虛擬現實技術在裝備培訓中的應用研究

李魁星 趙東波 張大鵬

摘要： 本文探討了虛擬現實技術在裝備培訓領域的應用，分析了裝備培訓內容對培訓方法手段的依賴度，設計了采用虛擬現實技術開展裝備培訓的基本運作流程。

Abstract： This paper discusses the application of virtual reality technology in the field of equipment training， and analyses the equipment training content dependence of training methods， designed using virtual reality technology in equipment and training of basic operational processes.

關鍵詞： 虛擬現實技術；裝備培訓；依賴度

Key words： virtual reality technology；equipment training；dependence

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0200-04

0 引言

近年來，虛擬現實技術以其可以在“客觀實在”與“主觀思維”之外創設“第三空間”的顛覆性，逐步在游戲娛樂、醫療保健、教育、軍事、工程、零售等領域展開應用，也為裝備培訓工作的換代升級開辟了新的境界。

1 虛擬現實技術應用于裝備培訓概況

1.1 裝備培訓發展趨勢

長期以來，各類裝備培訓都是以理論學習、實裝操作為主體，輔以多媒體教學、模型認知、半實物模擬等方法手段，通過對知識的領悟吸收和對技能的強化訓練，達到熟練操作使用裝備的目的。隨著時代發展和科技進步，許多裝備的性能越來越先進、技術越來越復雜、規模越來越龐大，設備運行和維護的成本越來越高，裝備認知的全面性系統性、裝備操作的精確性熟練性、體系協作的聯動性密切性在不斷增強，對裝備使用管理人員的個人素質和培訓要求越來越嚴格。為了適應新形勢下裝備培訓的需要，達到縮短培訓周期、降低培訓費用、確保培訓安全、提升培訓效果的目的，不斷創新培訓模式、科學構建培訓體系成為歷史必然。

1.2 虛擬現實技術的主要優勢

與課堂教學、實裝培訓相比，虛擬現實培訓技術具有非常顯著的優勢。功能齊全，可以完成裝備結構認知、運行原理展示、操作流程演示、交互式操作體驗和技能考核等功能，同時承載了理論教學、模型教學、實裝操作、結業考核的功能；安全可靠，開展虛擬訓練不動用現實裝備，可以有效避免在實裝培訓初期容易出現的裝備損毀或人員傷害，大大增加培訓工作的安全性；節約資源，虛擬培訓不動用實裝，可以避免裝備損耗、減少能源消耗、節約空間資源；效益拓展，虛擬培訓可以通過軟件、網絡系統實現“一平臺多裝備”“分布交互訓練”，實現培訓效益倍數型增強。

1.3 現實的矛盾問題

受技術水平、成本價格、用戶體驗等方面局限，虛擬現實技術在裝備培訓應用中，也有其難以回避的矛盾問題。技術方面，虛擬現實系統中實時三維圖形生成、HMD與主機系統的無線連接傳輸、用戶細微動作的跟蹤定位、觸覺與力覺反饋等關鍵技術與沉浸感的要求還有不小差距，問題的解決仍需時日；成本方面，單就頭戴式顯示設備HMD而言，目前的主要廠商（索尼、Oculus、HTC、谷歌Cardboard Gear VR和HoloLens）的VR/AR產品的材料成本均在數百美元的價格，集團用戶組織裝備培訓還需配套主機系統、追蹤系統、控制器等硬件設施和軟件開發平臺，成本價格更高；體驗方面，受制于分辨率、刷新率、計算能力，用戶“暈屏”的問題一直難以克服，感官體驗局限于并不完善的視聽觸覺上，技術進步與人的主觀期望直接的“恐怖谷”效應等問題都影響著用戶體驗的滿意度。

2 裝備培訓內容對培訓方法手段的依賴度分析

2.1 培訓內容劃分

①認知培訓。主要是指對裝備功能構造、性能指標、運行原理進行教學。在裝備性能趨于先進、裝備操作趨于簡化、體系聯合緊密的形勢下，對功能構造、運行原理的掌握越來越重要。作為裝備操作、維修、保養、管理人員，均應接受裝備認知培訓。

②技能培訓。主要包括操作、維修、保養等動手型技能。在應用實踐中，裝備操作技能是運用裝備的核心，是裝備發揮效益的基礎?，F在裝備的研發力求使用戶應用簡便，使得裝備操作技能相對簡化，但對精確性、熟練度卻要求更高，面對高性能裝備，如果操作不夠精準，很有可能出現差之毫厘失之千里的現象。

③協作培訓。主要是指某一裝備體系或某一功能性集團中，需要多臺裝備聯動才能發揮裝備效益、實現裝備功能，這一體系中的各操作員除了掌握本裝備必須的操作技能外，還必須關照體系內其他人員的操作，遵循一定的原則和規程、進行密切協作。

④拓展培訓。主要是指實現裝備工作人員一專多能，通過采用可拓展的裝備培訓平臺進行一定程度的訓練，能夠掌握同類不同型號裝備乃至不同類型裝備操作。

2.2 培訓方法手段劃分

①理論學習。理論的傳授是教學培訓的傳統手段，隨著社會的發展，已最初的簡單的口授、面授向利用多媒體技術發展，當前理論灌輸的方法多樣，效果明顯提升，但沒有改變理論傳授中受訓者被動接受、靠思維構想的本質。

②實裝教學。實裝教學是裝備培訓的關鍵環節，也是受訓者掌握裝備操作技能最為有效的方法。但是對于很多大型裝備來說，實裝訓練占用空間大、時間多，消耗油料、電力等資源多，存在的人員和裝備安全風險。因而，采取有效的辦法替代實裝教學，壓縮實裝教學的占比，是裝備培訓部門始終努力的方向。

③模型教學。模型教學伴隨理論灌輸而產生，是為了讓受訓者有更直觀印象，提升教學效益。但是模型實質上本身也是一種實物，對裝備的模擬如果不夠真實，就沒有應用的必要；如要設計逼真，會明顯提升成本、影響模型制作配發的數量，同樣會導致教學效益不高。

④半實物仿真模擬器訓練。半實物仿真模擬培訓是在近年來仿真技術飛速發展的基礎上，逐漸興起的培訓模式，在當前的裝備培訓工作中發揮了較大的作用，也產生了較好的效益。但由于半實物仿真器往往占用空間大，使用不夠靈活方便，影響了培訓效果。

⑤桌面式虛擬現實系統訓練。桌面虛擬現實系統利用個人計算機和低級的工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬界面的一個窗口。它要求參與者使用輸入設備，通過計算機屏幕觀察虛擬空間，并操控其中的物體實現交互，但參與者缺少完全的沉浸，易受到外界環境的影響。桌面顯示系統最大的特點是結構簡單、價格低廉、易于普及推廣，但最大的缺點是缺乏完全沉浸式的用戶體驗。

⑥沉浸式虛擬現實系統訓練。沉浸式虛擬現實系統通過非常豐富的交互式設備使參與者能夠自由地和虛擬系統進行完整的交互，在交互過程中用戶感覺到完全融入了虛擬的系統，具有身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。由于需要接入多種多樣的人機交互設備，并使虛擬現實系統和人機接口設備協同工作，沉浸式虛擬現實系統的實現成本一般較高，成為限制沉浸式虛擬現實系統推廣使用的關鍵因素。

⑦增強現實系統訓練。增強式虛擬現實系統允許用戶對現實世界進行觀察的同時，將虛擬圖像疊加在真實的物理對象之上，為用戶提供所能看到的與真實環境有關的、存儲在計算機中的信息，從而增強用戶對真實環境的感受。這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。

⑧分布交互式虛擬現實系統訓練。分布式虛擬現實系統是一種基于網絡連接的虛擬現實系統，它是多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷。在系統中，多個用戶可以通過網絡對同一虛擬空間進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。

2.3 依賴度分析

培訓內容對于方法手段的依賴程度，是指該培訓模式對該內容的適用度、不可替代程度，影響因子包括：培訓模式的理想應用效能、用戶體驗滿意度、技術可行性、經濟可行性、安全性等因素。理想應用效能，是指在完全實現預定培訓模式的情況下，達到培訓目的效果，是評價該模式是否適用的核心指標；用戶體驗滿意度，是指在實現培訓目的的過程中，受訓者對培訓過程、手段的適應程度，是關鍵指標；技術可行性、經濟可行性是評價該模式的基礎指標，包括技術成熟度、系統穩定性、技術成本、培訓資源消耗等內容；安全性，是評價該模式的保底指標，只有該培訓模式在可控或可接受的風險范圍之內，才可應用。

依賴度分析，采取定量定性相結合的德爾菲法，首先請相關領域專家對培訓模式對相應內容的各指標進行關聯強度定性評判，區分強關聯、中等關聯、弱關聯，如果某一培訓模式的理想應用效能、用戶體驗滿意度2個指標與所對應培訓內容僅存在弱關聯，則該培訓模式的技術可行性、經濟可行性、安全性指標沒有必要再行評價；而后，根據各具體指標關聯度，由專家對培訓模式對內容的適用度進行了量化打分，得到表1所示分析圖表。

從表1可以看出，不同培訓內容對培訓模式的依賴度差異性明顯，虛擬現實技術在裝備培訓中的應用程度也各不相同。結構性能認知培訓，應用較好的培訓模式依次為沉浸式虛擬現實系統、桌面/分布交互式虛擬現實系統、理論灌輸、增強型虛擬現實系統、模型教學；功能原理認知培訓，應用較好的培訓模式依次為沉浸式虛擬現實系統、桌面式/分布交互式/增強型虛擬現實系統、理論灌輸；按鈕/開關式操作技能培訓，應用較好的培訓模式依次為桌面式/分布交互式/增強型虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、實裝教學、半實物仿真模擬器；動作操控式技能培訓，應用較好的培訓模式依次為半實物仿真模擬器、增強型虛擬現實系統、實裝教學；協作培訓應用較好的培訓模式依次為半實物仿真模擬器、分布交互式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統；而拓展培訓應用較好的僅有分布交互式虛擬現實系統。

在具體類型的裝備培訓中，應根據裝備的特征、組織者的要求、培訓的側重點，合理確定裝備培訓方案。如，針對某一具體裝備，裝備培訓方案的流程確定為：采用沉浸式虛擬現實系統進行認知培訓，采用增強型虛擬現實系統進行技能操作培訓，采用半實物仿真模擬器進行協作培訓，可以實現效益好、滿意度高的培訓目的。其培訓體系示意如圖1。

3 虛擬現實培訓系統結構及功能分析

3.1 虛擬現實培訓系統功能需求

著眼于發揮技術優勢、提升培訓效益，虛擬現實培訓系統的設計必須結構合理、功能齊全。各種裝備培訓均強調場景的真實性，訓練視覺、流程、邏輯控制與真實設備操控的一致性，訓練數據的可查性，因而虛擬現實培訓系統需實現以下功能：①設立系統管理員、教學人員、受訓人員三級賬戶，系統管理員可進行用戶信息維護，學員只能調閱自身訓練數據，教員可調閱學員訓練數據。②培訓內容包括認知培訓、單人模擬訓練、多人協同訓練、考核。 ③提供訓練日志查詢、訓練日志統計、考核日志查詢、考核日志統計、個人信息維護功能。④開展裝備認識教學。利用虛擬仿真技術將裝備信息、裝備構造、裝備操作過程等學習內容融入到裝備認知介紹中，通過完全沉浸方式體驗或簡單可視化交互操作即可學習了解到裝備的基礎知識。⑤教練操作使用技能。系統預設裝備操作使用步驟，在操作過程中設置提示信息和熱點區域指示，以提高受訓者的訓練興趣和效率。⑥自主測試和檢驗考評。通過設置限時操作、分數考評、幫助提示等功能，受訓者可以自測裝備基礎知識和操作步驟掌握情況，同時組訓者可通過此模塊對受訓者進行檢驗考評。

3.2 業務流程分析及系統流程圖

虛擬培訓系統按功能類型可分為訓練類功能、查詢統計類功能、管理類功能，如圖2所示，具體如下：①訓練類功能：認知學習、單人模擬訓練、多人協同訓練。②查詢統計功能：學習日志查詢統計、訓練日志查詢統計、考核查詢統計。③管理類功能：系統參數配置功能、用戶信息管理功能。

4 結束語

需求牽引、技術推動是裝備發展的兩大引擎，通過準確對接培訓需求與科技優勢，不斷拓展虛擬現實技術在裝備培訓領域的應用，創新培訓模式、科學構建培訓體系，一定會推動裝備培訓工作質效大幅提升。本文對虛擬現實技術在裝備培訓領域的應用可行性、方向性進行了較為深入的研究，為虛擬現實培訓系統的進一步開發提供了較好的借鑒。

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