虛擬現(xiàn)實技術(shù)在聲學(xué)多普勒流速剖面儀保障業(yè)務(wù)中的應(yīng)用初探

尹錫帆,黎鑫,喬正明,任浩宇,李縱橫

(1.國家海洋技術(shù)中心漳州基地 廈門 361000;2.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101)

0 引言

作為人類突破自身局限的重要嘗試之一,虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展各領(lǐng)域,從而改變現(xiàn)代人類生活。在民用領(lǐng)域,VR 產(chǎn)品被應(yīng)用于游戲、醫(yī)療、教育、旅游、科研和電子商務(wù)等行業(yè)[1-2],預(yù)計至2020年我國VR 產(chǎn)品的市場規(guī)模接近600 億元[3]。在軍用領(lǐng)域,VR技術(shù)可仿真模擬特定情景,讓士兵仿佛身臨其境,對于訓(xùn)練其在實戰(zhàn)中以及其他危險和緊急情況下的快速反應(yīng)能力發(fā)揮至關(guān)重要的作用;與傳統(tǒng)訓(xùn)練方法相比,運用VR 技術(shù)的訓(xùn)練方法成本更低、效率更高且可避免人員傷亡[4]。此外,VR 技術(shù)在氣象領(lǐng)域的培訓(xùn)、宣傳和科普等工作中也有大量應(yīng)用[5]。

海洋在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有顯著的地位,是我國對外開放的主要窗口。近年來國家對海洋開發(fā)利用越來越重視,為更快和更好地保障海洋開發(fā)利用,我國啟動多個國家重大科研項目對海洋環(huán)境開展全面的探測和研究。海流是海洋環(huán)境要素之一,對全球氣候、船舶航行、海洋漁業(yè)和生態(tài)環(huán)境等具有重要影響,是近年來我國海洋環(huán)境探測和研究工作的重中之重。根據(jù)測流原理,測流設(shè)備可分為聲學(xué)式、機(jī)械式、壓力式和電磁式等類型[6]。其中,聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是目前測流設(shè)備中的先進(jìn)代表,其專門用于河流、水渠或狹窄海峽的測流工作,與傳統(tǒng)測流設(shè)備相比性能更穩(wěn)定、數(shù)據(jù)更可靠且適用范圍更廣[7],是快速和有效的測流設(shè)備[8]。

隨著ADCP在國防建設(shè)、科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)和海洋開發(fā)等領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用[6],逐漸出現(xiàn)技術(shù)人員操作能力不足和國內(nèi)外檢定能力有限等問題[9]。由于ADCP 構(gòu)造精密、造價較高和檢定較難[10],不適宜利用實物進(jìn)行操作和練習(xí)。本研究闡述VR 技術(shù)的基本概念,梳理我國ADCP的應(yīng)用現(xiàn)狀和現(xiàn)實困難,并詳細(xì)討論VR 技術(shù)在ADCP保障業(yè)務(wù)中的潛在應(yīng)用和價值。

1 VR 技術(shù)及其系統(tǒng)組成和顯示方案

VR技術(shù)是通過計算機(jī)模擬程序產(chǎn)生三維空間的多媒體綜合信息應(yīng)用技術(shù),具有交互性、沉浸性和構(gòu)想性3個典型特征[11];其借助聲、光和電等介質(zhì),通過向用戶提供感官模擬,使其產(chǎn)生身臨其境之感。 高級的 VR 技術(shù)被稱為增強現(xiàn)實(Augmented Reality,AR)技術(shù),其通過計算機(jī)模擬場景和大數(shù)據(jù)模型處理,在原有的三維空間中呈現(xiàn)多維空間(表1)。

表1 VR 技術(shù)和AR 技術(shù)的主要特點

參考已有研究成果[12-13],VR 系統(tǒng)主要由圖形生成系統(tǒng)、投影顯示系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、訓(xùn)練系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)6個部分組成(圖1)。

圖1 VR 系統(tǒng)組成

(1)圖形生成系統(tǒng)利用相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng),實現(xiàn)科學(xué)計算、圖像生成、建模和視景渲染等功能,并實時處理用戶與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的交互。

(2)投影顯示系統(tǒng)主要包括投影機(jī)和屏幕,將圖形生成系統(tǒng)生成的視景投影到屏幕上,產(chǎn)生具有沉浸感的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。

(3)中控系統(tǒng)主要包括視頻控制系統(tǒng)和信號切換矩陣,前者負(fù)責(zé)控制投影機(jī)和視頻系統(tǒng)等的開機(jī)、關(guān)機(jī)和信號切換等工作,后者主要通過各路信號的實時切換進(jìn)行投影顯示。

(4)輔助系統(tǒng)主要包括音響和UPS電源,前者為用戶提供具有沉浸感的聽覺環(huán)境,后者為系統(tǒng)提供非正常斷電保護(hù)。

(5)訓(xùn)練系統(tǒng)利用計算機(jī)技術(shù)和頭盔顯示技術(shù)生成逼真的虛擬訓(xùn)練環(huán)境,使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。

(6)應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括視景仿真和多窗口處理等各種虛擬現(xiàn)實軟件。

VR技術(shù)有2種顯示方案：①實拍顯示,即利用現(xiàn)實世界的已有場景,將實拍內(nèi)容呈現(xiàn)在VR 設(shè)備上;②建模顯示,即利用計算機(jī)仿真技術(shù)搭建3D場景,通過即時渲染的引擎,將每幀動畫實時渲染出來(表2)。

表2 VR 技術(shù)的顯示方案

2 ADCP及其應(yīng)用難點

2.1 ADCP的工作原理

ADCP于20世紀(jì)70年代末面世,具備測量精度高、快速、高效、省時和省力等特點,已逐漸成為目前最重要的測流設(shè)備之一,也是唯一的測弱流設(shè)備。ADCP的工作原理如圖2所示。

圖2 ADCP的工作原理

ADCP換能器發(fā)射某固定頻率的聲波并被水中顆粒物反射,水聽器接收后會產(chǎn)生多普勒頻移[14],根據(jù)多普勒原理可計算水沿聲波方向移動的速度,計算公式為：

式中：v為水沿聲波方向移動的速度;F d為多普勒頻移的頻率;c為聲波在水中的傳播速度;F s為發(fā)射聲波的頻率。

將此速度減除船速,可得水流相對于地球坐標(biāo)系的絕對速度,計算公式為：

式中：v L為水流相對于地球坐標(biāo)系的絕對速度;v s為船速。

2.2 計量檢定難點

根據(jù)《中華人民共和國水文條例》,水文監(jiān)測所使用的計量器具應(yīng)當(dāng)依法經(jīng)檢定合格[15]。國家相關(guān)計檢標(biāo)準(zhǔn)也對各類監(jiān)測設(shè)備提出周期檢定、檢測和校準(zhǔn)的要求,以保證設(shè)備實際使用的有效性以及觀測要素數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。

ADCP對流向和流速的監(jiān)測檢定一般在湖泊、海域和室內(nèi)水池進(jìn)行,根據(jù)試驗場地的不同,可分為自身航行試驗、同步比測試驗和水槽拖車試驗3種檢定方法[16]。其中,湖上試驗存在選址難、可檢頻率有限和深層流速監(jiān)測難以保證等問題,海上試驗存在成本高、周期長、比測標(biāo)準(zhǔn)儀器難以選擇和受環(huán)境影響較大等問題,室內(nèi)試驗存在對水池等設(shè)施要求高以及設(shè)施建設(shè)和維護(hù)成本高等問題[17]。

以300 k Hz以下ADCP的計量檢定業(yè)務(wù)為例,具備檢定能力的試驗水池長度動輒百米,建設(shè)經(jīng)費達(dá)億元。參考美國RDI公司的ADCP檢定方案,按第二類生產(chǎn)工時(檢定年時基數(shù)為1 800 h)估算,當(dāng)水池長度分別為100 m、200 m、300 m 和400 m 時,對應(yīng)的ADCP年檢定能力分別為42套、102套、136套和161套。在當(dāng)前我國ADCP已超5 000套的情況下,1個試驗水池在年工作時間內(nèi)的檢定能力極為有限,然而不計算設(shè)備折舊損耗或耗費巨資建設(shè)水池的做法又極不科學(xué),因此亟須采取新的手段開展ADCP計量檢定業(yè)務(wù)。

2.3 使用維護(hù)難點

我國有超過5 000套ADCP應(yīng)用于各水文區(qū)域的測流工作,近年來自然資源部第三海洋研究所年均新增ADCP 超過1 000 套。由于ADCP 存在種類繁多、價值較高和傳感器易損壞等特點,技術(shù)人員難以利用實物開展使用維護(hù)等實操培訓(xùn),且常出現(xiàn)因操作熟練度較低導(dǎo)致設(shè)備故障以及因不了解設(shè)備結(jié)構(gòu)而檢修失誤導(dǎo)致二次破壞等情況。

以美國RDI公司的第三代ADCP 產(chǎn)品“瑞江”為例,其性能較前代產(chǎn)品有較大提升,但在使用過程中存在諸多注意事項,例如：輕拿輕放,避免震壞換能器和內(nèi)部元件;換能器不能下壓硬物和受陽光長期照射,使用完須清洗表面;換能器連接線上應(yīng)涂抹硅膠以防水防沙。此外,在實際檢定過程中,“瑞江”的測量精度受船速影響,即船速越慢,測量精度越高。

3 ADCP仿真保障系統(tǒng)

ADCP保障業(yè)務(wù)包括計量檢定、使用維護(hù)和設(shè)計制造等,涵蓋設(shè)備研制、生產(chǎn)、應(yīng)用、檢定、維護(hù)和改進(jìn)的全過程,利用VR 技術(shù)建設(shè)的ADCP仿真保障系統(tǒng)可實現(xiàn)全過程參與(圖3)。

圖3 VR 技術(shù)參與ADCP保障業(yè)務(wù)的全過程

3.1 概念模型和主要功能

ADCP 仿真保障系統(tǒng)(Simulate Equipment Supporting System,SESS)是采用先進(jìn)的系統(tǒng)分析和計算機(jī)仿真手段,對各型ADCP 的計量檢定、使用維護(hù)、設(shè)計制造和其他保障需求的全過程進(jìn)行真實再現(xiàn)的模擬平臺;利用仿真模擬器對ADCP研發(fā)、試驗和教學(xué)等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬,使技術(shù)人員在模擬作業(yè)時擁有與真實作業(yè)環(huán)境相似的感覺,最終達(dá)到利用模擬作業(yè)替代真實作業(yè)的目的。

SESS由仿真試驗訓(xùn)練中心系統(tǒng)和多個仿真試驗訓(xùn)練子系統(tǒng)組成：①仿真試驗訓(xùn)練中心系統(tǒng)主要以VR 技術(shù)為依托,對技術(shù)人員進(jìn)行計量檢定和使用維護(hù)等操作訓(xùn)練;②仿真試驗訓(xùn)練子系統(tǒng)主要以搭建的虛擬工作環(huán)境為依托,通過在訓(xùn)練過程中不斷向技術(shù)人員進(jìn)行程序提示,實現(xiàn)設(shè)備檢定過程的計量比測、操作過程的程序訓(xùn)練和研發(fā)過程的試驗驗證等功能(圖4)。

圖4 SESS的概念模型

SESS主要具有5項功能：①設(shè)備模擬,即仿真模擬各型ADCP的三維結(jié)構(gòu),從而進(jìn)行設(shè)備操作技能和方法的模擬訓(xùn)練;②情景設(shè)置,即預(yù)設(shè)并模擬設(shè)備在各類情況下的工作現(xiàn)象,從而進(jìn)行故障判斷和排除的模擬訓(xùn)練;③教學(xué)評判,即自動評判技術(shù)人員的訓(xùn)練成績,并詳細(xì)列出操作過程中存在的問題;④檢定試驗,即實現(xiàn)原理構(gòu)造的同步模擬顯示,通過輸入待檢ADCP 的各項狀態(tài)參數(shù)和系統(tǒng)分析結(jié)果,在仿真試驗場開展仿真檢定試驗,從而完成ADCP計量檢定任務(wù);⑤科研驗證,即在仿真試驗場對ADCP新技術(shù)進(jìn)行驗證,從而縮短研發(fā)周期和加快研發(fā)進(jìn)度。

3.2 仿真實驗案例

在ADCP的實際應(yīng)用中,旁瓣會使換能器的聲能擴(kuò)散和衰減增多,影響測流效果。因此,本研究開展ADCP吸聲罩的仿真實驗,利用有限元仿真數(shù)值模擬算法,研究吸聲罩的材料長度、收口形狀和吸聲性能對ADCP 旁瓣的影響,仿真實驗流程如圖5所示。

圖5 ADCP換能器的仿真實驗流程

仿真實驗結(jié)果表明,吸聲罩的材料長度在一定區(qū)間內(nèi)對旁瓣具有較好的吸收作用,收口形狀對指向性影響較大,而吸聲性能越好越能抑制旁瓣。該仿真實驗共進(jìn)行11組吸聲罩比對,在不須大量斥資購買實物實驗品的情況下,可獲得有效和重要的實驗結(jié)論,為下一步設(shè)計可實際使用的吸聲罩打下良好基礎(chǔ)。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

SESS主要具有2項優(yōu)勢。

(1)較好地解決訓(xùn)練手段不足等問題,同時提高訓(xùn)練安全性。目前海洋環(huán)境設(shè)備的操作訓(xùn)練主要依托實物,而ADCP 設(shè)備昂貴且易損,無法利用實物進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練,亟須盡快采取全新的培訓(xùn)方式,以提高設(shè)備使用維護(hù)能力。采用SESS進(jìn)行仿真模擬訓(xùn)練是解決該問題的最佳途徑,技術(shù)人員可在模擬設(shè)備上反復(fù)練習(xí)各種故障和緊急情況的應(yīng)對和處理方法。

(2)有效降低設(shè)備損耗和成本。SESS 的核心是系統(tǒng)分析和計算機(jī)仿真手段,因此在軟件維護(hù)升級、功能擴(kuò)展升級和加改裝升級時,只需更換系統(tǒng)軟件包,便可自動完成升級過程[18],可避免因計量檢定和技術(shù)驗證等實裝操作導(dǎo)致的主要設(shè)備壽命和電力的損耗,節(jié)省大量運行和維護(hù)費用。以綜合水池的ADCP檢定業(yè)務(wù)為例,試驗系統(tǒng)(包括廠房和設(shè)備)的折舊費約為300萬元/年,電力按試驗時長為每小時數(shù)千元。

4 結(jié)語

本研究分析近年來ADCP 在計量檢定和使用維護(hù)等保障能力方面的難點,研究將VR 技術(shù)與ADCP保障業(yè)務(wù)相結(jié)合的可行性及其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢,并構(gòu)建ADCP 仿真保障系統(tǒng),為ADCP 保障業(yè)務(wù)的開展提供新思路。

下一步將利用Unity 3D 軟件開發(fā)ADCP仿真保障系統(tǒng),研究在仿真條件下實現(xiàn)ADCP計量檢定和使用維護(hù)的保障業(yè)務(wù)功能。Unity 3D 軟件是多平臺綜合開發(fā)工具,其編輯器可在Windows 和Linux等多個系統(tǒng)運行,開發(fā)的產(chǎn)品可發(fā)布至Windows、Mac、iPhone和Android等客戶端,具備極強的便捷性、適用性和通用性,可完全滿足ADCP 仿真保障系統(tǒng)的VR 建模和應(yīng)用需求。

此外,鄭崇偉等[19-22]對“21 世紀(jì)海上絲綢之路”的風(fēng)候、波候、風(fēng)能和波浪能等展開系統(tǒng)性研究,并取得顯著成果。在未來的工作中,同樣有必要將本研究的成果應(yīng)用于“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè),積極落實國家倡議。