VR技术在舰船训练中的运用前景

林文友，武红梅2，厉行军

(1.92246部队，上海 201900；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

1 VR虚拟技术应用现状

1.1 VR虚拟技术及特点

虚拟现实(virtual reality， VR)或称“灵境技术”，多媒体技术的综合应用形式，涉及到传感器技术、计算机软、硬件技术、人工智能技术、机器人技术及行为心理学等多领域多学科[1]，是一种模拟创造和体验现实虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机仿真软件虚拟一种现实的模拟环境，把多方面的信息进行融合、具备人机交互，进行实体行为，拥有三维动态立体视景的仿真系统[2]。VR技术凭借其沉浸感、代入感、交互性[3]等特点和优势，打破受训者在传统训练上的认知领域，带领受训者进入一个虚拟和现实相融合的世界。

1.2 国内外研究现状

VR技术起源于美国，目前NASA已经建立了几个具有代表性的训练系统，主要用于卫星的维护、飞行员的训练、航空航天及空间站的VR训练系统，并且逐步扩展到教育领域，建立了一整套虚拟VR教育系统[4]。美军VR技术运用典型代表有陆军的近战战术训练系统(CCTT)，空军的任务支援系统(AFM SS)，海军的特种作战部队计划和演习系统(SOF-PARS)以及VR联合军兵种战术训练仿真系统。目前，VR 技术用于舰船训练方面的，主要开发除了二维或三维的虚拟机舱漫游系统、用于舰员操作技能训练的虚拟模拟器以及维修技能考核的虚拟拆装。如英国商船公司研发的柴油机训练模拟器 Engine Room Simulator ERS 4000，具备机舱主要设备的操作使用和整个机舱的虚拟巡视漫游功能。

国内的VR技术主要运用在飞机的飞行模拟，舰艇的航行操纵，装备的虚拟操纵，消防演练模拟等方面[5-6]。北航计算机系主要研发了实时动态的、三维的数据库、以及现实增强的虚拟演示环境，用于飞行员的航行操作和处置训练。武汉理工大学对VR技术的应用研究主要有机械设备的虚拟布局、虚拟装配、虚拟制造、产品定型。在舰船机电装备虚拟训练系统研发方面主要有三所大学在研制模拟器，分别为武汉理工大学、上海海事大学、大连海事大学研发的 WMS-2000、SMSC-2000、DMS-2000系列柴油机模拟器。

2 传统舰船训练中存在的短板

2.1 维修技能训练保障困难，提升缓慢

舰船个人训练内容分等级训练，随着等级的提高，训练内容逐步深化，除了正常的一些装备操纵、装备排故内容，增加了很多装备拆检维修保养的内容。而平时的训练一般以装备的操纵，舰员级的排故为主，许多装备拆检维修的训练内容在年度训练周期内无法有效完成，只有在晋级培训、装备保养、故障修理、或进厂维修阶段才可能有机会进行训练，舰员维修技能提升缓慢。如果能够联合厂家开发出相应装备的VR虚拟拆装仿真系统，就可以有效弥补因训练条件不足而造成的训练短板。

2.2 装备应急操纵条件受限，实施困难

舰船应急操纵对武备系统或通信系统而言，可能转换备用手段或备用通道即可。但对机电设备而言有两种情况：有备用系统的转备用系统，安全性能相对较高；无备用系统的就要转手动操纵。自动转手动控制，往往需要降低装备性能使用，存在一定的安全隐患。因训练条件受限，导致平时训练中存在备用系统管路阀门位置不熟悉、操纵流程不正规，手动操纵训练少等问题。尤其是一些对装备需要拆解连接外围设备的应急操纵训练少之又少，在紧急情况下遇到真实情况发生时难免会出差错。

2.3 消防训练手段单一，评价体系不完善

舰船消防训练主要分为个人实作和个人指挥，个人实作主要通过港岸训练来完成，个人指挥训练手段比较单一，主要通过损管操演，小组作业或案例教学来提升。由于舰船上损管操演、小组作业缺少逼真的现实环境，导致人员到对损管现状缺乏直观的认知，不能够有效地对损管发展趋势进行预判，导致指挥员的指挥决策缺乏有力的支撑依据。同时，因为没有真实的损管情节、没有传感器反馈，导致指挥员的决策准确与否没法判断，全凭人员回复的口令。

3 VR技术在舰船训练中的突破

VR技术在民用航空等领域起步较早，比较成熟，而舰船训练上的运用起步相对较晚，运用前景比较广泛，在舰船训练中以下四个方面应有所突破。

3.1 舰船操纵训练

舰船模拟操纵训练目前相对来说比较成熟,某舰船大型综合训练模拟系统见图1。

图1 某舰船大型综合训练模拟系统

该系统主要用于航行操纵指挥能力模拟训练，主要对象包括舰船长和指挥所相关人员，舰船操纵指挥人员及舰船操纵相关职手。该训练系统由导调控制分系统、主本船操纵训练模拟分系统、副本船操纵训练模拟训练分系统组成，驾驶舱参照某型船驾驶室构建，舱外视景为360°环形仿真设置。系统综合运用军事系统建模和计算机仿真技术，可靠支持各种不同自然环境、会遇局面、部署操演、编队任务等真实背景下舰船航行指挥操纵训练的想定生成、过程调控和考核评估。对某型船航行操纵训练内容的统计表明，约有35%的训练科目可在模拟器中完成，可有效提升指挥员航行指挥决策水平和操纵避碰应对能力，可缩短海上训练时间约25%。

3.2 装备虚拟操作训练

舰船上装备操作训练分正常操作和应急操作，应急操作因存在风险性，平时训练较少，能力提升缓慢，而基于VR虚拟操作训练系统可以有效解决上述问题。它可以实现受训者与虚拟环境之间，依据操作规程进行人机交互，克服在实装上培训周期较长，装备频繁启停易损耗的缺点。可以减少新舰员在操纵过程中，尤其是在战斗情况下应急操纵时心理压力大，精神高度紧张导致的行动僵化、头脑空白，步骤不熟练等应激反应下的误动作，通过VR虚拟系统的反复训练可以形成条件反射降低人员对装备的误操作、减少自身的人员伤亡，大大提高新舰员对装备的操作使用能力。某型船机电装备模拟器虚拟图见图2。

图2 机电装备模拟器虚拟图

对照训练内容发现动力专业各技术等级在模拟系统上能完成训练的比例为五级初等87%，五级高等63%、四级36%、三级18%，二级和一级为0%，而动力模块整体训练可覆盖47%。从实际使用效果来看，能基本满足于初中级人员的正常操纵训练、应急处置训练、排故训练以及整体更次训练。但从使用体验、虚拟环境的逼真程度、人机交互情况来看，在受训者的沉浸感、有效性上还有待提升。该模拟器采用二维软件模拟结合半实物仿真的形式，虽然实现了360度全景技术机舱漫游，但这种全景是通过取景映射、后期处理模拟成三维立体景象。该技术只能把机舱的整体模样投射出来，人机交互有限。VR技术发展趋势应该是对整个机舱和设备进行动态环境三维建模的视景技术，可以虚拟漫游整个机舱，浏览熟悉机舱环境、机舱布局、设备操作、管路走向、阀门位置，对整个机舱做到了如指掌，达到视觉、听觉、触觉等融合化的虚拟环境，可以大大节省上实船培训的时间。

3.3 装备虚拟拆装维修训练

舰船上人员维修水平参差不齐，尤其是新职手，经历的装备等级修理少，平时训练只能在月检修或装备故障修理时进行。且反复拆装实际装备，难免会出现磨损或变形等问题，导致配件消耗，装备性能下降。种种限制使得舰员的维修技能得不到充分的训练，而虚拟拆装模拟仿真训练系统优点明显，一是无时间场地限制，只需有电脑即可开展训练；二是三维直观性较强，拓展了舰员的视觉空间；三是软件不存在消耗和磨损，经济性好，非常适合舰员岗位合格前的技能培训和准备维修拆卸前的拆装演练，可使舰员尽快掌握职掌装备的内部结构和拆装流程。此外，通过软件设置拆装和扭紧力矩规范，可对舰员的能力水平进行考核，大大节约了训练经费，提升训练效果。

目前市场上有部分电工仿真软件，如科莱尔电工仿真教学软件，电工技能与实训仿真教学系统等，可以实现人机交互模拟操纵、电路装配、故障排除等功能。

3.4 虚拟损管训练

舰船损管训练主要依托于岸上的消防设施和损管模拟楼，以上两者主要是以训练个人和团体的损管技能为主，而舰员的心理能力训练，指挥员的指挥能力训练比较缺乏。而VR技术具有沉浸感、代入感、交互性，解决了舰员对损害环境的体验。虚拟仿真系统不但可规避在现实损管环境中可能产生的一些风险，又可锻炼舰员对未知事物的心理承受能力，心理适应能力，心理应激能力，心理调节和恢复能力[7]。通过反复训练可以提高舰员的心理机能，保证在现实事故中能够克服心理障碍正常实施行动。今后虚拟损管发展方向应该是“以任务为牵引，动态实时的决策反馈，逼真的虚拟环境”，具备情节、决策、影音和浏览功能。情节体现训练过程，影音渲染情节和操作结果，决策体现出损管实效。其基本思路是将训练的整个过程细化成许多独立的小情景，每个情景包含一定的训练条目和影音展示，系统根据舰员的操作结果，决定训练的走向。此外，还有“目的引导行为”、“内容牵引选择”、“由指挥员到实施者”、“由实施者到指挥员”等多种训练方法和训练模式来提高舰员的实做和指挥能力。

目前虚拟损管训练使用上还比较少，今后可以建设大型损管中心，引入损管虚拟仿真系统，在实作技能培训和指挥技能提升方面都有所突破。

3.5 虚拟教学应用

虚拟教学最广泛的一开始在教育领域的智能黑板上使用，集成了传统黑板、人工智能、直播录像、虚拟动画等等功能，其多媒体教学集成和交互式黑板的融合大大提高了课堂效率。而舰员学习方式有限，除了岗前培训和晋级培训，大部分时间都是由老舰员的“传、帮、带”及个人自学。随着舰船现代化程度越来越高，装备越来越先进，系统越来越复杂，而传统纸质媒介存在一定的局限性，内容只能是以文字、图片或图纸的形式展现出来，直观性、可视化程度不够，影响了人们对知识的消化吸收。而VR技术的沉浸性、构想性、交互性等优势可以将传统纸质媒介点、线、面的表达形式扩展到视觉、听觉和触觉三位一体的直观表达形式。

目前比较流行的是工具是用手机APP或智能眼镜，第一步先把纸质信息转换成三维立体可视动画,并加入人机交互的情节，通过图像或二维码将虚拟信息与纸质信息相关联。人们只需用手机或眼镜扫描相应的部位，就能在手机或眼镜上增强显示相应的动面、模型或交互动作，大大增加了阅读的直观性[8]，形成可移动的人书交互应用。该技术可解决舰员系统梳理难、结构掌握不清，管路系统掌握混乱等问题，提高培训学习效率，急需联合科研院所、装备厂家开发配备VR/AR技术的教材。

4 结论

VR技术的应用做到了现实与虚拟相结合，创造了逼真的现场环境，通过人机交互、战场感知完成一个实时动态的情节模拟，弥补了因现实训练条件、训练环境不足导致的问题，可以有效解决传统训练中的短板。随着人工智能的运行，图像处理、数据传输、设备软硬件的不断发展突破，在此基础之上开发的VR技术将获得更大的运用前景，可为舰船操纵，装备操作、维修、设计评审、人员损管训练、知识培训等环节提供一种新颖高效的解决方案。