破解美军无人作战系统的“互操作性”

本文来源：智能巅峰、光明军事

通用/开放式架构

命令，控制和通信的通用架构标准，对于确保跨系统和跨领域之间的协同作用至关重要，并有助于开发成功和实现目标。目标不是所有系统的标准或服务，而是在任务空间或运营领域中使用通用标准或服务。通用架构应包括多个通用视点，例如DoD体系结构框架（DoDAF）的操作、系统、服务和数据及信息视点。数据和信息视点应包括以通用语言制定的通用数据模型，以实现可互操作的系统及其模块之间的有效通信。随着新的任务需求的出现，共同性的基础创造了未来互操作性的机会。要求和材料开发人员都必须倡导并帮助创建控制系统和数据链接的架构。此外，虽然难以标准化和实施，但开放式架构可促进创新。开放式设计将允许同时对多个平台进行潜在控制和集成，包括跨操作域。此外，这些架构将允许组件在平台之间互换升级。

1.1挑战

实现公共/开放体系结构有许多挑战，包括（但不限于）服务和作战指挥部协作，来创建一组通用需求。还存在许多其他挑战，例如不同领域都需要对无人系统进行合规性测试。国防部的一个审慎行动方针是利用和增强商业可用技术，并就可跨越多个领域和多个服务要求的可互换架构系统寻求共识。

1.2 未来之路

在短期内，国防部和服务部门的重点将放在实施所有系统的通用/开放式架构和国防部标准上。应该努力检查整个生命周期中的所有平台，并制定战略和经济计划，以实施安全的通用/开放式架构。国防部近期和中期重点将跨越任务、领域和服务，以实现这些无人系统的必要要求。最初的重点应该放在C2和提高互操作性的通用架构上。

从中期和远期看，国防部将在所有新的无人系统平台上实施开放式架构，然后作为统一的权威来源进行统一管理，以确保一致性和通用性。应建立国防部的基线架构、定义明确且适用于所有系统，具有所有有人和无人系统之间的紧密互操作性，使得系统之间能够进行紧密和迅速的团队合作，同时理解自主系统技术的进步将挑战我们传统的C2方法。

模块化和部件互换性

软件，固件和硬件部件的模块化和可互换性对于无人系统非常重要。这些功能减少了在现场管理和支持多个系统时所带来的困难。模块化对于无人系统来说也是至关重要的，以利于在更新的任务和要求可用时更新硬件。具体而言，对于飞行系统，经过认证的模块化子系统可以简化适航性认证并节省时间和成本。

无人系统中互操作性和模块化的基础是用通用消息或使用通用语言（例如，国家信息交换模型NIEM和网络本体语言OWL的可扩展标记语言XML词汇表）的消息在子系统（控制器、机器人、照相机、机械手、传感器等）之间传递。这是通过标准化软件和硬件接口来实现的，例如利用互操作性配置文件（IOP）。无人系统互操作性配置文件(USIP)有助于在服务级别推动已批准的国防部和/或联合互操作性优先级的实施，甚至可能需要新的服务IOP或对现有IOP的修订。USIP的目的是定义足以保证支持特定任务能力的互操作性的标准概要。USIP可以参考国防部标准、智能社区标准、服务专用IOP和商业标准，以实现基于能力的互操作性。UISP计划为未来互操作系统的发展提供了架构基础和标准基础。

2.1挑战

国防部未有效地强调在旧系统中获得模块化。因此，国防部实验室正在尝试将部件互换性改造为保留系统。由于这些系统中的大多数数据权限有限，因此改造会在这些项目中引入极高的复杂性。国防部花费了大量时间和精力来尝试定义标准接口。但是，当前的标准接口在所有域和服务中并不统一。理想情况下，将开发出几种简单的标准，这些标准足够灵活，可以处理大部分预期的未来能力，并将简化实现过程。

2.2未来之路

在短期内，国防部将继续致力于将部件可互换性和模块化改造成保留系统。国防部正准备在新的工作中实现零件的可互换性和模块化，并应确保快速采购符合标准。因此，该部门必须继续统一服务和计划，以实施服务的共同标准，以实现可变性和模块化。该服务应利用现有的公共地面控制站、USIP、软件和通用接口，以提高模块化和部件互换性。

从中长期来看，优化采集和从硬件到软件的持续转变能力将降低成本并实现快速升级和配置更改。收购合同应包含国防部权利，以便在可行的情况下重复使用软件和硬件设计以及数据权利。创新的开发流程（例如使用附加制造）以及将模块化设计到系统中，将增强共享能力并防范系统范围内的漏洞。

合规性/测试、评估、验证和确认

随着人们希望通过提高操作速度、降低认知负荷以及提高逆境中性能的方式来让自主性提高性能，无人系统的作用和能力正在扩大。这些自主系统的测试、评估、验证和确认(TEVV)是建立高度自主性保障的关键要素。OSD（R&E）已经建立了一个利益共同体（COI）来解决自主性问题。TEVV工作组是自主性COI的子工作组。TEVV工作组在2015年发布了一份技术投资战略，概述了美国国防部未来四年的战略研究目标。该策略包含五个主要目标：

1）协助需求开发和分析的方法和工具

2）基于证据的设计和实现

3）通过研究，开发，测试和工程（RDT＆E）、开发测试（DT）和运行测试（OT）的累积依据

4）执行行为预测和恢复

5）自主系统的保证论据

合规性/测试、评估、验证和确认侧重于精确的结构化标准和工具，以自动应对可测试性、可追溯性和消除冲突进行需求评估。改进的工具和方法可以帮助系统工程界更好地阐明、形式化和验证自主需求，这对于V＆V系统的成功至关重要。这使系统工程师能够明确需求，并且明确定义了假设。同等活力不仅要解决自主系统的功能要求，还要解决与之交互的环境的等效模型。这将允许创建准确有效的模拟以执行测试。

无人系统和自主能力的未来部署需要与运行测试和评估主任办公室（DOT＆E）密切协调，以确保他们对任务相关能力、操作概念（CONOPS）相关功能、方案依赖的结果、端到端或系统到系统的相互作用或影响进行实际测试。研究和开发计划需要一个明确的过渡计划，其中包括现实环境中的建模和模拟，开发测试和运行测试。

3.1挑战

对于要求苛刻的自适应和非确定性系统，传统TEVV将需要一种新的方法。对于这些类型的高度复杂度的自主系统，应该在开发过程的早期集成利用运行时体系结构的替代方法，该体系结构可以将系统约束为一组允许的、可预测的和可恢复的行为。交互式自主系统的大规模应急部署带来了巨大的挑战。因此，分析和测试负担将转移到更简单、更确定的执行保证机制上。TEVV新方法提供了一个结构化的论据，有证据支持，证明一个系统不仅通过离线测试，而且通过依赖于实时监控、预测和故障安全恢复，是可接受的安全和保障。在这种范例中，正式设计方法可能提供必要的离线设计考虑因素和形式，以阐明先进的、未认证系统的授权和可认证行为、验证运行时的设计以及预测和恢复方法。

保证案例可以定义为由证据支持的结构化论证，旨在证明系统是可接受的、安全可靠的。作为监管程序的一部分，需要对可接受风险论证，只有当监管机构对所提出的论点感到满意时，才能颁发证书。前面提到的TEVV方法可以共同向认证委员会，以及最终的里程碑决策机构提供大量的证据，以确定特定平台的可接受的安全、性能和风险水平。V＆V的任何单一方法都不可能适用于所有未来的自主系统。因此，不仅需要采用多种新的TEVV方法来实现自主系统的部署，而且还需要研究一个新的研究领域，以正式表达和验证保证论证本身是否有效。这种基于结构的和基于论证的方法必须与测试和评估计划（TEP）以及测试和评估总体规划（TEMP）协调并作为其组成部分开发，提供关于V&V活动将如何尝试量化风险和减轻策略的声明，以便告知风险接受决策。此外，可以开发标准的自主参数模板，以便重用与自主要求和TEVV最佳实践密切相关的风险、性能和安全的显式参数。模板将为自主系统提供一个可接受的证据集合。

自主性社区感兴趣的OUVD（R＆E）TEVV工作组已经确定了四个当前TEVV自主性的挑战，以及当前V&V过程中应用于具有更高自主级别系统时的六个差距。为了弥补这些当前的不足，工作组概述了五个目标，旨在使自主系统的TEVV现代化。这些目标旨在使国防部研究和开发计划一致，并允许它们克服在高级自主系统上执行TEVV实践所带来的特殊挑战。

将自主能力集成到无人机系统（UAS）的国家空域系统（NAS）将是这些系统在TEVV中的主要挑战。随着UAS变得越来越普遍、复杂和自主化，必须通过所有政府利益攸关方之间的密切协调来解决他们对飞行安全的整合和维护，以确保他们能够在美国安全地运营。此外，商业实体越来越多地使用电磁频谱（EMS）限制了对国防部的访问，这可能会对完全自主系统的TEVV产生影响，完全自主系统将比其他武器系统更大程度地依赖EMS访问。这两项挑战都要求国防部与其他政府机构协调，以确保具有自主能力的无人机系统的TEVV能够在美国境内以安全、有效和全面的方式进行。

3.2未来之路

开发有效的方法来记录、汇总和重用测试和评估（T&E）结果仍然是一个让人难以捉摸且具有技术挑战性的问题。重要的是，在过程早期用于定义需求和开发系统的V&V工具和技术支持自主系统向DT和OT社区的转变。国防部应改进从DT到OT的过渡，以帮助定义TEP。一个更明确的TEP将增加无人系统的测试实现的重点和有效性。要求T&E方法在整个系统工程过程中记录、整合、利用和重用建模、仿真(M&S)及T&E结果，以及从需求到基于模型的设计，以及现场虚拟施工试验到开放范围测试。这些方法需要成为在所有未来计划中实施的标准。此外，基于统计的实验设计（DOE）将需要包含能够为非确定性自主软件设计可负担的测试矩阵的数学结构的方法。

数据传输集成

预计无人系统产生的传感器融合、收集率和数据量将继续呈指数增长。这就对数据策略提出了挑战，并提供预处理、处理和分析的机会，以结合时间敏感数据，为作战人员提供及时的决策质量信息，从而在战场上具有技术优势。数据策略需要包括无人系统的体系结构、分析、存储、管理和建模组件，并与现有和未来的情报生产中心集成。数据种类将为管理、处理和分析战略的使用带来挑战和机遇。数据策略需要为作战人员提供意义和背景，将大量数据转换为作战人员可用于做出决策的信息。数据种类包括车载传感器系统，车外传感器和C2数据，提供态势感知和背景信息，以理解意图并提供对时间敏感的决策质量结果。政府正在推进对技术基准的所有权以及将数据与能够在无人系统之间进行协作的标准格式保持一致。开放式架构标准支持高级数据分析。商业行业实践正在推动即插即用架构，允许在获取高级数据分析时实现敏捷运行。

预计未来的运营环境既竞争又拥挤。这将为无人系统及其采用的数据战略带来新的挑战和机遇。随着对竞争和拥挤环境的预测，更接近前沿的数据处理和分析至关重要。无论无人系统是基于机载的、基于地面的还是基于海洋的，通信对于所采用的数据策略至关重要。无人系统必须能够在自主或自动控制下运行，从而影响所采用的数据策略，从而自动分析数据并制定决策级结果。具有更高自主水平的无人系统将能够包含大量敏感数据。如果系统被物理捕获或网络攻击，这些敏感数据得到适当保护以确保免受对手的安全威胁至关重要。

在过去十年中，有人和无人情报、监视和侦察(ISR)能力的使用呈指数增长，以满足支持全球分散行动的收集情报需求。以上与其他国防部组织使用记录、快速反应能力的主要采购计划开发以及资源化能力，以支持紧急战斗指挥部（CCMD）的要求。在缺乏对这些系统进行总体规划策略的情况下，所得到的数据传输能力是定制于服务和平台的，跨平台的集成很少。这导致了在覆盖范围上的显著差距、不一致并且常常不能向需要的消费者提供足够的数据，以及延迟满足作战人员的紧急要求。

ISR数据传输支持在时间、地点、数量和质量上分布在全球的战略、操作和战术消费者。需要及时和有保证地传送ISR数据，以便使作战人员能够在全球综合行动期间采取行动的融合情报和主动任务数据能够用于支持反恐、战区战役计划和应急行动。

如最近的反恐行动所示，所有ISR平台，包括我们的小型战术UAS（例如Scan Eagle）和地面/海上无人平台，都具有潜在的战略和运行影响，需要将视频和其他传感器数据近乎实时地传送到战区作战中心和后方指挥部，以支持紧急目标和武装保护决策。

4.1挑战

建立有效的行政监督以跨越CCMD/Service/Agency边界并推动联合同步基础设施能力对于解决当前数据传输问题至关重要。由于依赖于用快速变化的商业现有成果来满足数据传输要求，定义互操作性标准不再满足确保国防部范围的使用。军事标准和商业标准不受相同要求的约束。该部门的重点必须转向建立通用传输能力，这种能力可能利用多个供应商产品来支持共同的数据传输要求。跨越CCMD/Service/Agency边界建立通用网关和中继能力的团队努力具有显著改善任务性能的潜力，同时降低基础运输设施的总成本。美国特种作战司令部提供了一个有益的例证。他们和美国空军合作，修改他们在太平洋的遥控飞机（RPA）网关，以支持在战区操作的载人飞机。建立一个新的卫星网关来支持这些平台将花费更多的初始安装费用，以及每年数以百万计的运营和维护费用。

在利用无人系统推进国防部数据战略方面，存在许多阻碍成功的挑战。在许多情况下，政府没有系统的技术基线。这将数据策略的所有权置于单一承包商之上，并阻碍了我们进行数据分析的能力。政府对数据战略的所有权允许在使用数据战略和分析方面进行创新和明智的决策。

维护过时的IT设备导致成本增长和能力低下。商业部门经常推动数据战略和开放系统体系结构的进步。与商业部门数据策略保持同步对于敏捷地推进数据分析、控制成本增长和维持至关重要。

对数据可信的分析通常是数据策略的阻碍。考虑到数据的数量、种类和准确性，手动分析原始数据是不切实际和不可能的。竞争环境迫使数据战略更加自动化，以支持决策，从而使得这个问题更具挑战性。分析人员需要可信的无人系统数据分析和策略来处理、存储、融合、分析和报告信息。

4.2未来之路

无人系统需要能够收集和自动处理数据，并根据任务、环境和情况自主调整数据策略。平台需要实时地在机器上执行这些任务，并确定需要传送给操作员的关键任务信息。自主数据策略自适应是指系统围绕其数据处理、存储、融合、分析和报告活动实时地自动作出决策的能力，它将确保决策质量信息的产生。诸如深度神经网络和神经形态计算之类的技术将推进，以使策略能够学习、思考和使用适应环境变化的能力。通常，这些策略需要在任务目标和约束的理解下实时使用。未来设想数据策略是敏捷、响应、自适应和保护的策略。在短期内，部门必须建立访问ISR数据库和联邦交付能力的共同标准。如图强调了向分散的消费者提供可靠且响应性强的数据传输所需的一些关键传输功能块。

ISR 数据传输能力

在接下来的三年中，联合信息环境（JIE）执行委员会（EXCOM）将确定每个能力块的核心需求，通过联合需求过程对其进行记录，并建议适当的进行材料/非材料能力开发工作。虽然是为机载ISR（AISR）开发的，但相同的块适用于所有域平台，因为传输基础设施与平台无关。

模块1（传播）将为国防部和联盟/任务合作伙伴的传感器数据建立通用接口点，利用国防部信息系统网络（DISN）进行全球传送。到2021财政年度，该部门将具有编程能力，可以近乎实时地将传感器/视频数据摄取和发送给美国分类和联合可发布网络上的有限高分辨率和多个低分辨率需求者。

模块2(战术中继)提供视距(LOS)-传感器平台(例如，小型UAS)到DISN的连接以供全球分布，以及支持超视距(BLOS)传感器平台，这些传感器平台与具有DISN接入的战略网关的连接不足。到第2022财年时，定义和编程的战术能力将随时可用来支持数量有限的传感器平台。 

模块3（卫星网关）在所有CCMD操作区域内构建通用网关，以支持多种平台类型（例如有人驾驶和无人驾驶飞机）和多种传感器类型（例如全动态视频、信号情报），在已建立的战区内提供连接应急时间表。在可能的情况下，模块3将利用现有的国防部战略网关来最大限度地提高性能并最大限度地减少提供此功能所需的资源。到第2023财政年度，通用网关系统将可用于支持通过DISN互连的传感器数据的全球分布。

模块4（网络运营（NETOPs））建立从端到端的空间、空中和地面网络组件的共同态势感知和可见性。到第2024财政年度，该部门将整合当前不同的NETOP活动，并为传感器数据传输能力建立共同的操作画面。

模块5（平台）将重点关注2019-2023财年对现有平台的生命周期升级，利用最先进的多波段卫星功能访问商用和军用卫星系统，同时提高反接入的生存能力。 到第2024财政年度，LOS和BLOS平台无线电能力将采用国家安全局（NSA）批准的加密方法来防止恶意拦截/篡改，并确保C2和传感器数据的传输。

未来几十年内，该部门将解决在不适宜环境中的操作，包括增加抗干扰和低概率的拦截/探测能力。这些功能将集成到端到端架构中，并确保采用最先进的网络防御检测和防御系统。

数据权限

专有系统的国防部采购在财政上效率低下，并限制了为国防部各种终端用户提供具有定制有效载荷的公共机器人平台的部署。缺乏开放硬件和软件接口的商用现货（COTS）系统为获取无人系统创造了不利的商业模式。安全的数据权利允许长期维持、现代化和竞争规划，而不需要依赖或受数据所有者的支配。国防部应寻求协商由计划办公室确定的适当数据权利，以便在签订所有无人系统合同和协议之前支持系统的整个生命周期。

5.1 挑战

多年来，美国防部已经获得了许多传统系统和COTS系统，以满足紧急需求。由于获得这些系统的迫切性，所接收的数据权利和技术基准通常是有限的。因此，美国防部在对控制器和软件进行必要的更新时受到限制，这些更新与这些无人系统不断变化的操作环境保持同步。即使在常规程序中，国防部在承包数据权利和技术基线方面也尽职尽责，它们也全是由承包商授予。迄今为止，国防部并没有全部成功地主张其对内部所需工作（更新、修改等）和所需数据的权利，或在事后通过谈判获得额外权利。这些额外的数据权限通常非常昂贵，导致国防部与数据权限所有者签订合同以进行升级、修改或更新。此活动会产生成本，需要持续更新。

5.2 未来之路

在短期内，美国防部需要考虑在最有利和最有效的情况下获取现有系统数据权利的成本效益。在考虑合同价格和工作时，国防部必须考虑调整数据权利政策。此外，项目办公室必须提高警惕，以获取和维护合同数据权，重点是提高性能或降低成本。政府必须制定信息所有权战略，既可以使用框架，也可以确定采购具有成本效益的方法来获取关键数据权利。

在中长期，国防部应制定完善的数据权限政策，以确保必要的关键系统信息，和确保最大限度的任务支持和灵活性。将模块化和通用体系结构内置到项目中将提供更高级别的安全性，防止使用公司特定的专有系统，从而无法实现对这些系统的更新。但是，重要的是确定并关注政府可以拥有框架的领域，并确定其投入和产出，以促进未来的能力接入。

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