VR技術(shù)在自動(dòng)氣象站故障教學(xué)中的應(yīng)用

吳 歡，朱亞宗，李學(xué)行，葉金印

(1.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院，合肥230031；2.安徽省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，合肥230031)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是利用人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種信息技術(shù)融合形成的虛擬仿真環(huán)境[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出的虛擬世界主要通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。硬件系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、VR頭盔、操作手柄、三維立體傳感器和顯示屏等。AutoCAD、Photoshop、3DMax等軟件可以處理大量的數(shù)據(jù)和素材。Unreal Engine4、Unity 3D等專業(yè)引擎軟件可以將所有素材拼接、搭建出虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。這些引擎軟件不僅可以組裝各類模型，還可以提供接口使交互硬件和虛擬世界之間建立聯(lián)系。VR技術(shù)目前主要用于航空航天仿真、虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)、房地產(chǎn)場(chǎng)景仿真、大型娛樂游戲和應(yīng)急演練等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[2]。作為一種新型的教學(xué)手段，很多高校、科研院所、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都在積極研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的課堂講授教學(xué)模式，VR技術(shù)教學(xué)方法以啟發(fā)為主，能夠積極發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以圖像、視頻、聲音、互動(dòng)等形式向?qū)W生展示和傳輸知識(shí)，更加引人入勝。比如：飛機(jī)駕駛模擬、航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障維修模擬、醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬、化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M等。近年來，VR技術(shù)逐步在氣象教育培訓(xùn)中應(yīng)用。中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院搭建了虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，平臺(tái)模擬了自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境及觀測(cè)場(chǎng)的自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備，可用于地面觀測(cè)教學(xué)[3]。蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院開發(fā)了氣象雷達(dá)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以進(jìn)行雷達(dá)日常維護(hù)、檢修等VR實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)[4]。南京信息工程大學(xué)構(gòu)建了天氣現(xiàn)象虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，仿真模擬了34種天氣現(xiàn)象，可用于天氣現(xiàn)象的識(shí)別和記錄等課程教學(xué)[5]。

自動(dòng)氣象站氣象設(shè)備保障類培訓(xùn)課程主要有設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、維護(hù)、故障排查與處理等，培訓(xùn)的最終目標(biāo)是使學(xué)生能夠在實(shí)際崗位中完成氣象設(shè)備維護(hù)和故障檢修任務(wù)[6]。實(shí)踐課程占據(jù)自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理教學(xué)較大比重，是整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的重中之重，因此如何科學(xué)、合理地開展實(shí)訓(xùn)課程，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能是教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵問題。

文章研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理和特點(diǎn)，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。收集并整理安徽省自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理個(gè)例，緊密結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，選擇代表性強(qiáng)、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值高、可操作性強(qiáng)的個(gè)例作為教學(xué)內(nèi)容。利用VR技術(shù)搭建接近真實(shí)的地面自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)平面及觀測(cè)場(chǎng)場(chǎng)景，在虛擬場(chǎng)景內(nèi)開展自動(dòng)氣象站設(shè)備故障教學(xué)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程。課程設(shè)計(jì)模擬了業(yè)務(wù)值班員在日常工作時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)氣象站設(shè)備故障，通過排查故障部位，及時(shí)解決故障問題，恢復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)流程。

1 自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理VR教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)具有沉浸感強(qiáng)、感知性多、主宰性強(qiáng)的特點(diǎn)，不僅可以虛擬出現(xiàn)實(shí)存在的環(huán)境及實(shí)物，也可以虛擬出現(xiàn)實(shí)中不存在或者難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境或情景。VR實(shí)訓(xùn)課程通過VR眼鏡、耳機(jī)、傳感器等設(shè)備給予學(xué)生接近真實(shí)環(huán)境的視聽感受，并通過手勢(shì)、動(dòng)作及手柄操作與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。

1.1 VR實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

圍繞著教學(xué)目標(biāo)，自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理教學(xué)內(nèi)容主要有：自動(dòng)氣象站結(jié)構(gòu)、工作原理等基礎(chǔ)理論課程；自動(dòng)氣象站組裝、調(diào)試以及故障處理等實(shí)踐課程。課程設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，再將理論應(yīng)用于實(shí)踐，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與崗位職能相一致(圖1)[7]。

圖1 自動(dòng)氣象站設(shè)備故障課程設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程，以真實(shí)的故障現(xiàn)象以及業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)教學(xué)情境，具有連貫性、實(shí)踐性、完整性。由于教學(xué)場(chǎng)地的限制，安徽分院實(shí)體的自動(dòng)氣象站教學(xué)平臺(tái)配有8臺(tái)自動(dòng)氣象站設(shè)備，無法滿足每人一套實(shí)習(xí)設(shè)備的需求，所以通常采用分組教學(xué)的形式。若學(xué)生人數(shù)達(dá)40人以上，還需分兩大組分時(shí)段交錯(cuò)實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)教師存在重復(fù)勞動(dòng)的現(xiàn)象。實(shí)習(xí)教學(xué)前需2～3名教師提前半小時(shí)進(jìn)入實(shí)習(xí)室設(shè)置設(shè)備故障，準(zhǔn)備萬用表、螺絲刀等實(shí)習(xí)工具，教學(xué)過程中每1個(gè)實(shí)習(xí)臺(tái)需要1名教師給予指導(dǎo)，并確保實(shí)習(xí)操作的安全性。實(shí)習(xí)結(jié)束后，教師負(fù)責(zé)將自動(dòng)氣象站設(shè)備恢復(fù)原樣，臺(tái)面保持整潔。傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)習(xí)教學(xué)一次課程能夠模擬的故障非常有限，且存在耗費(fèi)人力、教學(xué)過程時(shí)間長、安全風(fēng)險(xiǎn)大、設(shè)備損耗高、學(xué)習(xí)效率低的缺點(diǎn)。由于分組情況下，無法保證每個(gè)人都有動(dòng)手實(shí)操的機(jī)會(huì)，老師不能掌握所有學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，教學(xué)跟蹤效果不好。

1.2 VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)改變了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)室以老師為主體，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，變?yōu)橐詫W(xué)生為主體，以任務(wù)為主線，學(xué)生主動(dòng)參與、思考、實(shí)踐的學(xué)習(xí)模式。VR教學(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，在相同的教學(xué)時(shí)數(shù)內(nèi)可以安排更多的故障個(gè)例實(shí)習(xí)。教學(xué)過程有1～2名教師引導(dǎo)、輔助即可，節(jié)約了人力資源、提升了教學(xué)效率。每人一臺(tái)VR設(shè)備能夠滿足個(gè)人獨(dú)立進(jìn)行實(shí)習(xí)操作的需求，方便教師了解每個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，跟蹤教學(xué)效果，學(xué)生也可以針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)反復(fù)練習(xí)。同時(shí)VR教學(xué)還具有教具準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、用時(shí)少，安全系數(shù)高、設(shè)備損耗低、占地面積小的優(yōu)勢(shì)[8]。VR教學(xué)系統(tǒng)可以對(duì)自動(dòng)氣象站設(shè)備故障個(gè)例更新、維護(hù)，對(duì)學(xué)生、教師、管理員分級(jí)管理，對(duì)學(xué)生的考核成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出等操作。

教學(xué)開始后，學(xué)生通過佩戴VR頭盔進(jìn)入虛擬氣象觀測(cè)場(chǎng)地，通過手柄或者步行在觀測(cè)場(chǎng)地漫游。一般用手柄操作跳躍式靠近觀測(cè)設(shè)備，再俯身或者轉(zhuǎn)身近距離觀察設(shè)備。觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備巡視完畢，可以切換到業(yè)務(wù)值班室場(chǎng)景，監(jiān)控業(yè)務(wù)軟件ISOS中各氣象要素的觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬業(yè)務(wù)值班。收到數(shù)據(jù)異常的任務(wù)提示后，根據(jù)氣象裝備保障業(yè)務(wù)規(guī)定，在業(yè)務(wù)平面上的ISOS、ASOM等業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行操作。初步判斷發(fā)生故障的部位，進(jìn)入觀測(cè)場(chǎng)使用螺絲刀、萬用表等工具檢查線路連接、設(shè)備供電、傳感器電阻及輸出電壓等，查找故障產(chǎn)生的原因。確定故障點(diǎn)后選擇合適的解決方案，排除故障，修復(fù)設(shè)備。收到“觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正?！碧崾竞螅瑢?shí)習(xí)結(jié)束。在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)后，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生操作步驟完成度自動(dòng)判定實(shí)習(xí)或考核成績(jī)。

2 自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理VR教學(xué)應(yīng)用實(shí)例-雨量傳感器故障

進(jìn)入觀測(cè)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)當(dāng)前有降水天氣，切換至業(yè)務(wù)平臺(tái)查看自動(dòng)氣象站采集數(shù)據(jù)是否正常，出現(xiàn)任務(wù)提示：當(dāng)前有降水天氣現(xiàn)象，但自動(dòng)氣象站雨量傳感器采集降水量數(shù)據(jù)為“0”。分析導(dǎo)致有降水天氣現(xiàn)象而無降水量的原因可能有：雨量傳感器匯集漏斗或者過濾網(wǎng)被樹葉等雜物堵塞；雷擊導(dǎo)致雨量傳感器線路損壞、干簧管故障；雨量傳感器線纜損壞[9]。

在ISOS業(yè)務(wù)軟件中開啟雨量傳感器設(shè)備維護(hù)。準(zhǔn)備好維修工具，進(jìn)入觀測(cè)場(chǎng)查看雨量傳感器。檢查雨量傳感器外部及內(nèi)部是否有雜物需要清理，選擇合適的清潔工具及時(shí)清除傳感器中的堵塞物[10，11]。

若雨量傳感器中沒有發(fā)現(xiàn)異物堵塞，且翻斗均能正常翻動(dòng)，則檢查雨量傳感器干簧管是否正常。將萬用表檔位調(diào)整至蜂鳴檔，紅黑表筆分別接入雨量傳感器的兩個(gè)接線柱上，人工翻動(dòng)記數(shù)翻斗，查看萬用表是否出現(xiàn)蜂鳴聲。若萬用表沒有反應(yīng)，則說明干簧管已損壞，及時(shí)更換干簧管，更換完畢，再次使用萬用表測(cè)量干簧管是否正常。

雨量傳感器干簧管檢查后，若干簧管正常工作，則需要進(jìn)一步檢查雨量傳感器線纜是否損壞。將雨量傳感器接線柱上連接的兩條線取下，再將連接在主采集器上的接線也取下來。用萬用表蜂鳴檔測(cè)量?jī)蓷l線的連接情況，若萬用表沒有蜂鳴聲，則可判斷雨量傳感器線纜出現(xiàn)故障。掀開石板路，查看雨量傳感器線纜，發(fā)現(xiàn)線纜損壞，點(diǎn)擊更換線纜，雨量數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3 結(jié)束語

相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展培訓(xùn)具有沉浸感、交互性和低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，能夠有效解決成人教育面授時(shí)間受限、場(chǎng)地建設(shè)成本高、學(xué)習(xí)興趣不夠濃厚的問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用豐富了教學(xué)手段，彌補(bǔ)了一些課堂教學(xué)的不足，使得教學(xué)過程變得生動(dòng)活潑，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

自動(dòng)氣象站設(shè)備故障教學(xué)是地面觀測(cè)裝備保障教學(xué)的重要組成部分，由于自動(dòng)氣象站設(shè)備故障是由很多種原因造成的，所以在開展教學(xué)中首先要將各種故障收集并分類，再將故障個(gè)例模擬再現(xiàn)，供學(xué)生練習(xí)。文章虛擬了接近真實(shí)情況的地面觀測(cè)場(chǎng)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了自動(dòng)氣象站設(shè)備故障處理VR教學(xué)系統(tǒng)并實(shí)例應(yīng)用。VR教學(xué)中以學(xué)生為主導(dǎo)，通過探索與思考，在虛擬環(huán)境中完成所有實(shí)習(xí)任務(wù)，簡(jiǎn)化了教學(xué)流程，提高了培訓(xùn)效率。VR實(shí)習(xí)教學(xué)操作方便靈活，步驟設(shè)置簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)效率高，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。