莊 嚴(yán)，鄧 果

(1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院系統(tǒng)總體所，北京 100101；2.四川宏華電氣有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在分布式軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用

如今，美國的軍事訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(VR)研究技術(shù)的水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。在上世紀(jì)90年代，美軍為了達到模擬戰(zhàn)場設(shè)備共用的目的，使參訓(xùn)各方共處其中進行自主對抗演習(xí)，提出了分布式模擬訓(xùn)練構(gòu)想，即通過擴大分布式訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的使用范圍，可以把分布在各地的海陸空部隊連同模擬設(shè)備用各信息網(wǎng)絡(luò)連接起來構(gòu)設(shè)一個“虛擬戰(zhàn)場”，使參訓(xùn)雙方共處其中，進行自主對抗演習(xí)。近些年來，美軍著眼于信息化戰(zhàn)爭的時代要求和所面臨的戰(zhàn)爭威脅，先后研發(fā)了如NETWARS、WARSIM2000等一系列諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)分析模擬系統(tǒng)，并在這些系統(tǒng)支持下組織了一系列網(wǎng)上聯(lián)合軍事演習(xí)，為檢驗美軍實戰(zhàn)能力和提高美軍實戰(zhàn)水平提供了強大的技術(shù)支持和平臺保證[1]。

美軍運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)分布式交互仿真并結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過訓(xùn)練中心控制在不同地域的作戰(zhàn)單位的模擬系統(tǒng)終端，建立起一個虛擬對抗戰(zhàn)場。使異地參戰(zhàn)的多方，多軍種同時處于一個戰(zhàn)爭環(huán)境中對抗訓(xùn)練。美軍的“近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)”(CCTT)采用先進的主干光纖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合分布式交互仿真，建立一個虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，能夠仿真多種武器裝備，供作戰(zhàn)人員在人工合成環(huán)境中完成作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接著分布在亞洲和歐洲的大約65個工作站，各站之間可迅速傳遞裝備模型和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，使眾多受訓(xùn)單位參與到作戰(zhàn)模擬之中，具有動態(tài)的分布交互作用，大大加強了作戰(zhàn)訓(xùn)練的難度和強度，從而提高了諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)斗能力[2]。

美國三軍的《作戰(zhàn)實驗室》在進行實驗時，通過與有關(guān)單位建立的計算機網(wǎng)絡(luò)，廣泛地采用了分布式仿真技術(shù)和“虛擬樣機”的方法，即綜合利用實物模擬、數(shù)學(xué)模型和手工模擬，從而創(chuàng)造出一種可以從事武器裝備系統(tǒng)的研究開發(fā)和部隊進行實兵訓(xùn)練的高度“靈境化”的人工合成環(huán)境[3]。

2 以虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行軍事裝備訓(xùn)練工作的優(yōu)點

2.1 虛擬現(xiàn)實軍事裝備訓(xùn)練的優(yōu)點

裝備人機訓(xùn)練方面，昂貴的技術(shù)裝備被數(shù)字化，變成虛擬環(huán)境中的三維模型，同時又具有裝備本身物理屬性，如同真實物體一般，但又具備真實物體所不具備的永久使用壽命和零損耗。裝備環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練的真實使用場景，使裝備融入真實場景中進行實戰(zhàn)化訓(xùn)練，對每類裝備的預(yù)期使用場景進行模擬，建立一個逼真的裝備應(yīng)用環(huán)境，使受訓(xùn)者在身臨其境的環(huán)境中，對裝備進行全流程的操作培訓(xùn)和考核。任務(wù)模擬訓(xùn)練方面，通過對裝備使用的目標(biāo)對象進行模擬仿真，并對典型任務(wù)剖面進行分析，以任務(wù)為牽引，構(gòu)建任務(wù)實施想定，綜合運用多種多類技術(shù)裝備，進行成系統(tǒng)、成體系的一體化聯(lián)合訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)在技術(shù)裝備訓(xùn)練中解決了傳統(tǒng)教學(xué)訓(xùn)練中難以解決的問題，具有良好的發(fā)展前景。

2.2 虛擬化軍事裝備訓(xùn)練室對比傳統(tǒng)訓(xùn)練室的優(yōu)點

以虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)進行軍事裝備訓(xùn)練工作是為軍事裝備訓(xùn)練工作的創(chuàng)新改革注入新活力和添加新動力，是軍事裝備訓(xùn)練工作建設(shè)的未來方向。VR教室不僅能提供給一個特定技術(shù)專業(yè)種類的或者針對某特定型號裝備使用，還能跨專業(yè)共用。一次投入建設(shè)，可以節(jié)約大量教學(xué)資源，避免實驗室類訓(xùn)練場所重復(fù)建設(shè)。

虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練平臺更是對傳統(tǒng)軍事裝備訓(xùn)練方式帶來了革命性的改變：尤其是在環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練方面，VR方式進行軍事裝備訓(xùn)練工作能夠非常好的營造出戰(zhàn)地環(huán)境的臨場感，能夠讓受訓(xùn)者真正身臨其境，如圖1所示，即為虛擬現(xiàn)實的環(huán)境及心理壓力的營造；而分布式的構(gòu)想又可以讓處于不同地點的訓(xùn)練者能夠在同一個訓(xùn)練場景中進行聯(lián)合訓(xùn)練，分布式虛擬訓(xùn)練教室如圖2所示。

圖1 環(huán)境及心理壓力營造

圖2 虛擬分布式裝備訓(xùn)練室

總之，VR的分布式訓(xùn)練可以不受空間資源，地域資源的限制，也可以提高對教學(xué)資源的利用，降低訓(xùn)練設(shè)備的成本以及節(jié)約訓(xùn)練時間，提高訓(xùn)練的效率和效果。

3 VR分布式軍事裝備訓(xùn)練解決方案之虛擬化裝備訓(xùn)練室

3.1 方案結(jié)構(gòu)

采用分布式結(jié)構(gòu)，可在如ABC不同地區(qū)建立虛擬化軍事裝備訓(xùn)練室，通過專用網(wǎng)絡(luò)接入，將不同地區(qū)的受訓(xùn)者通過網(wǎng)絡(luò)組織在一起。

虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練室主要包括虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練套件n套，操作外設(shè)n套，裝備模型X類Y型，交互模型Y型，一個統(tǒng)一虛擬化裝備訓(xùn)練管理軟件平臺，以及環(huán)境部署所需的各類硬件設(shè)備。系統(tǒng)建成后的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 虛擬軍事裝備訓(xùn)練模型及交互模型資源

軍事裝備模型及交互模型屬于訓(xùn)練信息資源，是支撐整個虛擬化訓(xùn)練的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要建設(shè)專業(yè)相關(guān)裝備三維模型、信息交互接口、交互計算模型以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，部署在數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

4 虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件

4.1 虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件描述

虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺是進行虛擬化訓(xùn)練資源管理、訓(xùn)練課目設(shè)置和訓(xùn)練組織實施的信息系統(tǒng)，部署在計算服務(wù)器上，主要采用C/S架構(gòu)，建設(shè)服務(wù)器端、客戶端和伺服器三個軟件構(gòu)建，用于教員訓(xùn)練組織實施和學(xué)員實踐訓(xùn)練的監(jiān)控管理。

圖3 分布式虛擬化裝備訓(xùn)練結(jié)構(gòu)圖

4.2 虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件構(gòu)成

同時虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件功能內(nèi)容部分采用模塊化組織，不僅僅是訓(xùn)練課目的自主模塊化設(shè)置，軟件平臺功能也采用模塊化組織。達到一個平臺，多個訓(xùn)練模塊的功能。軟件平臺總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺架構(gòu)圖

4.3 虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件系統(tǒng)設(shè)計思路

參考通用訓(xùn)練信息系統(tǒng)架構(gòu)，滿足針對基于分布式多人虛擬現(xiàn)實可交互裝備模型及虛擬現(xiàn)實環(huán)境開展仿真訓(xùn)練，包括人機協(xié)助和團隊協(xié)作等多種訓(xùn)練模式，能夠針對不同的技術(shù)配發(fā)階段，讓培訓(xùn)人員及受訓(xùn)者在不限定地點自主開展訓(xùn)練。

人機協(xié)助是由電腦生成參加的交互對象，參訓(xùn)人員負責(zé)和虛擬角色交互并完成部分指定任務(wù)；團隊協(xié)助則是多個人同時交互協(xié)助完成系統(tǒng)布置的一次任務(wù)。軍事裝備人機工程訓(xùn)練突出針對裝備本身需要的操作技能，操作界面熟悉程度，操作流程等培訓(xùn)，突出單裝備單要素訓(xùn)練。軍事裝備環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練突出針對裝備設(shè)備環(huán)境和受訓(xùn)人員心理素質(zhì)環(huán)境，營造戰(zhàn)場環(huán)境，營造高心理壓力環(huán)境，突出裝備作業(yè)評價過程。軍事裝備任務(wù)適用性訓(xùn)練基于任務(wù)開展訓(xùn)練，突出任務(wù)引導(dǎo)和操作提示，訓(xùn)練內(nèi)容由易到難，由分解到綜合，逐步提升；突出受訓(xùn)者綜合運用多種類技術(shù)裝備，成系統(tǒng)、成體系的一體化聯(lián)合訓(xùn)練任務(wù)。

4.4 虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件四大訓(xùn)練核心功能

同時虛擬化分布式軍事裝備訓(xùn)練管理平臺軟件具有學(xué)訓(xùn)考評四大核心功能，結(jié)構(gòu)如圖5所示，既可通過“學(xué)”、“訓(xùn)”、“考”三大基礎(chǔ)手段進行裝備訓(xùn)練，更能夠通過接口及數(shù)據(jù)分析模塊，實現(xiàn)訓(xùn)練態(tài)勢呈現(xiàn)與參訓(xùn)人員訓(xùn)練數(shù)據(jù)可視化，將“評”與大數(shù)據(jù)結(jié)合，用于訓(xùn)練管理人員進行綜合評價和個人訓(xùn)練水平評估。

平臺提供虛擬現(xiàn)實場景集合的功能，具體訓(xùn)練課目可以分階段逐步開發(fā)并掛在服務(wù)器下統(tǒng)一管理，自由擴充，受訓(xùn)者根據(jù)要訓(xùn)練的技術(shù)裝備需求選擇下載或者使用。平臺提供語音交流溝通的功能，可以在虛擬現(xiàn)實VR環(huán)境中進行語音，動作，文字交互的溝通。平臺還可以提供分組Web環(huán)境文字及語音信息溝通互動功能?？梢栽谟?xùn)練前進行分組對抗的商議，戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)制定等。

圖5 學(xué)訓(xùn)考評四大核心功能

系統(tǒng)采用常規(guī)的Web遠程登錄方式及簡潔的操作流程，分級精細評判，能夠?qū)κ苡?xùn)者的訓(xùn)練情況進行記錄并評定。

5 虛擬訓(xùn)練設(shè)備

5.1 訓(xùn)練套件構(gòu)成

虛擬訓(xùn)練套件是學(xué)員受訓(xùn)的直接裝備，每個套件包含1臺計算機和1臺虛擬現(xiàn)實眼鏡。虛擬現(xiàn)實眼鏡主要以頭戴式顯示設(shè)備(Head Mount Display，簡稱HMD)方式為主，呈現(xiàn)效果好，后期可開發(fā)相應(yīng)傳感器部件，實現(xiàn)肢體動作與虛擬物體的復(fù)雜交互操作。虛擬套件如圖6所示。

圖6 虛擬眼鏡示意圖

采用佩戴虛擬現(xiàn)實的頭顯(HMD設(shè)備)的方式實現(xiàn)裝備操作、組織運用訓(xùn)練具備多感知性、存在感、交互性和自主性四個特點。一是多感知性。除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知；二是存在感。存在感是學(xué)員感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度，對于裝備操作模擬環(huán)境可達到使用戶難辨真假的程度；三是交互性。交互性是學(xué)員對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，與操作實裝具有相同的交互體驗；四是自主性。自主性是虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實世界物理運動定律動作的程度，在學(xué)員學(xué)習(xí)階段虛擬裝備可由服務(wù)器按照程序設(shè)計驅(qū)動，自主動作。

5.2 便攜式VR設(shè)備

目前全世界先進VR體驗均是固定房間規(guī)模的，VR系統(tǒng)有著其獨特的復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如何為它提供一個更加方便的產(chǎn)品攜帶解決方案則是一項巨大的挑戰(zhàn)。VR便攜式設(shè)備如圖7所示。便攜式虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練套件創(chuàng)造了一種新的訓(xùn)練模式，讓訓(xùn)練變得更便捷，可以在任何地方、任何時候進行訓(xùn)練。所有類型的技術(shù)裝備都是“可攜帶式的”，這些技術(shù)裝備都可安全放入一個“行李箱”內(nèi)。便攜式設(shè)備出現(xiàn)將使訓(xùn)練不再局限于固定場所。使分布式的虛擬化裝備訓(xùn)練很容易就能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖7 VR便攜式設(shè)備示意圖

5.3 信息安全服務(wù)

可控交換服務(wù)面向軍事綜合信息網(wǎng)接入安全控制，采用多級互聯(lián)平臺技術(shù)，實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)資源單向?qū)牍δ?，避免?xùn)練環(huán)境與基于軍事綜合信息網(wǎng)的辦公環(huán)境交叉信息安全問題。

安全免疫服務(wù)面向多專業(yè)共用場景的終端安全控制，采用主機加固、系統(tǒng)使用追蹤等技術(shù)，實現(xiàn)共用訓(xùn)練條件的信息安全監(jiān)管，提供訓(xùn)練條件安全防護能力。

5.4 設(shè)施建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及硬件平臺的采購搭建，示意圖3.1所示：在A、B、C地各規(guī)劃裝備訓(xùn)練室，作為虛擬現(xiàn)實裝備訓(xùn)練場所；布設(shè)相關(guān)強弱電基礎(chǔ)設(shè)施、進行訓(xùn)練環(huán)境裝修；采購n套便攜式VR虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備，用于遠程裝備教學(xué)或訓(xùn)練點使用；采購n套沉浸式虛擬現(xiàn)實學(xué)員裝備，作為中心器材，安裝在教室內(nèi)部，如圖8所示為多人訓(xùn)練設(shè)備應(yīng)用；開發(fā)采購訓(xùn)練管理平臺軟件及開展訓(xùn)練教學(xué)模塊編制；采購并架設(shè)A、B、C地服務(wù)器群及部署虛擬化裝備訓(xùn)練管理平臺軟件及數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖8 多人訓(xùn)練示意圖

5.5 參數(shù)要求

訓(xùn)練平臺滿足教學(xué)訓(xùn)練可靠性要求、可維護性要求和安全性要求；虛擬環(huán)境與實際環(huán)境貼近，能夠滿足教學(xué)訓(xùn)練需求，能夠提供符合要求的訓(xùn)練環(huán)境；模擬技術(shù)裝備設(shè)備接口、外觀與實裝基本一致；模擬技術(shù)裝備設(shè)備參數(shù)配置及實現(xiàn)功能與實裝一致；虛擬技術(shù)裝備設(shè)備零件尺寸與實裝一致； 軟件交互界面友好、簡潔，操作方便，反應(yīng)快速，具有更新及可擴展功能；圖像清晰，效果逼真，人機交互良好；各種裝備操控軟件界面、功能與實際裝備基本一致；可滿足100人共同訓(xùn)練需求。

6 結(jié) 語

近年來，在包括世界移動通信大會等諸多相關(guān)行業(yè)盛會上，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品均成為前沿科技展會的熱點之一。而隨著硬件產(chǎn)品成本的不斷降低，技術(shù)逐漸成熟，諸多巨頭也將目光瞄準(zhǔn)到虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域之中[3]。本文中虛擬現(xiàn)實分布式軍事裝備訓(xùn)練室的研制搭建將進一步推進軍事裝備教學(xué)訓(xùn)練方式向模擬化訓(xùn)練、網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練、實戰(zhàn)化訓(xùn)練轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)基于分布式虛擬實戰(zhàn)環(huán)境的、全流程、多任務(wù)的仿真訓(xùn)練，以及基于模擬實戰(zhàn)的融網(wǎng)系、成體系的模擬訓(xùn)練。能夠更好地解決實戰(zhàn)操作訓(xùn)練時設(shè)備數(shù)量少、訓(xùn)練場地受限等問題，解決訓(xùn)練不貼近作戰(zhàn)實際的問題，解決實裝損耗過快、建設(shè)經(jīng)費投入過大的問題，解決異地配合協(xié)同訓(xùn)練難的歷史問題，解決實裝訓(xùn)練戰(zhàn)地臨場感弱的問題，為我國虛擬現(xiàn)實提供實戰(zhàn)化軍事訓(xùn)練條件實現(xiàn)進一步突破。