基于增強現實技術的水面艦艇戰傷救治技能訓練系統設計

賁敏，楊媛媛，張義，薛晨

水面艦艇部隊是海軍中以水面艦艇為基本裝備，在水面遂行作戰任務的兵種，與其他兵種相比，在武器裝備、使命任務、所處環境等方面具有鮮明特點，因此對水面艦艇部隊衛勤保障工作提出了特殊要求［1］。一方面，現代海戰中高技術武器大量使用，導致海戰傷傷情非常復雜［2］；另一方面，海上作戰通常以單艦為單元，艦與艦距離遠、協同難，一旦產生批量傷員，需首先立足自身條件完成傷員救治任務［3］。因此，加強水面艦艇官兵戰傷救治技能訓練，提高官兵自救互救能力非常必要。自2017 年以來，海軍部隊廣泛開展群眾性戰傷救治技術練兵比武活動，強化了海軍官兵戰傷救治理念，夯實了戰時衛勤保障基礎，一定程度上提升了戰場一線救治能力。但同時也存在訓練實戰化環境不真實、艦船戰損狀態難呈現、訓練內容海軍特色不明顯、火線傷員急救動作不規范等問題［4-5］。筆者針對上述問題，設計基于增強現實（augmented reality，AR）技術的水面艦艇戰傷救治訓練系統，并從戰傷救治訓練內容、訓練方式、考核標準等方面探討AR訓練系統應用方式，目的是創設接近實戰的訓練條件，以培養和檢驗海軍官兵在海上特殊環境下的戰傷救治能力。

1 戰傷救治AR 訓練系統需求分析

1.1 AR 的概念與特點 AR 是在虛擬現實基礎上發展起來的新技術，將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對真實世界的“增強”［6］。Azuma［7］明確AR 的3 個典型特征為虛實結合、實時交互與三維配準。虛實結合是指AR 將虛擬世界與用戶所處真實世界融合在一起，通過對現實環境的增強來強化用戶的感受與體驗，但并不完全取代現實環境。實時交互是指用戶以便捷、自然的方式與智能設備生成的虛擬場景進行實時信息交換，人機交互技術發展經歷了傳統鼠標鍵盤交互、觸控交互、語音交互、體感交互、生理交互、混合交互6 個階段，人機交互技術很大程度影響了用戶的體驗以及AR 的應用領域，是重點支撐技術［8-9］。三維配準是指計算觀察者視點方位從而把虛擬信息合理疊加到真實環境上，以保證用戶得到精確的增強信息［10］。

1.2 AR 技術在軍事衛勤領域的應用 作戰任務及武器的多樣化，使得作戰訓練實戰化、信息化需求日益突出，也加速了AR 在軍事領域的應用，主要集中在武器裝備研制維修、軍事訓練和演習、作戰演示和研討、戰場環境增強等方面［11］。如萊特-帕特森空軍基地研制的“超級駕駛室”（super cockpit），通過透視式頭盔與虛擬環境的結合輔助駕駛員夜間飛行，可把飛行和目標數據疊加到飛行員視場中并通過聽覺提示輔助定位；美國海軍研究所研制的戰場增強現實系統（battlefield augmented reality system，BARS），用于滿足徒步作戰人員戰場態勢感知的需求；此外，用于沉浸式訓練的可穿戴式AR 系統也日漸成熟［12］。在衛勤領域，國外在21 世紀初就開始了AR 技術在衛勤領域的應用研究，如Mayrose 等［13］提出利用AR 技術進行戰傷氣管插管模擬訓練，美軍建立“戰創傷傷員仿真系統”來研發用于戰救培訓的AR 系統。國內學者探討了AR 技術應用于衛勤訓練的構想，如郭棟等［14-15］提出將AR 技術應用于機動衛勤力量的實戰化訓練，并探討其在核與輻射突發事件應急醫學救援模擬訓練中的應用模式；秦昊等［16］提出了AR 技術對戰創傷救治培訓平臺建立的展望。但目前尚未研發出成熟的、基于AR 技術的衛勤訓練產品。盡管基于AR 技術的訓練系統仍處于探索階段，但其模擬作戰場景、虛-實信息交互、多方信息共享等特點，可徹底改變現有訓練模式，是解決目前戰救訓練標準化不高、實戰化不明顯等問題的重要技術手段。

1.3 戰傷救治AR 訓練系統勤務定位 傳統戰傷救治訓練通常以化妝傷員和模擬人為對象開展技能訓練，缺乏海上戰傷救治核心要素，如交戰場景、艙室受損、艦船顛簸等環境要素，以及大面積燒傷、氣胸、低體溫休克、海洋生物蜇傷等難以動態表現的傷情要素，在一定程度上影響了水面艦艇部隊官兵戰傷救治“實戰化”能力的提升。基于此，筆者提出基于AR 技術研制水面艦艇戰傷救治技能模擬訓練系統，該系統可結合戰術背景進行流程性的勤務訓練，以及包扎、止血等初級急救模擬訓練和環甲膜穿刺、氣管插管等高級急救模擬訓練，并允許升級和拓展。訓練系統及平臺設備易攜帶，便于展開，可同時進行10 人內的單人技能訓練和團隊綜合演練。

2 戰傷救治AR 訓練系統設計

2.1 AR 訓練系統總體設計 基于AR 訓練系統勤務定位，筆者以艦艇部隊相關訓練大綱和考核規范為基礎，設計水面艦艇戰傷救治技能AR 訓練系統整體架構。如圖1 所示。系統整體分為3 層，分別為基礎硬件平臺、AR 訓練通用軟件和數據共享平臺、戰傷救治技能訓練應用平臺。基礎硬件平臺由訓練數據采集設備、數據處理設備、AR 基礎設備和事件反饋設備等組成。通用軟件平臺是底層開發平臺，同時提供外部硬件及應用的控制接口；此外，數據共享平臺實現與其他訓練系統的數據共享、目的是整合人員訓練數據。訓練應用平臺實現AR 戰場環境下的戰傷救治訓練，包括戰救技能訓練、勤務流程訓練，系統提供實時的評估與反饋。

圖1 AR 訓練系統整體架構設計

2.2 AR 訓練應用平臺功能模塊 AR 訓練應用平臺由AR資源模塊、AR 訓練模塊、訓練評估模塊等3 大模塊構成，實現水面艦艇戰傷救治技能的自學、教學和訓練考核功能。見圖2。其中，AR 資源模塊由戰場環境增強、傷員傷情增強、戰救技術資源庫等虛擬訓練資源庫組成，為AR 訓練系統提供底層的數據支撐，也可為受訓人員熟悉艦船艙室布局、戰救器材使用方法等提供技術支持。AR 訓練模塊由單項技能訓練、團隊戰救訓練、勤務流程訓練等組成，組訓人員通過AR 系統設置訓練環境、虛擬傷情，受訓人員通過AR 交互設備有針對性地進行戰傷救治技能訓練，系統依據評估模型對戰救操作進行實施評估。此外，訓練評估模塊可提供復盤評估功能，即實現操作回放、成績分析、錯誤解析等功能。

圖2 AR 訓練應用平臺功能模塊

2.3 AR 訓練系統技術體系 戰傷救治AR 訓練系統從技術實現到部隊應用，需要篩選一套完備的技術體系，包括輸入端、輸出端、虛實融合、人機交互等。其難點在于建設便攜、穩定性好的基礎硬件平臺，研制沉浸感強、交互性好的軟件平臺，準確實現跟蹤定位和場景重構。筆者所設計的AR訓練系統，在識別技術上，采用“匹配角度”方案實現對水面艦艇環境的精確跟蹤；在跟蹤技術上，采用硬件和視覺混合跟蹤的方法滿足高精度的要求，實現更強的拓展性［17］；在輸出端，采用基于光學的透射式頭盔顯示，滿足高分辨率、真實感和安全性的要求；在人機交互部分，需要實現手勢交互、語音交互、機器對環境的感知交互，且滿足確定性的反饋、操作簡單的要求。從行業發展角度來說，目前AR 在技術上的難點除了光場技術之外，還有人工智能、處理能力、設備小型化等問題。

3 戰傷救治AR 訓練應用模式

戰傷救治AR 訓練系統建設完成后，可依托軍醫大學衛勤訓練基地開展基地化訓練，也可在水面艦艇部隊單艦上進行應用，同時面向普通官兵、衛生戰士、衛生專業士官和衛生專業軍官等不同類型人員，進行單人或團隊模式訓練。在單人模式下，受訓者通過佩戴AR 設備進行系統訓練，針對組訓人員分發的任務開展模擬訓練，模擬訓練結束后，系統實時反饋訓練成績給組訓人員，可進入補差訓練環節。在團隊訓練模式下，團隊人員根據組訓人員分發的任務首先進行任務規劃，再進入戰傷救治技能操作環節，系統根據團隊的操作情況進行任務重新分配或者結束訓練。見圖3。在單人技能訓練或者團隊訓練結束后，可通過系統復盤功能，對訓練過程與結果進行綜合評估，受訓人員通過復盤進行總結自評，組訓人員根據訓練中暴露的問題提出建議。戰傷救治AR 訓練系統通過提供“虛-實”結合的復雜戰場環境，使受訓人員可以熟練戰場傷員救治勤務流程，同時提高心理素質和臨機處置能力，提高水面艦艇傷員救治的效率和效果。

圖3 AR 訓練系統工作流程

4 小結

筆者基于水面艦艇部隊官兵戰傷救治訓練中存在的問題和“實戰化”訓練需求，以增強現實技術為信息化工具，提出戰傷救治AR 訓練系統的設計和應用方案，從目前國內外AR 技術的應用來看，戰傷救治AR 訓練系統可以提供一個“虛-實”結合的訓練環境，將戰場的“交戰”情景、艦船的“受損”情況、官兵的“受傷”情況疊加在真實艦船的場景上，解決傳統戰傷救治訓練實戰化環境不真實、艦船戰損狀態難呈現、訓練內容海軍特色不明顯等問題。在創新海戰傷救治訓練信息化手段的同時，對提高受訓人員復雜戰場環境下開展戰救工作的戰時心理素質、綜合判斷能力、臨機決策能力具有明顯效果。雖然目前AR 技術在光場技術、人工智能算法、設備小型化等方面的技術問題仍沒有得到很好地解決，但其可以改變傳統戰創傷救治培訓理念和模式，可以作為訓練場與戰場的訓練成果轉化橋梁，值得加快成果產出。近幾年，課題組聚焦戰傷救治缺乏“真實的”傷員傷情問題，開展動態傷員傷情系統建設，通過構建傷情動態演化算法，實現了批量傷員傷情數據的自動生成和動態演化，為水面艦艇戰傷救治AR 訓練系統的研發奠定了良好的基礎。但基于大數據和機器學習的動態傷情演化邏輯與規則仍有待進一步研究。在下一步工作中，課題組將繼續深入戰傷救治與AR技術、人工智能等交叉融合，將成熟的產品應用到部隊“實戰化”訓練中，有效提升海軍官兵在海上特殊環境下的戰傷救治能力。