風廓線雷達虛擬仿真實訓系統建設研究

趙陽，荊國棟，趙永明，鄒立堯

（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

風廓線雷達是用于探測大氣風場廓線數據的氣象雷達，它可以連續提供大氣水平風場、垂直氣流、大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度的分布和隨時間的變化，具有很高的時間和空間分辨力，已經被廣泛應用于大氣探測、環境氣象以及災害性雷暴天氣監測預警等領域。為了更好地服務天氣監測預警，全球主要經濟體和國家都已經建設了風廓線雷達觀測網。我國風廓線雷達網的建設始于2008年，當時一共布設了5部風廓線雷達，截至2020年底，該網絡已布設風廓線雷達134部。

為有效提升高空氣象探測作業實訓效率和質量，本文基于虛擬現實技術和設備，構建了一個風廓線雷達虛擬仿真實訓系統。該系統涵蓋了設備結構、日常工作、維護保養、故障維修等知識要點，圍繞設備操作、天氣變化、故障設置、考核評測等問題，結合高空氣象探測作業實操培訓的實際需求，提供了一個集仿真、培訓、學習和考核為一體的解決方案，為提升作業效益奠定了堅實基礎。

1 虛擬實訓系統結構和功能

1.1 虛擬實訓系統架構

風廓線雷達虛擬仿真實訓系統整體采用模塊化設計，其中數據庫設計包含非結構化數據、雷達模型資源數據庫和用戶信息數據庫。這部分數據通過MYSQL數據進行存儲，同時通過FTP協議支持教學資源的上傳下載，通過Webservice服務支持后臺數據的讀寫等操作。

網頁前端及后臺管理系統采用B/S架構，包括采用Web3D技術展示三維雷達模型效果。通過數據可視化技術展示各種教學統計數據等信息。VR虛擬仿真操作采用Unity 3D為可視化三維模型和展示平臺的開發。Unity 3D是由Unity Technologies開發的可創建諸如三維視頻、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合性游戲開發工具，是一個全面整合的專業3D引擎。系統設計在考慮到三維虛擬場景中的學員交互體驗功能、輔助教學的引導功能、任務的動態設置功能以及三個主要學習模式中各種功能的優化設計；還考慮到為教師提供任務設置功能，教師能夠根據考核要求設定任務。

1.2 三維模型建模

開發人員根據真實雷達素材，利用3DS MAX、Photoshop等軟件進行雷達虛擬建模，其中包括最小可更換單元如TR組件、監控面板等。風廓線雷達三維模型建模的內容包括：發射機、推動級組件、接收分系統、監控分系統、數據處理及應用終端、配電分系統、測試儀器儀表等。

圖1 建模效果示意圖

1.3 教學功能設計

本文提出的實訓平臺堅持教學設計先行，面向學員、教師、管理員設計了不同角色管理機制，并分別設計了三大核心模塊：虛擬教學、虛擬實訓、虛擬考核。

“虛擬教學”：在虛擬的三維環境中，通過各種輔助教學交互手段引導學員學習設備的基本操作方法、操作思路內容。在教學內容方面，結合學員的真實需求，設計了包括風廓線雷達的常規開關機等操作流程、故障排查操作、周期巡檢測試操作等主要內容。

“虛擬實訓”：構建模擬風廓線雷達的物理規則子系統、信號流程子系統、業務操作流程子系統等。系統內每處信號線觸電、電源線連接點均被仿真交互，可進行故障排查修復。全部操作單元設計為單獨功能模塊，通過邏輯關系可以自由組合出多種虛擬交互操作；子系統內參數全部可被靈活配置，可在后臺靈活自由構建仿真出真實故障實訓點。

“虛擬考核”：學員被要求在規定的時間內通過虛擬場景、交互操作的形式，完成所有教師設定的實做考核內容。系統能夠支持多人同時進行虛擬操作考核，自動記錄學員的操作并打分，同時可將考核過程及結果實時展示到教師端。

2 虛擬實訓關鍵技術

2.1 沉浸式設備交互操作技術

為了得到更好的培訓效果，針對沉浸式設備的特點，全新設計了一套不需要鼠標和鍵盤的交互模塊，包含畫面及物件移動、系統設置操作、任務操作、設備操作等基礎功能，要求做到兼容多種沉浸式輸入及輸出設備、操作簡單易上手、操作流暢，并實現不同動作的用戶定制功能。

交互設備支持HTC Vive、Oculus Quest等VR顯示設備，以及操作手柄、操作手套等VR操作設備。利用大視角顯示和環繞立體聲音響技術，實現了對學員的視覺、聽覺封閉，產生虛擬視覺。利用體感、觸控等人機交互技術，實現對學員的頭、手、四肢、軀干等體感通道封閉，產生虛擬觸動感。同時，系統還加入了語音識別技術，學員能夠通過語音下達操作命令，例如快速移動、菜單設置、場景調節等功能。系統的實時性和同步性滿足現場體驗要求，實現了在沉浸式環境下的風廓線雷達虛擬教學。同時，本文提出的虛擬實訓系統，還提供了基于增強現實頭盔的虛擬學習課程。在學習過程中，學員可將風廓線雷達學習課程擺放在教學房間的某一地點，該空間就會呈現一個虛擬課程，學員可在這個空間圍繞著該課程進行手勢操作來學習。

圖2 沉浸式學習示意圖

2.2 虛擬儀表仿真操作技術

風廓線雷達的檢測標定是雷達日常周期維護中的重要操作，因為涉及到多種專用儀器儀表的使用，例如萬用表、示波器、信號發生器等，也是傳統培訓難度最大的知識點。虛擬儀器儀表的仿真，可以實現大部分檢測標定的操作流程，學員通過VR體感設備可以快速了解儀器儀表的操作步驟。通過對真實雷達正常運行和出現故障時的測量數值或波形的記錄，可在系統中虛擬顯示，模擬設備正常工作或故障復現的測量狀態，提高學習效果。

圖3 虛擬儀表的仿真操作

3 結語

本文提出了一種利用虛擬現實技術研發的風廓線雷達虛擬仿真實訓系統，實現了全培訓內容和操作的三維仿真，為風廓線雷達工作原理、基本操作、日常維護、故障排查、備件更換以及信息流/數據流等全部教學內容提供了一體化的技術支撐，彌補了傳統網絡培訓的不足，有效解決了風廓線雷達培訓的成本、安全和效果問題。隨著虛擬仿真技術的進步和地基風廓線雷達觀測網的進一步加強布局，基于沉浸式的虛擬實訓系統將在氣象行業教育培訓領域得到更加廣泛而又深入的應用。