军事模拟训练中的“头脑风暴”

陈　栋

随着新军事变革的推进，军事训练越来越强调其实战性和对抗性，特别是针对高技术条件下军事作战的特点而发展起来的军事模拟训练，成为提高部队战斗力的重要手段。与传统训练手段相比，军事模拟训练不受实操训练设备使用情况的限制，并且在作战环境和操作使用上与实战十分相似，同时，利用模拟训练手段，还能够真实记录训练情况，做到训练水平的量化评估。上述优势使得军事模拟训练受到了前所未有的关注，成为军事训练体系中一个重要的组成部分。

美军一直以来都十分关注模拟训练问题，并在自己的军事训练中努力满足其可视化、人机交互的模拟训练要求，将大量的高科技手段积极地应用于模拟训练之中，尽力布置出逼真的战场操作环境。最近的几场军事交锋中，美军官兵都体现了良好的指挥和阅读战争的能力，这应该说与其长期坚持的近似实战的高水平训练密切相关。有鉴于此，美军以陆军国家训练中心，海军关塔那摩湾、海军陆战队二十九棵棕榈树训练基地为代表的训练机构除了继续强调以实战为标准外，还积极将计算机为主体的数字化模拟技术引入到军事训练中来。

要实现与战场环境的高度近似，必须引入虚拟现实技术。目前，游戏是虚拟现实技术应用的主要领域，近些年来蓬勃发展的快速三维真实感图形生成技术、大视野立体显示技术和传感技术、立体声环绕技术，以及人机交互技术，使得游戏厂商储备了必要的技术能力，能够将游戏设备作为军事训练有益的补充甚至是主要手段，以为提高部队战斗力服务。

随着模拟训练在军事训练体系的地位日益提高，军事模拟训练的要求也愈加苛刻，同时，军事模拟训练的内涵也随着技术的推进适时的做出了一定的拓展，在这样的一种背景下，一些在其他领域崭露头角的技术逐渐被应用到军事模拟训练中来，这其中就包括大脑－电脑接口技术以及动作感应技术。

大脑-电脑接口技术对军事模拟训练的影响

大脑-电脑接口技术(Brain Computer Interface BCI)，又被称作直接神经接口技术或大脑一机器接口技术，是一种在大脑(动物的或人的)与外部设备之间建立通信通道进行信息传递及控制的交互技术。单通道BCI只能在同一时刻由电脑接收大脑指令或者向大脑发送信号进行信息输入，而双通道BCI则能同时在大脑和电脑之间建立起信息交互链路。目前论述较多的BCI是指电脑接收大脑信号指令这一部分，即通过传感器探测大脑的脑电波信号，经过计算机解析并识别，形成一定的计算机指令，用于完成特定动作和操作的能力。

随着传感器技术、信号处理技术以及信息存储技术的发展，以往一些人们无法想象的技术正一步步走向现实。2006年6月8日在巴黎举行的欧洲研究和创新展上，带着24对电极帽的美国科学家布鲁纳(PeterBrunner)，当场用意念通过眼睛向笔记本电脑传达指令，在巨大屏幕上一字字写出信息“B—O—N—J—O—U—R”，可谓技惊四座。

将“精神控制物质”从科幻带入现实，是布鲁纳及其同事在美国纽约州政府的基金赞助下发展的令人惊讶的大脑一电脑接口技术，它可以将人脑信息数字化然后以电子脉冲形式传输到电极上传达指令。BCI技术利用脑电图记录仪(EEG)，侦测脑电波活动再判定出其相应的大脑意图，当布鲁纳博士全神贯注于写“BONJOUR”的“B”时，每一次当电脑的平行或垂直光线扫到键盘格上的字母B时，布鲁纳博士的大脑都会投射出强烈的信号，而正是对这些信号的解析才使得计算机完成了书写操作。事实上早在上世纪70年代，BCI技术就已经在美国的一些医学实验室中展开，但是，直到上世纪90年代，BCI技术才发展到引人注目的地步，特别是进入21世纪以来，几次人脑一电脑交互实验的成功取得了轰动性的效果。

最初的BCI技术主要为残障人士提供生活辅助，例如作为单通道的BCI实现电脑信息向大脑的输入，以帮助视力或听力受损者恢复生理机能。使用者只需要通过特定的训练就可以用自己的思维控制连接到计算机上的机械臂，使用假肢完成相关的动作。在众多的辅助设备中，Cyberkinetics公司的Braingate神经接口设备最为引人瞩目，Braingate是一款基于对脑电波解析的人脑一电脑接口设备，它采用了被称作是平台技术(platformtechnology)的交互手段，获取使用者脑部的信息，并将其转化成相应的动作，感觉，分析以及通信指令，以计算机及其外部设备共同帮助使用者完成相关任务。Braingate采用犹他大学开发的4毫米×4毫米硅电极阵列，每一个电极阵列包含100个微电极，这些微电极都是长约1毫米/1.5毫米的硅触点，用于探测遍布在头皮上的神经元组织。

除了在医疗方面创造出辅助残疾人的Braingate脑电波识别及控制设备外，近年来，随着电子竞技和游戏产业的不断发展，一些大型游戏厂商也适时推出自己全新的游戏概念，使游戏参与者能够更深入的投入到游戏场景之中。这其中最引人注目的脑电波识别及控制设备就是Emotiv生产的Epoc。2008年的游戏者开发大会上，名不见经传的游戏公司Emotiv发布了其新款游戏设备Epoc，立即成为展会的焦点。与传统游戏手柄显著不同的是，Epoc能够实时感知人脑的脑电波变化情况，并通过一定量的训练使得无线头盔掌握使用者的脑电波变化特征，进而利用这种特征实现对游戏角色的控制。从原理上说，Epoc和Braingate是非常相似的，但是，Epoc开发了自身的应用编程接口，允许更多的程序员加入到这种人脑与机器的交互设计中来，从而把这种昂贵的医学技术从精神病学实验室中解放出来。

Epoc的设计原理与脑电波扫描仪类似，其实质可以看做是一台“意识读取器”，头盔上16个传感器遍布在头部不同的位置，能够从使用者头部上千亿个神经细胞中读取复杂的电子信号，并将捕获到的脑电波信号传送给控制计算机，进行具有精确空间分辨率的定位操作，同时，还在头盔上设置两轴陀螺，用于感应使用者头部的旋转动作，头部的陀螺仪产生的位置信息用于指针和相机的跟踪和控制，高性能的无线设备能够让使用者随心所欲地做出各种动作。

Epoc如此神奇的能力依赖于下面三个关键程序的执行：

一是Expressiv，用于实时捕捉和传递使用者的面部表情，当使用者眨眼、微笑或者皱眉时，游戏中的角色也会出现上述动作，这个模块是为检测使用者面部肌肉的响应而进行交互的，并没有涉及到脑电波的提取和处理；

二是Affectiv，用于测量使用者的情绪特征，如兴奋、压力或者平静等，并根据使用者的情绪状态来调节游戏的节奏、难易程度或者背景音乐，这项技术对于军事模拟训练系统而言尤其重要，通过测量受训人员的情绪特征，可以有效地感知当前训

练科目对受训人员的难易程度，并可以通过跟踪受训人员的情绪特征调整训练难度和强度，达到分阶段，分层次完成训练任务的目的，同时，通过设置“精神挑战”关卡，测试受训人员在复杂操作和关键任务中能否保持冷静；

三是cog nitiv，用于将使用者之所“想”变成现实，如当使用者有“举”这个动作意念时，游戏中相应的物品将会被举起。Epoc的Cognitiv能够实现12种“想”的动作，包括6种方向上的以及6个旋转轴上的“意念”，同时，还包含了一个可视化的动作——“消失”。不过，当前的技术只实现了同时响应4种“想”动作的功能，并且这些意识动作与计算机的配合也要求对使用者进行必要的训练，以使计算机记住这些特殊的脑电波。

Epoc设计小组认为，人机交互不仅仅要实现人脑的“有意识”控制，还要对诸如面部表情、身体语言、情绪、感觉或者直觉等“无意识”信号进行识别。这种观念同样体现在军事模拟训练之中，无论是航空飞行模拟训练，还是舰载武器系统的操作控制，都是及其复杂和精确的操作，受训人员只有在一定的训练强度下，才能有效地达到训练目的。不同个体的操作熟练程度和个体操作技能水平往往不同，因此，无法设定一个覆盖全体受训人员的统一的训练标准，而这种“无意识”信号的捕获恰恰反映了个体的训练强度水平，从而可以基于个体“无意识”情绪特征体现的训练强度给每个人每次的训练提供量化的依据。

与Epoc类似，OCZ和NeuroSky也是感知脑电波信息并进行指令操作的控制设备，OCZ利用神经脉冲驱动设备捕获使用者的思想和面部表情，并进行操作控制，与Epoc不同的是，OCZ仅在头盔前端配置三个电极进行信息跟踪和获取，并宣称能够提供比Epoc更加快速和高效的面部表情响应能力。NeuroSky相对简单一些，只配置了一个电极提供两种情绪强度的检测。

虽然脑电波控制技术远远没有达到随心所欲的地步，即使是在实验室环境下，脑电波扫描仪都有可能出现问题，从传感器技术到信号分析以及与思维相关的信号理解过程都有进一步改进的空间，同时，头部周边肌肉，如头皮、眼睛，下颌以及舌头等处的肌肉运动发射的信号通常比脑电波信号强十几倍。但是，包括Braingate和Epoc在内的众多产品已经将脑电波控制技术推向了人机交互和虚拟现实的最前沿，可以说，在未来的若干年内，技术将聚焦于虚拟一致性和语义交互上，随着对人类意识和人脑运作原理的深入认识，我们将最终弥合物理世界和虚拟世界之间的鸿沟。

尽管大脑一电脑接口技术存在着许多亟待解决的问题，但是不可否认，它的出现给诸多领域提供了功能扩展的空间，实践证明，对脑电波的解析和利用在商业、教育、培训，市场营销以及电子商务等方面都有着巨大的应用前景，而随着人们对BCI的了解以及军事模拟训练与BCI的进一步融合，BCI将在军事训练中大显身手。

2008年，美国军方已经开始探讨BCI技术在军事上应用的可能性，以提高己方军事力量，并密切注视其潜在对手在此方面的研究进展情况。美国军方指出，嵌入式交互在医学领域的应用尽管到目前为止只以有限的形式实现了人机的信息交互，但是在不久的将来，随着医学技术的进步和作战对手对相关医学技术掌握程度的提高，美军终将面临越来越严峻的威胁。

动作感应技术对军事模拟训练的影响

军事训练离不开复杂的操作，任何军事训练科目都是由一套操作规程组成的，而可视化和动作感应是实现虚拟现实技术的关键，因此，动作感应一直是军事模拟训练中非常重要的一项技术，同时在另一片战场——游戏中也是名副其实的明星。为了进一步提高玩家的兴趣，众多游戏设备厂商都在动作感应技术方面展开了积极的探索，并推出了一系列高端电子产品，业界内比较著名的动作感应类游戏设备分别是索尼公司出产的EyeToy摄像头以及任天堂公司的Wii及其相关产品。

EyeToy

索尼公司是全球顶级的电子设备生产厂商，其开发的EyeToy一经发布便引得众人一阵惊叹，当使用者将EyeToy插入PS2/PS3时，PS2/PS3即可以实时感应到使用者的影像与动作，从而将使用者带入游戏世界，例如，当使用者面对镜头做出挥动球拍的动作时，EyeToy能够自动解析动作元素，并将这种动作元素的位置分量，速度分量(由此所产生的强度分量)融入到游戏中去，EyeToy除了能够通过跟踪使用者的动作来完成人机交互外，对镜头前的颜色变化也十分敏感，此外，内置的麦克风还能够响应来自使用者的声音信号，接收使用者的语音指令。这些功能亦在军事训练中得到很好的体现，尽管目前许多装备操作仍然以按钮和跟踪球(相当于键盘和鼠标)为主，军事训练也以上述方面为主要训练内容，但是，EyeToy的产生给丰富军事训练内容提供了技术上的支持，有助于将那些脱离按钮和跟踪球的训练内容，如训练人员反应能力的训练以及声音命令操作训练等，添加到当前并不完备的军事模拟训练体系之中。

Wii吸其周边设备

将动作和声音特性引入到游戏中并不是索尼公司的专利，事实上作为最成功的游戏设备厂商，日本的任天堂公司很早就在其GBA等掌上游戏设备中添加了与使用者形成深层次交互的各种元素，并取得了巨大的成功。同时，在其后续的NDS系列掌机中也采用了更为先进和灵敏的声音、触碰交互元素。在一款名为任天狗的游戏中，使用者可以向选中的泡泡机上吹气以产生气泡，与自己的宠物狗实现交互。另一款纸牌游戏则是通过向屏幕吹气对手中的纸牌施以魔法，其原理就是在屏幕上安装上一层极薄的压力传感器，感应来自使用者的呼气。

任天堂公司的另一款交互类游戏设备Wii可谓大名鼎鼎。这款次时代游戏终端采用了不同于现时其他游戏厂商的设计理念，强调游戏者参与其中。Wii采用分离式控制器，其动作感应模式分为两个部分，一是可以感受操作者手部平移、旋转、倾斜等动作的传感器；另外一个就是能像电脑鼠标那样进行精确指向，瞄准的空间捕捉器，这样的设计同样使其在球类和竞技类游戏中独占鳌头，并由此生产出多种新奇的周边设备——平衡板(WiiBalance)，方向盘(WiiWheel)以及手枪(WiiZapper)等。尽管从技术的角度来看，上述改进并没有取得多大的突破，但是，这种全新的游戏体验立即捕获了众多玩家的心，同时，也丰富了人在回路仿真系统的设计思路，将这种技术运用到军事模拟训练中也必然会带动训练的·真实性和对抗性，例如在受训者的下颌部安装采用压力传感技术制造的喘息采集器，即可以精确掌握受训人员的训练情况和强度，并给受训人员打分。

除了大型游戏设备厂商积极向人机交互类设备拓展，一些小公司也钟情于这种调动使用者情绪的

产品，如以色列3DVsystems公司出产的Zcam三维摄像头，Zcam能够在三维空间里跟踪物体的运动，通过解析动作形成游戏指令。与军事训练密切相关的一个典型的例子就是，使用者可以徒手做出扣动扳机的动作，控制屏幕上将相应地实现机枪射击等动作，或者使用者模拟驾驶飞机，控制屏幕上相应的飞行器飞行。此外，Zcam还提供联机模式，将多人引入到游戏中，从摄像头中获取人物动作信息，实现多人拳击对打，这些都是军事训练中常用到的科目。

未来军事模拟训练展望

军事训练的真实性和实战性一直以来都是影响军队作战能力的一个重要的因素，而面对高技术条件下瞬息万变的战场态势，更要求我们将最新的技术应用到军事训练之中，以满足复杂作战环境的挑战。近年来，美军在将各种高新技术应用于军事模拟训练的过程中进行了很多有益的尝试，特别是将一些在其他领域成熟的产品，如商业现货(COT)引入军事模拟训练之中，使得军事模拟训练的实战性和对抗性更强，这其中尤以BCI技术和动作感应技术的诸多应用为典型代表。BCI技术能够很好的解决军事训练中的反馈和过程回放问题，给军事训练的评估和军事训练方案的制定提供了参考的依据。同时，BCI技术本身还有可能开拓一种新的作战应用模式，使武器系统的操控人员能够在各种环境下对系统进行全面的控制。此外，在BCI技术实验的相关报道中，已经论述了利用BCI技术成功控制实验小白鼠行为的例子，这就使得BCI技术新的军事应用——计算机指令控制受训动物实现特种作战成为可能。动作感应技术在模拟实战操作和满足多功能规模作战的对抗训练中已经显示出突出的优势，由此产生的游戏模拟器已经成为当前美军军事模拟训练当中的主要手段。可以预见，未来的军事模拟训练必然向实战化的方向大大迈进，在视觉、触觉和听觉等方面进一步与实际作战环境相一致，并做到对上述感觉的实时感知和反馈，同时，由于军事训练的一个特点就是它是一个人在回路的模拟系统，必须要站在人的角度设计训练系统，包括训练内容、训练方案以及训练方法等，随着脑电波的捕获跟踪及响应技术的发展，以及动作感应技术与人体工程学的进一步结合，基于人脑一电脑交互的BCI技术以及动作感应技术将得到最大程度的体现，同时，也给军事模拟训练的技术创新带来了无限的可能。