Весь мир — полигон

В июне этого года американские военные чиновники провели встречу с представителями промышленности и научных кругов, чтобы продолжить работы над созданием полностью интегрированной глобальной виртуальной учебной среды. Этот амбициозный проект призван значительно ускорить и улучшить процесс подготовки солдат к выполнению боевых задач. 8 Июль 2015, 07:46
Основная идея проекта Future Holistic Training Environment — Live Synthetic (FHTE-LE, «Глобальная учебная реально-виртуальная среда будущего») — связать все имеющиеся на сегодня виртуальные учебные комплексы (virtual training environments) в одну программу, которая позволит солдатам в любой точке земного шара иметь доступ к глобальному виртуальному полигону.
Кадр из презентации , представленной на симпозиуме по развитию тренинговых центров в армии США 18 июня 2015 года . Источник ttp://www.ndia-cfl.org/pdf/2015/08_TSIS2015_COL_Cannon.pdf
Идея, с одной стороны, проста: объединить лучшее, что имеется из наработок в проведении традиционных учений и бурно развивающихся цифровых технологий. Но на деле даже эксперты не всегда могут объяснить, как это будет выглядеть. Попробуем включить фантазию. Представьте себе взвод, который участвует в учениях на небольшом полигоне. Все выглядит довольно обычно и предсказуемо — учебные стрельбы, тактическая подготовка — но только на первый взгляд... Воздушная тревога! Сверху, рассекая воздух, несутся смертоносные снаряды. Солдаты прячутся в укрытие. Взлетает в небо земля, взрывается техника. Пламя, дым, пыль. Бойцы все это слышат, видят и чувствуют. Разве это не странно? Обычные учения — и вдруг такое!

Вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что самолетами — точнее, их виртуальными моделями — управляют пилоты, находящиеся за штурвалами авиасимуляторов в тысячах километров от «атакованного» полигона. А тот самый взвод видит все происходящее вокруг сквозь специальные очки виртуальной реальности. Причем видит одновременно и окружающий ландшафт, и проносящиеся в небе штурмовики, и взрывы снарядов.

Солдаты 157-й пехотной бригады в составе дивизии East 1-й Армии США проходят обучение на Dismounted Soldier Training System («Тренажер пехотинца», DSTS). Такое обучение пока не заменяет собой традиционных учений, но позволяет оперативно менять сценарии боевых действий и многократно их повторять.


Потоки информации — видео-, аудио-, цифровые данные — несутся мощным потоком через спутник: виртуальные пилоты «атакуют» взвод, отслеживая его перемещение с помощью сенсоров, размещенных на «беспилотниках», на территории полигона и даже на экипировке солдат.
И это не отрывок из книги в жанре «боевого фэнтези». Подобные учения могут стать реальностью в ближайшее десятилетие (а то и раньше) — концепция FHTE-LE уже находится в процессе активной разработки. Полковник Джон Дженишевски (John Janiszewski), директор учебного центра National Simulation Center в Форт-Ливенворте (Канзас) — один из энтузиастов сверхсовременного подхода к обучению солдат. Именно его доклад привлек самое пристальное внимание на июньском форуме Training and Education 2025 and Beyond Industry Forum, посвященном новым учебным методам и инструментам.

По словам Дженишевски, детальные требования к FHTE-LS будут проработаны к следующему году, ввод «искусственного мира» в эксплуатацию начнется в 2022 году, его полноценное использование стартует в 2025-ом.

Директор учебного центра в Форт-Ливенворте довольно четко описал все основные преимущества, которые получат военные, приложив усилия к развитию «глобального полигона». И их действительно немало. Например, Дженишевски считает, что интеграция разных учебных сред — обычной, виртуальной, имитирующей боевую обстановку и даже игровой — увеличит реализм учений и снизит зависимость от дорогостоящих учебных комплексов. FHTE-LS должна превратиться в единое учебное пространство, объединяющее сушу, море, воздух, космос и киберпространство. И всеми этими возможностями смогут воспользоваться каждый солдат, каждое подразделение, находящееся в разных уголках земного шара, круглосуточно, семь дней в неделю.
Использование искусственного интеллекта (ИИ) при реализации концепции сможет воспроизвести практическую любую, самую сложную оперативную обстановку и не­опре­де­лен­но­сти, связанные с ней. Использование аватаров (представителей участников обучения в виртуальном мире) позволит снизить расходы — например, на интеграцию в FHTE-LS автоматизированных инструментов и виртуальных ИИ-преподавателей и экспертов, которые обеспечат целостную картину учебной оперативной обстановки.

С вводом в эксплуатацию глобального виртуального полигона у командиров всех уровней появится возможность получить обратную связь — применение аналитических и оценочных инструментов позволит получить детальную картину уровня подготовки отдельного солдата и всего подразделения.

One World Terrain

Одна из приоритетных задач на пути к реализации концепции FHTE-LS — создать цифровую копию поверхности всего земного шара для того, чтобы командиры подразделений могли проводить «виртуальные учения», воспроизводя любую точку планеты, включая населенные пункты. Эту цифровую модель земной поверхности, которую называют One World Terrain, можно сравнить с проектом Google Earth, но она имеет дополнительный набор параметров, особо важных для выполнения боевых задач, а также более высокую точность и разрешение.

Один из коллег Джона Дженишевски, подполковник Джейсон Колдуэлл (Jason Caldwell), руководящий учебным центром National Simulation Center в Форт-Райли (Канзас), описал One World Terrain образно и точно: «Это цифровая грязь, в которой командиры подразделений смогут быстро воспроизводить боевые сценарии и ознакомиться с местностью, на которой им придется действовать, до реального развертывания».
One World Terrain — не только география и архитектура. Это еще и полноценная среда обитания. Солдаты, обучающиеся на виртуальном полигоне, смогут получать в режиме реального времени всю необходимую информацию о политическом, социальном и экономическом состоянии той или иной территории. Это может быть и общий взгляд на какие-то мощные тенденции, и фокус на мелких, но значительных деталях, собранных в соцсетях.

Считается, что отслеживание изменений в региональной и локальной культуре, а также межкультурных связях поможет командирам быстро моделировать любые процессы в любой точке мира, что в итоге поможет улучшить качество полученного в этой виртуальное среде опыта. 

Четыре в одном

Бригадный генерал Майкл Ланди (Michael Lundy), заместитель командующего генерала в Army Combined Arms Center, выступая перед аудиторией на январском Army Aviation Summit, сказал: «Мы хотим отойти от использования многочисленных разнородных систем, виртуальных игр и обучения. И получить одну общую искусственную систему, которая позволит снизить расходы и виртуально воспроизвести любую оперативно-тактическую ситуацию».
О каких многочисленных системах говорит генерал? Вообще, учебная работа в современной Армии США ведется на основании принципа Live, Virtual, Constructive – Integrating Architecture (LVC-IA), предполагающего использование трех учебных сред — реальной, виртуальной и воссозданной (под последней подразумевается имитация оперативной обстановки). Integrating Architecture здесь означает общую интеграционную архитектуру (интересно, что сегодня вместо аббревиатуры LVC-IA, все чаще используется LVC-G, где G — «игровая среда»). На сегодняшний день американские военные чиновники внедряют концепцию интегрированного учебного пространства (Integrated Training Environment), которое, собственно, и должно превратиться в Future Holistic Training Environment — Live Synthetic, будучи дополненным рядом новых возможностей.

L — Live Simulation, реальные учения

 
Войсковые учения существуют и совершенствуются испокон веков. Но даже это направление можно и нужно улучшать. Например, в National Training Center (Форт-Ирвин, Калифорния) в учебных мероприятиях довольно широко используются системы генерации шумов и даже запахов. Рядом, на базе Кэмп-Пендлтон, морпехи в своих учениях используют новейшие достижения в области спецэффектов и моделирования, применяемые в кинематографе.

Еще одно улучшение — возможность отслеживать движения солдат с помощью радиометок. Подобная технология значительно отличается от внедренной в 1980-х и широко применяемой The Multiple Integrated Laser Engagement System («лазерный тир»), которая могла только лишь фиксировать попадание в цель.

Но еще многое предстоит сделать. Например, необходимо разработать очки дополненной реальности, готовые к использованию в полевых условиях, или специализированные облачные вычислительные системы.
Военные конфликты, в которых участвуют США, позволили позабыть о многих видах учебных мероприятий. Но так как правительство планирует отказаться от ведения активных боевых действий в ближайшее время, полноценные учения вновь выходят на передний план.

Астронавты Рейд Вайс­ман (Reid Wiseman) и Стив Свенсон (Steve Swanson) проходят предполетную подготовку в лаборатории виртуальной реальности Космического центра Джонсона НАСА. «Текущая ситуация была отвратительна: мы оторвались от МКС, беспорядочно кувыркаясь в космосе, и были полностью дезориентированы. Какое счастье, что это лишь симулятор», — писал один из обучаемых.

V — Virtual Simulation, виртуальная среда

Виртуальная среда — это то, что обычно представляют люди, когда им говорят о симуляторах. В Армии США они применяются давно и широко (читайте обзор-каталог «Военные тренажеры», Technowars #05/2014) — танки, грузовики, вертолеты, БМП и т. д. Экипажи танков и самолетов тренируются на разных симуляторах, но могут использовать общую тактическую картинку.

Возможно и дальнейшее улучшение виртуальной среды, хотя уже сегодня пользователям предлагается все для полного погружения: панорамные и круговые дисплеи, видеошлемы и видеоочки, моторная, тактильная и акустическая обратная связь.

C — Constructive Simulation, имитация оперативной обстановки (воссозданная среда)

Сюда относят симуляцию людей и оборудования/техники внутри имитационной среды. Обычно операторы смотрят на экран и видят контуры стран или регионов со значками, обозначающими свои подразделения и силы противника, а также их оружие, транспорт, самолеты и другое военное оборудование. Операторы могут перемещать такие объекты с помощью сенсорных устройств ввода или классических манипуляторов (мышь).

В последнее время воссозданная среда стала более совершенной, более реалистичной. Движения объектов более реалистичны и точны. Более точными стали и карты местности. И хотя имитация оперативной обстановки выглядит не так наглядно, как виртуальная среда, на этом уровне возможна глобальная визуализация событий на театре военных действий. К примеру, U. S. Army Training and Doctrine Command использует имитацию боевой обстановки в аналитических и экспериментальных целях, а также военных играх.
Инструкторы DSTS могут видеть виртуальное пространство с находящимися в нем аватарами обучаемых пехотинцев глазами такого же аватара, находящегося в той же виртуальной среде

G — Gaming Simulation, игровая среда

По сути, очень похоже на имитацию оперативной обстановки, но вместо значков и контуров карт оператор видит нечто схожее с видеоиграми — представьте себе виртуальное боевое пространство популярных шутеров от первого лица Halo или Call of Duty. И в последние годы именно игровая среда максимально продвинулась в совершенствовании. Более того: на некоторых симуляторах, используемых для профессионального обучения пехотинцев, уже сейчас стоят системы визуализации, заимствованные из видеоигр. Например, в «виртуальном тире» Sagittarius Evolution от компании Thales применено программное ядро CryEngine, изначально разработанное для компьютерного шутера Far Cry и использующегося для игр этой серии, а также для «стрелялки» Crysis.
Игровая среда — новое направление в военной учебе. Но она настолько перспективна, что использовавшаяся ранее аббревиатура — LVC-IA, Live, Virtual, Constructive-Integrative Architecture — была заменена на LVC-G. Игровая среда официально не является частью учебной программы в Армии, но это, по словам Дженишевски, должно произойти уже в ближайшее время.

Игровая среда широко используется гражданскими для развлечений и учебы — из этого военные собираются взять все самое лучшее для своих нужд. Тем более, что она реалистична и способствует глубокому погружению. Кроме того для реализации игровой среды нет необходимости в специальном оборудовании — для ее использования достаточно обычных мощных компьютеров.

На пути к FHTE-LE: полоса препятствий 

Одновременно с определением требований, предъявляемым к полуфантастической концепции Future Holistic Training Environment — Live Synthetic, военные, ученые и инженеры активно обсуждают то, какие технологические проблемы, препятствующие реализации FHTE-LS, придется преодолеть.

Тренажеры компании VirTra позволяют обучаемым ощутить себя в разнообразных тактических ситуациях, когда принятие решений затруднено. Например, где грань в общении полицейского с агрессивным подозреваемым, после которой должен последовать выстрел из дистанционного электрошокера?

Согласно докладу Джона Дженишевски, разработчиками «глобального полигона» придется руководствоваться тремя основными технологическими направлениями:
     • искусственная среда — единое искусственное пространство, которое объединяет виртуальные, воссозданные и игровые возможности; приоритетными технологиями в этом направлении для FHTE-LS являются дополненная реальность и создание цифровой модели One World Terrain;
     • искусственный интеллект для учебных целей — подразумевается набор технологий, которые позволяют создать максимально реалистичное обучение и улучшить существующие обучающие методы; ключевыми для этого направления являются собстенно искусственный интеллект и умные обучающие системы;
     • «особо важные технологии» — сюда относится все, без чего FHTE-LS может не состоятся, а именно: обработка больших данных, современная сетевая архитектура, проектирование пользовательских интерфейсов и опыта, а также обучение и операционная педагогика в средах со смешанной реальностью.

Естественно, столь общее перечисление практически ничего не говорит о том, куда и как прикладывать необходимые усилия. Поэтому Джон Дженишевски совместно с Центром общевойсковой подготовки Армии США (U. S. Army Combined Arms Center Training) сформулировал детализированное описание по схеме: технологическая область, необходимая для реализации FHTE-LS, имеющееся отставание, способы его сокращения и причины необходимости ликвидации отставания.

1. Объединение дополненной, воссозданной и игровой реальностей в единое неразрывное искусственное пространство

Явное отставание в этой области связано с отсутствием интеграции между перечисленными реальностями и обычным обучением. Среди решений авторы упоминают разработку единой интеграционной архитектуры, совершенствование трекинг-технологий (например, положений головы пользователя с точностью до 1 см), обеспечение навигации в зонах, где недоступно использование GPS, снижение веса и размеров оборудования и, наоборот, рост его производительности, совершенствование сенсоров и прозрачных дисплеев.

Проработав это направление, удастся снизить расходы на оборудование и вычислительные мощности. Кроме того, дополненная реальность усиливает реализм обычных учебных процессов, снижает необходимость создания специальных учебных центров и улучшает «живое» обучение через применение сенсорных технологий.

Носимая аппаратная часть существующих систем виртуального обучения достаточно громозка и тяжела

2. Единый глобальный полигон, объединяющий сушу, море, воздух, космическое и киберпространство

На данный момент авторы признают отсутствие единой глобальной цифровой модели поверхности Земли, необходимой для построения искусственного пространства. Несмотря на имеющиеся достижения, сделать предстоить еще немало — создать динамически изменяющиеся базы данных, увязанные с реальностью, а также подготовить масштабируемые цифровые модели поверхности Земли в 2D и 3D.

Сокращение отставаний в этом направлении поможет воплотить принцип равных возможностей для обучающихся — через снижение расхождений в отображении тех или иных регионов, — а также снизить расходы за счет отказа от создания многочисленных форматов для разных учебных платформ. Единый формат таких баз данных уже продвигается некоторыми производителями профессиональных авиационных и военных симуляторов, но по-настоящему глобального, принятого всеми игроками рынка стандарта пока не существует.

3. Искусственный интеллект для имитации оперативной ситуации и связанных с ней неопределенностей

Авторы документа признают отсутствие на сегодняшний день автоматизированных возможностей для виртуального воссоздания оперативной ситуации. Исследования в области ИИ ведутся активно, но для реализации FHTE-LS необходимы специализированные изыскания: к примеру, возможность воссоздания моделей индивидуального и группового поведения — от отдельного бойца до подразделений и даже объединенных сил. Также интересны исследования возможности замены «человек — искусственный интеллект», создание «умных угроз», технологии виртуального воссоздания человеческих эмоций.

В идеале результатом разработок в этой области должно быть достоверное, реалистичное обучающее пространство, возможность создания виртуальных подразделений, недоступных для проведения учений, снижение расходов за счет замены людей аватарами и проведения обучения там, где оно необходимо, а также полноценное использование данных, полученных из социальных медиа, для управления поведением.

4. Автоматизированные инструменты и преподаватели, созданные на основе искусственного интеллекта. Возможности мгновенного анализа и оценки проведенных учебных мероприятий.

Эта технологическая область также является проблемной — налицо отсутствие ИИ-учителей, способных автономно поддерживать индивидуальное и коллективное обучение, и оценочного инструментария. В качестве необходимых разработок авторы упоминают создание «встраиваемых» в искусственную реальность аватаров-наставников, удобную виртуальную помощь в процессе реального времени, обеспечение командирова подразделений учебной оперативной информацией, а также инструментами для оценки полученных результатов как отдельными бойцами, так и целым подразделением.
Выгоды исследований и разработок для этого направления включают: повышение эффективности обучения (в том числе за счет оценки достижений в реальном времени), адаптивность виртуального пространства (быстрое планирование миссий и их репетиция) и экономию — учителя, преподаватели и наставники интегрируются в учебный процесс без дополнительных расходов, а для запуска новых сценариев и программ обучения не потребуются сторонние исполнители.

Самый простой способ применения очков виртуальной реальности Oculus Rift, наиболее совершенного на сегодня способа погружения в виртуальное пространство, — проверка вестибулярного аппарата будущего пилота или десантника. Для работы такой системы нужны лишь сами очки и ноутбук со специальным ПО.

5. Охват всех аспектов оперативного процесса для проведения бесшовного планирования, подготовки, выполнения и оценки реальных и виртуальных учений

Основная проблема в этой области, по мнению Джона Дженишевски — отсутствие развитых возможностей по управлению и обработке большого объема структурированных и неструктурированных данных. Дальнейшее развитие IT-технологий позволит интегрировать в виртуальное пространство тысячи объектов, обновляемых в реальном времени, детально моделировать их атрибуты, динамически генерировать данные для симуляций на основе контента, полученного из социальных медиа и веб-сайтов, а также поведения аборигенов той или иной местности. Не менее важны для этой области и успехи в создании новых технологий вычислений (квантовые компьютеры) и хранения данных.

Сократить отставание в этой области можно только разработав адекватную по скорости и объемам обработку данных и динамичное их хранение, которые помогут реалистично смоделировать характеристики подразделений и отдельных солдат, многоязыковые и мультикультурные аттрибуты, скомпоновать отдельные обучающие элементы в соответствии с целями обучения.

6. Доступность в режиме «24/7» при малом количестве сторонних исполнителей и возможность обучения для уже развернутых подразделений

Авторы описания не скрывают отсутствие на сегодняшний день устойчивого, рентабельного и низкозатратного учебного пространства, которое возможно реализовать даже на существующем уровне развития технологий — потребуется их доводка и интеграция. Речь идет о дальнейшем развитии облачных IT-технологий, тонких клиентов, мобильных решений и разработку контента. Немалое значение имеет также кибербезопасность в целом и шифрование данных — в частности.

В завершение перечислим еще раз преимущества реализации «Глобальной учебной реально-виртуальной среды будущего». При условии выполнении указанных условий военные смогут получить целый ряд полезных во всех отношениях возможностей: доступность виртуального полигона по первому требованию, сокращение времени обучения (солдатам не придется ездить на полигоны и в учебные центры — все эти возможности будут под рукой), снижение нагрузки на имеющиеся учебные центры и отсутствие необходимости в постройке новых, общий интуитивный пользовательский интерфейс (быстрый старт без траты пользователями времени на «обучение обучению», возможность гибкой настройки параметров), а также снижение затрат, связанное с меньшим количеством подрядчиков, компонентов и минимизацией требований по безопасному доступу, более низкими требованиями к периодичности технических обновлений — тогда как программные обновления могут поступать постоянно в зависимости от появления новых вооружений, сценариев боевых действий и вероятных противников. 

Дополненная реальность: военные впереди

В 2008 году DARPA инициировала новую программу: Urban Leader Tactical Response, Awareness and Visualization (ULTRA-Vis). В основе ULTRA-Vis — дополненная реальность, с помощью которой солдаты могли видеть не только окружающую реальность, но и цифровую тактическую информацию поверх нее. Спустя пять лет и тысячи человеко-часов, затраченных несколькими военными подрядчиками, появились первые результаты. «Для получения описанной возможности в ходе реализации программы был разработан легкий голографический прозрачный дисплей с низким потреблением энергии, включающий в себя визуальную систему позиционирования и отслеживания ориентации в пространстве, — говорится в отчете DARPA. — С помощью системы ULTRA-Vis солдаты могут визуально определять локации других подразделений, транспортных средств, летательных аппаратов и опасностей в месте нахождения, даже если они отсутствуют в зоне прямой видимости. В дополнение, система может использоваться для получения тактически значимой (локальной) информации, включая важные изображения, маршруты движения и различные оповещения.»

Шлем Q-Sight от BAE Systems
Applied Research Associates (ARA), участники программы ULTRA-Vis, создали уникальный пакет ПО для реализации дополненной реальности — именно этот софт используется, к примеру, в шлемах Q-Sight от BAE Systems. По отзывам пользователей этого продукта, гражданские системы сильно уступают военным технологиями. Тот же Google Glass, если сравнивать с Q-Sight, является лишь информационным дисплеем, в то время как разработка ARA и BAE реализует полноценную дополненную реальность: значки объектов имеют геопривязку и находятся прямо на линии вашего взгляда — если вы повернете голову, они плавно выйдут из поля зрения.
Военно-технологическому тандему удалось решить две больших проблемы: создать дисплей с фокусом на бесконечность с достаточно большим полем зрения и высокой яркостью для использования вне помещения, и разработать систему для точного отслеживания положения системы (положения головы).
Сотрудникам ARA действительно есть чем гордиться. Даже использование современных датчиков — GPS, магнитометров, гироскопов и акселерометров — не всегда дает точный результат. Компания разработала систему привязки к реперным объектам, которая основывается на технологиях компьютерного зрения. В роли реперов могут выступать любые высоты, которые можно найти практически в любом районе планеты. Система сравнивает видимое изображение с базой данных высотных изменений местности и уточняет положение солдата и направление его взгляда.
Есть и другие реперные объекты — сооружения с известными геокоординатами. При планировании военных операций нередко известно точное местонахождение таких объектов как сотовая вышка, горная вершина или шпиль здания, которые наверняка смогут оказаться в поле зрения солдата, использующего очки дополненной реальности. Единственного взгляда на такой объект пользователю будет достаточно для калибровки устройства. Можно также использовать положение Солнца над горизонтом.
Есть еще одна проблема, которую удалось решить сотрудникам ARA. Реальность вокруг нас «непрерывна», а вот сигналы, которые передаются от сенсоров к процессору, а затем выводятся на средства отображения, дискретны (задержка составляет 40–50 миллисекунд). Специалисты компании смогли разработать алгоритмы, которые с достаточной точностью могут предугадывать движения солдата, а значит, позволяют получить плавную, без подергиваний и других артефактов, картинку дополненной реальности.