虚拟现实技术在潜水员训练中的应用分析及设计

马文强，薛延华，朱小俊

（海军潜艇学院，山东 青岛 266300）

1 背景

虚拟现实技术是囊括了计算机技术、仿真技术、电子信息技术等于一体的新兴技术[1]。它利用三维图像生成技术、高分辨显示技术以及多传感交互技术生成的三维虚拟空间，让使用者可以通过真实的视、听、嗅觉等感觉获得身临其境的体验，并利用数据手套等输入设备与虚拟现实系统实现交互，从而满足学习媒体的情景化及自然交互性的要求。与目前常用的操作系统界面相比，虚拟现实在技术设计思路及用户体验上有巨大的飞跃。自2016 年虚拟现实元年以来，虚拟现实技术的发展日趋成熟，虚拟现实技术在教育、医疗、制造等领域大范围应用的条件进一步成熟，根据NUCNET 报道，俄罗斯列宁格勒核电用于关键维护人员培训虚拟现实模拟器开始测试，计划每年培训1000名核电维护专家，尤其是随着5G 技术的不断普及，虚拟现实技术已成为教育行业最具发展潜力的前沿技术，在潜水训练领域也有着极其巨大的应用前景。

2 现有潜水教学模式局限性

目前潜水训练存在诸多制约因素，这些因素造成了潜水训练风险高、投入大、效率低、准备工作繁杂等劣势。随着国家海洋事业的发展，现有的潜水教学模式越来越难以满足潜水教学与实践发展要求。

2.1 作业环境复杂，危险性高

潜水按照性质可以分为工程潜水、技能潜水和休闲潜水。除休闲潜水外，潜水员作业训练环境多数情况是情况复杂的自然水域，这些水域往往存在着深度较大、流速较快、海生物袭击、能见度较低等不利因素，这都是造成潜水成为高风险性活动的重要原因。例如大水深产生大压强，会造成潜水员患减压病、气压伤的概率升高；流速过快会限制潜水员水下活动速度甚至造成潜水员失控；海生物袭击潜水员水下受伤；水下能见度过低使潜水员视野范围受限，无法及时有效地判断任务进展及环境影响，造成危险因素不断叠加。另外，在诸如翻扣船舶救援、洞穴探险等特殊作业任务中，船舱、洞穴内部结构过于复杂，潜水员在不熟悉水下环境的情况下很可能出现水下方向丧失或行动绳供气软管绞缠等情况，无疑会进一步提高潜水员水下作业的风险。

2.2 新潜水员专业基础薄弱，存在过度紧张心理

新潜水员在开展潜水训练时普遍会存在一定的紧张心理，适度的紧张心理对于学员集中精神、保障训练安全和质量有一定的促进作用。但是由于部分潜水学员心理素质较弱，加之对诸如潜水原理、装备操作使用及潜水医学等知识掌握不全面透彻，潜水作业经验不足，潜水信心尚未建立起来，缺乏应对突发情况的有效手段，在实践中未养成安全意识、自救意识，面对复杂环境容易产生过分紧张胆怯心理，影响潜水训练安全，造成新潜水员训练效率减低，加大潜水员水下训练的难度。

2.3 潜水训练影响因素多，作业把控难度大

潜水作业是一项复杂的综合性工程，其主要影响因素包括但不限于作业环境、潜水任务性质、作业平台种类、装备器材、专项训练、潜水员作业能力和身体素质等，每个主要因素又受各种子因素影响控制。在潜水训练的组织过程中影响因素处在动态的变化之中，可以说每一个细小因素都影响着潜水训练的成功。任何一个关乎人员及工程安全的因素变化都有可能导致整个潜水任务的失败，而这些细节因素的把控很大程度上依赖于组织者个人经验，这无疑进一步增大了潜水作业风险。所以说训练过程中必须时刻把握诸多潜水作业因素的发展，难度相当之大，这对于潜水组织者提出了极高的要求。

2.4 准备工作繁杂单调，传统训练方法效率较低

传统的潜水教学是以教练带学生练的模式，形式单一且效率较低，学生对训练作业过程缺乏全面清晰的认识。在教学过程中，潜水技能训练与实践环境体验是无法由口述或演示替代的，最好的办法是让学员亲身操作演练。为保证训练安全，在实践环境下训练作业只能在教练员看护协助之下进行，教练员的精力毕竟有限，无法应对大规模多批次训练，从而造成潜水训练效率较低。同时潜水实作前期准备工作繁杂，作业训练动用人员及装备多，潜水作业的组织往往需要多个部门协调配合才能顺利完成。以相对简单的水面供气式空气潜水作业为例，水下作业1 人时，最低需配置5 人保障。潜水前准备工作包括7 大项、45 小项，这些工作极大地占用了人力和时间，降低了潜水训练效率，造成潜水训练参训人员多，实际水下作业时间短。同时潜水训练所需要的气源、平台、场地、装备等需要消耗大量资金及物资，这也是目前制约潜水作业训练进一步发展的原因。

3 虚拟现实技术的优势

虚拟现实技术具有的沉浸性、交互性、构想性（3i）等特征在教育训练方面有着十分巨大的优势。开展结合虚拟现实的教学模式改革，对于实现教育训练的优化和创新有着极大的帮助。

3.1 激发学习兴趣，提高学员能动性

在校学生是在互联网时代长大的，从小接触参与电子游戏，可以说游戏已经融入他们生活的方方面面。虚拟现实系统某种意义上也可以视为一种教育游戏，该系统与训练教学融合，利用其沉浸感、构想性、交互性、评价反馈和技术可用性优势共同影响学生的学习动机[2]，充分调动学生积极性，代入感和参与感能够极大地提高学习质效，对激发学生的创新思维有积极的正面作用。

3.2 克服客观限制，降低成本，提高训练效率

相对于实地实践教学，虚拟现实系统硬件建设成本投入相对较低，可以根据不同需求开发训练软件。同时潜水员在进行户外训练时，可能因为气温、海流、涌浪和能见度等原因，影响训练效率，甚至造成训练的停滞，利用虚拟现实技术就可以无视环境影响，顺利组织潜水训练。虚拟现实系统教学摆脱了教学对自然资源的依赖，还可以节省大量潜水准备时间及环节，也解决了资金物资、环境等诸多局限，保障训练科目的正常完成，达到部分替代实践效果的作用。

3.3 方便控制训练过程，减小组训难度及安全风险，降低环保压力

采用虚拟现实技术进行潜水员训练的根本动机在于虚拟训练系统所呈现出的物理特性[3]，可以有效屏蔽危险因素，将训练中的安全风险降到最低，不实际使用装备、不直接进入自然环境，符合当下保护环境和节能减排的时代要求。另外，通过虚拟系统组训者可以时时监控系统和潜水员情况，保证全方位评估潜水员训练情况，及时进行针对性地安排后续训练计划，保证潜水员能力的全面发展。

3.4 减低潜水员心理压力，有利于开展应急情况处置训练

虚拟现实技术通过训练降低风险，促进潜水员心理压力的减轻，潜水员全身心投入潜水训练之中，使其能够更好地掌握潜水作业技能。组训者通过灵活地转换训练场景，锻炼潜水员各种环境条件下潜水作业能力，丰富潜水员技能，尤其是能够锻炼在危险情况下的应急处置能力。

3.5 充分利用网络资源，降低参与门槛

由于场地、器材、教练和时间等限制，目前潜水训练参与门槛相对较高，普通人基本没什么机会参与这项运动。利用大数据和云计算技术开发互联网虚拟现实教育网站，只要有虚拟设备就可以不同程度地参与这项运动，降低潜水运动参与门槛，摆脱或者减低场地、器材的限制。

由于虚拟现实技术在教学方面的巨大优势，教育界已有很多利用虚拟现实技术进行教学改革的成功案例，因此虚拟现实技术在潜水技术方面的应用前景十分可观。

4 设计及分析

虚拟现实潜水训练系统通过虚拟设备、软件和图像资料模拟训练作业环境、科目和流程，让学生有与真实潜水训练相似的身心体验，从而取得部分替代实践教学效果。在虚拟现实潜水训练系统的建设可以按照以下几个方面设计：

4.1 分层次开发虚拟现实训练系统

按照桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、网络分布式虚拟现实系统的层级进行潜水训练系统的开发设计[4]。初级版本的虚拟现实系统可发挥潜水面镜与VR 眼镜相似结构特点，改造市面成熟VR 眼镜等产品，播放第一视角潜水作业过程的VR 视频，帮助潜水员了解水下作业环境和科目训练方法。中级版本采用游戏的形式设计，利用数据手套、虚拟手柄等体感设备，增强系统交互性，让潜水员可以在系统内完成具体的技能操作。高级版本可进一步开发专用系统，主要侧重于设备水密性，让潜水员可以真正在水下使用虚拟现实系统，进一步增强系统沉浸性。最后可以利用大数据和云计算技术，发挥虚拟技术所构建出来的虚拟训练环境不受地域时间限制的优势，将搭建的虚拟训练环境直接上传到互联网云端上，学员需要学习课程可以直接从终端调取相关内容，参考较为成功的网络VR 平台建设虚拟现实开放平台，通过接入职业教育平台，开展远程互联网教育，邀请工程、体育、医学等学科课程，共同打造虚拟现实教育精品网站。

4.2 再现潜水安全隐患情景

为了让学生直观地了解作业环境的危险性，同时也克服实际演练操作的局限性、降低危险性，可以利用虚拟现实技术系统，通过软件或者视频模拟再现安全隐患情景。潜水作业环境安全隐患多种多样，不同作业条件安全隐患呈现状态也有所不同，虚拟现实训练系统主要模拟训练过程中的供气中断、水温过低、海生物威胁、水下呕吐、绞缠、气压伤及其他隐患的发生过程及后果影响。例如在水下绞缠事故案例中，可以通过设定程序中水下能见度、水下障碍物密度、潜水员经验值和容错率等参数，模拟潜水员不同程度的水下绞缠情况。在系统提示下潜水员进行情况处理，若处理正确则完成训练，若处理错误则训练失败并模拟潜水事故影响后果。

4.3 模拟水下作业环境进行科目训练

采用虚拟现实训练系统模拟潜水作业真实自然环境，重建作业组织程序等，通过头戴式虚拟现实眼镜、数据手套、体感器等设备来实现虚拟作业水域过程的身体反馈。系统可设计观摩、训练、管理三种模式。观摩模式下学生利用头盔式显示器观摩水下具体作业过程，对潜水作业有更加清晰直观的认识；训练模式下学生利用数据手套进行水下科目训练与器材使用操作，帮助学生快速塑造潜水能力；管理模式下教师调整模拟环境各项参数及任务难度，锻炼学生复杂环境下作业能力。学生训练过程中系统时时采集和记录训练数据，方便教师评价训练效果，为下一步训练提供数据支撑和指导，学生也可以从激发学习积极性和促进潜水技能方法掌握等主观感受评价系统使用体验。通过在虚拟现实系统中的学习，学生可以在真正潜水作业前完成专业技能的学习，提高水下训练效率，达到减少投入保证安全的效果。

4.4 模拟安全隐患排查

作为专业潜水员，必须牢固树立安全作业意识，为保障安全，潜水员不能戴故障装具下水，所以潜水作业前安全检查是不容忽视的环节。装具故障种类是多样的，通过教师课堂举例讲解的方式，难以呈现装具故障的具体状态，学生也难以理解掌握安全检查的精髓。面对这种情况，虚拟训练系统可以利用虚拟现实技术模拟不同场景、器材和环节的安全故障场景，通过触感的变化和视角的转换，检查潜水装备状况，帮助学员自主发现故障装具与正常装具的不同，更加立体直观地查找隐患苗头[5]，促进学生装备管理能力的提高。

5 研究成果分析

通过沉浸式的虚拟现实技术的使用，学生能充分发挥主体能动性，发挥“情境式教学”优势，加强学生潜水作业全局意识，提高训练效率的同时降低训练风险，节约训练成本。

6 结语

虚拟现实潜水训练系统克服了传统潜水训练手段在人员、场地、时间等方面的限制，通过模拟潜水作业的真实环境、训练科目和组织流程，在保证相近教学训练体验的同时，丰富了潜水训练手段，降低了潜水训练的风险，提高了学习的效率，实现了提高人才培养质量的目标，对体育、工程及医学等课程改革具有一定的参考意义。