风廓线雷达虚拟仿真实训系统建设研究

赵阳，荆国栋，赵永明，邹立尧

（中国气象局气象干部培训学院，北京 100081）

风廓线雷达是用于探测大气风场廓线数据的气象雷达，它可以连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布和随时间的变化，具有很高的时间和空间分辨力，已经被广泛应用于大气探测、环境气象以及灾害性雷暴天气监测预警等领域。为了更好地服务天气监测预警，全球主要经济体和国家都已经建设了风廓线雷达观测网。我国风廓线雷达网的建设始于2008年，当时一共布设了5部风廓线雷达，截至2020年底，该网络已布设风廓线雷达134部。

为有效提升高空气象探测作业实训效率和质量，本文基于虚拟现实技术和设备，构建了一个风廓线雷达虚拟仿真实训系统。该系统涵盖了设备结构、日常工作、维护保养、故障维修等知识要点，围绕设备操作、天气变化、故障设置、考核评测等问题，结合高空气象探测作业实操培训的实际需求，提供了一个集仿真、培训、学习和考核为一体的解决方案，为提升作业效益奠定了坚实基础。

1 虚拟实训系统结构和功能

1.1 虚拟实训系统架构

风廓线雷达虚拟仿真实训系统整体采用模块化设计，其中数据库设计包含非结构化数据、雷达模型资源数据库和用户信息数据库。这部分数据通过MYSQL数据进行存储，同时通过FTP协议支持教学资源的上传下载，通过Webservice服务支持后台数据的读写等操作。

网页前端及后台管理系统采用B/S架构，包括采用Web3D技术展示三维雷达模型效果。通过数据可视化技术展示各种教学统计数据等信息。VR虚拟仿真操作采用Unity 3D为可视化三维模型和展示平台的开发。Unity 3D是由Unity Technologies开发的可创建诸如三维视频、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合性游戏开发工具，是一个全面整合的专业3D引擎。系统设计在考虑到三维虚拟场景中的学员交互体验功能、辅助教学的引导功能、任务的动态设置功能以及三个主要学习模式中各种功能的优化设计；还考虑到为教师提供任务设置功能，教师能够根据考核要求设定任务。

1.2 三维模型建模

开发人员根据真实雷达素材，利用3DS MAX、Photoshop等软件进行雷达虚拟建模，其中包括最小可更换单元如TR组件、监控面板等。风廓线雷达三维模型建模的内容包括：发射机、推动级组件、接收分系统、监控分系统、数据处理及应用终端、配电分系统、测试仪器仪表等。

图1 建模效果示意图

1.3 教学功能设计

本文提出的实训平台坚持教学设计先行，面向学员、教师、管理员设计了不同角色管理机制，并分别设计了三大核心模块：虚拟教学、虚拟实训、虚拟考核。

“虚拟教学”：在虚拟的三维环境中，通过各种辅助教学交互手段引导学员学习设备的基本操作方法、操作思路内容。在教学内容方面，结合学员的真实需求，设计了包括风廓线雷达的常规开关机等操作流程、故障排查操作、周期巡检测试操作等主要内容。

“虚拟实训”：构建模拟风廓线雷达的物理规则子系统、信号流程子系统、业务操作流程子系统等。系统内每处信号线触电、电源线连接点均被仿真交互，可进行故障排查修复。全部操作单元设计为单独功能模块，通过逻辑关系可以自由组合出多种虚拟交互操作；子系统内参数全部可被灵活配置，可在后台灵活自由构建仿真出真实故障实训点。

“虚拟考核”：学员被要求在规定的时间内通过虚拟场景、交互操作的形式，完成所有教师设定的实做考核内容。系统能够支持多人同时进行虚拟操作考核，自动记录学员的操作并打分，同时可将考核过程及结果实时展示到教师端。

2 虚拟实训关键技术

2.1 沉浸式设备交互操作技术

为了得到更好的培训效果，针对沉浸式设备的特点，全新设计了一套不需要鼠标和键盘的交互模块，包含画面及物件移动、系统设置操作、任务操作、设备操作等基础功能，要求做到兼容多种沉浸式输入及输出设备、操作简单易上手、操作流畅，并实现不同动作的用户定制功能。

交互设备支持HTC Vive、Oculus Quest等VR显示设备，以及操作手柄、操作手套等VR操作设备。利用大视角显示和环绕立体声音响技术，实现了对学员的视觉、听觉封闭，产生虚拟视觉。利用体感、触控等人机交互技术，实现对学员的头、手、四肢、躯干等体感通道封闭，产生虚拟触动感。同时，系统还加入了语音识别技术，学员能够通过语音下达操作命令，例如快速移动、菜单设置、场景调节等功能。系统的实时性和同步性满足现场体验要求，实现了在沉浸式环境下的风廓线雷达虚拟教学。同时，本文提出的虚拟实训系统，还提供了基于增强现实头盔的虚拟学习课程。在学习过程中，学员可将风廓线雷达学习课程摆放在教学房间的某一地点，该空间就会呈现一个虚拟课程，学员可在这个空间围绕着该课程进行手势操作来学习。

图2 沉浸式学习示意图

2.2 虚拟仪表仿真操作技术

风廓线雷达的检测标定是雷达日常周期维护中的重要操作，因为涉及到多种专用仪器仪表的使用，例如万用表、示波器、信号发生器等，也是传统培训难度最大的知识点。虚拟仪器仪表的仿真，可以实现大部分检测标定的操作流程，学员通过VR体感设备可以快速了解仪器仪表的操作步骤。通过对真实雷达正常运行和出现故障时的测量数值或波形的记录，可在系统中虚拟显示，模拟设备正常工作或故障复现的测量状态，提高学习效果。

图3 虚拟仪表的仿真操作

3 结语

本文提出了一种利用虚拟现实技术研发的风廓线雷达虚拟仿真实训系统，实现了全培训内容和操作的三维仿真，为风廓线雷达工作原理、基本操作、日常维护、故障排查、备件更换以及信息流/数据流等全部教学内容提供了一体化的技术支撑，弥补了传统网络培训的不足，有效解决了风廓线雷达培训的成本、安全和效果问题。随着虚拟仿真技术的进步和地基风廓线雷达观测网的进一步加强布局，基于沉浸式的虚拟实训系统将在气象行业教育培训领域得到更加广泛而又深入的应用。