近些年，網(wǎng)絡上頻繁地出現(xiàn)了軍方人員頭戴沉浸式設備參加各類任務的照片，其中美空軍、海軍航空兵部隊還圍繞初級飛行員培養(yǎng)開展了“未來飛行員訓練（PTN）”和“復仇者計劃”等專項任務。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，需要進行顛覆創(chuàng)新。新事物的出現(xiàn)需要一個接納的過程，就像在90年代走進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)。隨著沉浸式設備以及用游戲卡或GPU取代定制顯卡，不遠的將來沉浸式設備可能也會走進課堂或者千家萬戶。

沉浸式設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、軟件維護性好等特點，以民促軍，真正地降低了進入軍用市場的門檻。

商用軟硬件的特點

軟件接口可擴展。商用產(chǎn)品在設計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)品可以由設計員在用戶指導下使用現(xiàn)成的工具構建，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。游戲引擎的設計可以在各種硬件和操作系統(tǒng)配置上平穩(wěn)運行，一些現(xiàn)代游戲引擎可以輸出到多種類型的顯示設備，用戶可以有更多的選擇來開發(fā)新系統(tǒng)和改進現(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，并降低飛行員訓練模擬器所需設施的成本。頭戴式系統(tǒng)不是取代大型球幕投影，而是增加仿真培訓的可用性。一個只能容納一個球幕模擬器的空間可能可以容納至少六個使用沉浸設備的部分任務訓練器。

開源的可能性高。一個開放且可擴展的體系結構，以及可獲得的源代碼，簡化了任務關鍵型應用程序的驗證、確認和認證（VV&A）過程。從網(wǎng)絡安全的角度來看，掌握源代碼意味著可以在任何時間間隔執(zhí)行自動源代碼審查，可確保應用程序的完整性，同時保持盡可能小的攻擊面。

視覺效果更真實。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、陰影等細節(jié)是現(xiàn)實主義的重要組成部分。光線通過云層、煙霧、雨和雪的衰減和擴散應該準確地表示出來。

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行維護和內(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按需提供經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員組成的活躍社區(qū)定期相互交流，分享知識，創(chuàng)造了一個競爭激烈的市場。

在航空訓練領域中的應用

1.用于開展對空勤人員的訓練有效的航空培訓側(cè)重于提高態(tài)勢感知和決策過程，持續(xù)尋求利用先進的學習技術，控制成本、提高效率，同時減少培訓時間和減少周數(shù)，讓學員更快地進入前線中隊。沉浸式設備的節(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域。美國空軍一直致力于利用虛擬現(xiàn)實技術進行模擬地面飛行訓練，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訓練中隊的A-10模擬器實驗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實驗室，使用創(chuàng)新項目基金中的資金采購商用現(xiàn)貨軟件和硬件。一些A-10攻擊機飛行員正在使用一款非常復雜和逼真的游戲正在訓練，被稱為“數(shù)字作戰(zhàn)模擬世界”，通常簡稱為DCS。該訓練中隊還配合上商用虛擬現(xiàn)實耳機和其他游戲外圍設備，以提供一種低成本的方式來增強地面和空中更傳統(tǒng)的訓練方案。在建立A-10模擬器實驗室之前，地面培訓僅包括課堂教學、基于電子課件培訓和全任務模擬器訓練。當VR技術與DCS游戲軟件結合使用后，提供一個身臨其境的簡易模擬器，培訓包括操作數(shù)字A-10的所有方面，包括：地面操作、啟動、滑行、起飛、著陸、編隊飛行、武器使用、威脅應對、空對空加油和其他關鍵能力。

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下載，但新飛機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稱為游戲可能有點不公平，因為其保真度極高，大多數(shù)DCS飛機模型都有完全“可互動”的駕駛艙，以及可控制的飛機子系統(tǒng)，還支持與沉浸式設備結合在一起。即使是在DCS中啟動飛機，操作程序也幾乎與實際情況相同。

更大、更傳統(tǒng)的全任務模擬器在沉浸式設備出現(xiàn)之前提供了重要的模擬飛行體驗，基本上是A-10駕駛艙的完全物理復制，但其數(shù)量也有限，操作和維護成本也很高。由于A-10沒有雙座版本，這意味著新飛行員在首飛時只能獨自飛行。使用DCS等軟件進行虛擬現(xiàn)實訓練不能替代真實的飛行訓練，沒有削減教學大綱中的模擬器或飛行時間，而是利用這項技術生產(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)非常適合進行臨時訓練，將充分利用每一個飛行小時，以保持飛行員在全任務模擬器發(fā)揮更好的狀態(tài)。虛擬現(xiàn)實項目有兩條截然不同的工作路線，第一個是在實驗室可以駕駛數(shù)字A-10并練習任務，第二個是用VR設備記錄并360度回放。此外，在訓練空中加油等需要深度感知較強的任務中也有優(yōu)勢，可以準確地演示與加油機編隊飛行，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所需的深度感知。

2.用于開展對地勤人員的訓練在2017年，空軍教育和訓練司令部意識到如果PTN項目能更多、更好、更快地培養(yǎng)飛行員，那么也應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，技術需求也有所不同。不同的科目和不同類型的培訓將需要不同類型的訓練技術。舉例來說，飛行學員佩戴沉浸式設備典型任務時間在一個半小時左右，但這種設備對于可能要連續(xù)培訓8小時左右的維修人員來說太重了。

學員一旦戴上沉浸式設備，就會沉浸在一個真實的三維世界中。首先，學員到達虛擬休息室里。當虛擬教員走進房間時，跟隨指示進入機庫，接近虛擬飛機。虛擬教員會按照培訓大綱給出日常作業(yè)。在分配任務后，學員將與虛擬教員配對，指導學員完成整個過程。

以更換輪胎科目為例，學員有三種不同的學習方式。第一種是觀看演示，觀看虛擬教員進行維修。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，學員可以看到整個過程的發(fā)生。第二種是學員在教員的提示下完成訓練任務。第三種是學員獨自完成整個任務。通過三種方式反復訓練，幫助學員形成完成工作所需的肌肉記憶。

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

現(xiàn)實中的教員可以僅作為安全員站在學員身后看，也可以在學員完成這些步驟時進行指導及根據(jù)需要進行糾正。計算機可以捕捉學員的動作，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時觀看他們的工作。訓練中將環(huán)境安全危害等因素考慮在內(nèi)，例如，輪胎更換科目中，如果一名學員試圖移除安全繩，但沒有按照要求佩戴護目鏡，那么在虛擬世界中，安全繩將擊中他們的眼睛，屏幕將變紅，讓學員立即知道自己做錯了什么。

在先期技術開發(fā)中的應用

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

此次實驗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)同運用這兩種武器的戰(zhàn)術程序和方法，彌補了未來體系化作戰(zhàn)存在的不足。這項實驗提供了一個獨特的機會，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。通過此次實驗，建模小組也能學到很多新收獲，參加實驗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與約翰霍普金斯應用物理實驗室合作開發(fā)了一個稱為“圓形競技場”的環(huán)境，它提供了“真實世界的數(shù)字仿真”和“武器研發(fā)所需的LVC能力”。競技場的開發(fā)得益于同一團隊去年在DARPA的阿爾法狗斗試驗中使用的數(shù)字戰(zhàn)場空間的工作。另外，空軍的“武器一號”項目也探討了類似的概念，使研究人員能夠開發(fā)實際武器系統(tǒng)的“數(shù)字孿生”，能夠在比以真實世界測試靶場內(nèi)低得多的成本和更短的時間進行測試。

在航空文化宣傳中的應用

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方面，一是從業(yè)人員流動性加大；二是培訓周期太長；三是對航空感興趣的青年減少。如果青年在科學、技術、工程和數(shù)學方面有天賦，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。沉浸式設備提供的真實感與使用監(jiān)視器或頭部跟蹤設備完全不同，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)場帶來的震撼體驗能讓青年熱血沸騰，但這種廣告費用很高，如F-16每小時飛行費用為2萬美元左右，每次航展的費用少則數(shù)十萬美元。同樣多的錢，空軍能給多少年輕人在他們的學校提供一小時的免費虛擬飛行指導？這是一件值得認真思考的事情。對于私照或運動類市場，在虛擬現(xiàn)實中，許多基礎知識可以在家里學習，如熟悉座艙和基礎飛行技能訓練。這與美空軍PTN項目思路是一致的，即將一部分初級訓練課程遷移到PC/虛擬環(huán)境中完成。在掌握了這些技能后，學員可以更有效地在實裝飛行中運用技能。

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名詞同時出現(xiàn)時，大部分用戶更喜歡前者，因為聽著專業(yè)，有高大上的光環(huán)。但久而久之也有用戶逐漸反映運維差，更新慢，軟硬結合，綁架用戶等問題，形成了對市場的壟斷。由軍方指導，工業(yè)部門牽頭，參考現(xiàn)役空戰(zhàn)訓練系統(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，同時利用云技術以大規(guī)模仿真，為每位用戶飛行員創(chuàng)建一個獨立賬戶供其在PC環(huán)境下使用，也可隨時參與到LVC任務中。

2.識別出適合游戲參與的科目。在現(xiàn)有空勤、地勤的訓練大綱中，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訓練。將以學員為中心的思路融入訓練大綱編制，讓其可以按照個人習慣和節(jié)奏學習。全任務模擬器的價格和占地面積足以置換更多成本低、占地少的PC設備。這當然需要統(tǒng)籌好軟件的升級，讓供應商由靠球幕等硬件盈利轉(zhuǎn)向靠開發(fā)、維護軟件盈利。

3.軟件開發(fā)維護需要久久為功。以BISim公司著名的VBS4平臺為例，由一個200人的團隊花費7年多的時間才構建。在這期間，與軍事用戶、領域?qū)＜颐芮泻献鳌⒐餐_發(fā)，產(chǎn)生了18000個3D模型、200個專用仿真用例和服務，以及得到增強的全球地形技術。所以說，很多軟件并不是不夠好，是沒有得到足夠的機會和持續(xù)的信任，這不僅僅是在開發(fā)上投入的時間和金錢。

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