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美陸軍建模、仿真和原型設計（MSP）組織與能力

建模、仿真和原型開發（MSP）的目的

• 使陸軍能夠更快地模擬下一代地面作戰平臺和任務有效載荷在實際操作條件下的性能

• 通過士兵的持續反饋，更快、更經濟地試驗、改進和探索多種設計方法

• 量化下一代平臺，確定技術差距和能力投資機會，以支持需求開發和地面車輛決策

美國國防部（DoD）和蘭德公司（RAND）等研究機構都記錄了在進行探索性分析以支持能力發展方面存在的戰略差距，這些分析旨在利用技術和條令概念解決方案。進行探索性分析涉及許多方面，從研究技術發展趨勢到對潛在對手能力進行情報評估；歸根結底，創建模型和模擬以探索各種場景的工作是為高級領導人提供分析支持的核心。在這項工作中，總體戰略差距被分解為需要研究的更多重點領域，首先是探索當前整合不同模型的方法，以滿足國會在質量、準確性和可靠性方面的關切；注意到這些方法在探索大型設計或決策空間方面的計算量已變得過于龐大。進一步的意見指出，性能指標的預期值需要復雜和潛在的非線性模型來量化，在不同層次的模型抽象之間使用時，無法提供足夠的可追溯性。此外，當前的模型抽象方法難以考慮與日益復雜的模型或模擬相關的維度增加。這些觀察結果引出了本研究的目標，即制定并演示一種方法，利用降階建模（ROM）方法進行可追溯的模型抽象，在當前的軍事行動建模與仿真方法中有效、高效地捕捉復雜的系統行為。

通過對當前文獻的回顧，得出了對 ROM 的以下要求：需要考慮非線性相互依存關系、潛在的物理現象和隨機效應。提出并完成了一系列研究問題、假設和實驗，以進一步了解和解決已發現的差距。所有這些都為制定降階非侵入式（RONIN）建模方法提供了指導，從而實現了既定的研究目標。與 “查找 ”表或簡單傳遞預期值等傳統方法相比，RONIN 建模方法創建并實施了預測性減階替代模型，可捕獲更多有關行為和交互的信息。最后，為了證明 RONIN 建模方法能夠實現研究目標，我們定義了一個名義上的美國空軍使用案例，并使用國防部標準模擬框架生成了一個全階模型（FOM），該模型輸出了一組響應分布。任務級模型的響應可量化系統行為，范圍從簡單的資產、武器或燃料計數到旨在計算作戰效能的高級指標。本用例模擬了一次壓制敵方防空（SEAD）任務，探索不同的決策和部隊結構如何影響友軍損失和敵方殺傷的總數。最終，使用 RONIN 建模方法創建了一個預測代用模型，該模型能夠重建與原始 FOM 輸出數據靜態一致的輸出分布。

圖 1.1： 國防規劃流程用于將戰略指導轉化為可操作的支出、部隊結構設計和能力發展目標[127]。

本論文以應用研究為基礎，研究了美國海軍當前的創新生態系統，旨在找出挑戰、障礙和可行的解決方案。評估涉及一項定性研究和一項定量研究，受訪者來自海軍各組織。定性訪談（研究 1）的結果用于揭示模式、概念和理論見解，為定量調查（研究 2）的設計提供依據。研究揭示了流程上的重大差距，包括組織間的溝通障礙和知識管理上的嚴重不足。此外，研究還強調了從業人員決策的不完善，對生態系統產生了負面影響。為了規劃前進的戰略路徑，我們整合了管理學、創新管理學和行為經濟學的相關理論。主要重點是促進生態系統內從業人員之間的緊密聯系，同時提高決策過程的整體質量。

圖：美海軍研究辦公室決策過程

美軍在戰術層面的組織、能力和授權方面存在差距，無法在信息環境（OIE）中開展行動。本論文通過分析和應用從空地一體化中汲取的經驗教訓，確定了潛在的解決方案：空地一體化是戰爭的一個層面，曾是可與現代信息、網絡和太空相媲美的新概念。空地一體化從第一次世界大戰中的戰略偵察發展到現代攻擊直升機、手動發射的殺手級無人機和戰術聯合終端攻擊控制員（JTACs）。如今，聯合終端攻擊控制員為地面指揮官提供了一名處于戰術邊緣的空地一體化專家，該專家裝備有致命和非致命能力，其權限因地點和行動類型而異。JTAC 的資格得到了整個聯合部隊和北約的認可，并最大限度地減少了地面單元所需的飛行員數量。本論文認為，建立一個與 JTAC 相當的信息、網絡和空間管制員可使聯合部隊更有效地開展戰術 OIE。這種多域終端效應控制員（MDTEC）將獲得聯合認證、資格和指定，就信息環境向地面指揮官提供建議，使用戰術信息工具，并利用聯合信息、網絡和空間資產創造效應。

本文認為，仿照聯合終端攻擊控制員（JTAC）建立 "多域終端效果控制員（MDTEC）"模型，將使戰術部隊能夠更有效地實施 OIE。MDTEC 將作為戰場戰術邊緣的 OIE 使用專家，為地面指揮官提供建議，規劃信息效果，操作信息能力，并向作戰和國家級 OIE 部隊請求效果。模擬 JTAC 計劃的認證、資格和指定方面，將創建整個聯合部隊和北大西洋公約組織 (NATO) 標準化的 MDTEC，使 MDTEC 和 OIE 部隊之間具有一定程度的信任和互操作性。

MDTEC 的能力和權限也可參照 JTAC 的模式。為 MDTEC 配備自主信息能力將使地面部隊能夠識別信息目標，傳遞準確的位置信息，并實施有限的 OIE 效果。MDTEC 應能隨時操作這些設備，而無需上級指揮部的批準。將任何進一步 OIE 行動的授權保留在較高級別，可為協調和目標審查留出更多時間，而將授權推向較低級別則可加快行動節奏。不過，MDTEC 將接受培訓并配備裝備，以識別敵方目標，并在獲得適當級別指揮官批準后開展 OIE 行動。

無人駕駛飛機將繼續成為美國國防的關鍵。《美國國防戰略》優先考慮對人工智能（AI）、機器學習和自主功能進行投資，以保持軍事競爭優勢。本研究基于大規模作戰行動（LSCO）的嚴酷性，以及在開發利用人工智能的技術時采取果斷行動和遵守道德規范的必要性。研究采用定性研究的方法，分析了技術發展和作戰概念中存在的四種類型的自主無人駕駛飛機。研究采用了一項關于美國和大國軍事能力的非機密案例研究，并應用了包括專業定性訪談在內的多種分析形式。雖然分析發現所有四種類型的自主無人駕駛飛機都很有用，但它建議優先考慮完全自主的彈藥和半自主的環形載人技術，以滿足以 2035 年為中心的聯合部隊規劃時間表。研究結果還表明，需要改進數據收集和處理、云和網狀網絡以及數據和網絡系統的安全性。研究還發現，人工智能和自主功能具有提高人類性能和決策的潛力，保持有人駕駛飛機和無人駕駛飛機的組合可使美國管理作戰風險。

根據美國《國家安全戰略》和《國防戰略》，戰略和作戰環境已經發生了變化。具體地說，與大國競爭重新抬頭，導致軍事戰略和規劃考慮因素發生變化。《國防戰略》（NDS）指出，"國家間的戰略競爭，而不是恐怖主義，現在是美國國家安全的首要問題"。由于這種競爭，聯合軍種已將重點轉移到大規模作戰行動的準備狀態和未來能力上。這種類型的沖突是致命的、激烈的和殘酷的，歷史表明，這種規模的作戰行動更加混亂、激烈和具有破壞性。所有這一切都使得未來戰斗的作戰環境更加復雜，多個作戰領域（如空中、太空、網絡空間、陸地和海上）隨時都會影響戰斗空間。這種環境導致美國的大國競爭對手投資于各領域的能力，以縮小美國軍事優勢的差距。

這些投資帶來了能力上的進步，創造了強大而具有挑戰性的場景，需要更好的態勢感知和更快的人工決策。此外，在這種環境下可用的數據量對于當前的系統和決策者來說是難以承受的，而人工智能（AI）、機器學習（ML）和自主系統功能方面的進步則有望跟上行動的步伐并保持競爭優勢。

特別是，為了有效利用剩余能力并達到預期效果，需要在作戰空間內加快數據處理速度，以提高對態勢的感知能力，并加快各級決策的制定。空軍歷來使用 OODA（觀察、定向、決策、行動）循環的條令概念來加速作戰行動中的決策制定。OODA 循環被視為一種決策戰略，可在競爭激烈的環境中創造優勢。它最初由美國空軍上校約翰-博伊德（John Boyd）提出，是一個實用的概念，目的是在混亂和令人困惑的情況下創造理性思維。觀察步驟的重點是盡可能準確地全面了解情況。東方階段包括兩個子階段：破壞和創造。破壞包括將情況分析為更小的組成部分或問題，以便更好地了解情況。決策者會對問題進行分解，直到熟悉或接近可以制定計劃的情況為止。熟悉是通過教育、培訓、經驗和指導獲得的。然后，將問題和計劃的組成部分 "創造 "成一個整體行動計劃。決定 "階段只是合乎邏輯的下一步，是收集足夠數據以做出明智決定的結果。行動是 OODA 循環過程的執行階段。

人工智能有可能加速每個戰術、戰役和戰略層面的 OODA 循環。例如，可以利用更多可用數據構建態勢圖，從而進行更準確的觀察。然后，通過人工智能和機器學習對局勢數據進行提煉，為決策者指明方向，以便更快更好地制定行動計劃。我們需要人工智能來協助處理和分析現有的大量數據。這將導致更快、更明智的決策和行動，在戰場上創造巨大優勢。

隨著美國的大國競爭對手利用全球范圍內取得的進展，商業部門也越來越迫切地實施這些新興技術。這導致對手發現了通過將人工智能的使用整合到自己的軍事力量中來對抗美國軍事力量的方法。例如，對手的綜合防空系統通過集成更多使用人工智能的自主功能，在目標探測和交戰方面變得更加高效。

除人工智能外，全域聯合作戰（JADO）也是一種技術和概念，聯合軍種職能部門和作戰領域正在利用這種技術和概念來同步開展工作并產生協同效應。這一概念通過提高各領域的效力來減少脆弱性。我們的對手也在推進和使用全域作戰，這給我們的部隊帶來了挑戰和機遇。全域作戰的推進創造了一個競爭日益激烈的環境，這將使 LSCO 的指揮和控制更具挑戰性。因此，國防部創建了聯合全域指揮與控制（JADC2），以空軍為牽頭機構，將各軍種的傳感器連接起來。

美國空軍還在開發 "下一代空中優勢"（NGAD），這是一種有人、無人和可選有人平臺的混合能力，在概念上依賴于人工智能、機器學習和人機協同技術與無人平臺。這些技術使無人平臺具有不同類型的自主能力，并與人類進行不同程度的互動（例如，人在環中、環上和環下）。一種理論認為，具有致命能力的資產在執行致命行動時應 "環內有人"。一個更常見的擔憂是，有爭議的作戰條件會對人與機器之間的衛星鏈路造成干擾，在這種情況下，人工智能系統將如何行動尚不清楚。空軍認識到這是一個需要解決的重要問題，并已開始研究防止人工智能失靈的方法。具體而言，正在為使用人工智能的系統開發一個子項目，稱為 "復雜環境下的自主測試"（TACE），該項目正在調查、測試和推進人工智能保障措施。

問題陳述

現代戰爭越來越傾向于全領域作戰，需要同時進行交戰，以便在多個或所有領域產生效果。在過去幾十年中，美軍在每個作戰領域都享有無可爭議的優勢。在未來與大國競爭者的沖突中，情況將不會是這樣。此外，在以反叛亂為中心的環境中，我國持續時間最長的武裝沖突影響了大規模作戰行動的軍事準備。這一問題加上快速的技術變革，以及我們的對手在各個作戰領域日益增加的挑戰，創造了一個新的戰略安全環境，而美國目前尚未做好作戰準備。此外，重新崛起的大國競爭者正在利用技術的快速傳播，產生新的戰爭概念和技術，如數據分析、人工智能、自主化和機器人技術。鑒于戰略環境和快速的技術進步，《國防戰略》已將投資列為優先事項，以進一步發現人工智能、ML 和自主性的軍事應用。美軍的優勢是削弱還是加強，取決于這些新技術的整合方式，以及我們是否比對手更有效地實施這些技術。聯合部隊領導層已明確表示，將致力于利用和發揮最佳形式的人工智能，以更快的速度和更高的精度完成所有任務集。我們必須利用人工智能、自主功能和人機協作來滿足這一需求，以更快的速度、更高的精度和更強的殺傷力應對更復雜、節奏更快的 LSCO 環境。考慮到所有這些因素，聯合部隊現在應確定無人平臺所需的人工智能自主功能類型，以滿足 2035 年聯合規劃時限內大規模作戰行動的需求和要求。

研究問題

本研究試圖回答的首要問題是，在非許可的大規模作戰環境中，利用人工智能和人類協同技術的致命無人駕駛飛機應該能夠在指揮和控制方面應對哪些挑戰，實現哪些類型的自主功能？

次要問題

1.無人駕駛飛機是否應具備致命的自主功能？

2.哪些關鍵任務需要人工智能（AI）和人類協同能力？

3.聯合部隊應投資哪些類型的有人和無人資產？

4.什么是有人駕駛飛機和無人駕駛飛機的正確組合，以實現所需的未來能力，從而超越我們的對手？

5.在高致命性的大規模作戰環境中，以無人機為主的部隊有何優勢？

6.為保障指揮與控制通信鏈路，需要進一步開發哪些類型的技術？

軍事創新過程在戰時和平時具有不同的特點。戰時創新有戰場的直接反饋。和平時期的創新必須考慮到各種可能的未來，同時還要面對信息不完善所帶來的不確定性。軍事創新研究表明，實驗為克服這一挑戰提供了工具。現有的學術研究將實驗描述為一個迭代學習的過程，它能產生關于未來戰爭的新數據，并引用了美國航母戰和德國聯合武器演習等歷史實例。

本文認為，要理解實驗如何支持和平時期的創新，這種觀點并不全面。與其說實驗揭示了未來戰爭的本質，倒不如說實驗作為一種建立共識的工具最具價值。和平時期的軍事實驗是一個社會過程，在這一過程中，組織、團體和行動者影響著國防政策子系統內的意識形態競爭。社會過程包括構建知識，并就 "什么是真實的 "和 "什么是有效的 "達成共識。在戰爭期間，這一過程是通過戰場上的共同經驗實現的。在和平時期，這一過程發生在實驗過程中。軍事實驗需要高層領導的支持，但僅靠支持并不能在關鍵群體中達成足夠的共識。為了提高實驗向創新過程的實施階段過渡的可能性，國防政策制定者利用宣傳網絡（由國防政策制定者和政策影響者組成的松散聯盟）在整個國防政策子系統中建立共識。

本論文在三個案例研究中考察了這些論點：20 世紀 80 年代陸軍的摩托化概念實驗、20 世紀 90 年代陸軍的新路易斯安那演習和二十一世紀部隊實驗，以及 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初聯合部隊司令部的聯合實驗。就國防政策而言，本文的研究結果表明，國防決策者應集中精力擴大宣傳網絡，將實驗與更廣泛的國防政策子系統聯系起來，以最大限度地發揮實驗的作用。此外，實驗還要求領導者在思想上與新理念保持一致，能夠傳達新理念的價值，擁有可靠的實戰經驗，并參與到宣傳網絡中，將實驗與關鍵群體聯系起來。最后，有效的實驗要求領導者在其職業生涯的早期經常接受必要的教育和體驗。

軍事創新過程

理解環境對作戰的成功非常重要：

• 我們能/不能在哪里開展行動？
• 什么類型的資產最合適？
• 敵人的優勢在哪里？
• 地形和天氣分析是戰場情報準備的一部分

軍事氣象方面

• 使用批處理文件利用計劃任務下載數據
• 分析氣候數據
• 確定預報天氣對潛在業務活動的預期影響
• 軍事氣象方面支持 ArcGIS 10.1 - 10.5、ArcGIS Pro（即將推出）

美空軍部DAF 行動要務

• 定義彈性空間作戰指令和架構 (防御和進攻).
• 實現作戰優化的先進作戰管理系統（ABMS）/空軍聯合全域指揮與控制。
• 實現大規模移動目標指示、跟蹤和交戰（空中、海面和地面移動目標）。
• 確定下一代空中主導系統系列（傳感器、通信、指揮與控制、武器、非載人飛行器）。
• 在有爭議的環境中確定優化的彈性基地、維持和通信。
• 確定 B-21 遠程打擊系列系統。
• 確保 DAF 有能力過渡到戰時態勢以對抗同級競爭對手。
• 貫穿各領域的業務推進手段：
  • 實現并維持電磁頻譜作戰優勢，以支持全域聯合作戰。
  • 在競爭激烈的環境中為聯合部隊實現連接、生存和敏捷的快速全球機動能力。
  • 確定優化的彈藥開發和生產，以提供能力、多樣性和有效性。
  • [新]針對步調挑戰，確定實戰必備能力所需的測試和訓練能力。

制定CJADC2挑戰的框架

• CJADC2 從根本上說是一個作戰功能的作戰概念

  • 決策速度
  • 適應性（聯合和聯盟）
  • 應變能力

• 作戰概念必須為技術能力要求提供信息，但技術開發不能等待 "最終 "概念的出現

• CJADC2 的開發將以不同方式和不同速度在所有利益相關者（CCMD、軍種、盟國與合作伙伴）中進行......并將永不停息地發展。

• 管理范圍和規模：

  • 當今的分級結構效率高、速度快，但限制了選擇，而且很脆弱
  • 動態管理控制的深度和廣度

• 需要一種聯合方法：

  • 從已知的、定義明確的問題入手（如特定服務的戰斗管理功能）
  • 實施但避免“爐灶”
  • 保持界面整潔，在可行時使用全球標準，在不可行時進行調整

• 規模化并隨著時間推移不斷發展

  • 急需 C2 工具，使聯合作戰具有快速性、適應性和彈性
  • 不斷發展架構，使 C2 本身快速、適應性強、有彈性

未來的 MDO 概念：

• 需要機動以滲透并在復雜和有爭議的地區開展行動。
• 嚴重依賴RAS。

正在探索的RAS是為了：

• 在所有陸軍相關環境中運行。
• 提供更好的態勢感知。
• 增加作戰人員的距離。
• 增加對敵方的覆蓋和困境。
• 實現更快的決策。
• 以尚未想象到的方式擴展機動性。

RAS將被要求：

• 評估場景并創建和分享本地和共同世界模型。
• 以戰斗的規模和速度協調各梯隊、團隊、分隊和單個系統（包括人類）的行動、決策和機動。
• 適應環境和敵方行動中的巨大干擾和變化，并具有復原力。

研究問題：

• 目前的經驗性證據表明，使用AR和VR進行培訓的情況如何？

目標：

• 回顧當前關于AR/VR應用和有效性的研究（定性和定量）

• 記錄AR和VR的科學、藝術和實踐狀況

• 將結果整理成一個框架和可搜索的知識庫

  • 用于通用和軍事教育/培訓不斷發展的狀態的知識庫
  • 用于個性化搜索的搜索結構，以滿足特定需求
  • 可用于確定研究差距

• 與Aptima公司協調工作，為美空軍開發一個可搜索的、基于網絡的資源庫，以分享ARVR培訓資產和經驗教訓。