Anwendung von ARPA

Im November 2021 verabschiedete der Kongress den Infrastructure Investment and Jobs Act (IIJA), der 550 Milliarden US-Dollar an neuen Mitteln für Dutzende neuer Programme im gesamten US-Verkehrsministerium (USDOT) vorsah. Neben historischen Investitionen in Amerikas Straßen und Brücken wurde mit dem Gesetzentwurf die Advanced Research Projects Agency-Infrastructure (ARPA-I) geschaffen. Aufbauend auf erfolgreichen Modellen wie der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und dem Advanced Research Program-Energy (ARPA-E) besteht die Mission von ARPA-I darin, die innovativsten Technologielösungen des Landes für unsere größten Herausforderungen im Bereich der Verkehrsinfrastruktur bereitzustellen.

ARPA-I muss sich in der einzigartig komplexen Infrastrukturlandschaft Amerikas zurechtfinden, die im Vergleich zu anderen Sektoren durch begrenzte Bundesmittel für Forschung und Entwicklung, Eigentum und Verwaltung des öffentlichen Sektors sowie stark fragmentierte und sich oft überschneidende Eigentumsstrukturen gekennzeichnet ist, die Städte, Kreise, Bundesstaaten, Bundesbehörden usw. umfassen Privatsektor und halbstaatliche Einrichtungen. Darüber hinaus muss die neue Behörde die starke Kultur, die Strukturen und den strengen Ideenfindungsprozess integrieren, die ARPAs in der gesamten Regierung seit den 1950er Jahren verfeinert haben. Dieser Bericht ist ein Leitfaden dafür, wie ARPA-I und seine Stakeholder diese einzigartige Gelegenheit nutzen können, um echte, nachhaltige und dauerhafte Veränderungen in der amerikanischen Transportinfrastruktur voranzutreiben.

Dieser Bericht unterstreicht die Chancen, die ARPA-I bietet. weist diejenigen, die mit dem Verkehrsinfrastruktursektor nicht vertraut sind, auf die besonderen Herausforderungen hin, denen er gegenübersteht; bietet ein grundlegendes Verständnis des ARPA-Modells und seines Programmdesigns im Frühstadium; und befähigt Experten und Interessenvertreter, sich an der Programmidee zu beteiligen. Allerdings können einzelne Abschnitte als eigenständige Tools verwendet werden, abhängig von den Vorkenntnissen des Lesers und der beabsichtigten Beschäftigung mit ARPA-I.

Im November 2021 verabschiedete der Kongress den Infrastructure Investment and Jobs Act (IIJA), der das US-Verkehrsministerium (USDOT) ermächtigt, neben anderen neuen Programmen die Advanced Research Projects Agency-Infrastructure (ARPA-I) einzurichten. Die Mission von ARPA-I besteht darin, die US-amerikanische Transportinfrastruktur durch die Entwicklung innovativer wissenschaftlicher und technologischer Lösungen voranzutreiben, die:

ARPA-I wird dieses Ziel erreichen, indem es Forschungsprojekte unterstützt, die:

ARPA-I ist die neueste Ergänzung einer langen Reihe erfolgreicher ARPAs, die weiterhin bahnbrechende Innovationen in den Bereichen Verteidigung, Nachrichtendienste, Energie und Gesundheit liefern. Das US-Verteidigungsministerium gründete 1958 als Reaktion auf den sowjetischen Start des Sputnik-Satelliten die bahnbrechende Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), um risikoreiche und lohnende Technologien und Fähigkeiten zu entwickeln und zu demonstrieren, um die militärische technologische Überlegenheit und Konfrontation der USA sicherzustellen Herausforderungen der nationalen Sicherheit. Im Laufe der Jahre waren DARPA-Programme für bedeutende technologische Fortschritte verantwortlich, deren Auswirkungen über die Verteidigung und die nationale Sicherheit hinausgingen, wie etwa die frühen Stadien des Internets, die Schaffung des globalen Positionierungssystems (GPS) und die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen, die für die Bekämpfung von entscheidender Bedeutung sind COVID 19.

Angesichts der vielen erfolgreichen Fortschritte, die durch DARPA-Programme erzielt wurden, hat die Regierung das ARPA-Modell für andere kritische Sektoren repliziert, was zur Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) im Büro des Direktors des National Intelligence, der Advanced Research Projects Agency, führte. Energie innerhalb des Energieministeriums und zuletzt die Advanced Research Projects Agency-Health (ARPA-H) innerhalb des Ministeriums für Gesundheit und menschliche Dienste.

Jetzt besteht die Möglichkeit, denselben Geist der uneingeschränkten Innovation einzubringen, um die dringendsten Herausforderungen der Verkehrsinfrastruktur unserer Zeit zu lösen. Die Vereinigten Staaten stehen seit langem vor einer Vielzahl von Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verkehrsinfrastruktur, was zum Teil auf die geringen Bundesausgaben für Forschung und Entwicklung (F&E) in diesem Bereich zurückzuführen ist. die Fragmentierung der Rollen zwischen Bundes-, Landes- und Kommunalverwaltungen; risikoscheue Beschaffungspraktiken; und schleppende kommerzielle Märkte. Zu diesen Herausforderungen gehören:

Mit dem Omnibus Appropriations Bill für das Haushaltsjahr 2023 wurden ARPA-I seine ersten Mittel Anfang 2023 zugeteilt. Doch bereits davor erkannte die Biden-Harris-Administration das Potenzial für ARPA-I-gesteuerte Innovationen, um ihr Ziel von Netto-Null-Treibhausgasemissionen zu erreichen 2050, wie in seiner Net-Zero Game Changers Initiative formuliert. Insbesondere identifizierte die Regierung intelligente Mobilität, saubere und effiziente Transportsysteme, den Aufbau von Infrastrukturen der nächsten Generation, eine fortschrittliche Strominfrastruktur und eine Infrastruktur für saubere Kraftstoffe als „Netto-Null-Spielveränderer“, bei deren Entwicklung ARPA-I eine überragende Rolle spielen könnte.

Damit ARPA-I-Programme ihr volles Potenzial entfalten können, müssen die Interessenvertreter und Partner der Behörden nicht nur verstehen, wie das ARPA-Modell effektiv angewendet werden kann, sondern auch, wie die besonderen Umstände und Herausforderungen innerhalb der Verkehrsinfrastruktur bei der Programmgestaltung berücksichtigt werden müssen.

Der Einsatz von ARPA-I zur Förderung von Durchbrüchen in der Verkehrsinfrastruktur erfordert ein Bewusstsein für die hartnäckigsten Herausforderungen, die es zu priorisieren gilt, und für die einzigartigen Umstände innerhalb des Sektors, die den Fortschritt behindern können, wenn sie ignoriert werden. Nachfolgend finden Sie Zusammenfassungen der wichtigsten Herausforderungen und Überlegungen, denen ARPA-I Rechnung tragen muss, gefolgt von einer tiefergehenden Analyse jeder Herausforderung.

Die F&E-Ausgaben des Bundes in der Verkehrsinfrastruktur bleiben hinter denen in anderen Sektoren zurück. Diese Lücke ist besonders groß, da die Bundesausgaben für Forschung und Entwicklung im Verkehrswesen im Gegensatz zu einigen anderen Sektoren häufig Studien und Systeme finanzieren, die für regulatorische Entscheidungen und nicht für technologische Innovationen verwendet werden. Die folgende Tabelle vergleicht die tatsächlichen F&E-Ausgaben des Bundes und die Sektorausgaben für 2019 in den Bereichen Verteidigung, Gesundheitswesen, Energie und Verkehr als Prozentsatz des BIP jedes Sektors. Die Bundesregierung gibt für den Transport um Größenordnungen weniger aus als in anderen Sektoren: Die Ausgaben für Forschung und Entwicklung im Energiesektor sind im Verhältnis zum BIP des Sektors fast 15-mal höher als im Transportsektor, während der Gesundheitssektor 13-mal höher und der Verteidigungssektor fast 38-mal höher ist.

1. Der Vergleich der F&E-Ausgaben des Bundes und der Sektorausgaben für 2019 ähnelt denen für die Jahre 2020 und 2021.

2. Ohne BIP-Mehrwert im Zusammenhang mit der Sozialhilfe

3. Beinhaltet die BIP-Wertschöpfung im Zusammenhang mit der Öl- und Gasförderung, Versorgungsunternehmen sowie Erdöl- und Kohleprodukten

4. Ohne BIP-Wertschöpfung im Zusammenhang mit der Lagerhaltung

Seit 1990 sind die Gesamtinvestitionen in Forschung und Entwicklung in den USA um etwa das Neunfache gestiegen. Betrachtet man die Quelle der FuE-Investitionen im gleichen Zeitraum, so investierten der private und der öffentliche Sektor im Jahr 1982 ungefähr die gleiche Menge an FuE-Mitteln, doch heute ist die Rate der FuE-Investitionen in der Privatwirtschaft fast viermal höher als in der Regierung.

Zwar gibt es Probleme damit, dass der Großteil der Forschung und Entwicklung aus dem privaten Sektor kommt, etwa dass Innovationen zur Förderung langfristiger öffentlicher Güter aufgrund lukrativerer Marktanreize übersehen werden, doch Branchen, die beträchtliche private Forschungs- und Entwicklungsgelder erhalten, verzeichnen immer noch bedeutende Innovationsdurchbrüche. Beispielsweise erhielt die Medizinbranche im Jahr 2020 161,8 Milliarden US-Dollar an privaten Forschungs- und Entwicklungsmitteln, verglichen mit nur 61,5 Milliarden US-Dollar aus Bundesmitteln. Mehr als 75 % dieser privatwirtschaftlichen Forschung und Entwicklung fanden im biopharmazeutischen Sektor statt, wo Unternehmen Gewinnanreize haben, um an der Spitze der Fortschritte in der Medizin zu stehen.

Der Transportsektor verfügt über einen robusten Bereich für private FuE-Investitionen: die Herstellung von Fahrzeug- und Flugzeugausrüstung. Im Jahr 2018 beliefen sich die gesamten privaten FuE-Aufwendungen auf 52,6 Milliarden US-Dollar. Die Forschung und Entwicklung im privaten Transportsektor konzentriert sich auf einzelne Kunden und Endverbraucher und schafft bessere Fahrzeuge, Produkte und Effizienzsteigerungen. Der überwiegende Teil der F&E des privaten Sektors fließt nicht in die Infrastruktur, da die Vorteile überwiegend öffentlicher und nicht privater Natur sind. Anders ausgedrückt: Die Vereinigten Staaten investieren mehr als das Fünfzigfache an Forschung und Entwicklung in Fahrzeuge als in die Infrastruktursysteme, auf denen diese Fahrzeuge betrieben werden.

Trotz der Möglichkeiten innerhalb des öffentlich dominierten Verkehrsinfrastruktursystems ist die Marktfragmentierung ein anhaltendes Hindernis für schnellen Fortschritt. Auf jeder Regierungsebene gibt es unterschiedliche Akteure mit unterschiedlichen Zielen und Verantwortlichkeiten. Auf Bundesebene bietet USDOT beispielsweise landesweite Leitlinien, Richtlinien und Finanzierung für den Transport in den Bereichen Luftfahrt, Autobahn, Schiene, Transit, Häfen und Seeverkehrsträger. In der Zwischenzeit setzen die Bundesstaaten Ziele, entwickeln Transportpläne und -projekte und verwalten Transportnetzwerke wie das Fernstraßensystem. Städtebauliche Planungsorganisationen übernehmen einen Teil der Planungsfunktionen auf regionaler Ebene, und Kommunalverwaltungen unterhalten häufig einen Großteil ihrer Infrastruktur. Es gibt auch lokale Einzelagenturen, die Einrichtungen wie Flughäfen, Häfen oder Mautstraßen betreiben, die auf staatlicher, regionaler oder lokaler Ebene organisiert sind. Programme, die Partnerschaften nutzen können, um dieses Systemgewirr zu durchbrechen, sind für eine groß angelegte Wirkung von entscheidender Bedeutung.

Lokale Behörden haben nur begrenzten Zugang und Möglichkeiten zur Entwicklung branchenübergreifender Technologien. Sie haben Zugang zu begrenzten USDOT-Finanzierungspools für Pilottechnologien und verlassen sich daher im Allgemeinen auf kommerziell verfügbare Technologien, um die Wahrscheinlichkeit eines Piloterfolgs zu erhöhen. Ein Mangel dieses aktuellen Prozesses besteht darin, dass sowohl USDOT als auch Infrastruktur-Eigentümer-Betreiber (IOOs) eine eher passive Rolle bei der Entwicklung innovativer Technologien spielen und stattdessen lediglich auf den Einsatz marktreifer Technologien angewiesen sind.

Der Verkehrsinfrastruktursektor ist ein multimodales Umfeld, das auf viele Verkehrsträger aufgeteilt ist, darunter Luftfahrt, Schifffahrt, Pipelines, Eisenbahnen, Straßen (einschließlich Radfahren und Gehen) und Transit. Jeder Modus umfasst verschiedene zu berücksichtigende Kunden und Stakeholder. Darüber hinaus haben die Verkehrsministerien auf Bundes-, Landes- und lokaler Ebene in der fragmentierten Marktlandschaft unterschiedliche – und manchmal konkurrierende – Prioritäten und Mandate. Diese Dynamik führt zu Schwierigkeiten bei der Zuweisung von F&E-Ressourcen und der Berücksichtigung des Zugangs zu Innovationen über diese verschiedenen Modi hinweg.

Die Kundenidentifizierung ist bei den bestehenden ARPAs kein Einheitsmodell. DARPA legt beispielsweise großen Wert auf die Bereitstellung effizienter Innovationen für einen Kunden: das Verteidigungsministerium. Für ARPA-E ist es weniger klar; Zu ihren Kunden zählen Versorgungsunternehmen und Hausbesitzer, die von niedrigeren Energiekosten profitieren möchten. ARPA-I würde einen Raum zwischen diesen beiden Fällen einnehmen, wenn man davon ausgeht, dass seine Endnutzer IOOs sind – Einheiten, die in vielen Fällen auf lokaler oder regionaler Ebene für die Bereitstellung der Infrastruktur verantwortlich sind.

Doch trotz dieses direkteren Verständnisses seiner Kunden besteht ein Manko eines Systems, das sich auf mehrere Verkehrsträger konzentriert, darin, dass die Verkehrsinfrastruktur sehr breit gefächert ist und alles von selbstheilendem Beton über Kreuzungssicherheit bis hin zum Einsatz elektrifizierter Mobilität und mehr umfasst. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Technologien und Erwartungen bei allen Verkehrsträgern schnell weiterentwickeln und völlig neue Transportmittel eingeführt werden. Diese Entwicklungen werfen die Frage auf, wo neue Technologien und Fähigkeiten in bestehende modale Rahmenbedingungen passen, welche Akteure auf dem Verkehrsinfrastrukturmarkt ihre Entwicklung vorantreiben sollten und wer die letztendlichen „Kunden“ oder Endnutzer von Innovationen sind.

Ein umfassendes Verständnis der schnellen technologischen Entwicklung aller Verkehrsträger und ihrer potenziellen Kunden ist für Investitionen in und den Aufbau von Infrastruktur für die Zukunft von entscheidender Bedeutung, da Investitionen in die Verkehrsinfrastruktur nicht nur den Personen- und Güterverkehr einer Region verändern, sondern auch deren Entwicklung grundlegend beeinflussen. ARPA-I ist bereit, in Zusammenarbeit mit den USDOT-Verkehrsträgern und verschiedenen Büros Erkenntnisse zu gewinnen, um die Entwicklung und Verfeinerung der zugrunde liegenden Technologien und Ansätze sicherzustellen, die den Bedürfnissen des gesamten Transportsystems und der Benutzer aller Verkehrsträger gerecht werden.

Der Erfolg mit dem ARPA-Modell beruht auf der Demonstration neuer innovativer Fähigkeiten, dem Aufbau einer Gemeinschaft von Menschen (einem „Ökosystem“), um den Fortschritt voranzutreiben, und der Unterstützung wichtiger Entscheidungsträger. Doch das ARPA-Modell kann nur dann erfolgreich sein, wenn seine Programmdirektoren (PDs), Fellows, Stakeholder und andere Partner die einzigartige Struktur und die inhärente Flexibilität verstehen, die erforderlich sind, um eine Kultur zu schaffen, die bahnbrechende Innovationen vorantreibt. Aus struktureller und kultureller Sicht unterscheidet sich das ARPA-Modell von allen anderen Agenturmodellen innerhalb der Bundesregierung, einschließlich aller bestehenden F&E-Agenturen. Partner und andere Stakeholder sollten die einzigartigen Eigenschaften eines ARPA annehmen.

Ein ARPA-Portfolio kommt einem Risikokapitalportfolio der Bundesregierung möglicherweise am nächsten. Sie haben den Auftrag, große Veränderungen vorzunehmen, und sollten sich daher nicht auf Projekte beschränken, die als sichere Sache erscheinen. ARPAs werden im Laufe ihres Bestehens viele Projekte übernehmen, daher sollten sie schnelle Erfolge mit längerfristigen Wetten in Einklang bringen und gleichzeitig Misserfolge als natürlichen Teil des Prozesses berücksichtigen.

Eine ARPA muss in ihrem Entscheidungsprozess rücksichtslos sein, da sie die Fähigkeit besitzt, ohne die Einschränkung ursprünglicher Pläne oder Roadmaps zu manövrieren und zu wechseln. Beispielsweise erfordern Projekte rund um aufkommende Technologien möglicherweise mehr Geduld, aber wenn Bewertungen zeigen, dass sie die beabsichtigten Ergebnisse oder Meilensteine ​​nicht erreichen, sollten PDs keine Angst davor haben, diese Projekte abzubrechen und sich auf andere neue Ideen zu konzentrieren.

ARPAs können neue und nicht-traditionelle Wege zur Finanzierung von Innovationen in Betracht ziehen und sollten sich daher nicht von Trends innerhalb ihrer breiteren Agentur verfangen lassen. Wenn verschiedene Verwaltungen hinzukommen, neue Büros gebaut werden und sich die Prioritäten der Parteien verschieben, sollten ARPAs den externen Einfluss auf ihre täglichen Abläufe begrenzen.

PDs, Partner und andere Teammitglieder müssen die kreative Freiheit nutzen, die für den Erfolg erforderlich ist, und bei ihren Programmen ähnlich wie Unternehmer agieren. Zu den geschätzten Eigenschaften gehören Tatendrang, Flexibilität, visionäre Führung, Eigenmotivation und Beharrlichkeit.

Der Versuch, den Weg der Agentur für die nächsten zwei Jahre, fünf Jahre, zehn Jahre oder darüber hinaus zu planen, ist eine vergebliche Anstrengung und kann sich nachteilig auf den Fortschritt auswirken. ARPAs erfordern höchste Flexibilität von Tag zu Tag und von Jahr zu Jahr. Im Vergleich zu anderen Bundesinitiativen sind ARPAs von Natur aus weitaus weniger bürokratisch, und wenn der Behörde unnötige Planung und Bürokratie aufgezwungen wird, wird dies den Fortschritt verlangsamen.

Angesichts des sich schnell verändernden und unternehmerischen Charakters der ARPA-Arbeit müssen sich Bundesmitarbeiter, Auftragnehmer und andere Agenturpartner gegenseitig auf Unterstützung und Unterstützung verlassen, um Chancen zu nutzen und weiter voranzukommen, während Programme ausgereift sind und sich verändern.

ARPA-PDs müssen die Möglichkeit haben, potenzielle Programm- und Projektideen ohne Vorabentscheidung zu prüfen. Die Agentur soll sie dabei unterstützen, große und unkonventionelle Ideen unabhängig von einem bestimmten Prozess zu verfolgen. Während es einen Prozess gibt, um ihre unkonventionellsten und bahnbrechendsten Ideen in finanzierte und funktionale Projekte umzuwandeln, sind Transformationsideen bei der Ideengenerierung wichtiger als der Prozess selbst.

In einem ARPA gehen die Dinge schnell voran, und Entscheidungen müssen diesem Tempo entsprechen. Daher müssen Einzelpersonen wie Stipendiaten und PDs zusammenarbeiten, um so viel Feedback wie möglich zu geben. Konstruktiver Pushback hilft, Sackgassen zu vermeiden und stärkt so Programme.

Die Vision des Direktors trägt dazu bei, die richtigen Talente und das entsprechende Maß an Ambitionen und Schwerpunkten anzuziehen und gleichzeitig die Unterstützung wichtiger Entscheidungsträger und Koryphäen zu gewinnen. Diese Vision bestimmt die Art und Qualität der PDs, die eine ARPA für die Umsetzung dieser Vision gewinnen wird.

Da die Macht der Agentur in ihren Mitarbeitern liegt, sind ARPAs typischerweise flache Organisationen. Eine ARPA sollte versuchen, die besten und visionärsten Denker und Entwickler als PDs einzustellen, sie in die Lage zu versetzen, gute Programme festzulegen und zu entwerfen und diese mit begrenzten hierarchischen Störungen umzusetzen. Während dieses Prozesses sollten PDs in den frühen Phasen der Programmgestaltung mit Entscheidungsträgern zusammenarbeiten, um die Bedürfnisse und Realitäten der Umsetzer zu verstehen.

Das ARPA-Modell ermöglicht es PDs, mit Universitäten, Unternehmen, gemeinnützigen Organisationen, Organisationen und anderen Regierungsbereichen in Kontakt zu treten, um notwendige Forschungs- und Entwicklungsaufträge zu vergeben. Dadurch kann das Programm Beziehungen zu Einzelpersonen aufbauen, ohne dass Einrichtungen oder Forschungslabore angemietet oder bereitgestellt werden müssen.

Aus früheren Versionen von ARPA, die Remote- und Hybridumgebungen ausprobierten, wurde deutlich, dass organische Kollisionen zwischen den verschiedenen Rollen und Programmen eines ARPA wichtig sind, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise sind kontinuierliche persönliche Interaktionen zwischen PDs und technischen Beratern von entscheidender Bedeutung für die Ideengenerierung und das technische Projekt- und Programmmanagement.

Eines der einzigartigsten Strukturmerkmale von ARPA ist der häufige Umsatz. PDs und Fellows sind befristet, und ARPAs sind darauf ausgelegt, diese Schlüsselpositionen alle paar Jahre zu wechseln, wenn sich Märkte und Branchen weiterentwickeln. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, durchdachte Übergangsprozesse einzurichten, einschließlich der Berücksichtigung der Rolle von Systemtechnik und technischer Unterstützung (SETA). Auftragnehmer bei der Schließung von Wissenslücken, dem Aufbau eines aktiven Alumni-Netzwerks und gestaffelten Einstellungszyklen, damit nicht alle PDs und Fellows auf einmal aus dem Dienst ausscheiden.

Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass, wenn ein Projekt erfolgreich ist, der Privatsektor diese Technologie übernehmen und bei der Skalierung helfen wird. Stattdessen sollte eine ARPA ihre eigene Brücke zur Skalierung in Form von Programmen schlagen, die sich der Finanzierung von Projekten widmen, die sich in einer Testumgebung bewährt haben, um ihre Technologie für die Anwendung in der Praxis zu skalieren.

Ähnlich wie bei der oben beschriebenen dedizierten Finanzierung für die Skalierung sind Technologie-Markteinführungsberater dafür verantwortlich, darüber nachzudenken, wie Projekte in die reale Welt gelangen. Sie sollten bereits in den frühen Phasen der Programmentwicklung Hand in Hand mit PDs zusammenarbeiten, um Perspektiven dafür zu entwickeln, wie Projekte kommerzialisiert und marktreif werden könnten. Ohne diesen Fokus besteht die Gefahr, dass Technologien scheitern – sie sind zwar technisch erfolgreich, scheitern aber kommerziell.

Um große Herausforderungen in der Verkehrsinfrastruktur durch ARPA-I zu bewältigen, muss man verstehen, was an seinem Programmdesign einzigartig ist. Dieser Prozess beginnt mit der Betrachtung des Problems, das es wert ist, gelöst zu werden, der Möglichkeit, die es zu einem lösungsreifen Problem macht, einer allgemeinen Vorstellung davon, ob ein ARPA-Programm zur Lösung des Problems geeignet ist, und einer Visualisierung der Zukunft, sobald dieses Problem gelöst ist. Dieser Prozess der Programmideenfindung im Frühstadium erfordert eine Änderung des Denkens, um Ideen für innovative Programme zu finden, die hinsichtlich des angemessenen Ambitionsniveaus und der Eignung für die ARPA-Struktur und -Ziele zum ARPA-Modell passen. Es handelt sich außerdem um einen von Natur aus iterativen Prozess. Die Erstellung eines „Drahtmodells“, das das Problem, die Chance, die Programmziele und die Zukunftsvision umreißt, mag zwar unkompliziert erscheinen, die Verfeinerung kann jedoch Monate dauern.

Viele Herausforderungen, vor denen unser Verkehrsinfrastruktursystem steht, werden nicht durch ein einzelnes Problem definiert; Vielmehr handelt es sich um eine Ansammlung von Problemen, die gleichzeitig angegangen werden müssen. Ein effektives Programm isoliert nicht nur ein einzelnes Problem, das angegangen werden muss, sondern geht es auf einer Ebene an, auf der durch eine Ursachenanalyse etwas zu seiner Lösung getan werden kann.

Andererseits können Probleme, die für ARPA-Programme in Betracht gezogen werden, so weit isoliert werden, dass ihre Lösung keinen transformativen Wandel nach sich zieht. In dieser Situation würden enge Probleme einer Reihe fortschrittlicher und ergänzender Projekte, die zu einem ARPA passen würden, nicht gerecht werden.

Bei der Programmgestaltung im Frühstadium werden Chancen manchmal als „Gelegenheit zur Lösung eines Problems“ bezeichnet. Vielmehr sollte eine Gelegenheit eine vielversprechende Methode, Technologie oder einen vielversprechenden Ansatz widerspiegeln, der bereits existiert, aber von der Finanzierung und den Ressourcen eines fortgeschrittenen Forschungsagenturprogramms profitieren würde.

Während Vorschriften und Richtlinienänderungen ein notwendiger und wichtiger Bestandteil bei der Bewältigung von Herausforderungen in der Verkehrsinfrastruktur sind, ist es nicht Aufgabe einer ARPA, Probleme aus dieser Perspektive anzugehen. ARPAs konzentrieren sich auf die Unterstützung bahnbrechender Innovationen bei der Entwicklung neuer Methoden, Technologien, Fähigkeiten und Ansätze. Darüber hinaus unterliegen regulatorische Problemlösungsansätze häufig langwierigen politischen Prozessen.

Eine ARPA sollte nach Möglichkeiten suchen, Probleme zu lösen, bei denen es ohne ihr Eingreifen möglicherweise nicht innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens zu Durchbrüchen kommt. Wenn der öffentliche oder private Sektor bereits ein erhebliches Interesse an der Lösung eines Problems hat und auf dem besten Weg ist, in ein paar Jahren oder weniger eine transformative Lösung zu entwickeln, dann könnten ARPA-Finanzierung und -Unterstützung an anderer Stelle einen höheren Mehrwert bieten.

Die für die ARPA-Programmbetrachtung ermittelten Probleme sollten als Thema in allen Möglichkeiten zu ihrer Lösung sowie in der Art und Weise, wie die Programme letztendlich strukturiert sind, präsent sein. Andernfalls fehlt einem Programm möglicherweise ein gezielter Ansatz zur Lösung einer bestimmten Herausforderung.

Menschenzentriertes Design sollte im Mittelpunkt des Umfangs von ARPA-Programmen stehen, insbesondere wenn man bedenkt, in welchem ​​Maßstab Designer darüber nachdenken müssen, wie die Lösung eines Problems für alltägliche Benutzer zu transformativen Veränderungen führen wird.

Forschungsprogramme sollten nicht auf der Grundlage vorgefertigter Lösungen entwickelt werden; Sie sollten sich an einem konkreten Problem orientieren, um sicherzustellen, dass die vorgeschlagenen Lösungen zielgerichtet und effektiv sind.

Programmziele sollten nicht einfach nur die Chance betonen, noch sollten sie sich auf die Welt auswirken, die sich viele Jahre nach Ablauf des Programms ergeben wird. Sie sollten die taktischen Elemente eines Programms und die Auswirkungen, die sie letztlich haben werden, voneinander trennen. Designer sollten ihr Programm als einen wichtigen Schritt in einem langen Weg der Kommerzialisierung und Einführung betrachten, mit einem klaren Gespür dafür, wer handeln muss und was passieren muss, um ein Programmziel Wirklichkeit werden zu lassen.

Die Berücksichtigung dieser häufigen Fehler während des gesamten Designprozesses stellt sicher, dass die Programme den richtigen Umfang haben, angemessen ehrgeizig sind und mit den Zielen der Agentur im Einklang stehen. Mit diesen Leitlinien im Hinterkopf sollten Ideengeber ihren Programmentwurf in Form eines Wireframes beginnen.

In der ersten Phase der ARPA-Programmentwicklung wird ein Programm-Wireframe erstellt, bei dem es sich um einen Überblick über ein potenzielles Programm handelt, das Schlüsselkomponenten erfasst, die zur Bewertung der Eignung und potenziellen Auswirkungen des Programms berücksichtigt werden sollen. Die folgende Vorlage zeigt die Komponenten, die für ein Programm-Drahtmodell charakteristisch sind.

Um ein vollständig ausgearbeitetes Drahtmodell zu erstellen, arbeiten die Programmdirektoren rückwärts, indem sie sich zunächst einen zukünftigen Zustand vorstellen, der bei seiner Verwirklichung einen echten Wandel für die Gesellschaft und alle Sektoren bedeuten würde. Dann identifizieren sie ein klar formuliertes Problem, das gelöst werden muss und den Fortschritt in Richtung dieses transformativen zukünftigen Zustands behindert. Während dieses Prozesses müssen PDs eine umfassende Ursachenanalyse durchführen, um zu prüfen, ob das von ihnen identifizierte Problem durch politische, behördliche oder umweltbedingte Komplikationen verschärft wird – im Gegensatz zu solchen, die durch Technologie bereits gelöst werden können. Dies gibt Aufschluss darüber, ob ARPA-I die Möglichkeit hat, grundlegende Auswirkungen auf ein Problem zu haben.

Als nächstes identifizieren die Programmdirektoren eine vielversprechende Möglichkeit – etwa eine Methode, einen Ansatz oder eine Technologie –, die, wenn sie entwickelt, skaliert und implementiert wird, das von ihnen formulierte Problem lösen und dabei helfen würde, den geplanten zukünftigen Zustand zu erreichen. Bei der Prüfung einer vielversprechenden Chance müssen PDs beurteilen, ob sie anderen potenziellen Technologien voraus ist, die ebenfalls entwickelt werden müssten, um sie zu unterstützen, und ob es möglich ist, innerhalb von drei bis fünf Jahren und mit einem durchschnittlichen Programmbudget konkrete Ergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus ist es hilfreich, darüber nachzudenken, ob eine für die Programmentwicklung in Betracht gezogene Gelegenheit Teil einer größeren Kohorte potenzieller Programme ist, die in einem ARPA-I-Schwerpunktbereich liegen und alle parallel ausgeführt werden könnten.

Bevor sie sich mit der Lösung des Problems befassen, müssen PDs vor allem artikulieren, was verhindert hat, dass diese Möglichkeit bereits gelöst, skaliert und umgesetzt wird, und welche explizite Rolle oder Notwendigkeit es für eine bundesstaatliche Forschungs- und Entwicklungsbehörde gibt, einzugreifen und die Leitung zu übernehmen Entwicklung von Technologien, Methoden oder Ansätzen, um Anreize für den Einsatz und die Skalierung im Privatsektor zu schaffen. Wenn der Privatsektor beispielsweise bereits Anreize hat und in der Lage ist, die Führung bei der Entwicklung einer bestimmten Technologie zu übernehmen, und er innerhalb weniger Jahre die Marktreife erreichen wird, dann ist ein ARPA-Eingriff in diesem speziellen Fall weniger gerechtfertigt. Andererseits kann es sein, dass die vorgeschriebene Lösung für das identifizierte Problem noch so im Entstehen begriffen ist, dass mehr grundlegende Forschung und Entwicklung im Frühstadium erforderlich ist. In diesem Fall würde ein ARPA-Programm nicht gut passen. Dieser Bereich sollte der Domäne grundlegenderer, wissenschaftsbasierter Bundesbehörden und -ämter für Forschung und Entwicklung vorbehalten bleiben.

Ein Beispiel zur Veranschaulichung dieser Reifegradanpassung ist die DARPA-Investition in mRNA. Während die National Institutes of Health erheblich zur anfänglichen Grundlagenforschung beitrugen, erkannte die DARPA die technologische Lücke bei der schnellen Skalierung und Herstellung von Therapeutika und veranlasste die Behörde, das Programm „Autonomous Diagnostics to Enable Prevention and Therapeutics“ (ADEPT) zu starten, um darauf reagierende Technologien zu entwickeln auf Bedrohungen durch Infektionskrankheiten. Über ADEPT vergab DARPA im Jahr 2011 ein junges Unternehmen namens Moderna Therapeutics mit 25 Millionen US-Dollar für die Erforschung und Entwicklung seiner Plattform für Boten-RNA-Therapeutika. Neun Jahre später erhielt Moderna als zweites Unternehmen nach Pfizer-BioNTech eine Notfallzulassung für seinen COVID-19-Impfstoff.

Ein weiteres Beispiel ist die Rolle der DARPA bei der Entwicklung des Internets, wie wir es kennen, bei dem es ursprünglich nicht darum ging, das beispiellose Konzept eines allgegenwärtigen, globalen Kommunikationsnetzwerks zu verwirklichen. Was mit der Erforschung von Technologien zur Verknüpfung von Paketnetzwerken begann, führte zur Entwicklung von ARPANET, einem bahnbrechenden Netzwerk für den Informationsaustausch zwischen geografisch getrennten Computern. Anschließend beauftragte die DARPA BBN Technologies mit dem Bau der ersten Router, bevor sie 1969 in Betrieb genommen wurden. Diese Forschung legte den Grundstein für das Internet. Der kommerzielle Sektor hat seitdem die bahnbrechenden Ergebnisse von ARPANET übernommen und sie genutzt, um die Kommunikation und den Informationsaustausch auf der ganzen Welt zu revolutionieren.

Um Programmdirektoren bei der erfolgreichen Programmentwicklung zu helfen, verlangte George H. Heilmeier, der von 1975 bis 1977 Direktor von DARPA war, dass alle PDs im Rahmen ihrer Bewerbung um ein Programm die folgenden Fragen, den sogenannten Heilmeier-Katechismus, beantworten neues Programm. Diese Fragen sollten verwendet werden, um das Wireframe zu verfeinern und sich vorzustellen, wie das Programm aussehen könnte. Insbesondere sollten bei der Wireframe-Verfeinerung die ersten drei Fragen untersucht werden, bevor auf die verbleibenden Fragen ausgeweitet wird.

Neben dem Heilmeier-Katechismus sollte eine Reihe von Beurteilungen und Fragereihen durchgeführt werden, um Drucktests und Iterationen durchzuführen, sobald das Drahtmodell entworfen wurde. Dieser Verfeinerungsprozess ist nicht pauschal, sondern basiert konsequent auf Recherche, Diskussionen mit Experten und ständiger Befragung, um sicherzustellen, dass das Programm passt. Das Ziel besteht darin, gründlich zu analysieren, ob das Problem, das wir lösen wollen, das richtige ist und ob der gesamte Raum an Möglichkeiten rund um dieses Problem für eine ARPA-Intervention reif ist.

Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ob ein Wireframe ein Programm sein könnte, besteht darin, sich zu fragen: „Ist dieses Wireframe Wissenschaft oder ist es Science-Fiction?“ Mit anderen Worten: Hat die vorgeschlagene Technologielösung den richtigen Reifegrad für eine ARPA, um sie in die Realität umzusetzen? In der Mitte des technologischen Reifespektrums gibt es einen relativ breiten Bereich, der für ein ARPA-Programm geeignet sein könnte, aber die äußersten Enden dieses Spektrums würden nicht gut passen, und daher müssten diese Wireframes weitere Iterationen oder Ablehnungen erfordern. Am äußersten linken Ende des Spektrums wäre Grundlagenforschung zu finden, die nur veröffentlichte Arbeiten oder möglicherweise einen Prototyp hervorbringt. Das andere Extrem wäre eine Technologie, die bereits so weit entwickelt ist, dass nur noch eine vollständige Implementierung erforderlich ist. Alles, was dazwischen liegt, könnte für einen Themenbereich des ARPA-Programms geeignet sein.

Sobald ein wirkungsvolles Programm entworfen wurde, besteht der nächste Schritt darin, das Programm gründlichen Drucktests zu unterziehen und zu entwickeln, bis es einem ausführbaren ARPA-Programm ähnelt.

Durch die Verwendung dieses Rahmenwerks kann jedes Problem oder jede Gelegenheit innerhalb der Verkehrsinfrastruktur auf ihre Eignung als Idee auf ARPA-Ebene bewertet werden. Die Generierung von Ideen durch Experten und Stakeholder ist für die Erstellung eines effektiven Portfolios von ARPA-I-Programmen von entscheidender Bedeutung. Daher müssen Ideengeber mit diesem Rahmenwerk und einer definierten Reihe von Schwerpunktbereichen ausgestattet sein, um vielversprechende Programm-Wireframes zu entwickeln. Eine erste Reihe von Schwerpunktbereichen für ARPA-I umfasst Sicherheit, Klima und Widerstandsfähigkeit sowie Digitalisierung, wobei Gerechtigkeit und Zugänglichkeit die zugrunde liegenden Überlegungen in jedem Schwerpunktbereich darstellen.

Es gibt Hunderte potenzieller Themenbereiche, die ARPA-I angehen könnte; Die beiden folgenden Wireframes stellen Beispiele für Programmideen im Frühstadium dar, die von weiteren Drucktests im Iterationszyklus des Programmdesigns profitieren würden.

Hinweis: Bei den folgenden Wireframes handelt es sich um Beispiele, die die ARPA-Idee und den Wireframing-Prozess veranschaulichen sollen, und stellen keine potenziellen Forschungsprogramme oder Themen dar, die vom US-Verkehrsministerium geprüft werden.

Nach der ersten Wireframe-Entwicklung sind weitere Untersuchungen erforderlich, um eine Idee einem Drucktest zu unterziehen und sicherzustellen, dass sie in ein tragfähiges Programm weiterentwickelt werden kann, um „moonshot“-Ambitionen zu erreichen. Wireframe-Autoren sollten bei der Iteration die folgenden Faktoren berücksichtigen:

Wireframes sollen eine zusammenfassende Darstellung eines größeren Plans sein, der verfolgt werden soll. Nach weiterer Iteration und Untersuchung der oben beschriebenen Faktoren sollte sich das, was zunächst nur ein Rohprogramm-Drahtmodell war, zu detaillierteren Dokumenten entwickeln. Diese sollten eine prägnante Diagnose des Problems sowie Beweise und Zitate umfassen, die Möglichkeiten zur Lösung des Problems bestätigen. Zusammen sollen diese Komponenten zu einem plausiblen Programmziel als Ergebnis führen.

Das neu genehmigte und angeeignete ARPA-I bietet eine einmalige Gelegenheit, ein Modell, das sich bei der Entwicklung bahnbrechender Innovationen in anderen Sektoren als erfolgreich erwiesen hat, auf die anhaltenden Herausforderungen anzuwenden, denen sich die Verkehrsinfrastruktur gegenübersieht.

Einzelpersonen und Organisationen, die im ARPA-I-Netzwerk arbeiten möchten, müssen ein klares Verständnis der einzigartigen Umstände, Herausforderungen und Chancen dieses Sektors haben und wissen, wie dieser Kontext und das einzigartige Ideenfindungsmodell des ARPA-Programms angewendet werden können, um hochwertige Lösungen zu entwickeln. Auswirkungen auf zukünftige Innovationsprogramme haben. Das Engagement dieser Community ist entscheidend für den Erfolg von ARPA-I, und die FAS sucht nach großen Denkern, die bereit sind, diese Herausforderung anzunehmen, indem sie mutige, innovative Ideen entwickeln.

Die Federation of American Scientists (FAS) sucht zur Unterstützung des US-Verkehrsministeriums (DOT) mutige Menschen und Ideen, um anhaltende und aufkommende Transport- und Infrastrukturprobleme in den Vereinigten Staaten anzugehen.

Zusammenfassung: Im November 2021 verabschiedete der Kongress den Infrastructure Investment and Jobs Act (IIJA), der 550 Milliarden US-Dollar an neuen Mitteln für Dutzende neuer Programme im gesamten US-Verkehrsministerium (USDOT) vorsah. Neben historischen Investitionen in Amerikas Straßen und Brücken wurde mit dem Gesetzentwurf die Advanced Research Projects Agency-Infrastructure (ARPA-I) geschaffen. Aufbauend auf Erfolgsmodellen wie […]

Haben Sie Ideen, die als Grundlage für ein ehrgeiziges Projekt dienen könnten, bei dessen Verfolgung FESI einen komparativen Vorteil hat? Wir wollen es hören.

Freunde von FESI haben vorrangige Anwendungsfälle identifiziert, um Projektideen zu unterstützen.

Der CHIPS and Science Act legt eine überzeugende Vision für US-Innovation und ortsbezogene Industriepolitik fest, aber diese Vision wird bereits durch knappe Finanzierung behindert.