虚拟现实技术在装备培训中的应用研究

李魁星 赵东波 张大鹏

摘要： 本文探讨了虚拟现实技术在装备培训领域的应用，分析了装备培训内容对培训方法手段的依赖度，设计了采用虚拟现实技术开展装备培训的基本运作流程。

Abstract： This paper discusses the application of virtual reality technology in the field of equipment training， and analyses the equipment training content dependence of training methods， designed using virtual reality technology in equipment and training of basic operational processes.

关键词： 虚拟现实技术；装备培训；依赖度

Key words： virtual reality technology；equipment training；dependence

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0200-04

0 引言

近年来，虚拟现实技术以其可以在“客观实在”与“主观思维”之外创设“第三空间”的颠覆性，逐步在游戏娱乐、医疗保健、教育、军事、工程、零售等领域展开应用，也为装备培训工作的换代升级开辟了新的境界。

1 虚拟现实技术应用于装备培训概况

1.1 装备培训发展趋势

长期以来，各类装备培训都是以理论学习、实装操作为主体，辅以多媒体教学、模型认知、半实物模拟等方法手段，通过对知识的领悟吸收和对技能的强化训练，达到熟练操作使用装备的目的。随着时代发展和科技进步，许多装备的性能越来越先进、技术越来越复杂、规模越来越庞大，设备运行和维护的成本越来越高，装备认知的全面性系统性、装备操作的精确性熟练性、体系协作的联动性密切性在不断增强，对装备使用管理人员的个人素质和培训要求越来越严格。为了适应新形势下装备培训的需要，达到缩短培训周期、降低培训费用、确保培训安全、提升培训效果的目的，不断创新培训模式、科学构建培训体系成为历史必然。

1.2 虚拟现实技术的主要优势

与课堂教学、实装培训相比，虚拟现实培训技术具有非常显著的优势。功能齐全，可以完成装备结构认知、运行原理展示、操作流程演示、交互式操作体验和技能考核等功能，同时承载了理论教学、模型教学、实装操作、结业考核的功能；安全可靠，开展虚拟训练不动用现实装备，可以有效避免在实装培训初期容易出现的装备损毁或人员伤害，大大增加培训工作的安全性；节约资源，虚拟培训不动用实装，可以避免装备损耗、减少能源消耗、节约空间资源；效益拓展，虚拟培训可以通过软件、网络系统实现“一平台多装备”“分布交互训练”，实现培训效益倍数型增强。

1.3 现实的矛盾问题

受技术水平、成本价格、用户体验等方面局限，虚拟现实技术在装备培训应用中，也有其难以回避的矛盾问题。技术方面，虚拟现实系统中实时三维图形生成、HMD与主机系统的无线连接传输、用户细微动作的跟踪定位、触觉与力觉反馈等关键技术与沉浸感的要求还有不小差距，问题的解决仍需时日；成本方面，单就头戴式显示设备HMD而言，目前的主要厂商（索尼、Oculus、HTC、谷歌Cardboard Gear VR和HoloLens）的VR/AR产品的材料成本均在数百美元的价格，集团用户组织装备培训还需配套主机系统、追踪系统、控制器等硬件设施和软件开发平台，成本价格更高；体验方面，受制于分辨率、刷新率、计算能力，用户“晕屏”的问题一直难以克服，感官体验局限于并不完善的视听触觉上，技术进步与人的主观期望直接的“恐怖谷”效应等问题都影响着用户体验的满意度。

2 装备培训内容对培训方法手段的依赖度分析

2.1 培训内容划分

①认知培训。主要是指对装备功能构造、性能指标、运行原理进行教学。在装备性能趋于先进、装备操作趋于简化、体系联合紧密的形势下，对功能构造、运行原理的掌握越来越重要。作为装备操作、维修、保养、管理人员，均应接受装备认知培训。

②技能培训。主要包括操作、维修、保养等动手型技能。在应用实践中，装备操作技能是运用装备的核心，是装备发挥效益的基础。现在装备的研发力求使用户应用简便，使得装备操作技能相对简化，但对精确性、熟练度却要求更高，面对高性能装备，如果操作不够精准，很有可能出现差之毫厘失之千里的现象。

③协作培训。主要是指某一装备体系或某一功能性集团中，需要多台装备联动才能发挥装备效益、实现装备功能，这一体系中的各操作员除了掌握本装备必须的操作技能外，还必须关照体系内其他人员的操作，遵循一定的原则和规程、进行密切协作。

④拓展培训。主要是指实现装备工作人员一专多能，通过采用可拓展的装备培训平台进行一定程度的训练，能够掌握同类不同型号装备乃至不同类型装备操作。

2.2 培训方法手段划分

①理论学习。理论的传授是教学培训的传统手段，随着社会的发展，已最初的简单的口授、面授向利用多媒体技术发展，当前理论灌输的方法多样，效果明显提升，但没有改变理论传授中受训者被动接受、靠思维构想的本质。

②实装教学。实装教学是装备培训的关键环节，也是受训者掌握装备操作技能最为有效的方法。但是对于很多大型装备来说，实装训练占用空间大、时间多，消耗油料、电力等资源多，存在的人员和裝备安全风险。因而，采取有效的办法替代实装教学，压缩实装教学的占比，是装备培训部门始终努力的方向。

③模型教学。模型教学伴随理论灌输而产生，是为了让受训者有更直观印象，提升教学效益。但是模型实质上本身也是一种实物，对装备的模拟如果不够真实，就没有应用的必要；如要设计逼真，会明显提升成本、影响模型制作配发的数量，同样会导致教学效益不高。

④半實物仿真模拟器训练。半实物仿真模拟培训是在近年来仿真技术飞速发展的基础上，逐渐兴起的培训模式，在当前的装备培训工作中发挥了较大的作用，也产生了较好的效益。但由于半实物仿真器往往占用空间大，使用不够灵活方便，影响了培训效果。

⑤桌面式虚拟现实系统训练。桌面虚拟现实系统利用个人计算机和低级的工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟界面的一个窗口。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察虚拟空间，并操控其中的物体实现交互，但参与者缺少完全的沉浸，易受到外界环境的影响。桌面显示系统最大的特点是结构简单、价格低廉、易于普及推广，但最大的缺点是缺乏完全沉浸式的用户体验。

⑥沉浸式虚拟现实系统训练。沉浸式虚拟现实系统通过非常丰富的交互式设备使参与者能够自由地和虚拟系统进行完整的交互，在交互过程中用户感觉到完全融入了虚拟的系统，具有身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。由于需要接入多种多样的人机交互设备，并使虚拟现实系统和人机接口设备协同工作，沉浸式虚拟现实系统的实现成本一般较高，成为限制沉浸式虚拟现实系统推广使用的关键因素。

⑦增强现实系统训练。增强式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实的物理对象之上，为用户提供所能看到的与真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受。这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

⑧分布交互式虚拟现实系统训练。分布式虚拟现实系统是一种基于网络连接的虚拟现实系统，它是多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。在系统中，多个用户可以通过网络对同一虚拟空间进行观察和操作，以达到协同工作的目的。

2.3 依赖度分析

培训内容对于方法手段的依赖程度，是指该培训模式对该内容的适用度、不可替代程度，影响因子包括：培训模式的理想应用效能、用户体验满意度、技术可行性、经济可行性、安全性等因素。理想应用效能，是指在完全实现预定培训模式的情况下，达到培训目的效果，是评价该模式是否适用的核心指标；用户体验满意度，是指在实现培训目的的过程中，受训者对培训过程、手段的适应程度，是关键指标；技术可行性、经济可行性是评价该模式的基础指标，包括技术成熟度、系统稳定性、技术成本、培训资源消耗等内容；安全性，是评价该模式的保底指标，只有该培训模式在可控或可接受的风险范围之内，才可应用。

依赖度分析，采取定量定性相结合的德尔菲法，首先请相关领域专家对培训模式对相应内容的各指标进行关联强度定性评判，区分强关联、中等关联、弱关联，如果某一培训模式的理想应用效能、用户体验满意度2个指标与所对应培训内容仅存在弱关联，则该培训模式的技术可行性、经济可行性、安全性指标没有必要再行评价；而后，根据各具体指标关联度，由专家对培训模式对内容的适用度进行了量化打分，得到表1所示分析图表。

从表1可以看出，不同培训内容对培训模式的依赖度差异性明显，虚拟现实技术在装备培训中的应用程度也各不相同。结构性能认知培训，应用较好的培训模式依次为沉浸式虚拟现实系统、桌面/分布交互式虚拟现实系统、理论灌输、增强型虚拟现实系统、模型教学；功能原理认知培训，应用较好的培训模式依次为沉浸式虚拟现实系统、桌面式/分布交互式/增强型虚拟现实系统、理论灌输；按钮/开关式操作技能培训，应用较好的培训模式依次为桌面式/分布交互式/增强型虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、实装教学、半实物仿真模拟器；动作操控式技能培训，应用较好的培训模式依次为半实物仿真模拟器、增强型虚拟现实系统、实装教学；协作培训应用较好的培训模式依次为半实物仿真模拟器、分布交互式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统；而拓展培训应用较好的仅有分布交互式虚拟现实系统。

在具体类型的装备培训中，应根据装备的特征、组织者的要求、培训的侧重点，合理确定装备培训方案。如，针对某一具体装备，装备培训方案的流程确定为：采用沉浸式虚拟现实系统进行认知培训，采用增强型虚拟现实系统进行技能操作培训，采用半实物仿真模拟器进行协作培训，可以实现效益好、满意度高的培训目的。其培训体系示意如图1。

3 虚拟现实培训系统结构及功能分析

3.1 虚拟现实培训系统功能需求

着眼于发挥技术优势、提升培训效益，虚拟现实培训系统的设计必须结构合理、功能齐全。各种装备培训均强调场景的真实性，训练视觉、流程、逻辑控制与真实设备操控的一致性，训练数据的可查性，因而虚拟现实培训系统需实现以下功能：①设立系统管理员、教学人员、受训人员三级账户，系统管理员可进行用户信息维护，学员只能调阅自身训练数据，教员可调阅学员训练数据。②培训内容包括认知培训、单人模拟训练、多人协同训练、考核。 ③提供训练日志查询、训练日志统计、考核日志查询、考核日志统计、个人信息维护功能。④开展装备认识教学。利用虚拟仿真技术将装备信息、装备构造、装备操作过程等学习内容融入到装备认知介绍中，通过完全沉浸方式体验或简单可视化交互操作即可学习了解到装备的基础知识。⑤教练操作使用技能。系统预设装备操作使用步骤，在操作过程中设置提示信息和热点区域指示，以提高受训者的训练兴趣和效率。⑥自主测试和检验考评。通过设置限时操作、分数考评、帮助提示等功能，受训者可以自测装备基础知识和操作步骤掌握情况，同时组训者可通过此模块对受训者进行检验考评。

3.2 业务流程分析及系统流程图

虚拟培训系统按功能类型可分为训练类功能、查询统计类功能、管理类功能，如图2所示，具体如下：①训练类功能：认知学习、单人模拟训练、多人协同训练。②查询统计功能：学习日志查询统计、训练日志查询统计、考核查询统计。③管理类功能：系统参数配置功能、用户信息管理功能。

4 结束语

需求牵引、技术推动是装备发展的两大引擎，通过准确对接培训需求与科技优势，不断拓展虚拟现实技术在装备培训领域的应用，创新培训模式、科学构建培训体系，一定会推动装备培训工作质效大幅提升。本文对虚拟现实技术在装备培训领域的应用可行性、方向性进行了较为深入的研究，为虚拟现实培训系统的进一步开发提供了较好的借鉴。

参考文献：

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