XR與人工智能在美軍飛行員未來(lái)訓(xùn)練計(jì)劃中發(fā)揮作用

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 和混合現(xiàn)實(shí)（MR）等，被稱為“XR”， 這些技術(shù)已經(jīng)具備了民轉(zhuǎn)軍的條件。2019年11月底，洛克希德·馬丁公司官網(wǎng)發(fā)布了名為“在2020年將有三項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于軍事訓(xùn)練”的文章。文中指出在游戲中使用的虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟度、質(zhì)量和價(jià)格已經(jīng)具備了在軍事領(lǐng)域推廣應(yīng)用的條件。三項(xiàng)即將投入軍事應(yīng)用的技術(shù)是：

1．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+按需培訓(xùn)

就像網(wǎng)購(gòu)、外賣食品、最新電影這些都可以按需交付。軍事訓(xùn)練領(lǐng)域也沿著這條路在發(fā)展任務(wù)訓(xùn)練技術(shù)。仿真與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡相結(jié)合，提供了對(duì)武器裝備維護(hù)保障訓(xùn)練的新手段。最近，美國(guó)洛馬公司與美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)合作對(duì)新的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝備維護(hù)訓(xùn)練進(jìn)行了評(píng)估。

2．虛擬現(xiàn)實(shí)+多域培訓(xùn)

在多域戰(zhàn)場(chǎng)中，系統(tǒng)是相互連接和集成的。2020年，F(xiàn)-35模擬器將與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，以提供“隨戰(zhàn)而動(dòng)”的虛擬環(huán)境。隨著澳大利亞運(yùn)營(yíng)F-35機(jī)隊(duì)，該國(guó)正在構(gòu)建其最大的網(wǎng)絡(luò)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。愿景是將地面模擬器與飛行中的飛機(jī)以及虛擬的友好或敵對(duì)力量集成，使訓(xùn)練環(huán)境更真實(shí)。

3．混合現(xiàn)實(shí)+交鑰匙培訓(xùn)

軍事訓(xùn)練主要是以人為核心的， 而不僅僅是技術(shù)。傳統(tǒng)方法側(cè)重于提供訓(xùn)練工具和設(shè)備。如今，外軍正在采用更具創(chuàng)新性的方法來(lái)提供高效的學(xué)習(xí)方法。交鑰匙式訓(xùn)練計(jì)劃提供了一套包括實(shí)裝、模擬器、訓(xùn)練計(jì)劃、訓(xùn)練課件、教員等在內(nèi)的解決方案，快速增加學(xué)員技能，縮短訓(xùn)練時(shí)間，降低訓(xùn)練成本。澳大利亞、加拿大、英國(guó)和新加坡都采用了這種模式。這種模式還可以集成新興技術(shù)，例如混合現(xiàn)實(shí)結(jié)合了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合并現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界， 讓物理和數(shù)字域可以共存并實(shí)時(shí)交互。

“飛行員未來(lái)訓(xùn)練”（PTN）

PTN 學(xué)員按照傳統(tǒng)訓(xùn)練模式開(kāi)展保留科目的訓(xùn)練

PTN 訓(xùn)練場(chǎng)景

計(jì)劃簡(jiǎn)介

飛行員未來(lái)訓(xùn)練（Pilot Training Next，PTN）是美空軍教育和訓(xùn)練司令部（AETC）新訓(xùn)練計(jì)劃的一部分， 目標(biāo)是“重新想象”如何用新技術(shù)訓(xùn)練飛行員，提高訓(xùn)練效果并縮短訓(xùn)練周期，根據(jù)訓(xùn)練效果而不是訓(xùn)練時(shí)間來(lái)決定學(xué)員是否能畢業(yè)。該計(jì)劃將VR與傳統(tǒng)訓(xùn)練方式結(jié)合使用，為學(xué)員提供了補(bǔ)充訓(xùn)練，并取代了多達(dá)80個(gè)T-6初級(jí)教練機(jī)飛行小時(shí)。PTN將依靠多種新技術(shù)，包括虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、先進(jìn)的生物識(shí)別技術(shù)、人工智能和大數(shù)據(jù)分析，為學(xué)員提供了在以學(xué)員為中心的合作環(huán)境中學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。據(jù)AETC官員稱，教員鼓勵(lì)他們盡可能在課外使用他們的系統(tǒng)。

PTN使用商業(yè)模擬飛行軟件，如X-Plane和洛馬公司的Prepar3D。這些成熟的商用軟件可以模擬數(shù)十甚至數(shù)百種不同的民用和軍用飛機(jī)，從T-6教練機(jī)到C-130運(yùn)輸機(jī)、H-60直升機(jī)，甚至是F-35戰(zhàn)斗機(jī)。在PTN中使用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、仿真軟件和新學(xué)習(xí)理論等技術(shù)對(duì)飛行員訓(xùn)練進(jìn)行現(xiàn)代化優(yōu)化后，的確訓(xùn)練加快流程。學(xué)員們戴著HTC VIVE Pro頭戴式VR眼鏡（含耳機(jī)）除了能從眼鏡中看的虛擬環(huán)境外，看不見(jiàn)其他內(nèi)容，同時(shí)能聽(tīng)到模擬出來(lái)的環(huán)境聲音，就好像他們實(shí)際上是在駕駛艙內(nèi)一樣。HTC VIVE Pro頭戴式VR眼鏡具有最佳分辨率， 使用了發(fā)光二極管顯示屏。但是它還沒(méi)有達(dá)到理想的“眼球分辨率”，仍然有些細(xì)節(jié)比學(xué)員想要看到的要模糊一些。

學(xué)員仍然需要做以前在傳統(tǒng)訓(xùn)練中做過(guò)的許多事情。例如，當(dāng)降落傘在地面上被拖曳時(shí)，他們?nèi)詫⒔邮茏枇τ?xùn)練以學(xué)習(xí)如何斷開(kāi)降落傘的連接； 仍然需要進(jìn)入高壓氧艙，在受控環(huán)境中會(huì)經(jīng)歷缺氧或血液中缺氧的情況。

PTN計(jì)劃發(fā)展過(guò)程

第一期PTN于2018年2月開(kāi)始， 共有20名飛行學(xué)員參加，其中包括15名軍官和5名沒(méi)有大學(xué)學(xué)位的飛行學(xué)員。2018年8月，24周課程結(jié)束， 共184個(gè)學(xué)時(shí)，其中T-6基礎(chǔ)教練機(jī)飛行約有70~80個(gè)飛行小時(shí)，在模擬器中約有80~90個(gè)小時(shí)的正式飛行訓(xùn)練（不包括學(xué)生自己進(jìn)行的訓(xùn)練）。第一期共有13名學(xué)員順利畢業(yè)，通常飛行員培訓(xùn)需要一年的時(shí)間。在傳統(tǒng)的飛行員訓(xùn)練方式中，學(xué)員每天在模擬器和飛行教練機(jī)平均飛行0.5架次。而在PTN中，學(xué)員訓(xùn)練另一方面，接下來(lái)的學(xué)生平均每天要出動(dòng)兩次。

第二期PTN于2019年1月開(kāi)始， 共有20名飛行學(xué)員參加，其中包括10名現(xiàn)役空軍軍官，2名空軍國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)軍官，2名美海軍軍官，6名英國(guó)皇家空軍人員。在第二期中， 有14人在2019年8月畢業(yè)，其中1人需要接受進(jìn)一步訓(xùn)練后在9月畢業(yè)， 還有5人未完成該計(jì)劃。該批畢業(yè)生將繼續(xù)駕駛各種戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、特種作戰(zhàn)飛機(jī)。在14名畢業(yè)生中， 有7名畢業(yè)生被分配到戰(zhàn)斗機(jī)部隊(duì)（4名在美空軍、2名在美國(guó)海軍、1名在皇家空軍），3名被分配到空軍機(jī)動(dòng)部隊(duì)，3名被分配給空軍特種作戰(zhàn)部隊(duì)，1人被分配到轟炸機(jī)部隊(duì)。有消息稱，海軍飛行員被選中駕駛T-45“蒼鷹”高級(jí)教練機(jī)，而皇家空軍的畢業(yè)生將駕駛“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)。

在第二期課程開(kāi)始之前，20名中的8名加入了相對(duì)于第一期額外加入的沉浸式訓(xùn)練設(shè)備（Immersive Training Devices， ITD）遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)計(jì)劃，學(xué)員可以充分使用相關(guān)的學(xué)習(xí)材料和人工智能技術(shù)用于支持開(kāi)展訓(xùn)練。在正式課程開(kāi)始時(shí)，提前加入的學(xué)生對(duì)ITD的功能、T-6飛機(jī)的基本操作和儀表有了更深入的了解。其中2名搶先體驗(yàn)的學(xué)生也是最終第一個(gè)完成飛行訓(xùn)練的學(xué)生。

第三期PTN將于2020年1月開(kāi)始，計(jì)劃將加入數(shù)字地圖導(dǎo)航、傳感器使用、空空及空面任務(wù)的初始訓(xùn)練， 方便學(xué)員未來(lái)向正規(guī)部隊(duì)過(guò)渡。在第三期，將充分總結(jié)從前兩期中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。第二期證明了像人工智能這樣的新興技術(shù)對(duì)于飛行員訓(xùn)練的價(jià)值，以及學(xué)員盡早使用ITD帶來(lái)的好處。鑒于前兩期PTN的成果，AETC決定從2019年5月31日開(kāi)始將正式將飛行員訓(xùn)練的創(chuàng)新內(nèi)容整合到本科飛行員訓(xùn)練課程中。

L3 公司的BBXR混合現(xiàn)實(shí)模擬器

新技術(shù)對(duì)訓(xùn)練的影響

1．使用人工智能提升效率

在第一期PTN結(jié)束后，開(kāi)發(fā)出了一款名為“VIPER”的AI飛行教員。該工具對(duì)于個(gè)性化訓(xùn)練和讓學(xué)員能持續(xù)使用訓(xùn)練環(huán)境起到了至關(guān)重要的作用。憑借先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和相關(guān)的人工智能算法分析實(shí)時(shí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提高或降低速度和復(fù)雜性，為持續(xù)改進(jìn)訓(xùn)練過(guò)程提供了直接和客觀的支撐，進(jìn)而可以優(yōu)化訓(xùn)練大綱。

在PTN中還監(jiān)測(cè)學(xué)員的生物特征識(shí)別，使用人工智能分析來(lái)定制他們?cè)诿媾R不同困難程度情況下如何有效地訓(xùn)練他們。學(xué)員在心臟附近佩戴監(jiān)測(cè)傳感器，可測(cè)量心率、呼吸頻率、脈搏和血壓，查看學(xué)員對(duì)任務(wù)的反應(yīng)程度。例如，它可以檢測(cè)當(dāng)前科目是否對(duì)學(xué)員過(guò)于簡(jiǎn)單或困難。當(dāng)飛機(jī)單發(fā)失效或者任務(wù)臨時(shí)改變，或者遇到了惡劣天氣，敵方戰(zhàn)斗機(jī)或地空導(dǎo)彈來(lái)襲時(shí)學(xué)員心理的變化。

在PTN中，有一些專業(yè)知識(shí)被存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，允許計(jì)算機(jī)用自動(dòng)化的方式執(zhí)行一些完全客觀的過(guò)程，并用計(jì)算機(jī)對(duì)這些過(guò)程給出標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估。這可以減少對(duì)教員的需求，提高對(duì)飛行員篩選的效率， 但計(jì)算機(jī)教員不會(huì)代替人類。

T-6 基礎(chǔ)教練機(jī)

2．給學(xué)員定制課程

在PTN中教員可以根據(jù)每個(gè)學(xué)員的特點(diǎn)為其量身定制訓(xùn)練課程，強(qiáng)調(diào)“個(gè)性化”學(xué)習(xí)。有些學(xué)員學(xué)習(xí)得更快，有些學(xué)習(xí)得慢， 有些學(xué)員天生就擅長(zhǎng)于某方面， 但又缺乏其他技術(shù)，此時(shí)教員可以專注地解決學(xué)員的不足，避免浪費(fèi)時(shí)間去學(xué)習(xí)本已擅長(zhǎng)的東西。PTN使用的模擬器已經(jīng)做到了小型化，且本地占用空間小，大部分內(nèi)容放在云端。這種云服務(wù)的方式也給了學(xué)員不受場(chǎng)地限制的便利， 提供更多的動(dòng)手時(shí)間，讓他們按照自己的節(jié)奏練習(xí)。學(xué)員可以在此過(guò)程中證明自己對(duì)某個(gè)方面的掌握和熟練程度，并在適當(dāng)?shù)那闆r下更換學(xué)習(xí)材料。但是，也需要重新評(píng)估對(duì)訓(xùn)練設(shè)備的需求。盡管AI可以查看學(xué)員在自己練習(xí)時(shí)是否養(yǎng)成不良習(xí)慣，并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行糾正，但是學(xué)員們?cè)诩彝鶝](méi)有充足時(shí)間或者足夠意愿去訓(xùn)練。

3．低成本的初始訓(xùn)練

使用新技術(shù)減少了學(xué)員訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練成本，同時(shí)又做到了不影響訓(xùn)練的效果。同時(shí)，為了最大化發(fā)揮出有限訓(xùn)練預(yù)算的作用，也需要有一種高性價(jià)比的解決方案。如果要提供更多數(shù)量的設(shè)備，則必須在保真度、觸感或解決方案的其他要素方面做出一些折衷，以實(shí)現(xiàn)較低的價(jià)格。每個(gè)VIVE眼鏡的成本都不到1000美元，再加上座椅、計(jì)算機(jī)、軟件、教員顯示屏、操縱桿、油門和其他設(shè)備，每個(gè)VR模擬器的費(fèi)用約為15000美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)模擬器便宜。隨著在分辨率和視場(chǎng)顯示結(jié)合的進(jìn)步，頭戴式顯示技術(shù)將補(bǔ)充傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)。在某些情況下，這些利用“XR”技術(shù)的小型化、便攜式和可機(jī)動(dòng)部署的訓(xùn)練系統(tǒng)將分擔(dān)當(dāng)前傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)（如全任務(wù)模擬器）上開(kāi)展的一些訓(xùn)練任務(wù)，從而分擔(dān)了對(duì)這些高端的任務(wù)模擬器或者實(shí)裝的占用。

4．促進(jìn)LVC技術(shù)發(fā)展

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家使用實(shí)況-虛擬-構(gòu)造仿真（LVC）技術(shù)來(lái)幫助其開(kāi)展體系化對(duì)抗訓(xùn)練。在過(guò)去，實(shí)裝訓(xùn)練在培養(yǎng)戰(zhàn)斗力生成和戰(zhàn)備能力提升方面發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，由于仿真技術(shù)成熟，已將一些訓(xùn)練科目安排到虛擬環(huán)境中進(jìn)行。虛擬和構(gòu)造仿真將被更廣泛的使用，因?yàn)檫@種技術(shù)的費(fèi)效比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在“十四五”期間，隨著5G以及云計(jì)算、無(wú)線鏈路技術(shù)的改進(jìn)，將推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程及網(wǎng)絡(luò)安全的發(fā)展，仿真訓(xùn)練將會(huì)朝著整合實(shí)況-虛擬-構(gòu)造仿真的方向發(fā)展， 而不是將每種視為孤立的訓(xùn)練技術(shù)。

學(xué)員使用VIVE 眼鏡訓(xùn)練

小結(jié)

PTN計(jì)劃幫助飛行員訓(xùn)練向前邁出了重要的一步，這也很可能就是未來(lái)的空軍開(kāi)展新飛行員初始訓(xùn)練的方式。新的訓(xùn)練方式從過(guò)去的集中訓(xùn)練在向基于云的分布式訓(xùn)練轉(zhuǎn)變；從以訓(xùn)練內(nèi)容為中心向以學(xué)員為中心轉(zhuǎn)變。

虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練設(shè)備其在視景上有較高的代入感，在成本上比傳統(tǒng)模擬器便宜得多，在物理尺寸和應(yīng)用程序成熟度方面也有優(yōu)勢(shì)。但是在短期內(nèi)，“XR”訓(xùn)練方式不會(huì)取代現(xiàn)有的高端、高保真模擬器，只是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的一種補(bǔ)充，能夠提供額外的準(zhǔn)備和訓(xùn)練時(shí)間，加快知識(shí)轉(zhuǎn)移，以便在高端的模擬器中進(jìn)行更有針對(duì)性的訓(xùn)練。傳統(tǒng)高端模擬器在觸感和人機(jī)界面方面有優(yōu)勢(shì)，因此未來(lái)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將物理座艙和虛擬視景結(jié)合，給飛行員觸感的反饋。但是，如今的VR模擬器也存在著分辨率不達(dá)標(biāo)，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)給學(xué)員帶來(lái)眩暈感的問(wèn)題。