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虚拟现实技术在模拟军事环境中的应用

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发表日期:2012-07-26 13:45:24.0

作者: [shenmadoushifuyun]注册时间:2012-07-24 14:41:11

『 普通 』

虚拟现实技术为提高军队训练质量、缩短武器装备的研制周期和提高指挥决策水平等

都发挥着极其重要的作用。


虚拟现实技术(
Virtual Reality,简称VR)是一系列高新技术如计算机软件、硬件、图形

学、多媒体、人工智能、智能人机接口、传感器、高性能计算技术以及人类行为学、心理

学等多领域最新技术的汇集与融合。像
IT界其他高新技术一样,比如计算机、Internet等,

这些新技术不仅是首先应用于军事领域,同时军事领域的应用需求与研究也是这些技术逐

步发展成熟的决定性推动力量,
VR技术也不例外。


到目前为止,虽然
VR技术的发展还不尽如人意,很多技术都还不是很成熟,但是VR技术

在军事领域已经得到了非常广泛的应用,它为提高军队训练质量、节省训练经费,

缩短武器装备的研制周期,提高指挥决策水平等都发挥着极其重要的作用。


在虚拟网中作战


军事训练是
VR技术应用最早,也是目前最成熟和最广泛的领域之一。采用VR技术构建武器

装备模拟器和各种联网虚拟训练环境进行军事训练,其突出的特点是不仅能够大大减少实

战和实装训练中的人员、物资损失,节约训练经费,提高训练质量,而且还不受自然地理

环境等其他条件的约束和限制。


目前
VR技术在军事训练领域主要集中在以下三个方面:


第一,单兵模拟训练。
采用VR技术能够构建与实际武器装备几乎一致的模拟系统来对武

器操作人员进行培训。这些模拟器不仅能够用来培训新的战斗机飞行员,坦克、火炮、导

弹操作人员和其他军事人员,还可以用来锻炼各类熟练的武器操作人员在各类危险环境下

的快速反应能力、心理承受能力和熟悉可能要参与实战的作战环境等。更为重要的是,它

还可以采用实战中飞行员需要飞行的真实地理环境数据生成虚拟作战环境对飞行员进行实

战前的培训。在阿富汗和伊拉克战争中,美军就采用综合了航空照片、卫星影像和数字高

层地形数据来生成高分辨率的作战区域三维地形环境,以几乎一致的三维战场地形来训练

执行任务的战斗机飞行员。很多飞行员都感慨在执行任务的过程中,见到的环境都在模拟

器中见到过,因此,大大减少了执行任务的难度和伤亡率。


应用实例
:美国的“F16”战斗机虚拟训练模拟器采用了三维图形可视化生成系统、

全封闭立体头盔显示器、三维交互式声音合成技术、
Provision高性能图形工作站、六

自由度的运动平台等先进技术手段,并制造了与实物同样大小的战斗座舱。其三维

图形生成系统不仅能够生成逼真的大范围虚拟地形环境,模拟不同自然环境下,如

雾天、雨天、暴风雪等各种飞行条件,其六自由度的运动平台能够模拟出飞机在各

种飞行动作下的运行触觉效应,其三维的声音合成系统能够合成出逼真的三维空间

声音的效果。


第二,近战战术训练。
把在地理上分散的各个战术分队的多个训练模拟器和仿真器连接

起来,构建一个基于网络的虚拟作战环境,即形成一个近战战术模拟训练系统。这样的虚

拟作战环境,可以使众多军事单位参与到作战过程之中,而不受地域的限制。这种系统不

仅可以训练战术级的指挥员,而且还可以进行战役理论和作战计划的检验,并预测军事行

动和作战计划的效果
,评估武器系统的总体性能等。


应用实例
: 美陆军的“近战战术训练系统”(Close Combat Tactical TrainerCCTT)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

仿真包括“艾布拉姆斯”坦克、“布雷得利”战车、
HUMVEES武器系统在内的多种

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。该系统通过局域网和

广域网联结着从韩国到欧洲的大约
65个工作站,各站之间可迅速传递模型和数据,

使参演人员能在虚拟环境的动态地形上进行近战战术训练。


第三,联合指挥训练。
在网络技术的支持下,VR技术可以使相距几千公里的实兵装备、

各种虚拟装备模拟器、作战指挥人员、指挥控制系统等连接在一起形成一个高度逼真的合

成虚拟环境进行对抗作战演习和训练,效果如同在真实的战场上一样,从而训练高层指挥

人员的指挥决策能力。


由于虚拟军事演习系统可以任意增加演习的次数,不受自然环境的限制,能够有效的克服

传统实兵演习周期长、耗费大,难以在较短的时间实施大规模战区、战略级演习的弊病,

在训练高层指挥决策人员中起到至关重要的作用。


1)缩短武器装备的研制周期


在武器装备研制的过程中,广泛采用
VR技术可以使设计研发人员在研制出真实系统之前,

先设计一个虚拟武器系统,对其进行先期的虚拟实验,并根据未来战争的特点和各种作战

想定,设置多种典型战场环境、作战背景进行反复验证评估
; 还可以让研制者和用户同时

进入虚拟的作战环境中操作虚拟的武器系统,充分利用系统提供的各种虚拟环境,检验武

器系统的设计方案和战技术性能指标及其操作的合理性。这样不仅可以大大缩短武器系统

的研制周期,节省大量的研制经费,并能对武器系统的作战效能进行合理评估,从而使武

器的性能指标更接近实战要求。


目前,在武器装备研制与采办领域逐步得到各国国防部武器装备采购部门和国防工业部门

认可的一种新的采办理念是基于仿真的采办(
Simulation based acquisition, SBA)。SBA本质

上是关于武器装备采办的全寿命的管理过程,但是其核心支撑技术是
VR技术。实际上,将

VR
技术应用于武器系统研制的各个阶段,已经成为世界各国武器装备研制策略的重要组成

部分。


在相关技术的选型与研制方案探索阶段,可以采用基于
VR技术的武器装备先期技术演示

Advanced Technology DemonstrationATD)来对相关技术支撑下的武器装备进行建模并

在各种虚拟的作战环境下进行虚拟仿真实验,检验相关技术的可行性,以确保系统设计性

能。在系统的研制设计阶段,采用基于
VR的虚拟样机技术(Virtual Prototyping)进行虚拟

设计,不仅可以保证系统设计的首次制造的正确性,而且可以大大降低研制费用,缩短研

制周期。在系统的制造阶段,可以采用基于
VR的虚拟制造技术精确模拟计划的生产设施和

过程,保证可生产性,降低制造成本,减少生产时间。在最后的实验定型阶段,采用基于


VR
的虚拟试验可以模拟可能出现的各种情况和环境因素,缩短试验时间和降低试验费用。



应用实例
: 美国第四代战斗机F-22JSF在研制的全过程中由于采用了VR技术,实现了

三维数字化设计和制造一体化,使研制周期缩短
50%,节省的研制费用超过93%。由

于采用
VR技术,在系统设计的初期,就能够向飞行员提供直接体验新设计优点的

“虚拟”系统,并能随时按照定货方要求现场修改设计,美军用这一技术成功地设

计了“阿帕奇”
和“科曼奇”武装直升机的电子座舱等。实际上,VR技术不仅在武

器装备研制过程中具有举足轻重的重要作用,在武器装备的学习、维修方面也已经

大显身手。


2)提高指挥决策能力


在作战指挥决策领域,
VR技术的应用主要包括两个方面: 一是通过对获取到的情报数据在

三维战场环境上合成逼真的三维战场态势场景,有利于指挥人员更加形象直观地把握整个

战场态势,辅助指挥员进行决策
; 二是采用基于VR技术的作战方案分析系统对指挥决策人

员提出的决策方案进行仿真分析,以便更好地为决策人员提供参考。


目前被广泛应用的三维战场可视化系统,如电子沙盘,数字化指挥所系统就是根据侦察到

的战场情报资料和战场自然环境,采用三维图形可视化系统合成出形象直观的三维战场全

景图,让指挥员能够全面直观地观察和分析双方兵力部署和战场情况,以便判断敌情,做

出正确决议。


应用实例
: 由美国海军实验室(Naval Research Laboratory)资助开发的Dragon系统可

以演示在
72小时内,提供90km×90km范围的DTED(数字地形数据)5级(1米分辨

率)特征数据和图像特征
; 在作战之前能够快速将复杂战场态势可视化,使指挥员及

其参谋人员能灵活使用二维或者三维动态显示系统更有效地制定任务计划和演练,

评估行动路线,保持对战场态势的认知。


在作战阶段,采用基于
VR技术研制的分析类仿真系统可以为指挥员制定的决策方案进行反

复的模拟仿真分析,以提供最佳的作战方案选择。分析类仿真系统不仅能够提供逼真的三

维战场环境,而且还能够对指挥员制定的决策方案的执行结果进行直观的可视化展现,使

指挥员能够一目了然了解决策方案可能出现的一系列后果,从而为指挥员选择和制定高质

量的决策方案提供参考。


应用实例
: 近些年来,美军着眼于其所面临的现实威胁和信息化战争的时代特征,先

后研制了一系列大规模诸军兵种联合作战分析类模拟系统,如
JWARSS(Joint Warfare

System)
JMASSJoint Modeling and Simulation System)、NETWARSWARSIM2000

等,并在这些系统的支持下进行了一系列的大规模联合军事演习,为美军的
21世纪

军事转型研究和军事理论创新提供了强有力的支持。

 

综上所述,将虚拟现实应用于军事领域,符合减少人员、物资的损耗,提高军事训

练效费比的现实需求与发展方向。今后的应用将会越来越广泛,发挥的作用也将会

越来越大。

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