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导弹培训系统中国外虚拟现实技术的应用研究

2020-08-22 304 上传者：管理员

摘要：近年来，虚拟现实技术快速发展，在航空航天和军事领域取得了良好的效果反馈。以美国为代表的军事大国在虚拟现实技术研究方面持续加大支持力度，获得了巨大的经济效益和社会效益。通过对美国在模拟导弹设计与研制教学、使用及维护培训、战场环境下操作训练等领域的实际应用情况研究，分析了虚拟现实技术在军事领域的优势及发展前景。

关键词：
军事武器
军事领域
培训系统
导弹武器
虚拟现实
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长期以来，外军一直对模拟作战训练极为重视，投入了大量的人力、财力和物力，不断探索和研究模拟训练的新理论、新方法、新技术。以美国为首的军事强国，持续不断地将高新技术投入到军事应用的各个层面，全力打造智慧化、智能化军队。

虚拟现实(VR)技术等新兴技术的快速发展，在军事领域发挥的作用日益增大，美军更是将虚拟现实技术充分应用到了虚拟战场环境、虚拟军事训练和武器装备的研制开发等诸多层面。此外，英国、法国、澳大利亚、荷兰、泰国等均开展了虚拟现实与军事训练相关的多项研究，墨西哥、印度、日本、沙特阿拉伯、阿联酋和巴西等也筹集大量资金采购虚拟现实等先进技术用于军事训练，VR俨然已成为全球军事界的一枚新宠。据《2025年军用增强现实市场———基于组件、产品类型和功能的全球分析与预测》报告中数据显示，预计到2025年，虚拟现实/增强现实在军事领域的应用市场规模将达到17.9亿美元，对比2017年5.1亿美元的市场规模有大幅度提升。这意味着虚拟现实技术在军事领域的应用将持续增长，产业规模也将不断扩大，发展前景无限广阔。

1、虚拟现实技术及应用

虚拟现实技术是指综合利用计算机图形学、仿真、多媒体、人工智能、信息网络等技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，并通过多种传感器设备创建适人化的多维信息空间，使人与虚拟的环境进行实时交互。该技术具有多感知性、浸没感、交互性、构想性等特点，在其营造的交互环境下，参与者可以按照自己的主观意愿驱动虚拟环境，并感知虚拟世界的各种对象，从而完成一些现实中难以完成或根本无法完成的活动。

近年来，虚拟现实技术迅速发展，其具备的成本较低、安全性较高、操作简易且富趣味性等特点，在社会各个领域得到了广泛应用和认可。根据《中国虚拟现实应用状况白皮书(2018年)》统计，截至2018年底，全球虚拟现实产业规模已近千亿元人民币，年均复合增长率超70%，预计2020年全球虚拟现实产业规模将超2000亿元。

虚拟现实技术主要应用方向聚焦在军事、航空航天、医疗、工程管理、建筑设计与城市规划、教育、影视、娱乐等诸多领域。在军事领域，目前，以美国为代表的军事大国持续加大对虚拟现实技术研究的支持力度，获得了巨大的经济效益和社会效益。其中，美国宇航局和美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，取得了令人瞩目的研究成果。美国国防部预先研究计划局(DARPA)自20世纪80年代初一直致力于研究SIMNET虚拟战场系统，该系统连接美、德200多个坦克仿真器，建立庞大的战场环境体系，配合士兵开展战争模拟演练。此外，美军还在战术配合、武器设计研制、特殊器械操作培训等方面对虚拟现实技术开展了测试应用，取得了较好的效果。

我国的虚拟现实应用方向主要聚焦在文化娱乐、教育培训、工业生产、医疗健康和商贸创意等方面。在军事领域，随着我军现代化水平的提高，一批技术含量较高的复杂武器系统陆续装配部队，虚拟现实开始在武器操作培训方面逐步试水，开展探索测试。

2、国外虚拟现实技术在导弹培训系统中的应用

当前，在军事训练领域，基本思路是把虚拟现实技术作为人机交互工具，实现虚拟军事与现实军事的交融互通。导弹武器作为当前作战使用最广泛的必备杀伤性武器，因其高精尖技术集中、系统复杂、保障要求高的特点，在使用、维护和维修过程中面临大量的培训需求。美国作为虚拟现实技术的发源地，其技术水平和能力均发展迅速，并且最早将该技术应用于导弹武器的设计和培训之中。本部分重点聚焦于美国在模拟设计及研制教学、使用维护培训、战场环境下的操作训练三个方面的虚拟现实技术应用情况。

2.1 模拟导弹设计及研制教学

虚拟现实技术能够在导弹武器系统的设计研制过程中为研究人员提供直观体验，可以在很大程度上降低经费成本，缩短研发周期，提高研发效率。美国国防公司洛马公司在美空军下一代ICBM(洲际弹道导弹)研制计划中表示将在人体沉浸式协作实验室(CHIL)中利用虚拟现实技术实现导弹设计制造的虚拟可视化。目前洛马已与诺格、波音等公司合作共同开发该项目，其中诺格公司设计研发了名为快速运作虚拟现实的计算机辅助虚拟环境软件，能够在设计初期为客户提供三维立体图像，便于直观获取意见反馈，优化设计方案。雷锡恩公司的红石兵工厂作为大型导弹自动化生产工厂，目前已通过虚拟现实室CAVE(洞穴)将虚拟现实技术应用于标准-3导弹和标准-6导弹等型号的生产。此外，红石兵工厂的RMS沉浸式设计中心还通过虚拟现实技术完成某型导弹制导部分电线束的重新设计，使完成时间缩短40%，预算减少40%。目前雷锡恩正致力于将结构、热、机械和电等更多数据分析纳入技术组合，以实现更为复杂的建模。

2.2 模拟导弹使用及维护培训

各军事强国均意识到虚拟现实技术应用于导弹培训使用及维护保障的广阔发展前景，将VR作为军事训练的重要手段之一。当前，运用虚拟现实技术为部队新兵训练愈发流行，对于新一代年轻人来说，类似于游戏操作的培训模式可极大提高其理解力和感受力，提升学习热情。在导弹使用培训过程中，士兵可通过虚拟现实技术模拟导弹拆装、检测及使用操作，并在模拟训练环境下通过语音和手势进行实时交流，便于团队开展协作配合。在导弹维护保障培训过程中，通过模拟的三维导弹模型查看导弹内部各系统，可迅速查找问题并模拟调整，减少在现实环境中对原型检测的操作难度和试错频率，极大地缩短维护时间，提高工作效率。美国陆军委托雷锡恩公司开发了利用虚拟现实技术提高爱国者导弹发射班组作战能力的设备，目前雷锡恩公司已推出了该项目的测试版本，通过使用Fift头盔和Unity3D视频游戏引擎设计的虚拟现实模拟器，让15名士兵参与到爱国者导弹的维护保障和作战使用过程中。美国俄克拉荷马州的陆军防空炮兵学校已经采用虚拟现实技术完成了100名新兵的训练。

2.3 模拟战场环境操作训练

随着战争性质的演变和经费预算的紧缩，“军事准备就绪”(即部队有能力战斗并满足指定任务的要求)面临着前所未有的挑战，单纯依靠实地训练已很难负担。近年来，以美军为代表的国外军事力量十分关注模拟训练，不断探索通过虚拟现实技术实现从战略到战役、从指挥机构到单兵、从战场环境到武器运用的全方位模拟，进而达到迅速调整战备状态、提高战斗能力、为实战服务的目的。美国于1992年斥资10亿美金打造近战战术训练系统(CCTT)，将分布在不同地理位置的部队各级军事院校和多个作战仿真训练模拟器连接在一起，建立起全面的虚拟作战环境，士兵可在虚拟作战环境下进行动态军事演习。1994年，美军建立起第一支数字化部队，探索运用虚拟现实技术实现模拟对抗性演习。2012年，美国在布拉格堡虚拟训练场部署的全沉浸式的美国陆军步兵训练系统(DSTS)提出将广泛应用虚拟现实技术模拟真实场景进行战场训练。目前，诺格公司针对美军模拟训练需求已发布了培训和模拟解决方案，通过虚拟现实技术模拟战场场景进行训练，帮助士兵快速进入战备状态，适应战场环境，迅速掌握战斗所需的操作技能，同时提高其现场反应能力、心理承受能力和战场生存能力，有效减少实地训练的人员和物资损耗。此外，相关配套设备还可通过评估士兵在虚拟战场的受伤程度和在训练中的表现针对性地提出后续改进方案。海湾战争中，美国士兵提前通过虚拟现实技术感受战场环境，对适应作战起到了辅助性支撑作用。

3、虚拟现实技术相较于传统培训的优势

虚拟现实技术现已成为信息领域中继多媒体技术、网络技术之后被广泛关注及研究、开发与应用的又一热点技术，而美军已经充分认识到虚拟现实技术在军事领域的巨大价值，并将其运用到了军事生活的方方面面。对于武装部队而言，培训是耗时、昂贵且存在潜在危险性的，虚拟现实技术使军事人员无需花费高昂费用即可进行大量的模拟训练，从而大大减少培训预算，各国均已越来越多地将虚拟现实技术作为提高培训效率和成本效益的必要方法。

3.1 培训人员感受更直观

虚拟现实技术应用于导弹培训系统中，可将导弹装备、训练目标和所处环境等各项场景及因素融合于一体，营造更加直观逼真、贴合实际的训练环境，使受训者完全沉浸于虚拟场景下进行操作训练，对增强导弹使用及维护等操作技能，提高训练水平和训练效率，强化战士心理素质等具有比较明显的应用效果。

3.2 培训设备和实施的成本更低

基于虚拟现实技术开发的培训系统可对实操训练时环境、设备和技术状态进行虚拟仿真，相较于实操训练仅仅需要计算机系统和相应的多功能培训场地，通过虚拟现实培训系统的使用，可大大减少实操训练设备的损耗和资源消耗，且培训系统的展开和撤收方便快捷，可大大提高训练的频率和便易性，有效降低培训成本。

3.3 培训的适应性更强

通过虚拟现实技术的使用，可灵活设计不同的培训项目，针对不同的培训环境，可有效模拟平时和战时、室内和野外等场景;针对装备升级和改进，可通过模块化组合进行及时调整;针对不同培训人员，可设置分级分类培训课程设计。其设备的通用性和兼容性，与当前的实操培训相比，优势极为明显。

3.4 操作的安全性更高

虚拟现实技术所构建的模拟训练，可称之为实验室里的战争。战士通过模拟游戏的方式提高实际战术水平、现场反应能力、心理承受能力及战场生存能力，在大大提升实战技能和培训效率的同时，还可以有效减少人员操作和设备损坏等损失。通过设计故障模式，还可模拟操作失误所导致的故障或事故，增强培训人员感性认识的同时保障人员安全。

3.5 培训效果评估更科学

通过虚拟现实培训系统的教学、训练和考核模块的设置，可将武器装备培训的理论教学和实操训练进行有效衔接。在培训过程中，通过记录培训人员的操作数据形成数据库，再运用数据分析技术，可有效开展相关的操作评价和考核评估，一方面对培训人员操作流程和动作规范进行评估，另一方面针对考核评价进行横向和纵向比较，科学合理地评估培训效果。此外，通过大数据分析，将错误率和操作难度有效展现给武器研发人员，还可进一步促进武器装备的改进。

通过上述五个优势可以看出，虚拟现实技术在导弹培训中具有广阔的发展空间和应用前景。主要应用领域包括教学培训、自我培训及考核等。在教学培训方面，虚拟现实技术将有望走进部队院校课堂和一线装备部队，在型号列装及装备升级中形成常规化、体系化的虚拟现实教学模式;在装备部队内部的自我培训方面，针对新兵的入门操作培训、定期巩固型培训及专业能力提升培训中，虚拟现实技术将快速填充“理论”和“实操”培训间的空白，优化甚至替代部分传统培训;在考核方面，虚拟现实技术将充分运用到人员课程考核、专项技能考核、综合排故考核等多个领域。未来，在信息化、智慧化军事培训的要求下，虚拟现实技术将逐步覆盖导弹培训各个环节，覆盖各种装备操作，进而成为部队军事培训中不可或缺的一项培训手段。

4、结束语

随着科技的不断发展，传统的培训方式已无法适应新的战训需要。外军对于虚拟现实技术在军事训练领域的应用已经取得了一定的成果，除上述导弹设计研制、使用维护培训及战场环境下操作训练等领域，在战术指挥、战后修复、战争信息化数据分析等方面均开展了广泛的应用尝试。虽然国内对虚拟现实技术的研究起步较晚、时间较短，但发展迅速。《中央军委2020年开训动员令》中已经明确指出“强化新领域新力量融入作战体系训练，强化军地联训，加大训练科技含量”，虚拟现实技术在类似于导弹这样的高技术复杂武器装备培训中的广泛应用指日可待。

刘双喜,韩婷婷,陈英硕.国外虚拟现实技术在导弹培训系统中的应用[J].飞航导弹,2020(06):83-86.