火线急救模拟训练系统设计

柏 杰，闫迎鸽*，胡鲜云，李 婕，段金鑫

（1.解放军总医院第五医学中心，北京 100072；2.陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

信息化条件下高技术战争的战场环境异常复杂，战斗对抗激烈，战场态势演变加快，对部队高效实施卫勤保障行动提出了更高的要求。火线急救作为卫勤保障力量战时遂行保障行动的力量末端和前哨，受敌威胁更加严重，保障作业条件更加严酷，对基层卫生保障人员的临战处置能力和专业技术水平的要求更高。主动对接战时火线急救保障需求，积极采取先进模拟训练技术，逼真构建近似实战的火线急救训练环境，成为提高基层卫生保障人员火线急救能力的重要途径。研究表明，利用虚拟仿真技术开展急救护理教学效果明显[1]，而在逼真战场环境条件下的战伤救治训练效果更佳[2]。

火线急救训练的理想模式是在近似实战的环境条件下开展火线急救的全过程、全要素、全科目训练。鲜继淑等[3]系统阐述了实战化模拟救治能力训练的具体做法，有效解决了训练内容与实战环境分离的难题，但面临着因实战环境条件构设复杂而不能灵活设置的问题。为此，建立战伤救治虚拟环境成为当前战伤救治训练技术发展的主要方向，例如可通过构建多自由度的模拟救治训练平台提供海上、空中或公路等条件下复杂运动环境中的动态模拟救治环境[4-5]，或者利用战伤救治模拟人技术灵活设置伤员的伤病特征[6]，为战伤救治技能训练提供基础条件，但是不能体现敌我对抗条件下战场环境的复杂性。为解决这一问题，本研究针对部（分）队火线急救使命，综合采用多种仿真技术，提出构建一种可灵活设置战场环境和救治操作场景、能适应单个或分队救治人员的综合性模拟训练系统，为开展实战化条件下的火线急救训练提供手段支撑。

1 需求分析

火线急救训练的目的是适应未来战争中不同环境条件下的前沿伤员急救任务，要求基层卫生人员必须要了解部队的使命任务以及战场环境的主要特点，并能够根据动态变化的战场态势主动、灵活地采取有效措施，实施对前沿伤员的高效抢救，在保证自身和伤员安全的前提下尽可能减少伤员的阵前死亡[7]。为实现该目的，火线急救模拟训练系统应满足以下需求：

（1）逼真的实战环境构建能力。应选择典型作战区域的部队典型使命任务，构建逼真的战场自然环境条件，并设置近似真实的作战对手和作战场景，使训练人员能够真实地体验战场环境的复杂性、态势演变的快速性和急救条件的艰苦性。

（2）灵活的专业技能训练能力。训练情景的多样性是提高基层卫生人员火线急救反应能力的重要基础。一方面，要结合战场环境特点、作战态势变化和保障对象编组，创设多种模拟训练场景。另一方面，要严格落实火线急救工作程序，按照及时发现伤员、迅速接近伤员、妥善急救伤员、安全搬运伤员、就近隐蔽伤员的要求，创设不同阶段基层卫生人员的判断决策问题和处置操作科目，实现战场态势判断、保障任务分析决策和行动展开协同的一体化全过程综合训练，提高基层卫生人员的战时综合急救能力。

（3）精确的模拟训练考评能力。应利用网络技术和高性能技术设备，研制在线式的实时训练考评模块，在基层卫生人员火线急救训练的同时，实时给出训练操作的正确性、合理性考核结果，促使训练人员边训边学，提高火线急救训练的效率。

（4）自主的在线学习能力。应采用文本、PPT、音频、动画、视频等方式，针对火线急救专题内容和难点内容，制作火线急救专题资源库，并提供灵活的资源访问功能，方便学员根据学习进度灵活自主地开展在线学习，提高学员学习的灵活性。

2 系统设计

2.1 功能构成

火线急救模拟训练系统功能构成如图1所示。

图1 火线急救模拟训练系统功能构成

（1）火线急救任务处置功能。提供实战对抗环境条件下的基层卫生人员急救能力训练功能。按行动内容区分为战场态势判断、伤员搜索发现、接近伤员、伤员急救、伤员搬运、伤员隐蔽等功能；按技术手段区分为通气、止血、包扎、固定、搬运和基础生命支持等专业技能训练功能；按训练对象区分为不同角色的火线急救人员岗位训练和火线急救分队战术训练2类功能。训练过程中，训练人员乘坐的车辆、使用的仪器设备以及对仪器设备的操作方法应与基层卫生人员实际使用的车辆和仪器设备相似。

（2）战场环境感知功能。包括战场自然环境、对抗环境的感知功能。从训练人员的角度看，就是要能够使训练人员真切地感知战场环境的变化情况，包括战场场景、部队机动、武器对抗等以及由此带来的对训练人员视觉、声觉和触觉的影响情况。

（3）训练科目设置功能。根据火线急救训练要求，针对不同作战地区的作战任务要求，区分专题训练和连贯训练2种形式，为参训人员灵活设置训练科目和训练要求。

（4）战场环境仿真功能。按照地形地貌、天候气象、敌我兵力的基本分类，构建逼真的战场环境仿真模型，反映战场环境对火线急救任务的影响情况。

（5）教学演示功能。提供火线急救原理、方法和操作流程的演示功能，为训练人员提供包括图文、动画、视频等格式的教学辅助资料，也可以作为受训者自学的基本资料。

（6）训练评估功能。提供火线急救模拟训练效果的综合评价功能，并为训练人员提供综合分析报告，帮助训练人员了解火线急救训练的整体效果。

2.2 结构布局

以系统建设需求和功能设计为基础，结合现代模拟训练技术的特点和应用实际，采用分布式结构构建火线急救模拟训练系统，包括模拟训练区、综合显示区、导控区、计算机生成兵力区、考核区、计算及存储服务区和网络运行支撑环境等7个部分，如图2所示。

（1）模拟训练区。依托各类模拟训练设备，提供火线急救任务处置训练功能，可以提供原理方法自主学习、仪器设备操作训练、急救任务流程训练和对抗环境实战训练4种功能，是训练人员开展技能训练和战场意识训练的主要区域。

（2）计算机生成兵力区。依托高性能计算服务器，部署战场环境仿真、敌方兵力和我方兵力仿真系统，为火线急救模拟训练提供虚拟装备、虚拟环境、模拟蓝军等训练支撑数据。

（3）导控区。以计算机设备终端为支撑，部署模拟训练导控软件，提供系统管控、科目设置等功能，支持火线急救组训人员和系统保障人员进行模拟训练导控以及各类硬件设备和软件系统的统一启停、自检、故障预警和运行状态监控。

（4）综合显示区。部署 LED（light emitting diode）屏、音响、图形工作站、二维态势生成服务器、LED显示服务器和视频监控管理计算机等硬件设备和相关软件，为组训人员根据作战态势和受训对象作业情况进行导控提供支撑。

（5）考核区。部署模拟训练数据预处理、成绩评定、教学考评和成绩分析等软件以及相应的硬件，为组训人员评定受训对象的成绩提供支撑。

（6）计算及存储服务区。以高性能计算机和存储服务器为主要设备，为模拟训练提供高性能的计算能力和数据管理能力。

（7）网络运行支撑环境。以局域网和HLA/RTI运行支撑环境为基础，构建服务于各功能分系统之间的高速数据交互网络环境。

图2 火线急救模拟训练系统整体结构布局

2.3 使用流程设计

系统部署运行后，基层卫生人员在组训人员的统一安排下开展相关科目的训练。组训人员负责系统的整体控制、科目设置、运行监控和结果评估等任务，受训人员利用系统的相关功能按要求开展原理方法自主学习，包括仪器设备操作训练、急救任务流程训练和对抗环境实战训练。训练结束后，组训人员应根据训练结果实时向受训者反馈训练结果并给出改进建议，受训者通过训练视景回放及时总结训练得失。其总体使用流程如图3所示。

图3 火线急救模拟训练系统总体使用流程

3 技术实现

火线急救模拟训练系统分为硬件和软件2个部分。硬件部分根据功能需求和结构要求进行相应的机电一体化构建，以三自由度电动平台为支撑进行模拟座舱设计，依托HTC VIVE沉浸式头盔和NeuronHim手套实现虚拟训练交互；软件部分采用Visual C++6.0软件和Microsoft SQL Server 2008数据库管理系统进行软件功能模块开发，采用CryEngine进行虚拟战场环境和训练场景开发。

3.1 基于模拟座舱的任务处置环境设计

以模拟座舱为基础，构建火线急救任务处置环境[8]。在模拟座舱内部，根据火线急救分队和单兵急救要求，设置各类卫生专用仪器设备、通用指挥通信终端和相关软件，为训练人员提供真实的训练设备设施。在模拟座舱外围，以战场环境仿真为支撑，采用环屏视听技术，创造逼真的战场对抗环境，增强模拟训练作业的实战化水平。模拟训练时，训练人员根据战场态势演变和伤员情况，操作相应的仪器设备和软件系统就能够实现与实战火线急救相似的操作训练。模拟座舱承载平台采用三自由度电动平台，最大承载质量1 500 kg，作业平台面积12.6 m2；模拟座舱舱体采用半封闭式结构，座舱内部设置若干模拟操作终端和虚拟操作设备，模拟操作终端根据科目实时显示火线急救任务场景；模拟座舱墙面和顶面的大尺寸显示屏幕动态显示战场场景。模拟座舱基本结构如图4所示。

图4 模拟座舱基本结构

3.2 基于三维可视化技术的战场环境构建

采用三维可视化技术，基于典型战场环境仿真引擎，按照战场环境的要素构成和特点，分别构建逼真的地形地貌和天候气象自然环境模型、敌我兵力实体及其武器运用模型、伤员现场模型等，为训练人员创造高沉浸、高逼真的可视化战场环境，提高火线急救操作的真实感和融入感[9]。战场环境构建的关键是各类环境模型的构建和在特定人物背景下的战场环境模型状态的演变。在三维战场环境构建时，采用当前比较先进的战场环境仿真引擎CryEngine平台，提供了大量的战场环境基础模型，通过环境参数的调整和实体模型的修改能够快速实现战场环境的构建，如图5所示。

图5 基于CryEngine平台的战场环境构建效果

图6 虚拟急救技能训练操作场景

3.3 基于虚拟现实技术的技能训练功能实现

以人体解剖结构为基础，利用虚拟现实技术构建伤员虚拟人体模型，模拟伤员的生理功能和救治反应；基于火线急救专业技能训练内容，构建虚拟化伤员及其器官的物理模型和急救设备模型；基于虚拟手套、虚拟头盔等虚拟设备，进行火线急救各项专业技能的交互式操作训练。火线急救技能训练科目要在实战对抗环境中，重点围绕在阵地对伤员的通气、止血、包扎、固定、搬运和基础生命支持内容进行设计，体现火线急救技能训练的针对性。其中，虚拟场景采用CryEngine平台开发，虚拟设备采用HTC VIVE沉浸式头盔和NeuronHim手套。以火线急救中对受伤人员手臂伤口处理技能训练为例，训练人员穿戴虚拟眼镜和虚拟手柄，利用虚拟定位设备开展虚拟急救训练的操作场景如图6所示。

3.4 基于数据挖掘的实时训练评估模块构建

火线急救模拟训练过程中产生的数据量大，在时间和空间上处于离散分布状态，需要经过数据挖掘实现从数据到信息的转变，并根据火线急救不同科目的考核评估指标体系，经数据分析与处理，得到训练结果评估的基本数据。根据不同科目训练考核评估方法和规则，建立相应的评估模型，将训练数据聚合形成训练评估结果，形成对参训人员训练结果的精确评价[10]。火线急救模拟训练评估模块显示界面如图7所示，包括训练评估指标体系、参训人员训练评估结论2个部分，并采用柱状图和雷达图分别显示参训人员的综合评估结论和分项评估结论。

图7 实时训练评估模块显示界面

4 应用优势

利用该系统开展基层卫生人员火线急救能力训练具有鲜明的优势，主要表现在以下几个方面。

4.1 战场环境动态逼真

可以结合部队作战样式、作战区域及作战进程，动态创建战场对抗态势，并根据战伤发生的特点，适时创建战场抢救现场，将火线救治场景融入到作战对抗环境中，使得火线救治场景的设置更加逼真和贴近实战运用要求。

4.2 训练科目设置灵活

可以根据火线救治训练内容要求，按照单科目训练和综合科目训练2种基本模式，灵活设置火线救治训练的内容和要求，提高模拟训练的灵活性和针对性。同时，还可以依托逼真的战场对抗环境，训练火线急救人员的分析判断、决策计划和行动控制意识，提高作战适应能力。

4.3 训练操作逼真形象

基于先进的虚拟现实技术和设备，构建火线急救多种典型科目的急救训练场景，并采用虚拟交互方式，不仅能够使参训人员逼真地感知技能操作训练场景，还能够在虚拟场景中近似真实地开展技能专业训练，操作训练场景更加逼真，操作训练过程更加真实。

4.4 训练结果实时反馈

参训人员结束科目训练后，系统能够根据参训人员的操作和处置情况，及时给出参训人员的训练考核结论，指出训练过程中的不足或不当之处，并给出训练改进的具体建议。同时，依托系统的记录回放功能，参训人员还可以对照训练考核结论进行训练操作过程的回放分析。

5 结语

火线急救是战时减少伤员死亡的基本手段，反映了基层卫生勤务人员的战斗意识和专业水平。火线急救模拟训练系统的研制能够为基层卫生勤务人员提供逼真的火线急救训练环境，开展不同作战区域和任务背景条件下的多科目综合演练，有利于提高基层卫生勤务人员火线急救实战能力，有望成为部队卫勤保障力量开展实战化训练的重要手段。下一步将适应部队多样化使命任务要求，进一步丰富火线救治的作战背景和战场环境，提供更加丰富多样、适应任务要求的火线救治虚拟场景。