國防無人駕駛飛行器（UAV）的設計是以2008年以來重新興起的反恐戰爭為基礎的，因為2001年雙子塔被襲擊。這種環境有利于無人機的發展和使用，為所謂的馬賽克戰爭概念提供了基礎。這個概念是指導無人機設計和未來使用的主要載體。在這種情況下，新的無人機用戶界面的設計不是基于以前建立的航空顯示概念。原因是這些飛機不是傳統意義上的 "飛行"，而是由地面控制站（GCS）中的飛行員/操作人員指揮的。這是一個必須理解的范式轉變，以提高操作能力和安全性。這種模式的核心是與適當的人機界面有關的問題，以提高態勢感知。本稿討論了這個問題，并研究了與飛行員自主性的適當級別有關的問題；人機界面對決策的影響；自適應界面的設計；使用創新技術進行人機互動；調查無人機與地面部隊和指揮與控制之間的互動。為了闡明這些問題，本稿件提出并描述了一個人機界面原型的構建，以模擬無人機系統在模擬戰斗環境中的操作。調查是基于這樣一個過程：定義場景和任務，建立不同方法的人機界面，設計和分析實驗，用生理傳感器測量人的表現，以便對適當的設計作出定量回答。基于這個過程，預計在關鍵的操作條件下，人的表現可以被評估，并產生最佳的人機界面解決方案，以減少工作量和提高態勢感知。

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。

美國海軍陸戰隊必須以最低的成本用新興技術解決材料準備的挑戰。使用機器學習的預測性維修是一個不斷增長的領域，可以使用免費或商業化的現成軟件來應用。海軍航空組織已經維護了一個數據儲存庫網絡，收集和儲存可維修的飛行關鍵部件的當前和歷史數據。許多部件在其制造商公布的預期結構壽命之前就失效了，這導致了昂貴的非計劃性維修。預測部件故障并計劃其更換或維修的能力可以大大增加操作的準備性。本論文開發并分析了機器學習模型，利用現有的海軍航空資料庫的數據來預測各種MV-22B飛行關鍵部件的故障條件概率。數據預處理、模型訓練和預測使用了現成的商業軟件。這項工作可以幫助提高材料的準備程度，并使軍事-航空人員適應決策中的新興技術。

引言

這篇論文研究了機器學習算法在改進以可靠性為中心的維修（RCM）和基于條件的維修（CBM）以提高海軍航空的飛機可靠性方面的潛力。

A.維修方面的背景

海軍陸戰隊司令說，該部隊收集和保留的許多數據沒有被新興技術充分開發（美國和Berger，2019）。國防部（DOD）的飛機平臺一直在努力實現年度戰備目標，盡管為其項目分配了大量預算（Crusher，2020）。使用新興技術的預測性維護可以利用這些大量的數據，為提高航空準備狀態提供一個具有成本效益的方法。指揮官還強調，由于可用資金有限，解決方案必須使用現有的軍事數據存儲庫。海軍航空系統司令部（NAVAIR）的數據庫--后勤分析和技術評估決策知識編程（DECKPLATE），每月上傳的記錄超過400億條，可以成為機器學習應用的一個良好來源。

雖然在解決飛機準備不足的根本原因方面正在做出重大努力，但指揮官們現在需要部分解決方案來完成他們的任務。幾年來，指揮官們采用了高拆解率（從一架飛機上拆下零件裝到另一架飛機上）以及將完全具備任務能力的飛機從部署后返回的中隊轉移到準備部署的中隊。盡管 "只有在滿足作戰目標的必要情況下才是可接受的管理選擇"（海軍部，2021年），拆解和中隊轉移已經成為常態。在2011年和2017年之間，由于缺乏現成的基本飛機（RBA），海軍陸戰隊在各中隊之間轉移了超過650架MV-22B Ospreys，以滿足飛行時間和行動要求（Eckstein，2017）。同時，需求也在增加。由于個別飛機的過度使用或使用不足，以及轉移和接受飛機所花費的額外工時，這些臨時解決方案損害了未來的準備工作。

維修行動分為計劃內和非計劃內（Susto等人，2015）。計劃內的維護是主動的，在一個部件退化或運行到故障之前完成。一個部件的定期維修頻率通常是基于供應商或原始設備制造商（OEM）公布的結構壽命限制和推薦的維修時間表。非計劃維修是在一個部件退化或失效時進行。圖1比較了海軍陸戰隊MV-22B飛機用于計劃內與非計劃內維修的維修工時（MMH）的數量。在2021年3月至2022年2月期間，計劃外維修比計劃內維修的頻率高5至6倍。這個比率表明飛機部件的嚴重不可靠，以及預測非計劃維修的困難。

圖 1. 計劃與計劃外維護工時。資料來源：NAVAIR 準備分析報告 (2022)。

定期維修是預防性的，或旨在持續檢查和維護部件，使其達到其使用壽命。對于美國海軍航空的 "型號系列"（TMS），部件的檢查和拆卸時間表公布在《檢查要求手冊》（海軍航空部隊指揮官，2021）的相關定期維修信息卡（PMIC）中。所有強制性的檢查、拆除或更換事件都包括在該手冊中，該手冊規定了定期維修計劃。間隔由供應商或工程可靠性和可維護性分析，以及RCM計劃的故障管理策略決定（國防部，2011，國防部，2020a）。由他們制作的PMIC卡規定了機群或部件的預定維修。這樣做的一個問題是，每架飛機或部件的維護間隔是相同的。這些間隔沒有考慮到一個獨特的部件或飛機的使用、服務歷史或歷史數據。

海軍航空業可以從基于需求證據的維修創新實踐中獲益，或對個別部件進行預測。近年來，RCM采用了基于狀態的維修+（CBM+）戰略來提高可靠性。CBM+戰略的一部分是使用機器學習，根據歷史證據預測一個部件何時會失效。由于海軍陸戰隊的航空屬于海軍航空的范疇，任何MV-22B RCM或CBM+活動都屬于艦隊準備中心指揮官（COMFRC）。東部艦隊戰備中心（FRC）的V22艦隊支持小組（FST）一直致力于通過許多舉措提高飛機和部件的可靠性。

其中一項舉措是利用統計模型估計MV-22B部件的故障概率。利用現有的海軍航空企業（NAE）數據庫中的歷史維修記錄，使用Weibull概率密度函數（PDF）來估計一個部件經歷特定故障模式之前的時間。圖2是一個失敗時間（TTF）的例子，顯示了MV-22B塔架轉換執行器（PCA）因密封損壞而失敗的百分比。對于PCA模型，預測機隊庫存的70%在3326個飛行小時前因密封損壞而需要拆除，而80%在3696個飛行小時前會失效。第五章討論了模型的準確性，但這種方法為利用相關故障數據改進預防性維修政策邁出了一步。

圖 2. Pylon 轉換執行器的 Weibull 模型。資料來源：FRC East V22 FST 維護優化 (2022)。

這個統計模型是根據定義的故障模式前的組件群的真實使用壽命來計算可靠性。圖3顯示了FRC East V22 FST所考慮的所有PCA故障模式的Weibull分析結果。

圖 3. 飛行小時數中預測的 PCA 故障率。資料來源：FRC East V22 FST 維護優化 (2022)。

當考慮到所有的故障模式時，一個部件的估計可靠性可以決定一個更好的計劃維修間隔。平均而言，70%的機隊庫存預測在大約3700飛行小時前需要拆除，而80%的機隊預測在大約4500飛行小時前會出現故障。項目領導層可以根據一個置信區間做出決定，以取代PMIC卡中公布的當前計劃維修間隔。這個間隔將適用于機群中的部件，并提高在評估的任何故障模式發生之前更換部件的可能性。通過真實的服務數據來改進預定維修，并且隨著數據的不斷收集，可以很容易地重新計算。

不幸的是，這種方法只提供了組件的累積故障概率。一個更好的方法是估計一個部件隨時間變化的條件性故障概率，也稱為危險率。機器學習模型，如Cox比例危險（CPH）模型和人工神經網絡（ANN）可能是有用的，因為它們最近被用于醫學研究，預測死亡率（Spooner等人，2020）。類似的工作可以使用DECKPLATE中保存的數據。

B.研究問題

本論文將重點討論以下研究問題。

主要問題。什么樣的機器學習算法能夠為飛機部件的預防性維護產生最佳的生存模型？

次要問題。DECKPLATE和其他資源庫中的哪些特征可以在預測部件存活率中得到利用？公布的PMIC要求和生存模型之間的平均故障時間（MTTF）有多大差異？對于適當的數據，Weibull等經典分布是否能很好地適應數據以估計未來的故障？

C.總結

第二章介紹了機器學習和可靠性分析的基本概念，并研究了以前使用機器學習進行預測性維護的嘗試。第三章更精確地描述了本論文所要解決的問題，以及所采用的一般方法。第四章描述了本論文所使用的方法以及其結構的合理性。第五章和第六章討論了本論文的結果和得出的結論。

未來的系統開發包括指揮和控制（C2）技術，以支持空戰管理人員（ABM）和戰斗機飛行員，因為他們支持在一個更大的系統系統中使用自主無人機系統（UAS）的復雜任務。在復雜的、不斷發展的和動態的環境中，人類作戰員有效地觀察、定位、決定和行動的能力是必不可少的。然而，在ABM和飛行員之間的UAS監管變化過程中，作戰者的表現可能會下降，這大大增加了作戰者的認知工作量，超過了以往任務中通常看到的工作量。不幸的是，C2技術的發展往往把重點放在自動化和硬件上，使人類作戰員的參與度不足，不利于人與自動化的互動。目前，數字工程和基于模型的系統工程（MBSE）工具正在迅速被系統開發、整合和管理所采用，以支持整合這些系統所需的復雜開發工作。目前的研究在MBSE工具中整合了人的考慮，以分析開發過程中人與自動化的合作。該方法支持在建模的任務模擬中用一對專門的活動圖表示自動化輔助和人類作戰者，稱為任務行為者圖和OODA2活動圖，允許分析作戰過程中的錯誤和瓶頸。這種方法說明有可能減少作戰員的認知工作量，改善作戰員的決策，提高系統性能，同時減少系統重新設計的時間。

美海軍部依靠目前海軍的方式，如簡報、聊天和語音報告來提供艦隊的整體作戰評估。這包括網絡領域，或戰斗空間，描繪了艦船的網絡設備和服務狀態的單一快照。然而，這些信息可能是過時的和不準確的，在決策者了解網絡領域的設備服務和可用性方面造成了混亂。我們研究了持久性增強環境（PAE）和三維可視化的能力，以支持通信和網絡操作、報告和資源管理決策。我們設計和開發了一個PAE原型，并測試了其界面的可用性。我們的研究考察了用戶對多艘艦艇上的海軍網絡戰斗空間的三維可視化理解，并評估了PAE在戰術層面上協助有效任務規劃的能力。結果是非常令人鼓舞的：參與者能夠成功地完成他們的任務。他們發現界面很容易理解和操作，原型被認為是他們目前做法的一個有價值的選擇。我們的研究提供了對新型數據表示形式的可行性和有效性的密切洞察，以及它在不同社區之間復雜的操作技術（OT）環境中支持更快和更好的態勢感知和決策能力。

引言

A.研究領域

持久性增強環境（PAE）是一個系統，它使用共享（多用戶）環境、增強現實（AR）技術和一系列傳感器的概念來創建過程和數據集的可視化表示，這些數據集被持久地（在很長一段時間內）添加、操作、可視化和分析，以支持人類操作員所做的一系列任務[1]。PAE被認為有可能給許多領域和人類任務帶來好處，包括網絡系統的可視化、網絡態勢感知和決策工作領域。

PAE的重要概念包括將實時信息傳遞給人類操作者，并以一種比傳統的信息記錄和傳遞形式更容易理解的格式。后者提高了解決整個海軍領域不同社區的許多用戶的需求的潛力，減少了錯誤的數量，并將大部分時間用于決策過程。

由于用戶數量眾多，社區各異，必須準確及時地解決收集、處理和操作大量數據的需求。此外，網絡領域的復雜性促使人們需要簡化、準確和及時的信息。與AR系統非常相似，PAE允許用戶在現實世界中處理和操縱虛擬物體，并同時看到眾多用戶之間的系統實時自動同步變化。這種虛擬和現實信息的實時無縫整合解決了網絡領域的復雜性，最終在大量用戶和不同社區之間提供了行動的準確性和及時性。

我們設計和開發了一個PAE系統原型，并分析了它如何支持海軍領域的網絡系統可視化和任務規劃操作。我們努力的主要目標是提高單用戶對水面資產上復雜網絡的理解和態勢感知，以及對設備當前網絡狀態的實時表示，從而使海軍部（DON）的任務規劃更加有效。在戰術層面上，這項研究將使我們進一步了解為支持有效的任務規劃而需要建立的技術基礎設施和流程。該系統有可能為美國防部所有部門帶來明顯的好處。

B.研究問題和動機

在美國海軍中，為了完成不同的任務，多個作戰群體依靠網絡群體來顯示網絡和通信狀態，以維持作戰畫面并提供通信。美國水面艦艇上的網絡和作戰系統的整合，在將信息和網絡狀態顯示為二維（2D）物體時，會在作戰人員中造成混亂。特別是當網絡設備發生意外變化時（即失去電力、拒絕服務、失去衛星覆蓋等），情況更是如此。設備的變化不僅影響到船上的通信，而且還影響到領導人的整體態勢感知。利用PAE系統整合三維（3D）數據和立體顯示，有可能通過實時自動顯示系統變化，大大幫助決策者了解復雜的網絡。

1. 網絡對通信至關重要（我們為什么關心）

網絡對于海軍資產之間在作戰層面的通信是至關重要的。如果沒有網絡設備，一艘水面艦艇就失去了與指揮系統（CoC）進行快速和準確溝通的能力。同樣，CoC也不能有效地將他們的信息傳達給各個水面艦艇。現在，我們可以把單艦沒有能力接收任務或發送狀態更新的想法，然后把可用的水面資產數量增加到一個多資產的航母打擊群（CSG）。這導致整個CSG中的五到六艘艦艇沒有能力與CSG指揮官就當前的任務甚至是日常行動進行溝通。即使海軍可以使用傳統的通信方式，如摩爾斯電碼和旗語信號來傳遞簡單的信息，但更復雜的信息必須以容易消化的格式來表示，以便決策者能夠了解當前的行動并迅速作出最佳決策。

通過在地面資產之間利用PAE系統，PAE系統有可能改善對復雜信息的理解，它將從紙質手冊或電子圖書館中獲取的二維信息轉化為三維可視化系統，并不斷更新三維可視化，以反映用戶的互動和該系統接收和生成的數據集的不斷更新。PAE系統也有可能訪問歷史數據，這在分析歷史趨勢或行動后報告（AAR）中可能是至關重要的。歸根結底，網絡領域值得采用新技術并尋找更好的解決方案。

2. 網絡設備狀態

為了了解單位層面的網絡設備狀態，戰略層面的決策者依賴于目前海軍傳統上使用簡報、聊天和語音報告的做法。然而，這些信息可能是過時的和不準確的，最終在需要了解網絡領域的服務和設備可用性的決策者中造成了混亂。網絡領域是一個復雜的領域，需要有效的管理和理解網絡操作，包括海軍艦隊之間的共享態勢感知（SA）。網絡設備在不斷變化，這取決于設備的狀態和水面艦艇的地理位置，這些都會影響連接性。

海軍操作員和領導傳統上使用各種格式的二維網絡拓撲圖和微軟文件來描述網絡系統的運行狀態并維護資源管理。這些二維模型最初是為了協助領導和操作員對網絡進行清晰的可視化；然而，隨著時間的推移，網絡資產的增加，從而增加了二維模型的復雜性，使得理解這些綜合系統變得更加困難。正因為如此，二維網絡圖和拓撲結構的顯示更成為理解新系統集成或系統變化的障礙。理解傳統的、印刷的二維信息（圖1）所花費的時間已經不能滿足操作人員和作戰人員的需要，也不能及時為決策者提供簡明清晰的信息。

3. 從PowerPoint幻燈片（2D信息）到增強現實（3D信息）

當代支持人類操作和決策的技術已經從過去適度的形式上有了飛速的發展。數據的表現形式現在可以采取三維信息的形式，不再是靜態的，而是動態變化的，支持用戶與相同數據集的實時互動。然而，今天大多數水面資產的重要通信包括不同級別的互聯網連接，便于分享PowerPoint簡報和接收在二維空間表示的語音或書面報告。這些傳統的通信途徑是艦艇當前作戰狀態的快照或對即將到來的任務的一系列預期；它們推動了美國海軍 "維持、訓練和裝備能夠贏得戰爭、阻止侵略和維護海洋自由的戰斗準備的海軍部隊 "的能力[3]。正如Timmerman的論文研究[4]中所認識到的，目前的二維可視化將復雜的操作技術（OT）系統顯示為網絡社區所習慣的平面信息技術（IT）圖，從而過度簡化了這些系統。另一種更優越的表示方法是在三維空間中顯示邏輯網絡元素，反映這些網絡的物理和邏輯的復雜性。通過研究數據的三維表示法，海軍可以加快關鍵的時間敏感數據的流動，這些數據原本是在二維空間，變成更容易理解的三維信息。

研究的總體目標是對PAE系統原型進行定量評估，通過可用性研究分析其如何支持海軍領域的網絡系統可視化和任務規劃操作。對復雜網絡及其相應拓撲結構的傳統理解是基于技術手冊中的藍圖的二維圖紙。這種信息的翻譯再由非主題專家（SME）通過PPT簡報（或口頭簡報）進一步稀釋，以告知高層決策者的指揮系統當前在水面資產上的通信狀態。最終，在二維信息、口頭或PowerPoint簡報和向高層決策者提供綜合信息之間會有時間損失。向決策者展示復雜系統的解決方案是通過PAE將二維信息表現為三維信息。

C. 研究問題?

本論文探討了以下問題。

• 什么是有可能為任務規劃提供更有效支持的技術框架？

• 網絡通信能力的三維可視化和PAE系統能否為網絡領域特定的任務規劃要素提供有效支持？

• PAE系統能否有效地協助戰術層面的任務規劃任務，具體到網絡通信的管理？

D. 范圍?

本論文將限于開發一個PAE系統原型，以幫助可視化用戶研究所需的網絡基礎設施。可用性研究有兩個不同的目的：檢查用戶對海軍網絡戰斗空間的三維可視化的理解，跨越多個艦艇的通信和網絡基礎設施，并評估PAE在戰術層面上有效協助任務規劃的能力。雖然海軍領域的PAE的大概念被設想為支持許多作戰任務和訓練情況[1]，并包括與作戰系統的互連性，但為本論文開發的原型系統將有足夠的功能來支持用戶研究。

E. 研究方法

本研究的研究方法包括以下步驟:

1. 進行文獻回顧。在AR、虛擬現實（VR）、SA、潛在多用戶環境、網絡可視化實踐以及應用于AR的持久性系統等領域進行文獻回顧。

2. 執行任務分析。進行任務分析，分析當前網絡操作、決策以及整個艦隊的設備和服務可用性的資源管理的做法。這包括但不限于詳細分析航母上的戰斗值班長（BWC）與巡洋艦或驅逐艦上的作戰指揮官（CRUDES）之間的報告和互動，當前的網絡可視化做法，以及PAE的有效性。我們還將對目前的報告標準和現有的SA任務和實踐進行詳細的任務分析。

3. 確定三維模型。確定一套支持虛擬環境和可用性研究所需的用戶任務的三維模型。

4. 設計和開發一個PAE原型。設計和開發一個支持可用性研究的PAE系統原型。

5. 設計和執行可用性研究。設計一個可用性研究，制定機構審查委員會（IRB）文件，對人類參與者進行研究，并檢查用戶執行所需任務的經驗。可用性研究的設計將針對網絡領域的可視化，側重于用戶更好地理解網絡設備如何與其他系統相互連接的能力，并實時描述網絡戰斗空間。此外，該設計將被定制為展示多艦情況下的決策，并衡量界面在支持任務規劃和資源管理方面的有效性。

6. 分析數據。分析研究中收集的人類性能數據，并檢查PAE原型系統的技術性能。

7. 確定建議和未來工作。收集并確定對未來可能的工作的建議。

F. 論文結構

第一章：導言。本章介紹了研究空間的最關鍵要素：領域、問題、研究問題、范圍和用于解決所有研究問題的方法。

第二章：背景和文獻回顧。本章強調了VR、AR、混合現實（MR）、持久性系統和SA的定義。文中回顧了關注AR和VR技術的研究經驗，并討論了多用戶環境、現有網絡可視化實踐和持久性系統與AR技術結合應用時帶來的潛力。

第三章：任務分析。本章分析了目前整個艦隊的網絡操作、決策以及設備和服務可用性的資源管理的做法。

第四章：系統原型。本章闡述了PAE系統的設計和開發、系統結構和模擬環境。本章還描述了訓練場景和一套支持建立可用性研究所需的虛擬環境的三維模型。

第五章。可用性研究。本章介紹了可用性研究的要素，文中還討論了從可用性研究中收集的數據集中得出的結果。

第六章：結論和未來工作。本章概述了本研究的主要內容，并對未來的工作提出了建議。

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。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中作戰，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以支持在非許可環境下的任務。將自動化和人機協作納入現有的防御能力，可以減少威脅的反應時間，提高有人和無人飛機配置的防御機動的有效性。這篇論文研究了作為威脅反應一部分的飛機機動的價值，以確定人類干預對時間和準確性產生負面影響的情況。它還考慮了復制Merlin實驗室的飛行自動化方法和將能夠進行防御性機動的機器訓練系統納入現有飛機的機會。分析表明，飛機的機動性對于有效的威脅反應至關重要，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。這篇論文建議重新關注特種部隊飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以提高防御性威脅反應。它還主張繼續研究在SOF任務中使用可選的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中運作，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由于地對空威脅已經擴散到在世界各地活動的敵對行為者，未來的作戰環境將以有爭議的空域為特征，這將對有人和無人駕駛飛機的操作構成挑戰。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以便在這些有爭議的地區進行機動，同時支持傳統SOF任務。這篇論文研究了商業能力的進步，以減少威脅的反應時間，提高有人和無人駕駛飛機配置的防御性機動的有效性。

通過與位于波士頓的飛行自動化初創公司Merlin實驗室合作，本分析探討了防御性機動的潛在自動化。飛機機動是對威脅作出有效反應的一個關鍵方面，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。通過確定AC-130J威脅反應中人為干預影響飛機操縱時機和準確性的步驟，這項分析揭示了復制梅林實驗室的飛行自動化方法和將能夠執行防御性操縱的機器訓練系統納入現有飛機的機會。

在威脅反應過程中確定的關鍵步驟包括威脅指示、威脅作戰識別和威脅反應配對。目前，機組人員手動執行這些步驟來完成防御性威脅機動。然而，這些步驟中的每一個都可以從自動化和人機協作中受益，通過三種明顯的方式提高整體性能。首先，生成簡化的視覺和聽覺威脅指示，確保及時通知威脅的存在。其次，自動識別過程以準確識別威脅的變體，減少了反應時間和人類識別錯誤的可能性。最后，將威脅識別與適當的飛機反應同步配對，減少了不必要的延誤，并提高了威脅操縱的準確性。

這篇論文建議重新關注SOF飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以改善防御性威脅反應。將人機協作和自主能力納入飛機防御系統，可以使防御機動性能優于傳統系統，并允許在更廣泛的環境中作戰。除了改善防御性機動，梅林實驗室的自動飛行甲板在各種不同的飛機和任務中提供了潛在的用途。繼續研究應該調查在SOF任務中使用可選擇的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。最后，在整個特種部隊中采用梅林系統將顛覆既定的操作慣例，需要個人和組織行為的改變。為了緩解過渡期并提高采用率，AFSOC應采取步驟，盡量減少利益相關者的行為變化，同時最大限度地提高系統的操作效益。培養對人工智能、機器學習和自動化的理解，將使這些行為者為軍事技術的快速變化和戰爭特征的變化做好準備。

圖 9. AC-130 防御性威脅反應圖。

數字孿生有可能支持設計、建造、運營和維護美海軍部（DON）賴以開展海軍行動的平臺的決策者。然而，由于數字孿生的應用范圍和與之相關的風險仍不清楚，因此關于數字孿生的知識體系很薄弱，這給美海軍部帶來了挑戰。本論文進行了定性的技術評估，以確定采用數字孿生對DON的企業架構的影響。對企業范圍內采用的分析確定了數字孿生在DON的戰略、流程、人員、技術、網絡安全和風險管理方面的機會和風險。數字孿生提供的商業價值主要取決于物理平臺的總風險值和數字孿生同步的度和頻率。

海軍服務是基于平臺的（美海軍部，2020c）。在戰術層面上，海軍行動是由艦艇、飛機和潛艇等平臺進行的（海軍部，2020c）。這些海軍行動是為了履行海軍的持久職能。

海軍對復雜系統的依賴，如艦艇和潛艇，來進行海軍行動，這就要求有效地管理和開發這些產品及其相關的信息。這些產品的開發采用了設計、開發、運行和處置四個階段的過程。這個過程被稱為產品生命周期管理（PLM）。DON開發和維持有效的PLM是至關重要的。沒有足夠的PLM，國防部不可能開發、部署和維持滿足不斷變化的海洋環境需求的平臺。海軍作戰部長（CNO）2021年的NAVPLAN進一步強調了PLM對海軍的重要性。在他對美國海軍的指導中，CNO解釋說，"專業地照顧我們的平臺是我們的DNA"，"維持我們的船舶和飛機對滿足未來的需求絕對是至關重要的"（海軍作戰部長[CNO]，2021，第7頁）。

為了維持所需的PLM，DON必須發現和利用減少不確定性的手段。不確定性限制了決策者在他們管理的產品中避免風險和利用機會的能力。不確定性表現為知識不足的結果（Kramer，1999）。因此，不確定性可以通過決策支持工具來減少，這些工具可以為決策者提供及時和相關的信息，以做出更明智的決策（Kramer, 1999）。數字孿生是一種新興技術，能夠在PLM過程中支持DON決策者。數字孿生是現實世界系統的數字表示（Gartner，n.d.-a）與數字建模等類似概念不同，數字孿生是完全集成的，數據在物理產品和虛擬產品之間雙向常規流動（Grieves & Vickers，2017）。對產品數據的常規捕獲和分析可以支持對物理產品的決策。然而，在DON背景下，采用的好處和風險并沒有明確界定。本論文旨在探討數字孿生如何以及為什么可以在產品生命周期管理（PLM）的背景下被DON采用。

A. 問題陳述

美國防部的運作需要協作、復雜和昂貴的系統。國防部產品生命周期管理（PLM）中的挑戰導致操作能力下降以及財政需求增加。數字孿生有可能幫助國防部克服這些挑戰，保持國防部系統狀態的最新數據，并進行自動數據分析以幫助決策。然而，關于數字孿生的知識體系對國防部來說是一個挑戰，因為整個應用范圍和與數字孿生相關的風險仍不清楚。隨著國防部繼續尋找能夠延長其系統使用壽命的方法，由計算機支持的收集和響應通過數字孿生提供的數據變得越來越可取。因此，需要研究如何在DON企業內采用數字孿生，以及與這種潛在采用相關的商業價值。

B. 目的聲明

本研究的目的是探索如何在國防部內采用數字孿生。這項研究的重點是確定（a）數字孿生對國防部企業架構的影響，（b）采用數字孿生對美國防部PLM的好處和風險，以及（c）數字孿生能夠為國防部提供的商業價值。這項研究的目標很重要，因為美國防部PLM的不足對國防部的運營能力有直接的負面影響。這項研究的結果可以幫助國防部更好地了解如何采用數字孿生，最終目的是改善PLM，從而提供商業價值。

C. 研究問題

• 1.采用數字孿生如何影響海軍部的企業架構？

  • 1.1.業務流程是如何改變的？

  • 1.2.對海軍部的網絡安全有什么積極和消極影響？

• 2.如何采用數字孿生來支持海軍部的產品生命周期管理？

  • 2.1.數字孿生給組織帶來什么好處？

  • 2.2.數字孿生給組織帶來什么風險？

• 3.數字孿生能給海軍部帶來什么商業價值？

  • 3.1.所提供的價值是否值得采用？

D. 論文的組織

本論文又分為四章。第2章是文獻回顧，調查了數字孿生的背景、組成部分和應用。第3章解釋了分析的方法。第4章是基于研究問題的數字孿生的分析。第5章是結論，提供關鍵的見解、建議和未來研究的機會。

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。