来源 | 空天防务观察
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近些年，网络上频繁的出现了军方人员头戴沉浸式设备参加各类任务的照片，其中美空军、海军航空兵部队还围绕初级飞行员培养开展了“未来飞行员训练（PTN）”和“复仇者计划”等专项任务。这些新模式反映了明确的变革需求，传统的授课模式几十年来基本上没有变化，需要进行颠覆创新。新事物的出现需要一个接纳的过程，就像在90年代走进课堂的手写式幻灯片投影仪，再到如今早已普及的多媒体系统。随着沉浸式设备以及用游戏卡或GPU取代定制显卡，不远的将来沉浸式设备可能也会走进课堂或者千家万户。沉浸式设备和游戏引擎并不是新鲜事物，但是通过两者的集成创新产生了新价值。美国军方将电脑和电子游戏用于军事目的并不是什么新鲜事。在九十年代后期，美军就开始使用“闪点行动”（Operation Flashpoint）和武装突袭系列军事模拟游戏，美国军方向游戏公司提供了相关软件支持。凭借着民用市场有着软硬件解耦、市场竞争激烈、软件维护性好等特点，以民促军，真正的降低了进入军用市场的门槛。
2007年空一师使用Su-27仿真游戏（央视照片）软件接口可扩展。商用产品在设计之初会更广泛的针对市场提供一定开放性，往往只有定制产品可以由设计员在用户指导下使用现成的工具构建，而较为通用的产品，如地形、植被、民用车辆等，可以从众多第三方来源随时获得。根据天气、地形、植被和跑道长度的特定组合定制场景，或模拟特定的地理位置。灵活的硬件选择。传统上，模拟器是软硬件绑定的产品，这限制了用户升级灵活性。游戏引擎的设计可以在各种硬件和操作系统配置上平稳运行，一些现代游戏引擎可以输出到多种类型的显示设备，用户可以有更多的选择来开发新系统和改进现有系统。空间部署更灵活。利用游戏引擎驱动的头戴式显示器，可以显著节省占地面积，并降低飞行员训练模拟器所需设施的成本。头戴式系统不是取代大型球幕投影，而是增加仿真培训的可用性。一个只能容纳一个球幕模拟器的空间可能可以容纳至少六个使用沉浸设备的部分任务训练器。开源的可能性高。一个开放且可扩展的体系结构，以及可获得的源代码，简化了任务关键型应用程序的验证、确认和认证（VV&A）过程。从网络安全的角度来看，掌握源代码意味着可以在任何时间间隔执行自动源代码审查，可确保应用程序的完整性，同时保持尽可能小的攻击面。视觉效果更真实。游戏引擎主要面向大众群体，为了吸引用户，其图像渲染和特殊效果的制作更加用心。例如音效、光斑、阴影等细节是现实主义的重要组成部分。光线通过云层、烟雾、雨和雪的衰减和扩散应该准确地表示出来。开发文化更开放。专用的仿真平台会限制用户依赖平台提供商进行维护和内容开发。通过游戏引擎，开发教程可以通过视频和文档随时按需提供经验丰富的开发人员组成的活跃社区定期相互交流，分享知识，创造了一个竞争激烈的市场。有效的航空培训侧重于提高态势感知和决策过程，持续寻求利用先进的学习技术，控制成本、提高效率，同时减少培训时间和减少周数，让学员更快地进入前线中队。沉浸式设备的节约成本和附加容量优势已经使其成为美国军方非常感兴趣的领域。美国空军一直致力于利用虚拟现实技术进行模拟地面飞行训练，以此作为帮助培养足够数量新飞行员的一种方式。第355训练中队的A-10模拟器实验室一直在使用飞行模拟游戏，该部门早在2018年就开始了建立该培训实验室，使用创新项目基金中的资金采购商用现货软件和硬件。一些A-10攻击机飞行员现在使用一款非常复杂和逼真的游戏正在训练，被称为“数字作战模拟世界”，通常简称为DCS。该训练中队还配合上商用虚拟现实耳机和其他游戏外围设备，以提供一种低成本的方式来增强地面和空中更传统的训练方案。在建立A-10模拟器实验室之前，地面培训仅包括“课堂教学、基于电子课件培训和全任务模拟器训练。当VR技术与DCS游戏软件结合使用后，提供一个身临其境的简易模拟器，培训包括操作数字A-10的所有方面，包括：地面操作、启动、滑行、起飞、着陆、编队飞行、武器使用、威胁应对、空对空加油和其他关键能力。DCS由Eagle Dynamics开发，该公司成立于俄罗斯，但现在被收购后总部位于瑞士。DCS于2008年首次发布。该软件底层可以免费下载，但新飞机和其他附加功能的游戏模块需要额外采购和定制开发。简单地把DCS称为游戏可能有点不公平，因为其保真度极高，大多数DCS飞机模型都有完全“可互动”的驾驶舱，以及可控制的飞机子系统，还支持与沉浸式设备结合在一起。即使是在DCS中启动飞机，操作程序也几乎与实际情况相同。 
更大、更传统的全任务模拟器在沉浸式设备出现之前提供了重要的模拟飞行体验，基本上是A-10驾驶舱的完全物理复制，但其数量也有限，操作和维护成本也很高。由于A-10没有双座版本，这意味着新飞行员在首飞时只能独自飞行。使用DCS等软件进行虚拟现实训练不能替代真实的飞行训练，没有削减教学大纲中的模拟器或飞行时间，而是利用这项技术生产出更致命、更高效、更安全的A-10飞行员。这些更小、更灵活的系统非常适合进行临时训练，将充分利用每一个飞行小时，以保持飞行员在全任务模拟器发挥更好的状态。虚拟现实项目有两条截然不同的工作路线，第一个是在实验室可以驾驶数字A-10并练习任务，第二个是在用VR设备记录并360度回放。此外，在训练空中加油等需要深度告知较强的任务中也有优势，以准确地演示与加油机编队飞行，没有任何2D屏幕可以显示精确飞行这些类型的近距离编队所需的深度感知。
在2017年，空军教育和训练司令部意识到如果PTN项目能更多、更好、更快的培养飞行员，那么也应该有相同路径去培养维修人员，帮助解决维修人员短缺问题。虽然与培养飞行员的PTN项目类似，但仍有很多不同之处。首先，飞行模拟器已经存在很长一段时间了，但维修模拟器对于维修人员来说是比较陌生的概念。另外，技术需求也有所不同。不同的科目和不同类型的培训将需要不同类型的训练技术。举例来说，飞行学员佩戴沉浸式设备典型任务时间在一个半小时左右，但这种设备对于可能在要连续培训8小时左右的维修人员来说太重了。 
学员一旦戴上沉浸式设备，就会沉浸在一个真实的三维世界中。首先，学员到达虚拟休息室里。当虚拟教员走进房间时，指示跟随进入机库，接近虚拟飞机。虚拟教员会按照培训大纲给出日常作业。在分配任务后，学员将与虚拟教员配对，指导学员完成整个过程。以更换轮胎科目为例，学员有三种不同的学习方式。第一种是观看演示，观看虚拟教员进行维修。虚拟教员由人工智能驱动，能够在没有任何人为影响的情况下完成任务，学员可以看到整个过程的发生。第二种是学员在教员的提示下完成训练任务。第三种是学员独自完成整个任务。通过三种方式反复训练，帮助学员形成完成工作所需的肌肉记忆。这种以学员为中心的模式是培养未来人才的关键。VR程序的控件很容易学习，有助于简化学习过程。虽然实验室不能代替在机身上工作的经验，但它极大地提高了培训能力。通过这种能力，维修人员可以熟悉在演习期间很少或难以涵盖全的程序维护。在不需要实装的情况下在更短的时间内培训维修人员的能力，帮助其训练无法一次花费数周时间完成的科目，例如持续数周的定期大修。
现实中的教员可以仅作为安全员站在学员身后看，也可以在学员完成这些步骤时进行指导及根据需要进行纠正。计算机可以捕捉学员的动作，并能确定他们在三维环境中的位置，教员可以在屏幕上实时观看他们的工作。训练中将环境安全危害等因素考虑在内，例如轮胎更换科目中，如果一名学员试图移除安全绳，但没有按照要求佩戴护目镜，那么在虚拟世界中，安全绳将击中他们的眼睛，屏幕将变红，让学员立即知道自己做错了什么。 
使用游戏引擎可以直观、快速的展现并先期验证一些全新的作战使用概念。在2022年1月，美空军实验室（AFRL）举行机载定向能武器（DE）、动能武器（KE）协同运用概念实验（DEKE DEUCE）。参加实验的飞行员、武器操作员、指挥员一起在在虚拟现实战场环境中执行模拟任务，重点探讨了两种武器可能担负的作战任务，并研究了机载高能激光吊舱与另外两套未来动能武器的协同运用问题。此次实验着眼于定向能武器和动能武器的不同性能，摸索出一整套协同运用这两种武器的战术程序和方法，弥补了未来体系化作战存在的不足。这项实验提供了一个独特的机会，可以将全新的武器概念展示在飞行员和其他人员面前，这在传统情况下是不可能看到的。通过此次实验，建模小组也能学到很多新收获，参加实验飞行员的反馈建议对小组人员建模工作大有帮助，在虚拟环境中与飞行员交流问题和建议要比实装飞行后的反馈效率高得多。AFRL此前曾探索过使用模拟测试环境来开发新的系统和能力。在2021年，AFRL与约翰霍普金斯应用物理实验室合作开发了一个称为“圆形竞技场”的环境，它提供了“真实世界的数字仿真”和“武器研发所需的LVC能力”。竞技场的开发得益于同一团队去年在DARPA的阿尔法狗斗试验中使用的数字战场空间的工作。另外，空军的“武器一号”项目也探讨了类似的概念，使研究人员能够开发实际武器系统的“数字孪生”，能够在比以真实世界测试靶场内低得多的成本和更短的时间进行测试。 
近些年，无论是军用航空还是民用航空，都持续面临着飞行员短缺的问题。造成短缺的问题可能来自于三个方面，一是从业人员流动性加的；二是培训周期太长；三是对航空感兴趣的青年减少。如果青年在科学、技术、工程和数学方面有天赋，他们可以在创新性的企业中获得丰厚的收入，不一定要去波音、洛克希德等航空企业工作，更不用说从事艰苦的一线飞行。通过模拟飞行早期培养对航空的热情，让青年感受到航空的乐趣，而且成本极低。沉浸式设备提供的真实感与使用监视器或头部跟踪设备完全不同，是绝对革命性的。十年前，很少有家用系统能够顺利运行模拟飞行类软件。如今，硬件能力终于赶上了软件制造商的雄心。即使在沉浸式环境中，功能强大的显卡和处理器也可以提供平滑的帧率。在过去，在军用航空领域主要依靠年度举行的航展、电影和军种开放日是吸引青年，尽管现场带来的震撼体验能让青年热血沸腾，但这种广告费用很高，如F-16每小时飞行费用为2万美元左右，一次每次航展的费用少则数十万美元。同样多的钱，空军能给多少年轻人在他们的学校提供一小时的免费虚拟飞行指导？这是一件值得认真思考的事情。对于私照或运动类市场，在虚拟现实中，许多基础知识可以在家里学习，如熟悉座舱和基础飞行技能训练。这与美空军PTN项目思路是一致的，即将一部分初级训练课程迁移到PC/虚拟环境中完成。在掌握了这些技能后，学员可以更有效地在实装飞行中运用技能。1.做一款有航空特色的PC软件。仿真平台和游戏引擎这两个名词同时出现时，大部分用户更喜欢前者，因为听着专业，有高大上的光环。但久而久之也有用户逐渐反应运维差，更新慢，软硬结合，绑架用户等问题，形成了对市场的垄断。由军方指导，工业部门牵头，参考现役空战训练系统的消息格式和评估裁决方法，以软件硬件解耦的方式将航空装备数字化。推出军用版本和民用版本，同时利用云技术以大规模仿真，为每位用户飞行员创建一个独立账户供其在PC环境下使用，也可参随时与到LVC任务中。2.识别出适合游戏参与的科目。在现有空勤、地勤的训练大纲中，识别出一些可以由仿真或游戏引擎代替的科目，如入门飞行和初级任务训练。将以学员为中心的思路融入训练大纲编制，让其可以按照个人习惯和节奏学习。全任务模拟器的价格和占地面积足矣置换更多成本低、占地少的PC设备。这当然需要统筹好软件的审计，让供应商由靠球幕等硬件盈利转向靠开发、维护软件盈利。3.软件开发维护需要久久为功。以BISim公司著名的VBS4平台为例，由一个200人的团队花费7年多的时间才构建。在这期间，与军事用户、领域专家密切合作、共同开发，产生了18000个3D模型、200个专用仿真用例和服务，以及得到增强的全球地形技术。所以说，很多软件并不是不够好，是没有得到足够的机会和持续的信任，这不仅仅是在开发上投入的时间和金钱。－ The End －
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