本研究是北美航空航天防御司令部（NORAD）現代化及其預計負擔分擔的大型項目的一部分。現代化并不局限于目前的47個雷達站網絡和相關的通信網絡的現代化，它超越了硬件，通過使用最新的數字技術來處理指揮官可用的大量數據，為他們提供及時的全域態勢感知，以做出更快、更好的決定。

本報告集中在這個大項目的兩個方面。首先，它擴展了聯合產品的基本軍事聯盟理論，并將其應用于加拿大和美國的長期兩國聯盟NORAD。 其次，它將這些經濟利益--聯合產品模式的一個重要組成部分--與加拿大的實際工業聯系起來，這些工業被正式指定為加拿大國防的關鍵工業能力（KICs）。 北美防空司令部現代化項目的利益也可能產生其他私人利益，但鑒于目前該項目預計帶來的威懾利益，關鍵工業能力的利益在未來會加強該國的國防工業基礎。 需要進一步的實證研究來精確地量化這些聯系。特別是在前向聯系的情況下，預計軍民兩用技術將通過對北部沿海地區的安全利益以及對本土人口的發展利益，在該國北部產生直接和外部的巨大利益。

該研究由三部分組成。第一部分是對現有北美防空司令部組織的描述，該組織由47個雷達站和相關的通信和指揮控制（C2）結構組成。

在加拿大與美國簽訂的北美航空航天防務（NORAD）協議中，我們正處于一個歷史時刻，不斷變化的氣候、不斷發展的技術、地緣政治和地緣戰略威脅要求我們全面地重新審視我們在聯盟中的發展方向。然而，變化并不是沒有代價的，因為這些情況可能要求加拿大重新審視現有的防務政策，在采購新的預警、監視和防御能力方面承擔更多的負擔，這些能力是克服我們不足的必要條件。

自1958年成立以來，北美防空司令部的宗旨一直沒有改變--美國和加拿大的防務。作為過時的遠程預警（DEW）線的替代品，新實施的北方預警系統，由47顆橫跨北極的長短程衛星組成的陣列，代表了北美防空司令部協議的核心。 9/11的意外和悲劇事件也迫使北美防空司令部改變并向內看，在美國大陸上戰略性地分配戰斗機的操作位置，以更有效地應對內部威脅。 北美防空司令部通過增加沿海雷達提高了對形勢領域的認識，這進一步證明了對大陸防務的持續評估對于解決技術缺陷和不斷變化的威脅領域仍然是必要的。

本研究旨在解釋聯合產品模型在理解北美防空司令部當前和未來安全需求方面的相關性，重點是加拿大對該聯盟的負擔分擔激勵。鑒于各種復雜的運載媒介、高超音速導彈等威脅的速度以及全球氣候的變化使得環境更容易接近，加拿大可以利用我們的領土并加強陸地/海洋/空中/空間的存在，以有效地促進大陸的航空航天防御。 雖然鑒于美國強大的國防工業，新的、互補的預警技術在美國生產可能更具成本效益，但不斷調整的戰略環境為通過研究和開發、運營和維護現有/未來的基礎設施和國防生產來加強加拿大工業提供了激勵。 與國防采購相關的成本并不低，而且很難看到超越純公共視角的利益或投資回報。除了估計目前北美防務聯盟中的負擔分擔，以前的文獻已經詳細解釋了聯盟分析中的主力，即純公共物品模型。此外，一些人暗示了國防物品利益超越純公共的可能性，擴展到部分可排除和競爭，甚至通過搜索和救援以及對民間力量的援助，擴展到一個集體的私人。 目前的理論研究旨在詳細介紹聯盟的聯合產品模型（JPM），并通過納入各種聯盟技術（如最弱環節和最佳射擊）對其進行擴展，以適用于新北美防空司令部。此外，根據JPM，我們將確定加拿大潛在的私人和不純公共產品，為實證研究奠定基礎。

傳統上，加拿大在責任分擔關系中的主要作用是我們的地理。雖然這種貢獻在整個冷戰時期是有效的，但不斷變化的技術威脅環境，實際上是地球環境本身，將需要對未來的設計和負擔分擔的影響進行新的討論，以便加拿大適當地適應它在21世紀可能面臨的安全和繁榮的挑戰。

第二部分集中討論將北美防空司令部現代化項目的私人利益與加拿大的關鍵工業能力（KICs）聯系起來。這一部分建立在上一部分對北方預警系統（NWS）的描述之上，該系統是現有的北美防空司令部早期探測機制。 加拿大和美國在1957年同意建立北美防空司令部，作為一個兩國指揮部，集中控制大陸防空系統的運行，以應對蘇聯轟炸機的威脅。 由于威脅隨著時間的推移不斷演變，最近更是急劇變化，NORAD的能力必須現代化。"NWS現代化背后的基本邏輯相對簡單，該系統建于20世紀80年代，在冷戰結束后不久完成，橫跨加拿大北極地區和拉布拉多海岸的長短程雷達系統正在達到其壽命的終點。 然而，新的政治和戰略環境，有點類似于導致核武器公司更換遠程預警（DEW）線的環境，需要一個非常不同的方法。實際上，在簡單的一換一和北移方面，核武器的現代化不足以滿足新的威脅環境。"

本節的結構分為三個部分：誘發NORAD現代化需求的威脅、假定的NORAD新能力的結構和組成部分，以及根據加拿大的關鍵工業能力，加拿大工業參與的潛力。

本研究的第三部分集中討論了為此目的而開發的理論模型。特別是，我們擴展了Cornes和Sandler(1984)以及Sandler和Hartley(1995)的聯合產品模型，以允許兩種類型的國防投入和更普遍的聚合技術。然后，我們更詳細地考慮和分析了Leontief聚合技術，作為最適用于北美防空司令部的技術。我們的結果表明，當國防是由純和不純的公共投入生產的，它們是互補的，文獻中確定的標準搭便車問題得到緩解。

達爾豪斯大學大數據分析研究所、加拿大國防研究與發展部（DRDC）-大西洋研究中心和加拿大通用動力任務系統公司（GDMS-C）向加拿大自然科學與工程研究委員會（NSERC）成功申請了一項名為海軍信息空間自動監測（AMNIS）的三年期資助項目。AMNIS啟動會議于2020年10月14日舉行，許多教授、國防科學家和GDMS-C技術人員參加了會議。會議為這三個組織確定了許多行動。與DRDC和GDMS-C相關的一項行動是需要與任務相關的場景來幫助指導預期的研究。因此，DRDC率先描述了一個有代表性的海陸場景，使研究人員能夠更好地了解與AMNIS有關的潛在研究途徑。制定的方案涉及加拿大皇家海軍（RCN）和加拿大陸軍（CA）執行的一項加拿大人道主義任務。該任務是向一個最近遭受自然災害的國家分發食品和醫療用品。一支敵對勢力還試圖偷竊這些物資。該情景描述了通過更好的處理技術和決策來改善信息流、共享和使用的必要性。該方案旨在引起進一步的討論，并幫助鞏固AMNIS參與者的研究課題。

1 引言

2015年，加拿大皇家海軍（RCN）的海上信息戰（MIW）概念[1]發布，概述了信息對RCN的影響。MIW的推出使人們非常需要關注信息，它既是皇家海軍使用的一種資源，也是為了更全面地使用和利用優勢而需要理解的一個概念。

該概念文件概述了信息的影響，包括其廣泛的可用性、皇家海軍對信息的依賴性以及信息的使用，特別是在戰爭中和作為戰爭倍增器的跨梯隊的使用。該概念文件還談到需要更好的處理技術來處理MIW功能領域內的數據量，如指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）、指揮和控制（C2）、情報、監視和偵察（ISR）以及態勢感知（SA）。

在MIW概念文件之后，2016年又發布了RCN信息戰戰略文件[2]。這里的重點是發展海戰MIW能力和能力，以支持國內活動（即加拿大的防御）和國際部署。盡管戰略文件指出了信息的更多傳統用途，如收集、利用和傳播，但它也認識到網絡武器領域是一個機動的地方，可以采取防御和進攻的行動。MIW的概念文件涉及物理、虛擬和認知領域，而戰略文件則談到了信息領域，從而表明了信息對于作戰人員的地位和重要性。

在概念和戰略文件之后，加拿大在2017年發布了新的國防政策[3]。該國防政策并沒有明確提到信息領域。然而，該政策確實催生了兩個最近的文件，繼續表明信息對RCN的重要性：2019年的DND數據戰略[4]，以及2020年的RCN數字海軍[5]。

數字海軍[5]支持加拿大國防政策[3]的創新目標，特別是那些涉及適應和利用新技術的能力。數字海軍 "作為一個指南，將數字技術與人結合起來加以利用，以確保未來海軍的成功和可持續。這份文件提出的前進方向涉及自動化、大數據分析、云計算、人工智能（AI）和機器學習（ML）方面的創新，成功是指通過上述手段做出數據驅動的決策的RCN。

數字海軍的概念促進了企業和運營RCN社區在決策中對數據的使用。在操作方面，這是為了將海軍團隊和水兵從日常工作中更平凡的方面解放出來，通過自動化功能，如基于規則的重復性任務。從更廣泛的操作角度來看，使用這種數字技術和技巧是為了更好地進行操作。

上面提到的所有文件都指出，希望將RCN推向一個信息組織，在這個組織中，信息是用來使用的，但也被用作防御和安全的工具。由于其中一些方面對RCN來說是新的，因此顯然需要一個由信息科學、人工智能、ML以及將這些與認知科學相結合的專家組成的強大而明智的科學團體，以開發更好的人類決策模型來支持RCN的目標。

1.1 發展科學專長

通過政府、學術界和工業界合作伙伴的參與，建立了一個強大而知情的科學界。這個群體完全有能力在與現代軍隊相關的科學和技術問題上取得進展，以幫助滿足國內和國外對加拿大武裝部隊（CAF）不斷增長的需求。

為了發展這個社區，在自然科學與工程研究委員會（NSERC）的聯盟計劃下，成立了一個DRDC（大西洋研究中心）、工業界（加拿大通用動力任務系統公司，GDMS-C）和學術界（達爾豪西大學）的伙伴關系。提交并被NSERC接受的提案名為《海軍信息空間自動監測》（AMNIS）。該提案概述了海上和陸地的信息問題，特別是數據整合、事件和警報的ML、信任和對抗性數據，以及信息的可視化和呈現供用戶使用。

為了給學術研究小組提供背景和指導，下面提供了一個大大簡化的行動的基于場景的描述。該方案包括許多問題，表明與AMNIS相關的可能研究途徑。這里的目的是培養研究人員對與DRDC和GDMS-C有關的問題的理解，使研究人員能夠發展自己的思路，幫助他們追求與他們的研究和AMNIS有關的創新方法、技術和發現。

這項工作的動機是基于兩個愿望，即：

1.描述一個現實但簡化的操作，其中存在與AMNIS相關的信息問題，以及。

2.強調在AMNIS項目下DRDC和GDMS-C感興趣的研究領域。

1.2 概要

其余各節將提供一個現實場景的發揮、可視化部分、性能建模、決策和學習的概述。每一節都包含了一系列的問題，這些問題的提出有助于為研究工作提供思考點和指導。

第2節描述了一個聯合行動的場景，陸地和海洋部隊共同支持人道主義任務。通過可能被破壞并有相關安全風險的節點相互連接和共享信息資源來實現這一目的。第3節討論了可視化在該場景中的作用及其對決策的影響。這包括物理環境的可視化表示，以及額外信息源的聚合如何影響主題專家的決策。本節還考慮了與人工智能（AI）和多樣化技術合作的人類表現模型。第4節討論了如何利用數據檔案來開發和學習對抗性注入檢測方法。第5節以總結性意見完成了本文。

多年來，加拿大國防研究與發展部（DRDC）一直通過一系列的研討會與軍事人員接觸，評估新興技術對概念、能力和投資的可能影響。本文概述了影響評估框架，該框架已被設計并用于調查一些新興技術的影響。該框架包括定量和定性的措施，以及支持任務所需能力要素的正式清單。該框架的應用通過幾個新興技術領域對加拿大陸軍能力要素的評估結果來說明。被評估的新興技術領域包括量子技術、超材料、人工智能、印刷電子學、人體性能增強、合成生物學、增材制造和其他許多領域。結果提供了關于哪些軍事能力領域和作戰功能將受到所審查技術的最大影響的見解。這種方法為部隊開發人員提供了額外的證據，并支持對能力發展計劃和技術路線圖的審查。

1.0 引言

對技術、戰爭、政治和經濟之間關系的研究已經多次提出，未來必須在高度不確定的情況下做出決定。偏見塑造了國家和文化對如何預測未來的偏好。正如W.Chin所指出的，未來戰爭方面的文獻往往過度依賴明顯具有決定性軍事技術的簡單化概述[1]。

國防和安全的作戰環境不斷被競爭和沖突所塑造。雖然軍隊在評估未來作戰環境（FOE）的基礎上發展未來部隊，但它也需要評估趨勢和發展對能力的可能影響[2]。盡管大多數官方的FOE出版物包括對軍事力量的關鍵推論和高層影響，但仍然很少有既定的框架來評估新興技術在能力和概念發展方面的可能影響。

2017年，加拿大陸軍委員會批準將近距離接觸[3]作為未來軍隊（AoT）的頂點作戰概念。AoT是一個不斷發展的概念模型，說明加拿大軍隊在未來15年內應該如何配置、裝備和訓練。理想的AoT將被要求更加連接、敏捷、靈活、整合和強大。正如 "親密接觸"所指示的那樣，需要對政治、環境和技術變化進行持續的地平線掃描和觀察，以便對破壞性變化提供更好的預警[5]。作為風險管理戰略的一部分，部隊組建者需要了解技術發展以評估和利用潛在的機會。他們還需要預測和減輕他們在FOE中可能面臨的潛在風險、威脅和作戰挑戰。技術前瞻性和組織敏捷性是機構復原力的關鍵推動因素。技術優勢當然是任務成功的助推器，但創新文化和靈活的系統將是未來陸軍在作戰中成功的游戲規則。

1.1 新興技術在基于能力的規劃中的作用

一些軍隊已經采用了著名的基于能力的規劃（CBP）框架，該框架最初由Paul K. Davis[4]開發，用于支持能力和系統的長期戰略計劃。在加拿大，CBP于2005年被加拿大武裝部隊（CAF）采用。CBP是一種系統的部隊發展方法，旨在為最合適的部隊結構選擇提供建議，以滿足政府的優先事項。CBP過程評估了通過情景分析得出的能力目標。然后，通過對當前和計劃中的能力進行分析，確定并驗證能力的不足和過剩。它支持首選部隊結構的發展。CBP是一個使用場景的過程，這些場景松散地位于FOE中，以評估現有能力在多大程度上可以保持運作，并在不同場景下對任務的成功做出貢獻。CBP過程的主要結果是識別和記錄可能威脅到任務成功的能力差距和缺陷。CBP是關于評估現有軍事能力的準備程度、生存能力和維持能力。

傳統上，新興技術的趨勢是作為FOE的一部分來考慮的，從FOE中推導出一些情景來 "測試 "現有的軍事能力。評估新興技術的綜合方法需要考慮三種不同的應用背景。

• 機會：新興技術能否被塑造來解決差距和不足，提供新的能力或新的手段來實現效果？

• 風險：新興技術能否代表新的威脅，需要出口控制或技術保護計劃，加速我們自己技術的淘汰，或降低我們的能力？

• 環境：新興技術將如何塑造作戰環境？鑒于全球都能獲得新技術，我們在未來的物理和數字環境中會面臨什么？

CBP是在未來部隊結構的設計中創造機會和減少風險的藝術。

2.0 評估新興技術的方法

文獻中描述了在國防背景下評估新興技術的幾種方法。

2.1 北約DTAG方法

顛覆性技術評估游戲（DTAG）是一種方法，最初由北約SAS-062和SAS-082任務組開發[6-8]。DTAG最適合于探索新興技術在軍事場景中的使用如何可能改變行動方案和結果。DTAG使用系統理念（IoS）卡，將幾種技術整合到一個新概念中。DTAG會議通過在軍事背景下進行基于場景的桌面兵棋推演演習，探索IoS的潛在好處。

從能力發展的角度來看，文獻中沒有證據表明，擬議的IoS卡得到了現有技術路線圖或技術趨勢分析的支持，這將有助于能力開發者估計一個新的 "系統 "在可預見的未來何時可以現實地出現和部署。DTAG會議的結果產生了新的技術應用概念，但它們缺乏技術趨勢分析和路線圖的支持，使能力開發者獲得的可操作信息有限。

2.2 TOWS分析（澳大利亞）

澳大利亞陸軍采用了由國防科技集團（DST）的科學家開發的威脅、機會、弱點和優勢（TOWS）方法來評估新興技術對陸軍通用功能的可能影響。TOWS技術的描述見[9, 10]。TOWS技術將外部威脅和機會與一個組織的內部弱點和優勢進行比較。結果被用來定義一套行動，以保護組織免受威脅，并使其能夠利用機會。TOWS是專門為推斷行動和戰略而設計的。

表1：技術領域對軍隊一般職能的影響[10］

3.0 評估新興技術的綜合方法

加拿大國防研究與發展部（DRDC）用于識別和評估新興技術的一些工具和技術已經在2015年的北約IST系列講座中進行了描述[11, 12]。目前，DRDC的計劃將這些工具和技術整合到科技（S&T）展望和風險評估的綜合方法中。圖1說明了從前景掃描活動到提供戰略建議的主要組成部分和邏輯流程。新興技術影響評估研討會每年進行一次，以評估新興技術對國防和安全能力、利益相關者和政策制定者的影響。

圖1：DRDC的科技（S&T）展望和風險評估計劃。

3.1 科技展望與風險評估

DRDC的科技展望和風險評估計劃的所有活動都是按照四步程序進行的，首先是進行前景掃描活動，以確定新出現的利益趨勢，然后收集和分析信息，以發展關于這些利益趨勢的技術情報。然后評估新出現的技術趨勢對國防、安全、政策和立法的可能影響。評估的結果被用來為計劃、能力和伙伴關系方面的決策提供信息。

3.2 加拿大軍隊的作戰功能和能力

在所有的未來情況下，任務的成功和有效性依賴于執行任務所需能力的可用性、準備性、穩健性和彈性。新興技術的潛在影響需要在所有作戰功能中進行評估，以確定哪些能力可能從中受益，哪些可能面臨風險。加拿大陸軍使用五個核心作戰功能：指揮、感知、行動、防護和維持

• 指揮 - 建立共同的意圖和管理指揮的必要結構和程序。作為一項作戰功能，指揮部是其他四項作戰功能的紐帶。指揮部是將所有作戰功能整合到一個全面的戰略、作戰或戰術層面的概念的作戰功能。

  • 指揮部的運作功能由一些關鍵能力支持，包括：

    表1：支持指揮職能的能力。

指揮與控制網絡	安全、穩健、多級和移動通信系統，允許在所有適當級別進行網絡化指揮。
規劃和決策支持系統	態勢感知（SA）；協作規劃工具；建模與仿真
JIMP連接性	聯合、機構間、多國和公共 (JIMP) 連接

• 感知 - 一個單一的綜合實體，收集、整理、分析和顯示各級數據、信息和知識。戰術、行動和戰略資產被整合為一個單一的連續體。感知是為指揮官提供知識的操作功能。感知功能包含了所有收集和處理數據的能力。

  • “感知” 的操作功能由一些關鍵能力支持，包括：

    表2：支持感知功能的能力。

地面傳感器網絡	雷達;光學
空中和戰略傳感器網絡	無人機;衛星;網絡
情報系統	圖像;信號;社會文化;地理空間;人類;開放源

• 行動 - 使用一種能力來影響整個沖突范圍內物質和道德領域的事件。行動反映了對各種來源的能力的整合--戰術、行動或戰略。行動是整合了機動、火力和信息戰的作戰功能，以達到預期效果。它是聯合火力和影響活動的結合，通過機動和對作戰環境的管理而同步和協調。

  • 該法案的運作功能由一些關鍵的能力支持，包括：

    表3：支持行動功能的能力。

火力	直接火力武器；間接火力武器；遠距離火力；聯合火力；定向能武器
機動	裝甲車；輕型車輛；自主系統；戰術空運；沿岸船只
信息作戰	電子戰；心理作戰；計算機網絡作戰（防御、攻擊、利用）。

• 防護 - 為促進任務成功而采取的部隊保護措施，通過管理風險和盡量減少人員、信息、物資、設施和活動在所有威脅下的脆弱性，維護行動自由和行動效率。防護是保護部隊、其能力和行動自由的業務職能。防護功能可以保護部隊免受常規和不對稱的威脅，適用于國內、大陸和國際行動。

  • 防護作戰功能由一些關鍵能力支持，包括：

    表4：支持盾牌功能的能力。

火災防護	保護基礎設施部隊、個人、車輛、武器、設備和物資免受直接和間接火災的傷害；戰斗識別（反自相殘殺）
GBAMD	地基防空和彈藥防御
避免爆炸性危險	簡易爆炸裝置（IED）；誘殺裝置；地雷
化學、生物、輻射防御	防范化學、生物、輻射、核威脅；環境和職業健康與安全
保護免受心理威脅	反心理學行動

• 維持--產生、部署、使用和重新部署一支部隊所需的所有功能的組合。"維持"是支持行動的再生和維持能力的操作功能。

  • "維持"行動功能由一些關鍵能力支持，包括：

    表5：支持維持功能的能力。

陸地設備系統	維修設施；前方維修；回收
材料和分配系統	總資產可見度；倉儲；供應；食品服務；陸路運輸；空運；集裝箱化
行政系統	財務服務；人事管理；停尸服務；牧師；法律服務；郵政服務；娛樂設施
衛生服務系統	醫療設施；傷員后送；醫療和牙科治療；醫療用品；健康報告；預防醫學（身體和精神）。

除了作戰功能外，還考慮了部隊生成能力。一些新興技術可能會影響到部隊生成的各個方面。例如，增強現實和虛擬現實技術正被越來越多地用于加速訓練。它們還為平臺的現場維護和修理提供了新的手段。在CA的背景下，部隊組建得到了一些關鍵能力的支持，包括：

表6：支持部隊組建的能力。

組織力量產生的結構	單位；旅；師；訓練機構；靶場和訓練區；總部
兵力投送	國家維持基地；戰略交通線；戰區維持（包括工程支持）；空運；海運；APODs/SPODs

3.3 研討會方法

通常情況下，新興技術影響評估研討會以一個或多個主題專家（SME）的展望簡報開始。中小企業有責任介紹該技術領域并描述其潛在的應用。他們還提供有關被審查的新興技術領域的新興趨勢和主要領導人的有用信息，以及對該技術目前的成熟度、限制、局限性和科學界面臨的挑戰的概述。

圖2：研討會過程。

根據中小企業提供的信息和個人的專業知識，研討會參與者被要求使用簡單的李克特量表評估新興技術領域對陸軍能力的潛在影響，從0（無影響）到7（非常大的影響）。評級過程確保參與者考慮到每個作戰功能的所有能力領域的影響。通常情況下，在考慮一項新興技術的潛在影響時，參與者已經想到了一個具體的能力領域。使用一個系統的能力評級過程，可以確保"不太明顯"的影響領域也在研討會上得到考慮和討論。

圖3：評級過程和尺度。

在研討會上，"影響"的定義是：解決現有的差距和缺陷；解決持久的問題（如士兵的負擔）；改善現有的能力；引入新的概念和能力；破壞或否定現有的能力；使任務面臨風險（多種風險類別）。

在第一輪個人評估后，將結果提交給研討會參與者，以激發小組討論和辯論。小組討論提供了機會，以交流對新興技術的看法，要求中小企業提供額外的技術細節和清晰度，挑戰假設，并試圖填補 "高不確定性所固有的知識空白"。小組討論后，再進行第二輪評估。這種方法有助于衡量和減輕 "群體思維"的影響。

3.4 數據分析

在研討會上收集的數據用兩種不同的方法進行分析。第一種是依靠DRDC的科學家在2006年開發的統計工具來進行多標準分析和排名共識（MARCUS）。MARCUS[14, 15]是一個產生共識結果的有用工具。MARCUS的特點之一是它能正確處理排名中的并列關系，能容忍不完整的排名，并在必要時允許單個排名在確定共識排名時具有不同的權重。

下面的例子顯示了小組討論前后評估的微小差異。在這個特殊的案例中，在小組討論之前，評估認為情報系統（5）將受到人工智能（AI）發展的最大影響。在小組討論后，與會者評估說，規劃和決策支持系統（2）將受到最大影響。

圖4：小組討論前后，MARCUS對人工智能應用在20種軍隊能力上的排名

用于分析數據的第二種定量方法是對所有參與者對每個能力領域的評分應用一個簡單的平均函數，如圖5所示。此外，在研討會期間還收集了參與者的定性評估，以便為個人評級提供額外的理由和背景。結果被用來確定哪些能力領域和作戰功能將受到所考慮的新興技術的最大影響（技術觀點），并確定哪些新興技術將有助于塑造整個作戰功能的未來能力（操作功能觀點）。自2014年以來，CA一直在舉辦一系列的研討會，以評估幾個新興技術領域的潛在影響。

3.5 結果概述

如圖5所示，累積結果表明，支持指揮功能的能力將受到人工智能（AI）應用、人類性能優化和修改（HPO、HPM）發展以及量子科學（QS）應用的顯著影響。量子技術有望提供下一代的加密能力，可以提高指揮和控制（C2）網絡的安全性。

圖5：新興技術領域對CA運行功能的影響程度

結果還表明，在未來15年以上的時間里，支持理智功能的能力將受到幾種新興技術的顯著影響。人工智能（AI）的快速發展，以及量子科學（QS）、超材料（MM）和印刷電子（PE）的發展，將有助于塑造未來的感知能力。

對于支持行為功能的能力，結果表明它們將受到人工智能、文化行為模型（CBM）以及培訓、教育和演習5（TEE）新模式的影響。機動能力將大大受益于人工智能的發展，特別是在機器人、自主車輛和蜂群的應用領域，但也可以通過人工智能的增強現實技術為下崗士兵服務。量子傳感器的發展將提供更精確的定位、導航和定時（PNT）系統，以提高在GPS缺失環境下的機動能力。

支持防護功能的能力也將受到幾個技術領域的重大影響。材料科學和個人防護設備（PPE）設計的發展顯然將塑造未來的防火能力。化學和生物檢測和保護（CB DP）的進步將有助于增強或新的CBRN防御能力，同時合成生物學（SB）和人體性能優化（HPO）的發展也將有助于增強或新的CBRN防御能力。量子科學（QS）預計將提供新的傳感器，以實現對爆炸性危險的遠距離探測和規避。

在支持 "維持"功能的所有能力領域中，衛生服務系統是未來15年內變化最大的領域。合成生物學（SB）、人體性能優化（HPO）和改造（HPM）的發展，以及個人防護裝備、化學和生物檢測和保護（CB DP）的發展，培訓、教育和鍛煉的新模式，以及來自印刷電子（PE）的可穿戴和植入式傳感器，預計將對未來的衛生服務系統產生重大影響，前提是有適當的政策和立法。

3.6 結果

年度新興技術影響評估研討會是支持能力發展和實施國防創新計劃的關鍵。它們匯集了科學家、學者、工程師、政策制定者、項目管理人員、法律顧問和軍事人員的專業知識。自2014年成立以來，新興技術影響評估研討會為國防能力、科技合作計劃和伙伴關系的戰略投資決策提供了信息。例子包括。

• 采用部門的量子科技戰略。

• 加拿大軍隊人工智能概念文件和技術路線圖。

• 提交給國防部（DND）"創新促進國防卓越和安全"（IDEaS）計劃的新的創新挑戰。

• 在新興技術領域的新FVEY活動，如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。

• 幾個國防和安全政策問題簡報。

• 對敏感技術和出口控制的系統性審查6。

4.0 結論

任務的成功和有效性取決于用于實現效果的能力的可用性、準備性、穩健性和復原力。長期的戰略能力發展計劃需要識別和評估新興技術對所有作戰功能的潛在影響，以了解哪些能力可能受益于這些技術，哪些可能面臨風險。為了支持這種評估，我們設計了一個框架，其中包括定量和定性的措施以及支持任務所需的能力要素的正式清單。通過對加拿大陸軍能力要素的幾個新興技術領域的評估結果，說明了該框架的應用。自2014年第一次迭代影響評估研討會以來，累積的結果提供了寶貴的見解，即在未來15年內，哪些軍事能力領域和作戰功能將受到審查技術的最大影響。

附錄A

表A-1: CA評估的新興技術領域

5.0 參考文獻

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目前，有大量的全動態視頻（FMV）檔案從未被查看過，而且隨著傳感器數量的增加，情況越來越糟糕。加拿大國防部（DND）、加拿大其他機構和盟友的問題基本相同：不具備分析來自監控的全動態視頻數據的人力。為解決此問題，要求有一種易于擴展的分析能力，這種能力與不斷增長的可用視頻傳感器數量成比例地增長。為了解決這個問題，加拿大國防研究與發展部（DRDC）--瓦爾卡蒂爾研究中心及其贊助者加拿大特種作戰部隊司令部（CANSOFCOM），已經開始了一項探索性的舉措，利用深度學習的最新進展來描述圖像和視頻內容。這種新興的能力可以被用來處理FMV，從而為軍事分析人員提供支持。本科學報告描述了用于實時FMV分析的自動視頻分析（LAVA）概念。它描述了科學家們所面臨的工程、創新和研究問題。報告提供了使用機載軍事傳感器進行的多次真實測試的結果。最后，提出了這項技術的潛在開發途徑。

這份研究文件對如何利用深度學習來分析加拿大武裝部隊和其他加拿大機構所掌握的大量FMV進行了深入的分析。該文件提出了一個在現實作戰條件下使用的概念論證，并提供了結果表現、問題、挑戰和未來的方向。這項技術可用于處理FMV檔案和分析實時FMV反饋，以協助情報分析人員。

本文討論了F-35 "閃電"戰斗機對挪威皇家空軍指揮與控制（C2）可能的影響方式。它強調了協調的重要性，回答了有關F-35的實施對其他能力相互依賴性的影響問題。這一基礎被進一步用來討論對C2核心要素的可能影響，如程序、人員、通信和信息系統。基于F-35系統的能力，發現挪威武裝部隊中跨領域和C2級別的相互依存關系的發展；這些相互依存關系的復雜性，既受到空中行動執行的影響，也受到環境突發事件的影響，意味著組織需要靈活使用協調機制。我們發現，相互依存關系，以及如果要獲得成功所需的協調，對涉及F-35的空中行動指揮和控制有影響。我們建議該組織應更積極地使用分層和水平結構，以適應跨領域和C2級別的知識和信息共享。程序需要包括授權的方法和系統，人員需要了解相互依存關系和多域作戰。最后，通信和信息系統必須是可用的、可互操作的和強大的。

關鍵詞：挪威，F-35，指揮與控制，相互依賴，多團隊協調

摘要

加拿大國防研究與發展部（DRDC）已經確定需要為下車士兵-機器人團隊提供直觀、安全的人機交互（HRI）方法。本文介紹了一個多模態的HRI平臺，結合語音和手勢輸入來指揮一個無人地面車輛（UGV）。使用Mycroft，一個開源的數字助理，來促進語音輸入工具鏈，我們將命令翻譯成機器人操作系統（ROS）環境，以控制Argo Atlas J8 無人地面車輛。利用MediaPipe的手部檢測來識別關鍵的手部動作，我們實現了手勢識別作為一種替代的輸入形式。通過這種架構，我們成功地開發了一套語音和手勢命令，以操作Argo Atlas J8，調用現有的自主功能，并增加了新的、直觀的功能，如口頭的路線建設。為了簡化人與機器人的交互，我們增加了關鍵的架構修改，如 "推送 "功能和類似命令的上下文處理。我們在反饋和閑置時間方面進一步研究了人機交互識別系統。本文最后分析了我們系統的開源構建模塊的優點，并對未來的實施提出了建議。這個系統將被用于未來的士兵試驗，以推動未來人類機器人合作研究方向。

對國防安全的意義

在未來的作戰環境中，預計加拿大武裝部隊（CAF）士兵將使用無人駕駛車輛來協助各種行動。然而，傳統的基于平板電腦的HRI方法可能會轉移操作者的注意力，使他們處于弱勢。因此，DRDC希望研究其他的HRI方法，使士兵能夠以手的方式與無人車互動。此外，直觀的控制可以最大限度地減少熟悉新系統及其復雜性的負擔，這對于必須在作為士兵-機器人團隊的一部分工作時專注于作戰任務的下車士兵來說尤其重要。基于語音和手勢的控制以前已經被證明是控制自主系統的有效手段。在這份報告中，我們介紹了在人類系統性能項目（HSP）下開發的一個混合語音/手勢人機交互識別系統。該系統與一個代用的UGV集成，該UGV將成為未來下車士兵測試的對象。這些試驗的結果將推動未來的研究，并協助CAF，特別是加拿大陸軍，制定對未來UGV系統的要求。

1 引言

隨著無人駕駛地面車輛（UGVs）的普及，對直觀的、強大的人機交互（HRI）形式的需求也在增加。加拿大國防研究與發展部（DRDC）已經確定了一個成功的HRI平臺的三個關鍵因素：直觀的控制、用戶態勢感知（SA）和安全操作。直觀的控制需要一個直接的命令集和一個與UGV溝通的自然方法，這樣具有非技術背景的用戶可以很容易地與車輛互動。一個理想的系統通過提供信息，同時限制阻礙用戶對環境線索作出反應的分心，從而最大限度地提高安全系數。智能安全防護裝置在任何HRI系統中也是必不可少的，以確保用戶和周圍基礎設施的安全。

自從早期使用語音控制UGV[1]以來，數字語音助手，如亞馬遜的Alexa和蘋果的Siri，基于互聯網的系統已經取得了令人印象深刻的進展，并成為日常人機交互的主力軍。現在，隨著準確性和復雜性的提高，語音控制可以與傳統形式的HRI（如平板電腦界面和遙控器）競爭，甚至可以彌補。遙控器提供了一套有限的命令。平板電腦界面雖然提供了廣泛的控制，但由于將用戶的注意力集中在屏幕上，因此限制了對情況的了解。另一方面，語音控制和反饋提供了豐富的命令集，提高了用戶的環態勢感知，同時限制了分心。因此，語音控制為HRI提供了一種“抬頭、動手”的方法，從而減輕了傳統車輛控制方法所帶來的擔憂。

雖然語音控制在野外環境中具有明顯的優勢，但大風和嘈雜的環境可能會削弱音頻命令的準確性。此外，對無聲操作的需求可能使語音無法在操作環境中使用。手勢識別提供了另一種自然交流方法，它很適合機器人遠程操作，但仍然不受嘈雜環境的影響。此前，陸軍研究實驗室的研究人員證明，基于手勢的命令可以用來向大型UGV發出簡單的命令[2]。作者注意到各種手勢方法的局限性，其中包括傳感器的視線、惡劣天氣或夜間作業的能見度、需要明確的通信，以及在作業期間增強的視覺特征。由于不同的模式之間總是存在著權衡，因此最好是使用一個多模態的界面，將語音和手勢輸入結合起來。這使用戶能夠利用每種方法的優勢來完成手頭的任務，并有可能實現靈活、可靠和直觀的人機交互識別。以前的語音/手勢組合控制的嘗試，如士兵交互設備[3]，表明用戶在指揮UGV時更喜歡語音而不是手勢，但如前所述，各種因素可能會降低語音的有效性。在某些情況下，可以依靠一種或兩種方法來提高系統的穩健性。此方法可以為語音命令提供額外的上下文（反之亦然），而且多種輸入方法可以同時使用，以提高命令檢測的穩健性。

本文探討了在DRDC-蘇菲爾德研究中心開發的多模態HRI平臺的方法和實現。HRI系統利用開源數字助理Mycroft，結合機器人操作系統（ROS）來指揮Argo Atlas J8 UGV。為了評估系統結構的有效性，我們創建了一個完整的命令套件，調用Argo Atlas J8上現有的自主功能，并在此基礎上增加了新的命令，如通過語音建立路線。

本文的結構如下。第2節快速介紹了這里設計的解決方案所使用的主要工具背景。第3節概述了系統結構并討論了語音命令子集的開發。第4節討論了HRI系統的主要成果。第5節批判性地分析了該系統及其開源構件的成功和缺點，第6節指出了未來人機交互識別研究的興趣領域。

2 背景

這里開發的系統依賴于開源機器人軟件的使用。主要是ROS、Mycroft開源語音助手和MediaPipe。

3 系統設計

作為最初的概念驗證，開始的目標是創建語音命令，以調用Argo Atlas J8上的一些現成的自主功能。這些功能包括切換車輛控制模式和參與補給行動（路徑記錄和回放）。在開發過程中，結構被逐漸調整，以促進更順暢的互動。手勢識別被添加為一種替代的輸入形式。此外，命令集被擴展到現有的UGV命令之外，包括口頭路線建設、視頻捕捉等。本節的其余部分將詳細介紹硬件設置和系統設計。

圖1：UGV硬件設置：1.Argo Atlas J8 UGV；2. 差分GPS；3. ZED2立體相機；4. System76筆記本電腦

序言

指揮、控制和通信（C3）系統是所有軍事作戰的基礎，為國防部（DoD）的所有任務提供計劃、協調和控制部隊和作戰所需的關鍵信息。歷史上，美軍取得并保持了C3技術的主導優勢，但同行的競爭者和對手已經縮小了差距。國防部目前的C3系統沒有跟上威脅增長的步伐，也沒有滿足我們聯合作戰人員不斷增長的信息交流需求。聯合部隊必須配備最新的C3能力，為所有領域提供實時態勢感知和決策支持。

未來的沖突很可能由信息優勢決定，成功的一方將來自多個領域的分布式傳感器和武器系統的大量數據轉化為可操作的信息，以便更好、更快地做出決策并產生精確的效果。國防部（DoD）正在執行一項重點工作，通過綜合和同步的能力發展，在所有領域迅速實現靈活和有彈性的指揮和控制（C2），以確保對我們的對手的作戰和競爭優勢。這項工作被稱為聯合全域指揮與控制（JADC2），是決策的藝術和科學，將決策迅速轉化為行動，利用所有領域的能力并與任務伙伴合作，在競爭和沖突中實現作戰和信息優勢。JADC2需要新的概念、科學和技術、實驗以及多年的持續投資。

該戰略代表了國防部對實施國防部數字化現代化戰略中C3部分的設想，并為彌合今天的傳統C3使能能力和JADC2之間的差距提供了方向。它描述了國防部將如何創新以獲得競爭優勢，同時為完全網絡化的通信傳輸層和先進的C2使能能力打下基礎，以使聯合全域作戰同步應對21世紀的威脅。該戰略的重點是保護和保持現有的C3能力；確保美國、盟國和主要合作伙伴在需要的時候能夠可靠地獲得關鍵信息；提供無縫、有彈性和安全的C3傳輸基礎設施，使聯合部隊在整個軍事作戰中更具殺傷力。這一戰略的實施需要在作戰領域內和跨作戰領域內同步進行現代化工作，從完美的解決方案過渡到一個高度連接的、敏捷的和有彈性的系統。

本文件確定的目標為DOD的C3系統和基礎設施的現代化提供了明確的指導和方向。然而，現代化并不是一個終點，而是一項持續的工作。國防部將評估和更新該戰略，以適應在通往JADC2道路上的新的作戰概念和技術。

引言

美國防部正面臨著幾十年來最復雜和競爭激烈的全球安全環境。在這個大國競爭的新時代，國防部必須提高聯合作戰人員的殺傷力，加強聯盟伙伴關系，吸引新的合作伙伴，并改革國防部以提高績效和經濟效益。

當我們建立一支更具殺傷力的部隊并加強聯盟和伙伴關系時，DOD必須專注于關鍵的有利工具，以有效地運用聯合多國部隊對抗大國競爭。有效的部隊使用始于有效的C2，即由適當指定的指揮官在完成任務的過程中對指定和附屬部隊行使權力和指導。在現代戰爭中，這可能是人對人、機器對機器（M2M）的循環，或者隨著自主程度的提高，M2M的循環中也有人類。在其最基本的層面上，成功的C2需要有可靠的通信、發送和接收信息的手段，以及其他處理和顯示可操作信息的能力，以幫助指揮官進行決策并取得決定性的信息優勢。

圖1：指揮、控制和通信現代化

該戰略的重點是支持有效的聯合和多國作戰的C3使能能力（圖1）。C3使能能力由信息整合和決策支持服務、系統、流程以及相關的通信運輸基礎設施組成，使其能夠對指定和附屬的部隊行使權力和指導。這些能力使指揮官和決策者能夠迅速評估、選擇和執行有效的作戰方案以完成任務。

具體而言，該戰略為2020-2025年的C3使能能力現代化提供了方法和實施指南。作為2018年國防戰略（NDS）實施的一部分，聯合參謀部正在制定聯合和任務伙伴網絡的工作概念，以便在有爭議的環境中執行全域聯合作戰。根據這些概念，負責研究和工程開發的國防部副部長辦公室（OUSD(R&E)）正在開發和發展一個長期的（2024年及以后）全網絡化指揮、控制和通信（FNC3）架構。實施這些未來的概念和架構將需要時間來使得新的技術和多年的投資成熟可用。這個C3現代化戰略為彌合今天的傳統C3使能能力和未來的FNC3使能JADC2之間的差距提供了方向，以確保聯合部隊能夠 "今晚作戰（fight tonight）"，同時為聯合全域作戰所需的未來技術創造一個可行的過渡路徑。

戰略目標

本戰略提出的C3現代化目標與國防部數字化現代化戰略（DMS）和其他更高層次的指導意見相一致，包括國家發展戰略、國防部2018年網絡戰略、聯合作戰的基石概念：《聯合部隊2030》和《國防規劃指南》。它實施近期的現代化作戰和創新解決方案，通過更安全、有效和高效的C3環境提供競爭優勢。為此，國防部必須解決這些C3現代化的目標：

1.開發和實施敏捷的電磁頻譜操作；

2.加強定位、導航和授時信息的交付、多樣性和彈性；

3.加強國家領導指揮能力；

4.提供綜合的、可互操作的超視距通信能力；

5.加速和同步實施現代化的戰術通信系統；

6.全面建立和實施國防部公共安全通信生態系統；

7.創造一個快速發展5G基礎設施和利用非美國5G網絡的環境；

8.提供有彈性和響應的C2系統；9.提供任務伙伴環境能力。提供任務伙伴環境能力和服務。

圖2：DOD數字現代化戰略

圖3：DOD C3現代化和數字現代化戰略的一致性

圖2和圖3分別顯示了本戰略中實施的DMS要素以及兩個戰略之間的目標和目的的一致性。

DOD C3依賴于一個復雜的、不斷發展的系統，從網絡基礎設施和核心服務到戰術邊緣的手持無線電和移動設備。本戰略中包含的九個目標是對圖2中強調的六個DMS目標的更細粒度的分解。C3現代化的其他關鍵因素包括聯合信息環境能力目標、數據中心化和數據分析，分別包含在DMS、國防部云戰略和國防部人工智能戰略中。有效的國防部事業管理將確保這些戰略的成功同步和實施。