無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢

無人機10086

2021年6月30日 10:32

轉自：知遠戰略與防務研究所

編譯：沐儉

—— 關于建立美國海軍自主系統項目辦公室的設想

自：美國戰略與預算評估中心

【知遠導讀】本文是美國戰略與預算評估中心推出的一篇建議美國海軍通過創建一個新的自主系統項目辦公室來加強海軍無人自主系統和人工智能技術研發，從而提高作戰優勢的研究報告。報告對美國海軍目前的無人自主系統和人工智能研發工作所面臨的挑戰及機構現狀進行了分析，認為必須創建一個自主系統項目辦公室來對目前各種分散的研發機構進行統一管理和規劃，才能在無人技術方面取得突破。為開展這一研究，戰略與預算評估中心走訪了50多家研究機構，與超過145位領域專家進行了交流，其中包括聯邦政府資助研發中心、大學附屬研究中心、海軍艦隊司令部、國防部和海軍實驗室及作戰中心、工業界、學術界和智庫等。報告建議美國海軍借鑒歷史上的經驗，創建一個跨職能、跨學科的組織機構來將美國海軍的無人自主技術推向前進。

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖1

近年來，美國海軍在無人系統及其關鍵支撐技術人工智能的組織和探索方面取得了顯著的進步。但是，若要超過潛在對手，美國海軍就必須在此基礎上加快步伐，不僅要保持而且要提升其技術優勢。美國海軍部發布了一份《無人系統戰略路線圖》，為無人系統的研發和采購制定戰略和愿景。我們認為，還應對無人自主系統的研發官僚機構進行全面重組來使美國海軍走上成功的最佳軌道，從而使這些計劃受益。如果不進行這種重組，現有的結構可能不足以完成這項艱巨的任務，并會阻礙無人自主系統的技術進步。這種困境的癥狀如下：

? 對某些研發“任務線”(LOE)投入過多資源，而對其它關鍵“任務線”的資源投入則嚴重不足；

? 缺乏對研發生態系統中關鍵組織中心的專業知識的認識；

? 官僚、行政和風險回避傾向阻礙了研發工作；

? 評估無人自主系統研發和科技能力原型的驗證程序不一致；

? 研發生態系統無法靈活利用新興技術；

? 艦隊操作者和研發生態系統之間缺乏協作。

隨著實力相當的競爭對手加大了對無人自主系統和人工智能的研發力度，包括軍事應用，現在正是美國海軍全面調整其研發工作以確保持續的技術優勢并超過潛在對手的時候。鑒于自主系統的潛在影響和本報告中所闡述的障礙，美國海軍的選擇之一是進行組織變革，就像過去成功進行的先進系統開發和部署那樣——比如艦艇核反應堆、潛射彈道導彈和“宙斯盾”武器系統。在這三種情況下，美國海軍創建了強大的、跨職能、跨學科的組織，由來自軍隊、政府部門、工業界和學術界的人員組成，被賦予廣泛、強大的權力來研究、開發、制作原型和實現向戰略能力的轉換。此次重組最好通過建立一個專門的多域自主系統項目辦公室(APO)來執行，該辦公室主要負責推進和交付用于試驗和測試的無人自主系統原型，并最終將其交付艦隊采購入列。通過建立自主系統項目辦公室，美國海軍可以在廣泛的組織、人員和管理范圍內建立統一的方向和任務，這些組織、人員和管理目前在這項工作中發揮著不同的作用。所建議的自主系統項目辦公室的主要任務應該是統一監督、管理和指導整個無人自主系統生態系統的所有研發任務線的工作，不斷將最新的先進技術用于無人駕駛空中、水面和水下系統原型等自主能力裝配線，對它們進行驗證并最終用于實戰。自主系統項目辦公室的主要任務是交付無人自主系統原型，這樣可以顯著減少官僚阻力，提高組件和系統的通用性，提高研發效率并能真正利用工程師、科學家和海軍的巨大創新潛力和才華，從而加快海軍的技術進步。

自主系統項目辦公室不必復制無人自主系統研發生態系統中已經存在的優秀創新和現有的研發、科技、工程、系統集成和測試與評估機構。相反，自主系統項目辦公室的存在應能更好地促進它們之間的合作與協作，統一工作方向，從而能更快交付無人自主系統原型。它必須由來自無人自主系統研發生態系統各部門的科學家、工程師、研究人員、專家和管理人員組成，包括海軍和國防部實驗室/作戰中心、聯邦政府資助研發中心、大學附屬研究中心、工業和學術界。自主系統項目辦公室必須擁有與其職責相稱的權力，在與無人自主系統和人工智能研發、原型設計和測試與評估等有關的所有問題上對生態系統進行指導，包括資金調配和分配。自主系統項目辦公室的領導和工作人員必須以靈活的、低干涉的方式來促進生態系統各組成部分之間的適當協調，在不扼殺創新的情況下實現更大的一致性。建立自主系統項目辦公室有一些明確的優勢，將有利于海軍制作無人自主系統原型并投入使用。這些優勢包括：

? 清晰、連貫的權限和統一的研發方向；

? 鞏固和擴大已取得的無人自主系統的成果；

? 更有效地利用革命性技術突破；

? 極大加快實驗和技術發展步伐；

? 更高效地使無人自主系統在艦隊投入使用。

美國海軍應通過建立自主系統項目辦公室來更好地交付無人系統技術，包括自主系統、機器人和人工智能，避免進一步喪失美國海上力量依賴的技術優勢。以交付無人自主系統原型為使命的自主系統項目辦公室可以減少研發阻力，加速研發勢頭，并充分利用生態系統內的研究發人才。

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖2

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖3

建立自主系統項目辦公室

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖4

為了更好地向艦隊交付無人自主系統、自主能力和人工智能能力，美國海軍應該將過去成功的概念和框架應用于當前形勢。美國海軍應該建立一個跨職能、跨學科的自主系統項目辦公室(APO)，通過研究、開發、原型制作、測試和評估來為無人自主系統提供革命性技術支持1。自主系統項目辦公室的主要任務將是對整個無人自主系統研發生態系統的研發任務線進行統一監管指導，不斷將最新技術進步轉化為自主無人駕駛空中、水面和水下航行器原型的裝配線，這些原型系統將用來驗證作戰價值、實用性和可行性。“其他交易授權”(OTA)等承包機制可以被用于靈活、快速地資助生態系統研發和原型系統建造，從歷史上看，這一授權對創新技術公司、大學和其它研發機構非常有吸引力2。那些被認為特別有效的系統，可以通過“其他交易授權”以低生產率來滿足迫在眉睫的作戰部隊需求，或者通過常規采購程序作為主要記錄項目來獲得。

值得注意的是，自主系統項目辦公室應側重于開發《國防部指令3000.09》中規定的有人監督/人在回路(HOTL) 混合無人自主系統原型3。在這種混合無人自主系統中，人類操作員將預先選定有限的行動和/或行為子集，在無人自主系統執行這些行動之前將由人類進行批準。這些行動可能包括改變主要的任務目標，中斷巡邏以跟蹤一個特定的目標，或與一個根據當前交戰規則被歸類為敵方的對手平臺交戰。在這個子集中沒有選定的所有其它操作和行為都可以在不需要人工干預的情況下由無人自主系統自己執行。

從技術和理念上講，美國海軍還沒有達到部署全自主航行器和系統的地步。雖然研發部門仍在繼續努力，但離真正實現這種自動化還有很長的路要走。相反，軍方目前的自主航行器清單中增加了半自主/人在回路系統(例如“捕食者”、“全球鷹”等)，這些系統已經在戰場和整個作戰戰區廣泛使用了二十多年4。盡管這些系統已經改變了美軍的監視和交戰方式，但它們也存在著固有的缺點，如需要大量控制人員、反應延遲、根據動態環境進行自我調整的靈活性有限。開發有人監督/人在回路無人駕駛航行器將消除這些缺點，釋放出這些系統更大的自主性優勢，同時使人類操作員能保持對飛行器關鍵和潛在致命行為的控制。在某種意義上，有人監督/人在回路系統非常類似于人類軍事力量的操作，所以這種構造對于那些操作此類無人自主系統的人來說是熟悉的。完全的、不受約束的自主(對人類而言)行為在軍事指揮與控制決策層級中是不存在的。相反，對于某些行動而言，上級指揮部保留了對部隊指揮官實施這些行動前需要得到許可或批準的要求。對于其它行動/決定，部隊指揮官有權自己做決定。

自主系統項目辦公室組織設計

為了完成其主要任務，自主系統項目辦公室不需要復制無人自主系統研發生態系統中已有的優秀創新和現有的研究、開發、科學、工程、系統集成和測試與評估組織。這樣做將是對資源和人才的浪費，這是海軍難以承受的。成立自主系統項目辦公室是為了更好地促進它們之間的合作與協作，以形成統一的工作/方向來建造無人自主系統原型。該辦公室應該是一個跨職能、跨學科組織，由各地的無人自主系統研發生態系統科學家、工程師、專家和管理人員組成。根據其責任和職責，自主系統項目辦公室應被授權指導與無人自主系統、自動化和人工智能研究、開發、原型、測試與評估相關的所有事項，包括資金分配。為了實現其加快原型制作的使命，自主系統項目辦公室的領導和員工將需要具備一種靈活的能力以在生態系統之間促進一定程度的協調、協作和同步，在不抑制創新能力的情況下實現工作/方向的統一。

美國海軍海上系統司令部無人海上系統項目辦公室（PMS-406，位于更名為無人和小型水面艦艇項目執行辦公室內），可作為優秀的初始核心人員和創建自主系統項目辦公室的基礎。辦公室雖小，但十多年來，它一直是無人水面和水下航行器原型設計和采購的中心，并從無人自主系統研發生態系統、行業、海軍研究辦公室、美國國防高級研究計劃局、海軍作戰部長辦公室和海軍秘書處積累了深厚的專業知識和經驗。該辦公室在超大型無人潛航器征求建議書、“海洋獵人”中型無人水面艇、“刀魚”水下探雷機器人、未來水面作戰艦艇-無人水面艇(FSC-USV)、戰略能力辦公室的“幽靈艦隊”計劃以及其它幾個項目上的成功表明了將它們整合到無人自主系統辦公室中的重要性5。美國海軍航空系統司令部的PMA-281（打擊規劃與執行系統）、PMA-268（無人艦載航空系統）、PMA-262（持續海上無人機）、PMA-266（多任務戰術無人機）和PMA-263（小型戰術無人機）項目辦公室的無人自主系統核心部分也可以利用他們的成功經驗，通過重新調整無人自主系統辦公室，與生態系統內的人工智能/任務自主和前沿無人機研發更緊密地結合，來提高無人機的技術和作戰能力，從而找到更多的機會。還有其它一些參與了與無人自主系統相關工作的機構和辦公室也可以直接合并到自主系統項目辦公室中，或與之聯合以支持自主系統項目辦公室的任務和使命。

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖5

自主系統項目辦公室組織結構

為了取得成功，這個跨職能、跨學科的組織應該按照前面討論的領導結構和任務線組織如下：

自主系統項目辦公室主任。自主系統項目辦公室主任職位應為中將，以確保主任具有足夠的職位和軍銜權力來完成高要求職責。這將便于主任與關鍵的海軍三星副作戰部長、各系統司令部司令和各艦種司令部司令等進行協調、協作和溝通，這些職位構成了海軍高級領導層的相當一部分。對于海軍以外、研發生態系統以內的組織，自主系統項目辦公室主任要有必要的權力來發布合同和其它備忘錄，以支持這些組織采用無人自主系統研發任務線。對于不受自主系統項目辦公室直接管轄(ADCON)的海軍組織和司令部，建議賦予自主系統項目辦公室直接聯絡授權(DIRLAUTH)和臨時/情景管轄權，以支持辦公室研發、原型制作和測試與評估活動的有效開展。為確保項目辦公室的穩定性、工作重點的統一和持續性，被分配到該職位的辦公室主任任期至少應為8 -10年。就像海軍核反應堆辦公室的四星上將位置一樣，但表面上該主任將每兩年輪換一次。

自主系統項目辦公室主任應同時向負責研發和采購的海軍助理部長(ASN RD&A)和海軍副作戰部長(VCNO)報告。將自主系統項目辦公室置于海軍作戰部隊辦公室和系統司令部之外，這種組織關系將有助于避免自主系統項目辦公室受到官僚主義、預算和海軍文化領域的爭斗及障礙的影響，這些因素可能會對自主系統項目辦公室的主要任務產生負面影響。四星艦隊指揮官應賦予自主系統項目辦公室主任直接聯絡授權，使他們能直接轉達他們的作戰能力/要求訴求。為了進一步增強獨立性，自主系統項目辦公室應該有自己的預留預算。

自主系統項目辦公室主任將負責組建一個全新的、海軍范圍內的、跨職能的、跨學科的組織，由指揮部門、參謀部門、組織部門、科學家/工程師和其他專家組成，這是一項艱巨的任務。在規模上最相似的機構是海軍水面和水雷作戰發展中心(SMWDC)、水下作戰發展中心(UWDC)和信息作戰發展中心(IWDC)，但與所建議的自主系統項目辦公室相比，這些機構的規模都太小。包含有六個項目辦公室的F-35聯合項目辦公室就是一個類似例子，盡管它是個聯合機構。

自主系統項目辦公室副主任。兩名高級行政事務主管或同等職位的副主任將向自主系統項目辦公室主任報告。副主任應由在其負責監督的領域具有廣泛專門知識的領域專家以及經驗豐富的領導人和大型項目管理人員來擔任。

負責無人自主系統交付的副主任將負責整個研發、系統集成和原型制造/生產工作。該副主任將負責以下各處：任務自主處、導航控制處、通信系統處、傳感器處、有效載荷處、動能武器處、推進劑/燃料續航處、網絡安全與系統加固處以及原型設計與系統集成處。負責無人自主系統的副主任要積極參與無人自主系統研發生態系統的活動，以充分利用技術進步、專業知識和經驗。

負責無人自主系統研發與評估的副主任將負責無人自主系統/無人自主航行器的測試與評估、人機組合研發/概念發展和與主要艦隊和海軍參謀部進行聯絡等工作。該副主任主要負責以下各處：人機組合處、艦隊聯絡處和測試與評估處。無人自主系統研發與評估副主任要積極參與無人自主系統研發生態系統的工作，以充分利用技術進步、專業知識和經驗來開展測試與評估和人機組合工作。

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖6

任務自主處。任務自主處的工作是領導、協調、引導和指導用以控制無人自主系統操作的任務自主系統的研究、開發和原型設計，集成各子系統組件(如傳感器、通信、有效載荷、燃料續航/推進劑等)，促進人機組合界面，以完成指定的作戰任務和使命。該處的工作主要以人工智能學科為基礎，包括機器學習、深度學習、強化學習、多智能體系統、認知計算、數據科學、數據工程等所有子類別，此外還有自主系統訓練和測試數據收集、標記和管理等。

導航控制處。導航控制處的工作是領導、協調、引導和指導先進導航系統和算法的研究、開發和原型設計，用于集成到無人空中、水面和水下系統。

原型設計/系統集成與組裝處。該處的工作是領導、協調、引導和指導研發工作，以及全實例化原型的實際生產/制造，包括經批準的任務線原型系統的集成。該處還將進行操作和功能檢查，以確保做好將原型系統轉移到測試與評估處進行嚴格評估的準備。

測試與評估處。測試與評估處的工作是領導、協調、引導和指導研發、分析和正式需求設計，以支持對無人駕駛航行器、自主系統、人工智能組件/系統、機器/深度學習系統等進行全面的驗證、確認、認證和信任建立評估。這些評估工作不僅要在實驗室和中心進行，而且還要在航空和海上靶場進行實地演示和測試。

無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢的圖7

艦隊聯絡處。艦隊聯絡處的工作是促進自主系統項目辦公室與主要客戶四星作戰艦隊指揮官的雙向直接溝通和協作，確保關鍵作戰參謀和組織能就所需要的無人自主系統原型的作戰需求、能力、任務構想和戰術部署等方面向自主系統項目辦公室提出意見/想法。該處將協助項目辦公室確保生態系統的任務線研發和原型生產符合艦隊的作戰和戰術需求。該處還將在人機組合任務線的研發工作和測試與評估處的工作中發揮重要作用，從而使自主系統項目辦公室的工作與艦隊相關。

推進劑/燃料續航性研發處。推進劑/燃料續航性研發處的工作是領導、協調、引導和指導先進推進、燃料、電池和其它能源耐久性技術(如鋁水燃燒電池、鋰電池)的研究、開發和原型設計，并將其集成到無人空中、水面和水下系統中。

通信系統研發處。通信系統研發處的工作是領導、協調、引導和指導先進通信系統的研究、開發和原型設計，用于集成到無人空中、水面和水下系統。

傳感器研發處。傳感器研發處的工作是領導、協調、引導和指導先進傳感器系統的研究、開發和原型設計，用于集成到無人空中、水面和水下系統。

網絡安全與系統加固處。網絡安全與系統加固處的工作是領導、協調、引導和指導先進網絡安全和物理安全的研究、開發和原型設計，促進和加強防篡改、反黑客、反利用加固系統，并集成到無人空中、水面和水下系統。

人機組合研發處。人機組合研發處的工作是領導、協調、引導和指導先進人機組合設計和系統的研究、開發和原型設計，以提高人工智能/自主系統和無人空中、水面和水下系統的可用性和實用性。

有效載荷研發處。有效載荷研發處的工作是領導、協調、引導和指導先進有效載荷的研究、開發和原型設計，并與無人空中、水面和水下系統集成。這些有效載荷將被用于增強系統能力或支持完成指定任務。

動能武器研發處。動能武器研發處的工作是領導、協調、引導和指導先進武器系統的研究、開發和原型設計，并集成到無人空中、水面和水下系統。

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