《基于虚拟和增强现实培训系统的美国海岸警卫队培训》2022.12最新71页论文

近年来，虚拟和增强现实（VR/AR）解决方案的技术和可用性都有了很大的提高。具有成本效益的商业现货（COTS）产品的出现，以及技术系统性能的提高，促进了新一轮发展，试图在学习和培训领域采用VR和AR技术。由此，美国防部（DOD）内外的许多组织已经开始使用这些系统来增强或完全取代目前的训练方法，如实弹演习或公海航行。然而，美国防部在一定程度上被划分为不同的服务部门，每个部门都获得了最适合其任务的培训解决方案。这可能导致美国海军（USN）有VR和AR训练能力，但美国海岸警卫队（USCG）可能不知道它们的存在。探讨如何重新利用一个团体的现有训练解决方案和方法来支持另一个团体的需求，有可能大大减少开发全新的训练系统所需的时间和财政投资。

在讨论VR/AR培训能力时，了解什么是VR以及它与AR和混合现实（MR）的区别很重要。Kishino和Milgram详细说明了VR和AR之间的区别是一个连续体，而不是一个硬性的分离[1]。在这个连续体中，VR与虚拟环境有关，用户 "沉浸在一个完全合成的世界中，并能与之互动"，而AR是在真实环境上实施计算机生成的（虚拟的、合成的）覆盖物。对于一个系统来说，它必须能够满足四个具体的标准：它代表一个计算机生成的虚拟世界或虚拟环境，为用户提供沉浸在该生成的虚拟世界中，产生对用户的实时感官反馈，最后允许用户与同一虚拟世界进行互动[2]。

本论文研究了在培训项目中使用不同的VR/AR系统和模拟器所能实现的优势，以及如何开发一种系统工程（SE）方法来分析这些项目。该方法可用于评估不同组织之间转移和适应VR和AR培训系统的可行性。同样的方法可以帮助决策者在评估VR/AR培训系统及其在其组织中的可能使用时做出更明智的决定。

本论文提出了一个系统地图形式的决策工具，该工具使用不同的SE原则的组合来进行需求评估，并制定代表拟议培训目标的要求。这使得决策者能够将提议的培训目标与目前可用的培训方法进行比较，并确定这些VR和AR培训方法是否能够充分满足新的培训需求。为了进行这种评估，本论文着重于两种SE价值层次方法：Pugh矩阵和成本效益分析（CBA）。在Pugh矩阵中，一个基线系统或系统的组成部分与一组类别中的备选方案进行比较，以确定一个总体表现更好的方案[3]。CBA允许用户根据每个类别的重要性提供权重[4]；CBA还将成本因素纳入分析的一个单独部分。在所调查的领域中，所比较的系统是不同的VR、AR和模拟器训练方法，而类别是根据从现场访问和研究中收集的数据确定的。

虽然本论文的重点是使用VR、AR和训练模拟器的训练方法，但许多原则可以在其他领域使用或复制。系统映射的基础是由标准的SE原则发展而来的，并且可以在其他应用中找到；很好的例子是风险评估[5]和通过系统的流量评估[6]。随着SE方法的正确应用，系统的开发和整体决策过程可以得到极大的改善。这可以帮助防止未来的返工、重新开发，或对系统进行彻底的检修。

本论文中提出的研究远非包罗万象。在现存的全部军事基地中，由于时间和资金的限制，只访问了一小部分；作者确保了本研究中访问的设施在没有访问的地方通常都有训练解决方案。研究的重点是美国海军和美国海军陆战队到美国海军陆战队的训练系统的使用情况，所以对美国空军、陆军和外国军队开发的潜在系统收集的数据非常少。未来可以对其他领域进行分析，以进一步扩大制图系统的范围，使决策得到改善。

军队对VR/AR的有限使用也限制了研究。如前所述，被确定为经常使用的训练辅助工具大多是模拟器。大型模拟器支持团队体验和以团队为中心的技能培训。它们使用的界面是来自操作环境的实际用户界面的模拟，并带来了VR或AR环境可能缺乏的真实性水平。它们也更适合于练习技能整合，随着时间的推移，它们成为具有明确资金线的记录项目。因此，它们成为比VR/AR更频繁的训练选项并不奇怪。

任何组织都必须处理的一个不可避免的问题是获取和维护任何培训系统的成本。提供给USCG的预算不多，重要的是决策者在最大限度地提高潜在的培训效益的同时尽量减少成本。例如，如果有一些培训课程会从拥有大型设施中受益，但不经常进行，同样的设施可以在主要地点，而不是在每一个装置中。这最大限度地减少了所需设施的数量，但却导致了旅行费用的增加。美国海军陆战队还可以研究与其他地方军种共享设施，或建立联合设施，让两个群体都能受益。

这项研究发现没有使用COTS VR/AR系统的训练辅助工具。考虑到该技术的成熟程度，这些类型的显示解决方案没有被使用到预期的程度。很少有培训方案利用了现成的COTS VR系统的优势。大型训练模拟器的工作人员都是经过培训的，以支持受训者提高他们的技能组合。另一方面，VR/AR培训方案通常作为个人培训方案使用。由于他们的足迹相当小，而且与大型模拟器相比，解决方案价格低廉，所以这种类型的培训最有可能在个人的指挥部进行。虽然VR/AR训练资源的可负担性和分布是一件好事，但这些训练系统的管理将把负担放在个人或该指挥部的高级成员身上。此外，对负责培训的组织来说，跟踪培训的进展将更加困难。

在实施任何COTS VR/AR培训项目之前，还有其他几个障碍需要解决。其中最大和最困难的是它被潜在的受训者采用。除了培训系统，人们还需要创建一个完整的培训方案，包括一套高质量的场景、培训计划、对知识和技能掌握的综合评估、进度跟踪等。同样的培训方案还需要在潜在的采用者中进行宣传，并由能够提供这种影响的个人认可其使用。作为这一过程的高潮，成为记录程序将为这一努力提供急需的持久性。

虽然COTS VR/AR培训解决方案在实施和被大量潜在用户采用方面面临着障碍，但其使用仍有很大的潜力。许多军事培训项目表明，提供支持沉浸式和用户互动的培训系统可以提高受训者的参与度和学习意愿。用交互式的虚拟模拟取代静态的power point材料的能力可以使个人掌握复杂的概念，并消除传统培训方法的乏味性。