近些年，網(wǎng)絡(luò)上頻繁地出現(xiàn)了軍方人員頭戴沉浸式設(shè)備參加各類任務(wù)的照片，其中美空軍、海軍航空兵部隊(duì)還圍繞初級飛行員培養(yǎng)開展了“未來飛行員訓(xùn)練（PTN）”和“復(fù)仇者計(jì)劃”等專項(xiàng)任務(wù)。這些新模式反映了明確的變革需求，傳統(tǒng)的授課模式幾十年來基本上沒有變化，需要進(jìn)行顛覆創(chuàng)新。新事物的出現(xiàn)需要一個(gè)接納的過程，就像在90年代走進(jìn)課堂的手寫式幻燈片投影儀，再到如今早已普及的多媒體系統(tǒng)。隨著沉浸式設(shè)備以及用游戲卡或GPU取代定制顯卡，不遠(yuǎn)的將來沉浸式設(shè)備可能也會走進(jìn)課堂或者千家萬戶。

沉浸式設(shè)備和游戲引擎并不是新鮮事物，但是通過兩者的集成創(chuàng)新產(chǎn)生了新價(jià)值。美國軍方將電腦和電子游戲用于軍事目的并不是什么新鮮事。在90年代后期，美軍就開始使用“閃點(diǎn)行動”（Operation Flashpoint）和武裝突襲系列軍事模擬游戲，美國軍方向游戲公司提供了相關(guān)軟件支持。憑借著民用市場有著軟硬件解耦、市場競爭激烈、軟件維護(hù)性好等特點(diǎn)，以民促軍，真正地降低了進(jìn)入軍用市場的門檻。

商用軟硬件的特點(diǎn)

軟件接口可擴(kuò)展。商用產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初會更廣泛地針對市場提供一定開放性，往往只有定制產(chǎn)品可以由設(shè)計(jì)員在用戶指導(dǎo)下使用現(xiàn)成的工具構(gòu)建，而較為通用的產(chǎn)品，如地形、植被、民用車輛等，可以從眾多第三方來源隨時(shí)獲得。根據(jù)天氣、地形、植被和跑道長度的特定組合定制場景，或模擬特定的地理位置。

靈活的硬件選擇。傳統(tǒng)上，模擬器是軟硬件綁定的產(chǎn)品，這限制了用戶升級靈活性。游戲引擎的設(shè)計(jì)可以在各種硬件和操作系統(tǒng)配置上平穩(wěn)運(yùn)行，一些現(xiàn)代游戲引擎可以輸出到多種類型的顯示設(shè)備，用戶可以有更多的選擇來開發(fā)新系統(tǒng)和改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)。

空間部署更靈活。利用游戲引擎驅(qū)動的頭戴式顯示器，可以顯著節(jié)省占地面積，并降低飛行員訓(xùn)練模擬器所需設(shè)施的成本。頭戴式系統(tǒng)不是取代大型球幕投影，而是增加仿真培訓(xùn)的可用性。一個(gè)只能容納一個(gè)球幕模擬器的空間可能可以容納至少六個(gè)使用沉浸設(shè)備的部分任務(wù)訓(xùn)練器。

開源的可能性高。一個(gè)開放且可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，以及可獲得的源代碼，簡化了任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序的驗(yàn)證、確認(rèn)和認(rèn)證（VV&A）過程。從網(wǎng)絡(luò)安全的角度來看，掌握源代碼意味著可以在任何時(shí)間間隔執(zhí)行自動源代碼審查，可確保應(yīng)用程序的完整性，同時(shí)保持盡可能小的攻擊面。

視覺效果更真實(shí)。游戲引擎主要面向大眾群體，為了吸引用戶，其圖像渲染和特殊效果的制作更加用心。例如音效、光斑、陰影等細(xì)節(jié)是現(xiàn)實(shí)主義的重要組成部分。光線通過云層、煙霧、雨和雪的衰減和擴(kuò)散應(yīng)該準(zhǔn)確地表示出來。

開發(fā)文化更開放。專用的仿真平臺會限制用戶依賴平臺提供商進(jìn)行維護(hù)和內(nèi)容開發(fā)。通過游戲引擎，開發(fā)教程可以通過視頻和文檔隨時(shí)按需提供經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員組成的活躍社區(qū)定期相互交流，分享知識，創(chuàng)造了一個(gè)競爭激烈的市場。

在航空訓(xùn)練領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.用于開展對空勤人員的訓(xùn)練有效的航空培訓(xùn)側(cè)重于提高態(tài)勢感知和決策過程，持續(xù)尋求利用先進(jìn)的學(xué)習(xí)技術(shù)，控制成本、提高效率，同時(shí)減少培訓(xùn)時(shí)間和減少周數(shù)，讓學(xué)員更快地進(jìn)入前線中隊(duì)。沉浸式設(shè)備的節(jié)約成本和附加容量優(yōu)勢已經(jīng)使其成為美國軍方非常感興趣的領(lǐng)域。美國空軍一直致力于利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬地面飛行訓(xùn)練，以此作為幫助培養(yǎng)足夠數(shù)量新飛行員的一種方式。

第355訓(xùn)練中隊(duì)的A-10模擬器實(shí)驗(yàn)室一直在使用飛行模擬游戲，該部門早在2018年就開始了建立該培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，使用創(chuàng)新項(xiàng)目基金中的資金采購商用現(xiàn)貨軟件和硬件。一些A-10攻擊機(jī)飛行員正在使用一款非常復(fù)雜和逼真的游戲正在訓(xùn)練，被稱為“數(shù)字作戰(zhàn)模擬世界”，通常簡稱為DCS。該訓(xùn)練中隊(duì)還配合上商用虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)和其他游戲外圍設(shè)備，以提供一種低成本的方式來增強(qiáng)地面和空中更傳統(tǒng)的訓(xùn)練方案。在建立A-10模擬器實(shí)驗(yàn)室之前，地面培訓(xùn)僅包括課堂教學(xué)、基于電子課件培訓(xùn)和全任務(wù)模擬器訓(xùn)練。當(dāng)VR技術(shù)與DCS游戲軟件結(jié)合使用后，提供一個(gè)身臨其境的簡易模擬器，培訓(xùn)包括操作數(shù)字A-10的所有方面，包括：地面操作、啟動、滑行、起飛、著陸、編隊(duì)飛行、武器使用、威脅應(yīng)對、空對空加油和其他關(guān)鍵能力。

DCS由Eagle Dynamics 開發(fā)，該公司成立于俄羅斯，但現(xiàn)在被收購后總部位于瑞士。DCS于2008年首次發(fā)布。該軟件底層可以免費(fèi)下載，但新飛機(jī)和其他附加功能的游戲模塊需要額外采購和定制開發(fā)。簡單地把DCS稱為游戲可能有點(diǎn)不公平，因?yàn)槠浔Ｕ娑葮O高，大多數(shù)DCS飛機(jī)模型都有完全“可互動”的駕駛艙，以及可控制的飛機(jī)子系統(tǒng)，還支持與沉浸式設(shè)備結(jié)合在一起。即使是在DCS中啟動飛機(jī)，操作程序也幾乎與實(shí)際情況相同。

更大、更傳統(tǒng)的全任務(wù)模擬器在沉浸式設(shè)備出現(xiàn)之前提供了重要的模擬飛行體驗(yàn)，基本上是A-10駕駛艙的完全物理復(fù)制，但其數(shù)量也有限，操作和維護(hù)成本也很高。由于A-10沒有雙座版本，這意味著新飛行員在首飛時(shí)只能獨(dú)自飛行。使用DCS等軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練不能替代真實(shí)的飛行訓(xùn)練，沒有削減教學(xué)大綱中的模擬器或飛行時(shí)間，而是利用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)出更成熟、更高效、更安全的A-10飛行員。

這些更小、更靈活的系統(tǒng)非常適合進(jìn)行臨時(shí)訓(xùn)練，將充分利用每一個(gè)飛行小時(shí)，以保持飛行員在全任務(wù)模擬器發(fā)揮更好的狀態(tài)。虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目有兩條截然不同的工作路線，第一個(gè)是在實(shí)驗(yàn)室可以駕駛數(shù)字A-10并練習(xí)任務(wù)，第二個(gè)是用VR設(shè)備記錄并360度回放。此外，在訓(xùn)練空中加油等需要深度感知較強(qiáng)的任務(wù)中也有優(yōu)勢，可以準(zhǔn)確地演示與加油機(jī)編隊(duì)飛行，沒有任何2D屏幕可以顯示精確飛行這些類型的近距離編隊(duì)所需的深度感知。

2.用于開展對地勤人員的訓(xùn)練在2017年，空軍教育和訓(xùn)練司令部意識到如果PTN項(xiàng)目能更多、更好、更快地培養(yǎng)飛行員，那么也應(yīng)該有相同路徑去培養(yǎng)維修人員，幫助解決維修人員短缺問題。雖然與培養(yǎng)飛行員的PTN項(xiàng)目類似，但仍有很多不同之處。首先，飛行模擬器已經(jīng)存在很長一段時(shí)間了，但維修模擬器對于維修人員來說是比較陌生的概念。另外，技術(shù)需求也有所不同。不同的科目和不同類型的培訓(xùn)將需要不同類型的訓(xùn)練技術(shù)。舉例來說，飛行學(xué)員佩戴沉浸式設(shè)備典型任務(wù)時(shí)間在一個(gè)半小時(shí)左右，但這種設(shè)備對于可能要連續(xù)培訓(xùn)8小時(shí)左右的維修人員來說太重了。

學(xué)員一旦戴上沉浸式設(shè)備，就會沉浸在一個(gè)真實(shí)的三維世界中。首先，學(xué)員到達(dá)虛擬休息室里。當(dāng)虛擬教員走進(jìn)房間時(shí)，跟隨指示進(jìn)入機(jī)庫，接近虛擬飛機(jī)。虛擬教員會按照培訓(xùn)大綱給出日常作業(yè)。在分配任務(wù)后，學(xué)員將與虛擬教員配對，指導(dǎo)學(xué)員完成整個(gè)過程。

以更換輪胎科目為例，學(xué)員有三種不同的學(xué)習(xí)方式。第一種是觀看演示，觀看虛擬教員進(jìn)行維修。虛擬教員由人工智能驅(qū)動，能夠在沒有任何人為影響的情況下完成任務(wù)，學(xué)員可以看到整個(gè)過程的發(fā)生。第二種是學(xué)員在教員的提示下完成訓(xùn)練任務(wù)。第三種是學(xué)員獨(dú)自完成整個(gè)任務(wù)。通過三種方式反復(fù)訓(xùn)練，幫助學(xué)員形成完成工作所需的肌肉記憶。

這種以學(xué)員為中心的模式是培養(yǎng)未來人才的關(guān)鍵。VR程序的控件很容易學(xué)習(xí)，有助于簡化學(xué)習(xí)過程。雖然實(shí)驗(yàn)室不能代替在機(jī)身上工作的經(jīng)驗(yàn)，但它極大地提高了培訓(xùn)能力。通過這種能力，維修人員可以熟悉在演習(xí)期間很少或難以涵蓋全的程序維護(hù)。在不需要實(shí)裝的情況下在更短的時(shí)間內(nèi)培訓(xùn)維修人員的能力，幫助其訓(xùn)練無法一次花費(fèi)數(shù)周時(shí)間完成的科目，例如持續(xù)數(shù)周的定期大修。

現(xiàn)實(shí)中的教員可以僅作為安全員站在學(xué)員身后看，也可以在學(xué)員完成這些步驟時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)及根據(jù)需要進(jìn)行糾正。計(jì)算機(jī)可以捕捉學(xué)員的動作，并能確定他們在三維環(huán)境中的位置，教員可以在屏幕上實(shí)時(shí)觀看他們的工作。訓(xùn)練中將環(huán)境安全危害等因素考慮在內(nèi)，例如，輪胎更換科目中，如果一名學(xué)員試圖移除安全繩，但沒有按照要求佩戴護(hù)目鏡，那么在虛擬世界中，安全繩將擊中他們的眼睛，屏幕將變紅，讓學(xué)員立即知道自己做錯了什么。

在先期技術(shù)開發(fā)中的應(yīng)用

使用游戲引擎可以直觀、快速地展現(xiàn)并先期驗(yàn)證一些全新的作戰(zhàn)使用概念。在2022年1月，美空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）舉行機(jī)載定向能武器（DE）、動能武器（KE）協(xié)同運(yùn)用概念實(shí)驗(yàn)（DEKE DEUCE）。參加實(shí)驗(yàn)的飛行員、武器操作員、指揮員一起在虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境中執(zhí)行模擬任務(wù)，重點(diǎn)探討了兩種武器可能擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù)，并研究了機(jī)載高能激光吊艙與另外兩套未來動能武器的協(xié)同運(yùn)用問題。

此次實(shí)驗(yàn)著眼于定向能武器和動能武器的不同性能，摸索出一整套協(xié)同運(yùn)用這兩種武器的戰(zhàn)術(shù)程序和方法，彌補(bǔ)了未來體系化作戰(zhàn)存在的不足。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會，可以將全新的武器概念展示在飛行員和其他人員面前，這在傳統(tǒng)情況下是不可能看到的。通過此次實(shí)驗(yàn)，建模小組也能學(xué)到很多新收獲，參加實(shí)驗(yàn)飛行員的反饋建議對小組人員建模工作大有幫助，在虛擬環(huán)境中與飛行員交流問題和建議要比實(shí)裝飛行后的反饋效率高得多。

AFRL此前曾探索過使用模擬測試環(huán)境來開發(fā)新的系統(tǒng)和能力。在2021年，AFRL與約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了一個(gè)稱為“圓形競技場”的環(huán)境，它提供了“真實(shí)世界的數(shù)字仿真”和“武器研發(fā)所需的LVC能力”。競技場的開發(fā)得益于同一團(tuán)隊(duì)去年在DARPA的阿爾法狗斗試驗(yàn)中使用的數(shù)字戰(zhàn)場空間的工作。另外，空軍的“武器一號”項(xiàng)目也探討了類似的概念，使研究人員能夠開發(fā)實(shí)際武器系統(tǒng)的“數(shù)字孿生”，能夠在比以真實(shí)世界測試靶場內(nèi)低得多的成本和更短的時(shí)間進(jìn)行測試。

在航空文化宣傳中的應(yīng)用

近些年，無論是軍用航空還是民用航空，都持續(xù)面臨著飛行員短缺的問題。造成短缺的問題可能來自于三個(gè)方面，一是從業(yè)人員流動性加大；二是培訓(xùn)周期太長；三是對航空感興趣的青年減少。如果青年在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)方面有天賦，他們可以在創(chuàng)新性的企業(yè)中獲得豐厚的收入，不一定要去波音、洛克希德等航空企業(yè)工作，更不用說從事艱苦的一線飛行。通過模擬飛行早期培養(yǎng)對航空的熱情，讓青年感受到航空的樂趣，而且成本極低。沉浸式設(shè)備提供的真實(shí)感與使用監(jiān)視器或頭部跟蹤設(shè)備完全不同，是絕對革命性的。十年前，很少有家用系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行模擬飛行類軟件。如今，硬件能力終于趕上了軟件制造商的雄心。即使在沉浸式環(huán)境中，功能強(qiáng)大的顯卡和處理器也可以提供平滑的幀率。

在過去，在軍用航空領(lǐng)域主要依靠年度舉行的航展、電影和軍種開放日是吸引青年，盡管現(xiàn)場帶來的震撼體驗(yàn)?zāi)茏屒嗄隉嵫序v，但這種廣告費(fèi)用很高，如F-16每小時(shí)飛行費(fèi)用為2萬美元左右，每次航展的費(fèi)用少則數(shù)十萬美元。同樣多的錢，空軍能給多少年輕人在他們的學(xué)校提供一小時(shí)的免費(fèi)虛擬飛行指導(dǎo)？這是一件值得認(rèn)真思考的事情。對于私照或運(yùn)動類市場，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，許多基礎(chǔ)知識可以在家里學(xué)習(xí)，如熟悉座艙和基礎(chǔ)飛行技能訓(xùn)練。這與美空軍PTN項(xiàng)目思路是一致的，即將一部分初級訓(xùn)練課程遷移到PC/虛擬環(huán)境中完成。在掌握了這些技能后，學(xué)員可以更有效地在實(shí)裝飛行中運(yùn)用技能。

啟示建議

1.做一款有航空特色的PC軟件。仿真平臺和游戲引擎這兩個(gè)名詞同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，大部分用戶更喜歡前者，因?yàn)槁犞鴮I(yè)，有高大上的光環(huán)。但久而久之也有用戶逐漸反映運(yùn)維差，更新慢，軟硬結(jié)合，綁架用戶等問題，形成了對市場的壟斷。由軍方指導(dǎo)，工業(yè)部門牽頭，參考現(xiàn)役空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)的消息格式和評估裁決方法，以軟件硬件解耦的方式將航空裝備數(shù)字化。推出軍用版本和民用版本，同時(shí)利用云技術(shù)以大規(guī)模仿真，為每位用戶飛行員創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立賬戶供其在PC環(huán)境下使用，也可隨時(shí)參與到LVC任務(wù)中。

2.識別出適合游戲參與的科目。在現(xiàn)有空勤、地勤的訓(xùn)練大綱中，識別出一些可以由仿真或游戲引擎代替的科目，如入門飛行和初級任務(wù)訓(xùn)練。將以學(xué)員為中心的思路融入訓(xùn)練大綱編制，讓其可以按照個(gè)人習(xí)慣和節(jié)奏學(xué)習(xí)。全任務(wù)模擬器的價(jià)格和占地面積足以置換更多成本低、占地少的PC設(shè)備。這當(dāng)然需要統(tǒng)籌好軟件的升級，讓供應(yīng)商由靠球幕等硬件盈利轉(zhuǎn)向靠開發(fā)、維護(hù)軟件盈利。

3.軟件開發(fā)維護(hù)需要久久為功。以BISim公司著名的VBS4平臺為例，由一個(gè)200人的團(tuán)隊(duì)花費(fèi)7年多的時(shí)間才構(gòu)建。在這期間，與軍事用戶、領(lǐng)域?qū)＜颐芮泻献?、共同開發(fā)，產(chǎn)生了18000個(gè)3D模型、200個(gè)專用仿真用例和服務(wù)，以及得到增強(qiáng)的全球地形技術(shù)。所以說，很多軟件并不是不夠好，是沒有得到足夠的機(jī)會和持續(xù)的信任，這不僅僅是在開發(fā)上投入的時(shí)間和金錢。

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