柏 杰,閆迎鴿*,胡鮮云,李 婕,段金鑫
(1.解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心,北京 100072;2.陸軍裝甲兵學(xué)院,北京 100072)
信息化條件下高技術(shù)戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境異常復(fù)雜,戰(zhàn)斗對抗激烈,戰(zhàn)場態(tài)勢演變加快,對部隊(duì)高效實(shí)施衛(wèi)勤保障行動提出了更高的要求?;鹁€急救作為衛(wèi)勤保障力量戰(zhàn)時遂行保障行動的力量末端和前哨,受敵威脅更加嚴(yán)重,保障作業(yè)條件更加嚴(yán)酷,對基層衛(wèi)生保障人員的臨戰(zhàn)處置能力和專業(yè)技術(shù)水平的要求更高。主動對接戰(zhàn)時火線急救保障需求,積極采取先進(jìn)模擬訓(xùn)練技術(shù),逼真構(gòu)建近似實(shí)戰(zhàn)的火線急救訓(xùn)練環(huán)境,成為提高基層衛(wèi)生保障人員火線急救能力的重要途徑。研究表明,利用虛擬仿真技術(shù)開展急救護(hù)理教學(xué)效果明顯[1],而在逼真戰(zhàn)場環(huán)境條件下的戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練效果更佳[2]。
火線急救訓(xùn)練的理想模式是在近似實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境條件下開展火線急救的全過程、全要素、全科目訓(xùn)練。鮮繼淑等[3]系統(tǒng)闡述了實(shí)戰(zhàn)化模擬救治能力訓(xùn)練的具體做法,有效解決了訓(xùn)練內(nèi)容與實(shí)戰(zhàn)環(huán)境分離的難題,但面臨著因?qū)崙?zhàn)環(huán)境條件構(gòu)設(shè)復(fù)雜而不能靈活設(shè)置的問題。為此,建立戰(zhàn)傷救治虛擬環(huán)境成為當(dāng)前戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練技術(shù)發(fā)展的主要方向,例如可通過構(gòu)建多自由度的模擬救治訓(xùn)練平臺提供海上、空中或公路等條件下復(fù)雜運(yùn)動環(huán)境中的動態(tài)模擬救治環(huán)境[4-5],或者利用戰(zhàn)傷救治模擬人技術(shù)靈活設(shè)置傷員的傷病特征[6],為戰(zhàn)傷救治技能訓(xùn)練提供基礎(chǔ)條件,但是不能體現(xiàn)敵我對抗條件下戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性。為解決這一問題,本研究針對部(分)隊(duì)火線急救使命,綜合采用多種仿真技術(shù),提出構(gòu)建一種可靈活設(shè)置戰(zhàn)場環(huán)境和救治操作場景、能適應(yīng)單個或分隊(duì)救治人員的綜合性模擬訓(xùn)練系統(tǒng),為開展實(shí)戰(zhàn)化條件下的火線急救訓(xùn)練提供手段支撐。
火線急救訓(xùn)練的目的是適應(yīng)未來戰(zhàn)爭中不同環(huán)境條件下的前沿傷員急救任務(wù),要求基層衛(wèi)生人員必須要了解部隊(duì)的使命任務(wù)以及戰(zhàn)場環(huán)境的主要特點(diǎn),并能夠根據(jù)動態(tài)變化的戰(zhàn)場態(tài)勢主動、靈活地采取有效措施,實(shí)施對前沿傷員的高效搶救,在保證自身和傷員安全的前提下盡可能減少傷員的陣前死亡[7]。為實(shí)現(xiàn)該目的,火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)滿足以下需求:
(1)逼真的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境構(gòu)建能力。應(yīng)選擇典型作戰(zhàn)區(qū)域的部隊(duì)典型使命任務(wù),構(gòu)建逼真的戰(zhàn)場自然環(huán)境條件,并設(shè)置近似真實(shí)的作戰(zhàn)對手和作戰(zhàn)場景,使訓(xùn)練人員能夠真實(shí)地體驗(yàn)戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性、態(tài)勢演變的快速性和急救條件的艱苦性。
(2)靈活的專業(yè)技能訓(xùn)練能力。訓(xùn)練情景的多樣性是提高基層衛(wèi)生人員火線急救反應(yīng)能力的重要基礎(chǔ)。一方面,要結(jié)合戰(zhàn)場環(huán)境特點(diǎn)、作戰(zhàn)態(tài)勢變化和保障對象編組,創(chuàng)設(shè)多種模擬訓(xùn)練場景。另一方面,要嚴(yán)格落實(shí)火線急救工作程序,按照及時發(fā)現(xiàn)傷員、迅速接近傷員、妥善急救傷員、安全搬運(yùn)傷員、就近隱蔽傷員的要求,創(chuàng)設(shè)不同階段基層衛(wèi)生人員的判斷決策問題和處置操作科目,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢判斷、保障任務(wù)分析決策和行動展開協(xié)同的一體化全過程綜合訓(xùn)練,提高基層衛(wèi)生人員的戰(zhàn)時綜合急救能力。
(3)精確的模擬訓(xùn)練考評能力。應(yīng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和高性能技術(shù)設(shè)備,研制在線式的實(shí)時訓(xùn)練考評模塊,在基層衛(wèi)生人員火線急救訓(xùn)練的同時,實(shí)時給出訓(xùn)練操作的正確性、合理性考核結(jié)果,促使訓(xùn)練人員邊訓(xùn)邊學(xué),提高火線急救訓(xùn)練的效率。
(4)自主的在線學(xué)習(xí)能力。應(yīng)采用文本、PPT、音頻、動畫、視頻等方式,針對火線急救專題內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容,制作火線急救專題資源庫,并提供靈活的資源訪問功能,方便學(xué)員根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度靈活自主地開展在線學(xué)習(xí),提高學(xué)員學(xué)習(xí)的靈活性。
火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1所示。
圖1 火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能構(gòu)成
(1)火線急救任務(wù)處置功能。提供實(shí)戰(zhàn)對抗環(huán)境條件下的基層衛(wèi)生人員急救能力訓(xùn)練功能。按行動內(nèi)容區(qū)分為戰(zhàn)場態(tài)勢判斷、傷員搜索發(fā)現(xiàn)、接近傷員、傷員急救、傷員搬運(yùn)、傷員隱蔽等功能;按技術(shù)手段區(qū)分為通氣、止血、包扎、固定、搬運(yùn)和基礎(chǔ)生命支持等專業(yè)技能訓(xùn)練功能;按訓(xùn)練對象區(qū)分為不同角色的火線急救人員崗位訓(xùn)練和火線急救分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練2類功能。訓(xùn)練過程中,訓(xùn)練人員乘坐的車輛、使用的儀器設(shè)備以及對儀器設(shè)備的操作方法應(yīng)與基層衛(wèi)生人員實(shí)際使用的車輛和儀器設(shè)備相似。
(2)戰(zhàn)場環(huán)境感知功能。包括戰(zhàn)場自然環(huán)境、對抗環(huán)境的感知功能。從訓(xùn)練人員的角度看,就是要能夠使訓(xùn)練人員真切地感知戰(zhàn)場環(huán)境的變化情況,包括戰(zhàn)場場景、部隊(duì)機(jī)動、武器對抗等以及由此帶來的對訓(xùn)練人員視覺、聲覺和觸覺的影響情況。
(3)訓(xùn)練科目設(shè)置功能。根據(jù)火線急救訓(xùn)練要求,針對不同作戰(zhàn)地區(qū)的作戰(zhàn)任務(wù)要求,區(qū)分專題訓(xùn)練和連貫訓(xùn)練2種形式,為參訓(xùn)人員靈活設(shè)置訓(xùn)練科目和訓(xùn)練要求。
(4)戰(zhàn)場環(huán)境仿真功能。按照地形地貌、天候氣象、敵我兵力的基本分類,構(gòu)建逼真的戰(zhàn)場環(huán)境仿真模型,反映戰(zhàn)場環(huán)境對火線急救任務(wù)的影響情況。
(5)教學(xué)演示功能。提供火線急救原理、方法和操作流程的演示功能,為訓(xùn)練人員提供包括圖文、動畫、視頻等格式的教學(xué)輔助資料,也可以作為受訓(xùn)者自學(xué)的基本資料。
(6)訓(xùn)練評估功能。提供火線急救模擬訓(xùn)練效果的綜合評價功能,并為訓(xùn)練人員提供綜合分析報(bào)告,幫助訓(xùn)練人員了解火線急救訓(xùn)練的整體效果。
以系統(tǒng)建設(shè)需求和功能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)代模擬訓(xùn)練技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)際,采用分布式結(jié)構(gòu)構(gòu)建火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng),包括模擬訓(xùn)練區(qū)、綜合顯示區(qū)、導(dǎo)控區(qū)、計(jì)算機(jī)生成兵力區(qū)、考核區(qū)、計(jì)算及存儲服務(wù)區(qū)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行支撐環(huán)境等7個部分,如圖2所示。
(1)模擬訓(xùn)練區(qū)。依托各類模擬訓(xùn)練設(shè)備,提供火線急救任務(wù)處置訓(xùn)練功能,可以提供原理方法自主學(xué)習(xí)、儀器設(shè)備操作訓(xùn)練、急救任務(wù)流程訓(xùn)練和對抗環(huán)境實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練4種功能,是訓(xùn)練人員開展技能訓(xùn)練和戰(zhàn)場意識訓(xùn)練的主要區(qū)域。
(2)計(jì)算機(jī)生成兵力區(qū)。依托高性能計(jì)算服務(wù)器,部署戰(zhàn)場環(huán)境仿真、敵方兵力和我方兵力仿真系統(tǒng),為火線急救模擬訓(xùn)練提供虛擬裝備、虛擬環(huán)境、模擬藍(lán)軍等訓(xùn)練支撐數(shù)據(jù)。
(3)導(dǎo)控區(qū)。以計(jì)算機(jī)設(shè)備終端為支撐,部署模擬訓(xùn)練導(dǎo)控軟件,提供系統(tǒng)管控、科目設(shè)置等功能,支持火線急救組訓(xùn)人員和系統(tǒng)保障人員進(jìn)行模擬訓(xùn)練導(dǎo)控以及各類硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)一啟停、自檢、故障預(yù)警和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。
(4)綜合顯示區(qū)。部署 LED(light emitting diode)屏、音響、圖形工作站、二維態(tài)勢生成服務(wù)器、LED顯示服務(wù)器和視頻監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備和相關(guān)軟件,為組訓(xùn)人員根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢和受訓(xùn)對象作業(yè)情況進(jìn)行導(dǎo)控提供支撐。
(5)考核區(qū)。部署模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)預(yù)處理、成績評定、教學(xué)考評和成績分析等軟件以及相應(yīng)的硬件,為組訓(xùn)人員評定受訓(xùn)對象的成績提供支撐。
(6)計(jì)算及存儲服務(wù)區(qū)。以高性能計(jì)算機(jī)和存儲服務(wù)器為主要設(shè)備,為模擬訓(xùn)練提供高性能的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)管理能力。
(7)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行支撐環(huán)境。以局域網(wǎng)和HLA/RTI運(yùn)行支撐環(huán)境為基礎(chǔ),構(gòu)建服務(wù)于各功能分系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
圖2 火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)布局
系統(tǒng)部署運(yùn)行后,基層衛(wèi)生人員在組訓(xùn)人員的統(tǒng)一安排下開展相關(guān)科目的訓(xùn)練。組訓(xùn)人員負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制、科目設(shè)置、運(yùn)行監(jiān)控和結(jié)果評估等任務(wù),受訓(xùn)人員利用系統(tǒng)的相關(guān)功能按要求開展原理方法自主學(xué)習(xí),包括儀器設(shè)備操作訓(xùn)練、急救任務(wù)流程訓(xùn)練和對抗環(huán)境實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后,組訓(xùn)人員應(yīng)根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果實(shí)時向受訓(xùn)者反饋訓(xùn)練結(jié)果并給出改進(jìn)建議,受訓(xùn)者通過訓(xùn)練視景回放及時總結(jié)訓(xùn)練得失。其總體使用流程如圖3所示。
圖3 火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體使用流程
火線急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)分為硬件和軟件2個部分。硬件部分根據(jù)功能需求和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)電一體化構(gòu)建,以三自由度電動平臺為支撐進(jìn)行模擬座艙設(shè)計(jì),依托HTC VIVE沉浸式頭盔和NeuronHim手套實(shí)現(xiàn)虛擬訓(xùn)練交互;軟件部分采用Visual C++6.0軟件和Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行軟件功能模塊開發(fā),采用CryEngine進(jìn)行虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和訓(xùn)練場景開發(fā)。
以模擬座艙為基礎(chǔ),構(gòu)建火線急救任務(wù)處置環(huán)境[8]。在模擬座艙內(nèi)部,根據(jù)火線急救分隊(duì)和單兵急救要求,設(shè)置各類衛(wèi)生專用儀器設(shè)備、通用指揮通信終端和相關(guān)軟件,為訓(xùn)練人員提供真實(shí)的訓(xùn)練設(shè)備設(shè)施。在模擬座艙外圍,以戰(zhàn)場環(huán)境仿真為支撐,采用環(huán)屏視聽技術(shù),創(chuàng)造逼真的戰(zhàn)場對抗環(huán)境,增強(qiáng)模擬訓(xùn)練作業(yè)的實(shí)戰(zhàn)化水平。模擬訓(xùn)練時,訓(xùn)練人員根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢演變和傷員情況,操作相應(yīng)的儀器設(shè)備和軟件系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)戰(zhàn)火線急救相似的操作訓(xùn)練。模擬座艙承載平臺采用三自由度電動平臺,最大承載質(zhì)量1 500 kg,作業(yè)平臺面積12.6 m2;模擬座艙艙體采用半封閉式結(jié)構(gòu),座艙內(nèi)部設(shè)置若干模擬操作終端和虛擬操作設(shè)備,模擬操作終端根據(jù)科目實(shí)時顯示火線急救任務(wù)場景;模擬座艙墻面和頂面的大尺寸顯示屏幕動態(tài)顯示戰(zhàn)場場景。模擬座艙基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 模擬座艙基本結(jié)構(gòu)
采用三維可視化技術(shù),基于典型戰(zhàn)場環(huán)境仿真引擎,按照戰(zhàn)場環(huán)境的要素構(gòu)成和特點(diǎn),分別構(gòu)建逼真的地形地貌和天候氣象自然環(huán)境模型、敵我兵力實(shí)體及其武器運(yùn)用模型、傷員現(xiàn)場模型等,為訓(xùn)練人員創(chuàng)造高沉浸、高逼真的可視化戰(zhàn)場環(huán)境,提高火線急救操作的真實(shí)感和融入感[9]。戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵是各類環(huán)境模型的構(gòu)建和在特定人物背景下的戰(zhàn)場環(huán)境模型狀態(tài)的演變。在三維戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建時,采用當(dāng)前比較先進(jìn)的戰(zhàn)場環(huán)境仿真引擎CryEngine平臺,提供了大量的戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)模型,通過環(huán)境參數(shù)的調(diào)整和實(shí)體模型的修改能夠快速實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的構(gòu)建,如圖5所示。
圖5 基于CryEngine平臺的戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建效果
圖6 虛擬急救技能訓(xùn)練操作場景
以人體解剖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建傷員虛擬人體模型,模擬傷員的生理功能和救治反應(yīng);基于火線急救專業(yè)技能訓(xùn)練內(nèi)容,構(gòu)建虛擬化傷員及其器官的物理模型和急救設(shè)備模型;基于虛擬手套、虛擬頭盔等虛擬設(shè)備,進(jìn)行火線急救各項(xiàng)專業(yè)技能的交互式操作訓(xùn)練。火線急救技能訓(xùn)練科目要在實(shí)戰(zhàn)對抗環(huán)境中,重點(diǎn)圍繞在陣地對傷員的通氣、止血、包扎、固定、搬運(yùn)和基礎(chǔ)生命支持內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì),體現(xiàn)火線急救技能訓(xùn)練的針對性。其中,虛擬場景采用CryEngine平臺開發(fā),虛擬設(shè)備采用HTC VIVE沉浸式頭盔和NeuronHim手套。以火線急救中對受傷人員手臂傷口處理技能訓(xùn)練為例,訓(xùn)練人員穿戴虛擬眼鏡和虛擬手柄,利用虛擬定位設(shè)備開展虛擬急救訓(xùn)練的操作場景如圖6所示。
火線急救模擬訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大,在時間和空間上處于離散分布狀態(tài),需要經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)變,并根據(jù)火線急救不同科目的考核評估指標(biāo)體系,經(jīng)數(shù)據(jù)分析與處理,得到訓(xùn)練結(jié)果評估的基本數(shù)據(jù)。根據(jù)不同科目訓(xùn)練考核評估方法和規(guī)則,建立相應(yīng)的評估模型,將訓(xùn)練數(shù)據(jù)聚合形成訓(xùn)練評估結(jié)果,形成對參訓(xùn)人員訓(xùn)練結(jié)果的精確評價[10]?;鹁€急救模擬訓(xùn)練評估模塊顯示界面如圖7所示,包括訓(xùn)練評估指標(biāo)體系、參訓(xùn)人員訓(xùn)練評估結(jié)論2個部分,并采用柱狀圖和雷達(dá)圖分別顯示參訓(xùn)人員的綜合評估結(jié)論和分項(xiàng)評估結(jié)論。
圖7 實(shí)時訓(xùn)練評估模塊顯示界面
利用該系統(tǒng)開展基層衛(wèi)生人員火線急救能力訓(xùn)練具有鮮明的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
可以結(jié)合部隊(duì)作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)區(qū)域及作戰(zhàn)進(jìn)程,動態(tài)創(chuàng)建戰(zhàn)場對抗態(tài)勢,并根據(jù)戰(zhàn)傷發(fā)生的特點(diǎn),適時創(chuàng)建戰(zhàn)場搶救現(xiàn)場,將火線救治場景融入到作戰(zhàn)對抗環(huán)境中,使得火線救治場景的設(shè)置更加逼真和貼近實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用要求。
可以根據(jù)火線救治訓(xùn)練內(nèi)容要求,按照單科目訓(xùn)練和綜合科目訓(xùn)練2種基本模式,靈活設(shè)置火線救治訓(xùn)練的內(nèi)容和要求,提高模擬訓(xùn)練的靈活性和針對性。同時,還可以依托逼真的戰(zhàn)場對抗環(huán)境,訓(xùn)練火線急救人員的分析判斷、決策計(jì)劃和行動控制意識,提高作戰(zhàn)適應(yīng)能力。
基于先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和設(shè)備,構(gòu)建火線急救多種典型科目的急救訓(xùn)練場景,并采用虛擬交互方式,不僅能夠使參訓(xùn)人員逼真地感知技能操作訓(xùn)練場景,還能夠在虛擬場景中近似真實(shí)地開展技能專業(yè)訓(xùn)練,操作訓(xùn)練場景更加逼真,操作訓(xùn)練過程更加真實(shí)。
參訓(xùn)人員結(jié)束科目訓(xùn)練后,系統(tǒng)能夠根據(jù)參訓(xùn)人員的操作和處置情況,及時給出參訓(xùn)人員的訓(xùn)練考核結(jié)論,指出訓(xùn)練過程中的不足或不當(dāng)之處,并給出訓(xùn)練改進(jìn)的具體建議。同時,依托系統(tǒng)的記錄回放功能,參訓(xùn)人員還可以對照訓(xùn)練考核結(jié)論進(jìn)行訓(xùn)練操作過程的回放分析。
火線急救是戰(zhàn)時減少傷員死亡的基本手段,反映了基層衛(wèi)生勤務(wù)人員的戰(zhàn)斗意識和專業(yè)水平?;鹁€急救模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制能夠?yàn)榛鶎有l(wèi)生勤務(wù)人員提供逼真的火線急救訓(xùn)練環(huán)境,開展不同作戰(zhàn)區(qū)域和任務(wù)背景條件下的多科目綜合演練,有利于提高基層衛(wèi)生勤務(wù)人員火線急救實(shí)戰(zhàn)能力,有望成為部隊(duì)衛(wèi)勤保障力量開展實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的重要手段。下一步將適應(yīng)部隊(duì)多樣化使命任務(wù)要求,進(jìn)一步豐富火線救治的作戰(zhàn)背景和戰(zhàn)場環(huán)境,提供更加豐富多樣、適應(yīng)任務(wù)要求的火線救治虛擬場景。