處置重大突發事件沉浸式指揮訓練系統構建研究*

張志勇 司 揆 高友杰 林暖標

（國防科技大學軍事基礎教育學院 長沙 410072）

1 引言

重大突發事件具有巨大的社會危害性，構成對原有社會正常秩序和核心價值的嚴重破壞或威脅［1］，給國家和人民造成物質和精神上的巨大損失。無論是處置邊（海、空）防突發事件行動、反恐怖軍事行動，還是搶險救災行動，突發事件本身所具有的巨大破壞性以及突發事件現場的高度危險性、形勢的極其復雜性、行動的極端困難性，都將給參與處置行動的人員，特別是指揮人員造成極大的心理壓力［2］，進而引起心理應激反應，對注意、記憶信息提取、以及決策等認知過程造成負性的阻礙作用［3］。主要表現為緊張、焦慮、疑慮、情感抑郁、驚慌、恐懼、精神錯亂以及記憶力、注意力、語言表達能力等認知行為障礙等［4］。

目前處置重大突發事件指揮訓練普遍存在訓練環境模擬不真實，訓練方式單一，訓練效果不明顯等問題。尤其是因為受訓者難以感受到“受傷”、“陣亡”、“被俘”等強烈威脅以及任務失敗的嚴重后果，導致強烈戰斗應激下的指揮訓練效果不明顯。隨著現代計算機模擬仿真技術的發展，在特定范圍內生成融逼真視覺、聽覺和觸覺于一體的虛擬環境的技術，即虛擬現實技術［5］對軍事訓練組織形態的變化具有深遠的影響。因此，深入開展基于虛擬現實技術的處置重大突發事件沉浸式指揮訓練系統研究，從而有目的、有計劃地組織開展處置重大突發事件指揮訓練，對于培養和發展指揮人員機警、勇敢、堅定的意志力和自制力，保持指揮人員的良好心理狀態，具有十分重要的現實意義。

2 處置重大突發事件沉浸式指揮訓練系統的設計

2.1 系統總體結構

基于開放和可擴展的設計理念，為優化系統運行速度，采取資源分布、動態加載的系統總體結構，設置人機交互界面、危急情境場景系統、封閉式多通道沉浸系統、反饋系統、訓練監控系統與重大得失后果體驗系統等模塊，系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

2.2 主要模塊的功能設計

模塊1：重大突發事件危急情境系統。圍繞武裝力量的反恐維穩行動、安保警戒行動、搶險救災行動、國際維和行動和維護權益行動中選擇10個典型突發事件，主要是從場景、危急情境和重大得失后果三個方面進行設計。

模塊2：封閉式多通道沉浸系統。圍繞所設計的重大突發事件危急情境，以人體視覺、聽覺、嗅覺、前庭覺等外界感知方式，在透明玻璃艙內構建一個封閉式的指揮訓練方艙，形成一個封閉式多通道沉浸系統。

模塊3：反饋系統。情緒的變化會引起人體生理狀態的改變，例如人在緊張時會心跳加快，手心冒汗，惡心頭暈等癥狀，此時人體內部的各項生理指標也會相應發生變化［6］。這些生理指標包括心率、血壓、脈搏波等。而虛擬現實技術和“可穿戴技術”的結合，能對應激過程的各項生理變化進行實時監控，實現從虛擬現實模擬到虛擬現實交互功能的升級［7］。反饋系統向受訓者反饋由傳感器收集的人體生理數據轉化而成的直觀圖表信息，以便受訓者在訓練過程中實時了解自身生理、心理狀態，并依據反饋信息積極自我調控，最終實現受訓者身心狀態的穩定可控。

模塊4：訓練監控系統。實時監控訓練對象的訓練情況，并評估訓練效果［8］。

模塊5：重大得失后果體驗系統。重大得失后果體驗主要通過視角、聽覺、觸覺、嗅覺等主要感官真實、立體、身臨其境的讓訓練對象體驗任務中碰到的各種危機情況，主要包括但自身身體創傷、戰友被俘、戰友犧牲、場面失控、人質死亡、次生衍生事件等。

3 處置重大突發事件沉浸式指揮訓練系統的實現

系統采用Unity作為一個完全集成的專業級虛擬現實開發工具，其包含了整合的編輯器、跨平臺發布、地形編輯、著色器、腳本、網絡、物理、版本控制等特性［9］。系統的開發技術路線如圖2所示。

圖2 系統開發技術路線

3.1 重大突發事件危急情境系統

根據設計的典型突發事件場景與危急情境，基于現有成熟的三維動畫渲染和制作軟件，構建突發事件的場景模型，并利用后期渲染、動畫合成等技術進行加工，實現逼真的重大突發事件危機情境，并就播放載體進行優化，最終在VR頭戴顯示器中呈現逼近真實的視覺效果。場景模型元素采用3D max三維制作軟件在Unity的模型制作規范下進行制作［10］。

3.2 封閉式多通道沉浸系統

封閉式多通道沉浸系統，主要是采用透明的指揮訓練方艙將各類沉浸子系統進行集成，主要包括視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和前庭覺沉浸子系統。

視覺沉浸子系統。硬件采用VR頭戴顯示器，利用頭戴式顯示設備將人的對外界的視覺、聽覺封閉，引導訓練對象產生一種身在虛擬環境中的感覺。視覺沉浸子系統采用HTC VIVE頭戴顯示器。為了解決VR頭顯線纜的束縛問題，采用無線的傳輸方案。

聽覺沉浸子系統。根據危急情境需要，提前錄制槍炮聲、爆炸聲、戰機呼嘯聲、機械轟鳴聲、人員呼喊聲等聲音素材，對于難以現地錄制的聲音采取數碼生成方式獲取。然后采用環繞立體聲技術，模擬聲音的方向來源以及訓練對象與聲音來源相對運動造成的影響，從而創建一個真實、震撼的聲學環境。訓練對象通過雙聲道立體聲輸出的耳機上聽到來自各個方向的聲音，從而實現全景聲的效果，提升沉浸體驗。

嗅覺沉浸子系統。將存有汽油燃燒、炮火硝煙、鮮血四濺、尸體腐敗等氣味的存儲罐放置于模擬訓練方艙內部，在計算機控制下配合危急情境需要，由鼓風機經底部通道將特定氣味吹入方艙，待情境變換后再由抽風機從排氣口迅速排出，并吹入新的氣味，循環往復，從而模擬突發事件中的現場氣味。

觸覺沉浸子系統。通過計算機系統設計的溫度比對艙內溫度傳感器采集的溫度，再經由集成電路控制艙內空調、暖風機等硬件設備，實現重大突發危急情境中設定的氣溫，從而模擬訓練對象在各類場景的體感溫度。另外，將離心式霧化加濕器置于模擬訓練方艙底部，與溫度控制系統協作對環境濕度進行模擬。在模擬訓練方艙周圍設置渦輪風扇，在計算機的控制下模擬重大突發危急情境中的風向。

前庭覺沉浸子系統。通過六自由度運動平臺在x，y，z三個坐標方向的平移和轉動，模擬各種空間運動姿態。訓練對象身處六自由度運動平臺中，其空間位置隨視覺畫面變化而變動，并體驗不同的速度和加速度，從而模擬真實運動中的前庭覺。

3.3 反饋系統

主要由YKB1712脈搏波血壓傳感器芯片搭配HRB6708心率脈搏芯片和算法芯片SFB9710實現［12］，可實時監測和采集人體心率、心電、血壓、體表溫度等人體生理數據。將載有該芯片的護腕佩戴于受訓者的手腕處，通過串口將生理數據傳輸至計算機，由計算機處理數據生成可視化圖像，顯示在訓練監控系統的屏幕以及受訓者的HUD界面上。

3.4 訓練監控系統

監控系統主要由屏幕顯示器、系統控制臺和監控端組成。屏幕顯示器：訓練現場懸掛1塊21寸顯示器，作為可交互的訓練監控顯示端；系統控制臺：作為整個系統運行的控制中樞，可實時切換訓練場景，調節訓練強度，調取訓練數據，把握訓練整體進展；監控端：實時獲取訓練對象的生理數據和訓練數據，并顯示在監控窗口，以便組訓者掌握訓練環境、受訓者身心狀態、訓練進展等信息。

3.5 重大得失后果體驗系統

根據體驗對象，重大得失后果體驗系統分為兩個部分進行實現：自身后果體驗和第三方后果體驗。

第三方發生的后果體驗主要通過視角、聽覺、嗅覺等感官來體驗，將事故后果的沉浸式體驗進行突出強化，如戰友被俘、戰友犧牲、場面失控、人質死亡、次生衍生事件等，讓訓練對象身臨其境的深刻感受指揮決策處置不當所帶來的嚴重后果。自身后果體驗區別于其他的主要原因是需要硬件設備輔助，如：痛覺創傷感應和模擬裝置、束縛機械骨架裝置等，需要通過這些硬件模擬中彈、受傷、灼傷、被俘等感官。痛覺創傷模擬裝置是為訓練對象真實的體驗受傷而設計的，系統由若干個電極貼片組成，貼個身體的主要部位，由軟件系統控制電極片的強弱和激活的位置，產生對應的刺痛感，達到真實的創傷體驗。束縛機械骨架裝置主要的結構集中在肘關節、肩關節、胯關節和膝關節處，各處都有液壓組件，系統通過控制液壓組件對學員的身體行動控制，體驗被俘、癱瘓等效果。

4 結語

2018年1月，習主席出席中央軍委2018年開訓動員大會并發布訓令，要求“各級要強化練兵備戰鮮明導向，堅定不移把軍事訓練擺在戰略位置。”［13］2017年11月30日，國防部宣布2018年將圍繞提高部隊備戰打仗能力，全軍將大抓軍事訓練，加快推進先進技術轉化為訓練手段［14］。鑒于虛擬現實技術運用于軍事訓練領域中帶來的巨大優勢和效能，針對重大突發事件指揮訓練的需求，利用多通道刺激手段，構建多種危機情境方案，設計并開發重大突發事件沉浸式指揮訓練系統，可為武裝力量和全國政府公共危急管理指揮人員在危急情境下，進行沉浸式的自我暗示、恐懼消除、正確決策等指揮訓練提供有效支撐。