胡學(xué)英，黎志波

（1.中國氣象局氣象探測中心，北京100081；2.江西省大氣探測技術(shù)中心，江西 南昌 330096）

CINRAD/SA型雷達(dá)開關(guān)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

胡學(xué)英1，黎志波2

（1.中國氣象局氣象探測中心，北京100081；2.江西省大氣探測技術(shù)中心，江西 南昌 330096）

系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，按照CINRAD/SA型新一代天氣雷達(dá)實際機(jī)房環(huán)境和雷達(dá)各分系統(tǒng)機(jī)柜等的布局進(jìn)行一比一的虛擬仿真，同時也實現(xiàn)了雷達(dá)開關(guān)機(jī)步驟的虛擬仿真，為雷達(dá)機(jī)務(wù)人員提供一個操作雷達(dá)的模擬平臺，提高了雷達(dá)機(jī)務(wù)人員的學(xué)習(xí)效率。

CINRAD/SA型雷達(dá)；虛擬仿真；雷達(dá)開關(guān)機(jī)；模擬平臺

新一代天氣雷達(dá)是災(zāi)害天氣監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報的重要手段[1]，在氣象預(yù)報服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。綜合氣象觀測運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)[2]顯示，目前我國納入業(yè)務(wù)考核的新一代天氣雷達(dá)共計189部，CINRAD/SA，CINRAD/SB，CINRAD/SC，CINRAD/CA，CINRAD/CB，CINRAD/CC，CINRAD/CD共7種型號，其中CINRDA/SA型新一代天氣雷達(dá)共計76部。CINRAD/SA型新一代天氣雷達(dá)開關(guān)機(jī)步驟[3]多，程序繁瑣，錯誤的開關(guān)機(jī)步驟，容易導(dǎo)致雷達(dá)組件損壞，影響雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，按照開關(guān)機(jī)步驟進(jìn)行操作，是每一個雷達(dá)機(jī)務(wù)人員必須掌握的基本技能。

新一代天氣雷達(dá)Radar Data Acquisition（簡稱RDA）計算機(jī)啟動后，信號處理器板即開始工作，為整部雷達(dá)提供各種時序，發(fā)射機(jī)柜上的電源開關(guān)在接通前，必須保證RDA計算機(jī)已經(jīng)啟動，如果RDA計算機(jī)未啟動時就給發(fā)射機(jī)加電，易導(dǎo)致發(fā)射機(jī)損壞[4]；而關(guān)機(jī)時，先將 Radar Data Acquisition Status Control（簡稱RDASC）軟件打到待機(jī)狀態(tài)（即在界面中點擊“Standby”按鈕），等待半分鐘后，關(guān)閉發(fā)射機(jī)的“輔助供電”和“機(jī)柜供電”，否則會損壞發(fā)射機(jī)。因此，本文開發(fā)了新一代天氣雷達(dá)開關(guān)機(jī)虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)，為雷達(dá)機(jī)務(wù)員提供一個學(xué)習(xí)和操作雷達(dá)的仿真平臺，避免錯誤的操作導(dǎo)致雷達(dá)組件損壞。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用C#開發(fā)語言[5]，結(jié)合Untiy3D[6]開發(fā)引擎利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行功能開發(fā)。以CINRAD/SA型新一代天氣雷達(dá)開關(guān)機(jī)步驟為基礎(chǔ)，結(jié)合天津新一代天氣雷達(dá)站機(jī)房實體結(jié)構(gòu)，將雷達(dá)站機(jī)房、配電機(jī)柜、接收機(jī)機(jī)柜、RDA監(jiān)控和伺服機(jī)柜、發(fā)射機(jī)機(jī)柜、波導(dǎo)、線纜等基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，從基層臺站業(yè)務(wù)人員實際操作角度出發(fā)，嚴(yán)格按照雷達(dá)開關(guān)機(jī)步驟對虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。如圖1所示，系統(tǒng)功能設(shè)計包括機(jī)房環(huán)境仿真，雷達(dá)系統(tǒng)仿真及雷達(dá)開關(guān)機(jī)模擬操作三部分。維護(hù)人員可通過瀏覽器即可進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作，以語音動畫的方式引導(dǎo)操作人員進(jìn)行雷達(dá)開關(guān)機(jī)，雷達(dá)機(jī)務(wù)人員如同在現(xiàn)場一樣完成相關(guān)操作。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段，將雷達(dá)站機(jī)房、配電機(jī)柜、接收機(jī)機(jī)柜、RDA監(jiān)控和伺服機(jī)柜、發(fā)射機(jī)機(jī)柜、波導(dǎo)、線纜等真實物體真實再現(xiàn)，讓操作人員猶如處在真實的環(huán)境中。在虛擬環(huán)境中參與者看到的模型和現(xiàn)實中的比例都是1∶1，輔以真實環(huán)境中的聲音、機(jī)器的運(yùn)行指示燈狀態(tài)及真實的模擬操作，讓操作人員體驗身臨其境的感受。在UI（User Interface）方面、光影效果及場景性能方面都進(jìn)行細(xì)心設(shè)計。在UI上使用UGUI（Unity的用戶界面）搭建，相比NGUI（次世代用戶界面）有更好的性能，同時對VR的開發(fā)支持也更友好。使用Unity3D的光照系統(tǒng)，讓環(huán)境和模型具有光影效果看起來更加真實。輸入方面主要是利用碰撞系統(tǒng)和輸入控制，最后用LOD（層級細(xì)節(jié)）和Occlusion Culling（遮擋剔除）來優(yōu)化整個場景的性能。

圖2為整個雷達(dá)開關(guān)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的技術(shù)框架圖，框架采用標(biāo)準(zhǔn)的MVC框架結(jié)構(gòu)，Model層存放所有雷達(dá)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，包括每條線纜的通斷狀態(tài)，每個機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，每個故障燈的狀態(tài)等。 Controller層為邏輯控制層，包括接收用戶的操作（如鼠標(biāo)，手柄等輸入設(shè)備），接收到操作去改變Model（數(shù)據(jù)）層的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。View層為表現(xiàn)層，包括模型高亮的顯示，開關(guān)的開啟和關(guān)閉表現(xiàn)，故障燈的變化展現(xiàn)，設(shè)備線纜的操作表現(xiàn)等。當(dāng)Model層的數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生改變，就會驅(qū)動View層的表現(xiàn)發(fā)生變化。采用MVC架構(gòu)將表現(xiàn)、操作和數(shù)據(jù)全都分離開，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的解耦，大大提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

圖2 技術(shù)框架圖

在雷達(dá)開關(guān)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)中由于用戶有多種輸入設(shè)備（鼠標(biāo)、手柄、可定位頭盔顯示器等），為此引入Input管理類將所有操作都抽象成統(tǒng)一調(diào)用接口，實現(xiàn)了不同操作設(shè)備間操作表現(xiàn)的一致性。例如鼠標(biāo)控制視角，鍵盤控制行走，或通過目視控制瞬移，或頭盔設(shè)備控制視角，手柄控制行走等。

在虛擬仿真中，交互除了手柄、鼠標(biāo)等外設(shè)外，最主要的交互手段為凝視射線（gaze）技術(shù)，像從一個雷達(dá)機(jī)柜瞬移到另一個機(jī)柜前就需采用該技術(shù)實現(xiàn)。Gaze凝視射線通過調(diào)用Raycast方法實現(xiàn)，即在攝像機(jī)中添加一個坐標(biāo)為0的物體，在其綁定的update方法中“投射”射線出去，射線擊中對象后返回坐標(biāo)信息，利用這個坐標(biāo)信息就實現(xiàn)了虛擬場景中瞬移功能。

此外，在雷達(dá)開關(guān)機(jī)虛擬操作控制中采用了碰撞檢測機(jī)制。當(dāng)虛擬手柄或鼠標(biāo)接近雷達(dá)機(jī)柜面板上開關(guān)時，觸碰開關(guān)周圍“虛擬墻”觸發(fā)碰撞檢測機(jī)制，雷達(dá)開關(guān)處于激活狀態(tài)。開關(guān)檢測到碰撞后狀態(tài)發(fā)生改變，實現(xiàn)“開”與“關(guān)”效果。

2 新一代天氣雷達(dá)開關(guān)機(jī)操作流程

2.1 雷達(dá)開機(jī)步驟

由于雷達(dá)全機(jī)所用的9.6 MHz時鐘由接收機(jī)的頻率源提供，有了該時鐘雷達(dá)各分系統(tǒng)才能正常工作，因而需要先開啟接收機(jī)電源；RDA計算機(jī)接收到來自頻綜提供的9.6 MHz時鐘后，以此為依據(jù)產(chǎn)生各種控制時序信號，依次送給各分系統(tǒng)，因而第二步是開啟RDA電源、RDA計算機(jī)和發(fā)射機(jī)電源；伺服功放是最后對天線的驅(qū)動，它正常工作的前提是伺服控制信號正常，第三步是開啟DAU電源和伺服電源；第四步依次開啟發(fā)射機(jī)機(jī)柜供電、輔助供電和伺服功放電源；發(fā)射機(jī)預(yù)熱13 min后，待“風(fēng)流量”、“故障燈”亮后，開啟高壓開關(guān)，按故障復(fù)位鍵后，“風(fēng)流量”，“故障燈”滅后，等待“準(zhǔn)加燈”亮后，啟動RDASC程序，程序啟動后，會自動完成設(shè)備的標(biāo)定工作，查看無報警信息后，在菜單中的“State”項下選擇“O－preate”進(jìn)行缺省的21模式體掃工作。具體開機(jī)流程如圖3所示。

圖3 CINRAD/SA新一代天氣雷達(dá)開機(jī)流程

2.2 雷達(dá)關(guān)機(jī)步驟

雷達(dá)關(guān)機(jī)前，應(yīng)先控制雷達(dá)天線停止轉(zhuǎn)動，第一步應(yīng)在RDASC軟件菜單中的“State”項下選擇“Standby”，控制天線停止轉(zhuǎn)動，再退出RDASC程序；第二步關(guān)閉發(fā)射機(jī)輔助供電和機(jī)柜供電；第三步關(guān)閉伺服功放電源、伺服電源和DAU電源；第四步關(guān)閉RDA計算機(jī)和小UPS電源（為RDA計算機(jī)供電）；第五步關(guān)閉RDA電源和接收機(jī)電源，半小時后，檢查聚焦線圈變涼后，關(guān)閉發(fā)射機(jī)高壓電源，最后關(guān)閉發(fā)射機(jī)供電，完成雷達(dá)關(guān)機(jī)。一般出于安全考慮，航警燈電源和空氣壓縮機(jī)電源不用關(guān)閉。具體關(guān)機(jī)流程如圖4所示。

圖4 CINRAD/SA新一代天氣雷達(dá)開機(jī)流程

3 系統(tǒng)仿真效果

3.1 雷達(dá)機(jī)房整體環(huán)境模擬

系統(tǒng)對雷達(dá)機(jī)房整體環(huán)境，雷達(dá)各機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真再現(xiàn)。如圖5所示，機(jī)房內(nèi)配電機(jī)柜，接收機(jī)機(jī)柜，RDA監(jiān)控和伺服機(jī)柜、發(fā)射機(jī)機(jī)柜，波導(dǎo)，線纜等部分均按照機(jī)房實際結(jié)構(gòu)完成了仿真，便于雷達(dá)業(yè)務(wù)人員更好的理解和記憶雷達(dá)機(jī)房整體結(jié)構(gòu)。

圖5 雷達(dá)機(jī)房整體結(jié)構(gòu)仿真

3.2 實訓(xùn)操作仿真

系統(tǒng)按照雷達(dá)開關(guān)機(jī)步驟，運(yùn)用人機(jī)交互的模式完成模擬仿真，如圖6所示，操作人員只需要按照文字、語音和動畫提示進(jìn)行操作，即可完成雷達(dá)開機(jī)和關(guān)機(jī)操作。

圖6 雷達(dá)實訓(xùn)操作仿真

4 結(jié)束語

新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初次接觸雷達(dá)的業(yè)務(wù)人員易出現(xiàn)無從下手的困境，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雷達(dá)配電機(jī)柜、接收機(jī)機(jī)柜、RDA監(jiān)控和伺服機(jī)柜、發(fā)射機(jī)機(jī)柜、波導(dǎo)、線纜等基本結(jié)構(gòu)及開關(guān)機(jī)步驟進(jìn)行仿真。下一步計劃將繼續(xù)以CINRAD/SA新一代天氣雷達(dá)作為仿真基礎(chǔ)，進(jìn)一步對雷達(dá)各組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵點測試及組件更換步驟進(jìn)行仿真設(shè)計，通過仿真系統(tǒng)使雷達(dá)機(jī)務(wù)人員對組件功能、原理、關(guān)鍵點測試、維修等方面有更深入的理解，達(dá)到快速排除雷達(dá)故障的目的。

[1]李 柏.天氣雷達(dá)及其應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2011.

[2]邵 楠，裴 翀，夏元彩，等.ASOM維護(hù)維修信息管理子系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].山東氣象，2012，4（32）：51-53.

[3]敖振浪.CINRAD/SA雷達(dá)使用維修手冊[M].北京：中國計量出版社，2008：37-88.

[4]柴秀梅.新一代天氣雷達(dá)故障診斷與處理[M].北京：氣象出版社，2011：74-127.

[5]王清培.NET框架設(shè)計模式、配置、工具[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[6]郭宇承，谷學(xué)靜，石 琳.虛擬現(xiàn)實與交互設(shè)計[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2015.

Design and Realization of Virtual Simulation System for CINRAD/SA Radar on Off

HU Xue－ying1，LI Zhi－bo2
（1.CMA meteorological Observation Center，Beijing 10081，China；2.Jiangxi Provincial Atmospheric Exploration Technology Centre，Nanchang Jiangxi 330096，China）

Based on the virtual reality technology，the system is simulated according to the actual environment of the new generation weather radar(CINRAD/SA)and the layout of the radar subsystem.At the same time，the procedure of the radar on off is simulated for the radar crew to provide an operational radar simulation platform to improve the efficiency of the radar crew learning.

CINRAD/SA radar；virtual simulation；radar on off；simulation platform

TP311.1

A

1672-545X（2017）08-0070-04

2017-05-19

胡學(xué)英（1983-），女，山東即墨人，碩士研究生，工程師，從事雷達(dá)技術(shù)保障工作。