半个多世纪以来，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）以解决与国家安全相关的重大问题为使命，引领美国国防科技领域甚至整个国家的技术生态系统的发展方向，在推动维护国家安全的突破性技术转化方面发挥着举足轻重的作用，其卓越成就引发了世界瞩目和竞相模仿。从互联网、GPS、隐身飞机到人工智能、脑机接口……DARPA创新史广泛影响并创造未来战争游戏规则。建模与仿真技术已成为21世纪认识和改造世界的重要手段，军用仿真系统为研究未来战争、设计未来装备、支撑战法评估、训法创新和装备论证提供有效手段，为训练、教育、决策、采办、概念开发、实验及其他领域提供有力支撑，已渗透到军事国防的各领域，成为DARPA开展相关项目研究的重要手段。
DARPA基本任务是专事于“科技引领未来”，开拓新的国防科研领域，为解决中、远期国家安全问题提供高技术储备，研究分析具有潜在军事价值、风险大的新技术和高技术在军事上应用的可能性。其主要业务是开展基础性、先导性、颠覆性国防科研项目，项目分为基础研究、预先研究和应用研究，预先研究项目是主体。本文就2017年度DARPA开展的基础研究项目和军事研究项目中应用建模与仿真技术情况进行分析，通过这些分析试图探讨DARPA牵引未来科技发展及其投资方向。
一 基础研究项目应用情况及分析
DARPA一直以来的核心工作是攻克那些表面上看来无法逾越的物理学和工程学难题，一旦实现突破，就可以直接将具备颠覆性的新技术、新能力用于国家安全需求。只有注重颠覆性技术背后基础科学上的建树，才能从根本上赢得战略对抗的主动与先机。为巩固专业领域优势，DARPA通过应用复杂数学算法，构建计算机模型，通过仿真应用进行测试与验证，不断拓展研究领域。
2017年4月7日，为更了解社会科学建模的能力和局限性，启动“真理根基（Ground Truth）”计划，旨在使用具有内置的“真理根基”因果规则社会体系仿真程序作为测试平台，来验证各种社会科学建模方法的准确性。“真理根基”将展示一种测试社会科学建模方法的能力及其局限性；探索一种新型建模方法，描述和预测不同类型的复杂社会系统；为研究和运营提供未来建模投资。
5月17日，“量化物理系统的不确定性”（Enabling Quantification of Uncertainty in Physical Systems，EQUiPS）项目取得重大进展，通过开发数学工具和方法，应对与大型复杂系统相关的挑战，并对建模和设计过程中每个步骤的不确定性进行了验证。这些研究有助于实现军用复杂系统的高效、稳健和可靠性设计。该项目于2015年启动，目前已完成第一阶段工作，能够证明干扰先进舰船和高超声速飞机发动机排气喷嘴性能预测的不确定因素。
通过EQUiPS项目，DARPA正在彻底改变模拟、仿真物理世界及工程系统的方式。DARPA的目标是使不确定性量化成为建模和仿真的一个易处理的部分，即使是最复杂的设计问题也能使用，且正在开发的数学工具可广泛应用于新的航空航天结构和前沿集成电路等领域。
11月30日，DARPA启动“世界建模师（World Modelers）”项目，研究使分析人员能够快速开发出分析国家安全态势模型的技术，预测类模型将能分析不同的场景和各种干预策略。该项目旨在减少检查问题、分析问题，提出解决方案的响应时间，以及编写报告所需的时间，预计2018年年初开始，将初步审查区域粮食安全状况，例如南苏丹的饥荒。为了实现这一目标，DARPA将汇集新技术来解决实现“世界建模师”所需的各种技术领域。大部分工作都是基于高级领域的不可知论的机器阅读技术。
10月27日，DARPA国防科学局为了获取战略评估和管理国家与非国家行为的能力，启动“战略机制设计基础”项目，以便对战略机制进行实际设计和评估。战略机制的开发需要整合博弈论、行为经济学、计算机科学和人工智能方面的最新进展。但问题是，游戏奖励理性行为，比如玩家得分最大化，而国家行为往往是不理性的。DARPA研究人员想知道，人工智能和社会科学等领域的进步能否逼真地模拟非理性行为，因此正在积极推进先进作战仿真系统的开发研究。
2017年DARPA在基础研究方面的四个项目反映其对模拟、仿真物理世界和社会科学的关注，2017年CB Insights总结影响世界的十大颠覆性领域之一就是大规模仿真，即对物理世界的仿真；另外三个项目涉及人类行为的计算机建模，即2015年美国防部发布的六大颠覆性基础研究领域之一，在一定程度上反映DARPA对未来科技发展及投资方向的牵引，其对基础型创新研究的重视，扩展仿真技术应用领域，是保持仿真技术先进性的基础。
二 军事研究项目应用情况及分析
DARPA作为国防部内具有特殊作用的部门，其关注对象是未来长远的军事能力。因此，在需求形成、技术突破、项目研究等方面非常重视挖掘整个社会的智慧创意，通过灵活多样的技术活动，汇集全社会力量推动创新。同时将最具创新性和最有前景的新想法应用于军事领域或整个社会，并致力于将创新想法或原型推向成熟，将理论和演示推向实用。凭借着独立评估需求所收获的对前沿技术的高度敏感性，辅之以科学的管理模式、高效的执行机构及严格的评审机制，DARPA锁定了许多高风险、高价值、高收益的项目，始终将精力放在对未来的探索上，确保了创新果实的不断涌现。
DARPA虽然归属于美国国防部，但却独立于各军种且不以满足军方的现实需求为目标，而是以感知军方的未来潜在需求，探索国防科技的新概念而著称。2017年DARPA通过三个项目对未来战争进行探索研究，军用建模与仿真技术已成为服务新的军事理论和作战思想的有效工具之一。
8月4日，DARPA战略技术办公室提出旨在赢得或慑止未来冲突的武器系统发展新思路——“马赛克战（Mosaic Warfare）”，即通过对各种传感器、多域指控节点、有人与无人平台的快速、灵活有效集成，对敌形成新的不对称优势。DARPA目前正在开展一些项目，研发有助于实现“马赛克战”架构的技术。其中，“复杂适应性系统组合与设计环境”项目将解决现有及新系统的组合问题；“体系集成技术与实验”项目侧重于对各种不同系统进行集成以实现协同工作；“分布式作战管理”及“对抗环境中的弹性同步规划和评估”项目将解决作战管理指挥控制问题；“对抗环境下的通信”及“任务优化动态适应网络”项目专注于无缝、适应性的通信和网络。为进一步促成该愿景，战略技术办公室还确定了实现下一代可组合“效果网”的兴趣领域：态势理解、多域机动、混合效应、体系、海上系统、体系增强小单元以及基础战略技术与系统。多数项目中应用建模与仿真技术，如“复杂适应性系统组合与设计环境”项目中实现机载系统概念的建模和设计、“分布式作战管理”验证软件在虚拟仿真与仿真战斗中的能力等。从侧面反映出建模仿真技术已成为DARPA开展相关项目研究的重要手段。
4月11日，DARPA战略技术办公室发布信息征询书，利用商业游戏技术，评估动态可组合的分布式作战概念在城市作战环境中武器联合和多域作战的效能，从而实现创新的任务组织和战术策略使用。DARPA认为，未来美军远征及城市作战的可能性愈发突出。为适应动态的战争空间环境，实现战术和战略目标，需要定义和探索可扩展和适应性方法以应对面临的各类挑战。“敏捷精确作战”概念是围绕海军陆战队组建。考虑人为因素，用于评估技术对作战发展影响的方案主要是军事演习以及在各类小型单元上开展广泛的试验测试。实体级建设性仿真平台适用于指挥层级的决策制定（类似实时战略游戏），并适用于评估系统的性能，但不适用于评估以人类为中心的海洋作战适应性。这些作战模拟概念利用城市现有和假设的新功能的组合环境，可以在发现敏捷精确作战新概念方面取得突破。
6月15日，DARPA启动“远征城市环境适应性作战测试平台原型”（Prototype Resilient Operations Testbed for Expeditionary Urban Scenarios，PROTEUS）项目，旨在研发先进的作战管理、指挥控制软件，同时为探索未来远征作战新概念研发交互式虚拟环境，保持美国在未来作战环境中的军事优势。DARPA将在未来3年内为该项目投资约5000万美元。DARPA通过PROTEUS项目发展功能先进的数字化工具，以探索新的城市作战概念，重点为被视为未来最有可能发展战争的沿海城市探索作战概念。PROTEUS项目包括：（1）为实时动态指挥控制、武器/平台调用、战术规划开发软件；（2）研发虚拟测试环境，用以模拟联合部队在复杂城市作战环境下的作战；（3）在虚拟测试环境下模拟友军、模拟对手开展演练，演示动态组建小编队的能力以及演示如何实现最佳作战效能。
后两个项目充分反映DARPA对未来战争的预测：城市特别是大型城市将成为未来武装冲突的主战场，通过项目研究成果为美军做好战备准备、完善训练设施和战术条令等方面提供有力支撑。
（二）为军事技术研究提供演示验证手段
科技创新是军事革命的基本动因，每一次军事革命的发生，都是源于科学技术的巨大进步。颠覆性技术在实战中所展现出的特征只是技术创新的冰山一角，而其颠覆性的军事影响却预示着未来作战样式的发展趋势。DARPA在技术创新上具有很强的前瞻性，其项目的研发不但蕴含了对技术发展走向的预见，也反映出对未来军事作战的超前判断。
1月27日，“进攻性蜂群使能战术”（OFFensive Swarm-Enabled Tactics，OFFSET）项目公告披露了更多细节。DARPA设想了一种利用增强现实、虚拟现实等游戏技术，以及手势、触摸和触感界面来指挥蜂群的系统。DARPA希望利用Unity 3D、Unreal等游戏开发平台软件来创建虚拟但真实的蜂群作战场景；并建立类似游戏世界的社群交互，鼓励用户提交高质量的蜂群战术。
DARPA展望未来战争就像视频游戏，目前正在通过计算机游戏来训练未来的军事战略家。4月18日，国防科学办公室发布征求多分辨率的互动创新军演仿真软件，旨在用可升级扩展、互动游戏、战争游戏的方法，利用虚拟时空的广度和跨度，对竞争结果和策略使用进行评估。DARPA希望利用电子军事游戏来提高军事指挥官在作战中的战略意识，尤其是在有众多玩家参与的环境中，包括可扩展的互动游戏和战争游戏。此次征集电子军事游戏的目标是提高国防部的军演水平。
11月14日，DARPA向BAE系统公司授予价值高达1280万美元的合同，用于开发数字化实验室，支持美军快速评估和整合太空指挥和控制技术。该项目称为“标记”，将建立一个虚拟的太空战区，协助美军指挥官更好地了解太空环境和潜在的威胁，并开展多域作战。未来，DARPA希望实现“针对复杂的新兴威胁的太空指挥与控制技术测试的真实场景演习”。
这三个项目均是设想构建逼真的虚拟场景达到对作战环境的模拟，在模拟的作战环境中实践对操作技能训练、军事训练、军事作战演习训练、战法研究演练等全过程的仿真训练，以期达到与实训一致的效果。这也是未来仿真训练的发展趋势。
（三）为多种形式活动提供技术手段
DARPA通过举办各类工业日、开放日、提议日、发布综合性部局通告、各类竞赛等活动，公开征集最新创意，吸引社会各界广泛参与创新实践。DARPA的每次竞赛活动都有明确主题，意图解决技术领域难题，2017年通过在“军校蜂群挑战”、“频谱合作挑战赛”、“可靠自主性”、在线社会行为计算仿真计划等项目中应用建模与仿真技术，解决无人机蜂群攻防策略、电磁频谱领域、可靠自主性及模拟信息传播和演变等方面的问题，加速新技术、新理论、新思想在军事领域的应用。
4月23日，DARPA设立“军校蜂群挑战”项目，实验旨在鼓励军校生研发小型无人机蜂群创新性进攻和防御策略。这样类似活动还有如2014年的军队院校创新挑战赛（Service Academy Innovation Challenge）以及2015年的军队院校网络风险比赛（Service Academies Cyber Stakes）。“军校蜂群挑战”通过策略游戏“夺旗”来测试前沿性蜂群策略。比赛中空对空“标签”得分是使用模拟（虚拟）武器击中对方飞行中的无人机传感器。
4月21日，为期三年的“频谱合作挑战赛”启用下一代电磁频谱电子模拟器“罗马竞技场”。竞争选手可利用“罗马竞技场”作为试验台，为访问军用和民用领域电磁频谱的利用与管理创立新模式。“罗马竞技场”试验台是一个256×256信道的射频信道模拟器，可实时计算和模拟256个无线设备中超过65000个信道的交互。该模拟器能够使“软件定义无线电”在模拟的开放场地、密集城市、郊区购物中心、沙漠或者任何其他场景中运行。
过去十年，受益于传感器与驱动器技术、计算技术、控制理论、设计方法与工具、建模及仿真技术等领域的创新，在建设具有自主能力的“信息物理系统”（Cyber Physical Systems，CPS）方面DARPA已取得巨大进步。DARPA信息创新办公室于8月15日主办“可靠自主性”项目“提案者日”活动，目的是让参与者知悉DARPA期望在设计、集成及验证/试验技术上进行改进，以确保“学习使能的自主信息物理系统”（Learning-enabled Autonomous Cyber-physical Systems，LAS）的长期可靠性。其中涉及应用创新的多领域建模方法来表现LAS，这将为可靠性案例的创建、验证、模拟及试验创造新的途径。
2月7日，DARPA发布在线社会行为计算仿真（Computational Simulation of Online Social Behavior，SocialSim）计划提案，寻找新的方法，使用计算机仿真来研究在线环境中信息的传播和演变。如果能够准确地和大规模地模拟在线信息的传播和演变，就能够更深入地了解对手互联网使用情况。SocialSim计划有三个部分：仿真、数据配置和仿真测试和测量。仿真开发可以模拟在线信息传播和演变的技术。数据配置为仿真开发、测试和评估提供支持数据的开发方法。仿真测试和测量将评估新仿真技术的准确性和可扩展性。
三 结束语
近60年来，DARPA是世界上最著名的引领颠覆性技术创新的机构，从成立之初的太空任务，到全球卫星定位系统、隐形飞机及互联网，DARPA骄人成就的取得使其在填补美军技术空白、引领世界技术潮流上扮演着日趋重要的角色。国家安全领域是对科技前沿感知最敏感的领域，创新则生，守旧则死，必须拥有强烈的危机意识。从2017年DARPA应用建模与仿真技术项目分析中可以管中窥豹，通过对基础研究、未来战争研究、军事技术研究等方面分析来反映未来军事超前预判，为研究人员提供有益参考。
（来源：北京航天情报与信息研究所，李莉）
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