元宇宙下水面舰艇作战训练研究

李宏海

1.解放军91336 部队 河北秦皇岛 066326

开展护卫舰、驱逐舰、航空母舰等水面舰艇作战训练,可有效提升舰艇战斗力[1],对夺取现代海战胜利至关重要,世界各国海军对其都极为重视.

为满足作战训练需求,国内建设了很多模拟训练系统,开展了大量研究工作,文献[2]设计了船艇机电综合模拟训练系统,文献[3]构想了基于真实作战场景的雷达训练模拟器,文献[4]研究了水面舰艇光电干扰系统模拟训练问题,文献[5-6]在舰艇编队指挥控制、作战系统等方面开展了一体化模拟训练探索,文献[7]讨论了美军分布式交互仿真（distributed interactive simulation,DIS）、聚合层仿真协议（aggressive level simulation protocol, ALSP）、高层体系结构（high level architecture, HLA）、试验与训练使能体系结构（test and training enableing architecture, TENA）、公共训练仪器体系（common training instrumentation architecture, CITA）等仿真架构及其在大规模训练中的应用.美国海军在联合训练层次,把海军、陆军和空军集成到一个虚拟战场空间进行训练,在海军合同训练层次,把水面舰艇、潜艇、舰载机集成到类似虚拟战场空间训练,在单平台训练层次,实现了全舰艇作战系统训练[8].但限于当前技术发展水平,国际、国内模拟训练在沉浸感、逼真度、规模等方面,均无法满足现代体系化海战训练要求[9].

元宇宙表现为一个平行于现实世界的虚拟世界[10],从系统仿真角度理解, 这个虚拟世界是一个超大规模分布交互式仿真系统,其核心本质与水面舰艇作战训练一致,均为系统仿真,因而有专家学者认为系统仿真是元宇宙重要基础技术之一[11].

鉴于水面舰艇作战训练与元宇宙本质相通,以系统仿真为纽带,借助元宇宙沉浸感强、逼真度高、规模大、灵活性强等特点[11],逐步改造现有作战训练系统,建设元宇宙下水面舰艇作战训练系统,支持全舰员、全流程、全要素、可扩展、高沉浸感、高逼真度、高敏捷性的体系对抗背景下进行作战训练,在技术上完全可行,是未来水面舰艇作战训练的发展趋势.

为实现元宇宙下水面舰艇作战训练,需要考察当前水面舰艇作战训练形式存在问题,设计元宇宙下水面舰艇作战训练系统,探索实现训练系统的关键支撑技术,确立作战训练发展目标,合理规划作战训练发展步骤,指引训练系统建设.

1 水面舰艇作战训练

水面舰艇作战训练是一种对抗性训练,主要有实兵对抗演习和模拟训练两种形式[12-13],实现上都是构设贴近作战实际的场景,将对抗双方置于作战场景中展开对抗,区别在于构设作战场景的方式.

实兵对抗演习以实际自然环境、真实作战平台、真实武器和实体靶标为主构设作战场景,由导演部根据对抗双方作战行为裁定作战结果,推动对抗过程,存在安全保密难、兵力动用多等问题,为解决这些问题,作战训练开始向模拟训练形式发展.

模拟训练利用仿真技术构建作战场景,对抗双方使用物理的、半实物的或者数字的仿真作战平台与武器装备在虚拟自然环境下展开模拟对抗.当前仿真建模技术、大规模联合仿真技术等关键技术水平下,模拟训练在作战规模、沉浸感、逼真度等方面与实兵对抗演习仍有较大差距[2-9]：训练或针对单个作战人员、单个作战部门装备操作,或针对战役、战术指挥决策,不能满足体系作战背景下全舰人员协同作战训练需要；不能准确得出雷达探测结果、电磁环境变化过程、导弹飞行轨迹、舰艇运动规律等关键作战要素,不能准确反映关键要素对作战的直接、间接影响；舰艇内部结构复杂,实现高沉浸感代价极大,通常只仿真与训练对象直接相关的视觉、听觉.

随着水面舰艇信息化水平的不断提高,尤其是指挥控制、预警探测、导弹火炮等作战相关功能系统的数字化、网络化、自动化,水面舰艇超视距、非接触作战的特征愈发明显,舰艇官兵大多数情况下可通过显示器、蜂鸣器、灯光等设备感知战场态势,通过计算机操控武器装备.得益于这一趋势,实兵对抗演习中开始融合仿真技术,以仿真模型驱动实际装备,实兵对抗演习与模型训练边界逐渐模糊.

2 元宇宙下水面舰艇作战训练系统设计

2.1 设计思路

与当前应用于模拟训练的主流分布交互仿真架构相比,元宇宙优势在于天然可接入大量地理位置分布的、功能各异的各类AR（增强现实）应用节点、VR（虚拟现实）应用节点,并能够将应用节点统一在同一时空下进行数字化交互.其中,AR 应用节点将其他应用节点产生的数字世界叠加到现实世界,使人将数字世界与现实世界感受为一个整体[14]；VR 应用节点对现实世界进行仿真建模并产生部分数字世界,混合其他节点产生的部分数字世界,借助感官仿真设备使得整个数字世界能给人身临其境的感官体验[15].

元宇宙下水面舰艇作战训练系统要充分发挥元宇宙优势,解决当前训练中存在的问题：一是利用现代水面舰艇超视距、非接触作战的特征,使用AR 技术为现实世界水面舰艇叠加包括环境、对手的数字世界,使用VR 技术为受训官兵提供接近真实作战的感官体验,解决沉浸感问题；二是借助元宇宙带来的建模技术、计算技术进步,构建更加贴近实际的仿真模型,解决作战过程与结果逼真度问题；三是将实际或虚拟的作战平台、武器装备、作战人员等作为应用节点接入系统,统一在同一时空下运行,形成全面覆盖敌、我、环境等关键要素的虚实合一作战场景,解决训练规模问题.

2.2 系统组成与功能

如图1 所示,元宇宙下水面舰艇作战训练仍以红蓝对抗方式开展,训练系统基本组成结构与当前模拟训练系统组成类似,主要包括红方节点、蓝方节点、战场环境节点、计算节点以及导控评估节点,区别在于各节点的内部组成与功能.

图1 训练系统基本组成图Fig.1 The composition diagram of the training system

2.2.1 红方节点

红方节点在作战训练不同发展阶段,由实际受训舰艇、友军实际兵力、虚拟受训舰艇、虚拟友军兵力的不同组合组成.

实际受训舰艇和友军实际兵力,要能够接收由计算节点产生的数字世界数据,并将其叠加到受训人员所使用的显示控制设备；要能够采集受训人员操作并传输到计算节点.

虚拟受训舰艇主体是舰艇三维模型,相当于实际舰艇作战层面的数字孪生,需要采用VR、脑机接口等技术为受训人员提供与身在实际舰艇一致的感受,三维模型要能够接收受训人员操作和计算节点数据,对操作和数据作出与实际装备一致的反应,要能够采集受训人员操作数据并传输到计算节点；虚拟友军兵力不需要建立三维模型,但要能模拟友军实际兵力的各种作战行为并将行为数据传输到计算节点.

2.2.2 蓝方节点

蓝方节点在作战训练不同发展阶段,由实际平台与装备、配训人员、虚拟平台与装备、虚拟人员的不同组合组成.

实际平台与装备是与红方进行对抗的作战平台及其搭载的武器装备,包括飞机、舰艇、潜艇等作战平台,以及反舰导弹、鱼雷、雷达、电子干扰等具体装备,由配训人员以强敌战法战术操作,使用物理手段模拟强敌兵力.

虚拟平台与装备重点模拟强敌装备作战能力,不需要建立三维模型,但要具备交互接口,供配训人员和虚拟人员操作,虚拟人员为计算机生成的强敌人员,使用强敌战法战术操作虚拟平台与装备.

节点要能够采集配训人员、虚拟人员操作数据并传输到计算节点, 要能够接收计算节点传来的数字世界数据并叠加到实际平台与装备、虚拟平台与装备.

2.2.3 战场环境节点

战场环境有实际、虚实结合、虚拟3 种形态,战场环境节点存在于后两种形态,负责采集实际环境数据,负责生成海洋地理环境、大气环境和电磁环境等环境数据,将数据传输给计算节点.

2.2.4 计算节点

计算节点保证对抗双方在同一时空、同一战场环境下对抗,是训练系统的核心节点.

计算节点采集红方节点、蓝方节点数据,按照描述作战规律的仿真模型,计算双方数据所代表作战行为对作战过程与结果的影响,生成数字世界数据并传输给红蓝双方,驱动对抗过程；按照描述战场环境变化规律的仿真模型,计算作战行为对战场环境的影响,并将结果数字化输出给双方,使双方可通过环境变化来感知战场态势变化,重点模拟电磁环境变化.

2.2.5 导控评估节点

与现有训练系统类似,导控评估节点主要功能包括想定生成、过程监视、指挥控制、结果裁决、效果评估等.

2.3 元宇宙相关技术支撑

元宇宙下水面舰艇作战训练系统是一个高沉浸感、高逼真度、超大规模、虚实合成、人在回路的分布交互式仿真系统, 实现系统应充分发挥元宇宙相关技术优势,解决当前训练系统问题.考察训练系统组成与功能要求,以及元宇宙相关技术特点,训练系统重点需要元宇宙效果优化类技术和综合集成类技术支撑.

2.3.1 效果优化类技术

效果优化类技术解决当前各类训练系统沉浸感不足、逼真度不够问题.

沉浸感技术支撑方面,主要针对受训人员,用于红方节点,利用VR/AR/MR、裸眼3D、全息投影、脑机接口等交互技术, 实现视觉增强、听觉延展、数字味觉、意识映射、体感交互等具身认知效果,使得受训人员在受训过程中通过眼、耳、鼻、舌、身、意获取的信息与实战基本一致,获得的体验接近实战,需要重点关注脑机接口技术.

逼真度优化技术支撑方面,主要针对作战过程与结果,用于各节点的虚拟兵力、虚拟平台与装备、虚拟人员、虚拟战场环境、作战过程与结果等仿真模型,利用大数据、云计算、数字孪生、人工智能等技术,实现虚实合成作战过程和结果与实战贴近,需要重点关注基于军事大数据的仿真建模技术和人工智能技术.

1）脑机接口技术

沉浸感达到真伪难辨程度是作战训练的最高目标,追求参训人员在训练中的听觉、视觉、触觉等感知与真实作战时感知一致,参训无法分辨训练与实战,依靠当前基于三维显示、音频播放等外部刺激式沉浸感强化手段很难实现,突破口在脑机接口技术.需要使用脑机接口技术实现“从机到脑”信息交互,直接将计算节点计算得到的外部感官体验信息传递至大脑,目前的研究以“从脑到机”为主,“从机到脑”尚待突破[16],暂不满足训练系统需求.

另外,脑机接口技术在军事方面的研究与应用,已经涵盖战场态势感知、指挥控制等方面[17],未来必将大量应用于水面舰艇作战,作战训练需要紧跟这种趋势.

2）基于军事大数据的仿真建模技术

军事大数据是所有军事对象、军事活动、战场环境及其他相关数据,以及数据处理与服务的全集[18].

训练系统要建立战场环境、作战指挥、作战实体、交战结果等多个方面、不同粒度的仿真模型,由于战争的复杂性以及对抗过程、作战结果的不确定性,采用机理分析、数学描述等基于因果关系的传统建模方法难以保证模型逼真度,可采用基于军事大数据的仿真建模[19],重点研究建模对象状态变化与其他作战实体状态变化之间的相关关系,形成输入输出与实际一致的仿真模型.

3）人工智能技术

训练系统要对作战人员建模,重点模拟人类在作战方面的自由意志[19],包括作战指挥行为、战术决策行为、装备控制行为、情绪波动、战斗决心等,这类仿真模型与人工智能高度契合,是作战方面的人工智能.

大数据、云计算的发展进步加快了人工智能技术突破[20],世界主要军事强国大力推进空战、指挥决策、军事训练等领域人工智能项目,已经取得一定研究成果[21], 这些成果经适当改造可用于训练系统.

2.3.2 综合集成类技术支撑

综合集成类技术利用高速无线传输、低轨卫星互联网、物联网、区块链、元宇宙管理等技术,将大量实际实体、虚拟实体集成在同一虚拟时空中运行,主要解决当前各类训练系统支持同时在线实体数量不足,即训练规模问题,需要重点关注战场信息标准化描述、元宇宙管理等技术.

1）战场信息标准化描述技术

训练系统要求水面舰艇、作战飞机、战场环境、仿真模型等虚实实体在同一虚拟时空环境下运行,实体之间、不同实体各组成部分之间必然存在大量信息交互,为实现节点的灵活加入退出,需要在实体以及实体组成部分层次对战场信息进行标准化描述.

战场信息标准化描述是战场信息交换标准化工作的一部分,从各个军兵种到联合作战层面的研究工作已经开展多年,取得了一定成果,但主要集中在实体之间的信息交换,未研究实体内部各组成部分信息交换[22],与训练系统要求尚有较大差距.

2）元宇宙管理技术

训练系统事实上形成了一个训练元宇宙,需要使用元宇宙管理技术,管理虚拟空间与真实空间的泛在连接与空间融合所使用的海量软硬件资源,即对实际装备、仿真模型、VR/AR/MR、裸眼3D、全息投影、脑机接口等软硬件设备实施资源、会话、时空一致性等方面管理[23].

资源管理包括资源描述、资源寻址、资源发现、资源分配等, 会话管理主要管理异构网络中资源与资源、资源与资源用户之间的交互[24],资源管理与战场信息标准化描述技术、会话管理技术配合,主要满足训练系统弹性需求.

时空一致性管理是实现训练系统的关键技术,原本产生于系统仿真领域,已成为元宇宙的一项基础技术.与系统仿真相比,元宇宙节点更多、规模更大,元宇宙应用必然催生时空一致性管理技术进步,从而满足训练系统需要.

3 元宇宙下水面舰艇作战训练发展规划

实现元宇宙下水面舰艇作战训练,依赖于元宇宙相关支撑技术的突破,随着这些技术的发展进步,可将实际作战平台及武器装备逐步数字化,建成以数字世界为主的元舰艇、元编队、元战场,解决当前水面舰艇作战训练中存在的各种问题.

按照训练系统中红蓝双方兵力以及环境数字化、虚拟化程度, 考虑训练规模和元宇宙未来发展,将元宇宙下水面舰艇作战训练发展划分为6 个阶段, 如图2 所示. 其中, 第6 阶段“全面战争”是最高发展目标.

3.1 以实抗实

红方由受训人员、实际舰艇、友军实际兵力组成,友军为舰艇、飞机等海空作战平台,蓝方由实际平台、实际装备模拟的强敌装备、配训人员扮演的强敌人员组成,战场环境为实际环境.

主要利用实际舰艇信息注入、强敌战法战术模拟、时空一致性、交战结果动态裁决、动态全息三维显示[23]等技术实现. 此阶段红方受训人员知道在训练,但所见、所听与实战基本一致.

3.2 虚实结合

红方组成与第1 阶段一致,蓝方强敌人员仍由配训人员扮演,但作战平台及装备发展为虚拟平台、虚拟装备,战场环境发展为虚实结合.

主要利用强敌装备作战能力模拟、作战过程数学仿真、虚拟环境生成等技术,受训人员作战感受与上一阶段一致.

3.3 智能强敌

红方友军兵力发展为虚拟兵力, 友军扩展到舰艇、岸基部队、潜艇、飞机、卫星等全部作战平台,蓝方强敌人员发展为虚拟人员,战场环境仍为虚实结合.

主要利用人工智能模拟强敌与我方人员作战行为、联合作战行为模拟、网络安全技术等技术,受训人员作战感受与前两阶段一致.

3.4 难辨真伪

红方受训人员范围扩展至全舰,包括舰艇损管、航海、轮机、医疗等非直接作战部门,友军扩展陆、海、空、战略支援、联勤保障等各兵种兵力,蓝方为全虚拟,战场环境发展为虚拟.

主要利用火焰、震动、障碍物、气味等非视觉感受反馈技术,受训人员作战感受与实战基本一致.

3.5 联合对抗

在上一阶段基础上超越水面舰艇作战训练范畴,训练规模扩展至全军联合,可开展联合对抗背景下水面舰艇作战训练,带动其他军兵种兵力训练.

主要利用人工智能模拟强敌联合作战指挥员、脑机接口、高性能作战过程计算等技术,受训人员难以从作战感受上分辨训练与实战.

3.6 全面战争

元宇宙下水面舰艇作战训练最高阶段,扩大战争模拟规模至与强敌及其盟友之间的全面战争,引入能源战、经济战、舆论战、外交战、认知战等作战样式,形成战争元宇宙,可开展全面战争背景下水面舰艇作战训练,也可带动对全体战争相关人员训练,受训人员完全无法分辨训练与实战.

4 结论

与实兵对抗演习、模拟训练等训练形式相同,元宇宙下水面舰艇作战训练,依然是通过让官兵参加战争预实践来提升作战能力,创新在于采用了基于元宇宙的战争预实践形式,能够形成更加接近实际的作战场景,为受训者提供高逼真度、高沉浸感作战体验,解决当前训练中存在的问题,可推广到其他项目训练,以及战法研究、作战试验、武器装备发展论证等军事应用.