虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在潛水員訓(xùn)練中的應(yīng)用分析及設(shè)計(jì)

馬文強(qiáng)，薛延華，朱小俊

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266300）

1 背景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是囊括了計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、電子信息技術(shù)等于一體的新興技術(shù)[1]。它利用三維圖像生成技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)以及多傳感交互技術(shù)生成的三維虛擬空間，讓使用者可以通過真實(shí)的視、聽、嗅覺等感覺獲得身臨其境的體驗(yàn)，并利用數(shù)據(jù)手套等輸入設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互，從而滿足學(xué)習(xí)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(tǒng)界面相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)設(shè)計(jì)思路及用戶體驗(yàn)上有巨大的飛躍。自2016 年虛擬現(xiàn)實(shí)元年以來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育、醫(yī)療、制造等領(lǐng)域大范圍應(yīng)用的條件進(jìn)一步成熟，根據(jù)NUCNET 報(bào)道，俄羅斯列寧格勒核電用于關(guān)鍵維護(hù)人員培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器開始測(cè)試，計(jì)劃每年培訓(xùn)1000名核電維護(hù)專家，尤其是隨著5G 技術(shù)的不斷普及，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為教育行業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)，在潛水訓(xùn)練領(lǐng)域也有著極其巨大的應(yīng)用前景。

2 現(xiàn)有潛水教學(xué)模式局限性

目前潛水訓(xùn)練存在諸多制約因素，這些因素造成了潛水訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)高、投入大、效率低、準(zhǔn)備工作繁雜等劣勢(shì)。隨著國(guó)家海洋事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的潛水教學(xué)模式越來越難以滿足潛水教學(xué)與實(shí)踐發(fā)展要求。

2.1 作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，危險(xiǎn)性高

潛水按照性質(zhì)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(yè)訓(xùn)練環(huán)境多數(shù)情況是情況復(fù)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(fēng)險(xiǎn)性活動(dòng)的重要原因。例如大水深產(chǎn)生大壓強(qiáng)，會(huì)造成潛水員患減壓病、氣壓傷的概率升高；流速過快會(huì)限制潛水員水下活動(dòng)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?jié)撍畣T視野范圍受限，無(wú)法及時(shí)有效地判斷任務(wù)進(jìn)展及環(huán)境影響，造成危險(xiǎn)因素不斷疊加。另外，在諸如翻扣船舶救援、洞穴探險(xiǎn)等特殊作業(yè)任務(wù)中，船艙、洞穴內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，潛水員在不熟悉水下環(huán)境的情況下很可能出現(xiàn)水下方向喪失或行動(dòng)繩供氣軟管絞纏等情況，無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步提高潛水員水下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 新潛水員專業(yè)基礎(chǔ)薄弱，存在過度緊張心理

新潛水員在開展?jié)撍?xùn)練時(shí)普遍會(huì)存在一定的緊張心理，適度的緊張心理對(duì)于學(xué)員集中精神、保障訓(xùn)練安全和質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用。但是由于部分潛水學(xué)員心理素質(zhì)較弱，加之對(duì)諸如潛水原理、裝備操作使用及潛水醫(yī)學(xué)等知識(shí)掌握不全面透徹，潛水作業(yè)經(jīng)驗(yàn)不足，潛水信心尚未建立起來，缺乏應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的有效手段，在實(shí)踐中未養(yǎng)成安全意識(shí)、自救意識(shí)，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境容易產(chǎn)生過分緊張膽怯心理，影響潛水訓(xùn)練安全，造成新潛水員訓(xùn)練效率減低，加大潛水員水下訓(xùn)練的難度。

2.3 潛水訓(xùn)練影響因素多，作業(yè)把控難度大

潛水作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工程，其主要影響因素包括但不限于作業(yè)環(huán)境、潛水任務(wù)性質(zhì)、作業(yè)平臺(tái)種類、裝備器材、專項(xiàng)訓(xùn)練、潛水員作業(yè)能力和身體素質(zhì)等，每個(gè)主要因素又受各種子因素影響控制。在潛水訓(xùn)練的組織過程中影響因素處在動(dòng)態(tài)的變化之中，可以說每一個(gè)細(xì)小因素都影響著潛水訓(xùn)練的成功。任何一個(gè)關(guān)乎人員及工程安全的因素變化都有可能導(dǎo)致整個(gè)潛水任務(wù)的失敗，而這些細(xì)節(jié)因素的把控很大程度上依賴于組織者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，這無(wú)疑進(jìn)一步增大了潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。所以說訓(xùn)練過程中必須時(shí)刻把握諸多潛水作業(yè)因素的發(fā)展，難度相當(dāng)之大，這對(duì)于潛水組織者提出了極高的要求。

2.4 準(zhǔn)備工作繁雜單調(diào)，傳統(tǒng)訓(xùn)練方法效率較低

傳統(tǒng)的潛水教學(xué)是以教練帶學(xué)生練的模式，形式單一且效率較低，學(xué)生對(duì)訓(xùn)練作業(yè)過程缺乏全面清晰的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)過程中，潛水技能訓(xùn)練與實(shí)踐環(huán)境體驗(yàn)是無(wú)法由口述或演示替代的，最好的辦法是讓學(xué)員親身操作演練。為保證訓(xùn)練安全，在實(shí)踐環(huán)境下訓(xùn)練作業(yè)只能在教練員看護(hù)協(xié)助之下進(jìn)行，教練員的精力畢竟有限，無(wú)法應(yīng)對(duì)大規(guī)模多批次訓(xùn)練，從而造成潛水訓(xùn)練效率較低。同時(shí)潛水實(shí)作前期準(zhǔn)備工作繁雜，作業(yè)訓(xùn)練動(dòng)用人員及裝備多，潛水作業(yè)的組織往往需要多個(gè)部門協(xié)調(diào)配合才能順利完成。以相對(duì)簡(jiǎn)單的水面供氣式空氣潛水作業(yè)為例，水下作業(yè)1 人時(shí)，最低需配置5 人保障。潛水前準(zhǔn)備工作包括7 大項(xiàng)、45 小項(xiàng)，這些工作極大地占用了人力和時(shí)間，降低了潛水訓(xùn)練效率，造成潛水訓(xùn)練參訓(xùn)人員多，實(shí)際水下作業(yè)時(shí)間短。同時(shí)潛水訓(xùn)練所需要的氣源、平臺(tái)、場(chǎng)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(yè)訓(xùn)練進(jìn)一步發(fā)展的原因。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的沉浸性、交互性、構(gòu)想性（3i）等特征在教育訓(xùn)練方面有著十分巨大的優(yōu)勢(shì)。開展結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)模式改革，對(duì)于實(shí)現(xiàn)教育訓(xùn)練的優(yōu)化和創(chuàng)新有著極大的幫助。

3.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)員能動(dòng)性

在校學(xué)生是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代長(zhǎng)大的，從小接觸參與電子游戲，可以說游戲已經(jīng)融入他們生活的方方面面。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)某種意義上也可以視為一種教育游戲，該系統(tǒng)與訓(xùn)練教學(xué)融合，利用其沉浸感、構(gòu)想性、交互性、評(píng)價(jià)反饋和技術(shù)可用性優(yōu)勢(shì)共同影響學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)[2]，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，代入感和參與感能夠極大地提高學(xué)習(xí)質(zhì)效，對(duì)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)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(xùn)練效率

相對(duì)于實(shí)地實(shí)踐教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件建設(shè)成本投入相對(duì)較低，可以根據(jù)不同需求開發(fā)訓(xùn)練軟件。同時(shí)潛水員在進(jìn)行戶外訓(xùn)練時(shí)，可能因?yàn)闅鉁亍⒑Ａ?、涌浪和能見度等原因，影響?xùn)練效率，甚至造成訓(xùn)練的停滯，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以無(wú)視環(huán)境影響，順利組織潛水訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)教學(xué)擺脫了教學(xué)對(duì)自然資源的依賴，還可以節(jié)省大量潛水準(zhǔn)備時(shí)間及環(huán)節(jié)，也解決了資金物資、環(huán)境等諸多局限，保障訓(xùn)練科目的正常完成，達(dá)到部分替代實(shí)踐效果的作用。

3.3 方便控制訓(xùn)練過程，減小組訓(xùn)難度及安全風(fēng)險(xiǎn)，降低環(huán)保壓力

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行潛水員訓(xùn)練的根本動(dòng)機(jī)在于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的物理特性[3]，可以有效屏蔽危險(xiǎn)因素，將訓(xùn)練中的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低，不實(shí)際使用裝備、不直接進(jìn)入自然環(huán)境，符合當(dāng)下保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排的時(shí)代要求。另外，通過虛擬系統(tǒng)組訓(xùn)者可以時(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和潛水員情況，保證全方位評(píng)估潛水員訓(xùn)練情況，及時(shí)進(jìn)行針對(duì)性地安排后續(xù)訓(xùn)練計(jì)劃，保證潛水員能力的全面發(fā)展。

3.4 減低潛水員心理壓力，有利于開展應(yīng)急情況處置訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過訓(xùn)練降低風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)潛水員心理壓力的減輕，潛水員全身心投入潛水訓(xùn)練之中，使其能夠更好地掌握潛水作業(yè)技能。組訓(xùn)者通過靈活地轉(zhuǎn)換訓(xùn)練場(chǎng)景，鍛煉潛水員各種環(huán)境條件下潛水作業(yè)能力，豐富潛水員技能，尤其是能夠鍛煉在危險(xiǎn)情況下的應(yīng)急處置能力。

3.5 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，降低參與門檻

由于場(chǎng)地、器材、教練和時(shí)間等限制，目前潛水訓(xùn)練參與門檻相對(duì)較高，普通人基本沒什么機(jī)會(huì)參與這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)教育網(wǎng)站，只要有虛擬設(shè)備就可以不同程度地參與這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，降低潛水運(yùn)動(dòng)參與門檻，擺脫或者減低場(chǎng)地、器材的限制。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，教育界已有很多利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革的成功案例，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在潛水技術(shù)方面的應(yīng)用前景十分可觀。

4 設(shè)計(jì)及分析

虛擬現(xiàn)實(shí)潛水訓(xùn)練系統(tǒng)通過虛擬設(shè)備、軟件和圖像資料模擬訓(xùn)練作業(yè)環(huán)境、科目和流程，讓學(xué)生有與真實(shí)潛水訓(xùn)練相似的身心體驗(yàn)，從而取得部分替代實(shí)踐教學(xué)效果。在虛擬現(xiàn)實(shí)潛水訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)可以按照以下幾個(gè)方面設(shè)計(jì)：

4.1 分層次開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)

按照桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的層級(jí)進(jìn)行潛水訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)[4]。初級(jí)版本的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可發(fā)揮潛水面鏡與VR 眼鏡相似結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改造市面成熟VR 眼鏡等產(chǎn)品，播放第一視角潛水作業(yè)過程的VR 視頻，幫助潛水員了解水下作業(yè)環(huán)境和科目訓(xùn)練方法。中級(jí)版本采用游戲的形式設(shè)計(jì)，利用數(shù)據(jù)手套、虛擬手柄等體感設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)交互性，讓潛水員可以在系統(tǒng)內(nèi)完成具體的技能操作。高級(jí)版本可進(jìn)一步開發(fā)專用系統(tǒng)，主要側(cè)重于設(shè)備水密性，讓潛水員可以真正在水下使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)沉浸性。最后可以利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，發(fā)揮虛擬技術(shù)所構(gòu)建出來的虛擬訓(xùn)練環(huán)境不受地域時(shí)間限制的優(yōu)勢(shì)，將搭建的虛擬訓(xùn)練環(huán)境直接上傳到互聯(lián)網(wǎng)云端上，學(xué)員需要學(xué)習(xí)課程可以直接從終端調(diào)取相關(guān)內(nèi)容，參考較為成功的網(wǎng)絡(luò)VR 平臺(tái)建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)開放平臺(tái)，通過接入職業(yè)教育平臺(tái)，開展遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)教育，邀請(qǐng)工程、體育、醫(yī)學(xué)等學(xué)科課程，共同打造虛擬現(xiàn)實(shí)教育精品網(wǎng)站。

4.2 再現(xiàn)潛水安全隱患情景

為了讓學(xué)生直觀地了解作業(yè)環(huán)境的危險(xiǎn)性，同時(shí)也克服實(shí)際演練操作的局限性、降低危險(xiǎn)性，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)，通過軟件或者視頻模擬再現(xiàn)安全隱患情景。潛水作業(yè)環(huán)境安全隱患多種多樣，不同作業(yè)條件安全隱患呈現(xiàn)狀態(tài)也有所不同，虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)主要模擬訓(xùn)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(fā)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(shè)定程序中水下能見度、水下障礙物密度、潛水員經(jīng)驗(yàn)值和容錯(cuò)率等參數(shù)，模擬潛水員不同程度的水下絞纏情況。在系統(tǒng)提示下潛水員進(jìn)行情況處理，若處理正確則完成訓(xùn)練，若處理錯(cuò)誤則訓(xùn)練失敗并模擬潛水事故影響后果。

4.3 模擬水下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行科目訓(xùn)練

采用虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)模擬潛水作業(yè)真實(shí)自然環(huán)境，重建作業(yè)組織程序等，通過頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、數(shù)據(jù)手套、體感器等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)虛擬作業(yè)水域過程的身體反饋。系統(tǒng)可設(shè)計(jì)觀摩、訓(xùn)練、管理三種模式。觀摩模式下學(xué)生利用頭盔式顯示器觀摩水下具體作業(yè)過程，對(duì)潛水作業(yè)有更加清晰直觀的認(rèn)識(shí)；訓(xùn)練模式下學(xué)生利用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行水下科目訓(xùn)練與器材使用操作，幫助學(xué)生快速塑造潛水能力；管理模式下教師調(diào)整模擬環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)及任務(wù)難度，鍛煉學(xué)生復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)能力。學(xué)生訓(xùn)練過程中系統(tǒng)時(shí)時(shí)采集和記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)，方便教師評(píng)價(jià)訓(xùn)練效果，為下一步訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐和指導(dǎo)，學(xué)生也可以從激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和促進(jìn)潛水技能方法掌握等主觀感受評(píng)價(jià)系統(tǒng)使用體驗(yàn)。通過在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以在真正潛水作業(yè)前完成專業(yè)技能的學(xué)習(xí)，提高水下訓(xùn)練效率，達(dá)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(yè)潛水員，必須牢固樹立安全作業(yè)意識(shí)，為保障安全，潛水員不能戴故障裝具下水，所以潛水作業(yè)前安全檢查是不容忽視的環(huán)節(jié)。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(xiàn)裝具故障的具體狀態(tài)，學(xué)生也難以理解掌握安全檢查的精髓。面對(duì)這種情況，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬不同場(chǎng)景、器材和環(huán)節(jié)的安全故障場(chǎng)景，通過觸感的變化和視角的轉(zhuǎn)換，檢查潛水裝備狀況，幫助學(xué)員自主發(fā)現(xiàn)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(jìn)學(xué)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用，學(xué)生能充分發(fā)揮主體能動(dòng)性，發(fā)揮“情境式教學(xué)”優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)學(xué)生潛水作業(yè)全局意識(shí)，提高訓(xùn)練效率的同時(shí)降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約訓(xùn)練成本。

6 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)潛水訓(xùn)練系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)潛水訓(xùn)練手段在人員、場(chǎng)地、時(shí)間等方面的限制，通過模擬潛水作業(yè)的真實(shí)環(huán)境、訓(xùn)練科目和組織流程，在保證相近教學(xué)訓(xùn)練體驗(yàn)的同時(shí)，豐富了潛水訓(xùn)練手段，降低了潛水訓(xùn)練的風(fēng)險(xiǎn)，提高了學(xué)習(xí)的效率，實(shí)現(xiàn)了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)，對(duì)體育、工程及醫(yī)學(xué)等課程改革具有一定的參考意義。