虛擬現(xiàn)實技術在模擬軍事環(huán)境中的應用
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責任編輯:浮云 時間:2012-07-25 10:39
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[導讀]
虛擬現(xiàn)實技術為提高軍隊訓練質量、縮短武器裝備的研制周期和提高指揮決
策水平等都發(fā)揮著極其重要的作用。
虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality,簡稱VR)是一系列高新技術如計算機軟
件、硬件、圖形學、多媒體、人工智能、智能人機接口、傳感器、高性能計算
技術以及人類行為學、心理學等多領域最新技術的匯集與融合。像IT界其他高新
技術一樣,比如計算機、Internet等,這些新技術不僅是首先應用于軍事領域,
同時軍事領域的應用需求與研究也是這些技術逐步發(fā)展成熟的決定性推動力
量, VR技術也不例外。
到目前為止,雖然VR技術的發(fā)展還不盡如人意,很多技術都還不是很成
熟,但是VR技術在軍事領域已經(jīng)得到了非常廣泛的應用,它為提高軍隊訓練
質量、節(jié)省訓練經(jīng)費,縮短武器裝備的研制周期,提高指揮決策水平等都發(fā)揮
著極其重要的作用。
在虛擬網(wǎng)中作戰(zhàn)
軍事訓練是VR技術應用最早,也是目前最成熟和最廣泛的領域之一。采用
VR技術構建武器裝備模擬器和各種聯(lián)網(wǎng)虛擬訓練環(huán)境進行軍事訓練,其突出的
特點是不僅能夠大大減少實戰(zhàn)和實裝訓練中的人員、物資損失,節(jié)約訓練經(jīng)
費,提高訓練質量,而且還不受自然地理環(huán)境等其他條件的約束和限制。
目前VR技術在軍事訓練領域主要集中在以下三個方面:
第一,單兵模擬訓練。采用VR技術能夠構建與實際武器裝備幾乎一致的模擬系
統(tǒng)來對武器操作人員進行培訓。這些模擬器不僅能夠用來培訓新的戰(zhàn)斗機飛行
員,坦克、火炮、導彈操作人員和其他軍事人員,還可以用來鍛煉各類熟練的
武器操作人員在各類危險環(huán)境下的快速反應能力、心理承受能力和熟悉可能要
參與實戰(zhàn)的作戰(zhàn)環(huán)境等。更為重要的是,它還可以采用實戰(zhàn)中飛行員需要飛行
的真實地理環(huán)境數(shù)據(jù)生成虛擬作戰(zhàn)環(huán)境對飛行員進行實戰(zhàn)前的培訓。在阿富汗
和伊拉克戰(zhàn)爭中,美軍就采用綜合了航空照片、衛(wèi)星影像和數(shù)字高層地形數(shù)據(jù)
來生成高分辨率的作戰(zhàn)區(qū)域三維地形環(huán)境,以幾乎一致的三維戰(zhàn)場地形來訓練
執(zhí)行任務的戰(zhàn)斗機飛行員。很多飛行員都感慨在執(zhí)行任務的過程中,見到的環(huán)
境都在模擬器中見到過,因此,大大減少了執(zhí)行任務的難度和傷亡率。
應用實例:美國的“F-16”戰(zhàn)斗機虛擬訓練模擬器采用了三維圖形可視化生成系
統(tǒng)、全封閉立體頭盔顯示器、三維交互式聲音合成技術、Provision高性能圖
形工作站、六自由度的運動平臺等先進技術手段,并制造了與實物同樣大小的
戰(zhàn)斗座艙。其三維圖形生成系統(tǒng)不僅能夠生成逼真的大范圍虛擬地形環(huán)境,模
擬不同自然環(huán)境下,如霧天、雨天、暴風雪等各種飛行條件,其六自由度的運
動平臺能夠模擬出飛機在各種飛行動作下的運行觸覺效應,其三維的聲音合成
系統(tǒng)能夠合成出逼真的三維空間聲音的效果。
第二,近戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練。把在地理上分散的各個戰(zhàn)術分隊的多個訓練模擬器和仿
真器連接起來,構建一個基于網(wǎng)絡的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境,即形成一個近戰(zhàn)戰(zhàn)術模擬
訓練系統(tǒng)。這樣的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境,可以使眾多軍事單位參與到作戰(zhàn)過程之中,
而不受地域的限制。這種系統(tǒng)不僅可以訓練戰(zhàn)術級的指揮員,而且還可以進行
戰(zhàn)役理論和作戰(zhàn)計劃的檢驗,并預測軍事行動和作戰(zhàn)計劃的效果,評估武器系統(tǒng)
的總體性能等。
應用實例: 美陸軍的“近戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)”(Close Combat Tactical Trainer,
CCTT)采用先進的主干光纖系統(tǒng)網(wǎng)絡并結合分布式交互仿真,建立一個虛擬
作戰(zhàn)環(huán)境,能夠仿真包括“艾布拉姆斯”坦克、“布雷得利”戰(zhàn)車、HUMVEES武
器系統(tǒng)在內的多種武器裝備,供作戰(zhàn)人員在人工合成環(huán)境中完成作戰(zhàn)訓練任
務。該系統(tǒng)通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)聯(lián)結著從韓國到歐洲的大約65個工作站,各站
之間可迅速傳遞模型和數(shù)據(jù),使參演人員能在虛擬環(huán)境的動態(tài)地形上進行近戰(zhàn)
戰(zhàn)術訓練。
第三,聯(lián)合指揮訓練。在網(wǎng)絡技術的支持下,VR技術可以使相距幾千公里的實
兵裝備、各種虛擬裝備模擬器、作戰(zhàn)指揮人員、指揮控制系統(tǒng)等連接在一起形
成一個高度逼真的合成虛擬環(huán)境進行對抗作戰(zhàn)演習和訓練,效果如同在真實的
戰(zhàn)場上一樣,從而訓練高層指揮人員的指揮決策能力。
由于虛擬軍事演習系統(tǒng)可以任意增加演習的次數(shù),不受自然環(huán)境的限制,能夠
有效的克服傳統(tǒng)實兵演習周期長、耗費大,難以在較短的時間實施大規(guī)模戰(zhàn)
區(qū)、戰(zhàn)略級演習的弊病,在訓練高層指揮決策人員中起到至關重要的作用。
(1)縮短武器裝備的研制周期
在武器裝備研制的過程中,廣泛采用VR技術可以使設計研發(fā)人員在研制出
真實系統(tǒng)之前,先設計一個虛擬武器系統(tǒng),對其進行先期的虛擬實驗,并根據(jù)
未來戰(zhàn)爭的特點和各種作戰(zhàn)想定,設置多種典型戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)背景進行反復
驗證評估; 還可以讓研制者和用戶同時進入虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境中操作虛擬的武器系
統(tǒng),充分利用系統(tǒng)提供的各種虛擬環(huán)境,檢驗武器系統(tǒng)的設計方案和戰(zhàn)技術性
能指標及其操作的合理性。這樣不僅可以大大縮短武器系統(tǒng)的研制周期,節(jié)省
大量的研制經(jīng)費,并能對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行合理評估,從而使武器的性
能指標更接近實戰(zhàn)要求。
目前,在武器裝備研制與采辦領域逐步得到各國國防部武器裝備采購部門和國
防工業(yè)部門認可的一種新的采辦理念是基于仿真的采辦(Simulation based
acquisition, SBA)。SBA本質上是關于武器裝備采辦的全壽命的管理過程,但
是其核心支撐技術是VR技術。實際上,將VR技術應用于武器系統(tǒng)研制的各個階
段,已經(jīng)成為世界各國武器裝備研制策略的重要組成部分。
在相關技術的選型與研制方案探索階段,可以采用基于VR技術的武器裝備先期
技術演示(Advanced
Technology Demonstration,ATD)來對相關技術支撐下的武器裝備進行建模
并在各種虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境下進行虛擬仿真實驗,檢驗相關技術的可行性,以確
保系統(tǒng)設計性能。在系統(tǒng)的研制設計階段,采用基于VR的虛擬樣機技術
(Virtual
Prototyping)進行虛擬設計,不僅可以保證系統(tǒng)設計的首次制造的正確性,而
且可以大大降低研制費用,縮短研制周期。在系統(tǒng)的制造階段,可以采用基于
VR的虛擬制造技術精確模擬計劃的生產(chǎn)設施和過程,保證可生產(chǎn)性,降低制造
成本,減少生產(chǎn)時間。在最后的實驗定型階段,采用基于VR的虛擬試驗可以模
擬可能出現(xiàn)的各種情況和環(huán)境因素,縮短試驗時間和降低試驗費用。
應用實例: 美國第四代戰(zhàn)斗機F-22和JSF在研制的全過程中由于采用了VR技
術,實現(xiàn)了三維數(shù)字化設計和制造一體化,使研制周期縮短50%,節(jié)省的研制
費用超過93%。由于采用VR技術,在系統(tǒng)設計的初期,就能夠向飛行員提供
直接體驗新設計優(yōu)點的“虛擬”系統(tǒng),并能隨時按照定貨方要求現(xiàn)場修改設計,
美軍用這一技術成功地設計了“阿帕奇”和“科曼奇”武裝直升機的電子座艙等。
實際上,VR技術不僅在武器裝備研制過程中具有舉足輕重的重要作用,在武
器裝備的學習、維修方面也已經(jīng)大顯身手。
(2)提高指揮決策能力
在作戰(zhàn)指揮決策領域,VR技術的應用主要包括兩個方面: 一是通過對獲取到
的情報數(shù)據(jù)在三維戰(zhàn)場環(huán)境上合成逼真的三維戰(zhàn)場態(tài)勢場景,有利于指揮人員
更加形象直觀地把握整個戰(zhàn)場態(tài)勢,輔助指揮員進行決策; 二是采用基于VR技
術的作戰(zhàn)方案分析系統(tǒng)對指揮決策人員提出的決策方案進行仿真分析,以便更
好地為決策人員提供參考。
目前被廣泛應用的三維戰(zhàn)場可視化系統(tǒng),如電子沙盤,數(shù)字化指揮所系統(tǒng)就是
根據(jù)偵察到的戰(zhàn)場情報資料和戰(zhàn)場自然環(huán)境,采用三維圖形可視化系統(tǒng)合成出
形象直觀的三維戰(zhàn)場全景圖,讓指揮員能夠全面直觀地觀察和分析雙方兵力部
署和戰(zhàn)場情況,以便判斷敵情,做出正確決議。
應用實例: 由美國海軍實驗室(Naval Research Laboratory)資助開發(fā)的
Dragon系統(tǒng)可以演示在72小時內,提供90km×90km范圍的DTED(數(shù)字地形
數(shù)據(jù))5級(1米分辨率)特征數(shù)據(jù)和圖像特征; 在作戰(zhàn)之前能夠快速將復雜戰(zhàn)
場態(tài)勢可視化,使指揮員及其參謀人員能靈活使用二維或者三維動態(tài)顯示系統(tǒng)
更有效地制定任務計劃和演練,評估行動路線,保持對戰(zhàn)場態(tài)勢的認知。
在作戰(zhàn)階段,采用基于VR技術研制的分析類仿真系統(tǒng)可以為指揮員制定的決策
方案進行反復的模擬仿真分析,以提供最佳的作戰(zhàn)方案選擇。分析類仿真系統(tǒng)
不僅能夠提供逼真的三維戰(zhàn)場環(huán)境,而且還能夠對指揮員制定的決策方案的執(zhí)
行結果進行直觀的可視化展現(xiàn),使指揮員能夠一目了然了解決策方案可能出現(xiàn)
的一系列后果,從而為指揮員選擇和制定高質量的決策方案提供參考。
應用實例: 近些年來,美軍著眼于其所面臨的現(xiàn)實威脅和信息化戰(zhàn)爭的時代特
征,先后研制了一系列大規(guī)模諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)分析類模擬系統(tǒng),如JWARSS
(Joint Warfare System)、JMASS(Joint Modeling and Simulation
System)、NETWARS、WARSIM2000等,并在這些系統(tǒng)的支持下進行了一
系列的大規(guī)模聯(lián)合軍事演習,為美軍的21世紀軍事轉型研究和軍事理論創(chuàng)新提
供了強有力的支持。
綜上所述,將虛擬現(xiàn)實應用于軍事領域,符合減少人員、物資的損耗,提高軍
事訓練效費比的現(xiàn)實需求與發(fā)展方向。今后的應用將會越來越廣泛,發(fā)揮的作
用也將會越來越大。
萬方德源是一家專業(yè)從事軍事仿真與系統(tǒng)集成的高科技IT企業(yè),公司具有一支
專業(yè)從事仿真技術研究和項目制作團隊。有意合作者請聯(lián)系。
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