基于虚拟现实的分布式军事装备训练系统构想

庄 严，邓 果

(1.军事科学院系统工程研究院系统总体所，北京 100101；2.四川宏华电气有限责任公司，四川 成都 610031)

1 虚拟现实技术在分布式军事训练中的应用

如今，美国的军事训练的虚拟现实(VR)研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。在上世纪90年代，美军为了达到模拟战场设备共用的目的，使参训各方共处其中进行自主对抗演习，提出了分布式模拟训练构想，即通过扩大分布式训练模拟系统的使用范围，可以把分布在各地的海陆空部队连同模拟设备用各信息网络连接起来构设一个“虚拟战场”，使参训双方共处其中，进行自主对抗演习。近些年来，美军着眼于信息化战争的时代要求和所面临的战争威胁，先后研发了如NETWARS、WARSIM2000等一系列诸军兵种联合作战分析模拟系统，并在这些系统支持下组织了一系列网上联合军事演习，为检验美军实战能力和提高美军实战水平提供了强大的技术支持和平台保证[1]。

美军运用虚拟现实技术分布式交互仿真并结合现代网络通信技术，通过训练中心控制在不同地域的作战单位的模拟系统终端，建立起一个虚拟对抗战场。使异地参战的多方，多军种同时处于一个战争环境中对抗训练。美军的“近战战术训练系统”(CCTT)采用先进的主干光纤系统网络，并结合分布式交互仿真，建立一个虚拟作战环境，能够仿真多种武器装备，供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务，通过网络联接着分布在亚洲和欧洲的大约65个工作站，各站之间可迅速传递装备模型和训练数据，使众多受训单位参与到作战模拟之中，具有动态的分布交互作用，大大加强了作战训练的难度和强度，从而提高了诸军兵种联合作战的战斗能力[2]。

美国三军的《作战实验室》在进行实验时，通过与有关单位建立的计算机网络，广泛地采用了分布式仿真技术和“虚拟样机”的方法，即综合利用实物模拟、数学模型和手工模拟，从而创造出一种可以从事武器装备系统的研究开发和部队进行实兵训练的高度“灵境化”的人工合成环境[3]。

2 以虚拟现实技术进行军事装备训练工作的优点

2.1 虚拟现实军事装备训练的优点

装备人机训练方面，昂贵的技术装备被数字化，变成虚拟环境中的三维模型，同时又具有装备本身物理属性，如同真实物体一般，但又具备真实物体所不具备的永久使用寿命和零损耗。装备环境适应性训练的真实使用场景，使装备融入真实场景中进行实战化训练，对每类装备的预期使用场景进行模拟，建立一个逼真的装备应用环境，使受训者在身临其境的环境中，对装备进行全流程的操作培训和考核。任务模拟训练方面，通过对装备使用的目标对象进行模拟仿真，并对典型任务剖面进行分析，以任务为牵引，构建任务实施想定，综合运用多种多类技术装备，进行成系统、成体系的一体化联合训练。虚拟现实(VR)技术在技术装备训练中解决了传统教学训练中难以解决的问题，具有良好的发展前景。

2.2 虚拟化军事装备训练室对比传统训练室的优点

以虚拟现实(VR)技术进行军事装备训练工作是为军事装备训练工作的创新改革注入新活力和添加新动力，是军事装备训练工作建设的未来方向。VR教室不仅能提供给一个特定技术专业种类的或者针对某特定型号装备使用，还能跨专业共用。一次投入建设，可以节约大量教学资源，避免实验室类训练场所重复建设。

虚拟化分布式军事装备训练平台更是对传统军事装备训练方式带来了革命性的改变：尤其是在环境适应性训练方面，VR方式进行军事装备训练工作能够非常好的营造出战地环境的临场感，能够让受训者真正身临其境，如图1所示，即为虚拟现实的环境及心理压力的营造；而分布式的构想又可以让处于不同地点的训练者能够在同一个训练场景中进行联合训练，分布式虚拟训练教室如图2所示。

图1 环境及心理压力营造

图2 虚拟分布式装备训练室

总之，VR的分布式训练可以不受空间资源，地域资源的限制，也可以提高对教学资源的利用，降低训练设备的成本以及节约训练时间，提高训练的效率和效果。

3 VR分布式军事装备训练解决方案之虚拟化装备训练室

3.1 方案结构

采用分布式结构，可在如ABC不同地区建立虚拟化军事装备训练室，通过专用网络接入，将不同地区的受训者通过网络组织在一起。

虚拟化分布式军事装备训练室主要包括虚拟现实训练套件n套，操作外设n套，装备模型X类Y型，交互模型Y型，一个统一虚拟化装备训练管理软件平台，以及环境部署所需的各类硬件设备。系统建成后的总体结构如图3所示。

3.2 虚拟军事装备训练模型及交互模型资源

军事装备模型及交互模型属于训练信息资源，是支撑整个虚拟化训练的基础数据，主要建设专业相关装备三维模型、信息交互接口、交互计算模型以及相应的标准规范，部署在数据服务器上。

4 虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件

4.1 虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件描述

虚拟化分布式军事装备训练管理平台是进行虚拟化训练资源管理、训练课目设置和训练组织实施的信息系统，部署在计算服务器上，主要采用C/S架构，建设服务器端、客户端和伺服器三个软件构建，用于教员训练组织实施和学员实践训练的监控管理。

图3 分布式虚拟化装备训练结构图

4.2 虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件构成

同时虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件功能内容部分采用模块化组织，不仅仅是训练课目的自主模块化设置，软件平台功能也采用模块化组织。达到一个平台，多个训练模块的功能。软件平台总体架构如图4所示。

图4 虚拟化分布式军事装备训练管理平台架构图

4.3 虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件系统设计思路

参考通用训练信息系统架构，满足针对基于分布式多人虚拟现实可交互装备模型及虚拟现实环境开展仿真训练，包括人机协助和团队协作等多种训练模式，能够针对不同的技术配发阶段，让培训人员及受训者在不限定地点自主开展训练。

人机协助是由电脑生成参加的交互对象，参训人员负责和虚拟角色交互并完成部分指定任务；团队协助则是多个人同时交互协助完成系统布置的一次任务。军事装备人机工程训练突出针对装备本身需要的操作技能，操作界面熟悉程度，操作流程等培训，突出单装备单要素训练。军事装备环境适应性训练突出针对装备设备环境和受训人员心理素质环境，营造战场环境，营造高心理压力环境，突出装备作业评价过程。军事装备任务适用性训练基于任务开展训练，突出任务引导和操作提示，训练内容由易到难，由分解到综合，逐步提升；突出受训者综合运用多种类技术装备，成系统、成体系的一体化联合训练任务。

4.4 虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件四大训练核心功能

同时虚拟化分布式军事装备训练管理平台软件具有学训考评四大核心功能，结构如图5所示，既可通过“学”、“训”、“考”三大基础手段进行装备训练，更能够通过接口及数据分析模块，实现训练态势呈现与参训人员训练数据可视化，将“评”与大数据结合，用于训练管理人员进行综合评价和个人训练水平评估。

平台提供虚拟现实场景集合的功能，具体训练课目可以分阶段逐步开发并挂在服务器下统一管理，自由扩充，受训者根据要训练的技术装备需求选择下载或者使用。平台提供语音交流沟通的功能，可以在虚拟现实VR环境中进行语音，动作，文字交互的沟通。平台还可以提供分组Web环境文字及语音信息沟通互动功能。可以在训练前进行分组对抗的商议，战略战术制定等。

图5 学训考评四大核心功能

系统采用常规的Web远程登录方式及简洁的操作流程，分级精细评判，能够对受训者的训练情况进行记录并评定。

5 虚拟训练设备

5.1 训练套件构成

虚拟训练套件是学员受训的直接装备，每个套件包含1台计算机和1台虚拟现实眼镜。虚拟现实眼镜主要以头戴式显示设备(Head Mount Display，简称HMD)方式为主，呈现效果好，后期可开发相应传感器部件，实现肢体动作与虚拟物体的复杂交互操作。虚拟套件如图6所示。

图6 虚拟眼镜示意图

采用佩戴虚拟现实的头显(HMD设备)的方式实现装备操作、组织运用训练具备多感知性、存在感、交互性和自主性四个特点。一是多感知性。除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知；二是存在感。存在感是学员感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，对于装备操作模拟环境可达到使用户难辨真假的程度；三是交互性。交互性是学员对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，与操作实装具有相同的交互体验；四是自主性。自主性是虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度，在学员学习阶段虚拟装备可由服务器按照程序设计驱动，自主动作。

5.2 便携式VR设备

目前全世界先进VR体验均是固定房间规模的，VR系统有着其独特的复杂的产品结构，如何为它提供一个更加方便的产品携带解决方案则是一项巨大的挑战。VR便携式设备如图7所示。便携式虚拟现实训练套件创造了一种新的训练模式，让训练变得更便捷，可以在任何地方、任何时候进行训练。所有类型的技术装备都是“可携带式的”，这些技术装备都可安全放入一个“行李箱”内。便携式设备出现将使训练不再局限于固定场所。使分布式的虚拟化装备训练很容易就能够实现。

图7 VR便携式设备示意图

5.3 信息安全服务

可控交换服务面向军事综合信息网接入安全控制，采用多级互联平台技术，实现专业教学资源单向导入功能，避免训练环境与基于军事综合信息网的办公环境交叉信息安全问题。

安全免疫服务面向多专业共用场景的终端安全控制，采用主机加固、系统使用追踪等技术，实现共用训练条件的信息安全监管，提供训练条件安全防护能力。

5.4 设施建设

基础设施建设及硬件平台的采购搭建，示意图3.1所示：在A、B、C地各规划装备训练室，作为虚拟现实装备训练场所；布设相关强弱电基础设施、进行训练环境装修；采购n套便携式VR虚拟现实硬件设备，用于远程装备教学或训练点使用；采购n套沉浸式虚拟现实学员装备，作为中心器材，安装在教室内部，如图8所示为多人训练设备应用；开发采购训练管理平台软件及开展训练教学模块编制；采购并架设A、B、C地服务器群及部署虚拟化装备训练管理平台软件及数据服务。

图8 多人训练示意图

5.5 参数要求

训练平台满足教学训练可靠性要求、可维护性要求和安全性要求；虚拟环境与实际环境贴近，能够满足教学训练需求，能够提供符合要求的训练环境；模拟技术装备设备接口、外观与实装基本一致；模拟技术装备设备参数配置及实现功能与实装一致；虚拟技术装备设备零件尺寸与实装一致； 软件交互界面友好、简洁，操作方便，反应快速，具有更新及可扩展功能；图像清晰，效果逼真，人机交互良好；各种装备操控软件界面、功能与实际装备基本一致；可满足100人共同训练需求。

6 结 语

近年来，在包括世界移动通信大会等诸多相关行业盛会上，虚拟现实产品均成为前沿科技展会的热点之一。而随着硬件产品成本的不断降低，技术逐渐成熟，诸多巨头也将目光瞄准到虚拟现实的应用领域之中[3]。本文中虚拟现实分布式军事装备训练室的研制搭建将进一步推进军事装备教学训练方式向模拟化训练、网络化训练、实战化训练转变，实现基于分布式虚拟实战环境的、全流程、多任务的仿真训练，以及基于模拟实战的融网系、成体系的模拟训练。能够更好地解决实战操作训练时设备数量少、训练场地受限等问题，解决训练不贴近作战实际的问题，解决实装损耗过快、建设经费投入过大的问题，解决异地配合协同训练难的历史问题，解决实装训练战地临场感弱的问题，为我国虚拟现实提供实战化军事训练条件实现进一步突破。