虚拟现实技术在声学多普勒流速剖面仪保障业务中的应用初探

尹锡帆,黎鑫,乔正明,任浩宇,李纵横

(1.国家海洋技术中心漳州基地 厦门 361000;2.国防科技大学气象海洋学院 南京 211101)

0 引言

作为人类突破自身局限的重要尝试之一,虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术已被广泛应用于社会发展各领域,从而改变现代人类生活。在民用领域,VR 产品被应用于游戏、医疗、教育、旅游、科研和电子商务等行业[1-2],预计至2020年我国VR 产品的市场规模接近600 亿元[3]。在军用领域,VR技术可仿真模拟特定情景,让士兵仿佛身临其境,对于训练其在实战中以及其他危险和紧急情况下的快速反应能力发挥至关重要的作用;与传统训练方法相比,运用VR 技术的训练方法成本更低、效率更高且可避免人员伤亡[4]。此外,VR 技术在气象领域的培训、宣传和科普等工作中也有大量应用[5]。

海洋在我国社会经济发展中具有显著的地位,是我国对外开放的主要窗口。近年来国家对海洋开发利用越来越重视,为更快和更好地保障海洋开发利用,我国启动多个国家重大科研项目对海洋环境开展全面的探测和研究。海流是海洋环境要素之一,对全球气候、船舶航行、海洋渔业和生态环境等具有重要影响,是近年来我国海洋环境探测和研究工作的重中之重。根据测流原理,测流设备可分为声学式、机械式、压力式和电磁式等类型[6]。其中,声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是目前测流设备中的先进代表,其专门用于河流、水渠或狭窄海峡的测流工作,与传统测流设备相比性能更稳定、数据更可靠且适用范围更广[7],是快速和有效的测流设备[8]。

随着ADCP在国防建设、科学研究、环境保护和海洋开发等领域的大范围应用[6],逐渐出现技术人员操作能力不足和国内外检定能力有限等问题[9]。由于ADCP 构造精密、造价较高和检定较难[10],不适宜利用实物进行操作和练习。本研究阐述VR 技术的基本概念,梳理我国ADCP的应用现状和现实困难,并详细讨论VR 技术在ADCP保障业务中的潜在应用和价值。

1 VR 技术及其系统组成和显示方案

VR技术是通过计算机模拟程序产生三维空间的多媒体综合信息应用技术,具有交互性、沉浸性和构想性3个典型特征[11];其借助声、光和电等介质,通过向用户提供感官模拟,使其产生身临其境之感。 高级的 VR 技术被称为增强现实(Augmented Reality,AR)技术,其通过计算机模拟场景和大数据模型处理,在原有的三维空间中呈现多维空间(表1)。

表1 VR 技术和AR 技术的主要特点

参考已有研究成果[12-13],VR 系统主要由图形生成系统、投影显示系统、中控系统、辅助系统、训练系统和应用软件系统6个部分组成(图1)。

图1 VR 系统组成

(1)图形生成系统利用相应的应用软件系统,实现科学计算、图像生成、建模和视景渲染等功能,并实时处理用户与虚拟现实环境的交互。

(2)投影显示系统主要包括投影机和屏幕,将图形生成系统生成的视景投影到屏幕上,产生具有沉浸感的虚拟现实环境。

(3)中控系统主要包括视频控制系统和信号切换矩阵,前者负责控制投影机和视频系统等的开机、关机和信号切换等工作,后者主要通过各路信号的实时切换进行投影显示。

(4)辅助系统主要包括音响和UPS电源,前者为用户提供具有沉浸感的听觉环境,后者为系统提供非正常断电保护。

(5)训练系统利用计算机技术和头盔显示技术生成逼真的虚拟训练环境,使用户产生身临其境的感觉。

(6)应用软件系统包括视景仿真和多窗口处理等各种虚拟现实软件。

VR技术有2种显示方案：①实拍显示,即利用现实世界的已有场景,将实拍内容呈现在VR 设备上;②建模显示,即利用计算机仿真技术搭建3D场景,通过即时渲染的引擎,将每帧动画实时渲染出来(表2)。

表2 VR 技术的显示方案

2 ADCP及其应用难点

2.1 ADCP的工作原理

ADCP于20世纪70年代末面世,具备测量精度高、快速、高效、省时和省力等特点,已逐渐成为目前最重要的测流设备之一,也是唯一的测弱流设备。ADCP的工作原理如图2所示。

图2 ADCP的工作原理

ADCP换能器发射某固定频率的声波并被水中颗粒物反射,水听器接收后会产生多普勒频移[14],根据多普勒原理可计算水沿声波方向移动的速度,计算公式为：

式中：v为水沿声波方向移动的速度;F d为多普勒频移的频率;c为声波在水中的传播速度;F s为发射声波的频率。

将此速度减除船速,可得水流相对于地球坐标系的绝对速度,计算公式为：

式中：v L为水流相对于地球坐标系的绝对速度;v s为船速。

2.2 计量检定难点

根据《中华人民共和国水文条例》,水文监测所使用的计量器具应当依法经检定合格[15]。国家相关计检标准也对各类监测设备提出周期检定、检测和校准的要求,以保证设备实际使用的有效性以及观测要素数据的准确性和可信度。

ADCP对流向和流速的监测检定一般在湖泊、海域和室内水池进行,根据试验场地的不同,可分为自身航行试验、同步比测试验和水槽拖车试验3种检定方法[16]。其中,湖上试验存在选址难、可检频率有限和深层流速监测难以保证等问题,海上试验存在成本高、周期长、比测标准仪器难以选择和受环境影响较大等问题,室内试验存在对水池等设施要求高以及设施建设和维护成本高等问题[17]。

以300 k Hz以下ADCP的计量检定业务为例,具备检定能力的试验水池长度动辄百米,建设经费达亿元。参考美国RDI公司的ADCP检定方案,按第二类生产工时(检定年时基数为1 800 h)估算,当水池长度分别为100 m、200 m、300 m 和400 m 时,对应的ADCP年检定能力分别为42套、102套、136套和161套。在当前我国ADCP已超5 000套的情况下,1个试验水池在年工作时间内的检定能力极为有限,然而不计算设备折旧损耗或耗费巨资建设水池的做法又极不科学,因此亟须采取新的手段开展ADCP计量检定业务。

2.3 使用维护难点

我国有超过5 000套ADCP应用于各水文区域的测流工作,近年来自然资源部第三海洋研究所年均新增ADCP 超过1 000 套。由于ADCP 存在种类繁多、价值较高和传感器易损坏等特点,技术人员难以利用实物开展使用维护等实操培训,且常出现因操作熟练度较低导致设备故障以及因不了解设备结构而检修失误导致二次破坏等情况。

以美国RDI公司的第三代ADCP 产品“瑞江”为例,其性能较前代产品有较大提升,但在使用过程中存在诸多注意事项,例如：轻拿轻放,避免震坏换能器和内部元件;换能器不能下压硬物和受阳光长期照射,使用完须清洗表面;换能器连接线上应涂抹硅胶以防水防沙。此外,在实际检定过程中,“瑞江”的测量精度受船速影响,即船速越慢,测量精度越高。

3 ADCP仿真保障系统

ADCP保障业务包括计量检定、使用维护和设计制造等,涵盖设备研制、生产、应用、检定、维护和改进的全过程,利用VR 技术建设的ADCP仿真保障系统可实现全过程参与(图3)。

图3 VR 技术参与ADCP保障业务的全过程

3.1 概念模型和主要功能

ADCP 仿真保障系统(Simulate Equipment Supporting System,SESS)是采用先进的系统分析和计算机仿真手段,对各型ADCP 的计量检定、使用维护、设计制造和其他保障需求的全过程进行真实再现的模拟平台;利用仿真模拟器对ADCP研发、试验和教学等主要环节进行模拟,使技术人员在模拟作业时拥有与真实作业环境相似的感觉,最终达到利用模拟作业替代真实作业的目的。

SESS由仿真试验训练中心系统和多个仿真试验训练子系统组成：①仿真试验训练中心系统主要以VR 技术为依托,对技术人员进行计量检定和使用维护等操作训练;②仿真试验训练子系统主要以搭建的虚拟工作环境为依托,通过在训练过程中不断向技术人员进行程序提示,实现设备检定过程的计量比测、操作过程的程序训练和研发过程的试验验证等功能(图4)。

图4 SESS的概念模型

SESS主要具有5项功能：①设备模拟,即仿真模拟各型ADCP的三维结构,从而进行设备操作技能和方法的模拟训练;②情景设置,即预设并模拟设备在各类情况下的工作现象,从而进行故障判断和排除的模拟训练;③教学评判,即自动评判技术人员的训练成绩,并详细列出操作过程中存在的问题;④检定试验,即实现原理构造的同步模拟显示,通过输入待检ADCP 的各项状态参数和系统分析结果,在仿真试验场开展仿真检定试验,从而完成ADCP计量检定任务;⑤科研验证,即在仿真试验场对ADCP新技术进行验证,从而缩短研发周期和加快研发进度。

3.2 仿真实验案例

在ADCP的实际应用中,旁瓣会使换能器的声能扩散和衰减增多,影响测流效果。因此,本研究开展ADCP吸声罩的仿真实验,利用有限元仿真数值模拟算法,研究吸声罩的材料长度、收口形状和吸声性能对ADCP 旁瓣的影响,仿真实验流程如图5所示。

图5 ADCP换能器的仿真实验流程

仿真实验结果表明,吸声罩的材料长度在一定区间内对旁瓣具有较好的吸收作用,收口形状对指向性影响较大,而吸声性能越好越能抑制旁瓣。该仿真实验共进行11组吸声罩比对,在不须大量斥资购买实物实验品的情况下,可获得有效和重要的实验结论,为下一步设计可实际使用的吸声罩打下良好基础。

3.3 系统优势

SESS主要具有2项优势。

(1)较好地解决训练手段不足等问题,同时提高训练安全性。目前海洋环境设备的操作训练主要依托实物,而ADCP 设备昂贵且易损,无法利用实物进行反复训练,亟须尽快采取全新的培训方式,以提高设备使用维护能力。采用SESS进行仿真模拟训练是解决该问题的最佳途径,技术人员可在模拟设备上反复练习各种故障和紧急情况的应对和处理方法。

(2)有效降低设备损耗和成本。SESS 的核心是系统分析和计算机仿真手段,因此在软件维护升级、功能扩展升级和加改装升级时,只需更换系统软件包,便可自动完成升级过程[18],可避免因计量检定和技术验证等实装操作导致的主要设备寿命和电力的损耗,节省大量运行和维护费用。以综合水池的ADCP检定业务为例,试验系统(包括厂房和设备)的折旧费约为300万元/年,电力按试验时长为每小时数千元。

4 结语

本研究分析近年来ADCP 在计量检定和使用维护等保障能力方面的难点,研究将VR 技术与ADCP保障业务相结合的可行性及其经济和技术优势,并构建ADCP 仿真保障系统,为ADCP 保障业务的开展提供新思路。

下一步将利用Unity 3D 软件开发ADCP仿真保障系统,研究在仿真条件下实现ADCP计量检定和使用维护的保障业务功能。Unity 3D 软件是多平台综合开发工具,其编辑器可在Windows 和Linux等多个系统运行,开发的产品可发布至Windows、Mac、iPhone和Android等客户端,具备极强的便捷性、适用性和通用性,可完全满足ADCP 仿真保障系统的VR 建模和应用需求。

此外,郑崇伟等[19-22]对“21 世纪海上丝绸之路”的风候、波候、风能和波浪能等展开系统性研究,并取得显著成果。在未来的工作中,同样有必要将本研究的成果应用于“21世纪海上丝绸之路”建设,积极落实国家倡议。