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壓縮的戰術決策周期將是未來快節奏的超級戰爭的支點。人工智能武器系統有望擴展和最大化人類的能力，成為武裝部隊在這種致命作戰環境中的生存能力和殺傷力的關鍵。人工智能不是武器；它是武器系統的組成部分或元素--最可能是一個軍事網絡或 "軍事物聯網"，它將加速火力或效果應用的速度和決策。網絡化部隊將為整個企業的態勢感知和戰斗管理提供信息。部隊不太可能出動 "殺手機器人"--攜帶武器、不受人類指揮做出生死決定的單獨實體。相反，創建和使用自主武器系統（AWS）將需要一個定義明確的作戰環境，并獲得豐富、準確、超大的數據集，如GPS，由分布式傳感器提供，加上改進的機器學習算法和高性能處理器，將人工智能融合到殺傷鏈中。殺傷鏈過程結合了多光譜傳感器，以了解作戰環境，積極地識別、跟蹤和選擇目標，并以最適當的效果與他們交戰。(蘇聯將這一過程稱為 "偵察打擊綜合體"，而在20世紀90年代，美國的約翰-博伊德推廣了 "OODA循環 "一詞，即武裝部隊在對手面前競相觀察、定位、決定和行動）。人工智能旨在促進這種適應性的、多領域的、高速的決策模式，在此過程中，它有望提供決定性的軍事優勢。本研究的第二部分敘述了美國武裝部隊在武裝沖突期間對人工智能的當前和潛在使用。

在第三部分，研究轉向適用于戰爭中使用人工智能的規則。所有的戰爭方法和手段，包括人工智能，都必須符合戰爭法，也稱為武裝沖突法（LOAC）或國際人道主義法律（IHL）。指揮官有責任確保他們所掌握和指揮的方法和手段，包括人工智能，符合武裝沖突法的原則，如區分、相稱性和攻擊中需要預防的規則。

第四部分探討了《特定常規武器公約》（CCW）成員國為制定有助于確保AWS遵守武裝沖突法的標準所做的努力。特定常規武器公約》召集了一個政府專家小組（GGE），考慮對AWS的人類判斷或控制水平進行標準化的定義，以確保人類對機器的行為負責。政府專家小組最關注的是確保在敵對行動中使用致命性武器（LAWS）符合武裝沖突法。這項工作旨在彌補致命性武器系統在法律上暴露的 "漏洞"。然而，無論這一過程中產生了什么標準，都不可能成為確保致命性武器系統的運作符合武裝沖突法的有效和可靠的指導。

此外，一些非政府組織和有關國家認為，讓指揮官對行為不可預測的自主武器系統負責是不公平的，但這正是軍隊運作的方式--賦予軍事指揮部對部隊的全權和責任。特定常規武器公約》政府專家小組的努力不太可能產生詳細的、被廣泛接受的規則，從而有意義地改進這種模式。作戰的軍事指揮官已經對他們在武裝沖突期間使用人工智能武器系統負責，這是第五部分的重點。

第五部分探討了體現在軍事指揮官身上的人類問責制。軍事指揮官對人工智能武器系統的使用以及在他或她的指導下支持戰爭行動的所有努力路線負責。直接的、個人的指揮責任是長期的、完整的。對所有軍事行動--包括武裝沖突中由人工智能發動的攻擊--的相應責任由指揮系統的最高層承擔。這種問責可能是以刑法的形式，但也包括一系列行政和非司法措施。直接問責涵蓋了武裝沖突期間發生的每一件事，包括那些國際刑事法院缺乏管轄權或證據不足的事件，因此它規范了指揮官的行為，即使他們沒有犯罪意圖，事實上，即使他們沒有直接 "過錯"。

第六部分的結論是，指揮官的直接和個人問責的好處是長期存在，被廣泛理解，并被一線軍官和軍事領導人直觀地理解；它是軍事文化的一部分。雖然它可以利用法律程序，包括軍事司法系統，但它并不完全受制于或依賴這些程序。雖然指揮官仍然要為戰爭罪受到刑事處罰，但軍事問責制也包括一系列非司法和行政制裁。指揮官對人工智能武器系統的問責尤其引人注目，因為與常規武器不同，如果出了問題，沒有額外的人（或更少的人）可以負責。

本報告重點討論與人工智能系統可能缺乏可預測性而導致的有關風險--被稱為可預測性問題--及其對國家安全領域人工智能系統治理的影響。人工智能系統的可預測性表明人們可以在多大程度上回答這個問題：人工智能系統會做什么？可預測性問題既可以指人工智能系統的正確結果，也可以指不正確的結果，因為問題不在于這些結果是否符合系統工作的邏輯，而是在部署時是否有可能預見到這些結果。

人們越來越擔心，使用不可預測的人工智能系統為高風險決策提供信息可能會導致災難性的后果，這將破壞公眾對部署這些系統的組織的信任，并可能侵蝕政府的聲譽。在國家安全領域，人工智能的使用引入了一個新的不確定性來源，可能會阻礙風險管理程序，并可能使責任鏈變得混亂。在這個領域，可預測性問題的影響可能導致關鍵基礎設施的安全風險、個人權利和福祉的風險、沖突升級或外交影響。

在本報告中，我們首先從技術和社會技術的角度分析了可預測性問題，然后集中討論了英國、歐盟和美國的相關政策，考慮它們是否以及如何解決這個問題。從技術角度來看，我們認為，鑒于人工智能系統的設計、開發和部署的多層面過程，不可能考慮到所有的錯誤來源或可能產生的新行為。此外，即使在理想的情況下，在設計或開發階段沒有錯誤可以假設或檢測，一旦部署了人工智能系統，仍然可能發展出形式上正確的（但不想要的）結果，這在部署時是無法預見的。

我們通過關注人機編隊（HMT-AI）來分析可預測性問題的社會技術影響。人機編隊代表了一種越來越普遍的人工智能系統部署模式。在HMT-AI中，人類咨詢、協調、依賴、發展并與人工智能代理交換任務。由于HMT-AI結合了人類和人工的自主性，它們通過增加人工和人類代理及其環境之間的互動的數量和類型而加劇了可預測性問題。在這種情況下，我們發現可預測性問題的三個主要來源：人機交互、人員培訓和（過度）信任。人機交互可能會助長不可預測的結果，因為它們可以掩蓋、扭曲或過分詳細地描述人工智能系統的工作原理，而培訓計劃可能沒有考慮到人工智能技術的學習能力和HMT-AI的長期慣例建設。同樣，在HMTAI中，人類代理人不加批判地接受AI系統的結果，這種過度信任的動態也可能導致無法預測的結果。

在確定了可預測性問題的一些根本原因之后，我們分析了英國、歐盟和美國的政策，以評估這些原因是否在相關的政策文件中被涵蓋，如果是的話，如何以及在何種程度上被涵蓋。我們確定了四個主要主題和一個缺口。它們是：控制、監督和價值調整；資源提升的方法；可信賴人工智能的發展；以及缺乏對風險管理措施的關注，以遏制可預測性問題的影響。

我們的政策分析包括八個建議，以減輕與可預測性問題有關的風險。關鍵的建議是將治理方法集中在HMTAI上，而不僅僅是AI系統，并將可預測性問題概念化為多維度的，解決方案集中在HMT-AI組成的共同標準和準則上。在這些標準和準則中，可信人工智能的要求是特別相關的，應該與評估人工智能系統的可預測性的標準和認證計劃以及審計HMT-AI的程序結合起來。支持在國家安全中使用HMT-AI的決定的成本效益分析和影響評估應該考慮到可預測性問題及其對人權、民主價值的潛在影響，以及意外后果的風險。為了確保在部署潛在的不可預測的人工智能系統時進行充分的風險管理，我們建議調整ALARP原則--在合理可行的情況下盡量降低--作為制定HMT-AI中可預測性問題的人工智能特定風險評估框架的基礎。

擬議的基于ALARP的框架將提供有用的實際指導，但僅僅是這樣還不足以識別和減輕可預測性問題所帶來的風險。需要額外的政策、指導和培訓來充分考慮人工智能可預測性問題帶來的風險。人工智能系統支持的決策的影響越大，設計、開發和使用該系統的人的謹慎責任就越大，可接受的風險門檻也越低。這些分析和建議應該被理解為可操作的見解和實用的建議，以支持相關的利益相關者在國家安全背景下促進社會可接受的和道德上合理的人工智能的使用。

建議

建議1. 政府應撥出研究經費，發展公私合作，對HMT-AI進行縱向研究。這項研究應側重于HMT-AI中的新舊決策模式，以評估編隊協議建設和培訓對績效和控制措施的影響。重點應放在為HMT-AI的具體動態定義新的培訓協議，以及加快風險管理標準和HMT-AI績效評估的發展。

建議2. 應該建立一個專門的HMT-AI認證計劃，以促進行業對為HMT-AI設計的AI系統的設計要求和評估的共識。任務之間的通用性、有效的溝通、性能的一致性以及對新隊友的適應性都應該包括在這樣一個認證計劃中。在開發不足的ISO標準的基礎上，這個認證計劃還應該擴展到過程的可追溯性和決策的問責制，以及評估HMT-AI信任程度的審計機制。這對于抑制HMT-AI中的過度信任和自滿態度是必要的，這種態度維持或擴大了可預測性問題。

建議3. 對國家安全領域的可預測性問題的政策反應應該側重于管理HMT-AI團隊，而不是單獨的AI系統。

建議4. 國家安全領域的HMT-AI的成本效益分析（CBA）應該包括對AI系統的可預測性以及技術和操作層面的相關道德風險的評估。為了促進各安全機構之間的一致評估，應該定義一個評估人工智能系統可預測性的標準量表，在這個量表上，使用（或不使用）人工智能的選擇應該根據上下文的CBA以及考慮公眾對風險和相關利益的態度來證明。這個尺度的定義應屬于獨立的第三方行為者的職權范圍，即與部署HMT-AI的公共機構不同。

建議5. 與其說是 "更多 "或 "更少 "的可預測性，政策建議應側重于可預測性的權衡，明確具體建議旨在解決可預測性問題的哪個方面，以何種方式解決，以及它們有可能加劇哪些方面，哪些緩解措施將被落實到位。政策應該認識到，可預測性是一個多維度的概念，在一個層面上可預測性的收益可能會以另一個層面的損失為代價。

建議6. 關于國家安全中人工智能可預測性問題的政策應該在正式和操作層面上解決可信度和不可預測性之間的聯系。例如，應該給人工智能系統一個可修正的可預測性分數，這應該包括在對系統的可信任度的評估中。人工智能系統的可信賴性應包括成本效益分析，以評估不想要的行為在不同部署背景下可能帶來的風險。

建議7. 應該為不可預測的人工智能建立風險閾值，這些閾值將圍繞不可預測行為的風險嚴重程度映射到其自身的可預測程度（例如，劃分為已知的已知因素、已知的未知因素等）。這些閾值反過來將為風險管理過程的發展提供信息，允許根據風險的可預測性及其影響對其進行優先排序。

建議8. 應該制定一個基于ALARP的框架，以評估不可預測的人工智能和HMT-AI的風險，并為任何給定的環境確定可接受的最大程度的不可預測性。這個框架應該包括:

• 對特定人工智能系統和HMT-AI的可預測程度的定量評估；
• 對導致部署人工智能系統的設計、開發和/或采購步驟的可追溯性的評估；
• 對部署條件的評估，例如，HMT-AI、操作員（或HMT-AI成員）的培訓水平、交互的透明程度、人類對AI系統的控制水平；
• 對部署該系統的潛在風險和預期收益進行成本效益分析（根據建議4）；
• 對假設情況的分析，以考慮風險暴露或緩解措施的有效性如何隨部署情況而變化；
• 人為推翻系統的協議和補救機制。

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。

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。

首先，美國軍隊所支持的作戰任務范圍涵蓋了在日益困難的作戰環境下的廣泛作戰需求。第二，對手的性質和普遍性，不僅包括主權國家，而且包括非國家恐怖組織，威脅到美國利益的關鍵地區穩定和美國在國內和國外的利益安全。 第三，當前和未來行動范圍和速度對及時有效地適應和應對局勢的能力提出了挑戰。預測對手的行動并以否定或最大限度地減少這些行動的影響的能力仍將是發展軍事能力的首要目標。 最后，技術的進步不僅提高了自身支持軍事行動的能力，也提高了敵人的技術先進性。他們在自己的行動中利用越來越多的新興技術能力的能力，或者，可能更具破壞性，利用技術漏洞來對付美軍，增加了新出現的威脅。

雖然美國繼續享有對那些威脅美國和盟國的重大技術優勢，但這種優勢永遠處于危險之中。隨著美國防部試圖處理其目前和未來行動中日益增加的復雜性，自主性的發展、部署和利用被吹捧為擴大作戰能力的基本手段。

盡管幾十年來，自動化一直是軍事和工業應用的主要內容，但自動化系統的早期應用也面臨著類似的挑戰。自動化的可靠性已大大改善，并繼續推進適應不確定和模糊的作戰環境動態的能力。然而，這些同樣的技術，像大多數技術進步一樣，導致了意想不到的，而且往往是不理想的后果。大量的研究致力于了解適應性自動化和人類-自動化協調在校準自動化系統以適應復雜環境中的動態情況方面所發揮的作用。 復雜環境中的動態情況。

第711人類性能聯隊的協作交互和團隊處發起了一項計劃，調查與先進人類自主性互動相關的問題，特別是與現有的人類-自動化協調研究的對比。決策優勢行動工具（COATDS）任務的啟動是為了調查人機交互的問題，了解自主系統發展的原則，并利用這種理解來指導交互的發展，以支持和加強復雜工作領域的人機協調。

這份最終報告總結了 COATDS 工作的整體文獻綜述部分。有關文獻綜述工作的更多信息也可在兩份早期出版物中找到（Hooper 等人，2015 年；Duffy 等人，2016 年）。本報告的主要目的是為讀者提供有價值的信息，讓他們了解算法和技術的工作知識，以及迄今為止為將其應用于集成的人類自主系統而開發的最佳實踐。除非另有說明，否則信息來自普遍接受的知識或人工智能的主要教科書“人工智能：現代方法”（Russell Norvig，2003 年）中的著作。由于本節的目的是收集和呈現為了讓讀者對這些技術有一個粗略的了解，許多示例直接取自本文，沒有明確引用以提高可讀性。此外，我們為這項工作開發的分類法中包含對方法的審查，包括介紹性材料定義關鍵術語并提供統一的框架和描述符。該報告最后對許多解決問題的方法進行了簡短的分析總結，以提供一個方便的參考工具，交互開發人員可以使用該工具快速檢索關鍵信息。

小型無人駕駛飛機系統（sUAS）的指數式增長為美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正極大地改變著小型無人機系統的合法應用，同時也使它們成為國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中日益強大的武器。如果被疏忽或魯莽的操作者控制，小型無人機系統也可能對美國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。越來越多的 sUAS 將與美國防部飛機共享天空，此外美國對手可能在美國防部設施上空運行，在此環境下美國防部必須保護和保衛人員、設施和資產。

為了應對這一挑戰，美國防部最初強調部署和使用政府和商業建造的物資，以解決無人機系統帶來的直接風險；然而，這導致了許多非整合的、多余的解決方案。雖然最初的方法解決了近期的需求，但它也帶來了挑戰，使美國防部跟上不斷變化問題的能力變得復雜。為了應對這些挑戰，美國防部需要一個全局性的戰略來應對無人機系統的危害和威脅。

2019年11月，美國防部長指定陸軍部長（SECARMY）為國防部反小型無人機系統（C-sUAS，無人機1、2、3組）的執行機構（EA）。作為執行機構，SECARMY建立了C-sUAS聯合辦公室（JCO），該辦公室將領導、同步和指導C-sUAS活動，以促進整個部門的統一努力。

美國防部的C-sUAS戰略提供了一個框架，以解決國土、東道國和應急地點的sUAS從危險到威脅的全過程。國防部的利益相關者將合作實現三個戰略目標：（1）通過創新和合作加強聯合部隊，以保護國土、東道國和應急地點的國防部人員、資產和設施；（2）開發物資和非物資解決方案，以促進國防部任務的安全和可靠執行，并剝奪對手阻礙實現目標的能力；以及（3）建立和擴大美國與盟友和合作伙伴的關系，保護其在國內外的利益。

美國防部將通過重點關注三個方面的工作來實現這些目標：準備好部隊；保衛部隊；和建立團隊。為了準備好部隊，國防部將最大限度地提高現有的C-sUAS能力，并使用基于風險的方法來指導高效和快速地開發一套物質和非物質解決方案，以滿足新的需求。為了保衛部隊，國防部將協調以DOTMLPF-P考慮為基礎的聯合能力的交付，并同步發展作戰概念和理論。最后，作為全球首選的軍事伙伴，國防部將通過利用其現有的關系來建設團隊，建立新的伙伴關系，并擴大信息共享，以應對新的挑戰。

通過實施這一戰略，美國防部將成功地應對在美國本土、東道國和應急地點出現的無人機系統威脅所帶來的挑戰。在這些不同操作環境中的指揮官將擁有他們需要的解決方案，以保護國防部人員、設施、資產和任務免受當前和未來的無人機系統威脅。

戰爭的特點正在發生根本性的變化，這些變化對空中力量的影響尤其深遠。多域整合為空中力量和越來越多的空間力量在未來幾年內的一系列轉變做好了準備，這些轉變不僅與技術有關，而且與空軍組織和進行規劃和行動的戰略和作戰概念有關。

迫在眉睫的、不可避免的多域作戰似乎是空中力量的一個明顯的邏輯演變，它可能會引發這樣的問題：為什么我們沒有更早地沿著這些思路思考和發展作戰概念？畢竟，對優化、作戰協同和武力經濟的尋求在空中力量中是持久的。可以說，多年來，空軍及其相關部門事實上已經嘗試以某種方式或形式在多域背景下運作。然而，在整個部隊甚至整個戰區范圍內，為多域作戰（MDO）提出的早期作戰概念（CONCOPS），在多域作戰空間產生作戰協同和效果的努力是前所未有的。

諸如聯合全域指揮與控制（JADC2）這樣的結構闡述了一個作戰云賦能的未來戰爭，其中任務指揮和戰斗空間管理被有效地隱含在整個戰斗部隊中，觀察-定向-決定-行動（OODA）環路被加速到邊緣計算的速度。傳感器和通信網絡決定了空軍承擔幾乎所有傳統任務的功能能力。數據和數據流將變得比空軍傳統上對機動自由的依賴更加重要，并且有效地成為其戰略推動者。空軍力量將越來越多地與網絡而非平臺、數據而非武器系統有關。

任務的成功和失敗一直是由指揮官和作戰人員可用的態勢感知水平決定的。在新興的作戰模式中，空軍以近乎實時的速度收集、處理和利用數據的能力有效地使數據成為最大的工具和最令人垂涎的武器。收集、處理、匯總、分析、融合和傳播大量的數據、信息和知識將需要像未來有爭議的戰場上的事件速度一樣快。目前正在進行的戰爭數字化將導致在未來幾年內將 "大數據"廣泛用于作戰過程。空間領域將在實現全球范圍內連續的、有保障的和安全的通信方面發揮顯著的作用，除了更傳統的遠程監視用途外，它還被用作這種通信的運輸層。

對信息主導地位的追求將以新的和不確定的方式在物理、電磁和虛擬世界中擴展競爭的連續性。隨著空軍對帶有嵌入式人工智能（AI）工具和應用的作戰云的使用，新的風險、脆弱性和故障點將被引入。本出版物收集了來自世界各地領先的思想家的文章和見解，對多域整合和空中力量的信息優勢框架和概念的一些最相關問題提供了深入的觀點。這里的觀點和討論反映了當前對各種戰略、指揮和作戰層面的思考，讀者會發現這些思考對他們更廣泛的理解很有幫助。

這里介紹的專家展望本身既不樂觀也不悲觀，正如我們所期望的那樣，所確認的是各種新技術促成的 "飛躍"機會正在地平線上形成，但其有效利用帶來了復雜和破壞性的新挑戰。在強調其中一些關鍵的挑戰和更好地理解這些挑戰的必要性的同時，正如通常的情況一樣，沒有快速的解決辦法或現成的解決方案。然而，有令人信服的理由認為，今天所預見的眾多挑戰似乎在理論上和技術上是可以克服的，有些甚至在未來幾年內就可以克服。在未來存在的許多不確定因素中，可以肯定的是，空中力量將被徹底重新定義。