處置重大突發(fā)事件沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建研究*

張志勇 司 揆 高友杰 林暖標(biāo)

（國防科技大學(xué)軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院 長沙 410072）

1 引言

重大突發(fā)事件具有巨大的社會(huì)危害性，構(gòu)成對原有社會(huì)正常秩序和核心價(jià)值的嚴(yán)重破壞或威脅［1］，給國家和人民造成物質(zhì)和精神上的巨大損失。無論是處置邊（海、空）防突發(fā)事件行動(dòng)、反恐怖軍事行動(dòng)，還是搶險(xiǎn)救災(zāi)行動(dòng)，突發(fā)事件本身所具有的巨大破壞性以及突發(fā)事件現(xiàn)場的高度危險(xiǎn)性、形勢的極其復(fù)雜性、行動(dòng)的極端困難性，都將給參與處置行動(dòng)的人員，特別是指揮人員造成極大的心理壓力［2］，進(jìn)而引起心理應(yīng)激反應(yīng)，對注意、記憶信息提取、以及決策等認(rèn)知過程造成負(fù)性的阻礙作用［3］。主要表現(xiàn)為緊張、焦慮、疑慮、情感抑郁、驚慌、恐懼、精神錯(cuò)亂以及記憶力、注意力、語言表達(dá)能力等認(rèn)知行為障礙等［4］。

目前處置重大突發(fā)事件指揮訓(xùn)練普遍存在訓(xùn)練環(huán)境模擬不真實(shí)，訓(xùn)練方式單一，訓(xùn)練效果不明顯等問題。尤其是因?yàn)槭苡?xùn)者難以感受到“受傷”、“陣亡”、“被俘”等強(qiáng)烈威脅以及任務(wù)失敗的嚴(yán)重后果，導(dǎo)致強(qiáng)烈戰(zhàn)斗應(yīng)激下的指揮訓(xùn)練效果不明顯。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，在特定范圍內(nèi)生成融逼真視覺、聽覺和觸覺于一體的虛擬環(huán)境的技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［5］對軍事訓(xùn)練組織形態(tài)的變化具有深遠(yuǎn)的影響。因此，深入開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的處置重大突發(fā)事件沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)研究，從而有目的、有計(jì)劃地組織開展處置重大突發(fā)事件指揮訓(xùn)練，對于培養(yǎng)和發(fā)展指揮人員機(jī)警、勇敢、堅(jiān)定的意志力和自制力，保持指揮人員的良好心理狀態(tài)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 處置重大突發(fā)事件沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于開放和可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)理念，為優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行速度，采取資源分布、動(dòng)態(tài)加載的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，設(shè)置人機(jī)交互界面、危急情境場景系統(tǒng)、封閉式多通道沉浸系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)與重大得失后果體驗(yàn)系統(tǒng)等模塊，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主要模塊的功能設(shè)計(jì)

模塊1：重大突發(fā)事件危急情境系統(tǒng)。圍繞武裝力量的反恐維穩(wěn)行動(dòng)、安保警戒行動(dòng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)行動(dòng)、國際維和行動(dòng)和維護(hù)權(quán)益行動(dòng)中選擇10個(gè)典型突發(fā)事件，主要是從場景、危急情境和重大得失后果三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

模塊2：封閉式多通道沉浸系統(tǒng)。圍繞所設(shè)計(jì)的重大突發(fā)事件危急情境，以人體視覺、聽覺、嗅覺、前庭覺等外界感知方式，在透明玻璃艙內(nèi)構(gòu)建一個(gè)封閉式的指揮訓(xùn)練方艙，形成一個(gè)封閉式多通道沉浸系統(tǒng)。

模塊3：反饋系統(tǒng)。情緒的變化會(huì)引起人體生理狀態(tài)的改變，例如人在緊張時(shí)會(huì)心跳加快，手心冒汗，惡心頭暈等癥狀，此時(shí)人體內(nèi)部的各項(xiàng)生理指標(biāo)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化［6］。這些生理指標(biāo)包括心率、血壓、脈搏波等。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和“可穿戴技術(shù)”的結(jié)合，能對應(yīng)激過程的各項(xiàng)生理變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)從虛擬現(xiàn)實(shí)模擬到虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能的升級［7］。反饋系統(tǒng)向受訓(xùn)者反饋由傳感器收集的人體生理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而成的直觀圖表信息，以便受訓(xùn)者在訓(xùn)練過程中實(shí)時(shí)了解自身生理、心理狀態(tài)，并依據(jù)反饋信息積極自我調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者身心狀態(tài)的穩(wěn)定可控。

模塊4：訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控訓(xùn)練對象的訓(xùn)練情況，并評估訓(xùn)練效果［8］。

模塊5：重大得失后果體驗(yàn)系統(tǒng)。重大得失后果體驗(yàn)主要通過視角、聽覺、觸覺、嗅覺等主要感官真實(shí)、立體、身臨其境的讓訓(xùn)練對象體驗(yàn)任務(wù)中碰到的各種危機(jī)情況，主要包括但自身身體創(chuàng)傷、戰(zhàn)友被俘、戰(zhàn)友犧牲、場面失控、人質(zhì)死亡、次生衍生事件等。

3 處置重大突發(fā)事件沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Unity作為一個(gè)完全集成的專業(yè)級虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，其包含了整合的編輯器、跨平臺(tái)發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理、版本控制等特性［9］。系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

3.1 重大突發(fā)事件危急情境系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計(jì)的典型突發(fā)事件場景與危急情境，基于現(xiàn)有成熟的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，構(gòu)建突發(fā)事件的場景模型，并利用后期渲染、動(dòng)畫合成等技術(shù)進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)逼真的重大突發(fā)事件危機(jī)情境，并就播放載體進(jìn)行優(yōu)化，最終在VR頭戴顯示器中呈現(xiàn)逼近真實(shí)的視覺效果。場景模型元素采用3D max三維制作軟件在Unity的模型制作規(guī)范下進(jìn)行制作［10］。

3.2 封閉式多通道沉浸系統(tǒng)

封閉式多通道沉浸系統(tǒng)，主要是采用透明的指揮訓(xùn)練方艙將各類沉浸子系統(tǒng)進(jìn)行集成，主要包括視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和前庭覺沉浸子系統(tǒng)。

視覺沉浸子系統(tǒng)。硬件采用VR頭戴顯示器，利用頭戴式顯示設(shè)備將人的對外界的視覺、聽覺封閉，引導(dǎo)訓(xùn)練對象產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。視覺沉浸子系統(tǒng)采用HTC VIVE頭戴顯示器。為了解決VR頭顯線纜的束縛問題，采用無線的傳輸方案。

聽覺沉浸子系統(tǒng)。根據(jù)危急情境需要，提前錄制槍炮聲、爆炸聲、戰(zhàn)機(jī)呼嘯聲、機(jī)械轟鳴聲、人員呼喊聲等聲音素材，對于難以現(xiàn)地錄制的聲音采取數(shù)碼生成方式獲取。然后采用環(huán)繞立體聲技術(shù)，模擬聲音的方向來源以及訓(xùn)練對象與聲音來源相對運(yùn)動(dòng)造成的影響，從而創(chuàng)建一個(gè)真實(shí)、震撼的聲學(xué)環(huán)境。訓(xùn)練對象通過雙聲道立體聲輸出的耳機(jī)上聽到來自各個(gè)方向的聲音，從而實(shí)現(xiàn)全景聲的效果，提升沉浸體驗(yàn)。

嗅覺沉浸子系統(tǒng)。將存有汽油燃燒、炮火硝煙、鮮血四濺、尸體腐敗等氣味的存儲(chǔ)罐放置于模擬訓(xùn)練方艙內(nèi)部，在計(jì)算機(jī)控制下配合危急情境需要，由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)底部通道將特定氣味吹入方艙，待情境變換后再由抽風(fēng)機(jī)從排氣口迅速排出，并吹入新的氣味，循環(huán)往復(fù)，從而模擬突發(fā)事件中的現(xiàn)場氣味。

觸覺沉浸子系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度比對艙內(nèi)溫度傳感器采集的溫度，再經(jīng)由集成電路控制艙內(nèi)空調(diào)、暖風(fēng)機(jī)等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)重大突發(fā)危急情境中設(shè)定的氣溫，從而模擬訓(xùn)練對象在各類場景的體感溫度。另外，將離心式霧化加濕器置于模擬訓(xùn)練方艙底部，與溫度控制系統(tǒng)協(xié)作對環(huán)境濕度進(jìn)行模擬。在模擬訓(xùn)練方艙周圍設(shè)置渦輪風(fēng)扇，在計(jì)算機(jī)的控制下模擬重大突發(fā)危急情境中的風(fēng)向。

前庭覺沉浸子系統(tǒng)。通過六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在x，y，z三個(gè)坐標(biāo)方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。訓(xùn)練對象身處六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，其空間位置隨視覺畫面變化而變動(dòng)，并體驗(yàn)不同的速度和加速度，從而模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)中的前庭覺。

3.3 反饋系統(tǒng)

主要由YKB1712脈搏波血壓傳感器芯片搭配HRB6708心率脈搏芯片和算法芯片SFB9710實(shí)現(xiàn)［12］，可實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集人體心率、心電、血壓、體表溫度等人體生理數(shù)據(jù)。將載有該芯片的護(hù)腕佩戴于受訓(xùn)者的手腕處，通過串口將生理數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)生成可視化圖像，顯示在訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕以及受訓(xùn)者的HUD界面上。

3.4 訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由屏幕顯示器、系統(tǒng)控制臺(tái)和監(jiān)控端組成。屏幕顯示器：訓(xùn)練現(xiàn)場懸掛1塊21寸顯示器，作為可交互的訓(xùn)練監(jiān)控顯示端；系統(tǒng)控制臺(tái)：作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的控制中樞，可實(shí)時(shí)切換訓(xùn)練場景，調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度，調(diào)取訓(xùn)練數(shù)據(jù)，把握訓(xùn)練整體進(jìn)展；監(jiān)控端：實(shí)時(shí)獲取訓(xùn)練對象的生理數(shù)據(jù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并顯示在監(jiān)控窗口，以便組訓(xùn)者掌握訓(xùn)練環(huán)境、受訓(xùn)者身心狀態(tài)、訓(xùn)練進(jìn)展等信息。

3.5 重大得失后果體驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)體驗(yàn)對象，重大得失后果體驗(yàn)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：自身后果體驗(yàn)和第三方后果體驗(yàn)。

第三方發(fā)生的后果體驗(yàn)主要通過視角、聽覺、嗅覺等感官來體驗(yàn)，將事故后果的沉浸式體驗(yàn)進(jìn)行突出強(qiáng)化，如戰(zhàn)友被俘、戰(zhàn)友犧牲、場面失控、人質(zhì)死亡、次生衍生事件等，讓訓(xùn)練對象身臨其境的深刻感受指揮決策處置不當(dāng)所帶來的嚴(yán)重后果。自身后果體驗(yàn)區(qū)別于其他的主要原因是需要硬件設(shè)備輔助，如：痛覺創(chuàng)傷感應(yīng)和模擬裝置、束縛機(jī)械骨架裝置等，需要通過這些硬件模擬中彈、受傷、灼傷、被俘等感官。痛覺創(chuàng)傷模擬裝置是為訓(xùn)練對象真實(shí)的體驗(yàn)受傷而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)由若干個(gè)電極貼片組成，貼個(gè)身體的主要部位，由軟件系統(tǒng)控制電極片的強(qiáng)弱和激活的位置，產(chǎn)生對應(yīng)的刺痛感，達(dá)到真實(shí)的創(chuàng)傷體驗(yàn)。束縛機(jī)械骨架裝置主要的結(jié)構(gòu)集中在肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、胯關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處，各處都有液壓組件，系統(tǒng)通過控制液壓組件對學(xué)員的身體行動(dòng)控制，體驗(yàn)被俘、癱瘓等效果。

4 結(jié)語

2018年1月，習(xí)主席出席中央軍委2018年開訓(xùn)動(dòng)員大會(huì)并發(fā)布訓(xùn)令，要求“各級要強(qiáng)化練兵備戰(zhàn)鮮明導(dǎo)向，堅(jiān)定不移把軍事訓(xùn)練擺在戰(zhàn)略位置?！保?3］2017年11月30日，國防部宣布2018年將圍繞提高部隊(duì)備戰(zhàn)打仗能力，全軍將大抓軍事訓(xùn)練，加快推進(jìn)先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練手段［14］。鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于軍事訓(xùn)練領(lǐng)域中帶來的巨大優(yōu)勢和效能，針對重大突發(fā)事件指揮訓(xùn)練的需求，利用多通道刺激手段，構(gòu)建多種危機(jī)情境方案，設(shè)計(jì)并開發(fā)重大突發(fā)事件沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)，可為武裝力量和全國政府公共危急管理指揮人員在危急情境下，進(jìn)行沉浸式的自我暗示、恐懼消除、正確決策等指揮訓(xùn)練提供有效支撐。