前沿虚拟现实技术在军队科学化训练中的应用＊

常祺，许鹏飞

特种医学

前沿虚拟现实技术在军队科学化训练中的应用＊

常祺，许鹏飞

随着科技的不断发展，战争的理念和形式在不断地更新，而军队传统的训练方式已经无法适应新的战争需要，并且由于其安排的不合理容易造成士兵训练伤的发生，借鉴社会其他领域的科学进步和技术积累来提升军事训练的科学化、标准化将是未来军事训练的必然发展方向。近些年，虚拟现实（VR）技术随着科学发展已进入了高速期，在各个领域的运用均更加深入广泛，外军对于VR在军事化训练领域的应用已经取得了一定的成果，主要涉及战术配合与战术模拟演练，模拟特定环境、特殊器械进行特定操作训练等，如模拟仪器操作。全军军事训练医学研究所通过大量的部队实际调研，并与地方电子科技企业进行共同研发《军事训练同步矫正系统》，该系统分为四大模块：（1）训练动态纠正模块；（2）训练（伤）知识教育模块；（3）心理干预模块；（4）战场救护技术培训模块。该系统充分利用VR技术的侵入式特点，与现代运动医学先进动作捕获技术结合，可有效解决军事训练中的战术动作精准化问题，使得军事训练掌握度更高，精准度更高，为模拟实战化训练做出了较大贡献，同时由于对动作的规范和纠正，也显著降低了训练伤的发生。

虚拟现实技术（VR）；训练伤；科学化训练；精准化

常祺，全军军事训练医学研究所所长，解放军第150医院创伤骨科主任，国家临床重点专科部队建设项目负责人，河南省创伤及运动康复重点实验室主任，河南省创伤重点专科主任。骨外科博士，第四军医大学客座教授，第四军医大学骨外科硕士研究生导师。在军事训练医学、骨创伤医学、运动康复医学领域均有造诣。在国内外期刊发表学术论文50余篇，多篇为SCI收录，主编出版专著5部。负责全军指令性课题多项，获得军队科技进步二等奖1项，河南省科技进步三等奖1项，洛阳市科技进步二等奖2项。

社会的进步、战争的发展和体育科学的进步等都是现代军事训练走向科学化的重要推动力，在当前新的军事形势下，我军的各项军事训练也经历着深刻的变革，如何借鉴社会其他领域的科学进步和技术积累来提升军事训练的科学化、标准化水平是大家都在探索的问题。目前，随着实战化训练强度的不断增大，如果防护不当或技术动作不规范，很容易导致训练伤的发生。实战化训练中如何有效减少训练伤的发生，为官兵健康和部队战斗力服务，也是部队各级关注的一个重要课题。

近些年最具有代表性且影响重大的科学技术莫过于虚拟现实（virtual reality，VR）技术，其出现对各个领域均产生了重大影响。20世纪90年代初，美国率先将VR技术用于军事领域。随着科学技术的发展，目前美军的虚拟现实模拟已经进入实战化阶段，广泛运用于各军兵种的单兵单装训练、作战指挥训练、战役战术训练等层次。近几年，VR技术已经渗透军事生活的各个方面，开始在军事领域中发挥着越来越大的作用。VR技术在军事领域的应用主要集中在虚拟战场环境、军事训练和武器装备的研制与开发等方面［1］。

这些先进的技术和经验如何同我军的军事训练相结合，并有效解决目前我军军事训练中存在的一些问题呢？全军军事医学训练创伤研究所通过大量的部队实际调研，与地方电子科技企业进行共同研发《军事训练同步矫正系统》，并在实践应用中不断地进行完善，旨在为我军科学化训练和训练伤防治做出更大贡献。

1VR技术的概念及特点

VR技术，是一种综合计算机图形、多媒体、人机交互、网络、立体显示和仿真技术等多种科学技术综合发展出的技术，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察虚拟世界的事物。使用者借助一定的交互设备与虚拟世界中的对象进行互动，并相互影响。使用者可以按照自己的主观意愿驱动虚拟世界，感知其中的各种对象，从而可以完成一些现实世界中难以完成甚至无法完成的活动［2］。

VR技术具有3I的特征，即，沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）［3，4］。沉浸感是指利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉。交互性是在计算机生成的这种虚拟环境中，人们可以利用一些传感设备进行互动，感觉就像是在真实客观世界中一样。比如：当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时，手就有握东西的感觉，而且可感觉到物体的重量。想象性是在虚拟环境中可使用户沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想。因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。

2 我军军事训练现状

我军传统意义上的体能训练在磨炼其官兵意志力上值得提倡，但是在科学化的背景下，传统意义上的“老三样”，即5 km跑、引体向上和俯卧撑，这种单一的训练形式反映出部分官兵对于体能训练认识上的狭隘。分析我军现行的军事训练内容存在的一些缺陷，如：（1）训练内容过于单一，缺乏针对性训练标准；（2）训练时示教方法落后，不易于学习；（3）训练不够精准化，针对性不强，动作标准不够统一；（4）训练实战化准备不足，战场环境和心理因素训练内容少；（5）训练设施配备不足。

在新的作战理念转变的大背景下，士兵的军事训练须要科学化，根据不同的兵种和不同的军事任务，采取不同的训练内容和训练方法来进行专门化的训练。军事训练内容一定要贴近实战，在实战中不同兵种需要什么体能素质就专项化进行科学的设置，其内容负荷要与实战接近。现代战争的残酷性，要求士兵不仅要具有过硬的军事素质和过硬的心理素质，还要求士兵在极限条件下的心理素质和身体极限忍耐能力。因此，在日常的训练中，要组建科学化的体能训练团队保障士兵的体能、心理、营养等方面。同时由于训练方法的不当或动作指导不到位，会导致官兵训练伤增多，其中应力性骨折、膝关节损伤和腰背痛等3种训练伤最为多见［5］。只有科学化、精确化的军事训练才能达到更好的训练效果，同时减少训练伤的发生。

3 VR技术在军事训练领域中的应用

VR技术的不断进步不仅是对娱乐声像设备的更新换代，更是对科学化军事训练的革命。

20世纪90年代，美军首先将VR技术运用于军事领域，进行模拟训练。在技术的不断发展过程中，逐渐发展出从战略到战役、从指挥机构到单兵技能训练、从战场环境模拟到武器使用，对其军队实施全方位的模拟训练，为实战服务。美军VR技术与科学化训练结合非常紧密，基本上所有的训练科目均有VR技术的涉及，包括在机械单位驾驶、新武器培训、跳伞、单兵技能训练、实战演练、空军培训、战场心理适应等各个方面［6］。

如美国著名的101空降师，已开始借助VR系统进行实战化训练（图1）。系统中每个士兵都头戴虚拟现实头盔，各肢体关节部位携带传感器，可以做出各种复杂的军事训练演习姿势和动作，还可以如同在真实战场上一样使用各种枪支弹药。出于训练需要，DSTS单兵训练系统还能评估士兵在虚拟战场的受伤情况，并通过回放观察士兵在训练中表现并加以完善。

图1 美国正研发的DSTS单兵训练系统图

4 VR技术为主体的《军事训练同步矫正系统》技术特点

全军军事训练医学研究所经过多年部队军事训练实地调研，研发《军事训练同步矫正系统》，该系统分为四大模块：（1）训练动态纠正模块；（2）训练（伤）知识教育模块；（3）心理干预模块；（4）战场救护技术培训模块。下面针对各模块技术特点和实际应用逐一做详细介绍。

4.1 训练动态纠正模块针对对象为受训官兵及组训人员。在军事训练中，以什么样的标准来指导军事训练技术动作，即如何做到特定技术动作标准化，一直是部队比较普遍和头疼问题，也是提倡科学训练的大环境下亟须解决的问题。以投弹训练为例，在军事训练中，投弹是一项锻炼肢体及肌肉爆发力的投掷类运动，训练不当不仅影响训练成绩，还容易诱发投弹骨折、肩肘关节损伤等一系列训练伤病。

在军事训练科学化的经验借鉴上，职业体育训练和数据监测给我们带来了很多启示。例如NBA球队采用的球员数据分析系统，通过架设在球场内的专业设备，记录球员在训练和比赛中的动作习惯以及肌肉和关节数据等，通过大量数据分析对球员进行指导，帮助运动员改掉一些效率低、容易导致受伤的动作和习惯，更好地提升运动员的竞技水平。

在《训练动态纠正模块》中，以投弹训练为具体的研究对象，通过目前最新的VR技术和全身动作技术，让士兵戴上沉浸式VR头盔后，身临其境的学习投弹教官的投弹动作示范，同时通过数据对比实时矫正士兵的每一步动作，防止士兵因为投弹姿势错误而导致受伤，使得投弹训练更加精准。此模块解决了动作教学抽象难懂的问题，同时也解决了优秀教学资源的共享问题。在传统的投弹教学中，每个教官的投弹动作都存在一定的差异，通过VR设备，可以将全军最优秀的投弹教官动作录入到标准动画中供每个士兵学习，士兵可以任意变换角度观察动作细节，可以进行逐步式分解学习，让优秀的教学资源得到了更大范围的应用。

除了形象的分步骤教学，系统实时的动作数据对比分析是系统的核心技术。通过与实时全身动捕设备的连接，系统能实时地将士兵的肢体动作“捕获”到系统中，让系统中虚拟的“我”与士兵动作同步，同时把士兵的每一个动作数据与优秀教员的动作数据进行分析对比，对动作存在的偏差以通俗的语言、文字等形式实时反馈给士兵，起到实时指导矫正的作用，起到了科学训练的作用，同时对动作的矫正也最大限度地防止士兵在训练中因动作错误而导致受伤。

4.2 训练（伤）知识教育模块针对对象为受训官兵及卫生人员。在军事训练标准上，部队以纸质教材、文字资料、课件、视频及教官现场动作指导等形式进行授课培训。但文字资料和课件比较抽象，视频不便进行细化和拆分训练。这些传统的示教方法，会导致受训人员的理解不够到位，对训练技能的掌握参差不齐，对于因不正确训练而造成的训练伤认识不足。

在《训练（伤）知识教育模块》中，让士兵戴上沉浸式VR头盔后，身临其境的学习训练（伤）知识，同时可以实现交互互动功能。以投弹动作为例，制作投弹肌肉骨骼模型，表现出投弹动作的各个时相，每个运动时相内骨关节与肌肉运动方式，以及每时相内容易出现的动作问题和相应易出现的损伤做一一讲解。模块可实现以下特点及功能：（1）利用VR技术设计逼真的三维虚拟身体内部结构及运动时肌肉骨骼状态，能够使战士置身于虚拟的3D环境中，体验实训不可能观察到的人体各肢体及结构器官工作的原理，更好地了解人体的构造和运动，体会合理动作，规避易损伤动作；（2）充分利用并行虚拟现实系统的可交互性，让学员与人体运动模型、学员与教员之间进行互动，体验平时不可能体验到的情境，同时可以利用并行虚拟现实系统的共享性使所有人共享资源，激发学习兴趣，提高其自主学习能力；（3）学员可以不受时间和空间的限制，自己可以在任意的时间和地方利用VR教学设备进行学习。与传统的教学方式相比，节约了时间，提高了学习效率，同时充分调动其兴趣。

4.3 心理干预模块针对对象为受训官兵。现代战争给官兵的心理带来了前所未有的影响和挑战，没有正确的应对措施会造成心理问题。战争性心理问题，是指由于战争的残酷激烈和复杂多变对参战人员心理产生刺激而引起的一系列不良心理反应［7］。我军官兵在未来战争中也将面临的战争性心理问题，如何通过平时科学化的军事训练来预防战争性心理问题的发生是非常值得重视的研究方向。

造成战争性心理问题的关键在于对战争环境的不适应与不熟悉。据参加伊拉克战争的美军心理医师报道，老兵中出现战争性心理问题的人极少，患病的通常都是年轻、缺乏实战经验的新兵。因此，对参战人员加强心理耐受适应性训练，可以大大提高参战人员的心理耐受能力。尤其是我国常年处于相对和平状态，很少有官兵参与到实战过程中。缺乏一种临战的环境的锻炼。而在训练中使用VR技术的模拟环境功能，就可以很好地模拟真实的战争环境，让官兵提前适应实战时的压力，降低易感性，提高心理承受能力，增加应对和适应战争环境的能力，从而在未来的战斗中减少战场上出现的焦虑、恐慌等心理问题。

此外，在危险系数较高的科目训练（如跳伞、飞行员试飞）时，也容易出现军人心理问题，从而影响自身发挥甚至造成伤亡。这一方面也可通过VR技术的模拟环境能力辅助解决，提高心理适应能力，提升面对突发情况的应对能力。

战争结束后，很多军人易造成战后心理综合征，因为战场上遭遇或对抗重大压力后，包括生命遭到威胁、严重物理性伤害、身体或心灵上的胁迫，而出现的心理状态失衡后遗症。如何解决这一问题，心理学的治疗包括宣泄情绪、药物治疗、心理咨询等方法。其中的宣泄，尤其是现场宣泄的效果是最佳的，可以最大程度帮助患者释放压抑的情绪。采用VR技术进行最大限度地临床感环境模拟，帮助患者在某一时刻应该找回存放在脑海深处的记忆，并把他们从新审视处理，宣泄出自身所承担的压力，这样才能走出阴影。

在《心理干预模块》中，我们利用首先对官兵进行心理评估，针对特殊环境作业人群，或特殊岗位人群，如空降兵及飞行员，利用VR技术的模拟环境能力，提高官兵心理适应能力，提升其在面对突发情况的应对能力。使心理评估异常人员，通过环境模拟、情感释放等一系列手段及技术，达到心理干预治疗的效果。

4.4 战场救护技术培训模块针对对象为卫生人员。在真实战争打响后，部队医疗队往往要随军深入至前线进行医疗支援。我国长期处于和平时期，战斗人员缺乏实战经验，而相应的医务人员也缺乏战场救护的真实经验。缺乏应对各种突发情况下继续保障医疗支持和应对战时大量不同伤情的处理经验，还有单独医务人员的战时心理问题，这些因素都极大地影响了战争情况下战场救护的实际保障能力。

医护人员如何在平时对于这一方面内容进行针对性训练？参与军事演习是一种方法，但是开展次数有限，也无法独立开展训练，参与人员也有限。VR技术的发展也为战场救护提供了新的训练选择。逼真的现场模拟度，每个医护人员沉浸其中，面对不同的突发情况进行医疗保障，提高应对突发能力和心理承受能力。

此外，很多基层部队的医务人员由于常年在基层部队服务，所接触到的病种单一，缺乏多方面的疾病应对和应急手术经验。通过VR技术虚拟的医疗能力来帮助解决。比如虚拟外科手术，利用VR技术模拟和指导外科手术所设计的各种过程，包括术前、术中、术后整个过程，进行手术培训，解决手术经验不足的问题［8］。目前国外此方面已有一些成功的经验。

在《战场救护技术培训模块》中，我们拟通过三部分内容进行设计：（1）虚拟手术视觉渲染；（2）物理模型制作；（3）人机交互。实现如骨折固定、包扎止血、心肺复苏等战场救护的实用技术培训，甚至对进一步战场救护的技术，针对骨科骨折手术固定、普外剖腹探查、肝切除等专业性较强临床技术，也实现了对专业医务人员的业务培训。

5 结语

VR技术，是20世纪末兴起的一门综合性信息技术，备受国内外各领域专业人员关注。如何将该技术利用好，使其充分符合我军特点及需要，科学应用于我军军事训练领域还需要进一步探讨和研究。

［1］军事科学院军事百科研究所.当代最具影响力的军事技术（一）［J］.军事百科，2005（1）：64-66.

［2］胡小强.虚拟现实技术基础与应用［M］.北京：北京邮电大学出版社，2009：78.

［3］BURDEAGC，COIFFETP．虚拟现实技术［M］.魏迎梅，栾悉道，译．北京：电子工业出版社，2005.

［4］Wexeblat.A VR Application and Explorations［M］.Cambridge：Academic Press Professional，1955：5-12.

［5］仉郁芝，孙超，谭涛峰，等.我军军事训练伤研究概况［J］.医教研究，1994（2）：78.

［6］李湘德，赵俭.VR技术的军事应用研究［J］.科技进步与对策，2003（10）：81-83.

［7］赵冬梅.心理创伤的治疗模型与理论［J］.华南师范大学学报，2009（3）：125-127.

［8］王丹，罗良平.虚拟现实技术在临床教学中的应用［M］.医疗卫生装备，2012，7（33）：126-127.

［2016－09－13收稿，2016－10－11修回］［本文编辑：韩仲琪］

Application of advanced VR technology in the military scientific training

CHANG Qi，XV Peng-fei. PLA No.150 Hospital，Trauma Osteological Dept./Whole-army Military Training Medical Institute，Luoyang，Henan 471031，China

With the development of science，the concept and form of war are constantly updated，while the traditional military training methods have been unable to adapt to the new war needs，and under the unreasonable arrangements easily lead to the occurrence of soldiers training injuries，gathering other areas of science to make the military training more scientific and standardization will be the inevitable direction in the future.Recent years，the development of VR technology has entered a high-speed way，play important roles in all areas.The foreign army has achieved some achievements in application of VR in military training which involve in tactical coordination，tactical simulation exercises，simulation of specific environments and equipment.After a large number of actual research in troops，Army military training medical research institute collaborated with the local electronic technology enterprise to develop the"military training synchronization correction system".The system is divided into four modules：1）training dynamic correction module；2）training（injury）knowledge education module；3）psychological intervention module；4）battlefield ambulance technology training module.This system takes full use of immersion of VR technology，combined with the advanced motion capture technology of modern sports medicine.The system can effectively solve the precision problems，make the military training more accurate and easily to master the new project，and it will make great contribution to the simulation training of actual combat.At the same time，the correction and regulation of training action will decrease the incidence of training injury.

VR technology；Training injury；Sciented training；The accarated

R82：G255.76

A

10.14172/j.issn1671-4008.2017.03.001

全军后勤科研计划面上课题（CJN14J005）

471031河南洛阳，解放军150医院创伤骨科/全军军事训练医学研究所（常祺，许鹏飞）