虛擬現實技術在聲學多普勒流速剖面儀保障業務中的應用初探

尹錫帆,黎鑫,喬正明,任浩宇,李縱橫

(1.國家海洋技術中心漳州基地 廈門 361000;2.國防科技大學氣象海洋學院 南京 211101)

0 引言

作為人類突破自身局限的重要嘗試之一,虛擬現實(Virtual Reality,VR)技術已被廣泛應用于社會發展各領域,從而改變現代人類生活。在民用領域,VR 產品被應用于游戲、醫療、教育、旅游、科研和電子商務等行業[1-2],預計至2020年我國VR 產品的市場規模接近600 億元[3]。在軍用領域,VR技術可仿真模擬特定情景,讓士兵仿佛身臨其境,對于訓練其在實戰中以及其他危險和緊急情況下的快速反應能力發揮至關重要的作用;與傳統訓練方法相比,運用VR 技術的訓練方法成本更低、效率更高且可避免人員傷亡[4]。此外,VR 技術在氣象領域的培訓、宣傳和科普等工作中也有大量應用[5]。

海洋在我國社會經濟發展中具有顯著的地位,是我國對外開放的主要窗口。近年來國家對海洋開發利用越來越重視,為更快和更好地保障海洋開發利用,我國啟動多個國家重大科研項目對海洋環境開展全面的探測和研究。海流是海洋環境要素之一,對全球氣候、船舶航行、海洋漁業和生態環境等具有重要影響,是近年來我國海洋環境探測和研究工作的重中之重。根據測流原理,測流設備可分為聲學式、機械式、壓力式和電磁式等類型[6]。其中,聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是目前測流設備中的先進代表,其專門用于河流、水渠或狹窄海峽的測流工作,與傳統測流設備相比性能更穩定、數據更可靠且適用范圍更廣[7],是快速和有效的測流設備[8]。

隨著ADCP在國防建設、科學研究、環境保護和海洋開發等領域的大范圍應用[6],逐漸出現技術人員操作能力不足和國內外檢定能力有限等問題[9]。由于ADCP 構造精密、造價較高和檢定較難[10],不適宜利用實物進行操作和練習。本研究闡述VR 技術的基本概念,梳理我國ADCP的應用現狀和現實困難,并詳細討論VR 技術在ADCP保障業務中的潛在應用和價值。

1 VR 技術及其系統組成和顯示方案

VR技術是通過計算機模擬程序產生三維空間的多媒體綜合信息應用技術,具有交互性、沉浸性和構想性3個典型特征[11];其借助聲、光和電等介質,通過向用戶提供感官模擬,使其產生身臨其境之感。 高級的 VR 技術被稱為增強現實(Augmented Reality,AR)技術,其通過計算機模擬場景和大數據模型處理,在原有的三維空間中呈現多維空間(表1)。

表1 VR 技術和AR 技術的主要特點

參考已有研究成果[12-13],VR 系統主要由圖形生成系統、投影顯示系統、中控系統、輔助系統、訓練系統和應用軟件系統6個部分組成(圖1)。

圖1 VR 系統組成

(1)圖形生成系統利用相應的應用軟件系統,實現科學計算、圖像生成、建模和視景渲染等功能,并實時處理用戶與虛擬現實環境的交互。

(2)投影顯示系統主要包括投影機和屏幕,將圖形生成系統生成的視景投影到屏幕上,產生具有沉浸感的虛擬現實環境。

(3)中控系統主要包括視頻控制系統和信號切換矩陣,前者負責控制投影機和視頻系統等的開機、關機和信號切換等工作,后者主要通過各路信號的實時切換進行投影顯示。

(4)輔助系統主要包括音響和UPS電源,前者為用戶提供具有沉浸感的聽覺環境,后者為系統提供非正常斷電保護。

(5)訓練系統利用計算機技術和頭盔顯示技術生成逼真的虛擬訓練環境,使用戶產生身臨其境的感覺。

(6)應用軟件系統包括視景仿真和多窗口處理等各種虛擬現實軟件。

VR技術有2種顯示方案：①實拍顯示,即利用現實世界的已有場景,將實拍內容呈現在VR 設備上;②建模顯示,即利用計算機仿真技術搭建3D場景,通過即時渲染的引擎,將每幀動畫實時渲染出來(表2)。

表2 VR 技術的顯示方案

2 ADCP及其應用難點

2.1 ADCP的工作原理

ADCP于20世紀70年代末面世,具備測量精度高、快速、高效、省時和省力等特點,已逐漸成為目前最重要的測流設備之一,也是唯一的測弱流設備。ADCP的工作原理如圖2所示。

圖2 ADCP的工作原理

ADCP換能器發射某固定頻率的聲波并被水中顆粒物反射,水聽器接收后會產生多普勒頻移[14],根據多普勒原理可計算水沿聲波方向移動的速度,計算公式為：

式中：v為水沿聲波方向移動的速度;F d為多普勒頻移的頻率;c為聲波在水中的傳播速度;F s為發射聲波的頻率。

將此速度減除船速,可得水流相對于地球坐標系的絕對速度,計算公式為：

式中：v L為水流相對于地球坐標系的絕對速度;v s為船速。

2.2 計量檢定難點

根據《中華人民共和國水文條例》,水文監測所使用的計量器具應當依法經檢定合格[15]。國家相關計檢標準也對各類監測設備提出周期檢定、檢測和校準的要求,以保證設備實際使用的有效性以及觀測要素數據的準確性和可信度。

ADCP對流向和流速的監測檢定一般在湖泊、海域和室內水池進行,根據試驗場地的不同,可分為自身航行試驗、同步比測試驗和水槽拖車試驗3種檢定方法[16]。其中,湖上試驗存在選址難、可檢頻率有限和深層流速監測難以保證等問題,海上試驗存在成本高、周期長、比測標準儀器難以選擇和受環境影響較大等問題,室內試驗存在對水池等設施要求高以及設施建設和維護成本高等問題[17]。

以300 k Hz以下ADCP的計量檢定業務為例,具備檢定能力的試驗水池長度動輒百米,建設經費達億元。參考美國RDI公司的ADCP檢定方案,按第二類生產工時(檢定年時基數為1 800 h)估算,當水池長度分別為100 m、200 m、300 m 和400 m 時,對應的ADCP年檢定能力分別為42套、102套、136套和161套。在當前我國ADCP已超5 000套的情況下,1個試驗水池在年工作時間內的檢定能力極為有限,然而不計算設備折舊損耗或耗費巨資建設水池的做法又極不科學,因此亟須采取新的手段開展ADCP計量檢定業務。

2.3 使用維護難點

我國有超過5 000套ADCP應用于各水文區域的測流工作,近年來自然資源部第三海洋研究所年均新增ADCP 超過1 000 套。由于ADCP 存在種類繁多、價值較高和傳感器易損壞等特點,技術人員難以利用實物開展使用維護等實操培訓,且常出現因操作熟練度較低導致設備故障以及因不了解設備結構而檢修失誤導致二次破壞等情況。

以美國RDI公司的第三代ADCP 產品“瑞江”為例,其性能較前代產品有較大提升,但在使用過程中存在諸多注意事項,例如：輕拿輕放,避免震壞換能器和內部元件;換能器不能下壓硬物和受陽光長期照射,使用完須清洗表面;換能器連接線上應涂抹硅膠以防水防沙。此外,在實際檢定過程中,“瑞江”的測量精度受船速影響,即船速越慢,測量精度越高。

3 ADCP仿真保障系統

ADCP保障業務包括計量檢定、使用維護和設計制造等,涵蓋設備研制、生產、應用、檢定、維護和改進的全過程,利用VR 技術建設的ADCP仿真保障系統可實現全過程參與(圖3)。

圖3 VR 技術參與ADCP保障業務的全過程

3.1 概念模型和主要功能

ADCP 仿真保障系統(Simulate Equipment Supporting System,SESS)是采用先進的系統分析和計算機仿真手段,對各型ADCP 的計量檢定、使用維護、設計制造和其他保障需求的全過程進行真實再現的模擬平臺;利用仿真模擬器對ADCP研發、試驗和教學等主要環節進行模擬,使技術人員在模擬作業時擁有與真實作業環境相似的感覺,最終達到利用模擬作業替代真實作業的目的。

SESS由仿真試驗訓練中心系統和多個仿真試驗訓練子系統組成：①仿真試驗訓練中心系統主要以VR 技術為依托,對技術人員進行計量檢定和使用維護等操作訓練;②仿真試驗訓練子系統主要以搭建的虛擬工作環境為依托,通過在訓練過程中不斷向技術人員進行程序提示,實現設備檢定過程的計量比測、操作過程的程序訓練和研發過程的試驗驗證等功能(圖4)。

圖4 SESS的概念模型

SESS主要具有5項功能：①設備模擬,即仿真模擬各型ADCP的三維結構,從而進行設備操作技能和方法的模擬訓練;②情景設置,即預設并模擬設備在各類情況下的工作現象,從而進行故障判斷和排除的模擬訓練;③教學評判,即自動評判技術人員的訓練成績,并詳細列出操作過程中存在的問題;④檢定試驗,即實現原理構造的同步模擬顯示,通過輸入待檢ADCP 的各項狀態參數和系統分析結果,在仿真試驗場開展仿真檢定試驗,從而完成ADCP計量檢定任務;⑤科研驗證,即在仿真試驗場對ADCP新技術進行驗證,從而縮短研發周期和加快研發進度。

3.2 仿真實驗案例

在ADCP的實際應用中,旁瓣會使換能器的聲能擴散和衰減增多,影響測流效果。因此,本研究開展ADCP吸聲罩的仿真實驗,利用有限元仿真數值模擬算法,研究吸聲罩的材料長度、收口形狀和吸聲性能對ADCP 旁瓣的影響,仿真實驗流程如圖5所示。

圖5 ADCP換能器的仿真實驗流程

仿真實驗結果表明,吸聲罩的材料長度在一定區間內對旁瓣具有較好的吸收作用,收口形狀對指向性影響較大,而吸聲性能越好越能抑制旁瓣。該仿真實驗共進行11組吸聲罩比對,在不須大量斥資購買實物實驗品的情況下,可獲得有效和重要的實驗結論,為下一步設計可實際使用的吸聲罩打下良好基礎。

3.3 系統優勢

SESS主要具有2項優勢。

(1)較好地解決訓練手段不足等問題,同時提高訓練安全性。目前海洋環境設備的操作訓練主要依托實物,而ADCP 設備昂貴且易損,無法利用實物進行反復訓練,亟須盡快采取全新的培訓方式,以提高設備使用維護能力。采用SESS進行仿真模擬訓練是解決該問題的最佳途徑,技術人員可在模擬設備上反復練習各種故障和緊急情況的應對和處理方法。

(2)有效降低設備損耗和成本。SESS 的核心是系統分析和計算機仿真手段,因此在軟件維護升級、功能擴展升級和加改裝升級時,只需更換系統軟件包,便可自動完成升級過程[18],可避免因計量檢定和技術驗證等實裝操作導致的主要設備壽命和電力的損耗,節省大量運行和維護費用。以綜合水池的ADCP檢定業務為例,試驗系統(包括廠房和設備)的折舊費約為300萬元/年,電力按試驗時長為每小時數千元。

4 結語

本研究分析近年來ADCP 在計量檢定和使用維護等保障能力方面的難點,研究將VR 技術與ADCP保障業務相結合的可行性及其經濟和技術優勢,并構建ADCP 仿真保障系統,為ADCP 保障業務的開展提供新思路。

下一步將利用Unity 3D 軟件開發ADCP仿真保障系統,研究在仿真條件下實現ADCP計量檢定和使用維護的保障業務功能。Unity 3D 軟件是多平臺綜合開發工具,其編輯器可在Windows 和Linux等多個系統運行,開發的產品可發布至Windows、Mac、iPhone和Android等客戶端,具備極強的便捷性、適用性和通用性,可完全滿足ADCP 仿真保障系統的VR 建模和應用需求。

此外,鄭崇偉等[19-22]對“21 世紀海上絲綢之路”的風候、波候、風能和波浪能等展開系統性研究,并取得顯著成果。在未來的工作中,同樣有必要將本研究的成果應用于“21世紀海上絲綢之路”建設,積極落實國家倡議。