基于虚拟现实的测控通信系统训练模式探讨
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【摘 要】执行海上测控任务期间，为确保测控通信设备的稳定可靠，海上测控通信系统的训练模式仍是采取以口头演练为主，辅以仿真训练的模式，已不能适应当前高密度海上测控训练的要求，通过信息化手段引进基于虚拟现实训练模式，实现海上测控通信系统训练模式的转换具有重要意义。
【关键词】训练模式；虚拟现实；测控通信系统
0 引言
高密度海上测控任务要求测控通信系统设备必须稳定可靠，这就给传统的测控通信训练模式带来挑战，以往测控通信系统训练模式采取以理论训练和实操训练相结合的方式进行，并采取仿真训练等手段为辅助手段，这些训练模式取得了良好效果，培养了大量的海上测控通信人才。随着信息化技术的发展和虚拟现实技术的应用，在越来越多的领域采取虚拟训练的模式开展训练，其具有训练成本低、安全性高、不受时空限制且训练效果好等特点，通过训练模式转变的研究，将有效推动通信系统训练效益。
1 海上测控通信系统训练模式综述
海上测控通信系统训练模式包括个人自学、承师带徒、厂所培训、授课讲课、联调演练及网络化训练等模式，为海上测控通信系统人才培养、能力提升作出了重要贡献。
1.1 个人自学
个人自学是根据个人训练的实际情况，依据年初制定的个人年度训练计划开展专业训练的方式，其具有针对性强、效果有限的特点，侧重于对设备基本信息、基本操作、基本流程、基本原理的掌握。
1.2 承师带徒
承师带徒是为岗位人员指定本专业技术骨干开展专业知识培训，包括理论授课、实操演示等，主要通过“以老带新、互帮互学”等方式开展训练，其具有指导性强、重点突出等特点，侧重于基本操作、基本原理的学习和掌握。
1.3 厂所培训
厂所培训主要结合新设备研制、改造、联合课题研究、厂所代职等工作进行，厂所培训能够使岗位人员对设备的总体知识、设备性能、设备原理等进行深层次的学习和研究，对提升岗位人员执掌设备能力和科研试验能力具有重要作用。
1.4 授课讲课
授课讲课可分为新学员汇报讲课、外训人员汇报讲课、岗位专家授课、外请专家授课等。通过授课讲课既可检查人员知识掌握情况。又可使岗位人员学习了解当前新技术、新研究、新应用等，为岗位人员提供岗位训练和科研创新动力。
1.5 联调演练
联调演练是为了熟悉任务流程、检验参试设备工作状态和技术性能，验证软硬件的可靠性、协调性，确保测控通信设备间的接口正确、可靠，可培养岗位人员严谨的试验作风、熟练掌握操作流程和任务工作流程，锻炼指挥员的组织指挥和协同能力，是一种综合性的训练方式。
1.6 网络化训练
网络化训练是指利用网络上的训练资源或者相关训练软件辅助人员进行训练、考核的训练方式，主要包括网上模拟系统训练、远程培训、视频教学和网上考核等。网络化训练可以充分利用网络集成化，数字化，资源共享方便快捷等特点辅助训练，扩展训练模式，提高训练效率，优化考核过程。
1.7 计算机模拟训练
计算机模拟能够逼真地显现现实中相关任务的过程，可激起参训人员的行为和思维的反应，是一种有效地训练手段。但目前的计算模拟训练存在交互性不强、环境不逼真、“身临其境”感觉不明显等问题，停留在二维层面，训练效果与预期的差距较大，不能满足模拟训练要求，急需研究新的真实性较高、交互性较强、立体感较好的模拟训练模式。
2 虚拟现实仿真模拟训练模式的概念
训练模拟系统从技术手段上看，主要包括三种类型：一是以硬件设备为主、结合相关软件、与实际装备基本一致的“硬”模拟系统，比如，用于驾驶和操纵训练的各种专项技能训练模拟器；二是以软件方式为主、用虚拟界面代替实际装备界面、与实际装备视觉效果基本一致的“软”模拟系统，比如，用于装备操作流程训练、战术指挥训练的各种训练模拟系统等；三是在实际平台或装备系统中嵌入专用于训练的信息支持软件，从而构成了实装嵌入式训练模拟系统。无论上述哪一种训练模拟系统，其所构成的训练环境与真实环境相比都存在较大的差距，因此，“仿真度”问题一直困扰着模拟领域，对“构造逼真训练环境”的追求长期存在并一直未能得到很好地解决。虚拟现实技术可对研究对象和环境获得“身临其境”的感受，提高人类认知的广度和深度，拓宽认识空间和方法空间，是仿真技术的发展方向。
2.1 虚拟现实系统的基本概念
虚拟现实（Vitual Reality，VR），又称“灵境技术”，是综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络等技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人沉浸在计算机生成的虚拟环境中，通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建一种适人化的多维信息空间。
2.2 虚拟现实系统的基本特征
虚拟现实系统的最大优势是能够充分发挥在由计算机和人构成的系统中人的主观能动性，即把人的感知能力、认知能力和心理状态在计算机系统中得到体现，人与系统交互采用完全自然的方式。其基本特征可通过“灵境技术三角形”加以描述，即“3个I（Immersion（沉浸）-Interaction（交互）-Imagination（构想））”。
2.3 虚拟现实系统的基本构成
虚拟现实系统一般分为桌面式、大屏幕式和头盔式，按照系统构成划分可分为检测模块（检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境）、反馈模块（接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈）、传感器模块（接受来自用户的操作命令将其作用于虚拟环境，并将操作后产生的结果以相应的反馈形式提供给用户）、控制模块（对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用）、3D模型库（现实世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境）及建模模块（获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立他们的三维模型）。
2.4 虚拟现实训练模式特点
与传统的训练模式相比较，使用虚拟现实的训练模式主要有以下特点：
（1）提高训练环境的逼真度。通过虚拟现实的模拟训练系统，设立与任务实战、设备故障等相一致的训练环境，使参训人员处于逼真的环境下开展训练，可避免因设备安全隐患而降低训练难度和标准的情况发生。
（2）大大缩短训练时间。通过计算机虚拟技术可迅速设置联调演练和任务实战场景，且不受人员、环境、天气等影响缩短了参训人员的准备时间。
（3）大大减少了装备的损耗。由于海上环境复杂，设备动用频繁极易造成设备故障损坏，从而增加海上测控任务风险。在实际施训中，可通过模拟训练提高训练的逼真度，在确保训练效益的前提下，降低设备损坏。
（4）可复现人员训练情况。在使用虚拟训练系统进行训练时，系统可模拟各种实际情况，并对相关训练情况进行记录、回放，以便于进一步掌握、了解训练中的得失，做好总结，提升能力。
虚拟现实仿真训练模式是引领未来测控通信系统训练的先进训练模式，对于提高测控通信系统训练效益具有重要意义，虚拟现实仿真训练模式主要包括以下软硬件保障、训练内容和方式、训练制度保障等方面内容。
3.1 软硬件建设
虚拟现实仿真训练的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视、听、触、嗅觉等全方位的交互，并且可实现实时响应。因此除了高性能的计算机外，还需要相关的软件。
通过专业VR建模软件如OpenGL、Pro/E、Vega、Creator等建立环境模型，可结合Visual C++构建的平台营造虚拟环境；运用多种方法来保证三维场景的动态显示；利用模板匹配、人工神经网络等技术实现运动的识别来交互；为保证环境的真实性，还需要使用I-Collide、PAPID、V-Clip等算法进行实时的碰撞检测。
通过软件和硬件将通信系统设备、接口、环境等通过计算机进行模拟仿真，增强通信环境的“逼真度”，为基于虚拟现实的训练模式提供场景、环境、反馈等支撑，实现了基于虚拟现实的软硬件支撑。
3.2 训练内容方式
（1）单人通信设备模拟训练。基于VR的模拟训练系统最初应用于单人操作维护装备，对于单人通信设备模拟操作训练具有得天独厚的优势，可通过三维图形生成系统生成逼真的涌浪、船摇、风浪等各种设备操作条件，与合成的三维空间声音的效果一同，完成单人通信模拟训练系统的训练，如天线跟踪的飞车现象等。通过单人通信设备模拟训练实现单人在各种气象条件和环境下，逼真模拟操作设备训练。
（2）开展指挥人员模拟训练。根据应急状态下和常态化任务状态下，综合甲板、机房等各种环境下的通信状态、场景，让指挥员通过传感器装置观察设备状态及处置现状，以便于逼真模拟与真实环境完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训指挥员“沉浸”在“真实的”试验任务环境中，开展任务指挥及应急处置指挥，锻炼指挥员的心理素质和指挥能力。
（3）通过网络开展异地同环境演练。通信系统最大特点是点多、线长、面广，一个设备故障可能涉及到多个方向、多个测站，只有通过协同指挥、协同操作才能彻底排除故障，因此运用虚拟现实技术分布式交互仿真并结合现代网络通信技术，通过模拟训练中心设置在不同测量站（船站）的指挥员的模拟系统终端，实现不同地域、相同环境的模拟训练，各测站之间的通信系统可通过局域网和广域网实现互联互通，并在此基础上开展联合演练，排除设备故障、组织基地间的通信设备应急处置联合训练。
3.3 训练模式发展趋势
随着计算机信息技术尤其是网络技术的迅猛发展，未来基于虚拟现实技术的模拟训练模式将呈现新的发展。
（1）着眼复杂环境，构建多维虚拟试验任务环境，提高训练效益。在实际任务过程中，海上通信环境呈现陆、海、空、天、电等多维发展的趋势，需要在复杂多变的环境中保持通信信息畅通，应着重加强复杂环境下的多维训练。
（2）实施超实时模拟训练。这种训练是使受训对象在模拟环境中进行的一种比正常训练速度更快的训练。通常采用压缩时间跨度，加快作业进程，提高训练强度的方式进行，使受训者得到超常的反应和训练，其适用于技能型训练。
（3）与心理训练紧密结合。通过将虚拟现实模拟训练与心理训练紧密结合后，进一步训练人员的心理承受能力和恢复能力，对于应急情况下的组织指挥、应急操作均有重要意义。
4 结束语
创新信息化条件下训练模式，既是深化训练改革的核心，目前基于虚拟现实的模拟训练仍然处于蓬勃发展的阶段，尚未成规模、成体制，相应的硬件建设、软件建设、制度建设等仍处于研究和探索阶段，但其广阔的应用前景和巨大的发展潜力引导研究引向深入，为测控通信系统的训练模式改革创新提供技术支撑。
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