VR技術在艦船訓練中的運用前景

林文友，武紅梅2，厲行軍

(1.92246部隊，上海 201900；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

1 VR虛擬技術應用現狀

1.1 VR虛擬技術及特點

虛擬現實(virtual reality， VR)或稱“靈境技術”，多媒體技術的綜合應用形式，涉及到傳感器技術、計算機軟、硬件技術、人工智能技術、機器人技術及行為心理學等多領域多學科[1]，是一種模擬創造和體驗現實虛擬世界的計算機仿真系統，利用計算機仿真軟件虛擬一種現實的模擬環境，把多方面的信息進行融合、具備人機交互，進行實體行為，擁有三維動態立體視景的仿真系統[2]。VR技術憑借其沉浸感、代入感、交互性[3]等特點和優勢，打破受訓者在傳統訓練上的認知領域，帶領受訓者進入一個虛擬和現實相融合的世界。

1.2 國內外研究現狀

VR技術起源于美國，目前NASA已經建立了幾個具有代表性的訓練系統，主要用于衛星的維護、飛行員的訓練、航空航天及空間站的VR訓練系統，并且逐步擴展到教育領域，建立了一整套虛擬VR教育系統[4]。美軍VR技術運用典型代表有陸軍的近戰戰術訓練系統(CCTT)，空軍的任務支援系統(AFM SS)，海軍的特種作戰部隊計劃和演習系統(SOF-PARS)以及VR聯合軍兵種戰術訓練仿真系統。目前，VR 技術用于艦船訓練方面的，主要開發除了二維或三維的虛擬機艙漫游系統、用于艦員操作技能訓練的虛擬模擬器以及維修技能考核的虛擬拆裝。如英國商船公司研發的柴油機訓練模擬器 Engine Room Simulator ERS 4000，具備機艙主要設備的操作使用和整個機艙的虛擬巡視漫游功能。

國內的VR技術主要運用在飛機的飛行模擬，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]。北航計算機系主要研發了實時動態的、三維的數據庫、以及現實增強的虛擬演示環境，用于飛行員的航行操作和處置訓練。武漢理工大學對VR技術的應用研究主要有機械設備的虛擬布局、虛擬裝配、虛擬制造、產品定型。在艦船機電裝備虛擬訓練系統研發方面主要有三所大學在研制模擬器，分別為武漢理工大學、上海海事大學、大連海事大學研發的 WMS-2000、SMSC-2000、DMS-2000系列柴油機模擬器。

2 傳統艦船訓練中存在的短板

2.1 維修技能訓練保障困難，提升緩慢

艦船個人訓練內容分等級訓練，隨著等級的提高，訓練內容逐步深化，除了正常的一些裝備操縱、裝備排故內容，增加了很多裝備拆檢維修保養的內容。而平時的訓練一般以裝備的操縱，艦員級的排故為主，許多裝備拆檢維修的訓練內容在年度訓練周期內無法有效完成，只有在晉級培訓、裝備保養、故障修理、或進廠維修階段才可能有機會進行訓練，艦員維修技能提升緩慢。如果能夠聯合廠家開發出相應裝備的VR虛擬拆裝仿真系統，就可以有效彌補因訓練條件不足而造成的訓練短板。

2.2 裝備應急操縱條件受限，實施困難

艦船應急操縱對武備系統或通信系統而言，可能轉換備用手段或備用通道即可。但對機電設備而言有兩種情況：有備用系統的轉備用系統，安全性能相對較高；無備用系統的就要轉手動操縱。自動轉手動控制，往往需要降低裝備性能使用，存在一定的安全隱患。因訓練條件受限，導致平時訓練中存在備用系統管路閥門位置不熟悉、操縱流程不正規，手動操縱訓練少等問題。尤其是一些對裝備需要拆解連接外圍設備的應急操縱訓練少之又少，在緊急情況下遇到真實情況發生時難免會出差錯。

2.3 消防訓練手段單一，評價體系不完善

艦船消防訓練主要分為個人實作和個人指揮，個人實作主要通過港岸訓練來完成，個人指揮訓練手段比較單一，主要通過損管操演，小組作業或案例教學來提升。由于艦船上損管操演、小組作業缺少逼真的現實環境，導致人員到對損管現狀缺乏直觀的認知，不能夠有效地對損管發展趨勢進行預判，導致指揮員的指揮決策缺乏有力的支撐依據。同時，因為沒有真實的損管情節、沒有傳感器反饋，導致指揮員的決策準確與否沒法判斷，全憑人員回復的口令。

3 VR技術在艦船訓練中的突破

VR技術在民用航空等領域起步較早，比較成熟，而艦船訓練上的運用起步相對較晚，運用前景比較廣泛，在艦船訓練中以下四個方面應有所突破。

3.1 艦船操縱訓練

艦船模擬操縱訓練目前相對來說比較成熟,某艦船大型綜合訓練模擬系統見圖1。

圖1 某艦船大型綜合訓練模擬系統

該系統主要用于航行操縱指揮能力模擬訓練，主要對象包括艦船長和指揮所相關人員，艦船操縱指揮人員及艦船操縱相關職手。該訓練系統由導調控制分系統、主本船操縱訓練模擬分系統、副本船操縱訓練模擬訓練分系統組成，駕駛艙參照某型船駕駛室構建，艙外視景為360°環形仿真設置。系統綜合運用軍事系統建模和計算機仿真技術，可靠支持各種不同自然環境、會遇局面、部署操演、編隊任務等真實背景下艦船航行指揮操縱訓練的想定生成、過程調控和考核評估。對某型船航行操縱訓練內容的統計表明，約有35%的訓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對能力，可縮短海上訓練時間約25%。

3.2 裝備虛擬操作訓練

艦船上裝備操作訓練分正常操作和應急操作，應急操作因存在風險性，平時訓練較少，能力提升緩慢，而基于VR虛擬操作訓練系統可以有效解決上述問題。它可以實現受訓者與虛擬環境之間，依據操作規程進行人機交互，克服在實裝上培訓周期較長，裝備頻繁啟停易損耗的缺點。可以減少新艦員在操縱過程中，尤其是在戰斗情況下應急操縱時心理壓力大，精神高度緊張導致的行動僵化、頭腦空白，步驟不熟練等應激反應下的誤動作，通過VR虛擬系統的反復訓練可以形成條件反射降低人員對裝備的誤操作、減少自身的人員傷亡，大大提高新艦員對裝備的操作使用能力。某型船機電裝備模擬器虛擬圖見圖2。

圖2 機電裝備模擬器虛擬圖

對照訓練內容發現動力專業各技術等級在模擬系統上能完成訓練的比例為五級初等87%，五級高等63%、四級36%、三級18%，二級和一級為0%，而動力模塊整體訓練可覆蓋47%。從實際使用效果來看，能基本滿足于初中級人員的正常操縱訓練、應急處置訓練、排故訓練以及整體更次訓練。但從使用體驗、虛擬環境的逼真程度、人機交互情況來看，在受訓者的沉浸感、有效性上還有待提升。該模擬器采用二維軟件模擬結合半實物仿真的形式，雖然實現了360度全景技術機艙漫游，但這種全景是通過取景映射、后期處理模擬成三維立體景象。該技術只能把機艙的整體模樣投射出來，人機交互有限。VR技術發展趨勢應該是對整個機艙和設備進行動態環境三維建模的視景技術，可以虛擬漫游整個機艙，瀏覽熟悉機艙環境、機艙布局、設備操作、管路走向、閥門位置，對整個機艙做到了如指掌，達到視覺、聽覺、觸覺等融合化的虛擬環境，可以大大節省上實船培訓的時間。

3.3 裝備虛擬拆裝維修訓練

艦船上人員維修水平參差不齊，尤其是新職手，經歷的裝備等級修理少，平時訓練只能在月檢修或裝備故障修理時進行。且反復拆裝實際裝備，難免會出現磨損或變形等問題，導致配件消耗，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練，而虛擬拆裝模擬仿真訓練系統優點明顯，一是無時間場地限制，只需有電腦即可開展訓練；二是三維直觀性較強，拓展了艦員的視覺空間；三是軟件不存在消耗和磨損，經濟性好，非常適合艦員崗位合格前的技能培訓和準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部結構和拆裝流程。此外，通過軟件設置拆裝和扭緊力矩規范，可對艦員的能力水平進行考核，大大節約了訓練經費，提升訓練效果。

目前市場上有部分電工仿真軟件，如科萊爾電工仿真教學軟件，電工技能與實訓仿真教學系統等，可以實現人機交互模擬操縱、電路裝配、故障排除等功能。

3.4 虛擬損管訓練

艦船損管訓練主要依托于岸上的消防設施和損管模擬樓，以上兩者主要是以訓練個人和團體的損管技能為主，而艦員的心理能力訓練，指揮員的指揮能力訓練比較缺乏。而VR技術具有沉浸感、代入感、交互性，解決了艦員對損害環境的體驗。虛擬仿真系統不但可規避在現實損管環境中可能產生的一些風險，又可鍛煉艦員對未知事物的心理承受能力，心理適應能力，心理應激能力，心理調節和恢復能力[7]。通過反復訓練可以提高艦員的心理機能，保證在現實事故中能夠克服心理障礙正常實施行動。今后虛擬損管發展方向應該是“以任務為牽引，動態實時的決策反饋，逼真的虛擬環境”，具備情節、決策、影音和瀏覽功能。情節體現訓練過程，影音渲染情節和操作結果，決策體現出損管實效。其基本思路是將訓練的整個過程細化成許多獨立的小情景，每個情景包含一定的訓練條目和影音展示，系統根據艦員的操作結果，決定訓練的走向。此外，還有“目的引導行為”、“內容牽引選擇”、“由指揮員到實施者”、“由實施者到指揮員”等多種訓練方法和訓練模式來提高艦員的實做和指揮能力。

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

3.5 虛擬教學應用

虛擬教學最廣泛的一開始在教育領域的智能黑板上使用，集成了傳統黑板、人工智能、直播錄像、虛擬動畫等等功能，其多媒體教學集成和交互式黑板的融合大大提高了課堂效率。而艦員學習方式有限，除了崗前培訓和晉級培訓，大部分時間都是由老艦員的“傳、幫、帶”及個人自學。隨著艦船現代化程度越來越高，裝備越來越先進，系統越來越復雜，而傳統紙質媒介存在一定的局限性，內容只能是以文字、圖片或圖紙的形式展現出來，直觀性、可視化程度不夠，影響了人們對知識的消化吸收。而VR技術的沉浸性、構想性、交互性等優勢可以將傳統紙質媒介點、線、面的表達形式擴展到視覺、聽覺和觸覺三位一體的直觀表達形式。

目前比較流行的是工具是用手機APP或智能眼鏡，第一步先把紙質信息轉換成三維立體可視動畫,并加入人機交互的情節，通過圖像或二維碼將虛擬信息與紙質信息相關聯。人們只需用手機或眼鏡掃描相應的部位，就能在手機或眼鏡上增強顯示相應的動面、模型或交互動作，大大增加了閱讀的直觀性[8]，形成可移動的人書交互應用。該技術可解決艦員系統梳理難、結構掌握不清，管路系統掌握混亂等問題，提高培訓學習效率，急需聯合科研院所、裝備廠家開發配備VR/AR技術的教材。

4 結論

VR技術的應用做到了現實與虛擬相結合，創造了逼真的現場環境，通過人機交互、戰場感知完成一個實時動態的情節模擬，彌補了因現實訓練條件、訓練環境不足導致的問題，可以有效解決傳統訓練中的短板。隨著人工智能的運行，圖像處理、數據傳輸、設備軟硬件的不斷發展突破，在此基礎之上開發的VR技術將獲得更大的運用前景，可為艦船操縱，裝備操作、維修、設計評審、人員損管訓練、知識培訓等環節提供一種新穎高效的解決方案。