虛擬現實技術在潛水員訓練中的應用分析及設計

馬文強，薛延華，朱小俊

（海軍潛艇學院，山東 青島 266300）

1 背景

虛擬現實技術是囊括了計算機技術、仿真技術、電子信息技術等于一體的新興技術[1]。它利用三維圖像生成技術、高分辨顯示技術以及多傳感交互技術生成的三維虛擬空間，讓使用者可以通過真實的視、聽、嗅覺等感覺獲得身臨其境的體驗，并利用數據手套等輸入設備與虛擬現實系統實現交互，從而滿足學習媒體的情景化及自然交互性的要求。與目前常用的操作系統界面相比，虛擬現實在技術設計思路及用戶體驗上有巨大的飛躍。自2016 年虛擬現實元年以來，虛擬現實技術的發展日趨成熟，虛擬現實技術在教育、醫療、制造等領域大范圍應用的條件進一步成熟，根據NUCNET 報道，俄羅斯列寧格勒核電用于關鍵維護人員培訓虛擬現實模擬器開始測試，計劃每年培訓1000名核電維護專家，尤其是隨著5G 技術的不斷普及，虛擬現實技術已成為教育行業最具發展潛力的前沿技術，在潛水訓練領域也有著極其巨大的應用前景。

2 現有潛水教學模式局限性

目前潛水訓練存在諸多制約因素，這些因素造成了潛水訓練風險高、投入大、效率低、準備工作繁雜等劣勢。隨著國家海洋事業的發展，現有的潛水教學模式越來越難以滿足潛水教學與實踐發展要求。

2.1 作業環境復雜，危險性高

潛水按照性質可以分為工程潛水、技能潛水和休閑潛水。除休閑潛水外，潛水員作業訓練環境多數情況是情況復雜的自然水域，這些水域往往存在著深度較大、流速較快、海生物襲擊、能見度較低等不利因素，這都是造成潛水成為高風險性活動的重要原因。例如大水深產生大壓強，會造成潛水員患減壓病、氣壓傷的概率升高；流速過快會限制潛水員水下活動速度甚至造成潛水員失控；海生物襲擊潛水員水下受傷；水下能見度過低使潛水員視野范圍受限，無法及時有效地判斷任務進展及環境影響，造成危險因素不斷疊加。另外，在諸如翻扣船舶救援、洞穴探險等特殊作業任務中，船艙、洞穴內部結構過于復雜，潛水員在不熟悉水下環境的情況下很可能出現水下方向喪失或行動繩供氣軟管絞纏等情況，無疑會進一步提高潛水員水下作業的風險。

2.2 新潛水員專業基礎薄弱，存在過度緊張心理

新潛水員在開展潛水訓練時普遍會存在一定的緊張心理，適度的緊張心理對于學員集中精神、保障訓練安全和質量有一定的促進作用。但是由于部分潛水學員心理素質較弱，加之對諸如潛水原理、裝備操作使用及潛水醫學等知識掌握不全面透徹，潛水作業經驗不足，潛水信心尚未建立起來，缺乏應對突發情況的有效手段，在實踐中未養成安全意識、自救意識，面對復雜環境容易產生過分緊張膽怯心理，影響潛水訓練安全，造成新潛水員訓練效率減低，加大潛水員水下訓練的難度。

2.3 潛水訓練影響因素多，作業把控難度大

潛水作業是一項復雜的綜合性工程，其主要影響因素包括但不限于作業環境、潛水任務性質、作業平臺種類、裝備器材、專項訓練、潛水員作業能力和身體素質等，每個主要因素又受各種子因素影響控制。在潛水訓練的組織過程中影響因素處在動態的變化之中，可以說每一個細小因素都影響著潛水訓練的成功。任何一個關乎人員及工程安全的因素變化都有可能導致整個潛水任務的失敗，而這些細節因素的把控很大程度上依賴于組織者個人經驗，這無疑進一步增大了潛水作業風險。所以說訓練過程中必須時刻把握諸多潛水作業因素的發展，難度相當之大，這對于潛水組織者提出了極高的要求。

2.4 準備工作繁雜單調，傳統訓練方法效率較低

傳統的潛水教學是以教練帶學生練的模式，形式單一且效率較低，學生對訓練作業過程缺乏全面清晰的認識。在教學過程中，潛水技能訓練與實踐環境體驗是無法由口述或演示替代的，最好的辦法是讓學員親身操作演練。為保證訓練安全，在實踐環境下訓練作業只能在教練員看護協助之下進行，教練員的精力畢竟有限，無法應對大規模多批次訓練，從而造成潛水訓練效率較低。同時潛水實作前期準備工作繁雜，作業訓練動用人員及裝備多，潛水作業的組織往往需要多個部門協調配合才能順利完成。以相對簡單的水面供氣式空氣潛水作業為例，水下作業1 人時，最低需配置5 人保障。潛水前準備工作包括7 大項、45 小項，這些工作極大地占用了人力和時間，降低了潛水訓練效率，造成潛水訓練參訓人員多，實際水下作業時間短。同時潛水訓練所需要的氣源、平臺、場地、裝備等需要消耗大量資金及物資，這也是目前制約潛水作業訓練進一步發展的原因。

3 虛擬現實技術的優勢

虛擬現實技術具有的沉浸性、交互性、構想性（3i）等特征在教育訓練方面有著十分巨大的優勢。開展結合虛擬現實的教學模式改革，對于實現教育訓練的優化和創新有著極大的幫助。

3.1 激發學習興趣，提高學員能動性

在校學生是在互聯網時代長大的，從小接觸參與電子游戲，可以說游戲已經融入他們生活的方方面面。虛擬現實系統某種意義上也可以視為一種教育游戲，該系統與訓練教學融合，利用其沉浸感、構想性、交互性、評價反饋和技術可用性優勢共同影響學生的學習動機[2]，充分調動學生積極性，代入感和參與感能夠極大地提高學習質效，對激發學生的創新思維有積極的正面作用。

3.2 克服客觀限制，降低成本，提高訓練效率

相對于實地實踐教學，虛擬現實系統硬件建設成本投入相對較低，可以根據不同需求開發訓練軟件。同時潛水員在進行戶外訓練時，可能因為氣溫、海流、涌浪和能見度等原因，影響訓練效率，甚至造成訓練的停滯，利用虛擬現實技術就可以無視環境影響，順利組織潛水訓練。虛擬現實系統教學擺脫了教學對自然資源的依賴，還可以節省大量潛水準備時間及環節，也解決了資金物資、環境等諸多局限，保障訓練科目的正常完成，達到部分替代實踐效果的作用。

3.3 方便控制訓練過程，減小組訓難度及安全風險，降低環保壓力

采用虛擬現實技術進行潛水員訓練的根本動機在于虛擬訓練系統所呈現出的物理特性[3]，可以有效屏蔽危險因素，將訓練中的安全風險降到最低，不實際使用裝備、不直接進入自然環境，符合當下保護環境和節能減排的時代要求。另外，通過虛擬系統組訓者可以時時監控系統和潛水員情況，保證全方位評估潛水員訓練情況，及時進行針對性地安排后續訓練計劃，保證潛水員能力的全面發展。

3.4 減低潛水員心理壓力，有利于開展應急情況處置訓練

虛擬現實技術通過訓練降低風險，促進潛水員心理壓力的減輕，潛水員全身心投入潛水訓練之中，使其能夠更好地掌握潛水作業技能。組訓者通過靈活地轉換訓練場景，鍛煉潛水員各種環境條件下潛水作業能力，豐富潛水員技能，尤其是能夠鍛煉在危險情況下的應急處置能力。

3.5 充分利用網絡資源，降低參與門檻

由于場地、器材、教練和時間等限制，目前潛水訓練參與門檻相對較高，普通人基本沒什么機會參與這項運動。利用大數據和云計算技術開發互聯網虛擬現實教育網站，只要有虛擬設備就可以不同程度地參與這項運動，降低潛水運動參與門檻，擺脫或者減低場地、器材的限制。

由于虛擬現實技術在教學方面的巨大優勢，教育界已有很多利用虛擬現實技術進行教學改革的成功案例，因此虛擬現實技術在潛水技術方面的應用前景十分可觀。

4 設計及分析

虛擬現實潛水訓練系統通過虛擬設備、軟件和圖像資料模擬訓練作業環境、科目和流程，讓學生有與真實潛水訓練相似的身心體驗，從而取得部分替代實踐教學效果。在虛擬現實潛水訓練系統的建設可以按照以下幾個方面設計：

4.1 分層次開發虛擬現實訓練系統

按照桌面式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、增強式虛擬現實系統、網絡分布式虛擬現實系統的層級進行潛水訓練系統的開發設計[4]。初級版本的虛擬現實系統可發揮潛水面鏡與VR 眼鏡相似結構特點，改造市面成熟VR 眼鏡等產品，播放第一視角潛水作業過程的VR 視頻，幫助潛水員了解水下作業環境和科目訓練方法。中級版本采用游戲的形式設計，利用數據手套、虛擬手柄等體感設備，增強系統交互性，讓潛水員可以在系統內完成具體的技能操作。高級版本可進一步開發專用系統，主要側重于設備水密性，讓潛水員可以真正在水下使用虛擬現實系統，進一步增強系統沉浸性。最后可以利用大數據和云計算技術，發揮虛擬技術所構建出來的虛擬訓練環境不受地域時間限制的優勢，將搭建的虛擬訓練環境直接上傳到互聯網云端上，學員需要學習課程可以直接從終端調取相關內容，參考較為成功的網絡VR 平臺建設虛擬現實開放平臺，通過接入職業教育平臺，開展遠程互聯網教育，邀請工程、體育、醫學等學科課程，共同打造虛擬現實教育精品網站。

4.2 再現潛水安全隱患情景

為了讓學生直觀地了解作業環境的危險性，同時也克服實際演練操作的局限性、降低危險性，可以利用虛擬現實技術系統，通過軟件或者視頻模擬再現安全隱患情景。潛水作業環境安全隱患多種多樣，不同作業條件安全隱患呈現狀態也有所不同，虛擬現實訓練系統主要模擬訓練過程中的供氣中斷、水溫過低、海生物威脅、水下嘔吐、絞纏、氣壓傷及其他隱患的發生過程及后果影響。例如在水下絞纏事故案例中，可以通過設定程序中水下能見度、水下障礙物密度、潛水員經驗值和容錯率等參數，模擬潛水員不同程度的水下絞纏情況。在系統提示下潛水員進行情況處理，若處理正確則完成訓練，若處理錯誤則訓練失敗并模擬潛水事故影響后果。

4.3 模擬水下作業環境進行科目訓練

采用虛擬現實訓練系統模擬潛水作業真實自然環境，重建作業組織程序等，通過頭戴式虛擬現實眼鏡、數據手套、體感器等設備來實現虛擬作業水域過程的身體反饋。系統可設計觀摩、訓練、管理三種模式。觀摩模式下學生利用頭盔式顯示器觀摩水下具體作業過程，對潛水作業有更加清晰直觀的認識；訓練模式下學生利用數據手套進行水下科目訓練與器材使用操作，幫助學生快速塑造潛水能力；管理模式下教師調整模擬環境各項參數及任務難度，鍛煉學生復雜環境下作業能力。學生訓練過程中系統時時采集和記錄訓練數據，方便教師評價訓練效果，為下一步訓練提供數據支撐和指導，學生也可以從激發學習積極性和促進潛水技能方法掌握等主觀感受評價系統使用體驗。通過在虛擬現實系統中的學習，學生可以在真正潛水作業前完成專業技能的學習，提高水下訓練效率，達到減少投入保證安全的效果。

4.4 模擬安全隱患排查

作為專業潛水員，必須牢固樹立安全作業意識，為保障安全，潛水員不能戴故障裝具下水，所以潛水作業前安全檢查是不容忽視的環節。裝具故障種類是多樣的，通過教師課堂舉例講解的方式，難以呈現裝具故障的具體狀態，學生也難以理解掌握安全檢查的精髓。面對這種情況，虛擬訓練系統可以利用虛擬現實技術模擬不同場景、器材和環節的安全故障場景，通過觸感的變化和視角的轉換，檢查潛水裝備狀況，幫助學員自主發現故障裝具與正常裝具的不同，更加立體直觀地查找隱患苗頭[5]，促進學生裝備管理能力的提高。

5 研究成果分析

通過沉浸式的虛擬現實技術的使用，學生能充分發揮主體能動性，發揮“情境式教學”優勢，加強學生潛水作業全局意識，提高訓練效率的同時降低訓練風險，節約訓練成本。

6 結語

虛擬現實潛水訓練系統克服了傳統潛水訓練手段在人員、場地、時間等方面的限制，通過模擬潛水作業的真實環境、訓練科目和組織流程，在保證相近教學訓練體驗的同時，豐富了潛水訓練手段，降低了潛水訓練的風險，提高了學習的效率，實現了提高人才培養質量的目標，對體育、工程及醫學等課程改革具有一定的參考意義。