处置重大突发事件沉浸式指挥训练系统构建研究*

张志勇 司 揆 高友杰 林暖标

（国防科技大学军事基础教育学院 长沙 410072）

1 引言

重大突发事件具有巨大的社会危害性，构成对原有社会正常秩序和核心价值的严重破坏或威胁［1］，给国家和人民造成物质和精神上的巨大损失。无论是处置边（海、空）防突发事件行动、反恐怖军事行动，还是抢险救灾行动，突发事件本身所具有的巨大破坏性以及突发事件现场的高度危险性、形势的极其复杂性、行动的极端困难性，都将给参与处置行动的人员，特别是指挥人员造成极大的心理压力［2］，进而引起心理应激反应，对注意、记忆信息提取、以及决策等认知过程造成负性的阻碍作用［3］。主要表现为紧张、焦虑、疑虑、情感抑郁、惊慌、恐惧、精神错乱以及记忆力、注意力、语言表达能力等认知行为障碍等［4］。

目前处置重大突发事件指挥训练普遍存在训练环境模拟不真实，训练方式单一，训练效果不明显等问题。尤其是因为受训者难以感受到“受伤”、“阵亡”、“被俘”等强烈威胁以及任务失败的严重后果，导致强烈战斗应激下的指挥训练效果不明显。随着现代计算机模拟仿真技术的发展，在特定范围内生成融逼真视觉、听觉和触觉于一体的虚拟环境的技术，即虚拟现实技术［5］对军事训练组织形态的变化具有深远的影响。因此，深入开展基于虚拟现实技术的处置重大突发事件沉浸式指挥训练系统研究，从而有目的、有计划地组织开展处置重大突发事件指挥训练，对于培养和发展指挥人员机警、勇敢、坚定的意志力和自制力，保持指挥人员的良好心理状态，具有十分重要的现实意义。

2 处置重大突发事件沉浸式指挥训练系统的设计

2.1 系统总体结构

基于开放和可扩展的设计理念，为优化系统运行速度，采取资源分布、动态加载的系统总体结构，设置人机交互界面、危急情境场景系统、封闭式多通道沉浸系统、反馈系统、训练监控系统与重大得失后果体验系统等模块，系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

2.2 主要模块的功能设计

模块1：重大突发事件危急情境系统。围绕武装力量的反恐维稳行动、安保警戒行动、抢险救灾行动、国际维和行动和维护权益行动中选择10个典型突发事件，主要是从场景、危急情境和重大得失后果三个方面进行设计。

模块2：封闭式多通道沉浸系统。围绕所设计的重大突发事件危急情境，以人体视觉、听觉、嗅觉、前庭觉等外界感知方式，在透明玻璃舱内构建一个封闭式的指挥训练方舱，形成一个封闭式多通道沉浸系统。

模块3：反馈系统。情绪的变化会引起人体生理状态的改变，例如人在紧张时会心跳加快，手心冒汗，恶心头晕等症状，此时人体内部的各项生理指标也会相应发生变化［6］。这些生理指标包括心率、血压、脉搏波等。而虚拟现实技术和“可穿戴技术”的结合，能对应激过程的各项生理变化进行实时监控，实现从虚拟现实模拟到虚拟现实交互功能的升级［7］。反馈系统向受训者反馈由传感器收集的人体生理数据转化而成的直观图表信息，以便受训者在训练过程中实时了解自身生理、心理状态，并依据反馈信息积极自我调控，最终实现受训者身心状态的稳定可控。

模块4：训练监控系统。实时监控训练对象的训练情况，并评估训练效果［8］。

模块5：重大得失后果体验系统。重大得失后果体验主要通过视角、听觉、触觉、嗅觉等主要感官真实、立体、身临其境的让训练对象体验任务中碰到的各种危机情况，主要包括但自身身体创伤、战友被俘、战友牺牲、场面失控、人质死亡、次生衍生事件等。

3 处置重大突发事件沉浸式指挥训练系统的实现

系统采用Unity作为一个完全集成的专业级虚拟现实开发工具，其包含了整合的编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器、脚本、网络、物理、版本控制等特性［9］。系统的开发技术路线如图2所示。

图2 系统开发技术路线

3.1 重大突发事件危急情境系统

根据设计的典型突发事件场景与危急情境，基于现有成熟的三维动画渲染和制作软件，构建突发事件的场景模型，并利用后期渲染、动画合成等技术进行加工，实现逼真的重大突发事件危机情境，并就播放载体进行优化，最终在VR头戴显示器中呈现逼近真实的视觉效果。场景模型元素采用3D max三维制作软件在Unity的模型制作规范下进行制作［10］。

3.2 封闭式多通道沉浸系统

封闭式多通道沉浸系统，主要是采用透明的指挥训练方舱将各类沉浸子系统进行集成，主要包括视觉、听觉、嗅觉、触觉和前庭觉沉浸子系统。

视觉沉浸子系统。硬件采用VR头戴显示器，利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导训练对象产生一种身在虚拟环境中的感觉。视觉沉浸子系统采用HTC VIVE头戴显示器。为了解决VR头显线缆的束缚问题，采用无线的传输方案。

听觉沉浸子系统。根据危急情境需要，提前录制枪炮声、爆炸声、战机呼啸声、机械轰鸣声、人员呼喊声等声音素材，对于难以现地录制的声音采取数码生成方式获取。然后采用环绕立体声技术，模拟声音的方向来源以及训练对象与声音来源相对运动造成的影响，从而创建一个真实、震撼的声学环境。训练对象通过双声道立体声输出的耳机上听到来自各个方向的声音，从而实现全景声的效果，提升沉浸体验。

嗅觉沉浸子系统。将存有汽油燃烧、炮火硝烟、鲜血四溅、尸体腐败等气味的存储罐放置于模拟训练方舱内部，在计算机控制下配合危急情境需要，由鼓风机经底部通道将特定气味吹入方舱，待情境变换后再由抽风机从排气口迅速排出，并吹入新的气味，循环往复，从而模拟突发事件中的现场气味。

触觉沉浸子系统。通过计算机系统设计的温度比对舱内温度传感器采集的温度，再经由集成电路控制舱内空调、暖风机等硬件设备，实现重大突发危急情境中设定的气温，从而模拟训练对象在各类场景的体感温度。另外，将离心式雾化加湿器置于模拟训练方舱底部，与温度控制系统协作对环境湿度进行模拟。在模拟训练方舱周围设置涡轮风扇，在计算机的控制下模拟重大突发危急情境中的风向。

前庭觉沉浸子系统。通过六自由度运动平台在x，y，z三个坐标方向的平移和转动，模拟各种空间运动姿态。训练对象身处六自由度运动平台中，其空间位置随视觉画面变化而变动，并体验不同的速度和加速度，从而模拟真实运动中的前庭觉。

3.3 反馈系统

主要由YKB1712脉搏波血压传感器芯片搭配HRB6708心率脉搏芯片和算法芯片SFB9710实现［12］，可实时监测和采集人体心率、心电、血压、体表温度等人体生理数据。将载有该芯片的护腕佩戴于受训者的手腕处，通过串口将生理数据传输至计算机，由计算机处理数据生成可视化图像，显示在训练监控系统的屏幕以及受训者的HUD界面上。

3.4 训练监控系统

监控系统主要由屏幕显示器、系统控制台和监控端组成。屏幕显示器：训练现场悬挂1块21寸显示器，作为可交互的训练监控显示端；系统控制台：作为整个系统运行的控制中枢，可实时切换训练场景，调节训练强度，调取训练数据，把握训练整体进展；监控端：实时获取训练对象的生理数据和训练数据，并显示在监控窗口，以便组训者掌握训练环境、受训者身心状态、训练进展等信息。

3.5 重大得失后果体验系统

根据体验对象，重大得失后果体验系统分为两个部分进行实现：自身后果体验和第三方后果体验。

第三方发生的后果体验主要通过视角、听觉、嗅觉等感官来体验，将事故后果的沉浸式体验进行突出强化，如战友被俘、战友牺牲、场面失控、人质死亡、次生衍生事件等，让训练对象身临其境的深刻感受指挥决策处置不当所带来的严重后果。自身后果体验区别于其他的主要原因是需要硬件设备辅助，如：痛觉创伤感应和模拟装置、束缚机械骨架装置等，需要通过这些硬件模拟中弹、受伤、灼伤、被俘等感官。痛觉创伤模拟装置是为训练对象真实的体验受伤而设计的，系统由若干个电极贴片组成，贴个身体的主要部位，由软件系统控制电极片的强弱和激活的位置，产生对应的刺痛感，达到真实的创伤体验。束缚机械骨架装置主要的结构集中在肘关节、肩关节、胯关节和膝关节处，各处都有液压组件，系统通过控制液压组件对学员的身体行动控制，体验被俘、瘫痪等效果。

4 结语

2018年1月，习主席出席中央军委2018年开训动员大会并发布训令，要求“各级要强化练兵备战鲜明导向，坚定不移把军事训练摆在战略位置。”［13］2017年11月30日，国防部宣布2018年将围绕提高部队备战打仗能力，全军将大抓军事训练，加快推进先进技术转化为训练手段［14］。鉴于虚拟现实技术运用于军事训练领域中带来的巨大优势和效能，针对重大突发事件指挥训练的需求，利用多通道刺激手段，构建多种危机情境方案，设计并开发重大突发事件沉浸式指挥训练系统，可为武装力量和全国政府公共危急管理指挥人员在危急情境下，进行沉浸式的自我暗示、恐惧消除、正确决策等指挥训练提供有效支撑。