基于虛擬仿真技術的地面氣象觀測裝備微課件開發

摘要：為了提高地面氣象觀測業務人員對觀測設備維護和保障的能力，開發了基于虛擬仿真技術的地面氣象觀測裝備微課件。該微課件設計了Web和Android版本，使學員既可以在氣象遠程教育網上學習吸收后用于日常工作實踐中，又可以現場遇到問題時登陸手機APP現場查詢裝備故障解決辦法后解決實際工作難題。該課件完全按照《氣象遠程學習資源建設規范》制作開發的，其包含了8種業務觀測設備，建立了包含30多個維護保障素材庫，豐富了地面氣象觀測培訓資源，滿足了學習培訓需求。

關鍵字：地面氣象觀測；設備維護保障；虛擬仿真技術；微課件

1概述

《中國氣象局關于全國地面氣象觀測自動化改革正式業務運行的通知》[1]和全國地面氣象觀測自動化改革業務運行方案[2]中明確指出，采用技術先進的儀器設備，解決人工觀測項目的自動化問題，實現地面氣象觀測自動化。從2020年4月1日起，地面氣象觀測自動化正式業務運行。自動化改革強化了縣級氣象站地面觀測業務人員的儀器維護保障的能力要求。因此，氣象觀測業務人員在地面氣象觀測設備維護保障方面的需求日益強烈。但是，由于氣象教育培訓改革帶來的培訓面臨經費問題和長期存在的工學矛盾問題，使得面授培訓班的數量和授課時間被大幅壓縮，培訓需求得不到滿足。

虛擬仿真培訓方式既能讓學員身臨其境，又能突出操作性和注重實效性，具有理論與實際高度結合的特點，能幫助學員快速增加經驗累積。隨著計算機的快速發展，虛擬仿真教學被廣泛應用于職業技能培訓[3-5]。且統計調查發現，基于虛擬仿真技術開發高質量的氣象教育培訓視頻課件（以下簡稱微課件）能較大程度的幫助學習者掌握知識點，可以達到提升教學效果的作用[6-10]。基于此，本研究將虛擬仿真應用于地面氣象觀測設備保障與維護技能培訓中，設計了基于Unity3D等建模軟件的地面氣象觀測設備維護保障微課件。該微課件包含WEB版本和安卓（Android）版本，能夠使學員能夠在虛擬場景中自由學習，實現人機互動，不受時間場地的限制，為培訓單位開展培訓和業務人員的自我提升提供平臺，提升業務人員在儀器設備維護保障的能力。

2關鍵技術

2.1模型搭建與建圖

地面氣象觀測設備模型是整個虛擬仿真教學系統的基礎，仿真程度直接影響系統培訓實訓效果。在獲得許可后，研究團隊首先從安徽省氣象局網絡與觀測處獲得地面氣象觀m5fhcBvtjAm3y7wOOqZZEQ==測場規范化圖冊，然后于壽縣國家氣候觀象臺實地調研，測量實物參數，將圖冊中參數和實物進行參照分析，記錄觀測設備關注點。并且研究團隊向標準制定專家、設備的供應廠家和一線業務人員咨詢觀測設備的工作原理、設備結構、基本操作、日常維護、常見故障的判斷和排除等相關事宜，為后續工作積累原理資料。

采用3DSMax和PhotoShop實現觀測設備的三維建模。在Unity3D中，使用LightMap烘焙貼圖方式對模型進行渲染，以保證設備的真實性和展現設備的關鍵結構。采用Unity3D碰撞技術實現對觀測設備及內部零部件模型的推拽、縮放以及旋轉的虛擬仿真。微課件利用劃分層次結構和模型優化技術來實現模型的有效存儲和調度。圖1為業務使用的風向風速傳感器的模型示意圖，能夠準確展示風傳感器組成結構。Android版本增加了用AR人工智能技術識別地面氣象觀測設備實物的功能（如圖2所示），以方便業務人員工作現場使用。

2.2用戶界面友好

微視頻用于虛擬仿真教學，故而其界面布局必須清晰明了，簡單易懂，可操作性強。本系統采用了Unity3D方法在界面上按功能分類進行空間控制，力求信息傳達準備、避免視覺干擾[11]。Web版本通過HTML結合CSS（全稱為CascadingStyleSheets）完成整體頁面設計及鼠標操作事件，當遇到處理網頁交互操作時用Jquery（全稱為Javascript+Query）結合原生JS（全稱為JavaScript）完成用戶在使用頁面時的交互操作，頁面操作相關的內容制作完之后，用戶操作得到的數據通過AJAX（全稱為AsyncJavascriptAndXML）層層嚴格驗證從服務器中獲取并通過緩存技術在頁面中進行緩存以用于下一次加載，從而實現三分屏（見圖3）顯示。

左上方為各個觀測設備包含的操作內容，左下方是觀測場全貌（可通過點擊進行觀測設備選擇），右方為設備拆解（或故障排除等學習點）

3微課件的設計與實現

微課件完全按照《氣象遠程學習資源建設規范》[13]進行開發制作，以實現各類學習資源在氣象遠程教育培訓平臺上可共享的目標。系統設計了兩種版本（Web版本和Android版本），使學員既可以在氣象遠程教育網上學習吸收后用于日常工作實踐中，又可以現場遇到問題時登陸Android手機的APP現場查詢裝備故障解決辦法后解決實際工作難題。

3.1微課件內容的設計與實現

根據提高地面氣象觀測業務人員自動站簡單故障排查、傳感器更換和設備維護等能力的課件開發目的，微課件內容包含了觀測設備結構認知模塊和維護保障模塊，詳細的教學資源匯總見表1。

3.1.1觀測設備結構認知模塊

該模塊介紹了地面氣象觀測各個設備的工作原理、結構組成（即設備拆解）（見圖1）和信號傳輸（見圖4）。點擊“工作原理”，語音講解觀測設備將氣象要素信息與電信號之間轉換的原理，儀器設備工作環境和布設要求。點擊“設備拆解”按鈕實現設備的拆解，展示設備的構成部件（見圖1），語音講解構成部件的材質和功能。“信號傳輸”以基于虛擬仿真動畫和語音講解結合的方式呈現感應元件將氣象要素信息轉換為電信號后，電信號經電纜、采集器和光纖轉換模塊到業務軟件的整個過程。圖4展示了降水天氣現象儀從接收端和發射端獲得由天氣現象信息轉換的電信號（a）圖經線纜（b）圖到采集器（c）圖的過程。

3.1.2維護保障模塊

維護保障模塊包含地面氣象觀測設備日常維護和常見故障排除，日常維護詳細講解不同周期維護內容的注意事項。以光電式日照計為例（見圖5），每周檢查光筒玻璃罩的污染情況，及時清潔（注意清潔在日出或日落后進行）；每月檢查干燥劑、儀器安裝、障礙物情況，發現問題及時糾正[14]。

儀器故障內置了如業務軟件設置錯誤、供電故障、線纜故障、傳感器損壞和通信故障等（詳見表1）。故障排除模塊是按照建立故障分析場景，建立故障分析素材庫，設計故障分析流程和交互設置及控制的順序設計并實現的。用戶從圖3中左下角選擇設備和在圖3左上方選擇設備的故障類型后，圖3右方會呈現設備故障的場景并演示設備故障排除分析方法和操作步驟。微課件中講解觀測設備故障排除時，首先給出故障排除流程圖，詳細講解故障排除的思路，然后進入虛擬仿真的故障排除操作過程并一一講解操作的注意事項。微課件實現了將地面氣象觀測業務工作多年累積經驗轉換為優質課件訓練資源，虛實結合、鞏固知識，提高訓練效果。

3.2Web版本和Android版本設計與實現

3.2.1Web版本

采取了上下布局，在首頁采用微型場地構造模式（見圖3左下區域）。用戶可根據自身學習需求來點擊選擇微型觀測場上對應的設備（即將鼠標挪移到對應設備，則該設備會高亮顯示，鼠標左鍵點擊后便跳轉學習頁面）。系統以三分屏呈現方式（見圖3），內置的每個單元內容采用樹形知識列表的形式進行展示，用戶可以選擇要學習的內容（見表1）。圖3中右邊區域為主要學習區域，可動態加載實時三維展示所選設備的知識點課件。

3.2.2Android版本

該版本實現了兩種學習模式，一種是打開AR模式，使用手機拍攝觀測設備實物（整體畫面）（見圖2）（可識別的設備有：風向風速傳感器、主采集器、溫濕度傳感器、云高儀、能見度儀、降水現象儀、蒸發傳感器、翻斗式雨量傳感器、稱重式雨量傳感器、深層地溫傳感器、淺層地溫傳感器、輻射傳感器和光電式數字日照計）來智能識別該觀測設備類型，并調取后臺三維模型進行交互操作，用戶可以拖拽，縮放三維模型，并可以點擊進行互動操作；另一種是直接開啟學習模式，自主的選擇要學習的知識點（見表1）。

結語

基于虛擬仿真的地面氣象觀測設備維護保障微課件，設計了Web和Android版本，使學員既可以在中國氣象遠程教育網上學習吸收后用于日常工作實踐中，又可以現場遇到問題時登陸手機APP現場查詢裝備故障解決辦法后解決實際工作難題。該微視頻包含了8種業務觀測設備，建立了包含30多個維護保障素材庫，制作符合《氣象遠程學習資源建設規范》，豐富了地面氣象觀測培訓資源，滿足了學習培訓需求。

采用調查問詢的方式了解基層氣象觀測業務人員對“基于虛擬仿真的地面氣象觀測設備微視頻課件”試應用情況。調查顯示，“基于虛擬仿真的地面氣象觀測設備微視頻課件”適用于地面氣象觀測縣級業務人員的知識學習需求，教學內容滿意度較高，能激發學習興趣，提高業務人員在自動站簡單故障排查、傳感器更換和設備維護等能力。但是地面氣象觀測設備種類不夠齊全，故障類型不夠全面。在未來的研究中，能將搜集更多的故障類型，增添更多的設備，建立更完善的地面氣象觀測設備日常維護和故障排除素材庫，完善“基于虛擬仿真的地面氣象觀測設備微視頻課件”。

參考文獻：

[1]中國氣象局關于全國地面氣象觀測自動化改革正式業務運行的通知（中氣函〔2020〕42號）.

[2］全國地面氣象觀測自動化改革業務運行方案.

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作者簡介：王蒙（1989—），女，漢族，江蘇淮安人，研究生，工程師，主要從事氣象培訓工作。