美國陸軍游戲化仿真訓練系統研究*

黃 蔚，盧建平，夏榕澤，孫 強，馮 鑫

（陸軍工程大學通信士官學校通信指揮系，重慶 400035）

0 引言

仿真作為描述戰爭的有效手段，具有科學性、經濟性、安全性等方面的突出優勢，各國對仿真技術的軍事領域應用都非常重視，不斷加大投入，拓展其應用范圍［1］。依據特定規律，以游戲化方式對各類軍事活動進行模擬仿真，并將其運用于軍事訓練實踐，是常見的訓練手段。從基本體能比拼到決策推演對抗，其展現形式多樣，運用非常廣泛。信息化、智能化技術的快速發展，使得游戲化仿真技術在短時間內發生了非常顯著的變化，同時也引起了軍事訓練領域的巨大關注。以美國陸軍為代表的各國軍事力量均開展了大量游戲化仿真的相關研究，業界主流對這種訓練方式的認可度正逐漸提升。

1 游戲化仿真在軍事活動中的演進

游戲運用于軍事訓練古已有之。很多角力類游戲，如摔跤、拔河等，本身就脫胎于古代軍事訓練，帶有強烈的對抗色彩。而后人們發明棋類游戲模擬軍隊交鋒，實現抽象層面的智力對抗，這類游戲本質是一種認知活動。這些活動運用到軍事訓練中，可在娛樂的基礎上對參與者智能、體能實現一定程度的提升。隨著信息設備軟硬件及網絡性能的提升，計算機圖形學及人工智能等技術的發展，嚴肅游戲（Serious Games）作為教授知識技巧、提供專業仿真訓練為主要內容的游戲，在軍事、醫學、工業、教育、科研、培訓等領域已得到廣泛應用。使用嚴肅游戲進行軍事模擬訓練，已逐漸成為軍隊訓練教學的一類重要手段，對其開發模式，組訓方式及效能評估等相關領域的研究也愈發成熟［2-4］。嚴肅游戲正式定義的提出可追溯到學者Clark Abt。其在所著的《serious game》書中對嚴肅游戲作出了一般性定義：“具有明確且深思熟慮的教育目的的游戲，不以娛樂為其主要目的”［5］。一般情況下，嚴肅游戲主要有以下3 個實用功能：傳遞信息，提供訓練及數據收集。根據功能的不同，嚴肅游戲主要分為5類［6］，如圖1 所示。其軍事運用主要集中于宣傳，教育娛樂及訓練模擬。美軍在嚴肅游戲開發及運用方面走在了世界前列。在美國發動對伊拉克戰爭的準備階段，就曾使用游戲來模擬城市巷戰，對士兵進行有針對性的訓練。

圖1 嚴肅游戲功能分類

隨著對嚴肅游戲研究的不斷深入，人們逐漸脫離具體游戲設計與實現的技術細節，抽象出游戲化（gamification）的概念［7］。游戲化就是將游戲元素（包括目標、規則、反饋、自愿參與等）系統地應用到非游戲活動中，形成一種對人的激勵機制，驅動活動參與者完成組織或個人想要達成的目標，游戲化目的性和可玩性的關系如圖2 所示。游戲化關鍵在于游戲元素如何有機組合形成合力，而形成合力的關鍵在于理解激勵機制背后的人，深刻認識其行為的驅動力或動機。軍事仿真訓練系統設計人員通過對行為驅動力的深入研究，嘗試開發出具有更佳訓練效果的游戲化仿真訓練產品。

圖2 目的性與可玩性象限圖

2 美國陸軍游戲化仿真訓練系統

2.1 美國陸軍游戲化仿真訓練現狀

因使命任務的多樣性及作戰環境的復雜性，美國陸軍對游戲化軍事仿真訓練系統非常重視［8］。針對不同訓練需求，美國陸軍研發了多套游戲化仿真訓練系統。根據其主要目標、訓練對象及承訓能力的不同，這些系統可劃分為單兵級（平臺級）訓練仿真系統，協同級訓練仿真系統及綜合仿真訓練環境等不同類別，如表1 所示。單兵級（平臺級）訓練仿真系統主要針對單人（單平臺）以及小分隊等陸軍基本作戰單位的戰術訓練，訓練重點聚焦于基礎作戰能力生成；協同級訓練仿真系統主要為陸軍排、連、營級規模的模塊化部隊提供一體化訓練條件，強調協同能力課目訓練；綜合訓練環境旨在建設基于云環境的統一虛擬訓練基礎環境平臺、訓練課目、評估標準及接口規范等，其他針對不同作戰任務使命及訓練需求的應用系統，均可使用其提供的資源來快速構建戰場環境并開展相應演訓活動。3類系統大部分實例在架構設計，技術基礎和訓練形式上均采用了游戲化設計的理念，系統目標清晰、規則明確，同時提供接近真實的反饋。部分系統甚至直接推出了民用娛樂游戲版本。

表1 美國陸軍游戲化仿真訓練系統分類

2.2 典型游戲化仿真訓練系統分析

2.2.1 單兵級訓練仿真系統VIRTSIM

虛擬現實戰斗訓練系統（VIRTSIM）是由雷神公司（Raytheon）為美國陸軍提供的一套士兵訓練嚴肅游戲。作為沉浸式開放空間虛擬現實訓練系統，VIRTSIM 在一個籃球場大小的訓練場地中，借助橡膠地墊及頭戴式VR 設備、仿真武器、裝備于人體及模擬訓練器材上的控制器，捕捉參訓人員的行為動作。與傳統模擬訓練系統相比，其優勢體現在靈活的場景構建、真實的訓練反饋及良好的訓練樂趣方面。VIRTSIM 可實現快速游戲化場景構建，并通過運動捕捉技術，實時將參訓人員的所有動作進行精確捕捉，將其導入這些通常在現實情況難以復現的訓練場景中，允許參訓者在其中反復熟悉自身使用的武器裝備及針對具體場景的應對措施；設備本身無線纜連接，允許參訓者在場地內自由行動，同時訓練使用的仿真武器，采用與實際武器一致的槍支重量、瞄準與換彈方式以及射擊后坐力體驗，參訓者穿著的特殊裝置，可通過脈沖刺激肌肉提供被子彈擊中后的模擬痛感反饋；系統可實現參訓者與系統AI 的對抗或多人之間的對抗訓練，使得訓練樂趣大幅增加。

作為單兵級游戲化訓練手段，該系統相比以前的模擬訓練系統有著巨大進步，但是目前尚存在不少短板：首先是系統建設成本高，MRI 運動捕捉技術需要強大算力支撐，普通硬件設備無法勝任，同時參訓人員穿戴的VR 設備及使用的仿真武器硬件成本也較高，且依賴定制化的軟件系統；其次是受限于無線傳輸、虛擬現實建模等技術瓶頸，系統訓練場景較小的問題短時間內無法突破，不能有效支撐更大規模的組訓。

2.2.2 協同訓練級仿真系統VBS3

美國陸軍通過“Games for Training”計劃（GFT）提出研發多人聯機的第一人稱游戲化訓練仿真系統，可部署于專業的綜合訓練場地，部隊教室乃至士兵的個人電腦上。最終以著名游戲開發商波希米亞互動工作室開發的虛擬戰場空間Virtual Battlespace（VBS）為代表的一批軟件系統成功中標。目前美國陸軍GFT 項目已經提供了92 個訓練支持包，覆蓋103 個協同訓練課目。除VBS 系統之外，還包括了用于進行作戰地域語言文化適應性訓練，及雙邊談判訓練的各類系統（如BiLAT 等）［9］。VBS 系統最新部署版本為VBS3。作為美國陸軍旗艦級游戲引擎，VBS3 是一款專用3D 第一人稱專用訓練平臺，可提供真實的半浸沒式、游戲化戰場環境，支持超過100 個覆蓋單兵及連級的協同訓練課目。隨著系統的升級，定制化的物理實體模擬訓練器材和其他基于商用現成品技術的軟硬件訓練系統可接入VBS3 系統，提供更多更復雜的訓練課目。

VBS3 脫胎于知名軍事娛樂游戲“武裝突襲（ARMA）”。相比于民用游戲版本，VBS3 除了大量使用美國陸軍軍事級實體模型外，在系統設計開發中同樣運用了規則（Dynamics）、機制（Mechanics）、要件（Components）等游戲要素。通過積分/勛章/排行榜（PBL），完整的任務腳本以及與訓練場景結合緊密的互動反饋等手段，試圖激發參訓者的內在驅動力，獲得更佳的訓練效果。基于其強大的虛擬戰場環境構建、任務規劃及推演能力，VBS3 將訓練重點放在了多人及分隊協同訓練上，強調協同訓練課目的設計與評估，對單兵戰術級訓練內容的逼真度不作過高強調。

2.2.3 綜合仿真訓練環境STE

隨著信息技術的進步以及對訓練需求的不斷深入研究，美國陸軍提出合成訓練環境（Synthetic Training Environment）的概念，謀求將虛擬仿真、構造仿真及游戲化訓練環境整合到一個統一架構中。STE 組成包括“全球通用地形”（OWT）、訓練模擬軟件系統（TSS）、訓練管理工具（TMT）以及一系列通用的模擬訓練用戶接口［10］。其核心為基于云驅動的OWT，士兵可在這個虛擬地球的任何虛擬戰場中反復進行各類訓練，而這些虛擬戰場都是基于其真實作戰地域生成。系統部署在云端，可通過網絡為分布在不同位置的其他模擬訓練系統提供統一的高逼真度全球地形基礎支撐環境。OWT 可對已有的和實時采集的原始地形數據進行矯正與關聯，并將生成的可用數據存儲，其他仿真訓練系統可訪問并使用這些數據；TSS 作為STE 的“仿真游戲引擎”，提供一個統一的使用開放架構及通用軟件API 的仿真訓練環境，所有仿真實體都在TSS 中進行交互；TMT則會提供一個使用者可在任何時間及地點進行訓練場景構建的簡潔應用，自動檢索和轉換權威數據并自動生成和填充仿真數據庫。

從系統設計角度分析，相對其他訓練系統，STE的目標不光是提供一個統一的虛擬訓練基礎環境平臺，更在于通過設計一系列的標準、規范、協議及接口，解決目前各類封閉系統各自為政帶來的資源浪費、兼容性差的問題。從游戲化理念角度分析，STE 從技術層面入手實現統一的資源要素及運用規范，為游戲化機制的運用提供了巨大的便利：比如建立標準化的游戲反饋及激勵機制后，參訓者的訓練效果評估能夠更加客觀公平，參訓者也會更樂于分享自己獲得的訓練榮譽，借助系統內社交平臺的傳播擴散效應，所有參訓者的內在動力都會大幅提高。

3 美國陸軍游戲化仿真訓練研究共識

通過文獻分析得知，美國陸軍在歷經多年系統開發建設、訓練組織實施和效能驗證評估活動后，對使用游戲化方式開展仿真訓練問題上逐步形成了一些共識。與傳統訓練手段相比，美國陸軍認為游戲化訓練仿真主要有以下幾個方面的特性：

從經濟角度看，相對于傳統訓練方式，使用游戲化訓練仿真手段建設成本低，升級維護成本也較低，在大量采用成熟商用技術進行產品研發后，其開發成本會進一步下降，而目前市場熱度不斷上升，商業資本對其應用前景持續看好。

從技術角度看，游戲化訓練仿真多采用先進的信息技術實現，與民用技術聯系緊密且演進迅速，開發周期相對較短，系統功能擴展及性能提升較為便利。美國陸軍在其項目建設實踐中非常注重前沿技術在游戲化仿真訓練系統建設中的運用，取得了較為可觀的訓練效益。

從組訓角度看，游戲化仿真訓練多具備分布式特性，能夠避免實兵實裝集中組訓帶來的一系列難以解決的問題，其訓練環境構建上也不再緊密依賴物理域描述，而可以方便地向信息域及認知域擴展，同時在系統組訓規模，施訓內容和訓練條件等方面都基本不再受限。

從效果角度看，盡管目前美國陸軍尚無結構化的明確方法可以全面量化檢驗受訓者在模擬訓練環境中的訓練效果，以及向實裝訓練效果的轉化程度，但相關研究已經逐步展開，并在心理逼真度、可感知訓練量［11］，以及特定課目訓練效果等方面［12-13］得出不低于傳統實兵實裝訓練方式效果的科學結論。

4 啟示與建議

通過梳理美國陸軍游戲化仿真訓練相關研究，可以得到以下幾點啟示：

4.1 要重視游戲化仿真訓練思想的研究及運用

目前包括我軍在內的多數國家軍隊開展模擬訓練還集中于裝備操作仿真等較低層級，其中一個重要原因就是基于傳統手段構建協同訓練及決策訓練的組訓環境困難重重。而游戲化仿真訓練在運用虛擬化，智能化等多種方式進行訓練場景設計方面具備天然優勢。在軍民融合產業快速發展的背景下，依托軍隊訓練研究機構與具備相應資質的地方企業技術研發力量，結合部隊實際演訓活動反饋，從理論及實踐上推動軍用游戲化仿真訓練系統建設及運用，可以豐富戰斗力生成模式并提升訓練效益。借鑒美國陸軍經驗，建議推進過程中，理論研究重點可關注新興技術（如大數據、人工智能等）在系統中的應用，以及游戲化仿真的訓練效果評估及調優，系統建設應聚焦綜合環境構建、協同訓練及決策訓練運用。

4.2 要加強游戲化仿真訓練系統建設頂層規劃

與美軍等相比，由于研究起步較晚及前期重視程度不足，當前我軍在開展游戲化仿真訓練系統建設與運用實踐中存在資源重復建設、核心技術缺失以及聯合程度較低等問題，系統訓練效費比不高。借鑒美軍在系統建設中的經驗及教訓可得知，加強頂層設計、統籌資源建設是解決上述問題的有效手段。建議我軍成立專業游戲化訓練系統建設領導機構，制定符合技術發展方向的規范化系統設計與建設標準，集中力量攻關系統核心技術，重點建設基礎平臺（如游戲仿真引擎［14］及地理信息系統等）并對下發布統一的系統功能服務。同時也要注重信息系統安全防范，通過政策傾斜、資金支持等手段助推系統國產化比例提升。

4.3 要聚焦訓練設計，提升訓練效益

研究表明高物理仿真度并不能提供更好的訓練效果，而心理逼真度在各類訓練任務（尤其是協同及綜合決策）中至關重要，且實現成本更低［15］。提升心理逼真度的方法在于優秀的訓練設計。根據游戲化的設計思想，好的訓練設計能夠激發受訓人員強烈的內部驅動力，同時帶來更加良好的訓練體驗，如更真實的任務壓力及環境壓力等，其產生的訓練效果比單純提升系統物理逼真度要高。建議我軍在進行游戲化仿真訓練系統建設中，應充分研究游戲化設計的內部機理，結合具體訓練需求，做好訓練的設計與組織，提升運用系統訓練的心理逼真度。與此同時，也要注意游戲化技術并不是簡單的“上癮”機制運用，也并非所有訓練類型都適合采用游戲化思路。

4.4 要注重游戲化仿真訓練的價值觀塑造作用

隨著全球化浪潮的逐漸衰退，各國家之間的全面競爭態勢正逐步加劇。文化軟實力作為國家力量的重要組成部分，在塑造國家形象、維護國家安全、實現國家利益等方面都具備重要作用。美國陸軍在其開發的游戲化仿真訓練系統中，非常重視軍事文化的輸出，處處展示其軟實力。根據美軍2010 年出版的《聯合心理作戰條令》，其軍事題材影視作品、游戲等已經被提升到了信息戰略軟工具的地位。通過軍事訓練，社交媒體及民用版商業游戲等手段，美軍不斷影響世界輿論，妝點自身形象，刻意抹黑他國。這一做法值得警惕與防范，同時也提醒在游戲化仿真訓練系統建設過程中，要在想定編輯、課目設計、場景構建等不同環節，注重自身文化認同的培養以及對外的戰爭觀、價值觀輸出。