助促進基線，因為測試增加到沿岸地區。這一章還匯集了一個行業聯盟的CONOP，分解了不同的系統，可以應用于SOS 5G概念。

第四章：測試結果和服務適用性。第四章描述了在SLAMR設施進行的不同應用測試的結果。還包括如何應用先進技術來加強海軍服務，以提高情況意識，并為作戰人員提供改進的決策的細節。

第五章：結論和未來研究。第五章概括了本論文的制作，分析了海軍部門利用商業安全海上5G作為開發和擁有自己的5G網絡架構的替代方案的CONOP的能力。本章還包括了對未來工作的建議，以便從CONOP轉向概念驗證。此外，還討論了國防部內其他潛在的技術研究項目，簡要地描述了國防部的進展方向。

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。

摘要

本研究論文使用問題解決框架，研究了美國武器系統如何在采購生命周期的操作和支持階段陷入持續的陳舊和停滯循環，并提供了解決這種情況的方案。一些美國武器系統保持著它們最初在幾十年前投入使用時的能力。關鍵的發現，如厭惡風險的文化、系統要求低于計劃目標備忘錄的切割線、對財務指導的誤解、嚴格的維持法規、繁瑣的采購流程以及高于必要的決策，都被認為是導致根本問題的原因。這篇研究論文提出了幾個解決方案，解決了部分包容性的問題。對解決方案的整體可行性、對作戰人員的好處以及與實施相關的任何潛在風險進行了權衡。最后的建議包括鞏固和利用財務條例對作戰人員的好處，允許增加運營和維護資金的靈活性，允許在F3I重新設計中增加靈活性和性能，盡可能利用領先的商業技術，以及改變維持的心態，從保持準備狀態到保持相關性。結論強調，美國空軍在技術上落后于近似對手，高級領導人必須像對手一樣思考，以確保美國的法規不會抑制空軍比敵人更快地穿越OODA循環的能力。

引言

自朝鮮戰爭以來，美國在每次交戰中都保持著空中優勢；然而，一些跡象表明，空中優勢在未來的沖突中可能不再有保障。據報道，他們最新的S-500防空導彈系統成功擊中了近300英里外的目標。中國在過去十年中對其軍事進行了大量投資，現在已經達到了一個關鍵的自信點。

這個問題可能源于美國如何運作和資助其軍事項目。美國空軍將 "維持 "定義為維持一個武器系統的現有基線能力。任何改進武器系統超過其現有性能閾值的手段都被認為是開發工程的努力，需要從研究開發測試和評估（RDT&E）撥款中獲得資金。許多系統一旦投入使用就不會獲得RDT&E資金，通常在其生命周期的剩余時間內由運營和維護（O&M）撥款資助。由于對現行財務條例的嚴格解釋，財務經理通常會拒絕使用運營和維護資金來提高系統能力和應對不斷變化的威脅的創造性努力。這使得綜合產品小組（IPTs）沒有什么選擇，只能對他們的武器系統進行意義不大的改變，以保持它們在操作上的相關性。

美國不僅在做錯誤的財務決定，而且在做這些決定時也很緩慢。在過去的幾十年里，采購時間周期已經增加。據美國空軍高級領導人目前的估計，從授予合同到投入使用一個系統的時間超過10年。美國的對手在采購周期上的運作速度至少是其兩倍。在過去的二十年里，一些主要的國防采購項目（MDAP）已經被取消。事實上，國防部（DOD）已經在那些永遠不會投入使用的項目上花費了超過460億美元。

為了解決這個問題，新的倡議，如第804條快速采購和破解國防部5000號文件正受到相當大的關注。雖然它們不能解決撥款問題，但它們試圖縮短采購時間周期。在幾十年來成本成為采購決策的主要因素之后，速度現在被強調為主要考慮因素。使用問題/解決方案框架，本文將研究美國武器系統是如何陷入陳舊和停滯的循環中的，以及可以實施哪些解決方案來有效維持美國武器系統。

本文將首先闡明這個問題，描述綜合維持活動組（CSAG）和空軍維持中心（AFSC）內的幾個低效的供應鏈政策。然后，它將討論系統過時和對商業技術的依賴，接著是國防部緩慢的采購過程。問題部分最后將詳細分析當前的撥款限制以及美國空軍的幾個文化問題。

解決方案部分將首先定義具體的評價標準。該文件將提出幾個潛在的解決方案，以及建議的行動。然后將根據規定的標準對每個解決方案進行詳細評估，包括實施中的任何潛在風險。還將討論其他被考慮但未被推薦的解決方案。最后，本文將對問題進行快速總結，提出最終建議，以及為什么這項研究與美國空軍有關。