基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)研究

徐慶堯，耿艷棟，唐立文，侯翔，楊超

（航天工程大學(xué)，北京 101416）

0 引言

分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練在軍事訓(xùn)練體系中起著承上啟下的作用，是連接專(zhuān)業(yè)技術(shù)訓(xùn)練和合同訓(xùn)練的中間環(huán)節(jié)，前承單兵終端訓(xùn)練，后接旅團(tuán)級(jí)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，是增強(qiáng)作戰(zhàn)單元“內(nèi)集外聯(lián)”能力的關(guān)鍵一步，是逐級(jí)合成、逐級(jí)生成體系作戰(zhàn)能力的重要階段。航天領(lǐng)域是世界各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高地，而開(kāi)展航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練正是培養(yǎng)人才隊(duì)伍的重要手段。如何有效組織航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練，提示訓(xùn)練質(zhì)量效果，世界主要航天大國(guó)都處于摸索研究階段，存在訓(xùn)練設(shè)施建設(shè)滯后、方法手段有限等問(wèn)題。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，模擬生成逼真的視、聽(tīng)、觸、嗅、味覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助相應(yīng)的輸入與輸出設(shè)備，與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。美軍早在1983年就制定了Simulator Networking計(jì)劃，開(kāi)發(fā)了滿足不同地域步兵、坦克駕駛員同時(shí)開(kāi)展訓(xùn)練的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境[1]。此后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2-9]，文獻(xiàn)[10]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到新員工電力培訓(xùn)中，提升了25%的整體工作效率，并大大降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[10]。文獻(xiàn)[11]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到校園三維展示設(shè)計(jì)中，具有高度真實(shí)感、沉浸感。通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)得出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感、交互性、想象性三大特征，能夠有效解決分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練中訓(xùn)練環(huán)境構(gòu)設(shè)難、訓(xùn)練設(shè)施緊缺等難題。因此，本文利用Unity 3D開(kāi)發(fā)航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)，使不同地點(diǎn)的參訓(xùn)人員可以依托該平臺(tái)同時(shí)開(kāi)展逼真、高效的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練活動(dòng)，極大提高了訓(xùn)練效率。

1 分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)的總體架構(gòu)

1.1 需求分析

本文應(yīng)用Unity軟件創(chuàng)建航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)，支持多位受訓(xùn)者佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備協(xié)同開(kāi)展戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練活動(dòng)。由于航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練科目眾多，本文以航天分隊(duì)的“機(jī)動(dòng)偵察情報(bào)保障行動(dòng)”科目為例，分析該戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)的主要需求。

1）平臺(tái)界面需求分析

受訓(xùn)者點(diǎn)擊平臺(tái)登錄界面進(jìn)入，登錄界面主要有登錄驗(yàn)證和注冊(cè)，受訓(xùn)者登錄成功后，系統(tǒng)獲取受訓(xùn)者的信息，并提示受訓(xùn)者選擇分隊(duì)崗位，然后根據(jù)崗位引導(dǎo)受訓(xùn)者開(kāi)展訓(xùn)練活動(dòng)。

2）訓(xùn)練環(huán)境需求分析

組訓(xùn)者作為平臺(tái)管理員，可根據(jù)不同訓(xùn)練情景，選擇不同的訓(xùn)練環(huán)境，如沙漠、叢林等，也可根據(jù)訓(xùn)練需要，設(shè)置雷雨、冰雪等極端天氣，以此來(lái)考驗(yàn)受訓(xùn)者隨機(jī)應(yīng)變的能力。

3）參訓(xùn)裝備需求分析

以“機(jī)動(dòng)偵察情報(bào)保障行動(dòng)”為例，該戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練科目主要由組織準(zhǔn)備、機(jī)動(dòng)展開(kāi)、占領(lǐng)機(jī)動(dòng)偵察接收陣地、陣地防護(hù)、轉(zhuǎn)移撤離等環(huán)節(jié)組成，每個(gè)環(huán)節(jié)的主要需求為：

①組織準(zhǔn)備：系統(tǒng)向受訓(xùn)者發(fā)送機(jī)動(dòng)偵察保障命令，受訓(xùn)者依托平臺(tái)迅速開(kāi)展任務(wù)籌劃，檢查車(chē)輛、攜帶運(yùn)行物資是否完好、齊全。

②機(jī)動(dòng)展開(kāi)：能夠?qū)崿F(xiàn)受訓(xùn)者按照崗位操縱車(chē)輛移動(dòng)、碰撞檢測(cè)，車(chē)載物資的裝（卸）載和搬運(yùn)。

③占領(lǐng)機(jī)動(dòng)偵察接收陣地：受訓(xùn)者能夠根據(jù)地形選擇正確、合理的地域接收陣地，完成各車(chē)輛間電纜連接，架設(shè)、撤收天線，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)試等。

④轉(zhuǎn)移撤離：受訓(xùn)者根據(jù)系統(tǒng)發(fā)布的上級(jí)命令和任務(wù)完成情況，有序組織撤離和轉(zhuǎn)移，人員分工明確，裝備物資清點(diǎn)有序。

4）多人在線需求分析

受訓(xùn)者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可在不同訓(xùn)練場(chǎng)所登錄平臺(tái)，共同開(kāi)展訓(xùn)練活動(dòng)，時(shí)間同步，系統(tǒng)按照受訓(xùn)者崗位標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)受訓(xùn)者訓(xùn)練活動(dòng)進(jìn)行評(píng)分。

1.2 總體設(shè)計(jì)

本文的航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)采用C/S架構(gòu)模式，客戶端應(yīng)用Unity 2019軟件開(kāi)發(fā)，主要用于實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的搭建、模型顯示及與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。服務(wù)器應(yīng)用MySQL+Apache構(gòu)建，主要用于實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者管理、協(xié)調(diào)控制及同步控制等功能。兩者之間通過(guò)在Unity 2019軟件中的腳本調(diào)用MySQL.Data.dll文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。

圖1 訓(xùn)練平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.3 開(kāi)發(fā)流程

將航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行總結(jié)歸納，可以依次分為：需求分析、平臺(tái)設(shè)計(jì)、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)和平臺(tái)測(cè)試四個(gè)步驟，如圖2所示。其中需求分析主要是根據(jù)不同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練科目的內(nèi)容分析訓(xùn)練全流程的需求；平臺(tái)設(shè)計(jì)主要是在需求分析的基礎(chǔ)上，收集素材，利用SolidWorks、Unity 2019等軟件開(kāi)展場(chǎng)景設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)、UI設(shè)計(jì)等工作；平臺(tái)實(shí)現(xiàn)主要是開(kāi)展模型效果渲染，利用C#編寫(xiě)動(dòng)作腳本，利用不同光照類(lèi)型優(yōu)化場(chǎng)景顯示效果，設(shè)置碰撞檢測(cè)，設(shè)計(jì)VR輸入設(shè)備與平臺(tái)的交互；平臺(tái)測(cè)試主要是開(kāi)展平臺(tái)的集成調(diào)試，處理和修復(fù)平臺(tái)bug，并對(duì)平臺(tái)代碼、界面、模型做進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 訓(xùn)練平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程

2 分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本平臺(tái)使用Unity 2019和SolidWorks創(chuàng)建三維模型，在Windows 7系統(tǒng)下使用Unity 2019游戲開(kāi)發(fā)平臺(tái)，連接主流交互設(shè)備Oculus Go實(shí)現(xiàn)分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)。平臺(tái)開(kāi)發(fā)所需資源如表1所示。

表1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.2 訓(xùn)練平臺(tái)開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)，首先應(yīng)用Unity 2019創(chuàng)建一個(gè)新的工程項(xiàng)目，然后將前期收集的素材分類(lèi)存放到工程目錄下的各文件夾內(nèi)，為平臺(tái)開(kāi)發(fā)做好前期的準(zhǔn)備工作。

2.2.1 登錄界面開(kāi)發(fā)

登錄場(chǎng)景主要實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者輸入賬號(hào)、密碼進(jìn)入訓(xùn)練平臺(tái)，新的受訓(xùn)者填寫(xiě)相關(guān)信息注冊(cè)新的賬號(hào)以及退出訓(xùn)練平臺(tái)等功能。綜合應(yīng)用Unity 2019中的Text、Button、InputField等組件搭建登錄界面，如圖3所示。

圖3 登錄界面

對(duì)登錄界面中的登錄、注冊(cè)和退出平臺(tái)三個(gè)按鈕分別新建對(duì)應(yīng)的腳本，并一一綁定起來(lái)，以登錄按鈕為例，首先在Assets/Scripts目錄下新建一個(gè)腳本LoginPanel.cs，將其綁定到登錄按鈕上。為實(shí)現(xiàn)登錄功能，LoginPanel.cs腳本添加內(nèi)容如下：

2.2.2 場(chǎng)景搭建

場(chǎng)景搭建主要是應(yīng)用Unity 2019構(gòu)建地形、植被等模型，同時(shí)也要根據(jù)訓(xùn)練科目的不同，構(gòu)建邊境作戰(zhàn)、城市作戰(zhàn)、海上作戰(zhàn)等虛擬環(huán)境，使受訓(xùn)者在逼真的訓(xùn)練環(huán)境中進(jìn)行摔打和磨練。以構(gòu)建地形模型為例，在Unity 2019的訓(xùn)練平臺(tái)工程項(xiàng)目，分別應(yīng)用Direction Light和Terrain在工程項(xiàng)目下添加方向性光源和地形，然后應(yīng)用地形設(shè)置工具繪制高山、樹(shù)木和湖泊等自然環(huán)境，如圖4所示。

圖4 地形設(shè)置界面

2.2.3 模型搭建

模型搭建主要是應(yīng)用SolidWorks構(gòu)建車(chē)輛、裝備等模型，其中一些簡(jiǎn)單的零件可直接應(yīng)用SolidWorks中的“零件”文件類(lèi)型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他較為復(fù)雜的模型，如車(chē)輛、器械等，需要采用裝配設(shè)計(jì)。本文采用自底向上的裝配方式，即先設(shè)計(jì)好全部零件，然后將零件作為部件添加到裝配體中。裝配完成后，還需要對(duì)模型的外觀進(jìn)行處理、渲染和貼圖，使模型更加逼真，如圖5所示。最后是將模型導(dǎo)入到Unity 2019的訓(xùn)練平臺(tái)工程項(xiàng)目中。

圖5 車(chē)輛模型圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建的航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種航天分隊(duì)受訓(xùn)者異地同步開(kāi)展戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的新方法。受訓(xùn)者通過(guò)該平臺(tái)可以協(xié)同開(kāi)展多項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練科目，提高分隊(duì)整體行動(dòng)能力，突破訓(xùn)練現(xiàn)實(shí)條件限制，顯著降低訓(xùn)練開(kāi)支。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)，豐富模型庫(kù)，以滿足更多航天分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練的需求。