基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水面艦艇戰(zhàn)傷救治技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賁敏，楊媛媛，張義，薛晨

水面艦艇部隊(duì)是海軍中以水面艦艇為基本裝備，在水面遂行作戰(zhàn)任務(wù)的兵種，與其他兵種相比，在武器裝備、使命任務(wù)、所處環(huán)境等方面具有鮮明特點(diǎn)，因此對(duì)水面艦艇部隊(duì)衛(wèi)勤保障工作提出了特殊要求［1］。一方面，現(xiàn)代海戰(zhàn)中高技術(shù)武器大量使用，導(dǎo)致海戰(zhàn)傷傷情非常復(fù)雜［2］；另一方面，海上作戰(zhàn)通常以單艦為單元，艦與艦距離遠(yuǎn)、協(xié)同難，一旦產(chǎn)生批量傷員，需首先立足自身?xiàng)l件完成傷員救治任務(wù)［3］。因此，加強(qiáng)水面艦艇官兵戰(zhàn)傷救治技能訓(xùn)練，提高官兵自救互救能力非常必要。自2017 年以來(lái)，海軍部隊(duì)廣泛開展群眾性戰(zhàn)傷救治技術(shù)練兵比武活動(dòng)，強(qiáng)化了海軍官兵戰(zhàn)傷救治理念，夯實(shí)了戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)勤保障基礎(chǔ)，一定程度上提升了戰(zhàn)場(chǎng)一線救治能力。但同時(shí)也存在訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化環(huán)境不真實(shí)、艦船戰(zhàn)損狀態(tài)難呈現(xiàn)、訓(xùn)練內(nèi)容海軍特色不明顯、火線傷員急救動(dòng)作不規(guī)范等問(wèn)題［4-5］。筆者針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)的水面艦艇戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練系統(tǒng)，并從戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練方式、考核標(biāo)準(zhǔn)等方面探討AR訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用方式，目的是創(chuàng)設(shè)接近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練條件，以培養(yǎng)和檢驗(yàn)海軍官兵在海上特殊環(huán)境下的戰(zhàn)傷救治能力。

1 戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)需求分析

1.1 AR 的概念與特點(diǎn) AR 是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”［6］。Azuma［7］明確AR 的3 個(gè)典型特征為虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互與三維配準(zhǔn)。虛實(shí)結(jié)合是指AR 將虛擬世界與用戶所處真實(shí)世界融合在一起，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的增強(qiáng)來(lái)強(qiáng)化用戶的感受與體驗(yàn)，但并不完全取代現(xiàn)實(shí)環(huán)境。實(shí)時(shí)交互是指用戶以便捷、自然的方式與智能設(shè)備生成的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)鼠標(biāo)鍵盤交互、觸控交互、語(yǔ)音交互、體感交互、生理交互、混合交互6 個(gè)階段，人機(jī)交互技術(shù)很大程度影響了用戶的體驗(yàn)以及AR 的應(yīng)用領(lǐng)域，是重點(diǎn)支撐技術(shù)［8-9］。三維配準(zhǔn)是指計(jì)算觀察者視點(diǎn)方位從而把虛擬信息合理疊加到真實(shí)環(huán)境上，以保證用戶得到精確的增強(qiáng)信息［10］。

1.2 AR 技術(shù)在軍事衛(wèi)勤領(lǐng)域的應(yīng)用 作戰(zhàn)任務(wù)及武器的多樣化，使得作戰(zhàn)訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化、信息化需求日益突出，也加速了AR 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，主要集中在武器裝備研制維修、軍事訓(xùn)練和演習(xí)、作戰(zhàn)演示和研討、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境增強(qiáng)等方面［11］。如萊特-帕特森空軍基地研制的“超級(jí)駕駛室”（super cockpit），通過(guò)透視式頭盔與虛擬環(huán)境的結(jié)合輔助駕駛員夜間飛行，可把飛行和目標(biāo)數(shù)據(jù)疊加到飛行員視場(chǎng)中并通過(guò)聽覺(jué)提示輔助定位；美國(guó)海軍研究所研制的戰(zhàn)場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（battlefield augmented reality system，BARS），用于滿足徒步作戰(zhàn)人員戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的需求；此外，用于沉浸式訓(xùn)練的可穿戴式AR 系統(tǒng)也日漸成熟［12］。在衛(wèi)勤領(lǐng)域，國(guó)外在21 世紀(jì)初就開始了AR 技術(shù)在衛(wèi)勤領(lǐng)域的應(yīng)用研究，如Mayrose 等［13］提出利用AR 技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)傷氣管插管模擬訓(xùn)練，美軍建立“戰(zhàn)創(chuàng)傷傷員仿真系統(tǒng)”來(lái)研發(fā)用于戰(zhàn)救培訓(xùn)的AR 系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者探討了AR 技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)勤訓(xùn)練的構(gòu)想，如郭棟等［14-15］提出將AR 技術(shù)應(yīng)用于機(jī)動(dòng)衛(wèi)勤力量的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練，并探討其在核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用模式；秦昊等［16］提出了AR 技術(shù)對(duì)戰(zhàn)創(chuàng)傷救治培訓(xùn)平臺(tái)建立的展望。但目前尚未研發(fā)出成熟的、基于AR 技術(shù)的衛(wèi)勤訓(xùn)練產(chǎn)品。盡管基于AR 技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)仍處于探索階段，但其模擬作戰(zhàn)場(chǎng)景、虛-實(shí)信息交互、多方信息共享等特點(diǎn)，可徹底改變現(xiàn)有訓(xùn)練模式，是解決目前戰(zhàn)救訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)化不高、實(shí)戰(zhàn)化不明顯等問(wèn)題的重要技術(shù)手段。

1.3 戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)勤務(wù)定位 傳統(tǒng)戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練通常以化妝傷員和模擬人為對(duì)象開展技能訓(xùn)練，缺乏海上戰(zhàn)傷救治核心要素，如交戰(zhàn)場(chǎng)景、艙室受損、艦船顛簸等環(huán)境要素，以及大面積燒傷、氣胸、低體溫休克、海洋生物蜇傷等難以動(dòng)態(tài)表現(xiàn)的傷情要素，在一定程度上影響了水面艦艇部隊(duì)官兵戰(zhàn)傷救治“實(shí)戰(zhàn)化”能力的提升?；诖耍P者提出基于AR 技術(shù)研制水面艦艇戰(zhàn)傷救治技能模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)可結(jié)合戰(zhàn)術(shù)背景進(jìn)行流程性的勤務(wù)訓(xùn)練，以及包扎、止血等初級(jí)急救模擬訓(xùn)練和環(huán)甲膜穿刺、氣管插管等高級(jí)急救模擬訓(xùn)練，并允許升級(jí)和拓展。訓(xùn)練系統(tǒng)及平臺(tái)設(shè)備易攜帶，便于展開，可同時(shí)進(jìn)行10 人內(nèi)的單人技能訓(xùn)練和團(tuán)隊(duì)綜合演練。

2 戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 AR 訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于AR 訓(xùn)練系統(tǒng)勤務(wù)定位，筆者以艦艇部隊(duì)相關(guān)訓(xùn)練大綱和考核規(guī)范為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)水面艦艇戰(zhàn)傷救治技能AR 訓(xùn)練系統(tǒng)整體架構(gòu)。如圖1 所示。系統(tǒng)整體分為3 層，分別為基礎(chǔ)硬件平臺(tái)、AR 訓(xùn)練通用軟件和數(shù)據(jù)共享平臺(tái)、戰(zhàn)傷救治技能訓(xùn)練應(yīng)用平臺(tái)。基礎(chǔ)硬件平臺(tái)由訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、AR 基礎(chǔ)設(shè)備和事件反饋設(shè)備等組成。通用軟件平臺(tái)是底層開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)提供外部硬件及應(yīng)用的控制接口；此外，數(shù)據(jù)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與其他訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享、目的是整合人員訓(xùn)練數(shù)據(jù)。訓(xùn)練應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)AR 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練，包括戰(zhàn)救技能訓(xùn)練、勤務(wù)流程訓(xùn)練，系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的評(píng)估與反饋。

圖1 AR 訓(xùn)練系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 AR 訓(xùn)練應(yīng)用平臺(tái)功能模塊 AR 訓(xùn)練應(yīng)用平臺(tái)由AR資源模塊、AR 訓(xùn)練模塊、訓(xùn)練評(píng)估模塊等3 大模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)水面艦艇戰(zhàn)傷救治技能的自學(xué)、教學(xué)和訓(xùn)練考核功能。見圖2。其中，AR 資源模塊由戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境增強(qiáng)、傷員傷情增強(qiáng)、戰(zhàn)救技術(shù)資源庫(kù)等虛擬訓(xùn)練資源庫(kù)組成，為AR 訓(xùn)練系統(tǒng)提供底層的數(shù)據(jù)支撐，也可為受訓(xùn)人員熟悉艦船艙室布局、戰(zhàn)救器材使用方法等提供技術(shù)支持。AR 訓(xùn)練模塊由單項(xiàng)技能訓(xùn)練、團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)救訓(xùn)練、勤務(wù)流程訓(xùn)練等組成，組訓(xùn)人員通過(guò)AR 系統(tǒng)設(shè)置訓(xùn)練環(huán)境、虛擬傷情，受訓(xùn)人員通過(guò)AR 交互設(shè)備有針對(duì)性地進(jìn)行戰(zhàn)傷救治技能訓(xùn)練，系統(tǒng)依據(jù)評(píng)估模型對(duì)戰(zhàn)救操作進(jìn)行實(shí)施評(píng)估。此外，訓(xùn)練評(píng)估模塊可提供復(fù)盤評(píng)估功能，即實(shí)現(xiàn)操作回放、成績(jī)分析、錯(cuò)誤解析等功能。

圖2 AR 訓(xùn)練應(yīng)用平臺(tái)功能模塊

2.3 AR 訓(xùn)練系統(tǒng)技術(shù)體系 戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)從技術(shù)實(shí)現(xiàn)到部隊(duì)?wèi)?yīng)用，需要篩選一套完備的技術(shù)體系，包括輸入端、輸出端、虛實(shí)融合、人機(jī)交互等。其難點(diǎn)在于建設(shè)便攜、穩(wěn)定性好的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)，研制沉浸感強(qiáng)、交互性好的軟件平臺(tái)，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)跟蹤定位和場(chǎng)景重構(gòu)。筆者所設(shè)計(jì)的AR訓(xùn)練系統(tǒng)，在識(shí)別技術(shù)上，采用“匹配角度”方案實(shí)現(xiàn)對(duì)水面艦艇環(huán)境的精確跟蹤；在跟蹤技術(shù)上，采用硬件和視覺(jué)混合跟蹤的方法滿足高精度的要求，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的拓展性［17］；在輸出端，采用基于光學(xué)的透射式頭盔顯示，滿足高分辨率、真實(shí)感和安全性的要求；在人機(jī)交互部分，需要實(shí)現(xiàn)手勢(shì)交互、語(yǔ)音交互、機(jī)器對(duì)環(huán)境的感知交互，且滿足確定性的反饋、操作簡(jiǎn)單的要求。從行業(yè)發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，目前AR 在技術(shù)上的難點(diǎn)除了光場(chǎng)技術(shù)之外，還有人工智能、處理能力、設(shè)備小型化等問(wèn)題。

3 戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練應(yīng)用模式

戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)完成后，可依托軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)勤訓(xùn)練基地開展基地化訓(xùn)練，也可在水面艦艇部隊(duì)單艦上進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)面向普通官兵、衛(wèi)生戰(zhàn)士、衛(wèi)生專業(yè)士官和衛(wèi)生專業(yè)軍官等不同類型人員，進(jìn)行單人或團(tuán)隊(duì)模式訓(xùn)練。在單人模式下，受訓(xùn)者通過(guò)佩戴AR 設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，針對(duì)組訓(xùn)人員分發(fā)的任務(wù)開展模擬訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋訓(xùn)練成績(jī)給組訓(xùn)人員，可進(jìn)入補(bǔ)差訓(xùn)練環(huán)節(jié)。在團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練模式下，團(tuán)隊(duì)人員根據(jù)組訓(xùn)人員分發(fā)的任務(wù)首先進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，再進(jìn)入戰(zhàn)傷救治技能操作環(huán)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)團(tuán)隊(duì)的操作情況進(jìn)行任務(wù)重新分配或者結(jié)束訓(xùn)練。見圖3。在單人技能訓(xùn)練或者團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練結(jié)束后，可通過(guò)系統(tǒng)復(fù)盤功能，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，受訓(xùn)人員通過(guò)復(fù)盤進(jìn)行總結(jié)自評(píng)，組訓(xùn)人員根據(jù)訓(xùn)練中暴露的問(wèn)題提出建議。戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)提供“虛-實(shí)”結(jié)合的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，使受訓(xùn)人員可以熟練戰(zhàn)場(chǎng)傷員救治勤務(wù)流程，同時(shí)提高心理素質(zhì)和臨機(jī)處置能力，提高水面艦艇傷員救治的效率和效果。

圖3 AR 訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程

4 小結(jié)

筆者基于水面艦艇部隊(duì)官兵戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練中存在的問(wèn)題和“實(shí)戰(zhàn)化”訓(xùn)練需求，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為信息化工具，提出戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方案，從目前國(guó)內(nèi)外AR 技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)可以提供一個(gè)“虛-實(shí)”結(jié)合的訓(xùn)練環(huán)境，將戰(zhàn)場(chǎng)的“交戰(zhàn)”情景、艦船的“受損”情況、官兵的“受傷”情況疊加在真實(shí)艦船的場(chǎng)景上，解決傳統(tǒng)戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化環(huán)境不真實(shí)、艦船戰(zhàn)損狀態(tài)難呈現(xiàn)、訓(xùn)練內(nèi)容海軍特色不明顯等問(wèn)題。在創(chuàng)新海戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練信息化手段的同時(shí)，對(duì)提高受訓(xùn)人員復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下開展戰(zhàn)救工作的戰(zhàn)時(shí)心理素質(zhì)、綜合判斷能力、臨機(jī)決策能力具有明顯效果。雖然目前AR 技術(shù)在光場(chǎng)技術(shù)、人工智能算法、設(shè)備小型化等方面的技術(shù)問(wèn)題仍沒(méi)有得到很好地解決，但其可以改變傳統(tǒng)戰(zhàn)創(chuàng)傷救治培訓(xùn)理念和模式，可以作為訓(xùn)練場(chǎng)與戰(zhàn)場(chǎng)的訓(xùn)練成果轉(zhuǎn)化橋梁，值得加快成果產(chǎn)出。近幾年，課題組聚焦戰(zhàn)傷救治缺乏“真實(shí)的”傷員傷情問(wèn)題，開展動(dòng)態(tài)傷員傷情系統(tǒng)建設(shè)，通過(guò)構(gòu)建傷情動(dòng)態(tài)演化算法，實(shí)現(xiàn)了批量傷員傷情數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成和動(dòng)態(tài)演化，為水面艦艇戰(zhàn)傷救治AR 訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。但基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)傷情演化邏輯與規(guī)則仍有待進(jìn)一步研究。在下一步工作中，課題組將繼續(xù)深入戰(zhàn)傷救治與AR技術(shù)、人工智能等交叉融合，將成熟的產(chǎn)品應(yīng)用到部隊(duì)“實(shí)戰(zhàn)化”訓(xùn)練中，有效提升海軍官兵在海上特殊環(huán)境下的戰(zhàn)傷救治能力。