在特大城市中開展模擬與訓練時面臨的技術挑戰

美國陸軍認為，隨著所面臨的各種威脅的變化，特大城市越來越與軍事行動息息相關且變得越來越重要，必須為未來做好準備。暴力極端主義團伙不斷對其恐怖主義方法進行創新，對美軍構成新的威脅。他們在世界各地開展廣泛的活動，包括大型城市地區和特大城市。此外，與中國、朝鮮或俄羅斯等大國間的常規戰爭不可避免地會涉及城市環境。必須利用建模與仿真技術來呈現這些特大城市，使美軍能更有效地做好準備，以應對世界上特大城市中出現的威脅。準確表示特大城市和密集城市環境給仿真與訓練群體帶來了特殊挑戰。本文從綜合自然環境（SNE）的角度探討了這些挑戰。

特大城市（人口超過1000萬人的城市地區）對軍隊越來越重要，因此相關訓練也越來越重要。在空曠沙漠、街道城市及建筑物內部等環境作戰的訓練需求差別甚大。訓練應用應涵蓋供總指揮官和參謀使用的構造性訓練系統，下至單兵級虛擬仿真系統。如何將建模與仿真（M&S）應用于呈現那些本不常見或難以開展實時訓練的各種環境和態勢，是至關重要的。例如，難以針對訓練目的實際重建的市區環境。完全重建特大城市或進入現實世界的城市進行實兵訓練不僅是不可能的，而且也是不切實際的。因此，仿真對于特大城市環境的訓練和分析是非常重要的。例如，通過分析，可以評估特定武器系統或進攻計劃的效果是否可能優于另一武器系統或進攻計劃。            

圖1 （左圖）加拿大地鐵入口，顯示了某一位置的特征和設施層次；（右圖）臺北地下商場，顯示了高級地下建模的重要性

在建模與仿真系統中，更高級別的模型在綜合自然環境上、周邊和內部運作。綜合自然環境是建模與仿真能力的基礎，必須設計和開發綜合自然環境以滿足新需求和遠期需求。長期以來，美陸軍一直都在促進綜合自然環境技術的發展。過去20年間，陸軍一直在作戰人員模擬系統（WARSIM）、近戰戰術訓練系統（CCTT）、半自動化部隊仿真系統（OneSAF）、綜合環境核心（SE Core）等眾多模擬與訓練系統上推進綜合自然環境的設計和開發。

如果綜合自然環境缺少模型運行所需的某重要數據元素，就可能使訓練無法順利進行。例如，如果墻體的材料特性對于計算損壞程度、建筑物倒塌、老鼠洞或武器突穿程度等情況至關重要，則綜合自然環境必須包含該數據或其合理近似值。當前的建模與仿真能力只能有限地展現特大城市的自然環境，該能力必須呈指數級增長，才能應對2025年之后的挑戰。

綜合自然環境的未來需求不可避免地會受到功能需求的驅動。例如，對于某個訓練用例，可能認為如果電力線損壞，則必須表示出停電情況，而對于其它訓練用例，則可能認為這無關緊要。但是，由于美陸軍必須要提高特大城市展現的保真度和逼真度，因此可以將短期內面臨的挑戰歸結為數據展現和環境模型。

當前的數據展現法無法在尺度層面滿足超密集城市環境（如特大城市）的需求，因此需要一種新方法來展現數據。相較于當前的建模與仿真中使用的數據，特大城市需要范圍更廣、密度更大的數據。另外，為與不斷增加的新數據與現有數據的更改需求保持同步，需通過各種機制快速更新和修改數據。技術進步實現了戰場上快速、連續的海量信息流，這些新信息應與數據相集成，以完善仿真系統的環境展現。 

特大城市背景下，會遇到以下挑戰：

（1）更高的密度：從環境角度來看，這意味著地物干擾等非特定環境特征及長椅、垃圾、標志等物品的增多。城市環境中存在許多高大、密集的建筑物，通常需采用內部表示法和地下表示法。運輸網絡將日益復雜，需表示各條道路、鐵路、水路和地鐵，其中許多經常從地上轉至地下。

圖2 （左圖）簡單的交叉道路，模擬車輛遵守基本交通法規；（右圖）馬薩諸塞州波士頓市的復雜公路交匯，需要高級表示法和模型

（2）更高的靈活性：特大城市具有許多共同特征，但在一個城市開展的訓練并不直接適用于在另一城市。仿真系統必須能表示各特大城市的關鍵特征，以便在全球范圍內的特定地理位置開展訓練。鑒于這種多樣性，要提高綜合自然環境數據表示法的靈活性。每項任務都會帶來新的陌生挑戰。正如軍隊必須迅速適應以克服逆境，模擬訓練也必須做出適當的響應以保持有效性。需采用一種可快速變化的非固定綜合自然環境規范來展現特大城市，從而針對未來通常不可預測的威脅開展訓練。

（3）巨大的關系挑戰：城市密度的增加加劇了基礎設施各個組成部分之間關系的復雜性。隨著各種環境特征（道路、隧道、鐵路、交通信號等）與移動對象（車輛、行人等）之間的交互變得越來越頻繁，會出現更多變量和可能的結果，運輸網絡等重要的基礎設施也會變得越來越復雜。其它基礎設施的展現（例如，計算機和蜂窩網絡）仍處于起步階段，因此必須克服各種挑戰才能精確地展現這些基礎設施。

（4）適當級別的信息流：由于各種傳感器和感測平臺普遍存在，因此通常可實時獲取最新數據，應利用此類數據精確地維持環境展現。但在建模與仿真領域，目前尚無法充分利用各類傳感器數據與精確展現特大城市。隨著增強現實系統的興起，數據過濾變得越來越重要。

（5）多分辨率展現：特大城市的訓練目標將呈現廣泛性和多樣性。一些應用程序將需要非常詳細的信息，而另一些應用程序僅需要粗略的展現。例如，訓練系統可能需要模擬城市中某個電力中斷的區域，也可能需要模擬某棟建筑物的斷電情況。城市建模的效果應在各個層面上相互關聯。在電力中斷示例中，用各個發電廠通過電力線、變電站、變壓器和其它設備分配的電力表示電網。盡管此示例重點關注電力，但這些概念也適用于展現綜合自然環境中的許多其它區域，包括運輸/供應線（包括海運和空運）、飲用水、結構材料、通信、醫療設施、掩體、天氣等。綜合自然環境必須能夠呈現各類要素，以便在需要時及時提供特定區域內的高分辨率數據。

在考慮到人們之間的交互方式時，特大城市具有內在的復雜性，包括對實體的復雜影響、二次影響（如電力線的損壞導致電燈熄滅）、隱性或預期行為（如行車道或平民可能聚集的區域）和多維環境（如機場、醫院/學校、警察局）。為保證訓練的有效性和真性實，必須在模擬過程中至少捕獲其中一些復雜的影響因素。

（1）更高的保真度：為了準確描繪上述與基礎設施、靈活性以及越來越多的可用數據有關的日益增加的復雜性，需提高環境模型的級別、能力和保真度。例如，模型必須考慮地物干擾類型之間的差異。地物干擾可能會造成障礙并改變視線，但保真度更高的模型應區分可移動的非阻擋型障礙物（垃圾袋）和固定的阻擋型障礙物（垃圾箱）。作為另一個示例，高級車輛模型能利用車道和交通信號數據，并遵守其所在城市的基本交通法規。

（2）級聯效應：如今，建模與仿真中的許多環境模型都有效地模擬了通過模型設計可實現的單一功能。隨著仿真系統內各種模型之間交互的增加，可能的結果、問題、影響等也相應增加。總水管破裂等基礎設施故障就是城市環境中級聯效應的一個示例。隨后通常會出現街道和地鐵淹水、局部停電、車流量增加等情況。此外，需整合政治模型、經濟模型和社會模型，以支持為打擊恐怖主義活動而開展的訓練。

（3）真實天氣狀況：盡管天氣并非僅針對特大城市，但在陸軍目前的各個模擬系統中，僅對天氣執行了最低限度的展現和建模。天氣會影響實際作戰，同樣會影響訓練，但天氣尚未成為陸軍模擬的重點。欲在建模與仿真中模擬真實天氣狀況，需要兩個關鍵組成要素：精確且完整的天氣模型，以及模擬系統中的其它模型對產生的天氣數據的使用。目前，美陸軍已具備精確的天氣模型和氣象數據，但不常用于建模與仿真，并且其它模型很少考慮天氣狀況。天氣會影響現實世界中發生的許多狀況（霧、霾、煙霧、降水等都會影響行動、能見度等），而模擬真實的天氣狀況確實是一項復雜的挑戰。由于局部天氣影響，可能需立即部署第一響應者來幫助有需要的人并隔離不安全區域。特大城市的天氣因素通常具有獨特性，可能需要其它數據和模型（例如，2015年馬薩諸塞州波士頓市的降雪量異常高，給除雪工作帶來了新挑戰——從道路上清除的積雪無處堆放）。

圖3 雨水積聚在挖出的坑洞內，改變了土壤成分。Dignitas在建筑設備虛擬訓練系統（CEVT）中添加了天氣建模和效果

盡管模擬與訓練群體在與密集城市環境有關的某些領域內取得了長足的進步，但該群體目前仍不具備充分的能力來展現特大城市。

當前的綜合自然環境能力存在于某些關鍵領域，可用于展現密集城市環境。例如，已實現了建筑物內部的高保真度展現，并能夠應用于室內或建筑物內的肅清或進攻等任務的模擬訓練。另外，可視化技術也取得了進步，城市環境以及高密度環境的可視化不再是一個難題，并且不再需要專用的昂貴硬件。多年來，計算機變得更快、更小、更強大，同時隨著可視化算法得到改進，現可在價格低廉的硬件上實現復雜3D場景的可視化。在支持計算機生成兵力的同時，已實現了高密度特征的展現。半自動部隊仿真系統（OneSAF）、近戰戰術訓練系統（CCTT）和聯合對抗戰術模擬系統（JCATS）等可為城市地區和建筑物內部的有限模擬提供支持。盡管已取得了一定的進步，但現代模擬系統中明顯缺少許多城市環境的關鍵要素。

目前，建模與仿真技術在很多方面還無法在模擬環境中精確展現物理環境。為應對這一挑戰，在開展有針對性的研究時必須進行創新，從而使列檔項目能夠滿足未來需求。盡管虛擬仿真所需的各種視覺系統通常更適用于表示復雜城市環境，但詳細的幾何結構、拓撲結構以及提供支持服務所需的環境物理建模等方面仍有許多工作有待完成。

圖4 實兵演練、虛擬仿真、構造仿真一體化體系（LVC-IA）和綜合環境核心（SE Core）均采用了Dignitas Veritas二維/三維查看器，這類查看器可在價格低廉的筆記本電腦或臺式計算機上運行，無需任何專用硬件

當前的最新技術仍然存在一系列問題：

（1）特殊屬性需求：現代戰場的一大特點是，可通過各種各樣的方式訪問來自各種傳感器的數據。目前，可實時查看并檢測開放式環境，例如從空中或太空中看到的環境或易于從地面看到的環境，但獲取特大城市的真實數據和特定地理數據會更復雜。物理障礙（例如，建筑物或地下的可見性）以及缺乏了解人工環境復雜性（例如，材料特性、訪問點、移動性信息等）的能力，都可能妨礙環境掃描技術。為精確模擬特大城市綜合環境，需訪問這些類型的信息，或者能實際推斷或得出此類數據。當然，這些內容要求將由訓練與功能需求決定。如果訓練用例需精確展現地下火災或煙氣擴散，則氣流、通風等問題十分重要。如果結構性坍塌或老鼠洞模擬很重要，則結構性歸屬會變得更重要。

（2）利用商業數據和技術：在預算有限的時期，陸軍必須適應更容易利用商業解決方案的各種系統和技術的開發，這一點至關重要。陸軍當前的建模與仿真系統均為專門開發的“煙囪式”解決方案，對開放式和商業解決方案的再利用有限。盡管在許多領域仍可能需要進行專業化開發，但可提高再用程度。

（3）交通和人群建模：人類活動的密度和多樣性是城市作戰中的一個關鍵組成部分。即使在戰時情況下，也可能有平民躲藏在城市中、逃離熱區或聚集在城市郊外。當幾乎沒有發生沖突的跡象時，平民可能是作戰行動中的關鍵因素。可能需在執行軍事行動的同時開展定期的平民活動，就像在巴格達一樣。對平民的模擬需要綜合自然環境中的專用數據，包括交通信息（車道、停車燈）、交通擁堵區域的名稱（例如，交通樞紐或商場的人流量會超過倉庫區域）等。體育場館、公園、醫院和教堂等公眾聚集場所可能成為恐怖分子的目標或潛在的群眾暴動地點。

（4）地下和室內：盡管陸軍最近在城市環境和建筑物肅清方面擁有豐富的經驗，但不同地區可能會產生巨大差異。高層建筑的肅清方法不同于高墻環繞的小型建筑物。同樣，由于坍塌、人員進出甚至氣流（火災或煙氣擴散）等因素，地下環境也會帶來特殊風險。

（5）民用基礎設施：特大城市會有各種復雜的民用基礎設施，包括電網、照明、水管、專用建筑（醫院、發電廠）等。這種基礎設施可在物理層面（煤氣管道損壞可能會造成物理危險，停電會使燈熄滅）及概念層面（對醫院、學校和警察局的影響方式會有所不同）產生影響。體育場館、操場和停車場等大型開闊地區可能具有重要的軍事意義，能為流離失所的平民提供庇護所，或作為被拘留者的扣押地或后勤支援地點。

（6）物理效應和交互作用：復雜的物理交互作用對于城市環境的展現至關重要，包括結構性坍塌、武器穿透墻體、道路坑洼、隧道塌方等。在更開放的農村環境中，除去交通樞紐點外，這些影響通常能被最小化或可以避免。但是，特大城市中分布著大量的關鍵交通樞紐點。

（7）城市地物干擾：在陸軍的大多數模擬系統中，訓練環境在很大程度上都很簡單，缺少垃圾箱、停放的汽車、街邊市場攤位、電線桿等密集的地物干擾。城市地物干擾對于高保真度訓練尤為重要，因為物體會降低能見度、提供掩蔽與隱蔽并妨礙行軍。

圖5 必須對復雜民用基礎設施進行模型并在特大城市作戰中考慮此類設施

美陸軍認為，必須密切關注整個行業的各種新興技術，確保發現并恰當使用可復用的候選技術。

眾包數據成為一種新興趨勢，并且通過多個來源獲得地理空間數據和基礎設施數據的及時性也在不斷提高。例如，智能手機和GPS系統上的導航數據會頻繁利用最新的交通數據進行更新，以表明交通是否通暢或相關數據是否已備份。一些導航應用程序還包含眾包數據，用戶可以輸入事故、道路危險和車輛改道等數據。但此類數據來源可能很容易使錯誤信息進入軍用系統，因此必須仔細考慮此類數據來源。通過關鍵區域和數據類別仍難以獲得值得信賴的數據來源，尤其是在國外或禁網區域。

圖6 谷歌地圖和GPS系統用彩色線條（紅色表示交通擁堵，綠色表示交通通暢）顯示實時交通狀況，并用彩色圖標表示施工區域和事故

游戲引擎不斷發展，但其重點通常是在軍事應用中不重要的領域。游戲引擎通常擅長提供高度逼真的視覺環境并產生引人注目的物理交互作用，但其重點通常放在視覺效果和游戲可玩性上，而非現實性。為避免消極訓練，實效對軍事模擬至關重要。同樣，游戲引擎中逼真的效果通常都是美術師和場景開發人員大量人工工作的成果。如需表示較大的區域或從源頭到訓練的周轉時間非常短，這種方法的成本非常高。

圖7 逼真的視頻游戲視效需要大量手工設計和插畫

作為一種發展趨勢，基于云計算的瘦客戶端解決方案有助于促進必要的訓練。云技術系統作為下載存儲庫，并不會影響綜合自然環境的展現，但綜合自然環境數據庫的信息流概念進一步加深了在展現特大城市時所需解決方案的復雜性。現可利用多種技術抑制網絡延遲造成的延時，包括優化的數據結構、壓縮、合成（配置每項應用所需的數據）、預測性緩存以及綜合自然環境特征的程序生成。需通過調查和實驗來確定哪種技術或組合式技術可實現最佳的效費比。

美陸軍認為，需集中投資政府開發項目來滿足軍事需求。眾包和商用技術已廣泛可用，但尚未完全滿足軍事需求，并且容易使錯誤信息混入。還需通過各種途徑將模擬與訓練應用程序連接至機密數據或網絡及作戰數據，以增強訓練的真實性。

特大城市需要復雜的幾何結構，因此對于配備了自動化裝備的對手，極難自動得出此類對手的關鍵行為特征（例如，邏輯射擊位置和掩護射擊位置）。陸軍當前的模擬系統已構造出結構相對簡單的綜合自然環境數據作為推理依據，通常會做出廣泛的假設（例如，無需擔心凈空高度），但在大城市中，這些假設都不成立。陸軍的研究還將考慮如何綜合利用自動化、機器學習和目標明確的人在回路屬性（針對頻繁使用的訓練區域）來支持行為特征。

明確特大城市模擬所需的數據類型至關重要。這不僅包括建筑物、橋梁和道路位置等明顯信息，還包括材料特性、支撐結構（有可能倒塌的承重墻）、拓撲信息（轉彎車道、停車燈、平民經常步行出行的小路）等可能更復雜的數據。由于很難通過標準來源（例如，室內和地下幾何結構）收集此類數據元素，因此必須能以典型的地理和現實方式獲得此類信息。陸軍的研究重點將為運行時間的功能需求，而不是考慮收集方法。

特大城市模擬將需要適合各種訓練用例的不同數據和服務。例如，相較于戰略轟炸模擬，針對單兵的沉浸式模擬需要另一種不同類型的細節和信息。但為確保各次模擬之間的通信以及互操作性，可通過一種能處理多種分辨率或細節層次的通用的總體展現法理想地得出這些不同的展現法，并將二者相關聯。陸軍將研究關于如何以相關且逼真的方式展現不同細節層次的技術，同時還支持高度精選的數據使用，其中特定的模擬系統僅加載與其用例相關且有用的數據。

美陸軍認為，未來的模擬系統必須能支持實時數據傳輸以及靈活的計算平臺和環境范例，這一點非常重要。目前在云端運行的模擬系統可能不久就會部署到禁網設備上運行。此外，陸軍預計未來會頻繁更新通過各種來源獲得的地理空間數據、拓撲數據和人類行為數據。此概念要求能夠快速、一致且有選擇地分發最新數據，以便從邊緣設備的有限帶寬中獲得最大收益。實時數據處理和傳輸將支持不同的數據用例，例如基于云計算的模擬，此類模擬使用數據中心或專門用于資源和帶寬有限的設備的精選數據集。

隨著數據來源、內容和更新復雜性的增加，一致性、關系和相互依賴性的驗證機制和過程也必須相應發展。特征數據的基本幾何結構貌似簡單的變化可能會對其它數據產生復雜的二次影響。例如，如果數據可用于改變建筑物的功能（例如，從辦公樓到大使館），其可能影響輔助數據，包括人群建模流程、行為線索等。由于陸軍在早期就建立了內容需求和更新機制，因此后期的研究要協調所有這些數據并在必要時保持一致性。

即使陸軍模擬群體先前已在掩蔽物、隱蔽處或躲藏處的計算，基本運動計劃，視線等領域積累了大量的豐富經驗，仍需繼續開展研究工作。在復雜的特大城市環境中工作時，這些算法需要不同程度的復雜性和不同的折衷處理方法。

隨著美軍不斷適應在特大城市中作戰，必須通過模擬來支持實戰化訓練，從而使作戰人員能夠完善并實踐作戰程序。無論是對于開展訓練和豐富自身經驗，還是評估新武器系統和平臺的有效性，這都很有必要。模擬與訓練群體在實現此類訓練方面面臨著各種挑戰，尤其是密集城市環境的逼真展現。美陸軍認為，需通過集中投資以確保模擬與訓練群體能夠應對技術挑戰，從而能在特大城市中開展分析和訓練。

李皓昱編譯自互聯網

2016年2月12日

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