氣象觀測業務的遠程開放教育研究

王新舒 李興華 齊麗君 藺汝罡 林弘杰 吳昊

【摘要】? ? 著眼于內蒙古自治區狹長的地域特性，內蒙古境內高空層氣象觀測設備布設位置東西跨度很大、業務實際情況、業務人員素質、業務培訓及遠程培訓的現狀，探討開展新形式遠程培訓的必要性及迫切性。構想培訓課程模塊，展望利用遠程視頻授課、“天氣雷達定標控制器”及虛擬現實技術驅動遠程氣象觀測業務培訓，推進“自主學習、虛擬實訓、虛擬考核”，無經驗業務人員實現自主學習、業務開展預學習，有經驗業務人員自由學習、工作中鞏固復習等多種方式的氣象裝備保障理論與實踐培訓新模式。立足于提升盟（市）及高空層站一線業務人員對高空層氣象觀測設備的保障維修能力，從而提升維修時效性，并通過業務人員在培訓后實際工作中表現評估培訓效果以不斷優化氣象遠程開放教育模式。

【關鍵詞】? ? 氣象遠程開發教育? ?虛擬現實技術? ? 觀測業務? ? 高空層氣象觀測? ? 裝備保障

Research on distance education of meteorological observation

——Taking the Observation Service of High Altitude in Inner Mongolia Autonomous Region as an Example

Abstract： Focusing on the long and narrow geographical characteristics of the Inner Mongolia Autonomous Region， the location of high-altitude meteorological observation equipment in Inner Mongolia has a large east-west span， actual business conditions， business training and remote training status， and explore the necessity and urgency of developing new forms of remote training. Looking forward to using virtual reality technology to drive remote training to achieve “self-learning， virtual training， virtual assessment”， new personnel engaged in this business can realize self-directed learning， pre-learning for business development， and experienced business personnel can learn freely and consolidate review at work， etc. A new model of weather equipment support training in multiple ways. Based on improving the ability of the first-line business personnel of the league （city） and high-altitude stations to guarantee the high-altitude observation equipment， thereby improving the timeliness of maintenance.

Keywords： Distance education， Virtual reality technology， Observation business， High-altitude observation， Equipment support

引言

內蒙古自治區地域遼闊，呈狹長形，東西長約2400公里，南北最大跨度1700多公里。本文結合由10個天氣雷達站和12個探空雷達站組成的高空層觀測站（后文簡稱：觀測站），觀測站地處偏遠且各站之間相距甚遠。高空層氣象觀測設備的良好運行狀態是確保高空層氣象觀測業務有序開展最根本保障。全區高空層氣象觀測設備維護的業務工作所需的人力和物力比較巨大，但目前內蒙古自治區級從事高空層氣象觀測設備維護的人員僅有6人，當2個及以上高空層氣象觀測站需要緊急維修情況人員無法兼顧，且地處偏遠交通不便無法保證維修時效，而部分高空層觀測站業務人員存在流動較大的情況，省級技術保障部門雖嘗試開展“以工代培”方式提高盟（市）及雷達站保障人員的業務保障能力，但成本較為高昂，故常規性開展高空層氣象觀測設備遠程培訓加強盟（市）及雷達站業務人員的保障能力尤為重要。面對全球新冠疫情的形勢下，形式多樣的高空層氣象觀測遠程培訓對于提高盟（市）及雷達站人員的保障能力的重要作用日益凸顯。

一、高空層氣象觀測業務及培訓現狀

高空層氣象觀測系統具體情況為天氣雷達站網和GFE（L）—1型二次測風雷達站網（又稱高空氣象觀測站）。

1.1天氣雷達站

天氣雷達站為探測大氣中氣象要素，以及云、降水、風等天氣現象而布設的氣象雷達和滿足設備運行環境要求的設施及其空間構成的總稱。

天氣雷達以其高時空分辨率、及時準確的遙感探測能力成為災害性天氣，特別是中小尺度災害性天氣監測預警等方面極為有效的工具?？商岣邔Ρ┯?、冰雹、雷暴、颮線、中尺度氣旋、湍流、龍卷風等災害性天氣的監測、預警，提高預報時效;通過雷達監測提供實時大氣監測信息，為開展人工影響天氣作業、充分利用和開發空中云水資源，為抗旱、防雹和改善生態環境等科學決策提供依據。

天氣雷達的技術發展：最初的天氣雷達、新一代多普勒天氣雷達（10個）、雙偏振雷達、相控陣技術雷達。本章節中以新一代天氣雷達站為案例分析，圖1為內蒙自治區新一代天氣雷達站系統分布情況，圖2為全國新一代天氣雷達站拼圖，對比圖1和圖2可以看出內蒙古自治區境內雷達站相較于其他省份雷達分布地域跨度更大。內蒙古自治區境內的天氣雷達以CINRAD/CB及CINRAD/CD型號為主。

1.2高空氣象觀測站 （12個）

高空氣象觀測站利用氣象氣球或由氣象氣球攜帶的探空儀等儀器對自由大氣進行觀測，并利用地面設備跟蹤、接收和處理高空氣象要素的氣象觀測站。全區共建有高空氣象觀測站12個。其中，海拉爾和二連浩特是GCOS（全球氣候觀測系統）探空站。由圖3高空氣象觀測站網分布可看出各站間地域跨度之大。

1.3高空氣象觀測業務調研

高空層觀測業務作為氣象觀測一項重要基礎性的業務，以往觀測站技術保障人員更多的依靠省級部門技術人員在業務巡檢及“以工代培”過程中傳授相關的理論、經驗。

雷達站調研結果表明：在實際業務中，高空觀測業務人員實際工作經驗豐富，依靠經驗豐富的同事“傳幫帶”以及省級技術保障部門“以工代培”的模式熟悉業務內容及流程。盟（市）和基層雷達站業務人員獲取崗位技能的渠道狹隘以及培訓不足，經驗豐富的業務人員年齡老化嚴重、偏遠地區新進人員不足及有經驗業務人員流失可能導致業務斷層的情況，大部分基層業務人員專業素質較差，不具備系統性高空氣象探測理論基礎及業務規范知識儲備、操作流程不規范、不完全掌握數據處理方法和質量控制、常見故障自行判斷不準確并且處理故障較困難等情況，以上情況的長期存在會導致高空氣象觀測設備使用效益較差、業務傳承不規范及完整性較差而引起的安全生產等問題，不明白觀測數據誤差的來源及資料信息的應用，需要通過周期性崗位培訓等途徑充實業務知識、提高崗位技能、提升綜合素質，以便達到氣象雷達應用效益最大化。

裝備保障維修和故障排除是在氣象雷達裝備保障中的最關鍵環節，目前內蒙古對于新一代天氣雷達及GFE（L）—1型二次測風雷達裝備保障維修和故障排除的主要方案，其一是依托內蒙古境內運行監控業務系統實時對雷達的狀態進行監控，出現故障時通過企業公眾號按照故障等級情況分級通知相應技術保障人員，臺站人員無法判斷故障點而向省級技術保障人員進行詢問在省級技術人員遠程指導下修復，若遠程指導無法修復則省級技術人員前往現場修復?，F場維修所需的時間則會根據高空層站的地理位置不同而有長短差異，對于維修時效性有一定的影響。方案一無法修復雷達正常運行情況下，采取方案二。方案二是依托雷達生產廠家技術人員遠程指導或現場維修，雷達廠家技術人員負責全國境內雷達的保障維修，無法保障內蒙古自治區境內雷達維修的時效性。

如何實現故障的快速精準診斷和維修對于觀測業務有序高效開展至關重要。目前內蒙古對高空氣象觀測業務培訓的主要方法，其一是制定維修操作手冊供使用人員查閱參考，這種方法存在資料查詢不方便、無法提供實施聯動式幫助、延誤維修時間等缺陷;而采用實際裝備進行維修操作訓練又容易對裝備帶來不必要的損耗，且難以覆蓋某些精密、貴重儀器設備的維修[10]。其二是在巡檢過程中“以工代培”的方式。

高空層氣象觀測設備價格高昂、操作流程繁瑣、規范精準操作要求較高。對于長期從事該項業務但無完整正確認知的業務人員、西部地區基層臺站人員、新進業務人員，遠程培訓是解決構建業務人員理論體系及業務規范的缺乏系統性問題最有效手段，并減小培訓條件及資金限制等問題的一種新型途徑，有著不受時間、空間的限制，時效快、受訓面廣、效益高等優勢。目前實現操作能力的遠程培訓方式需不斷探索及創新，前沿科技的發展為推動新型遠程培訓模式提供了技術支撐，以提高工作效率和高空層氣象觀測設備的應用效益。

二、高空層氣象觀測遠程培訓的現狀及影響

2.1遠程培訓建設依據

根據《氣象遠程學習資源建設規范》指導思想中指出：氣象遠程教育是氣象部門全員在職培訓學習的重要途徑，承擔著為氣象事業的發展培養人才、提高素質、更新知識、推廣技術的重大責任。氣象遠程學習資源的開發與建設是氣象遠程教育培訓中的一項基礎性、長期性工作。在中國氣象局實施氣象“人才強局”戰略中，國家級和省級氣象培訓中心作為最重要的氣象人才成長的搖籃地位是不可動搖的，且擁有獨特地位。首先，遠程教育方式實現教育資源的共享、豐富教學資源、提高培訓效率;其次，發展遠程教育有利于加快行業技術成果的推廣速度，縮短新技術應用周期;最后，遠程教育可為面授培訓打牢基礎，提高面授培訓的質量和效益。

中國氣象局“健全教育培訓體系——改革思路”，按集約化原則，集中人力、物力、財力，重點建設國家級和少而精的區域級培訓基地;按開放式要求，建立部門培訓基地與國內外教育資源有機結合的新型培訓體系，滿足氣象事業發展對人才的需求，完善教育培訓制度;按照全員培訓和全程培訓的要求，實施大規模在職培訓，每5年輪訓一次全國業務技術和業務管理人員。加強與多軌道研究型業務及現代化建設相適應的新知識、新技術培訓，加強自動化觀測、新一代天氣雷達等培訓工作。

遠程教育在現有形式上還需依靠科技開拓遠程培訓形式，并充分探索培訓前沿領域、引領培訓方向、完善培訓需求、細化遠程內容。

2.2高空氣象觀測業務遠程培訓

《常規高空氣象觀測業務規范》對高空氣象探測技術人員崗位明確要求：必須具備良好的職業道德，掌握常規高空氣象探測所需的基礎理論和方法，熟練掌握實際業務運行的高空氣象探測系統裝備的基本工作原理、操作、檢測、維修、校準方法，必須持有中國氣象局考核頒發的高空氣象探測崗位證書。同時要求對探測資料進行質量控制，要按照設備技術手冊的要求安裝、維護、定期檢定探測設備，確保探測質量;做好探測人員的技術培訓工作;嚴格執行業務規章制度和質量考核辦法。新進人員有進行上崗培訓的需求。地面高空觀測業務一體化轉崗人員也有進行業務培訓的需求。

內蒙古自治區氣象干部培訓中心遠程培訓科于2018年、2020年舉辦“內蒙古高空層氣象觀測遠程培訓班”及“高空氣象觀測遠程在線考試”，覆蓋了省級部門相關業務領導及技術人員、全區各盟（市）及高空層站相關業務人員。通過遠程培訓學習平臺，相關業務人員系統性地了解高空層氣象觀測現狀及發展趨勢、掌握地球大氣基本特征、高空層氣象觀測主要和附屬設備、高空層氣象觀測數據處理方法、高空層氣象觀測使用軟件、高空層氣象觀測新技術、高空層氣象觀測業務規范和管理制度等。依據所有參加課程人員的最終學習情況，統計得出該門課程完成率達到90%，考試通過率分別為43.42%（2018年）、35.6%（2020年），說明了該項業務對于遠程培訓理論與實踐的周期性培訓必要性及迫切需求。目前基于該業務的遠程培訓形式較為單一，即通過視頻錄播課程使學員整體認知該項業務原理及流程，通過課程完成率及考試通過率來看，課程培訓效果不佳。遠程培訓課程采用中國氣象局干部培訓學院統一“高空氣象觀測”課程，該課程所可作為該項業務的新進業務人員崗前培訓內容之一。

近年來省級部門并未開展新一代天氣雷達理論相關遠程培訓，僅由省級探測中心選派部門新進人員到廠家培訓。

三、高空層氣象觀測遠程培訓展望及對業務影響

3.1遠程培訓模塊構想

針對高空氣象觀測崗位實際需求，構建滿足高空氣象觀測崗位需求的培訓課程體系以提升崗位能力。為滿足不同層次的培訓需求、滿足不同型號雷達業務需求，促進高空氣象觀測業務的有序健康發展，可從以下幾個方面創建遠程培訓模式：

一、崗前培訓班。對具備氣象基礎知識專業本科及以上的新進人員及5年以下工作經驗無上崗資質的人員開展培訓。針對高空氣象觀測業務：設置高空氣象探測基礎與業務規范、高空氣象探測系統及實訓、高空氣象探測設備維護維修三大模塊。具體包括高空氣象探測基礎、業務規范流程、制氫與充灌氣球、維護與維修等方面加強理論知識技能，著重于理論基礎的培訓;并重高空氣象探測系統軟件仿真、充放球及瞬間觀測、應急接收系統、L波段雷達、光學測風經緯儀系統等方面的操作實訓;針對新一代天氣雷達業務，電子與微波基礎、雷達系統原理及測量實驗設備使用、天氣雷達定標業務規范、天氣雷達維護維修等模塊。主要從電子微波基基礎理論概念、雷達系統原理、測量設備（信號發生器、頻譜分析儀、功率計、示波器）簡易原理及測試步驟、業務規范、維護維修（常出現故障備件等）等方面夯實基礎理論，并開設相關軟件測量原理及操作步驟培訓。

二、業務技能提高班。高空氣象觀測業務，主要針對綜合保障崗的人員進行培訓，開設高空氣象探測基礎、高空氣象探測系統、高空氣象探測設備維護維修三大模塊。主要從新型高空氣象探測系統、疑難記錄的處理、無線電基礎、儀器設備維護與維修等方面加強理論知識技能;著重于特殊記錄的處理、高空氣象觀測系統的日常維護、儀器設備常見故障維修及應急處理等方面的操作實訓;新一代天氣雷達主要面向天氣雷達實際業務維護機務員進行培訓，開設天氣雷達原理及系統、天氣雷達維護維修、多普勒雷達圖識別基礎。主要從多普勒天氣雷達原理、新一代天氣雷達定標技術等方面加強業務流程梳理，著重于天氣雷達定標維護操作、測量儀器設備使用、常見故障維修及應急處理等操作實訓。

三、利用由內蒙古自治區大氣探測技術保障中心已研制“天氣雷達遠程定標控制器”開展新一代天氣雷達業務流程培訓，該設備可以實現中國氣象局天氣雷達測量及定標要求的機內測量與定標、機外測量與定標、靜態參數監測、歷史曲線查詢、部分測試定標數據智能計算輸出、系統定標報表輸出并滿足中國氣象局測試報表格式要求。實現雷達遠程控制是提高保障時效性至關重要的方法，并提供了發現雷達故障隱患的一種途徑，是一種新穎和實用的定標控制系統。研制GFE（L）—1型二次測風雷達遠程維修標定的設備。

四、展望虛擬現實、VR＼MR等先進的技術手段，在條件允許情況下建立仿真實訓、裝備維修訓練等系統作為培訓的輔助手段，在操作流程復雜或容易發生危險的項目操作前，事先進行虛擬訓練可以大幅降低保障及維修風險，提高業務人員保障技能。虛擬現實技術培訓突破了設備保障維修在時間、空間上的制約，可逼真展現設備，通過仿真操作過程，還能為規劃維修任務、配置保障人員、選擇修理工具、確定拆裝順序、預留維修空間和預計保障費用等提供輔助決策[8]。

豐富氣象遠程培訓模式是前提，培訓教材、精品網絡課程、輔助培訓系統建設是最重要的展現手段。培訓教材的建設，內容需準確性、完整性、針對性、實用性、先進性、擴展性，基于一線業務人員使用方便、查找快捷、實際業務匹配，大范圍基層業務培訓使用。精品網絡課程的構建需更緊密結合內蒙古自治區雷達裝備型號、故障頻發點、業務人員雷達知識及業務流程盲點等針對性內容。輔助培訓系統的研制應充分考慮到本區域內特色。

在課程模塊設置及課程資源建設過程中，應充分考慮影響培訓效果的因素，并建立精準的培訓評估體系，為不斷優化培訓課程模塊及培訓資源提供有力依據。

遠程培訓理論課程因其不受空間、時間的限制，為促進高空氣象觀測業務的發展，根據情況對業務人員周期性理論基礎培訓，夯實理論基礎以促進業務人員在保障維修過程中熟練度及解決雷達故障綜合能力。

3.2天氣雷達遠程定標控制器助力天氣雷達遠程業務培訓

天氣雷達遠程定標控制器由軟件系統及硬件系統組成。可實現雷達遠程機內測量與定標、機外測量與定標、靜態參數監測、歷史曲線查詢、部分測試定標數據智能計算輸出、系統定標報表輸出并滿足中國氣象局測試報表格式要求。通過雷達站RDA計算機的網絡系統傳輸到遠程定標計算機，提供必要的測量與定標數據。遠程定標計算機調取數據、圖像生成所需數據監測實況、歷史數據曲線、定標報表等。實現雷達遠程控制是提高保障時效性至關重要的方法，并提供了發現雷達故障隱患的一種途徑，是一種新穎和實用的定標控制系統。

軟件界面中菜單包含系統管理、機外參數標定、機外標定控制、儀器軟面板和遠程桌面，有測試指標的詳細測試流程圖;當開始測試后，在執行測試流程時業務人員可按信息提示進行測量流程操作;并有測量使用的相關儀器儀表設置步驟，業務人員不僅可以熟悉業務流程同時可進行相關指標測量及定標的操作，可有效避免業務人員因遺忘而引起機內與機外的測量和定標項目不完整的情況，該設備可作為培訓此項業務的重要手段之一。

3.3虛擬現實技術驅動遠程培訓

隨著前沿科技的發展，虛擬現實技術在各行各業中廣泛應用。虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種高端人機接口，通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等多種感覺通道進行實時模擬和實時交互，通過創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統技術。人可以感受到虛擬環境中的對象，虛擬環境也可以感受到人堆它的各種操作，能夠使人與虛擬環境之間進行多維信息的交互，VR可以使人從定性和定量綜合集成的虛擬環境中獲得對客觀世界、客觀事物的感性及理性認識，進而對某些概念進行深化。虛擬現實技術能夠創建于現實社會類似的環境，更容易解決學習媒體的情景化及自然交互性的要求，從而彌補多媒體技術的不足。虛擬現實技術通過情景化學習、協作學習、模擬實訓、遠程教育等多種手段，有效地營造一個跟隨技術發展的教學環境，提高學員掌握知識、技能的效率，優化教學過程、提高教學質量、調動學員的學習積極性、突破教學重點、難點的作用。訓練演練類虛擬現實系統可以應用與難以獲得操作對象或實操成本極高的領域。隨著技術的發展，MR技術實現數字虛擬對象與現實世界對象共存的可視化環境，并能夠使用戶在對現實世界正常感知的基礎上構建虛擬與現實世界的交互反饋回路，達到虛擬世界與現實世界及時與深度的互動。

3.4混合現實技術（MR）在高空層氣象觀測業務中未來應用

利用混合現實技術（MR=VR+AR=虛擬世界+數字化信息+真實世界），結合本區域境內高空氣象觀測設備型號（GFE（L）—1型二次測風雷達及水電解制氫設備;CINRAD/CB、CINRAD/CD型天氣雷達;測試雷達所需的儀器儀表）開發有針對性的虛擬仿真實訓系統，獲取實際天氣雷達及GFE（L）—1型二次測風雷達站的三維數據，并建立相應臺站的虛擬環境模型以打造逼真的臺站環境，虛實融合、深度互動、異時空場景共存等特點，可將位置不同的學習者的虛擬影像耦合連接在同一個在線虛擬的環境中。以實現高空層氣象裝備的業務流程操作、安裝拆卸、維修維護、故障案例庫、操作實訓考核等教學內容提供了一體化的技術支撐，并可檢驗高空層氣象觀測遠程理論培訓班的培訓效果，增強技術人員實踐能力。以達到自由學習、虛擬實訓、虛擬考核，滿足不同類型業務人員需求。新從事該業務的人員實現自主學習、業務開展預學習、虛擬考核，有經驗的業務人員自由學習、工作中鞏固復習等多種方式的氣象裝備保障培訓新模式，偏遠地區基層臺站人員及時準確地獲取新技術和培訓。

氣象裝備保障新培訓模式不僅避免在實操培訓中對于實際業務運行的高空層氣象觀測設備損壞的潛在危險，推廣便捷、培訓效率有所提高并長遠來看降低了培訓成本，對于解決高空層氣象觀測裝備等儀器裝備實操培訓有著積極的推動作用。

3.5高空層氣象觀測遠程培訓對該業務促進

高空層氣象觀測業務作為一項基礎性業務，長期性、周期性的遠程培訓必不可少，以解決現場實操培訓的局限性。通過不斷培養高空層站業務人員自主遠程學習及虛擬實訓，加強基礎理論學習、業務流程、業務規范和管理制度學習，并結合虛擬實訓提升高空層站業務人員實操能力。建立實時培訓評價體系，科學合理的評估遠程培訓對參與培訓業務人員在實際工作中業務能力提升維度（提升高空層站業務人員對于高空層氣象觀測設備保障能力、縮短故障診斷及維修時間、在一定程度上提升維護維修的時效性），不斷優化高空層氣象觀測業務遠程培訓體系。

四、總結

目前全球疫情肆虐，遠程培訓的重要性日益凸顯，網絡技術及虛擬現實技術的深度發展、普及對于促進遠程培訓方面起著至關重要的技術推動作用。氣象遠程培訓現狀發展雖有一定規模，但仍需緊跟科技手段更新而相應推陳出新，以更加有力的方式促進業務發展、業務人員理論及技能提升。高空氣象層觀測業務是氣象觀測業務的最重要組成部分，是實現“監測精密、預報精準、服務精細”的最重要的第一步。將遠程培訓與高空氣象觀測業務的有機結合，助力推進氣象現代化建設、提升信息化水平，為提高氣象服務經濟社會高質量發展的能力和效益做出一定的貢獻。

參? 考? 文? 獻

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