VR技術在自動氣象站故障教學中的應用

吳 歡，朱亞宗，李學行，葉金印

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院安徽分院，合肥230031；2.安徽省氣象局大氣探測技術保障中心，合肥230031)

0 引言

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是利用人工智能技術、計算機技術、圖像仿真技術、傳感器技術等多種信息技術融合形成的虛擬仿真環境[1]。虛擬現實技術構建出的虛擬世界主要通過硬件系統和軟件系統實現。硬件系統主要包括計算機、VR頭盔、操作手柄、三維立體傳感器和顯示屏等。AutoCAD、Photoshop、3DMax等軟件可以處理大量的數據和素材。Unreal Engine4、Unity 3D等專業引擎軟件可以將所有素材拼接、搭建出虛擬現實環境。這些引擎軟件不僅可以組裝各類模型，還可以提供接口使交互硬件和虛擬世界之間建立聯系。VR技術目前主要用于航空航天仿真、虛擬醫學手術、房地產場景仿真、大型娛樂游戲和應急演練等。

虛擬現實技術在教育培訓領域也有廣泛的應用[2]。作為一種新型的教學手段，很多高校、科研院所、培訓機構都在積極研究虛擬現實技術及其應用。相比傳統的課堂講授教學模式，VR技術教學方法以啟發為主，能夠積極發揮學生的主觀能動性，以圖像、視頻、聲音、互動等形式向學生展示和傳輸知識，更加引人入勝。比如：飛機駕駛模擬、航空發動機故障維修模擬、醫學手術模擬、化學實驗模擬等。近年來，VR技術逐步在氣象教育培訓中應用。中國氣象局氣象干部培訓學院搭建了虛擬實訓平臺，平臺模擬了自動氣象站觀測場環境及觀測場的自動化觀測設備，可用于地面觀測教學[3]。蘭州資源環境職業技術學院開發了氣象雷達虛擬實訓系統，可以進行雷達日常維護、檢修等VR實習實訓教學[4]。南京信息工程大學構建了天氣現象虛擬仿真實驗教學平臺，仿真模擬了34種天氣現象，可用于天氣現象的識別和記錄等課程教學[5]。

自動氣象站氣象設備保障類培訓課程主要有設備結構原理、維護、故障排查與處理等，培訓的最終目標是使學生能夠在實際崗位中完成氣象設備維護和故障檢修任務[6]。實踐課程占據自動氣象站設備故障處理教學較大比重，是整個教學環節的重中之重，因此如何科學、合理地開展實訓課程，將知識轉化為技能是教學目標達成的關鍵問題。

文章研究了虛擬現實技術的原理和特點，分析了虛擬現實技術在實習實訓教學中的優勢。收集并整理安徽省自動氣象站設備故障處理個例，緊密結合教學目標，選擇代表性強、實際應用價值高、可操作性強的個例作為教學內容。利用VR技術搭建接近真實的地面自動氣象站業務平面及觀測場場景，在虛擬場景內開展自動氣象站設備故障教學的實習實訓課程。課程設計模擬了業務值班員在日常工作時發現自動氣象站設備故障，通過排查故障部位，及時解決故障問題，恢復觀測數據的業務流程。

1 自動氣象站設備故障處理VR教學設計

虛擬現實具有沉浸感強、感知性多、主宰性強的特點，不僅可以虛擬出現實存在的環境及實物，也可以虛擬出現實中不存在或者難以實現的環境或情景。VR實訓課程通過VR眼鏡、耳機、傳感器等設備給予學生接近真實環境的視聽感受，并通過手勢、動作及手柄操作與虛擬環境進行交互。

1.1 VR實訓課程內容設計

圍繞著教學目標，自動氣象站設備故障處理教學內容主要有：自動氣象站結構、工作原理等基礎理論課程；自動氣象站組裝、調試以及故障處理等實踐課程。課程設計引導學生從基礎理論學習，再將理論應用于實踐，最終實現教學、實訓內容與崗位職能相一致(圖1)[7]。

圖1 自動氣象站設備故障課程設計

自動氣象站設備故障處理實習實訓課程，以真實的故障現象以及業務流程設計教學情境，具有連貫性、實踐性、完整性。由于教學場地的限制，安徽分院實體的自動氣象站教學平臺配有8臺自動氣象站設備，無法滿足每人一套實習設備的需求，所以通常采用分組教學的形式。若學生人數達40人以上，還需分兩大組分時段交錯實習，實習教師存在重復勞動的現象。實習教學前需2～3名教師提前半小時進入實習室設置設備故障，準備萬用表、螺絲刀等實習工具，教學過程中每1個實習臺需要1名教師給予指導，并確保實習操作的安全性。實習結束后，教師負責將自動氣象站設備恢復原樣，臺面保持整潔。傳統的實體實習教學一次課程能夠模擬的故障非常有限，且存在耗費人力、教學過程時間長、安全風險大、設備損耗高、學習效率低的缺點。由于分組情況下，無法保證每個人都有動手實操的機會，老師不能掌握所有學生的學習情況，教學跟蹤效果不好。

1.2 VR實訓系統設計

自動氣象站設備故障處理VR實訓教學改變了傳統實習室以老師為主體，學生被動學習的教學模式，變為以學生為主體，以任務為主線，學生主動參與、思考、實踐的學習模式。VR教學相比傳統教學模式，在相同的教學時數內可以安排更多的故障個例實習。教學過程有1～2名教師引導、輔助即可，節約了人力資源、提升了教學效率。每人一臺VR設備能夠滿足個人獨立進行實習操作的需求，方便教師了解每個學生對知識的掌握程度，跟蹤教學效果，學生也可以針對薄弱環節反復練習。同時VR教學還具有教具準備簡單、用時少，安全系數高、設備損耗低、占地面積小的優勢[8]。VR教學系統可以對自動氣象站設備故障個例更新、維護，對學生、教師、管理員分級管理，對學生的考核成績進行統計、導出等操作。

教學開始后，學生通過佩戴VR頭盔進入虛擬氣象觀測場地，通過手柄或者步行在觀測場地漫游。一般用手柄操作跳躍式靠近觀測設備，再俯身或者轉身近距離觀察設備。觀測場設備巡視完畢，可以切換到業務值班室場景，監控業務軟件ISOS中各氣象要素的觀測數據，模擬業務值班。收到數據異常的任務提示后，根據氣象裝備保障業務規定，在業務平面上的ISOS、ASOM等業務系統進行操作。初步判斷發生故障的部位，進入觀測場使用螺絲刀、萬用表等工具檢查線路連接、設備供電、傳感器電阻及輸出電壓等，查找故障產生的原因。確定故障點后選擇合適的解決方案，排除故障，修復設備。收到“觀測數據恢復正常”提示后，實習結束。在實習實訓后，系統根據學生操作步驟完成度自動判定實習或考核成績。

2 自動氣象站設備故障處理VR教學應用實例-雨量傳感器故障

進入觀測場巡視發現當前有降水天氣，切換至業務平臺查看自動氣象站采集數據是否正常，出現任務提示：當前有降水天氣現象，但自動氣象站雨量傳感器采集降水量數據為“0”。分析導致有降水天氣現象而無降水量的原因可能有：雨量傳感器匯集漏斗或者過濾網被樹葉等雜物堵塞；雷擊導致雨量傳感器線路損壞、干簧管故障；雨量傳感器線纜損壞[9]。

在ISOS業務軟件中開啟雨量傳感器設備維護。準備好維修工具，進入觀測場查看雨量傳感器。檢查雨量傳感器外部及內部是否有雜物需要清理，選擇合適的清潔工具及時清除傳感器中的堵塞物[10，11]。

若雨量傳感器中沒有發現異物堵塞，且翻斗均能正常翻動，則檢查雨量傳感器干簧管是否正常。將萬用表檔位調整至蜂鳴檔，紅黑表筆分別接入雨量傳感器的兩個接線柱上，人工翻動記數翻斗，查看萬用表是否出現蜂鳴聲。若萬用表沒有反應，則說明干簧管已損壞，及時更換干簧管，更換完畢，再次使用萬用表測量干簧管是否正常。

雨量傳感器干簧管檢查后，若干簧管正常工作，則需要進一步檢查雨量傳感器線纜是否損壞。將雨量傳感器接線柱上連接的兩條線取下，再將連接在主采集器上的接線也取下來。用萬用表蜂鳴檔測量兩條線的連接情況，若萬用表沒有蜂鳴聲，則可判斷雨量傳感器線纜出現故障。掀開石板路，查看雨量傳感器線纜，發現線纜損壞，點擊更換線纜，雨量數據恢復正常。

3 結束語

相對于傳統的教學方法，利用虛擬現實技術開展培訓具有沉浸感、交互性和低風險的特點，能夠有效解決成人教育面授時間受限、場地建設成本高、學習興趣不夠濃厚的問題。虛擬現實技術在教育領域的應用豐富了教學手段，彌補了一些課堂教學的不足，使得教學過程變得生動活潑，有利于調動學生學習的積極性。

自動氣象站設備故障教學是地面觀測裝備保障教學的重要組成部分，由于自動氣象站設備故障是由很多種原因造成的，所以在開展教學中首先要將各種故障收集并分類，再將故障個例模擬再現，供學生練習。文章虛擬了接近真實情況的地面觀測場場景，設計了自動氣象站設備故障處理VR教學系統并實例應用。VR教學中以學生為主導，通過探索與思考，在虛擬環境中完成所有實習任務，簡化了教學流程，提高了培訓效率。VR實習教學操作方便靈活，步驟設置簡單，學習效率高，具有進一步推廣應用的價值。