柏 杰，閆迎鴿*，胡鮮云，李 婕，段金鑫

（1.解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學中心，北京 100072；2.陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

0 引言

信息化條件下高技術戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境異常復雜，戰(zhàn)斗對抗激烈，戰(zhàn)場態(tài)勢演變加快，對部隊高效實施衛(wèi)勤保障行動提出了更高的要求?；鹁€急救作為衛(wèi)勤保障力量戰(zhàn)時遂行保障行動的力量末端和前哨，受敵威脅更加嚴重，保障作業(yè)條件更加嚴酷，對基層衛(wèi)生保障人員的臨戰(zhàn)處置能力和專業(yè)技術水平的要求更高。主動對接戰(zhàn)時火線急救保障需求，積極采取先進模擬訓練技術，逼真構建近似實戰(zhàn)的火線急救訓練環(huán)境，成為提高基層衛(wèi)生保障人員火線急救能力的重要途徑。研究表明，利用虛擬仿真技術開展急救護理教學效果明顯[1]，而在逼真戰(zhàn)場環(huán)境條件下的戰(zhàn)傷救治訓練效果更佳[2]。

火線急救訓練的理想模式是在近似實戰(zhàn)的環(huán)境條件下開展火線急救的全過程、全要素、全科目訓練。鮮繼淑等[3]系統(tǒng)闡述了實戰(zhàn)化模擬救治能力訓練的具體做法，有效解決了訓練內(nèi)容與實戰(zhàn)環(huán)境分離的難題，但面臨著因實戰(zhàn)環(huán)境條件構設復雜而不能靈活設置的問題。為此，建立戰(zhàn)傷救治虛擬環(huán)境成為當前戰(zhàn)傷救治訓練技術發(fā)展的主要方向，例如可通過構建多自由度的模擬救治訓練平臺提供海上、空中或公路等條件下復雜運動環(huán)境中的動態(tài)模擬救治環(huán)境[4-5]，或者利用戰(zhàn)傷救治模擬人技術靈活設置傷員的傷病特征[6]，為戰(zhàn)傷救治技能訓練提供基礎條件，但是不能體現(xiàn)敵我對抗條件下戰(zhàn)場環(huán)境的復雜性。為解決這一問題，本研究針對部（分）隊火線急救使命，綜合采用多種仿真技術，提出構建一種可靈活設置戰(zhàn)場環(huán)境和救治操作場景、能適應單個或分隊救治人員的綜合性模擬訓練系統(tǒng)，為開展實戰(zhàn)化條件下的火線急救訓練提供手段支撐。

1 需求分析

火線急救訓練的目的是適應未來戰(zhàn)爭中不同環(huán)境條件下的前沿傷員急救任務，要求基層衛(wèi)生人員必須要了解部隊的使命任務以及戰(zhàn)場環(huán)境的主要特點，并能夠根據(jù)動態(tài)變化的戰(zhàn)場態(tài)勢主動、靈活地采取有效措施，實施對前沿傷員的高效搶救，在保證自身和傷員安全的前提下盡可能減少傷員的陣前死亡[7]。為實現(xiàn)該目的，火線急救模擬訓練系統(tǒng)應滿足以下需求：

（1）逼真的實戰(zhàn)環(huán)境構建能力。應選擇典型作戰(zhàn)區(qū)域的部隊典型使命任務，構建逼真的戰(zhàn)場自然環(huán)境條件，并設置近似真實的作戰(zhàn)對手和作戰(zhàn)場景，使訓練人員能夠真實地體驗戰(zhàn)場環(huán)境的復雜性、態(tài)勢演變的快速性和急救條件的艱苦性。

（2）靈活的專業(yè)技能訓練能力。訓練情景的多樣性是提高基層衛(wèi)生人員火線急救反應能力的重要基礎。一方面，要結合戰(zhàn)場環(huán)境特點、作戰(zhàn)態(tài)勢變化和保障對象編組，創(chuàng)設多種模擬訓練場景。另一方面，要嚴格落實火線急救工作程序，按照及時發(fā)現(xiàn)傷員、迅速接近傷員、妥善急救傷員、安全搬運傷員、就近隱蔽傷員的要求，創(chuàng)設不同階段基層衛(wèi)生人員的判斷決策問題和處置操作科目，實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢判斷、保障任務分析決策和行動展開協(xié)同的一體化全過程綜合訓練，提高基層衛(wèi)生人員的戰(zhàn)時綜合急救能力。

（3）精確的模擬訓練考評能力。應利用網(wǎng)絡技術和高性能技術設備，研制在線式的實時訓練考評模塊，在基層衛(wèi)生人員火線急救訓練的同時，實時給出訓練操作的正確性、合理性考核結果，促使訓練人員邊訓邊學，提高火線急救訓練的效率。

（4）自主的在線學習能力。應采用文本、PPT、音頻、動畫、視頻等方式，針對火線急救專題內(nèi)容和難點內(nèi)容，制作火線急救專題資源庫，并提供靈活的資源訪問功能，方便學員根據(jù)學習進度靈活自主地開展在線學習，提高學員學習的靈活性。

2 系統(tǒng)設計

2.1 功能構成

火線急救模擬訓練系統(tǒng)功能構成如圖1所示。

圖1 火線急救模擬訓練系統(tǒng)功能構成

（1）火線急救任務處置功能。提供實戰(zhàn)對抗環(huán)境條件下的基層衛(wèi)生人員急救能力訓練功能。按行動內(nèi)容區(qū)分為戰(zhàn)場態(tài)勢判斷、傷員搜索發(fā)現(xiàn)、接近傷員、傷員急救、傷員搬運、傷員隱蔽等功能；按技術手段區(qū)分為通氣、止血、包扎、固定、搬運和基礎生命支持等專業(yè)技能訓練功能；按訓練對象區(qū)分為不同角色的火線急救人員崗位訓練和火線急救分隊戰(zhàn)術訓練2類功能。訓練過程中，訓練人員乘坐的車輛、使用的儀器設備以及對儀器設備的操作方法應與基層衛(wèi)生人員實際使用的車輛和儀器設備相似。

（2）戰(zhàn)場環(huán)境感知功能。包括戰(zhàn)場自然環(huán)境、對抗環(huán)境的感知功能。從訓練人員的角度看，就是要能夠使訓練人員真切地感知戰(zhàn)場環(huán)境的變化情況，包括戰(zhàn)場場景、部隊機動、武器對抗等以及由此帶來的對訓練人員視覺、聲覺和觸覺的影響情況。

（3）訓練科目設置功能。根據(jù)火線急救訓練要求，針對不同作戰(zhàn)地區(qū)的作戰(zhàn)任務要求，區(qū)分專題訓練和連貫訓練2種形式，為參訓人員靈活設置訓練科目和訓練要求。

（4）戰(zhàn)場環(huán)境仿真功能。按照地形地貌、天候氣象、敵我兵力的基本分類，構建逼真的戰(zhàn)場環(huán)境仿真模型，反映戰(zhàn)場環(huán)境對火線急救任務的影響情況。

（5）教學演示功能。提供火線急救原理、方法和操作流程的演示功能，為訓練人員提供包括圖文、動畫、視頻等格式的教學輔助資料，也可以作為受訓者自學的基本資料。

（6）訓練評估功能。提供火線急救模擬訓練效果的綜合評價功能，并為訓練人員提供綜合分析報告，幫助訓練人員了解火線急救訓練的整體效果。

2.2 結構布局

以系統(tǒng)建設需求和功能設計為基礎，結合現(xiàn)代模擬訓練技術的特點和應用實際，采用分布式結構構建火線急救模擬訓練系統(tǒng)，包括模擬訓練區(qū)、綜合顯示區(qū)、導控區(qū)、計算機生成兵力區(qū)、考核區(qū)、計算及存儲服務區(qū)和網(wǎng)絡運行支撐環(huán)境等7個部分，如圖2所示。

（1）模擬訓練區(qū)。依托各類模擬訓練設備，提供火線急救任務處置訓練功能，可以提供原理方法自主學習、儀器設備操作訓練、急救任務流程訓練和對抗環(huán)境實戰(zhàn)訓練4種功能，是訓練人員開展技能訓練和戰(zhàn)場意識訓練的主要區(qū)域。

（2）計算機生成兵力區(qū)。依托高性能計算服務器，部署戰(zhàn)場環(huán)境仿真、敵方兵力和我方兵力仿真系統(tǒng)，為火線急救模擬訓練提供虛擬裝備、虛擬環(huán)境、模擬藍軍等訓練支撐數(shù)據(jù)。

（3）導控區(qū)。以計算機設備終端為支撐，部署模擬訓練導控軟件，提供系統(tǒng)管控、科目設置等功能，支持火線急救組訓人員和系統(tǒng)保障人員進行模擬訓練導控以及各類硬件設備和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)一啟停、自檢、故障預警和運行狀態(tài)監(jiān)控。

（4）綜合顯示區(qū)。部署 LED（light emitting diode）屏、音響、圖形工作站、二維態(tài)勢生成服務器、LED顯示服務器和視頻監(jiān)控管理計算機等硬件設備和相關軟件，為組訓人員根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢和受訓對象作業(yè)情況進行導控提供支撐。

（5）考核區(qū)。部署模擬訓練數(shù)據(jù)預處理、成績評定、教學考評和成績分析等軟件以及相應的硬件，為組訓人員評定受訓對象的成績提供支撐。

（6）計算及存儲服務區(qū)。以高性能計算機和存儲服務器為主要設備，為模擬訓練提供高性能的計算能力和數(shù)據(jù)管理能力。

（7）網(wǎng)絡運行支撐環(huán)境。以局域網(wǎng)和HLA/RTI運行支撐環(huán)境為基礎，構建服務于各功能分系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡環(huán)境。

圖2 火線急救模擬訓練系統(tǒng)整體結構布局

2.3 使用流程設計

系統(tǒng)部署運行后，基層衛(wèi)生人員在組訓人員的統(tǒng)一安排下開展相關科目的訓練。組訓人員負責系統(tǒng)的整體控制、科目設置、運行監(jiān)控和結果評估等任務，受訓人員利用系統(tǒng)的相關功能按要求開展原理方法自主學習，包括儀器設備操作訓練、急救任務流程訓練和對抗環(huán)境實戰(zhàn)訓練。訓練結束后，組訓人員應根據(jù)訓練結果實時向受訓者反饋訓練結果并給出改進建議，受訓者通過訓練視景回放及時總結訓練得失。其總體使用流程如圖3所示。

圖3 火線急救模擬訓練系統(tǒng)總體使用流程

3 技術實現(xiàn)

火線急救模擬訓練系統(tǒng)分為硬件和軟件2個部分。硬件部分根據(jù)功能需求和結構要求進行相應的機電一體化構建，以三自由度電動平臺為支撐進行模擬座艙設計，依托HTC VIVE沉浸式頭盔和NeuronHim手套實現(xiàn)虛擬訓練交互；軟件部分采用Visual C++6.0軟件和Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行軟件功能模塊開發(fā)，采用CryEngine進行虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和訓練場景開發(fā)。

3.1 基于模擬座艙的任務處置環(huán)境設計

以模擬座艙為基礎，構建火線急救任務處置環(huán)境[8]。在模擬座艙內(nèi)部，根據(jù)火線急救分隊和單兵急救要求，設置各類衛(wèi)生專用儀器設備、通用指揮通信終端和相關軟件，為訓練人員提供真實的訓練設備設施。在模擬座艙外圍，以戰(zhàn)場環(huán)境仿真為支撐，采用環(huán)屏視聽技術，創(chuàng)造逼真的戰(zhàn)場對抗環(huán)境，增強模擬訓練作業(yè)的實戰(zhàn)化水平。模擬訓練時，訓練人員根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢演變和傷員情況，操作相應的儀器設備和軟件系統(tǒng)就能夠實現(xiàn)與實戰(zhàn)火線急救相似的操作訓練。模擬座艙承載平臺采用三自由度電動平臺，最大承載質量1 500 kg，作業(yè)平臺面積12.6 m2；模擬座艙艙體采用半封閉式結構，座艙內(nèi)部設置若干模擬操作終端和虛擬操作設備，模擬操作終端根據(jù)科目實時顯示火線急救任務場景；模擬座艙墻面和頂面的大尺寸顯示屏幕動態(tài)顯示戰(zhàn)場場景。模擬座艙基本結構如圖4所示。

圖4 模擬座艙基本結構

3.2 基于三維可視化技術的戰(zhàn)場環(huán)境構建

采用三維可視化技術，基于典型戰(zhàn)場環(huán)境仿真引擎，按照戰(zhàn)場環(huán)境的要素構成和特點，分別構建逼真的地形地貌和天候氣象自然環(huán)境模型、敵我兵力實體及其武器運用模型、傷員現(xiàn)場模型等，為訓練人員創(chuàng)造高沉浸、高逼真的可視化戰(zhàn)場環(huán)境，提高火線急救操作的真實感和融入感[9]。戰(zhàn)場環(huán)境構建的關鍵是各類環(huán)境模型的構建和在特定人物背景下的戰(zhàn)場環(huán)境模型狀態(tài)的演變。在三維戰(zhàn)場環(huán)境構建時，采用當前比較先進的戰(zhàn)場環(huán)境仿真引擎CryEngine平臺，提供了大量的戰(zhàn)場環(huán)境基礎模型，通過環(huán)境參數(shù)的調(diào)整和實體模型的修改能夠快速實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的構建，如圖5所示。

圖5 基于CryEngine平臺的戰(zhàn)場環(huán)境構建效果

圖6 虛擬急救技能訓練操作場景

3.3 基于虛擬現(xiàn)實技術的技能訓練功能實現(xiàn)

以人體解剖結構為基礎，利用虛擬現(xiàn)實技術構建傷員虛擬人體模型，模擬傷員的生理功能和救治反應；基于火線急救專業(yè)技能訓練內(nèi)容，構建虛擬化傷員及其器官的物理模型和急救設備模型；基于虛擬手套、虛擬頭盔等虛擬設備，進行火線急救各項專業(yè)技能的交互式操作訓練?；鹁€急救技能訓練科目要在實戰(zhàn)對抗環(huán)境中，重點圍繞在陣地對傷員的通氣、止血、包扎、固定、搬運和基礎生命支持內(nèi)容進行設計，體現(xiàn)火線急救技能訓練的針對性。其中，虛擬場景采用CryEngine平臺開發(fā)，虛擬設備采用HTC VIVE沉浸式頭盔和NeuronHim手套。以火線急救中對受傷人員手臂傷口處理技能訓練為例，訓練人員穿戴虛擬眼鏡和虛擬手柄，利用虛擬定位設備開展虛擬急救訓練的操作場景如圖6所示。

3.4 基于數(shù)據(jù)挖掘的實時訓練評估模塊構建

火線急救模擬訓練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，在時間和空間上處于離散分布狀態(tài)，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息的轉變，并根據(jù)火線急救不同科目的考核評估指標體系，經(jīng)數(shù)據(jù)分析與處理，得到訓練結果評估的基本數(shù)據(jù)。根據(jù)不同科目訓練考核評估方法和規(guī)則，建立相應的評估模型，將訓練數(shù)據(jù)聚合形成訓練評估結果，形成對參訓人員訓練結果的精確評價[10]?；鹁€急救模擬訓練評估模塊顯示界面如圖7所示，包括訓練評估指標體系、參訓人員訓練評估結論2個部分，并采用柱狀圖和雷達圖分別顯示參訓人員的綜合評估結論和分項評估結論。

圖7 實時訓練評估模塊顯示界面

4 應用優(yōu)勢

利用該系統(tǒng)開展基層衛(wèi)生人員火線急救能力訓練具有鮮明的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

4.1 戰(zhàn)場環(huán)境動態(tài)逼真

可以結合部隊作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)區(qū)域及作戰(zhàn)進程，動態(tài)創(chuàng)建戰(zhàn)場對抗態(tài)勢，并根據(jù)戰(zhàn)傷發(fā)生的特點，適時創(chuàng)建戰(zhàn)場搶救現(xiàn)場，將火線救治場景融入到作戰(zhàn)對抗環(huán)境中，使得火線救治場景的設置更加逼真和貼近實戰(zhàn)運用要求。

4.2 訓練科目設置靈活

可以根據(jù)火線救治訓練內(nèi)容要求，按照單科目訓練和綜合科目訓練2種基本模式，靈活設置火線救治訓練的內(nèi)容和要求，提高模擬訓練的靈活性和針對性。同時，還可以依托逼真的戰(zhàn)場對抗環(huán)境，訓練火線急救人員的分析判斷、決策計劃和行動控制意識，提高作戰(zhàn)適應能力。

4.3 訓練操作逼真形象

基于先進的虛擬現(xiàn)實技術和設備，構建火線急救多種典型科目的急救訓練場景，并采用虛擬交互方式，不僅能夠使參訓人員逼真地感知技能操作訓練場景，還能夠在虛擬場景中近似真實地開展技能專業(yè)訓練，操作訓練場景更加逼真，操作訓練過程更加真實。

4.4 訓練結果實時反饋

參訓人員結束科目訓練后，系統(tǒng)能夠根據(jù)參訓人員的操作和處置情況，及時給出參訓人員的訓練考核結論，指出訓練過程中的不足或不當之處，并給出訓練改進的具體建議。同時，依托系統(tǒng)的記錄回放功能，參訓人員還可以對照訓練考核結論進行訓練操作過程的回放分析。

5 結語

火線急救是戰(zhàn)時減少傷員死亡的基本手段，反映了基層衛(wèi)生勤務人員的戰(zhàn)斗意識和專業(yè)水平?；鹁€急救模擬訓練系統(tǒng)的研制能夠為基層衛(wèi)生勤務人員提供逼真的火線急救訓練環(huán)境，開展不同作戰(zhàn)區(qū)域和任務背景條件下的多科目綜合演練，有利于提高基層衛(wèi)生勤務人員火線急救實戰(zhàn)能力，有望成為部隊衛(wèi)勤保障力量開展實戰(zhàn)化訓練的重要手段。下一步將適應部隊多樣化使命任務要求，進一步豐富火線救治的作戰(zhàn)背景和戰(zhàn)場環(huán)境，提供更加豐富多樣、適應任務要求的火線救治虛擬場景。