VR技術(shù)在艦船訓(xùn)練中的運(yùn)用前景

林文友，武紅梅2，厲行軍

(1.92246部隊(duì)，上海 201900；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

1 VR虛擬技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 VR虛擬技術(shù)及特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality， VR)或稱“靈境技術(shù)”，多媒體技術(shù)的綜合應(yīng)用形式，涉及到傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)及行為心理學(xué)等多領(lǐng)域多學(xué)科[1]，是一種模擬創(chuàng)造和體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件虛擬一種現(xiàn)實(shí)的模擬環(huán)境，把多方面的信息進(jìn)行融合、具備人機(jī)交互，進(jìn)行實(shí)體行為，擁有三維動(dòng)態(tài)立體視景的仿真系統(tǒng)[2]。VR技術(shù)憑借其沉浸感、代入感、交互性[3]等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，打破受訓(xùn)者在傳統(tǒng)訓(xùn)練上的認(rèn)知領(lǐng)域，帶領(lǐng)受訓(xùn)者進(jìn)入一個(gè)虛擬和現(xiàn)實(shí)相融合的世界。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

VR技術(shù)起源于美國(guó)，目前NASA已經(jīng)建立了幾個(gè)具有代表性的訓(xùn)練系統(tǒng)，主要用于衛(wèi)星的維護(hù)、飛行員的訓(xùn)練、航空航天及空間站的VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且逐步擴(kuò)展到教育領(lǐng)域，建立了一整套虛擬VR教育系統(tǒng)[4]。美軍VR技術(shù)運(yùn)用典型代表有陸軍的近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)(CCTT)，空軍的任務(wù)支援系統(tǒng)(AFM SS)，海軍的特種作戰(zhàn)部隊(duì)計(jì)劃和演習(xí)系統(tǒng)(SOF-PARS)以及VR聯(lián)合軍兵種戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。目前，VR 技術(shù)用于艦船訓(xùn)練方面的，主要開(kāi)發(fā)除了二維或三維的虛擬機(jī)艙漫游系統(tǒng)、用于艦員操作技能訓(xùn)練的虛擬模擬器以及維修技能考核的虛擬拆裝。如英國(guó)商船公司研發(fā)的柴油機(jī)訓(xùn)練模擬器 Engine Room Simulator ERS 4000，具備機(jī)艙主要設(shè)備的操作使用和整個(gè)機(jī)艙的虛擬巡視漫游功能。

國(guó)內(nèi)的VR技術(shù)主要運(yùn)用在飛機(jī)的飛行模擬，艦艇的航行操縱，裝備的虛擬操縱，消防演練模擬等方面[5-6]。北航計(jì)算機(jī)系主要研發(fā)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的、三維的數(shù)據(jù)庫(kù)、以及現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的虛擬演示環(huán)境，用于飛行員的航行操作和處置訓(xùn)練。武漢理工大學(xué)對(duì)VR技術(shù)的應(yīng)用研究主要有機(jī)械設(shè)備的虛擬布局、虛擬裝配、虛擬制造、產(chǎn)品定型。在艦船機(jī)電裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)方面主要有三所大學(xué)在研制模擬器，分別為武漢理工大學(xué)、上海海事大學(xué)、大連海事大學(xué)研發(fā)的 WMS-2000、SMSC-2000、DMS-2000系列柴油機(jī)模擬器。

2 傳統(tǒng)艦船訓(xùn)練中存在的短板

2.1 維修技能訓(xùn)練保障困難，提升緩慢

艦船個(gè)人訓(xùn)練內(nèi)容分等級(jí)訓(xùn)練，隨著等級(jí)的提高，訓(xùn)練內(nèi)容逐步深化，除了正常的一些裝備操縱、裝備排故內(nèi)容，增加了很多裝備拆檢維修保養(yǎng)的內(nèi)容。而平時(shí)的訓(xùn)練一般以裝備的操縱，艦員級(jí)的排故為主，許多裝備拆檢維修的訓(xùn)練內(nèi)容在年度訓(xùn)練周期內(nèi)無(wú)法有效完成，只有在晉級(jí)培訓(xùn)、裝備保養(yǎng)、故障修理、或進(jìn)廠維修階段才可能有機(jī)會(huì)進(jìn)行訓(xùn)練，艦員維修技能提升緩慢。如果能夠聯(lián)合廠家開(kāi)發(fā)出相應(yīng)裝備的VR虛擬拆裝仿真系統(tǒng)，就可以有效彌補(bǔ)因訓(xùn)練條件不足而造成的訓(xùn)練短板。

2.2 裝備應(yīng)急操縱條件受限，實(shí)施困難

艦船應(yīng)急操縱對(duì)武備系統(tǒng)或通信系統(tǒng)而言，可能轉(zhuǎn)換備用手段或備用通道即可。但對(duì)機(jī)電設(shè)備而言有兩種情況：有備用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)備用系統(tǒng)，安全性能相對(duì)較高；無(wú)備用系統(tǒng)的就要轉(zhuǎn)手動(dòng)操縱。自動(dòng)轉(zhuǎn)手動(dòng)控制，往往需要降低裝備性能使用，存在一定的安全隱患。因訓(xùn)練條件受限，導(dǎo)致平時(shí)訓(xùn)練中存在備用系統(tǒng)管路閥門位置不熟悉、操縱流程不正規(guī)，手動(dòng)操縱訓(xùn)練少等問(wèn)題。尤其是一些對(duì)裝備需要拆解連接外圍設(shè)備的應(yīng)急操縱訓(xùn)練少之又少，在緊急情況下遇到真實(shí)情況發(fā)生時(shí)難免會(huì)出差錯(cuò)。

2.3 消防訓(xùn)練手段單一，評(píng)價(jià)體系不完善

艦船消防訓(xùn)練主要分為個(gè)人實(shí)作和個(gè)人指揮，個(gè)人實(shí)作主要通過(guò)港岸訓(xùn)練來(lái)完成，個(gè)人指揮訓(xùn)練手段比較單一，主要通過(guò)損管操演，小組作業(yè)或案例教學(xué)來(lái)提升。由于艦船上損管操演、小組作業(yè)缺少逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，導(dǎo)致人員到對(duì)損管現(xiàn)狀缺乏直觀的認(rèn)知，不能夠有效地對(duì)損管發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，導(dǎo)致指揮員的指揮決策缺乏有力的支撐依據(jù)。同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有真實(shí)的損管情節(jié)、沒(méi)有傳感器反饋，導(dǎo)致指揮員的決策準(zhǔn)確與否沒(méi)法判斷，全憑人員回復(fù)的口令。

3 VR技術(shù)在艦船訓(xùn)練中的突破

VR技術(shù)在民用航空等領(lǐng)域起步較早，比較成熟，而艦船訓(xùn)練上的運(yùn)用起步相對(duì)較晚，運(yùn)用前景比較廣泛，在艦船訓(xùn)練中以下四個(gè)方面應(yīng)有所突破。

3.1 艦船操縱訓(xùn)練

艦船模擬操縱訓(xùn)練目前相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟,某艦船大型綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 某艦船大型綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于航行操縱指揮能力模擬訓(xùn)練，主要對(duì)象包括艦船長(zhǎng)和指揮所相關(guān)人員，艦船操縱指揮人員及艦船操縱相關(guān)職手。該訓(xùn)練系統(tǒng)由導(dǎo)調(diào)控制分系統(tǒng)、主本船操縱訓(xùn)練模擬分系統(tǒng)、副本船操縱訓(xùn)練模擬訓(xùn)練分系統(tǒng)組成，駕駛艙參照某型船駕駛室構(gòu)建，艙外視景為360°環(huán)形仿真設(shè)置。系統(tǒng)綜合運(yùn)用軍事系統(tǒng)建模和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可靠支持各種不同自然環(huán)境、會(huì)遇局面、部署操演、編隊(duì)任務(wù)等真實(shí)背景下艦船航行指揮操縱訓(xùn)練的想定生成、過(guò)程調(diào)控和考核評(píng)估。對(duì)某型船航行操縱訓(xùn)練內(nèi)容的統(tǒng)計(jì)表明，約有35%的訓(xùn)練科目可在模擬器中完成，可有效提升指揮員航行指揮決策水平和操縱避碰應(yīng)對(duì)能力，可縮短海上訓(xùn)練時(shí)間約25%。

3.2 裝備虛擬操作訓(xùn)練

艦船上裝備操作訓(xùn)練分正常操作和應(yīng)急操作，應(yīng)急操作因存在風(fēng)險(xiǎn)性，平時(shí)訓(xùn)練較少，能力提升緩慢，而基于VR虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)可以有效解決上述問(wèn)題。它可以實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者與虛擬環(huán)境之間，依據(jù)操作規(guī)程進(jìn)行人機(jī)交互，克服在實(shí)裝上培訓(xùn)周期較長(zhǎng)，裝備頻繁啟停易損耗的缺點(diǎn)?？梢詼p少新艦員在操縱過(guò)程中，尤其是在戰(zhàn)斗情況下應(yīng)急操縱時(shí)心理壓力大，精神高度緊張導(dǎo)致的行動(dòng)僵化、頭腦空白，步驟不熟練等應(yīng)激反應(yīng)下的誤動(dòng)作，通過(guò)VR虛擬系統(tǒng)的反復(fù)訓(xùn)練可以形成條件反射降低人員對(duì)裝備的誤操作、減少自身的人員傷亡，大大提高新艦員對(duì)裝備的操作使用能力。某型船機(jī)電裝備模擬器虛擬圖見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)電裝備模擬器虛擬圖

對(duì)照訓(xùn)練內(nèi)容發(fā)現(xiàn)動(dòng)力專業(yè)各技術(shù)等級(jí)在模擬系統(tǒng)上能完成訓(xùn)練的比例為五級(jí)初等87%，五級(jí)高等63%、四級(jí)36%、三級(jí)18%，二級(jí)和一級(jí)為0%，而動(dòng)力模塊整體訓(xùn)練可覆蓋47%。從實(shí)際使用效果來(lái)看，能基本滿足于初中級(jí)人員的正常操縱訓(xùn)練、應(yīng)急處置訓(xùn)練、排故訓(xùn)練以及整體更次訓(xùn)練。但從使用體驗(yàn)、虛擬環(huán)境的逼真程度、人機(jī)交互情況來(lái)看，在受訓(xùn)者的沉浸感、有效性上還有待提升。該模擬器采用二維軟件模擬結(jié)合半實(shí)物仿真的形式，雖然實(shí)現(xiàn)了360度全景技術(shù)機(jī)艙漫游，但這種全景是通過(guò)取景映射、后期處理模擬成三維立體景象。該技術(shù)只能把機(jī)艙的整體模樣投射出來(lái)，人機(jī)交互有限。VR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是對(duì)整個(gè)機(jī)艙和設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)環(huán)境三維建模的視景技術(shù)，可以虛擬漫游整個(gè)機(jī)艙，瀏覽熟悉機(jī)艙環(huán)境、機(jī)艙布局、設(shè)備操作、管路走向、閥門位置，對(duì)整個(gè)機(jī)艙做到了如指掌，達(dá)到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等融合化的虛擬環(huán)境，可以大大節(jié)省上實(shí)船培訓(xùn)的時(shí)間。

3.3 裝備虛擬拆裝維修訓(xùn)練

艦船上人員維修水平參差不齊，尤其是新職手，經(jīng)歷的裝備等級(jí)修理少，平時(shí)訓(xùn)練只能在月檢修或裝備故障修理時(shí)進(jìn)行。且反復(fù)拆裝實(shí)際裝備，難免會(huì)出現(xiàn)磨損或變形等問(wèn)題，導(dǎo)致配件消耗，裝備性能下降。種種限制使得艦員的維修技能得不到充分的訓(xùn)練，而虛擬拆裝模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)明顯，一是無(wú)時(shí)間場(chǎng)地限制，只需有電腦即可開(kāi)展訓(xùn)練；二是三維直觀性較強(qiáng)，拓展了艦員的視覺(jué)空間；三是軟件不存在消耗和磨損，經(jīng)濟(jì)性好，非常適合艦員崗位合格前的技能培訓(xùn)和準(zhǔn)備維修拆卸前的拆裝演練，可使艦員盡快掌握職掌裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和拆裝流程。此外，通過(guò)軟件設(shè)置拆裝和扭緊力矩規(guī)范，可對(duì)艦員的能力水平進(jìn)行考核，大大節(jié)約了訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，提升訓(xùn)練效果。

目前市場(chǎng)上有部分電工仿真軟件，如科萊爾電工仿真教學(xué)軟件，電工技能與實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模擬操縱、電路裝配、故障排除等功能。

3.4 虛擬損管訓(xùn)練

艦船損管訓(xùn)練主要依托于岸上的消防設(shè)施和損管模擬樓，以上兩者主要是以訓(xùn)練個(gè)人和團(tuán)體的損管技能為主，而艦員的心理能力訓(xùn)練，指揮員的指揮能力訓(xùn)練比較缺乏。而VR技術(shù)具有沉浸感、代入感、交互性，解決了艦員對(duì)損害環(huán)境的體驗(yàn)。虛擬仿真系統(tǒng)不但可規(guī)避在現(xiàn)實(shí)損管環(huán)境中可能產(chǎn)生的一些風(fēng)險(xiǎn)，又可鍛煉艦員對(duì)未知事物的心理承受能力，心理適應(yīng)能力，心理應(yīng)激能力，心理調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力[7]。通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練可以提高艦員的心理機(jī)能，保證在現(xiàn)實(shí)事故中能夠克服心理障礙正常實(shí)施行動(dòng)。今后虛擬損管發(fā)展方向應(yīng)該是“以任務(wù)為牽引，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的決策反饋，逼真的虛擬環(huán)境”，具備情節(jié)、決策、影音和瀏覽功能。情節(jié)體現(xiàn)訓(xùn)練過(guò)程，影音渲染情節(jié)和操作結(jié)果，決策體現(xiàn)出損管實(shí)效。其基本思路是將訓(xùn)練的整個(gè)過(guò)程細(xì)化成許多獨(dú)立的小情景，每個(gè)情景包含一定的訓(xùn)練條目和影音展示，系統(tǒng)根據(jù)艦員的操作結(jié)果，決定訓(xùn)練的走向。此外，還有“目的引導(dǎo)行為”、“內(nèi)容牽引選擇”、“由指揮員到實(shí)施者”、“由實(shí)施者到指揮員”等多種訓(xùn)練方法和訓(xùn)練模式來(lái)提高艦員的實(shí)做和指揮能力。

目前虛擬損管訓(xùn)練使用上還比較少，今后可以建設(shè)大型損管中心，引入損管虛擬仿真系統(tǒng)，在實(shí)作技能培訓(xùn)和指揮技能提升方面都有所突破。

3.5 虛擬教學(xué)應(yīng)用

虛擬教學(xué)最廣泛的一開(kāi)始在教育領(lǐng)域的智能黑板上使用，集成了傳統(tǒng)黑板、人工智能、直播錄像、虛擬動(dòng)畫等等功能，其多媒體教學(xué)集成和交互式黑板的融合大大提高了課堂效率。而艦員學(xué)習(xí)方式有限，除了崗前培訓(xùn)和晉級(jí)培訓(xùn)，大部分時(shí)間都是由老艦員的“傳、幫、帶”及個(gè)人自學(xué)。隨著艦船現(xiàn)代化程度越來(lái)越高，裝備越來(lái)越先進(jìn)，系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，而傳統(tǒng)紙質(zhì)媒介存在一定的局限性，內(nèi)容只能是以文字、圖片或圖紙的形式展現(xiàn)出來(lái)，直觀性、可視化程度不夠，影響了人們對(duì)知識(shí)的消化吸收。而VR技術(shù)的沉浸性、構(gòu)想性、交互性等優(yōu)勢(shì)可以將傳統(tǒng)紙質(zhì)媒介點(diǎn)、線、面的表達(dá)形式擴(kuò)展到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)三位一體的直觀表達(dá)形式。

目前比較流行的是工具是用手機(jī)APP或智能眼鏡，第一步先把紙質(zhì)信息轉(zhuǎn)換成三維立體可視動(dòng)畫,并加入人機(jī)交互的情節(jié)，通過(guò)圖像或二維碼將虛擬信息與紙質(zhì)信息相關(guān)聯(lián)。人們只需用手機(jī)或眼鏡掃描相應(yīng)的部位，就能在手機(jī)或眼鏡上增強(qiáng)顯示相應(yīng)的動(dòng)面、模型或交互動(dòng)作，大大增加了閱讀的直觀性[8]，形成可移動(dòng)的人書交互應(yīng)用。該技術(shù)可解決艦員系統(tǒng)梳理難、結(jié)構(gòu)掌握不清，管路系統(tǒng)掌握混亂等問(wèn)題，提高培訓(xùn)學(xué)習(xí)效率，急需聯(lián)合科研院所、裝備廠家開(kāi)發(fā)配備VR/AR技術(shù)的教材。

4 結(jié)論

VR技術(shù)的應(yīng)用做到了現(xiàn)實(shí)與虛擬相結(jié)合，創(chuàng)造了逼真的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)人機(jī)交互、戰(zhàn)場(chǎng)感知完成一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的情節(jié)模擬，彌補(bǔ)了因現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練條件、訓(xùn)練環(huán)境不足導(dǎo)致的問(wèn)題，可以有效解決傳統(tǒng)訓(xùn)練中的短板。隨著人工智能的運(yùn)行，圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備軟硬件的不斷發(fā)展突破，在此基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)的VR技術(shù)將獲得更大的運(yùn)用前景，可為艦船操縱，裝備操作、維修、設(shè)計(jì)評(píng)審、人員損管訓(xùn)練、知識(shí)培訓(xùn)等環(huán)節(jié)提供一種新穎高效的解決方案。