摘要：為了提高地面氣象觀測業(yè)務(wù)人員對觀測設(shè)備維護和保障的能力，開發(fā)了基于虛擬仿真技術(shù)的地面氣象觀測裝備微課件。該微課件設(shè)計了Web和Android版本，使學員既可以在氣象遠程教育網(wǎng)上學習吸收后用于日常工作實踐中，又可以現(xiàn)場遇到問題時登陸手機APP現(xiàn)場查詢裝備故障解決辦法后解決實際工作難題。該課件完全按照《氣象遠程學習資源建設(shè)規(guī)范》制作開發(fā)的，其包含了8種業(yè)務(wù)觀測設(shè)備，建立了包含30多個維護保障素材庫，豐富了地面氣象觀測培訓(xùn)資源，滿足了學習培訓(xùn)需求。

關(guān)鍵字：地面氣象觀測；設(shè)備維護保障；虛擬仿真技術(shù)；微課件

1概述

《中國氣象局關(guān)于全國地面氣象觀測自動化改革正式業(yè)務(wù)運行的通知》[1]和全國地面氣象觀測自動化改革業(yè)務(wù)運行方案[2]中明確指出，采用技術(shù)先進的儀器設(shè)備，解決人工觀測項目的自動化問題，實現(xiàn)地面氣象觀測自動化。從2020年4月1日起，地面氣象觀測自動化正式業(yè)務(wù)運行。自動化改革強化了縣級氣象站地面觀測業(yè)務(wù)人員的儀器維護保障的能力要求。因此，氣象觀測業(yè)務(wù)人員在地面氣象觀測設(shè)備維護保障方面的需求日益強烈。但是，由于氣象教育培訓(xùn)改革帶來的培訓(xùn)面臨經(jīng)費問題和長期存在的工學矛盾問題，使得面授培訓(xùn)班的數(shù)量和授課時間被大幅壓縮，培訓(xùn)需求得不到滿足。

虛擬仿真培訓(xùn)方式既能讓學員身臨其境，又能突出操作性和注重實效性，具有理論與實際高度結(jié)合的特點，能幫助學員快速增加經(jīng)驗累積。隨著計算機的快速發(fā)展，虛擬仿真教學被廣泛應(yīng)用于職業(yè)技能培訓(xùn)[3-5]。且統(tǒng)計調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)高質(zhì)量的氣象教育培訓(xùn)視頻課件（以下簡稱微課件）能較大程度的幫助學習者掌握知識點，可以達到提升教學效果的作用[6-10]?；诖耍狙芯繉⑻摂M仿真應(yīng)用于地面氣象觀測設(shè)備保障與維護技能培訓(xùn)中，設(shè)計了基于Unity3D等建模軟件的地面氣象觀測設(shè)備維護保障微課件。該微課件包含WEB版本和安卓（Android）版本，能夠使學員能夠在虛擬場景中自由學習，實現(xiàn)人機互動，不受時間場地的限制，為培訓(xùn)單位開展培訓(xùn)和業(yè)務(wù)人員的自我提升提供平臺，提升業(yè)務(wù)人員在儀器設(shè)備維護保障的能力。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1模型搭建與建圖

地面氣象觀測設(shè)備模型是整個虛擬仿真教學系統(tǒng)的基礎(chǔ)，仿真程度直接影響系統(tǒng)培訓(xùn)實訓(xùn)效果。在獲得許可后，研究團隊首先從安徽省氣象局網(wǎng)絡(luò)與觀測處獲得地面氣象觀m5fhcBvtjAm3y7wOOqZZEQ==測場規(guī)范化圖冊，然后于壽縣國家氣候觀象臺實地調(diào)研，測量實物參數(shù)，將圖冊中參數(shù)和實物進行參照分析，記錄觀測設(shè)備關(guān)注點。并且研究團隊向標準制定專家、設(shè)備的供應(yīng)廠家和一線業(yè)務(wù)人員咨詢觀測設(shè)備的工作原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)、基本操作、日常維護、常見故障的判斷和排除等相關(guān)事宜，為后續(xù)工作積累原理資料。

采用3DSMax和PhotoShop實現(xiàn)觀測設(shè)備的三維建模。在Unity3D中，使用LightMap烘焙貼圖方式對模型進行渲染，以保證設(shè)備的真實性和展現(xiàn)設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。采用Unity3D碰撞技術(shù)實現(xiàn)對觀測設(shè)備及內(nèi)部零部件模型的推拽、縮放以及旋轉(zhuǎn)的虛擬仿真。微課件利用劃分層次結(jié)構(gòu)和模型優(yōu)化技術(shù)來實現(xiàn)模型的有效存儲和調(diào)度。圖1為業(yè)務(wù)使用的風向風速傳感器的模型示意圖，能夠準確展示風傳感器組成結(jié)構(gòu)。Android版本增加了用AR人工智能技術(shù)識別地面氣象觀測設(shè)備實物的功能（如圖2所示），以方便業(yè)務(wù)人員工作現(xiàn)場使用。

2.2用戶界面友好

微視頻用于虛擬仿真教學，故而其界面布局必須清晰明了，簡單易懂，可操作性強。本系統(tǒng)采用了Unity3D方法在界面上按功能分類進行空間控制，力求信息傳達準備、避免視覺干擾[11]。Web版本通過HTML結(jié)合CSS（全稱為CascadingStyleSheets）完成整體頁面設(shè)計及鼠標操作事件，當遇到處理網(wǎng)頁交互操作時用Jquery（全稱為Javascript+Query）結(jié)合原生JS（全稱為JavaScript）完成用戶在使用頁面時的交互操作，頁面操作相關(guān)的內(nèi)容制作完之后，用戶操作得到的數(shù)據(jù)通過AJAX（全稱為AsyncJavascriptAndXML）層層嚴格驗證從服務(wù)器中獲取并通過緩存技術(shù)在頁面中進行緩存以用于下一次加載，從而實現(xiàn)三分屏（見圖3）顯示。

左上方為各個觀測設(shè)備包含的操作內(nèi)容，左下方是觀測場全貌（可通過點擊進行觀測設(shè)備選擇），右方為設(shè)備拆解（或故障排除等學習點）

3微課件的設(shè)計與實現(xiàn)

微課件完全按照《氣象遠程學習資源建設(shè)規(guī)范》[13]進行開發(fā)制作，以實現(xiàn)各類學習資源在氣象遠程教育培訓(xùn)平臺上可共享的目標。系統(tǒng)設(shè)計了兩種版本（Web版本和Android版本），使學員既可以在氣象遠程教育網(wǎng)上學習吸收后用于日常工作實踐中，又可以現(xiàn)場遇到問題時登陸Android手機的APP現(xiàn)場查詢裝備故障解決辦法后解決實際工作難題。

3.1微課件內(nèi)容的設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)提高地面氣象觀測業(yè)務(wù)人員自動站簡單故障排查、傳感器更換和設(shè)備維護等能力的課件開發(fā)目的，微課件內(nèi)容包含了觀測設(shè)備結(jié)構(gòu)認知模塊和維護保障模塊，詳細的教學資源匯總見表1。

3.1.1觀測設(shè)備結(jié)構(gòu)認知模塊

該模塊介紹了地面氣象觀測各個設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成（即設(shè)備拆解）（見圖1）和信號傳輸（見圖4）。點擊“工作原理”，語音講解觀測設(shè)備將氣象要素信息與電信號之間轉(zhuǎn)換的原理，儀器設(shè)備工作環(huán)境和布設(shè)要求。點擊“設(shè)備拆解”按鈕實現(xiàn)設(shè)備的拆解，展示設(shè)備的構(gòu)成部件（見圖1），語音講解構(gòu)成部件的材質(zhì)和功能?！靶盘杺鬏敗币曰谔摂M仿真動畫和語音講解結(jié)合的方式呈現(xiàn)感應(yīng)元件將氣象要素信息轉(zhuǎn)換為電信號后，電信號經(jīng)電纜、采集器和光纖轉(zhuǎn)換模塊到業(yè)務(wù)軟件的整個過程。圖4展示了降水天氣現(xiàn)象儀從接收端和發(fā)射端獲得由天氣現(xiàn)象信息轉(zhuǎn)換的電信號（a）圖經(jīng)線纜（b）圖到采集器（c）圖的過程。

3.1.2維護保障模塊

維護保障模塊包含地面氣象觀測設(shè)備日常維護和常見故障排除，日常維護詳細講解不同周期維護內(nèi)容的注意事項。以光電式日照計為例（見圖5），每周檢查光筒玻璃罩的污染情況，及時清潔（注意清潔在日出或日落后進行）；每月檢查干燥劑、儀器安裝、障礙物情況，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正[14]。

儀器故障內(nèi)置了如業(yè)務(wù)軟件設(shè)置錯誤、供電故障、線纜故障、傳感器損壞和通信故障等（詳見表1）。故障排除模塊是按照建立故障分析場景，建立故障分析素材庫，設(shè)計故障分析流程和交互設(shè)置及控制的順序設(shè)計并實現(xiàn)的。用戶從圖3中左下角選擇設(shè)備和在圖3左上方選擇設(shè)備的故障類型后，圖3右方會呈現(xiàn)設(shè)備故障的場景并演示設(shè)備故障排除分析方法和操作步驟。微課件中講解觀測設(shè)備故障排除時，首先給出故障排除流程圖，詳細講解故障排除的思路，然后進入虛擬仿真的故障排除操作過程并一一講解操作的注意事項。微課件實現(xiàn)了將地面氣象觀測業(yè)務(wù)工作多年累積經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)課件訓(xùn)練資源，虛實結(jié)合、鞏固知識，提高訓(xùn)練效果。

3.2Web版本和Android版本設(shè)計與實現(xiàn)

3.2.1Web版本

采取了上下布局，在首頁采用微型場地構(gòu)造模式（見圖3左下區(qū)域）。用戶可根據(jù)自身學習需求來點擊選擇微型觀測場上對應(yīng)的設(shè)備（即將鼠標挪移到對應(yīng)設(shè)備，則該設(shè)備會高亮顯示，鼠標左鍵點擊后便跳轉(zhuǎn)學習頁面）。系統(tǒng)以三分屏呈現(xiàn)方式（見圖3），內(nèi)置的每個單元內(nèi)容采用樹形知識列表的形式進行展示，用戶可以選擇要學習的內(nèi)容（見表1）。圖3中右邊區(qū)域為主要學習區(qū)域，可動態(tài)加載實時三維展示所選設(shè)備的知識點課件。

3.2.2Android版本

該版本實現(xiàn)了兩種學習模式，一種是打開AR模式，使用手機拍攝觀測設(shè)備實物（整體畫面）（見圖2）（可識別的設(shè)備有：風向風速傳感器、主采集器、溫濕度傳感器、云高儀、能見度儀、降水現(xiàn)象儀、蒸發(fā)傳感器、翻斗式雨量傳感器、稱重式雨量傳感器、深層地溫傳感器、淺層地溫傳感器、輻射傳感器和光電式數(shù)字日照計）來智能識別該觀測設(shè)備類型，并調(diào)取后臺三維模型進行交互操作，用戶可以拖拽，縮放三維模型，并可以點擊進行互動操作；另一種是直接開啟學習模式，自主的選擇要學習的知識點（見表1）。

結(jié)語

基于虛擬仿真的地面氣象觀測設(shè)備維護保障微課件，設(shè)計了Web和Android版本，使學員既可以在中國氣象遠程教育網(wǎng)上學習吸收后用于日常工作實踐中，又可以現(xiàn)場遇到問題時登陸手機APP現(xiàn)場查詢裝備故障解決辦法后解決實際工作難題。該微視頻包含了8種業(yè)務(wù)觀測設(shè)備，建立了包含30多個維護保障素材庫，制作符合《氣象遠程學習資源建設(shè)規(guī)范》，豐富了地面氣象觀測培訓(xùn)資源，滿足了學習培訓(xùn)需求。

采用調(diào)查問詢的方式了解基層氣象觀測業(yè)務(wù)人員對“基于虛擬仿真的地面氣象觀測設(shè)備微視頻課件”試應(yīng)用情況。調(diào)查顯示，“基于虛擬仿真的地面氣象觀測設(shè)備微視頻課件”適用于地面氣象觀測縣級業(yè)務(wù)人員的知識學習需求，教學內(nèi)容滿意度較高，能激發(fā)學習興趣，提高業(yè)務(wù)人員在自動站簡單故障排查、傳感器更換和設(shè)備維護等能力。但是地面氣象觀測設(shè)備種類不夠齊全，故障類型不夠全面。在未來的研究中，能將搜集更多的故障類型，增添更多的設(shè)備，建立更完善的地面氣象觀測設(shè)備日常維護和故障排除素材庫，完善“基于虛擬仿真的地面氣象觀測設(shè)備微視頻課件”。

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作者簡介：王蒙（1989—），女，漢族，江蘇淮安人，研究生，工程師，主要從事氣象培訓(xùn)工作。