虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備培訓(xùn)中的應(yīng)用研究

李魁星 趙東波 張大鵬

摘要： 本文探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用，分析了裝備培訓(xùn)內(nèi)容對(duì)培訓(xùn)方法手段的依賴度，設(shè)計(jì)了采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展裝備培訓(xùn)的基本運(yùn)作流程。

Abstract： This paper discusses the application of virtual reality technology in the field of equipment training， and analyses the equipment training content dependence of training methods， designed using virtual reality technology in equipment and training of basic operational processes.

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；裝備培訓(xùn)；依賴度

Key words： virtual reality technology；equipment training；dependence

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）20-0200-04

0 引言

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其可以在“客觀實(shí)在”與“主觀思維”之外創(chuàng)設(shè)“第三空間”的顛覆性，逐步在游戲娛樂(lè)、醫(yī)療保健、教育、軍事、工程、零售等領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用，也為裝備培訓(xùn)工作的換代升級(jí)開(kāi)辟了新的境界。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于裝備培訓(xùn)概況

1.1 裝備培訓(xùn)發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)，各類裝備培訓(xùn)都是以理論學(xué)習(xí)、實(shí)裝操作為主體，輔以多媒體教學(xué)、模型認(rèn)知、半實(shí)物模擬等方法手段，通過(guò)對(duì)知識(shí)的領(lǐng)悟吸收和對(duì)技能的強(qiáng)化訓(xùn)練，達(dá)到熟練操作使用裝備的目的。隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步，許多裝備的性能越來(lái)越先進(jìn)、技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜、規(guī)模越來(lái)越龐大，設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)的成本越來(lái)越高，裝備認(rèn)知的全面性系統(tǒng)性、裝備操作的精確性熟練性、體系協(xié)作的聯(lián)動(dòng)性密切性在不斷增強(qiáng)，對(duì)裝備使用管理人員的個(gè)人素質(zhì)和培訓(xùn)要求越來(lái)越嚴(yán)格。為了適應(yīng)新形勢(shì)下裝備培訓(xùn)的需要，達(dá)到縮短培訓(xùn)周期、降低培訓(xùn)費(fèi)用、確保培訓(xùn)安全、提升培訓(xùn)效果的目的，不斷創(chuàng)新培訓(xùn)模式、科學(xué)構(gòu)建培訓(xùn)體系成為歷史必然。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)

與課堂教學(xué)、實(shí)裝培訓(xùn)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)技術(shù)具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。功能齊全，可以完成裝備結(jié)構(gòu)認(rèn)知、運(yùn)行原理展示、操作流程演示、交互式操作體驗(yàn)和技能考核等功能，同時(shí)承載了理論教學(xué)、模型教學(xué)、實(shí)裝操作、結(jié)業(yè)考核的功能；安全可靠，開(kāi)展虛擬訓(xùn)練不動(dòng)用現(xiàn)實(shí)裝備，可以有效避免在實(shí)裝培訓(xùn)初期容易出現(xiàn)的裝備損毀或人員傷害，大大增加培訓(xùn)工作的安全性；節(jié)約資源，虛擬培訓(xùn)不動(dòng)用實(shí)裝，可以避免裝備損耗、減少能源消耗、節(jié)約空間資源；效益拓展，虛擬培訓(xùn)可以通過(guò)軟件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“一平臺(tái)多裝備”“分布交互訓(xùn)練”，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)效益倍數(shù)型增強(qiáng)。

1.3 現(xiàn)實(shí)的矛盾問(wèn)題

受技術(shù)水平、成本價(jià)格、用戶體驗(yàn)等方面局限，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備培訓(xùn)應(yīng)用中，也有其難以回避的矛盾問(wèn)題。技術(shù)方面，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)三維圖形生成、HMD與主機(jī)系統(tǒng)的無(wú)線連接傳輸、用戶細(xì)微動(dòng)作的跟蹤定位、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋等關(guān)鍵技術(shù)與沉浸感的要求還有不小差距，問(wèn)題的解決仍需時(shí)日；成本方面，單就頭戴式顯示設(shè)備HMD而言，目前的主要廠商（索尼、Oculus、HTC、谷歌Cardboard Gear VR和HoloLens）的VR/AR產(chǎn)品的材料成本均在數(shù)百美元的價(jià)格，集團(tuán)用戶組織裝備培訓(xùn)還需配套主機(jī)系統(tǒng)、追蹤系統(tǒng)、控制器等硬件設(shè)施和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，成本價(jià)格更高；體驗(yàn)方面，受制于分辨率、刷新率、計(jì)算能力，用戶“暈屏”的問(wèn)題一直難以克服，感官體驗(yàn)局限于并不完善的視聽(tīng)觸覺(jué)上，技術(shù)進(jìn)步與人的主觀期望直接的“恐怖谷”效應(yīng)等問(wèn)題都影響著用戶體驗(yàn)的滿意度。

2 裝備培訓(xùn)內(nèi)容對(duì)培訓(xùn)方法手段的依賴度分析

2.1 培訓(xùn)內(nèi)容劃分

①認(rèn)知培訓(xùn)。主要是指對(duì)裝備功能構(gòu)造、性能指標(biāo)、運(yùn)行原理進(jìn)行教學(xué)。在裝備性能趨于先進(jìn)、裝備操作趨于簡(jiǎn)化、體系聯(lián)合緊密的形勢(shì)下，對(duì)功能構(gòu)造、運(yùn)行原理的掌握越來(lái)越重要。作為裝備操作、維修、保養(yǎng)、管理人員，均應(yīng)接受裝備認(rèn)知培訓(xùn)。

②技能培訓(xùn)。主要包括操作、維修、保養(yǎng)等動(dòng)手型技能。在應(yīng)用實(shí)踐中，裝備操作技能是運(yùn)用裝備的核心，是裝備發(fā)揮效益的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在裝備的研發(fā)力求使用戶應(yīng)用簡(jiǎn)便，使得裝備操作技能相對(duì)簡(jiǎn)化，但對(duì)精確性、熟練度卻要求更高，面對(duì)高性能裝備，如果操作不夠精準(zhǔn)，很有可能出現(xiàn)差之毫厘失之千里的現(xiàn)象。

③協(xié)作培訓(xùn)。主要是指某一裝備體系或某一功能性集團(tuán)中，需要多臺(tái)裝備聯(lián)動(dòng)才能發(fā)揮裝備效益、實(shí)現(xiàn)裝備功能，這一體系中的各操作員除了掌握本裝備必須的操作技能外，還必須關(guān)照體系內(nèi)其他人員的操作，遵循一定的原則和規(guī)程、進(jìn)行密切協(xié)作。

④拓展培訓(xùn)。主要是指實(shí)現(xiàn)裝備工作人員一專多能，通過(guò)采用可拓展的裝備培訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行一定程度的訓(xùn)練，能夠掌握同類不同型號(hào)裝備乃至不同類型裝備操作。

2.2 培訓(xùn)方法手段劃分

①理論學(xué)習(xí)。理論的傳授是教學(xué)培訓(xùn)的傳統(tǒng)手段，隨著社會(huì)的發(fā)展，已最初的簡(jiǎn)單的口授、面授向利用多媒體技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前理論灌輸?shù)姆椒ǘ鄻?，效果明顯提升，但沒(méi)有改變理論傳授中受訓(xùn)者被動(dòng)接受、靠思維構(gòu)想的本質(zhì)。

②實(shí)裝教學(xué)。實(shí)裝教學(xué)是裝備培訓(xùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是受訓(xùn)者掌握裝備操作技能最為有效的方法。但是對(duì)于很多大型裝備來(lái)說(shuō)，實(shí)裝訓(xùn)練占用空間大、時(shí)間多，消耗油料、電力等資源多，存在的人員和裝備安全風(fēng)險(xiǎn)。因而，采取有效的辦法替代實(shí)裝教學(xué)，壓縮實(shí)裝教學(xué)的占比，是裝備培訓(xùn)部門始終努力的方向。

③模型教學(xué)。模型教學(xué)伴隨理論灌輸而產(chǎn)生，是為了讓受訓(xùn)者有更直觀印象，提升教學(xué)效益。但是模型實(shí)質(zhì)上本身也是一種實(shí)物，對(duì)裝備的模擬如果不夠真實(shí)，就沒(méi)有應(yīng)用的必要；如要設(shè)計(jì)逼真，會(huì)明顯提升成本、影響模型制作配發(fā)的數(shù)量，同樣會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效益不高。

④半實(shí)物仿真模擬器訓(xùn)練。半實(shí)物仿真模擬培訓(xùn)是在近年來(lái)仿真技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，逐漸興起的培訓(xùn)模式，在當(dāng)前的裝備培訓(xùn)工作中發(fā)揮了較大的作用，也產(chǎn)生了較好的效益。但由于半實(shí)物仿真器往往占用空間大，使用不夠靈活方便，影響了培訓(xùn)效果。

⑤桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)的工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬界面的一個(gè)窗口。它要求參與者使用輸入設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察虛擬空間，并操控其中的物體實(shí)現(xiàn)交互，但參與者缺少完全的沉浸，易受到外界環(huán)境的影響。桌面顯示系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于普及推廣，但最大的缺點(diǎn)是缺乏完全沉浸式的用戶體驗(yàn)。

⑥沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)非常豐富的交互式設(shè)備使參與者能夠自由地和虛擬系統(tǒng)進(jìn)行完整的交互，在交互過(guò)程中用戶感覺(jué)到完全融入了虛擬的系統(tǒng)，具有身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)。由于需要接入多種多樣的人機(jī)交互設(shè)備，并使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和人機(jī)接口設(shè)備協(xié)同工作，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本一般較高，成為限制沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)推廣使用的關(guān)鍵因素。

⑦增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)允許用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時(shí)，將虛擬圖像疊加在真實(shí)的物理對(duì)象之上，為用戶提供所能看到的與真實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息，從而增強(qiáng)用戶對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受。這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。

⑧分布交互式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)連接的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它是多個(gè)用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷。在系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬空間進(jìn)行觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。

2.3 依賴度分析

培訓(xùn)內(nèi)容對(duì)于方法手段的依賴程度，是指該培訓(xùn)模式對(duì)該內(nèi)容的適用度、不可替代程度，影響因子包括：培訓(xùn)模式的理想應(yīng)用效能、用戶體驗(yàn)滿意度、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性、安全性等因素。理想應(yīng)用效能，是指在完全實(shí)現(xiàn)預(yù)定培訓(xùn)模式的情況下，達(dá)到培訓(xùn)目的效果，是評(píng)價(jià)該模式是否適用的核心指標(biāo)；用戶體驗(yàn)滿意度，是指在實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)目的的過(guò)程中，受訓(xùn)者對(duì)培訓(xùn)過(guò)程、手段的適應(yīng)程度，是關(guān)鍵指標(biāo)；技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性是評(píng)價(jià)該模式的基礎(chǔ)指標(biāo)，包括技術(shù)成熟度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、技術(shù)成本、培訓(xùn)資源消耗等內(nèi)容；安全性，是評(píng)價(jià)該模式的保底指標(biāo)，只有該培訓(xùn)模式在可控或可接受的風(fēng)險(xiǎn)范圍之內(nèi)，才可應(yīng)用。

依賴度分析，采取定量定性相結(jié)合的德?tīng)柗品?，首先?qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)培訓(xùn)模式對(duì)相應(yīng)內(nèi)容的各指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)強(qiáng)度定性評(píng)判，區(qū)分強(qiáng)關(guān)聯(lián)、中等關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)，如果某一培訓(xùn)模式的理想應(yīng)用效能、用戶體驗(yàn)滿意度2個(gè)指標(biāo)與所對(duì)應(yīng)培訓(xùn)內(nèi)容僅存在弱關(guān)聯(lián)，則該培訓(xùn)模式的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性、安全性指標(biāo)沒(méi)有必要再行評(píng)價(jià)；而后，根據(jù)各具體指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，由專家對(duì)培訓(xùn)模式對(duì)內(nèi)容的適用度進(jìn)行了量化打分，得到表1所示分析圖表。

從表1可以看出，不同培訓(xùn)內(nèi)容對(duì)培訓(xùn)模式的依賴度差異性明顯，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備培訓(xùn)中的應(yīng)用程度也各不相同。結(jié)構(gòu)性能認(rèn)知培訓(xùn)，應(yīng)用較好的培訓(xùn)模式依次為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面/分布交互式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、理論灌輸、增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、模型教學(xué)；功能原理認(rèn)知培訓(xùn)，應(yīng)用較好的培訓(xùn)模式依次為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面式/分布交互式/增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、理論灌輸；按鈕/開(kāi)關(guān)式操作技能培訓(xùn)，應(yīng)用較好的培訓(xùn)模式依次為桌面式/分布交互式/增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、實(shí)裝教學(xué)、半實(shí)物仿真模擬器；動(dòng)作操控式技能培訓(xùn)，應(yīng)用較好的培訓(xùn)模式依次為半實(shí)物仿真模擬器、增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、實(shí)裝教學(xué)；協(xié)作培訓(xùn)應(yīng)用較好的培訓(xùn)模式依次為半實(shí)物仿真模擬器、分布交互式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；而拓展培訓(xùn)應(yīng)用較好的僅有分布交互式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

在具體類型的裝備培訓(xùn)中，應(yīng)根據(jù)裝備的特征、組織者的要求、培訓(xùn)的側(cè)重點(diǎn)，合理確定裝備培訓(xùn)方案。如，針對(duì)某一具體裝備，裝備培訓(xùn)方案的流程確定為：采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知培訓(xùn)，采用增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行技能操作培訓(xùn)，采用半實(shí)物仿真模擬器進(jìn)行協(xié)作培訓(xùn)，可以實(shí)現(xiàn)效益好、滿意度高的培訓(xùn)目的。其培訓(xùn)體系示意如圖1。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)功能需求

著眼于發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)、提升培訓(xùn)效益，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須結(jié)構(gòu)合理、功能齊全。各種裝備培訓(xùn)均強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的真實(shí)性，訓(xùn)練視覺(jué)、流程、邏輯控制與真實(shí)設(shè)備操控的一致性，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可查性，因而虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：①設(shè)立系統(tǒng)管理員、教學(xué)人員、受訓(xùn)人員三級(jí)賬戶，系統(tǒng)管理員可進(jìn)行用戶信息維護(hù)，學(xué)員只能調(diào)閱自身訓(xùn)練數(shù)據(jù)，教員可調(diào)閱學(xué)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)。②培訓(xùn)內(nèi)容包括認(rèn)知培訓(xùn)、單人模擬訓(xùn)練、多人協(xié)同訓(xùn)練、考核。 ③提供訓(xùn)練日志查詢、訓(xùn)練日志統(tǒng)計(jì)、考核日志查詢、考核日志統(tǒng)計(jì)、個(gè)人信息維護(hù)功能。④開(kāi)展裝備認(rèn)識(shí)教學(xué)。利用虛擬仿真技術(shù)將裝備信息、裝備構(gòu)造、裝備操作過(guò)程等學(xué)習(xí)內(nèi)容融入到裝備認(rèn)知介紹中，通過(guò)完全沉浸方式體驗(yàn)或簡(jiǎn)單可視化交互操作即可學(xué)習(xí)了解到裝備的基礎(chǔ)知識(shí)。⑤教練操作使用技能。系統(tǒng)預(yù)設(shè)裝備操作使用步驟，在操作過(guò)程中設(shè)置提示信息和熱點(diǎn)區(qū)域指示，以提高受訓(xùn)者的訓(xùn)練興趣和效率。⑥自主測(cè)試和檢驗(yàn)考評(píng)。通過(guò)設(shè)置限時(shí)操作、分?jǐn)?shù)考評(píng)、幫助提示等功能，受訓(xùn)者可以自測(cè)裝備基礎(chǔ)知識(shí)和操作步驟掌握情況，同時(shí)組訓(xùn)者可通過(guò)此模塊對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行檢驗(yàn)考評(píng)。

3.2 業(yè)務(wù)流程分析及系統(tǒng)流程圖

虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)按功能類型可分為訓(xùn)練類功能、查詢統(tǒng)計(jì)類功能、管理類功能，如圖2所示，具體如下：①訓(xùn)練類功能：認(rèn)知學(xué)習(xí)、單人模擬訓(xùn)練、多人協(xié)同訓(xùn)練。②查詢統(tǒng)計(jì)功能：學(xué)習(xí)日志查詢統(tǒng)計(jì)、訓(xùn)練日志查詢統(tǒng)計(jì)、考核查詢統(tǒng)計(jì)。③管理類功能：系統(tǒng)參數(shù)配置功能、用戶信息管理功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

需求牽引、技術(shù)推動(dòng)是裝備發(fā)展的兩大引擎，通過(guò)準(zhǔn)確對(duì)接培訓(xùn)需求與科技優(yōu)勢(shì)，不斷拓展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用，創(chuàng)新培訓(xùn)模式、科學(xué)構(gòu)建培訓(xùn)體系，一定會(huì)推動(dòng)裝備培訓(xùn)工作質(zhì)效大幅提升。本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用可行性、方向性進(jìn)行了較為深入的研究，為虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了較好的借鑒。

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