風(fēng)廓線雷達(dá)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)研究

趙陽，荊國棟，趙永明，鄒立堯

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

風(fēng)廓線雷達(dá)是用于探測大氣風(fēng)場廓線數(shù)據(jù)的氣象雷達(dá)，它可以連續(xù)提供大氣水平風(fēng)場、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布和隨時(shí)間的變化，具有很高的時(shí)間和空間分辨力，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大氣探測、環(huán)境氣象以及災(zāi)害性雷暴天氣監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域。為了更好地服務(wù)天氣監(jiān)測預(yù)警，全球主要經(jīng)濟(jì)體和國家都已經(jīng)建設(shè)了風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)。我國風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)始于2008年，當(dāng)時(shí)一共布設(shè)了5部風(fēng)廓線雷達(dá)，截至2020年底，該網(wǎng)絡(luò)已布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)134部。

為有效提升高空氣象探測作業(yè)實(shí)訓(xùn)效率和質(zhì)量，本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和設(shè)備，構(gòu)建了一個(gè)風(fēng)廓線雷達(dá)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋了設(shè)備結(jié)構(gòu)、日常工作、維護(hù)保養(yǎng)、故障維修等知識(shí)要點(diǎn)，圍繞設(shè)備操作、天氣變化、故障設(shè)置、考核評(píng)測等問題，結(jié)合高空氣象探測作業(yè)實(shí)操培訓(xùn)的實(shí)際需求，提供了一個(gè)集仿真、培訓(xùn)、學(xué)習(xí)和考核為一體的解決方案，為提升作業(yè)效益奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

1.1 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)廓線雷達(dá)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)整體采用模塊化設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包含非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、雷達(dá)模型資源數(shù)據(jù)庫和用戶信息數(shù)據(jù)庫。這部分?jǐn)?shù)據(jù)通過MYSQL數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)通過FTP協(xié)議支持教學(xué)資源的上傳下載，通過Webservice服務(wù)支持后臺(tái)數(shù)據(jù)的讀寫等操作。

網(wǎng)頁前端及后臺(tái)管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，包括采用Web3D技術(shù)展示三維雷達(dá)模型效果。通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)展示各種教學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等信息。VR虛擬仿真操作采用Unity 3D為可視化三維模型和展示平臺(tái)的開發(fā)。Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的可創(chuàng)建諸如三維視頻、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合性游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)3D引擎。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在考慮到三維虛擬場景中的學(xué)員交互體驗(yàn)功能、輔助教學(xué)的引導(dǎo)功能、任務(wù)的動(dòng)態(tài)設(shè)置功能以及三個(gè)主要學(xué)習(xí)模式中各種功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)；還考慮到為教師提供任務(wù)設(shè)置功能，教師能夠根據(jù)考核要求設(shè)定任務(wù)。

1.2 三維模型建模

開發(fā)人員根據(jù)真實(shí)雷達(dá)素材，利用3DS MAX、Photoshop等軟件進(jìn)行雷達(dá)虛擬建模，其中包括最小可更換單元如TR組件、監(jiān)控面板等。風(fēng)廓線雷達(dá)三維模型建模的內(nèi)容包括：發(fā)射機(jī)、推動(dòng)級(jí)組件、接收分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用終端、配電分系統(tǒng)、測試儀器儀表等。

圖1 建模效果示意圖

1.3 教學(xué)功能設(shè)計(jì)

本文提出的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)堅(jiān)持教學(xué)設(shè)計(jì)先行，面向?qū)W員、教師、管理員設(shè)計(jì)了不同角色管理機(jī)制，并分別設(shè)計(jì)了三大核心模塊：虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)訓(xùn)、虛擬考核。

“虛擬教學(xué)”：在虛擬的三維環(huán)境中，通過各種輔助教學(xué)交互手段引導(dǎo)學(xué)員學(xué)習(xí)設(shè)備的基本操作方法、操作思路內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容方面，結(jié)合學(xué)員的真實(shí)需求，設(shè)計(jì)了包括風(fēng)廓線雷達(dá)的常規(guī)開關(guān)機(jī)等操作流程、故障排查操作、周期巡檢測試操作等主要內(nèi)容。

“虛擬實(shí)訓(xùn)”：構(gòu)建模擬風(fēng)廓線雷達(dá)的物理規(guī)則子系統(tǒng)、信號(hào)流程子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)操作流程子系統(tǒng)等。系統(tǒng)內(nèi)每處信號(hào)線觸電、電源線連接點(diǎn)均被仿真交互，可進(jìn)行故障排查修復(fù)。全部操作單元設(shè)計(jì)為單獨(dú)功能模塊，通過邏輯關(guān)系可以自由組合出多種虛擬交互操作；子系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)全部可被靈活配置，可在后臺(tái)靈活自由構(gòu)建仿真出真實(shí)故障實(shí)訓(xùn)點(diǎn)。

“虛擬考核”：學(xué)員被要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)通過虛擬場景、交互操作的形式，完成所有教師設(shè)定的實(shí)做考核內(nèi)容。系統(tǒng)能夠支持多人同時(shí)進(jìn)行虛擬操作考核，自動(dòng)記錄學(xué)員的操作并打分，同時(shí)可將考核過程及結(jié)果實(shí)時(shí)展示到教師端。

2 虛擬實(shí)訓(xùn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 沉浸式設(shè)備交互操作技術(shù)

為了得到更好的培訓(xùn)效果，針對沉浸式設(shè)備的特點(diǎn)，全新設(shè)計(jì)了一套不需要鼠標(biāo)和鍵盤的交互模塊，包含畫面及物件移動(dòng)、系統(tǒng)設(shè)置操作、任務(wù)操作、設(shè)備操作等基礎(chǔ)功能，要求做到兼容多種沉浸式輸入及輸出設(shè)備、操作簡單易上手、操作流暢，并實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作的用戶定制功能。

交互設(shè)備支持HTC Vive、Oculus Quest等VR顯示設(shè)備，以及操作手柄、操作手套等VR操作設(shè)備。利用大視角顯示和環(huán)繞立體聲音響技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)員的視覺、聽覺封閉，產(chǎn)生虛擬視覺。利用體感、觸控等人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對學(xué)員的頭、手、四肢、軀干等體感通道封閉，產(chǎn)生虛擬觸動(dòng)感。同時(shí)，系統(tǒng)還加入了語音識(shí)別技術(shù)，學(xué)員能夠通過語音下達(dá)操作命令，例如快速移動(dòng)、菜單設(shè)置、場景調(diào)節(jié)等功能。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和同步性滿足現(xiàn)場體驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)了在沉浸式環(huán)境下的風(fēng)廓線雷達(dá)虛擬教學(xué)。同時(shí)，本文提出的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，還提供了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔的虛擬學(xué)習(xí)課程。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)員可將風(fēng)廓線雷達(dá)學(xué)習(xí)課程擺放在教學(xué)房間的某一地點(diǎn)，該空間就會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)虛擬課程，學(xué)員可在這個(gè)空間圍繞著該課程進(jìn)行手勢操作來學(xué)習(xí)。

圖2 沉浸式學(xué)習(xí)示意圖

2.2 虛擬儀表仿真操作技術(shù)

風(fēng)廓線雷達(dá)的檢測標(biāo)定是雷達(dá)日常周期維護(hù)中的重要操作，因?yàn)樯婕暗蕉喾N專用儀器儀表的使用，例如萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等，也是傳統(tǒng)培訓(xùn)難度最大的知識(shí)點(diǎn)。虛擬儀器儀表的仿真，可以實(shí)現(xiàn)大部分檢測標(biāo)定的操作流程，學(xué)員通過VR體感設(shè)備可以快速了解儀器儀表的操作步驟。通過對真實(shí)雷達(dá)正常運(yùn)行和出現(xiàn)故障時(shí)的測量數(shù)值或波形的記錄，可在系統(tǒng)中虛擬顯示，模擬設(shè)備正常工作或故障復(fù)現(xiàn)的測量狀態(tài)，提高學(xué)習(xí)效果。

圖3 虛擬儀表的仿真操作

3 結(jié)語

本文提出了一種利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)的風(fēng)廓線雷達(dá)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全培訓(xùn)內(nèi)容和操作的三維仿真，為風(fēng)廓線雷達(dá)工作原理、基本操作、日常維護(hù)、故障排查、備件更換以及信息流/數(shù)據(jù)流等全部教學(xué)內(nèi)容提供了一體化的技術(shù)支撐，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)的不足，有效解決了風(fēng)廓線雷達(dá)培訓(xùn)的成本、安全和效果問題。隨著虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)步和地基風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)的進(jìn)一步加強(qiáng)布局，基于沉浸式的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將在氣象行業(yè)教育培訓(xùn)領(lǐng)域得到更加廣泛而又深入的應(yīng)用。