無人駕駛飛行器（UAV），尤其是電動多旋翼飛行器，在娛樂、運輸、物流和軍事領域越來越受歡迎。在撰寫本報告時，這些飛行器的主要缺點之一是，由于電池技術的限制，其續航能力有限。克服這種局限性的一個常用方法是使用多個飛行器合作實現某個目標。無人駕駛飛行器的這種應用被稱為蜂群，多個飛行器可以協調行動，以一定的隊形飛行，進入某個具有挑戰性的區域，或飛得更遠。與任何多組件系統一樣，蜂群的復雜性意味著存在多個故障點。高度復雜的實時協調飛行機制所帶來的任何不確定性風險都是安全關鍵行業所無法接受的。關鍵故障的后果可能是重大的生命損失、財產損失或環境危害。要擴大無人機群的使用范圍，確保無人機群的正確行為是必須解決的首要挑戰。模型檢查是驗證系統正確性的最可靠技術之一，它可以通過系統檢查所有可能的狀態來驗證系統的行為。系統驗證基于高級模型表示法，可以抽象出實現細節。由于需要投入大量時間和資源，這種軟件開發方法并不常用。本文介紹的工作提出了一個框架，用于對具有共同目標的代理分布式系統進行建模、驗證并提供正確性證據。具體來說，該框架展示了一個部分自動化的過程，將 UPPAAL 模型檢查器中建模的系統在機器人操作系統（ROS）環境中實現。目標系統是一個由無人機組成的蜂群，在通過共識協議實現領導者-追隨者分層結構的同時，飛向指定的目標位置。本文提供了將 UPPAAL 結構映射到 ROS 結構的算法表示。最后，還在 Gazebo 3-D 機器人模擬器中模擬了無人機任務的 ROS 實現。

美國海軍陸戰隊正在全面采用無人自動化和半自動化資產。這些平臺將影響指揮鏈中的每一個人--從山頂上的班長、巡邏的排長，到監督所有戰場要素的營級作戰軍官。由于戰爭本質上仍然是人類的努力，因此在戰場上引入機器需要各級人員的團隊合作，以確保在未來的殺戮戰場上取得成功。要將這些資產整合到海軍陸戰隊的作戰行動中，就需要強有力的人機團隊合作（HMT），以保持海軍陸戰隊的競爭優勢。隨著越來越多的無人機和地面資產投入實戰，海軍陸戰隊的每項行動都需要不同程度的人機協作。雖然海軍陸戰隊的所有作戰功能都將受到這些資產的影響，但指揮與控制（C2）功能需要立即引起重視。本論文作者介紹了一個 C2 框架，它將幫助甲板上和作戰單元中的海軍陸戰隊員在 HMT 決策空間中做出正確的決策。該框架以 C2 理論、認知負荷理論以及最重要的相互依存關系為基礎。此外，作者還進行了知識增值（KVA）分析，以展示革命性技術在重新設計海軍陸戰隊熟悉的流程時所帶來的增值。

無人駕駛航空系統（UAS）能力在商業領域的擴散對民用和軍用設施的傳統周邊防御構成了潛在的重大威脅。特別是現成的商用無人機系統，體積小、價格低、功能多，引起了愛好者越來越大的興趣，也增加了設施面臨的風險。因此，設施指揮官現在需要一種方法，對設施面臨的直接威脅進行快速評估和分析，以確定設施反無人機系統（CUAS）的有效性。按照系統工程方法，本研究提出了一種方法，提供了對設施進行評估和分析的逐步過程，并采用基于模型的系統工程（MBSE）工具來評估 CUAS 的有效性和局限性。該方法分析了 CUAS 的作戰環境以及 CUAS 可能對作戰區域內其他利益相關者（如相鄰的盟軍兵力、平民等）產生影響的方式。然后，我們確定優化 CUAS 性能的候選配置，以滿足利益相關者的要求。我們將對一個擁有現有 CUAS 的假設機場進行案例研究，以展示該方法的可用性，探索候選配置，并證明實施符合設施和利益相關者要求的候選配置是合理的。

近年來，無人機系統（UAS）技術突飛猛進，激發了業余愛好者對無人機系統的興趣，并促使他們將無人機系統用于娛樂用途。此外，每個國家或軍事組織都能負擔得起和使用無人機系統。雖然目前正在實施飛行法規，要求無人機系統運營商提供所有正在運行的無人機系統的歸屬信息，但許多業余愛好者仍然不提供此類信息，而且可以預計邪惡的行為者也不會提供無人機系統的來源標識。因此，僅僅要求識別無人機系統還不足以保護機場等大多數設施免受無人機系統的入侵。此外，如果設施無人看守，無人機系統入侵的后果可能是災難性的。例如，如果無人機系統在起飛過程中進入飛機發動機或撞上油箱，這種事件可能會造成人員傷亡，對運營造成巨大干擾，并對基礎設施或資產造成昂貴的維修費用。

無人機系統旨在執行對人類來說 "枯燥、骯臟或危險 "的各種任務[1]。無人機系統技術發展的主要能力驅動因素是，在執行情報、監視和偵察（ISR）、人道主義援助和救災（HADR）以及精確打擊等危險任務時，人們對軍事力量保存工作的興趣與日俱增。隨著無人機系統技術在過去幾十年的成熟，商業部門看到了將無人機系統應用于基礎設施檢查、交通監控、投遞和氣象等商業活動的機會。對軍事和商業部門都有利的是，在無人機系統領域實施開放式架構獲得了重大創新，從而不斷加快無人機系統的技術進步，使其具有革命性的潛力。商用現成（COTS）無人機系統或小型無人機系統通常提供攝影、攝像和自我組裝套件等功能，吸引著各個領域的愛好者將無人機系統用于娛樂目的[2]。然而，隨著無人機系統的技術發展和廣泛采用，軍事和商業部門都面臨著巨大的風險[3]，[4]。

對設施、基地、機場、關鍵基礎設施和類似設施而言，非惡意無人機系統的主要風險是失控和碰撞。失控可能會對關鍵資產造成重大損壞或對人造成傷害，并可能產生高昂的成本來修復基礎設施損壞和治療嚴重傷害。例如，業余無人機系統操作員可能會嘗試拍攝停靠的客機視頻作為其業余愛好的一部分，但由于信號超出范圍問題而無意中失去控制，這可能會導致與即將起飛的客機相撞。由于大多數無人機系統的所有者都是業余愛好者，他們中的許多人在控制無人機系統方面沒有受過訓練或缺乏經驗。現有的法規和政策無法在允許業余愛好者駕駛較小的無人機系統之前跟蹤他們的操作熟練程度。雖然敏感區域周圍設有禁飛區，但由于業余愛好者可能不了解他們可能造成的損害，每年仍會發生少數事件。機場、軍營和基地、政府大樓和監獄等設施在應對無人機系統時已經遇到了上述安全困境[5]。此外，邪惡的無人機系統活動構成了更大的威脅，盡管迄今為止，在全球范圍內，除戰爭活躍地區外，此類事件相對較少。

各設施迫切需要采用反無人機系統（CUAS）來主動保護其資產和安全。為有效對抗無人機系統，CUAS 需要多個傳感器來探測、識別和分類無人機系統，然后再使用攔截器擊落無人機系統。然而，CUAS 系統的內部和外部存在多種因素，可能會削弱 CUAS 的有效性，設施指揮官必須采取相應的緩解措施[6]-[8]。設施指揮官面臨的一大挑戰是如何在與無人機系統的技術競賽中保持領先。

現有研究主要關注 CUAS 和 UAS 系統的技術能力，而沒有從更廣泛的系統工程角度進行研究。本論文的研究采用了系統工程視角，以支持設施指揮官了解設施在應對當前和新出現的無人機系統威脅時可能存在的薄弱環節，并平衡 CUAS 的能力與鄰近利益相關者的需求[9]。第 2 章中提出的方法允許設施指揮官通過評估和分析探索可能的 CUAS 空間，以確保 CUAS 針對快速出現的無人機系統威脅進行優化并具有相關性。

圖 擬議方法概述。該方法可用于設施指揮官分析現有 CUAS 系統的有效性，找出 CUAS 系統能力差距，提出 CUAS 系統升級建議，并提供 CUAS 系統設計審查。

技術進步所帶來的進攻技術為對手提供了威脅聯合部隊和盟軍作戰優勢的機會。要與這些新方法作斗爭，就必須不斷快速發展自己的 "改變游戲規則 "的技術。通過重點發展無人系統和自主性，空軍可以努力保持其技術優勢。此外，創建一個強大的框架，能夠測試和評估定義自主性的原則，從而探索未來的能力。本研究介紹了反應/慎思混合架構的發展情況，該架構將允許對任務、認知和同伴靈活性原則進行測試。具體來說，這項研究探索了多機器人系統中的同伴靈活性，以多機器人混合架構（HAMR）作為框架基礎，解決定位問題。為完成這一任務，結合車輛感知和導航工具對運行環境進行推斷。然后，這些推論被用于構建因子圖，而定位的核心算法就是在因子圖的基礎上實施 iSAM2，這是一種高性能的增量矩陣因式分解方法。統一行為框架（UBF）是該框架中單個車輛控制的一個關鍵組件，它是一種基于行為的控制架構，使用模塊化仲裁技術生成動作，從而實現執行器控制。此外，還通過使用容器對世界模型進行分隔，以盡量減少通信開銷并簡化狀態信息。該平臺的設計采用了多態方法，以實現模塊化和魯棒性，從而促進未來的發展。

最近無人駕駛飛行器（UAV）能力的進步導致對蜂群系統的研究越來越多。然而，無人機群的戰術應用將需要安全通信。不幸的是，到目前為止的努力還沒有產生可行的安全通信框架。此外，這些系統的特點是有限的處理能力和受限的網絡環境，這使得許多現有的安全群體通信協議無法使用。最近在安全群組通信方面的研究表明，消息層安全（MLS）協議可能為這些類型的系統提供一個有吸引力的選擇。這篇論文記錄了MLS與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）無人機群系統的整合情況。ARSENL的實施是為了證明MLS在安全蜂群通信中的功效，是一個概念驗證。實施的測試結果是在模擬環境中進行的實驗和用物理無人機進行的實驗。這些結果表明，MLS適用于蜂群，但需要注意的是，測試中沒有實施交付機制以確保數據包的可靠交付。對于未來的工作，如果要維持一個可靠的MLS系統，需要緩解不可靠的通信路徑。

引言

目前，無人駕駛飛行器（UAVs）的進步已經導致了對蜂群能力的研究。目前，多無人機群已被建議或用于一系列廣泛的應用，包括但不限于： 1：

• 攝影 [1］
• 電影制作[1]。
• 野火監測[2］
• 農業[1], [3]
• 遙感和測繪[4］
• 環境監測 [5］
• 建筑 [6］
• 無人機送貨服務 [7］
• 自然災害管理和恢復 [8］
• 軍事行動和防御 [9］

無人機群的戰術利用將取決于安全通信。不幸的是，單個蜂群平臺的處理能力有限，而且蜂群系統通常依賴于帶寬有限且可能不可靠的通信框架。這些限制使這些系統滿足安全要求的能力受到質疑。

以前的設備群通信安全方法不太可能適用于現有或設想中的蜂群系統。然而，最近對安全群組通信的研究表明，消息層安全（MLS）協議[10]可以提供一個有吸引力的選擇，其特點似乎特別適合這些類型的系統。該協議提供了一種有效的計算方法來實現異步安全的群體密鑰管理，但需要在現實的系統中進行實驗，以評估該協議在這些計算和通信有限的環境中的功能。這項工作是在海軍研究生院（NPS）高級機器人系統工程實驗室（ARSENL）的無人機群中實施MLS協議，以保護特定的信息流。

1.1 問題說明

NPS ARSENL開發并利用了一個無人駕駛飛行器（UAV）群系統，該系統已經成功地演示了多達50個UAV[11]。盡管這種能力為軍事行動提供了巨大的潛力，但ARSENL系統缺乏最終在現實世界中使用所需的通信安全功能。本論文在ARSENL蜂群系統上實現了MLS，以評估其對此類系統更廣泛的適用性。

MLS提供了一些與多無人機系統特別相關的能力。MLS提供了一個動態添加和刪除成員的機制，同時不斷地在群組成員之間提供安全的通信。由于無人機群成員可能是高度動態的，添加和刪除群成員是很重要的能力。隨著蜂群規模的增加，群體安全協議必須有效地擴展。同樣有利的是，MLS協議有利于強制移除已經被劫持的、被破壞的或發生故障的無人機。在這些情況下，該協議為小組提供了更新通信密鑰的手段，以排除被破壞或故障的無人機。本論文旨在解決以下問題：

1.MLS協議能否適用于ARSENL無人機群的使用？

2.MLS對ARSENL無人機群的性能有何影響？

3.ARSENL無人機能否加入群組并與群組的其他成員安全地進行通信？

4.小組密鑰是否能夠通過不可靠的ARSENL蜂群網絡定期更新？

5.在出現紕漏或其他標準的情況下，是否可以將無人機從ARSENL群中移除，不再解密信息？

1.2 范圍

在本論文中，研究了在NPS ARSENL無人機群中使用MLS作為一個連續的組密鑰協議。來自MLS GitHub倉庫[12]的社區維護的C++代碼被調整為納入ARSENL蜂群系統代碼庫。特別是，MLS組的密鑰更新、成員添加和成員刪除等操作被實現和測試。該研究包括分析MLS協議的使用對ARSENL蜂群性能的影響。指標包括各個無人機之間的數據包傳輸和接收率、可擴展性和時間。

1.3 論文組織

本文的其余部分分為四章。第二章提供了理解MLS和無人機群的必要背景信息。這包括討論多無人機群和常見的群組通信架構，ARSENL群組系統，以及潛在的安全通信方法，包括成對和分組協議。本章最后討論了MLS和它是如何工作的。

第三章描述了代碼開發過程。它首先總結了ARSENL機載軟件的機器人操作系統（ROS）框架和用于實現MLS功能的C++應用編程接口（API）。然后，本章討論了代碼的實現，包括代碼概述和討論將MLS集成到ARSENL蜂群中的經驗教訓。

第四章討論了MLS實現的實驗，并分析了它對各個ARSENL蜂群平臺的影響，這些影響受蜂群大小和密鑰更新率的影響。本章包括對測試過程的描述和對結果的描述。

最后，第5章提供了一個結論，包括本研究的意義和對未來工作的建議。

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。

人工智能（AI）在過去十年中在全球技術市場中占據領先地位，觸及工業的各個領域的應用，從人們熟悉的智能家電和消費電子的例子到國防。美國和中國代表著世界上最大的兩個經濟體。兩國都在參與人工智能技術競賽，在全球市場和戰場上實施這項技術。

中美人工智能技術競賽在兩個方面給美國帶來了困境：經濟和國防。如果中國成功地創造出完全自主的人工智能無人機并在全球市場上傳播，它將擁有經濟和戰場上的優勢。人民解放軍（PLA）武器庫中的完全自主的人工智能無人機將提供戰斗空間的實時畫面、先發制人的優勢、拒絕向鄰國開放水域和領土、控制貿易路線和有爭議的島嶼，并對美國在印度太平洋司令部（INDOPACOM）的全球力量投射產生負面影響。本論文試圖研究人工智能如何代表全球經濟和戰場上的關鍵因素，它在印度洋司令部能發揮什么具體功能，以及美國如何在與中國的競爭中贏得這場競賽。

在國家間的競爭中，擁有技術優勢的國家在歷史上能夠獲得優勢，盡管代價是破壞國際關系的穩定。這在歷史上表現為火藥、飛機、化學武器、英格瑪機、雷達、核武器和衛星的發明。在冷戰后和21世紀之交，常規威脅已經發展到新的技術領域。除了美國防部（DoD）公認的陸、海、空領域之外，還增加了兩個新的層面：太空和網絡空間。太空領域包括衛星和高超音速巡航導彈，以取代舊的彈道系統；網絡領域，隨著萬物互聯（IoE）的發明，保護國家免受黑客攻擊、商業機密和知識產權（IP）的盜竊。隨著網絡和太空領域的發展，空中領域現在采用了遙控飛機（RPA）作為無形的智能體。此外，新出現的人工智能（AI）技術，以其顯著的適應性，將把空域推向比RPA今天提供的更多的自主性。盡管人工智能的理論基礎可以追溯到20世紀50年代（Anyoha，2020年），但直到公開展示機器在某一特定領域超越人類智力時，它才成為一個討論的話題。

幾個世紀以來，計算科學已經從算盤發展到二進制邏輯，再到現代計算機，并繼續在私人和政府部門蓬勃發展。美國面臨的安全困境是，如果中國在人工智能技術方面的進步超過了美國，然后中國將其軍事化，美國將再次站在英格瑪機器和斯普特尼克的錯誤一邊。它將被留在另一個行為者的能力和意圖不確定性的斗篷中，其可能將美國從印度-太平洋地區的戰區中取代。

人工智能技術競賽與美國的核戰爭理論和太空競賽并不完全相同。因為這項技術在私營部門的應用非常廣泛，并不專屬于國防工業，所以需要一個更窄的形式。狹義的人工智能（NAI）對于它所構建的特定任務是獨一無二的。與物聯網類似，NAI的政策是基于每個國家如何實施的。人工智能與軍事技術的結合，國家關于人工智能的理論，公共和政府部門的貨幣投資，以及實現人工智能優勢的國內政策都特別有趣。這項技術具有巨大的力量潛力，國家可以利用它來對付他們的對手。研究它的軍事潛力并制定防御戰略以維持力量平衡，對于美國，尤其是印度太平洋戰區來說是當務之急。這篇論文研究了美國和中國是如何建立和維持它們的力量的。

第二章介紹了人工智能的概念，并概述了目前美國消費類電子產品和使用人工智能功能的電子產品的市場價值，讓讀者對這一新興技術有一個貨幣視角。它還定義了人工智能在國防方面的作用。

第三章回顧了全球化社會中技術競爭的廣泛概念，并介紹了中國作為一個崛起的大國和國際競爭者的地位。它描述了為什么這種技術從個人到國家的角度都很重要，這種技術競賽與太空競賽有什么不同，并從廣泛的地緣政治方面研究了中國是什么樣的行為者。

第四章研究了軍事航空如何納入NAI以及自主無人機將如何改變戰斗空間。本章重點關注美國已經在進行的具體人工智能進展，并將其應用于空域，以解釋天空中的狹義人工智能是如何成為首次打擊和保持對對手的戰略優勢的關鍵。

第五章對比了美國和中國為贏得這場技術競賽所追求的架構設計。這些對比包括每個國家的立法和基礎組織，知識產權保護，以及政府與私人產業和教育部門在實現人工智能首要地位方面的互動。

第六章從風險投資（VC）與政府支出的角度分析了人工智能的融資，討論了國防部門的人工智能技術的收購過程，并比較了每個國家之間的現有貨幣數據。

第七章研究了在沒有關于在戰場上使用完全自主性的國際交戰規則（ROE）的情況下，狹義的自主人工智能無人機如何呈現出錯綜復雜的道德困境。

為了面對軍事防御的挑戰，軍隊及其戰術工具的現代化是一個持續的過程。在不久的將來，各種任務將由軍事機器人執行，以實現100%的影響和0%的生命風險。國防機器人工程師和公司有興趣將各種戰略自動化，以獲得更高的效率和更大的影響，因為陸地防御機器人的需求正在穩步增長。在這項研究中，軍事防御系統中使用的陸地機器人是重點，并介紹了各種類型的陸地機器人，重點是技術規格、控制策略、戰斗參與和使用目的。本研究還介紹了陸地機器人技術在世界軍事力量中的最新整合，其必要性，以及各國際防務公司對世界經濟的貢獻，表明其在軍事自動化和經濟穩定中的優勢。本報告還討論了近期發展的局限性和挑戰、機器人倫理和道德影響，以及與機器人安全有關的一些重要觀點和克服近期挑戰的一些建議，以促進未來的發展。

引言

為了加強軍事防御系統，必須大力發展和提高智能自主戰略能力。在大多數第一世界國家，研究國防技術改進是實現軍事防御現代化的優先事項。未來戰爭的特點可以根據不同領域的沖突進行分析，如：海洋、陸地、空中、網絡、太空、電磁和信息。隨著現代智能和機器人技術的改進，跨域（X域）和多域戰略也需要被關注。無人自主X域（多域）系統，簡稱UAxS，現在是研究和發展的重點，以使軍事力量更加強大、有力和智能。圖1展示了多域和X域的戰爭模式。

圖 1：多域和 X 域戰爭模型

現代防御機制可以在四個相互關聯的領域進行研究：先進的戰艦、良好的通信、人工智能和自主武器。這基本上意味著在軍事防御系統中實施機器人技術。在戰場上，一支裝備精良的機械化部隊是指揮官非常重要的資產。在戰爭中，指揮官必須專注于火力、機動性、人機合作、決策、支持裝甲和指揮步兵。在未來，機器人和自動化系統將通過提供支持和減少負擔來幫助解決這些問題，因為這些系統將更加智能、可靠和合作。在最近的軍事活動中，機器人和自主技術被用于偵察、設備供應、監視、掃雷、災難恢復、受傷士兵的檢索等（Dufourda, & Dalgalarrondo, 2006；Akhtaruzzaman, et al., 2020）。

為了確保可靠的使用和獲得最高的技術影響，機器人必須在半自動化、自動化和人機交互工程方面進行良好的設計。無人地面車輛（UGV）很有前途，在國防應用中具有很大的潛力，在這些應用中高度需要更快和可靠的通信鏈接（鏈接預算）和快速獲取信息（RAtI）（Akhtaruzzaman, et al., 2020）。機器人的價值比人的生命還要低。機器人在感知、檢測、測量和分析方面速度更快。機器人沒有任何激情或情感，不會像人類那樣感到疲勞或疲倦，而是在極端和關鍵條件下保持運作。在不久的將來，機器人將成為作戰計劃和參與的核心技術（Abiodun, & Taofeek, 2020）。它們將能夠通過智能傳感器技術與環境溝通，通過建模理解環境，理解人類的行動，定義威脅，服從命令，以更高的處理能力獲取信息，通過信息交換和共享與其他機器人互動，通過先進的控制技術自主適應敵對環境，并通過強大的計算能力與自動生成的程序應用智能進行自我學習（Akhtaruzzaman, & Shafie, 2010a, 2010b; Karabegovi?, & Karabegovi?, 2019）。

在不久的將來，UGV系統將成為軍事行動的關鍵技術，因為它們將確保幾乎零人力風險，不需要將人力直接安置到戰斗中。UGV系統還將能夠開放各種設施，如負載、自動監視、邊境巡邏、風險降低、障礙物清除、力量倍增器、遠程操縱、信號中繼等（Sathiyanarayanan等人，2014）。陸地防衛機器人必須能夠適應各種崎嶇的地形、惡劣的環境和非結構化的區域，同時發揮指定的作用并保持指揮層次。作為軍事部隊的一種程度，陸地機器人不能給團隊帶來任何額外的工作負擔。因此，必須實施有效的人工智能（AI）工程，以實現UGV或陸地機器人與行動部隊之間可靠的人機合作。

今天的智能機器人或自主武器仍然處于狹義人工智能（ANI）的水平（Horowitz，2019年），或者以某種方式處于ANI和通用人工智能（AGI）之間。這反映出它們還沒有準備好在災難或戰爭等敵對情況下完全自主并做出可靠的決定。人類擁有在很大程度上應用感知經驗的智慧，能夠適應環境，并能在關鍵情況下做出適當的決定。如果這些能力能夠被植入機器人的大腦，該系統就可以說是AGI系統。盡管與人類相比，機器人可以抵御枯燥、骯臟和危險的工作，但它們包括一些有限的功能，如航點或目標導向的導航、障礙物檢測、障礙物規避、威脅檢測、人類檢測和識別、定位、地圖構建、通過圖像和聲音處理提取信息，以及與其他機器人的某種合作。因此，如果能確保機器人和人類之間的良好合作，機器人將在人類的監督下自主工作，那么軍用地面機器人將是最有效的。

本研究對軍用陸地機器人系統、最近的技術進步、應用和道德影響進行了回顧。一些發達國家和不發達國家的現狀，以及通過推進和發展軍事武器、自動化武器和智能技術對世界經濟的工業影響，都反映在審查研究中。本文還闡述了參與戰爭的機器人倫理以及該技術對道德國家的影響。該研究主要試圖通過確定最近的差距、局限性和技術進步的倫理影響，來確定地面機器人技術的最新應用和實施情況。

許多軍事人工智能的研究和開發資金是針對短期內可以實現的戰術級系統的改進。在這里，人工智能（AI）的潛在好處往往受到感官輸入質量和機器解釋能力的限制。然而，為了充分理解人工智能在戰爭中的影響，有必要設想它在未來戰場上的應用，傳感器和輸入被優化為機器解釋。我們還必須嘗試理解人工智能在質量上和數量上與我們的有什么不同。本文介紹了綜合作戰規劃過程中自動化和機器自主決策的潛力。它認為，人工智能最重要的潛力可能是在戰役和戰略層面，而不是戰術層面。然后探討了更多機器參與高級軍事決策的影響，強調了其潛力和一些風險。人工智能在這些情況下的應用發展應該被描述為一場我們輸不起的軍備競賽，但我們必須以最大的謹慎來進行。

1 引言

目前，人工智能（AI）的民用發展大大超過了其在軍事方面的應用。盡管知道網絡將是一個重要的未來領域，但國防部門還沒有習慣于數字-物理混合世界，因此，國防部門與新的社會技術的顛覆性變化相對隔絕。在軍事上運用人工智能的努力往往集中在戰術應用上。然而，人工智能在這些領域的好處受到輸入傳感器的限制，它們被用來復制人類的行為，并在需要與物理環境互動的角色中使用。在作戰和戰略層面上，軍事總部的特點是信息的流入和流出。如今，這些產品無一例外都是完全數字化的。考慮到作戰計劃的過程，可以看出，即使在目前的技術水平下，其中有很大一部分可以可行地實現自動化。這種自動化的大部分并不構成可能被理解的最純粹意義上的人工智能，即 "擁有足夠的通用智能來全面替代人類的機器智力"。然而，軟件可以在特定任務中勝過人類的事實，再加上高級軍事決策過程被細分為此類特定任務的事實，使其成為比較人類和機器決策的優點、限制和能力的有用工具。這樣做，人類的能力似乎有可能被輕易取代。因此，追求軍事決策自動化的動機肯定是存在的。本文討論了部分自動化軍事決策的潛力和實用性，并想象了為這些目的無限制地發展人工智能可能帶來的一些風險和影響。

人工智能已經使用了幾十年。它已經被部署在有人駕駛的編隊中，并將在未來幾年內繼續被用于軍事。目前的戰略和作戰概念要求在整個國防企業中增加使用人工智能能力，從高級領導人到戰術邊緣。不幸的是，人工智能和它們所支持的戰士不會 "開箱即用"地兼容。簡單地將人工智能植入人類團隊并不能確保成功。美國防部必須仔細注意如何將人工智能與人類一起部署。這在團隊中尤其如此，因為團隊的結構和成員的行為可以決定業績的好壞。由于人類和機器的工作方式不同，團隊的設計應該利用每個伙伴的優勢。團隊設計應該考慮到機器伙伴的固有優勢，并利用它們來彌補人類的弱點。這項研究通過提交新的概念模型，捕捉人類和機器在人機合作結構中運作時的理想團隊行為，對知識體系做出了貢獻。這些模型可以為人機團隊的設計提供信息，從而提高團隊的績效和敏捷性。

圖1 智能自主系統技術框架

圖3 美國人工智能相關戰略

引言

核導彈發射被探測到。那是1960年10月5日，北約正處于最高級別的警戒狀態。以99.9%的準確率，來襲的蘇聯彈道導彈被格陵蘭島的預警系統探測到。值得慶幸的是，北約的報復行動被制止了，操作人員發現，"智能 "系統正在跟蹤上升的月亮（Singer，2009）。自然，這并不是唯一一次世界幾乎在人工智能（AI）引起的核交換中喪生。1983年9月26日，蘇聯的彼得羅夫中校發現自己是莫斯科附近Serpukhov15掩體內的值班人員。在太空中運行的蘇聯Oko預警衛星系統完全肯定地報告說，多枚導彈正在前往莫斯科的路上。問題是，奧科系統把從云頂反射的陽光誤認為是美國的一系列導彈發射（Scharre，2018）。解讀其系統的局限性，并將事件置于背景中，操作人員能夠防止災難的發生。當然，這些極端案例是少見的，對于今天的人工智能，我們沒有那么依賴人類的判斷，對嗎？不幸的是，不盡然。人類和人工智能（AI）的工作方式不同，所以像美國防部（DOD）這樣的組織在將人工智能系統插入操作團隊時，需要非常慎重。

B 研究問題、方法和路徑

1 研究問題

本研究試圖回答以下問題：

• 成為隊友意味著什么？
• 機器如何在團隊中與人類成為伙伴？
• 將機器伙伴融入以前的人與人之間的團隊，如何提高團隊的敏捷性？
• 能否用共享的團隊心理模型或互動的團隊認知方法更好地理解機器伙伴？

2 方法

將對文獻進行詳盡的回顧，并對兩個適用的案例研究進行分析。這項研究的目標是產生一個人機協作的概念模型，并提供有關人機團隊內部溝通的背景性、現實世界的知識。鑒于目前可用的基于實驗室的人機協作實驗數量有限，本研究將檢查數據以確定廣泛的主題和模式。

人類團隊和人類團隊動態的性質已經得到了廣泛的研究。這一領域的文獻有豐富的發現，可以提供關于人與人團隊動態的細節；然而，關于機器融入人與人團隊的文章卻很少。隨著機器伙伴被納入傳統意義上的人類團隊，就需要對人機團隊進行研究。本研究將首先描述人工智能的特點及其對戰爭的預期影響。將提供關于機器-機器團隊的現有文獻分析，然后是人類認知和人-人團隊的更多發展主題。這項研究在描述人機團隊的通信、協調和互動動態之前，將對人機團隊進行特征描述。然后，作者將展示這些動態如何與團隊敏捷性和績效的概念相聯系。

3 研究目的

本研究目的是探索人機團隊中的溝通、協調和互動動態，并闡述它們對團隊敏捷性和績效的潛在影響。隨著人機團隊結構在DON中變得越來越普遍，這種探索對于發展對團隊動態的理解是必要的。這項研究將產生人機團隊的概念模型，可以為未來系統的設計提供參考。這項研究的結果可以幫助美海軍軍部更好地理解將狹義的人工智能能力整合到團隊構建中的影響。這種知識將最終使美國防部能夠應用研究結果來提高人機團隊的敏捷性。

提綱

• 第2章 美海軍部人工智能戰略分析
• 第3章 編隊理論綜述
• 第4章 指揮與控制概念及條令綜述
• 第5章 對人工智能理論、能力和局限性的綜述
• 第6章 人機編隊
• 第7章 方法論
• 第8章 分析
• 第9章 未來工作總結