基于增强现实技术的水面舰艇战伤救治技能训练系统设计

贲敏，杨媛媛，张义，薛晨

水面舰艇部队是海军中以水面舰艇为基本装备，在水面遂行作战任务的兵种，与其他兵种相比，在武器装备、使命任务、所处环境等方面具有鲜明特点，因此对水面舰艇部队卫勤保障工作提出了特殊要求［1］。一方面，现代海战中高技术武器大量使用，导致海战伤伤情非常复杂［2］；另一方面，海上作战通常以单舰为单元，舰与舰距离远、协同难，一旦产生批量伤员，需首先立足自身条件完成伤员救治任务［3］。因此，加强水面舰艇官兵战伤救治技能训练，提高官兵自救互救能力非常必要。自2017 年以来，海军部队广泛开展群众性战伤救治技术练兵比武活动，强化了海军官兵战伤救治理念，夯实了战时卫勤保障基础，一定程度上提升了战场一线救治能力。但同时也存在训练实战化环境不真实、舰船战损状态难呈现、训练内容海军特色不明显、火线伤员急救动作不规范等问题［4-5］。笔者针对上述问题，设计基于增强现实（augmented reality，AR）技术的水面舰艇战伤救治训练系统，并从战伤救治训练内容、训练方式、考核标准等方面探讨AR训练系统应用方式，目的是创设接近实战的训练条件，以培养和检验海军官兵在海上特殊环境下的战伤救治能力。

1 战伤救治AR 训练系统需求分析

1.1 AR 的概念与特点 AR 是在虚拟现实基础上发展起来的新技术，将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对真实世界的“增强”［6］。Azuma［7］明确AR 的3 个典型特征为虚实结合、实时交互与三维配准。虚实结合是指AR 将虚拟世界与用户所处真实世界融合在一起，通过对现实环境的增强来强化用户的感受与体验，但并不完全取代现实环境。实时交互是指用户以便捷、自然的方式与智能设备生成的虚拟场景进行实时信息交换，人机交互技术发展经历了传统鼠标键盘交互、触控交互、语音交互、体感交互、生理交互、混合交互6 个阶段，人机交互技术很大程度影响了用户的体验以及AR 的应用领域，是重点支撑技术［8-9］。三维配准是指计算观察者视点方位从而把虚拟信息合理叠加到真实环境上，以保证用户得到精确的增强信息［10］。

1.2 AR 技术在军事卫勤领域的应用 作战任务及武器的多样化，使得作战训练实战化、信息化需求日益突出，也加速了AR 在军事领域的应用，主要集中在武器装备研制维修、军事训练和演习、作战演示和研讨、战场环境增强等方面［11］。如莱特-帕特森空军基地研制的“超级驾驶室”（super cockpit），通过透视式头盔与虚拟环境的结合辅助驾驶员夜间飞行，可把飞行和目标数据叠加到飞行员视场中并通过听觉提示辅助定位；美国海军研究所研制的战场增强现实系统（battlefield augmented reality system，BARS），用于满足徒步作战人员战场态势感知的需求；此外，用于沉浸式训练的可穿戴式AR 系统也日渐成熟［12］。在卫勤领域，国外在21 世纪初就开始了AR 技术在卫勤领域的应用研究，如Mayrose 等［13］提出利用AR 技术进行战伤气管插管模拟训练，美军建立“战创伤伤员仿真系统”来研发用于战救培训的AR 系统。国内学者探讨了AR 技术应用于卫勤训练的构想，如郭栋等［14-15］提出将AR 技术应用于机动卫勤力量的实战化训练，并探讨其在核与辐射突发事件应急医学救援模拟训练中的应用模式；秦昊等［16］提出了AR 技术对战创伤救治培训平台建立的展望。但目前尚未研发出成熟的、基于AR 技术的卫勤训练产品。尽管基于AR 技术的训练系统仍处于探索阶段，但其模拟作战场景、虚-实信息交互、多方信息共享等特点，可彻底改变现有训练模式，是解决目前战救训练标准化不高、实战化不明显等问题的重要技术手段。

1.3 战伤救治AR 训练系统勤务定位 传统战伤救治训练通常以化妆伤员和模拟人为对象开展技能训练，缺乏海上战伤救治核心要素，如交战场景、舱室受损、舰船颠簸等环境要素，以及大面积烧伤、气胸、低体温休克、海洋生物蜇伤等难以动态表现的伤情要素，在一定程度上影响了水面舰艇部队官兵战伤救治“实战化”能力的提升。基于此，笔者提出基于AR 技术研制水面舰艇战伤救治技能模拟训练系统，该系统可结合战术背景进行流程性的勤务训练，以及包扎、止血等初级急救模拟训练和环甲膜穿刺、气管插管等高级急救模拟训练，并允许升级和拓展。训练系统及平台设备易携带，便于展开，可同时进行10 人内的单人技能训练和团队综合演练。

2 战伤救治AR 训练系统设计

2.1 AR 训练系统总体设计 基于AR 训练系统勤务定位，笔者以舰艇部队相关训练大纲和考核规范为基础，设计水面舰艇战伤救治技能AR 训练系统整体架构。如图1 所示。系统整体分为3 层，分别为基础硬件平台、AR 训练通用软件和数据共享平台、战伤救治技能训练应用平台。基础硬件平台由训练数据采集设备、数据处理设备、AR 基础设备和事件反馈设备等组成。通用软件平台是底层开发平台，同时提供外部硬件及应用的控制接口；此外，数据共享平台实现与其他训练系统的数据共享、目的是整合人员训练数据。训练应用平台实现AR 战场环境下的战伤救治训练，包括战救技能训练、勤务流程训练，系统提供实时的评估与反馈。

图1 AR 训练系统整体架构设计

2.2 AR 训练应用平台功能模块 AR 训练应用平台由AR资源模块、AR 训练模块、训练评估模块等3 大模块构成，实现水面舰艇战伤救治技能的自学、教学和训练考核功能。见图2。其中，AR 资源模块由战场环境增强、伤员伤情增强、战救技术资源库等虚拟训练资源库组成，为AR 训练系统提供底层的数据支撑，也可为受训人员熟悉舰船舱室布局、战救器材使用方法等提供技术支持。AR 训练模块由单项技能训练、团队战救训练、勤务流程训练等组成，组训人员通过AR 系统设置训练环境、虚拟伤情，受训人员通过AR 交互设备有针对性地进行战伤救治技能训练，系统依据评估模型对战救操作进行实施评估。此外，训练评估模块可提供复盘评估功能，即实现操作回放、成绩分析、错误解析等功能。

图2 AR 训练应用平台功能模块

2.3 AR 训练系统技术体系 战伤救治AR 训练系统从技术实现到部队应用，需要筛选一套完备的技术体系，包括输入端、输出端、虚实融合、人机交互等。其难点在于建设便携、稳定性好的基础硬件平台，研制沉浸感强、交互性好的软件平台，准确实现跟踪定位和场景重构。笔者所设计的AR训练系统，在识别技术上，采用“匹配角度”方案实现对水面舰艇环境的精确跟踪；在跟踪技术上，采用硬件和视觉混合跟踪的方法满足高精度的要求，实现更强的拓展性［17］；在输出端，采用基于光学的透射式头盔显示，满足高分辨率、真实感和安全性的要求；在人机交互部分，需要实现手势交互、语音交互、机器对环境的感知交互，且满足确定性的反馈、操作简单的要求。从行业发展角度来说，目前AR 在技术上的难点除了光场技术之外，还有人工智能、处理能力、设备小型化等问题。

3 战伤救治AR 训练应用模式

战伤救治AR 训练系统建设完成后，可依托军医大学卫勤训练基地开展基地化训练，也可在水面舰艇部队单舰上进行应用，同时面向普通官兵、卫生战士、卫生专业士官和卫生专业军官等不同类型人员，进行单人或团队模式训练。在单人模式下，受训者通过佩戴AR 设备进行系统训练，针对组训人员分发的任务开展模拟训练，模拟训练结束后，系统实时反馈训练成绩给组训人员，可进入补差训练环节。在团队训练模式下，团队人员根据组训人员分发的任务首先进行任务规划，再进入战伤救治技能操作环节，系统根据团队的操作情况进行任务重新分配或者结束训练。见图3。在单人技能训练或者团队训练结束后，可通过系统复盘功能，对训练过程与结果进行综合评估，受训人员通过复盘进行总结自评，组训人员根据训练中暴露的问题提出建议。战伤救治AR 训练系统通过提供“虚-实”结合的复杂战场环境，使受训人员可以熟练战场伤员救治勤务流程，同时提高心理素质和临机处置能力，提高水面舰艇伤员救治的效率和效果。

图3 AR 训练系统工作流程

4 小结

笔者基于水面舰艇部队官兵战伤救治训练中存在的问题和“实战化”训练需求，以增强现实技术为信息化工具，提出战伤救治AR 训练系统的设计和应用方案，从目前国内外AR 技术的应用来看，战伤救治AR 训练系统可以提供一个“虚-实”结合的训练环境，将战场的“交战”情景、舰船的“受损”情况、官兵的“受伤”情况叠加在真实舰船的场景上，解决传统战伤救治训练实战化环境不真实、舰船战损状态难呈现、训练内容海军特色不明显等问题。在创新海战伤救治训练信息化手段的同时，对提高受训人员复杂战场环境下开展战救工作的战时心理素质、综合判断能力、临机决策能力具有明显效果。虽然目前AR 技术在光场技术、人工智能算法、设备小型化等方面的技术问题仍没有得到很好地解决，但其可以改变传统战创伤救治培训理念和模式，可以作为训练场与战场的训练成果转化桥梁，值得加快成果产出。近几年，课题组聚焦战伤救治缺乏“真实的”伤员伤情问题，开展动态伤员伤情系统建设，通过构建伤情动态演化算法，实现了批量伤员伤情数据的自动生成和动态演化，为水面舰艇战伤救治AR 训练系统的研发奠定了良好的基础。但基于大数据和机器学习的动态伤情演化逻辑与规则仍有待进一步研究。在下一步工作中，课题组将继续深入战伤救治与AR技术、人工智能等交叉融合，将成熟的产品应用到部队“实战化”训练中，有效提升海军官兵在海上特殊环境下的战伤救治能力。