尹錫帆,黎鑫,喬正明,任浩宇,李縱橫

(1.國(guó)家海洋技術(shù)中心漳州基地 廈門 361000;2.國(guó)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(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于社會(huì)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(jì)至2020年我國(guó)VR 產(chǎn)品的市場(chǎng)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(duì)于訓(xùn)練其在實(shí)戰(zhàn)中以及其他危險(xiǎn)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(yùn)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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有顯著的地位,是我國(guó)對(duì)外開放的主要窗口。近年來(lái)國(guó)家對(duì)海洋開發(fā)利用越來(lái)越重視,為更快和更好地保障海洋開發(fā)利用,我國(guó)啟動(dòng)多個(gè)國(guó)家重大科研項(xiàng)目對(duì)海洋環(huán)境開展全面的探測(cè)和研究。海流是海洋環(huán)境要素之一,對(duì)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(lái)我國(guó)海洋環(huán)境探測(cè)和研究工作的重中之重。根據(jù)測(cè)流原理,測(cè)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(cè)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(cè)流工作,與傳統(tǒng)測(cè)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(cè)流設(shè)備[8]。

隨著ADCP在國(guó)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(guó)內(nèi)外檢定能力有限等問(wèn)題[9]。由于ADCP 構(gòu)造精密、造價(jià)較高和檢定較難[10],不適宜利用實(shí)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(guó)ADCP的應(yīng)用現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)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(jià)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(guò)計(jì)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(gè)典型特征[11];其借助聲、光和電等介質(zhì),通過(guò)向用戶提供感官模擬,使其產(chǎn)生身臨其境之感。 高級(jí)的 VR 技術(shù)被稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)技術(shù),其通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬場(chǎng)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(diǎn)

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(gè)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(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算、圖像生成、建模和視景渲染等功能,并實(shí)時(shí)處理用戶與虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)環(huán)境。

(3)中控系統(tǒng)主要包括視頻控制系統(tǒng)和信號(hào)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(hào)切換等工作,后者主要通過(guò)各路信號(hào)的實(shí)時(shí)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(jué)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(jì)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(jué)。

(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(shí)軟件。

VR技術(shù)有2種顯示方案：①實(shí)拍顯示,即利用現(xiàn)實(shí)世界的已有場(chǎng)景,將實(shí)拍內(nèi)容呈現(xiàn)在VR 設(shè)備上;②建模顯示,即利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)搭建3D場(chǎng)景,通過(guò)即時(shí)渲染的引擎,將每幀動(dòng)畫實(shí)時(shí)渲染出來(lái)(表2)。

表2 VR 技術(shù)的顯示方案

2 ADCP及其應(yīng)用難點(diǎn)

2.1 ADCP的工作原理

ADCP于20世紀(jì)70年代末面世,具備測(cè)量精度高、快速、高效、省時(shí)和省力等特點(diǎn),已逐漸成為目前最重要的測(cè)流設(shè)備之一,也是唯一的測(cè)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(huì)產(chǎn)生多普勒頻移[14],根據(jù)多普勒原理可計(jì)算水沿聲波方向移動(dòng)的速度,計(jì)算公式為：

式中：v為水沿聲波方向移動(dòng)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(duì)于地球坐標(biāo)系的絕對(duì)速度,計(jì)算公式為：

式中：v L為水流相對(duì)于地球坐標(biāo)系的絕對(duì)速度;v s為船速。

2.2 計(jì)量檢定難點(diǎn)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)水文條例》,水文監(jiān)測(cè)所使用的計(jì)量器具應(yīng)當(dāng)依法經(jīng)檢定合格[15]。國(guó)家相關(guān)計(jì)檢標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備提出周期檢定、檢測(cè)和校準(zhǔn)的要求,以保證設(shè)備實(shí)際使用的有效性以及觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。

ADCP對(duì)流向和流速的監(jiān)測(cè)檢定一般在湖泊、海域和室內(nèi)水池進(jìn)行,根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地的不同,可分為自身航行試驗(yàn)、同步比測(cè)試驗(yàn)和水槽拖車試驗(yàn)3種檢定方法[16]。其中,湖上試驗(yàn)存在選址難、可檢頻率有限和深層流速監(jiān)測(cè)難以保證等問(wèn)題,海上試驗(yàn)存在成本高、周期長(zhǎng)、比測(cè)標(biāo)準(zhǔn)儀器難以選擇和受環(huán)境影響較大等問(wèn)題,室內(nèi)試驗(yàn)存在對(duì)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(wèn)題[17]。

以300 k Hz以下ADCP的計(jì)量檢定業(yè)務(wù)為例,具備檢定能力的試驗(yàn)水池長(zhǎng)度動(dòng)輒百米,建設(shè)經(jīng)費(fèi)達(dá)億元。參考美國(guó)RDI公司的ADCP檢定方案,按第二類生產(chǎn)工時(shí)(檢定年時(shí)基數(shù)為1 800 h)估算,當(dāng)水池長(zhǎng)度分別為100 m、200 m、300 m 和400 m 時(shí),對(duì)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(guó)ADCP已超5 000套的情況下,1個(gè)試驗(yàn)水池在年工作時(shí)間內(nèi)的檢定能力極為有限,然而不計(jì)算設(shè)備折舊損耗或耗費(fèi)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(jì)量檢定業(yè)務(wù)。

2.3 使用維護(hù)難點(diǎn)

我國(guó)有超過(guò)5 000套ADCP應(yīng)用于各水文區(qū)域的測(cè)流工作,近年來(lái)自然資源部第三海洋研究所年均新增ADCP 超過(guò)1 000 套。由于ADCP 存在種類繁多、價(jià)值較高和傳感器易損壞等特點(diǎn),技術(shù)人員難以利用實(shí)物開展使用維護(hù)等實(shí)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(guó)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(guò)程中存在諸多注意事項(xiàng),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(yáng)光長(zhǎng)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(shí)際檢定過(guò)程中,“瑞江”的測(cè)量精度受船速影響,即船速越慢,測(cè)量精度越高。

3 ADCP仿真保障系統(tǒng)

ADCP保障業(yè)務(wù)包括計(jì)量檢定、使用維護(hù)和設(shè)計(jì)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(guò)程,利用VR 技術(shù)建設(shè)的ADCP仿真保障系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全過(guò)程參與(圖3)。

圖3 VR 技術(shù)參與ADCP保障業(yè)務(wù)的全過(guò)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(jì)算機(jī)仿真手段,對(duì)各型ADCP 的計(jì)量檢定、使用維護(hù)、設(shè)計(jì)制造和其他保障需求的全過(guò)程進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)的模擬平臺(tái);利用仿真模擬器對(duì)ADCP研發(fā)、試驗(yàn)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(shí)擁有與真實(shí)作業(yè)環(huán)境相似的感覺(jué),最終達(dá)到利用模擬作業(yè)替代真實(shí)作業(yè)的目的。

SESS由仿真試驗(yàn)訓(xùn)練中心系統(tǒng)和多個(gè)仿真試驗(yàn)訓(xùn)練子系統(tǒng)組成：①仿真試驗(yàn)訓(xùn)練中心系統(tǒng)主要以VR 技術(shù)為依托,對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行計(jì)量檢定和使用維護(hù)等操作訓(xùn)練;②仿真試驗(yàn)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(guò)在訓(xùn)練過(guò)程中不斷向技術(shù)人員進(jìn)行程序提示,實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢定過(guò)程的計(jì)量比測(cè)、操作過(guò)程的程序訓(xùn)練和研發(fā)過(guò)程的試驗(yàn)驗(yàn)證等功能(圖4)。

圖4 SESS的概念模型

SESS主要具有5項(xiàng)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(píng)判,即自動(dòng)評(píng)判技術(shù)人員的訓(xùn)練成績(jī),并詳細(xì)列出操作過(guò)程中存在的問(wèn)題;④檢定試驗(yàn),即實(shí)現(xiàn)原理構(gòu)造的同步模擬顯示,通過(guò)輸入待檢ADCP 的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)和系統(tǒng)分析結(jié)果,在仿真試驗(yàn)場(chǎng)開展仿真檢定試驗(yàn),從而完成ADCP計(jì)量檢定任務(wù);⑤科研驗(yàn)證,即在仿真試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)ADCP新技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,從而縮短研發(fā)周期和加快研發(fā)進(jìn)度。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)案例

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

圖5 ADCP換能器的仿真實(shí)驗(yàn)流程

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

3.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

SESS主要具有2項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

(1)較好地解決訓(xùn)練手段不足等問(wèn)題,同時(shí)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(shí)物,而ADCP 設(shè)備昂貴且易損,無(wú)法利用實(shí)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(wèn)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(duì)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(jì)算機(jī)仿真手段,因此在軟件維護(hù)升級(jí)、功能擴(kuò)展升級(jí)和加改裝升級(jí)時(shí),只需更換系統(tǒng)軟件包,便可自動(dòng)完成升級(jí)過(guò)程[18],可避免因計(jì)量檢定和技術(shù)驗(yàn)證等實(shí)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(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。以綜合水池的ADCP檢定業(yè)務(wù)為例,試驗(yàn)系統(tǒng)(包括廠房和設(shè)備)的折舊費(fèi)約為300萬(wàn)元/年,電力按試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為每小時(shí)數(shù)千元。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究分析近年來(lái)ADCP 在計(jì)量檢定和使用維護(hù)等保障能力方面的難點(diǎn),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(shì),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(shí)現(xiàn)ADCP計(jì)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(tái)綜合開發(fā)工具,其編輯器可在Windows 和Linux等多個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)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(duì)“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(lái)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(shí)國(guó)家倡議。