《美陆军建模与仿真 (M&S)研究》94页报告，全面了解美陆军建模与仿真能力发展布局

本报告总结了美陆军科学委员会（ASB）"陆军建模与仿真（M&S）"的研究结果，该项目由陆军部长（SECARMY）委托支持。根据职权范围，该研究的目标是 "评估陆军在支持战略决策、采购、训练、测试和评估（T&E）方面的M&S能力"。具体来说，研究小组的任务是确定陆军M&S能力的需求，目前陆军M&S能力在满足这些需求方面的差距，陆军外部可用于弥补差距的最新能力，以及陆军如何组织和管理人才以满足其M&S需求。

研究背景和动机

美陆军部长委托进行这项研究是因为未来的作战环境（OE）和陆军在该环境中竞争和获胜的作战概念--多域作战（MDO），与过去20年的冲突定义有很大不同。在以前的冲突中，联合部队在所有领域（陆地、空中、海上、太空和网络/电子战（EW））都有优势，可以对抗非同行的对手。在未来与同行竞争者的冲突中，联合部队将在冲突的所有阶段，在更复杂和致命的OE中进行竞争。

美陆军将面对更致命的动能系统和各种越来越有效的非动能武器，包括空间、网络、电子、自主、AI和信息战。这些非动能手段中的许多已经被对手在冲突的竞争阶段运用得非常有效。此外，全球城市化的趋势使得陆军越来越有可能在密集的城市地区复杂地形中作战，从而带来影响非战斗人员的集体行动要求。

这些日益复杂的情况需要强大的M&S能力。在过去的20年里，陆军高级领导人一直依靠经验和直觉来做出重要的战略和战役决策，但当他们所依据的范式发生巨大变化时，与生俱来的人类因素效力就会减弱。用一位系统分析员的话说，"复杂的系统无法用直觉来解决"。

为了应对这种未来复杂的OE，陆军已经颁布了MDO作为其作战概念，要求在异质的联合系统之间有一个前所未有的系统簇（SoS）水平。为了充分利用MDO概念的潜在价值，将需要非直观的、创新的作战概念（CONOPS）和战术、技术和程序（TTPs）。作为对基于假设的实验补充，M&S对于定义MDO的SoS架构以及开发创新的CONOPS和TTP至关重要。如果没有基于模拟的分析和实验，MDO的SoS架构将以一种零散的方式发展，并且不能实现作战概念的全部能力。

陆军有雄心勃勃的现代化计划，需要几乎同时开发31个系统。即使在最好的财政环境下，这样一个计划的现有资源也很难维持。此外，可预见的未来国防预算将面临压力，加剧了国防部未来几年国防计划（FYDP）内竞争需求的斗争。陆军将需要为其现代化计划提出一个坚实的理由，包括一个有效的宣传活动，利用全方位的M&S工具提出可信的战斗力分析。

陆军在20-30年前开发了其目前的M&S评估工具，它们反映了冷战时期的观点。如果陆军不重振其M&S能力以模拟未来战争的现实，后果将包括：(1)没有准备好，无法充分定义MDO，并在联合全域作战（JADO）中被归为一个不明确的角色；(2)由于没有适当的M&S开发，现代化系统可能会失败；(3)由于缺乏可信、分析性现代化资金要求的理由，国防部和国会领导人对陆军的评估和能力失去信心。

实现这些后果的可能性促使了这项研究，并有必要采取行动来振兴陆军的M&S能力。

美陆军M&S的组织、领导和管理

陆军中的六个群体使用M&S，其应用情况如下。

分析--支持各种战略和采购前的决策，包括替代方案分析（AOA）、基于能力的评估（CBA）、现代化项目的优先级、部队设计、概念开发和CONOPS/TTP评估。
采购--支持需求定义、系统工程和集成、设计开发、以及记录项目的验证和确认（V&V）。
实验和测试评估（T&E）--使用M&S进行实验/测试设计，预测预期结果，对结果进行V&V，并将有限的测试条件推断到更广泛的条件下。
训练--使用实时虚拟建设性（LVC）仿真技术训练部队并发展任务指挥的熟练程度
情报--为M&S提供红队评估。

美陆军建模与仿真办公室（AMSO）和一般官员指导委员会（GOSC），都在陆军副参谋长（G-8）的领导下运作，协调这些团体的整合。这些都是严格意义上的协调机构。他们没有权力指导数据和/或模型的横向整合，也没有权力为满足陆军M&S能力需求而定义一个连贯的、自上而下的愿景和产品改进计划并提供资源。任何群体间的整合都是通过每个群体内的意愿实现结盟的，这种联盟是严格基于关系的，因此是短暂的。这些群体基本上是作为孤岛来运作的，没有什么动力或强制功能来共同工作和分享数据或工具。

此外，自从20多年前陆军副部长（作战研究）办公室解散后，陆军一直缺乏一个专门的高级（SES或GO级）领导职位，负责确保陆军的M&S需求得到满足，并对M&S产品或分析结果的质量进行验证。另外，美国空军和海军最近都设立了SES级别的领导职位。

陆军有一批熟练的、专门的M&S从业人员，包括运筹学/系统分析（ORSA）分析师（FA49）、模拟操作官员（SOO）（FA57）和文职对应人员（1515等）。然而，在过去的几年中，这些从业人员的数量逐渐减少，FA49分析员的数量减少了55%。在总授权的315名人员中，只分配了250名FA57人员。同样，尽管有229个空缺，但授权的文职（1515）分析员的数量没有增加。问题的部分原因是与工业界和其他用户的资源竞争，以及军事人员缺乏职业发展途径，无法激励他们在连队指挥后担任FA49/57职位。因此，高级领导人很少接触到M&S，对M&S和分析在做出明智决策方面的价值缺乏认识。

为了有效地与私营部门和其他政府机构竞争拥有M&S专业知识的人才，陆军必须主动招募人才，例如，美国空军就积极招募M&S相关领域的本科生。一旦获得了人才，陆军必须建立一个强有力的培训和发展计划来提高技能。例如，FA57只要求一个8周的模拟操作课程。对于FA57的军官来说，没有对M&S相关领域的高级学位的要求。

美陆军M&S技术能力需求

美陆军必须能够对其部队在MDO OE中的战斗力进行可信建模。这样做将需要以下M&S能力，这些能力在目前的陆军或联合建模与仿真中没有得到很好的体现。

SoS交互 - MDO的实施将要求陆军系统和异质联合系统之间的接口、互动和相互依赖达到前所未有的水平。建立这些交互的模型对于评估陆军在未来MDO场景下的CE至关重要。陆军的M&S还必须考虑到由于对手的行动和反击而导致的系统间连接性下降时，对有效性的影响。SoS架构的定义将规定战场上联合实体之间的信息交换要求，以实现MOE和任务目标。陆军/联合军事和安全局必须能够评估备选的系统架构，以选择一个基线架构，在多种情况和能力（当前和未来，友军和敌军）下提供最佳的效力水平。基准SoS架构对于制定陆军现代化计划的接口规范和信息交换要求是必要的。联合系统将需要在适当的保真度和安全分类水平上进行建模，以进行这些评估，这就需要一个分布式仿真框架/环境，以促进美国陆军、空军、海军和海军陆战队模型在可使用的安全水平上联合。
非动能效应--非动能现象和系统在冲突中变得越来越重要，包括空间、通信、任务指挥、网络、EW、自主/AI、人机互动和信息战（IO）。虽然在工程层面上存在许多非动能系统和现象的高保真模型，但将它们直接嵌入到建设性的CE模型中，在技术上具有挑战性。例如，空间、网络和电子战M&S和分析是保密的，将它们嵌入到更高层次的CE模型中，需要在最高的保密级别上运行整个仿真。另外，这些模型需要独立运行，以便在较低的安全级别上开发算法或参数关系，以代表其效果，并可输入到部队上的CE模型。将非动力学现象作为多个独立变量的函数进行参数化建模，是一个艰巨而耗时的过程，需要在工程模型中嵌入人工智能来协助。
人类认知和行为--融合，是MDO的一个关键原则，涉及到所有物理领域、电磁波谱和信息环境中能力的快速和持续整合。其目的是通过跨领域的协同作用和多种形式的攻击来优化效果。未来的MDO融合将需要在所有梯队、跨领域和跨军种精确同步的C2。陆军和国防部需要改进联合全域指挥与控制（JADC2）的模型，包括人类认知和行为对指挥决策的速度和质量的影响。为了在有和没有人工智能决策辅助工具的情况下开发人类层面的启发式模型，陆军将需要在虚拟人在环和人工智能软件在环模式下运行的LVC仿真能力。
仿真实验--陆军必须在联合结构中对其系统进行实验，以(a)将MDO从概念推进到条令，以及(b)发展MDO SoS架构。它将使用M&S来补充和增强现场实验，以缓解现场演习的高成本，并减轻现场实验的有限能力，这些实验在所有的场景、条件和红/蓝系统能力中运行。一个分布式的LVC模拟环境将提供用于完善和验证M&S工具的实验结果。对于联合部队的评估，LVC环境应该有能力用任何联合系统的 "即插即用 "模型在不同的保真度和分类水平上轻松组成一个实验。
数据管理--每个领域的动能和非动能、蓝/红系统认证数据的可用性和一致性将推动对通用数据标准、更严格的非动能效应数据库以及认证的当前和未来威胁数据的需求。联合数据标准对于各军种共享共同数据和可组合模型非常重要。陆军和其他军种应该为非动能效应开发像《联合弹药效能手册》（JMEM）那样严格认证的数据库。目前用于M&S的威胁和反威胁数据受到安全分类的限制。未来战场的联合M&S将需要来自DIA的可用分类的认证威胁数据；为未来系统开发权威的、认证的、一致的威胁数据的方法；以及具有有效威胁数据的MDO场景。

满足美陆军需求的外部技术能力

陆军M&S团体正在努力满足其中一些能力需求。然而，在资源有限的情况下，无法及时取得进展。幸运的是，在陆军之外，在许多关键需求领域已经取得了值得注意的进展，陆军应该能够利用这些进展来补充其工作。

多域联合M&S框架--工业界、DARPA和其他军种都在为多种应用开发和/或使用联合的、多领域的、多安全的建设性或LVC模拟。这包括概念开发、CONOPS/TTPs评估、模拟实验和培训。国防工业主承包商在过去20年里一直在使用LVC SoS集成实验室（如 "虚拟战争中心"），以支持军事合同客户的需求或在内部了解未来客户的需求。美国空军和美国海军也一直在开发联合的M&S工具，如仿真、集成和建模高级框架（AFSIM），据称它有一个分布式框架，可以实现即插即用的联合模块。此外，DARPA的 "突击破坏者II "计划正在开发一个先进的M&S环境，以支持跨领域、跨军种的作战结构分析。
用于非动能现象的高保真工程M&S工具--许多专业公司已经开发了高保真的工程级M&S工具，用于建模和评估非动能现象，包括通信网络、网络和EW。这些往往是独立的工具，用于构造模拟和/或硬件/软件的循环模拟，或用于产品的T&E或V&V。陆军在各自的作战能力发展司令部（CCDC）实验室和数据分析中心（DAC）有几个这样的工具，但在与更高层次的战斗力模型的垂直整合方面可以做得更好。
人类认知和行为的M&S和研究/分析--在学术界、FFRDCs和工业界，人类认知和行为的建模研发经常发生。这些项目中的几个可以为开发虚拟仿真能力提供一个良好的基础，以评估JADC2结构中指挥决策的速度和质量方面的人的因素。此外，在人工智能/ML算法方面也有大量的工作，可用于自主目标识别和决策辅助等应用。虚拟仿真能力应允许在循环中插入人工智能/ML决策辅助软件，结合循环中的操作者，以确定人工智能辅助人类决策性能的有效性。
数字工程（DE）/基于模型的系统工程（MBSE）--DE/MBSE的价值已经在几个项目的记录中得到了证明，它被国防主承包商和顶级分包商在大型复杂项目中常规使用。它的价值主要在于提供一个单一的、权威的数据库，用于横向整合多个分析、设计、开发、生产和维持应用，贯穿整个采购生命周期。
突破性的基础设施能力--在过去的十年中，出现了一些改变游戏规则的技术，使M&S能力得到了显著的提高。其中包括基于云的环境，指数级的GPU性能增长，大规模的并行计算和量子计算机。

美陆军M&S组织和人才管理能力需求

美陆军必须招募、雇用、发展和保留足够精通M&S的人才，以拥有模拟MDO和JADC2的复杂性所需的专业知识。如果陆军明天就启动一项建立人才库的计划，它将没有足够的STEM专家来满足其M&S需求。为了开始纠正这种情况，陆军可以单方面采取以下措施。

要求更多的美国军事学院（USMA）和后备军官训练团（ROTC）的学员学习STEM专业。美国军校没有为学员规定STEM专业的配额，尽管法律规定授予理学士学位，但美国军校最普遍的专业是历史。海军在其军官队伍中高度依赖STEM，规定海军学院的STEM专业中学生的配额为65%。
与学院和大学的STEM部门合作，这些部门以培养目标学科的高能力毕业生而闻名。以前，陆军会挑选初级军官（主要是上尉/专业人员）到研究生院学习一到三年，毕业后被派往美国海军陆战队、五角大楼或其他重大采购项目。
增加军事人员获得STEM研究生学位的职业道路。陆军可以通过为初级军官提供在陆军赞助的关键卓越中心获得研究生教育（硕士和博士水平）的机会来将STEM重新融入陆军文化。增加具有较高学术背景的专业人员的数量也将有助于使陆军成为新技术和先进技术的 "聪明买家"，并成为现代化活动决策中更好的战略伙伴。
确保个人拥有（或有资格获得）适当的安全许可。
扩大招募工作，以考虑到国家不断变化的人口结构。有一些倡议是为了扩大妇女和少数民族在STEM领域的参与，其中一些倡议得到了国家科学基金会（NSF）的支持，这些受资助的项目培养了高技能的人才。例如，计算机和信息科学与工程局（CISE）资助学院和大学培训STEM的学生。

建议

研究小组的研究结果和建议在报告正文中按主题介绍。综上所述，研究小组建议军队采取以下行动。

M&S发展

AFC--建立一个跨领域的M&S CFT并为其提供资源，以开发出一套联合的M&S工具，为未来的联合MDO战场建模并评估陆军系统的作战效能。
八国集团、空军司令部、美国航空航天局（ALT）：
- 与DARPA合作，利用联合MDO仿真技术的新进展。
- 建立一个资金充足的敏捷采购计划并为其提供资源，以提供现代分析性M&S能力和SoSIL来模拟联合MDO作战环境。