Panoramica dei componenti chiave del 'sistema informativo logistico autonomo' (ALIS) del cacciabombardiere unificato F-35. Analisi dettagliata del 'modulo di supporto all'impiego operativo' e dei suoi quattro componenti chiave: 1) interfaccia uomo-sistema, 2) sistema esecutivo e di controllo, 3) sistema immunitario a bordo, 4) sistema avionico. Alcune informazioni sul software e hardware del cacciabombardiere F-35 e sugli strumenti utilizzati per il suo software a bordo. È fornito un confronto con modelli precedenti di caccia, oltre a prospettive per il futuro dello sviluppo dell'aviazione militare.

Il cacciabombardiere F-35 è un insieme di vari sensori hi-tech che forniscono una 'consapevolezza situazionale a 360 gradi'.
Introduzione
I sistemi hardware delle forze aeree diventano sempre più complessi nel tempo. [27] Anche la loro cyberinfrastruttura (componenti software e hardware che richiedono una configurazione algoritmica precisa) si sta gradualmente complicando. Nel caso delle forze aeree statunitensi, si può osservare come la cyberinfrastruttura dell'aviazione da combattimento, rispetto ai suoi componenti hardware tradizionali, si sia espansa progressivamente da meno del 5% (per il F-4, un caccia di terza generazione) a oltre il 90% (per il F-35, un caccia di quinta generazione). [5] La configurazione algoritmica precisa di questa cyberinfrastruttura nel F-35 è assicurata dal software più recente, appositamente progettato per questo scopo: il "sistema informativo logistico autonomo" (ALIS).
Sistema informativo logistico autonomo
Nell'era dei caccia di quinta generazione, il dominio aereo è misurato, innanzitutto, dalla qualità della consapevolezza situazionale. [10] Pertanto, il cacciabombardiere F-35 è un sciame volante di vari sensori high-tech, garantendo una consapevolezza situazionale a 360 gradi. [11] Un nuovo successo popolare in questo contesto è la cosiddetta "architettura dei sensori integrati" (ISA), che comprende sensori che interagiscono dinamicamente tra loro in modo autonomo (non solo in ambienti pacifici, ma anche in ambienti tattici contestati) – il che, in teoria, dovrebbe portare a un ulteriore aumento della qualità della consapevolezza situazionale. [7]. Tuttavia, per tradurre questa teoria in pratica, è necessaria una qualità elevata nell'elaborazione algoritmica di tutti i dati provenienti dai sensori.
Pertanto, l'F-35 ha sempre a bordo un software il cui volume di codice sorgente supera i 20 milioni di righe, motivo per cui è spesso soprannominato "computer volanti". [6] Poiché nell'attuale quinta era dei caccia d'attacco, il predominio in combattimento è misurato dalla qualità della consapevolezza situazionale, quasi il 50% di questo codice software (8,6 milioni di righe) esegue una complessa elaborazione algoritmica per amalgamare tutti i dati provenienti dai sensori in un'unica rappresentazione del teatro delle operazioni. In tempo reale.
La dinamica dell'adeguamento delle funzionalità di bordo dei caccia statunitensi si sta spostando verso il software.
A bordo del F-35, il "sistema informatico autonomo di logistica" (ALIS) è responsabile di fornire all'aereo capacità come 1) pianificazione (attraverso avanzati sistemi avionici), 2) mantenimento (la capacità di fungere da unità di combattimento principale) e 3) supporto (la capacità di fungere da unità di combattimento secondaria). [4] Il "codice collante" rappresenta la componente principale dell'ALIS, responsabile del 95% del totale del codice software a bordo del F-35. Altri 50% del codice software dell'ALIS svolgono, in qualche misura, operazioni secondarie ma ugualmente intensamente algoritmiche. [12] Pertanto, il F-35 è uno dei sistemi di combattimento più complessi mai sviluppati. [6]
ALIS è un sistema semi-autonomo che integra un complesso di diverse sottosistemi di bordo; include anche un'interazione efficace con il pilota, fornendo informazioni di alta qualità sul teatro di operazioni (consapevolezza situazionale). Il nucleo del software ALIS opera costantemente in background, assistendo il pilota nelle decisioni e fornendo suggerimenti in momenti criticamente importanti del volo. [13]
Modulo di supporto alle operazioni di combattimento
Uno dei sottosistemi più cruciali di ALIS è il "modulo di supporto alle operazioni di combattimento", composto da cinque elementi principali [13]:
1) "Interfaccia uomo-sistema" – assicura una visualizzazione di alta qualità del teatro di operazioni (ergonomica, completa, concisa). [12] Osservando questo teatro, il pilota prende decisioni tattiche e dà ordini di combattimento, che a loro volta vengono elaborati dal modulo IKS.
2) «Sistema di gestione e controllo» (IKS) – interagendo con i blocchi di controllo delle armi di bordo, garantisce l'esecuzione degli ordini di combattimento impartiti dal pilota tramite un'interfaccia uomo-sistema. L'IKS registra anche i danni effettivi causati dall'uso di ciascun ordine di combattimento (attraverso sensori di feedback) per un'analisi successiva da parte del sistema di avionica.
3) «Sistema immunitario di bordo» (BIS) – monitora le minacce esterne e, una volta rilevate, attua le contromisure necessarie per eliminarle. Inoltre, il BIS può contare sull'appoggio di unità amiche che partecipano a operazioni tattiche congiunte. [8] Per questo motivo, il BIS collabora strettamente con i sistemi di avionica tramite un sistema di comunicazione.
4) «Sistema di avionica» – trasforma il flusso di dati grezzi provenienti da vari sensori in una consapevolezza situazionale qualitativa, accessibile al pilota tramite un'interfaccia uomo-sistema.
5) «Sistema di comunicazione» – gestisce il traffico di rete a bordo e esterno, fungendo così da collegamento tra tutti i sistemi a bordo; oltre a tutti i partecipanti alle operazioni tattiche congiunte e unità di combattimento.
Interfaccia uomo-sistema
Per soddisfare la necessità di una consapevolezza situazionale di alta qualità e globale, la comunicazione e la visualizzazione nella cabina del cacciabombardiere sono fondamentali. Il volto di ALIS, in generale, e del modulo di supporto all'impiego operativo, in particolare, è rappresentato dal «sottosistema di visualizzazione panoramica» (L-3 Communications Display Systems). Questo include un grande schermo tattile ad alta definizione (LADD) e un canale di comunicazione ad alta banda. Il software L-3 opera sotto il sistema operativo Integrity 178B (sistema operativo in tempo reale di «Green Hills Software»), che è il sistema operativo a bordo principale del cacciabombardiere F-35.
Gli architetti delle cyberinfrastrutture F-35 hanno scelto il sistema operativo Integrity 178B in base a sei caratteristiche distintive di questo sistema: 1) conformità agli standard aperti di architettura, 2) compatibilità con Linux, 3) compatibilità con POSIX API, 4) gestione sicura della memoria, 5) garanzia di requisiti di sicurezza specifici e 6) supporto della specifica "ARINC 653". [12] "ARINC 653" è un'interfaccia di programmazione applicativa destinata all'uso nell'avionica. Questa interfaccia regola la separazione temporale e spaziale delle risorse del sistema computazionale aeronautico in conformità ai principi dell'avionica modulare integrata; definisce inoltre l'interfaccia software che l'applicazione deve utilizzare per accedere alle risorse del sistema di calcolo.
Sottosistema di visualizzazione panoramica
Sistema di controllo operativo
Come già accennato in precedenza, l'IKS, interagendo con i moduli di controllo delle armi di bordo, garantisce l'esecuzione degli ordini di combattimento e la registrazione dei danni effettivi derivanti dall'applicazione di ciascun ordine di combattimento. Il cuore dell'IKS è un supercomputer, che è chiaramente anche classificato come "armi di bordo".
Poiché il volume dei compiti assegnati al supercomputer di bordo è enorme, esso è progettato per avere una resistenza maggiore e soddisfare elevati requisiti di affidabilità e potenza di calcolo; è inoltre dotato di un efficace sistema di raffreddamento a liquido. Tutte queste misure sono state adottate per garantire che il sistema di calcolo di bordo possa elaborare in modo efficace enormi quantità di dati e svolgere avanzate elaborazioni algorittmiche, che forniscono al pilota un'adeguata consapevolezza situazionale: offrono informazioni complete sul teatro delle operazioni.
Il computer di bordo del caccia F-35 è in grado di eseguire 40 miliardi di operazioni al secondo ininterrottamente, garantendo l'esecuzione simultanea di algoritmi ad alta intensità di risorse per l'avionica avanzata (inclusa l'elaborazione di dati elettroottici, infrarossi e radar). [9] In tempo reale. Per il caccia F-35, eseguire tutti questi calcoli intensivi dal punto di vista algoritmico a bordo (per evitare di dotare ogni unità operativa di un supercomputer) non è possibile, poiché l'intensità complessiva del flusso di dati provenienti da tutti i sensori supera la capacità di banda delle comunicazioni più veloci - almeno di 1000 volte. [12]
Per garantire una maggiore affidabilità, tutti i sistemi di bordo critici del caccia F-35 (incluso, in certa misura, il supercomputer di bordo) sono progettati seguendo il principio di ridondanza: affinché la stessa attività possa essere eseguita da più dispositivi diversi a bordo. Inoltre, il requisito di ridondanza prevede che gli elementi duplicati siano sviluppati da produttori alternativi e abbiano un'architettura alternativa. Questo riduce la probabilità di un guasto simultaneo dell'originale e del duplicato. [1, 2] Proprio per questo motivo, il computer principale opera sotto un sistema operativo simile a Linux, mentre quelli secondari operano con Windows. [2] Inoltre, affinché in caso di guasto di uno dei computer, il modulo per il supporto dell'impiego operativo possa continuare a funzionare (anche solo in modalità di emergenza), l'architettura del kernel ALIS è progettata secondo il principio del "client-server multithreading per il calcolo distribuito". [18]
Sistema immunitario di bordo
In un ambiente tattico contestato, il mantenimento dell'immunità a bordo richiede una combinazione efficace di resilienza, ridondanza, diversità e funzionalità distribuita. L'aviazione da combattimento di ieri non disponeva di un'unica sistema di immunità a bordo (BIS). La sua BIS era frammentata e composta da diversi componenti che operavano in modo indipendente. Ciascuno di questi componenti era ottimizzato per contrastare un determinato insieme ristretto di sistemi d'arma: 1) proiettili balistici, 2) missili guidati da segnali radiofrequenza o ottici, 3) irradiazione laser, 4) irradiazione radar e così via. Quando veniva rilevato un attacco, il relativo sottosistema BIS si attivava automaticamente e adottava contromisure.
I componenti del BIS di ieri sono stati progettati e sviluppati in modo indipendente l'uno dall'altro, da diversi appaltatori. Poiché questi componenti presentavano solitamente un'architettura chiusa, l'aggiornamento del BIS, con l'introduzione di nuove tecnologie e sistemi d'arma, si è ridotto ad aggiungere un ulteriore componente BIS indipendente. Il principale difetto di un BIS frammentato, composto da componenti indipendenti con architettura chiusa, è che i suoi frammenti non possono interagire tra loro e non sono soggetti a coordinazione centralizzata. In altre parole, non possono comunicare e non eseguono operazioni congiunte, limitando così l'affidabilità e l'adattabilità del BIS nel suo complesso. Ad esempio, se uno dei sottosistemi immunitari si guasta o viene distrutto, gli altri sottosistemi non possono compensare efficacemente questa perdita. Inoltre, la frammentazione del BIS porta spesso alla duplicazione di componenti tecnologici avanzati, come processori e display, [8], il che risulta particolarmente dispendioso in termini di SWaP (dimensioni, peso e consumo energetico) [16] in un contesto di "problema eternamente verde". Non sorprende che questi primi BIS stiano gradualmente esaurendo la loro utilità.
Al posto dei sistemi BIS frammentati, arriva un'unica sistema immunitario distribuito a bordo, gestito da un "controllore cognitivo-intelligente" (IKK). L'IKK è un programma speciale, un sistema nervoso centrale a bordo, che funge da superstruttura per i sottosistemi integrati all'interno del BIS. Questo programma unisce tutti i sottosistemi BIS in una rete distribuita unica (con informazioni e risorse condivise), collegando anche tutti i BIS con il processore centrale e altri sistemi a bordo. [8] La base per tale integrazione (inclusa quella con componenti che saranno sviluppati in futuro) è il concetto accettato di "sistema di sistemi" (SoS), [3] caratterizzato da scalabilità, specifiche pubbliche e un'architettura software-hardware aperta.
L'IKK ha accesso alle informazioni di tutti i sottosistemi BIS; la sua funzione è quella di confrontare e analizzare le informazioni provenienti dai sottosistemi BIS. L'IKK lavora costantemente in background, interagendo in modo continuo con tutti i sottosistemi BIS, identificando ogni potenziale minaccia, localizzandola e, infine, raccomandando al pilota il set ottimale di contromisure (tenendo conto delle capacità uniche di ciascun sottosistema BIS). Per questo, l'IKK utilizza algoritmi cognitivi avanzati [17-25].
Pertanto, ogni aereo ha il proprio ICC unico. Tuttavia, per ottenere un'integrazione ancora maggiore (e quindi una maggiore affidabilità), gli ICC di tutti gli aerei coinvolti in un'operazione tattica sono uniti in un'unica rete comune, coordinata dal "sistema informativo autonomo per la logistica" (ALIS). [4] Quando uno degli ICC identifica una minaccia, ALIS calcola le contromisure più efficaci, utilizzando le informazioni di tutti gli ICC e il supporto di tutte le unità operative coinvolte nell'operazione tattica. ALIS "conosce" le caratteristiche uniche di ogni ICC e le utilizza per attuare contromisure coordinate.
Il sistema di BMS distribuito si occupa di minacce esterne (legata alle azioni militari nemiche) e minacce interne (relative allo stile di pilotaggio e alle peculiarità operative). A bordo del caccia F-35, il sistema di avionic si occupa delle minacce esterne, mentre il VRAMS ("sistema intelligente di informazione sui rischi legati a manovre potenzialmente pericolose per l'apparecchiatura") gestisce quelle interne. [13] L'obiettivo principale del VRAMS è quello di allungare i periodi di utilizzo dell'aereo tra le sessioni di manutenzione necessaria. A tal fine, il VRAMS raccoglie informazioni in tempo reale sulle prestazioni delle principali sottosistemi a bordo (motore dell'aereo, sistemi ausiliari, componenti meccanici, sottosistemi elettrici) e analizza il loro stato tecnico, considerando parametri come picchi di temperatura, variazioni di pressione, dinamiche delle vibrazioni e ogni tipo di interferenza. Basandosi su queste informazioni, il VRAMS fornisce al pilota raccomandazioni tempestive su come procedere per mantenere l'aereo in condizioni sicure. Il VRAMS "prevede" quali conseguenze possano derivare da determinate azioni del pilota e suggerisce come evitarle. [13]
Il paradigma a cui aspira VRAMS è la manutenzione zero, mantenendo al contempo un'eccellente affidabilità e ridotta usura strutturale. Per raggiungere questo obiettivo, i laboratori di ricerca stanno lavorando per sviluppare materiali con strutture intelligenti, in grado di funzionare efficacemente in condizioni di manutenzione zero. I ricercatori di questi laboratori stanno elaborando metodologie per rilevare microfessure e altri fenomeni antecedenti ai guasti, per prevenire tempestivamente potenziali malfunzionamenti. Sono in corso anche studi per comprendere meglio il fenomeno dell'affaticamento strutturale, in modo da poter regolare le manovre aeree e ridurre così l'usura strutturale, prolungando la vita utile dell'aeromobile. [13] In questo contesto, è interessante notare che circa il 50% degli articoli della rivista "Advanced in Engineering Software" si concentrano sull'analisi della resistenza e della vulnerabilità delle strutture in calcestruzzo armato e di altre costruzioni.
Sistema intelligente di informazione sui rischi legati a manovre pericolose per l'equipaggiamento
Sistema avanzato di avionica
Il blocco di bordo per l'impiego operativo del caccia F-35 include un avanzato sistema di avionica, progettato per affrontare la sfida ambiziosa:
I sistemi di avionica di ieri includevano diverse sotto-sistemi indipendenti (che gestivano sensori a infrarossi e ultravioletto, radar, sonar, guerra elettronica e altri), ciascuno dotato del proprio display. Ciò costringeva il pilota a dover esaminare a turno ciascuno degli schermi e ad analizzare manualmente i dati che arrivavano. D'altra parte, l'attuale sistema di avionica, adottato anche dal cacciabombardiere F-35, presenta tutti i dati, in precedenza disgiunti, come risorsa unica; su un unico display comune. Pertanto, il moderno sistema di avionica è un complesso integrato e centrato sulla rete di fusione dati, che fornisce al pilota la massima consapevolezza situazionale, liberandolo così dalla necessità di effettuare complessi calcoli analitici. Di conseguenza, grazie all'esclusione del fattore umano dal ciclo analitico, il pilota ora può concentrarsi maggiormente sulla missione di combattimento principale.
Uno dei primi tentativi significativi di escludere il fattore umano dal ciclo di analisi dell'avionica è stato realizzato nell'infrastruttura informatica del caccia F-22. A bordo di questo aereo da combattimento, un programma intensivo dal punto di vista algoritmico è responsabile dell'accurata fusione dei dati provenienti da vari sensori., con un codice sorgente totale di 1,7 milioni di righe. Di questo, il 90% è scritto in Ada. Tuttavia, il moderno sistema di avionica, gestito dal programma ALIS, installato sul caccia F-35, ha fatto grandi passi avanti rispetto all'F-22.
Il prototipo di ALIS si basa sul software del caccia F-22. Tuttavia, ora la gestione dei dati è affidata non a 1,7 milioni di righe di codice, ma a 8,6 milioni. La maggior parte di questo codice è scritto in C/C++. L'obiettivo principale di tutto questo codice, intensivo in termini algoritmici, è valutare quali informazioni siano rilevanti per il pilota. Di conseguenza, grazie al fatto che nel panorama del teatro dei combattimenti compaiono solo dati sostanziali, il pilota ha ora la possibilità di prendere decisioni più rapide ed efficaci. Pertanto, il moderno sistema di avionica, che equipaggia in particolare il caccia F-35, allevia il pilota dal peso analitico e finalmente gli consente di volare semplicemente. [12]
Avionica obsoleta
Sezione: Strumenti di sviluppo utilizzati a bordo dell'F-35
Alcuni componenti [poco comuni] dell'infrastruttura cibernetica a bordo del F-35 sono scritti in linguaggi arcaici come Ada, CMS-2Y e FORTRAN. I moduli software scritti in Ada sono generalmente presi in prestito dal caccia F-22. [12] Tuttavia, il codice scritto in questi linguaggi arcaici rappresenta solo una piccola parte del software del F-35. Il linguaggio di programmazione principale del F-35 è C/C++. Inoltre, a bordo del F-35 vengono utilizzati database relazionali e orientati agli oggetti. [14] I database sono utilizzati a bordo per gestire efficacemente grandi quantità di dati. Per consentire l'elaborazione in tempo reale, i database sono combinati con un acceleratore hardware per l'analisi dei grafi. [15]
Inchiesta: Backdoor nel F-35
Tutti i componenti che costituiscono l'attuale tecnologia militare americana sono: 1) prodotti su misura, 2) personalizzati da prodotti commerciali disponibili, 3) soluzioni commerciali standard. In tutti e tre i casi, i produttori, sia dei singoli componenti che dell'intero sistema, hanno una parentela discutibile che solitamente ha origine al di fuori del paese. Di conseguenza, c'è il rischio che in uno dei collegamenti della catena di approvvigionamento (che spesso si estende in tutto il mondo) venga inserito un backdoor o malware in un componente software o hardware. Inoltre, è noto che l'Air Force americana utilizza oltre 1 milione di componenti elettronici contraffatti, il che aumenta ulteriormente la probabilità di avere codice dannoso e backdoor a bordo. Senza contare che la contraffazione è generalmente una copia di scarsa qualità e instabile dell'originale, con tutte le conseguenze del caso. [5]
Architettura del kernel ALIS
Riassumendo la descrizione di tutti i sistemi di bordo, si può affermare che i principali requisiti possono essere sintetizzati nei seguenti punti: integrazione e scalabilità; specifiche di accesso pubblico e architettura aperta; ergonomia e chiarezza; resilienza, ridondanza, varietà, maggiore tolleranza ai guasti e robustezza; funzionalità distribuita. L'architettura del nucleo ALIS è una risposta complessiva a tutte queste ampie e ambiziose richieste contraddittorie, che vengono poste al cacciabombardiere unificato F-35.
Tuttavia, quest'architettura, come tutte le cose geniali, è semplice. La sua base è stata costruita sulla concezione degli automi. L'applicazione di questa concezione all'interno di ALIS si traduce nel fatto che tutti i componenti del software di bordo del caccia F-35 hanno una struttura unificata. Combinata con un'architettura client-server multi-threading per elaborazione distribuita, il nucleo automatale di ALIS soddisfa tutti i requisiti contraddittori descritti sopra. Ogni componente software di ALIS è composto da un'interfaccia in un "file .h" e da una configurazione algoritmica in un "file .cpp". La loro struttura generalizzata è presentata nei file sorgente allegati all'articolo (vedi i successivi tre spoiler).
automata1.cpp
#include "battle.h"
CBattle::~CBattle()
{
}
BOOL CBattle::Battle()
{
BATTLE_STATE state;
switch (m_state)
{
case AU_BATTLE_STATE_1:
if (!State1Handler(...))
return FALSE;
m_state = AU_STATE_X;
break;
case AU_BATTLE_STATE_2:
if (!State2Handler(...))
return FALSE;
m_state = AU_STATE_X;
break;
case AU_BATTLE_STATE_N:
if (!StateNHandler(...))
return FALSE;
m_state = AU_STATE_X;
break;
}
return TRUE;
}automata1.h
#ifndef AUTOMATA1_H
#define AUTOMATA1_H
typedef enum AUTOMATA1_STATE { AU1_STATE_1, AU1_STATE_2, ... AU1_STATE_N };
class CAutomata1
{
public:
CAutomata1();
~CAutomata1();
BOOL Automata1();
private:
BOOL State1Habdler(...);
BOOL State2Handler(...);
...
BOOL StateNHandler(...);
AUTOMATA1 m_state;
};
#endifmain.cpp
#include "automata1.h"
void main()
{
CAutomata1 *pAutomata1;
pAutomata1 = new CAutomata1();
while (pAutomata->Automata1()) {}
delete pAutomata1;
}In sintesi, si può affermare che nell'ambiente tattico contestato, il predominio operativo spetta a quelle unità aeree le cui infrastrutture informatiche a bordo combinano efficacemente resilienza, ridondanza, varietà e funzionalità distribuita. L'IKK e l'ALIS dell'aviazione moderna soddisfano questi requisiti. Tuttavia, in futuro il loro livello di integrazione sarà ampliato anche al lavoro con altri reparti dell'esercito, mentre attualmente l'integrazione efficace delle Forze Aeree comprende solo il proprio reparto.
Bibliografia
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PS. L'articolo è stato originariamente pubblicato in .
Fonte: habr.com
