气象观测业务的远程开放教育研究

    王新舒 李兴华 齐丽君 蔺汝罡 林弘杰 吴昊

    

    

    

    【摘要】? ? 着眼于内蒙古自治区狭长的地域特性,内蒙古境内高空层气象观测设备布设位置东西跨度很大、业务实际情况、业务人员素质、业务培训及远程培训的现状,探讨开展新形式远程培训的必要性及迫切性。构想培训课程模块,展望利用远程视频授课、“天气雷达定标控制器”及虚拟现实技术驱动远程气象观测业务培训,推进“自主学习、虚拟实训、虚拟考核”,无经验业务人员实现自主学习、业务开展预学习,有经验业务人员自由学习、工作中巩固复习等多种方式的气象装备保障理论与实践培训新模式。立足于提升盟(市)及高空层站一线业务人员对高空层气象观测设备的保障维修能力,从而提升维修时效性,并通过业务人员在培训后实际工作中表现评估培训效果以不断优化气象远程开放教育模式。

    【关键词】? ? 气象远程开发教育? ?虚拟现实技术? ? 观测业务? ? 高空层气象观测? ? 装备保障

    Research on distance education of meteorological observation

    ——Taking the Observation Service of High Altitude in Inner Mongolia Autonomous Region as an Example

    Abstract: Focusing on the long and narrow geographical characteristics of the Inner Mongolia Autonomous Region, the location of high-altitude meteorological observation equipment in Inner Mongolia has a large east-west span, actual business conditions, business training and remote training status, and explore the necessity and urgency of developing new forms of remote training. Looking forward to using virtual reality technology to drive remote training to achieve “self-learning, virtual training, virtual assessment”, new personnel engaged in this business can realize self-directed learning, pre-learning for business development, and experienced business personnel can learn freely and consolidate review at work, etc. A new model of weather equipment support training in multiple ways. Based on improving the ability of the first-line business personnel of the league (city) and high-altitude stations to guarantee the high-altitude observation equipment, thereby improving the timeliness of maintenance.

    Keywords: Distance education, Virtual reality technology, Observation business, High-altitude observation, Equipment support

    引言

    内蒙古自治区地域辽阔,呈狭长形,东西长约2400公里,南北最大跨度1700多公里。本文结合由10个天气雷达站和12个探空雷达站组成的高空层观测站(后文简称:观测站),观测站地处偏远且各站之间相距甚远。高空层气象观测设备的良好运行状态是确保高空层气象观测业务有序开展最根本保障。全区高空层气象观测设备维护的业务工作所需的人力和物力比较巨大,但目前内蒙古自治区级从事高空层气象观测设备维护的人员仅有6人,当2个及以上高空层气象观测站需要紧急维修情况人员无法兼顾,且地处偏远交通不便无法保证维修时效,而部分高空层观测站业务人员存在流动较大的情况,省级技术保障部门虽尝试开展“以工代培”方式提高盟(市)及雷达站保障人员的业务保障能力,但成本较为高昂,故常规性开展高空层气象观测设备远程培训加强盟(市)及雷达站业务人员的保障能力尤为重要。面对全球新冠疫情的形势下,形式多样的高空层气象观测远程培训对于提高盟(市)及雷达站人员的保障能力的重要作用日益凸显。

    一、高空层气象观测业务及培训现状

    高空层气象观测系统具体情况为天气雷达站网和GFE(L)—1型二次测风雷达站网(又称高空气象观测站)。

    1.1天气雷达站

    天气雷达站为探测大气中气象要素,以及云、降水、风等天气现象而布设的气象雷达和满足设备运行环境要求的设施及其空間构成的总称。

    天气雷达以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气,特别是中小尺度灾害性天气监测预警等方面极为有效的工具。可提高对暴雨、冰雹、雷暴、飑线、中尺度气旋、湍流、龙卷风等灾害性天气的监测、预警,提高预报时效;通过雷达监测提供实时大气监测信息,为开展人工影响天气作业、充分利用和开发空中云水资源,为抗旱、防雹和改善生态环境等科学决策提供依据。

    天气雷达的技术发展:最初的天气雷达、新一代多普勒天气雷达(10个)、双偏振雷达、相控阵技术雷达。本章节中以新一代天气雷达站为案例分析,图1为内蒙自治区新一代天气雷达站系统分布情况,图2为全国新一代天气雷达站拼图,对比图1和图2可以看出内蒙古自治区境内雷达站相较于其他省份雷达分布地域跨度更大。内蒙古自治区境内的天气雷达以CINRAD/CB及CINRAD/CD型号为主。

    1.2高空气象观测站 (12个)

    高空气象观测站利用气象气球或由气象气球携带的探空仪等仪器对自由大气进行观测,并利用地面设备跟踪、接收和处理高空气象要素的气象观测站。全区共建有高空气象观测站12个。其中,海拉尔和二连浩特是GCOS(全球气候观测系统)探空站。由图3高空气象观测站网分布可看出各站间地域跨度之大。

    1.3高空气象观测业务调研

    高空层观测业务作为气象观测一项重要基础性的业务,以往观测站技术保障人员更多的依靠省级部门技术人员在业务巡检及“以工代培”过程中传授相关的理论、经验。

    雷达站调研结果表明:在实际业务中,高空观测业务人员实际工作经验丰富,依靠经验丰富的同事“传帮带”以及省级技术保障部门“以工代培”的模式熟悉业务内容及流程。盟(市)和基层雷达站业务人员获取岗位技能的渠道狭隘以及培训不足,经验丰富的业务人员年龄老化严重、偏远地区新进人员不足及有经验业务人员流失可能导致业务断层的情况,大部分基层业务人员专业素质较差,不具备系统性高空气象探测理论基础及业务规范知识储备、操作流程不规范、不完全掌握数据处理方法和质量控制、常见故障自行判断不准确并且处理故障较困难等情况,以上情况的长期存在会导致高空气象观测设备使用效益较差、业务传承不规范及完整性较差而引起的安全生产等问题,不明白观测数据误差的来源及资料信息的应用,需要通过周期性岗位培训等途径充实业务知识、提高岗位技能、提升综合素质,以便达到气象雷达应用效益最大化。

    装备保障维修和故障排除是在气象雷达装备保障中的最关键环节,目前内蒙古对于新一代天气雷达及GFE(L)—1型二次测风雷达装备保障维修和故障排除的主要方案,其一是依托内蒙古境内运行监控业务系统实时对雷达的状态进行监控,出现故障时通过企业公众号按照故障等级情况分级通知相应技术保障人员,台站人员无法判断故障点而向省级技术保障人员进行询问在省级技术人员远程指导下修复,若远程指导无法修复则省级技术人员前往现场修复。现场维修所需的时间则会根据高空层站的地理位置不同而有长短差异,对于维修时效性有一定的影响。方案一无法修复雷达正常运行情况下,采取方案二。方案二是依托雷达生产厂家技术人员远程指导或现场维修,雷达厂家技术人员负责全国境内雷达的保障维修,无法保障内蒙古自治区境内雷达维修的时效性。

    如何实现故障的快速精准诊断和维修对于观测业务有序高效开展至关重要。目前内蒙古对高空气象观测业务培训的主要方法,其一是制定维修操作手册供使用人员查阅参考,这种方法存在资料查询不方便、无法提供实施联动式帮助、延误维修时间等缺陷;而采用实际装备进行维修操作训练又容易对装备带来不必要的损耗,且难以覆盖某些精密、贵重仪器设备的维修[10]。其二是在巡检过程中“以工代培”的方式。

    高空层气象观测设备价格高昂、操作流程繁琐、规范精准操作要求较高。对于长期从事该项业务但无完整正确认知的业务人员、西部地区基层台站人员、新进业务人员,远程培训是解决构建业务人员理论体系及业务规范的缺乏系统性问题最有效手段,并减小培训条件及资金限制等问题的一种新型途径,有着不受时间、空间的限制,时效快、受训面广、效益高等优势。目前实现操作能力的远程培训方式需不断探索及创新,前沿科技的发展为推动新型远程培训模式提供了技术支撑,以提高工作效率和高空层气象观测设备的应用效益。

    二、高空层气象观测远程培训的现状及影响

    2.1远程培训建设依据

    根据《气象远程学习资源建设规范》指导思想中指出:气象远程教育是气象部门全员在职培训学习的重要途径,承担着为气象事业的发展培养人才、提高素质、更新知识、推广技术的重大责任。气象远程学习资源的开发与建设是气象远程教育培训中的一项基础性、长期性工作。在中国气象局实施气象“人才强局”战略中,国家级和省级气象培训中心作为最重要的气象人才成长的摇篮地位是不可动摇的,且拥有独特地位。首先,远程教育方式实现教育资源的共享、丰富教学资源、提高培训效率;其次,发展远程教育有利于加快行业技术成果的推广速度,缩短新技术应用周期;最后,远程教育可为面授培训打牢基础,提高面授培训的质量和效益。

    中国气象局“健全教育培训体系——改革思路”,按集约化原则,集中人力、物力、财力,重点建设国家级和少而精的区域级培训基地;按开放式要求,建立部门培训基地与国内外教育资源有机结合的新型培训体系,满足气象事业发展对人才的需求,完善教育培训制度;按照全员培训和全程培训的要求,实施大规模在职培训,每5年轮训一次全国业务技术和业务管理人员。加强与多轨道研究型业务及现代化建设相适应的新知识、新技术培训,加强自动化观测、新一代天气雷达等培训工作。

    远程教育在现有形式上还需依靠科技开拓远程培训形式,并充分探索培训前沿领域、引领培训方向、完善培训需求、细化远程内容。

    2.2高空氣象观测业务远程培训

    《常规高空气象观测业务规范》对高空气象探测技术人员岗位明确要求:必须具备良好的职业道德,掌握常规高空气象探测所需的基础理论和方法,熟练掌握实际业务运行的高空气象探测系统装备的基本工作原理、操作、检测、维修、校准方法,必须持有中国气象局考核颁发的高空气象探测岗位证书。同时要求对探测资料进行质量控制,要按照设备技术手册的要求安装、维护、定期检定探测设备,确保探测质量;做好探测人员的技术培训工作;严格执行业务规章制度和质量考核办法。新进人员有进行上岗培训的需求。地面高空观测业务一体化转岗人员也有进行业务培训的需求。

    内蒙古自治区气象干部培训中心远程培训科于2018年、2020年举办“内蒙古高空层气象观测远程培训班”及“高空气象观测远程在线考试”,覆盖了省级部门相关业务领导及技术人员、全区各盟(市)及高空层站相关业务人员。通过远程培训学习平台,相关业务人员系统性地了解高空层气象观测现状及发展趋势、掌握地球大气基本特征、高空层气象观测主要和附属设备、高空层气象观测数据处理方法、高空层气象观测使用软件、高空层气象观测新技术、高空层气象观测业务规范和管理制度等。依据所有参加课程人员的最终学习情况,统计得出该门课程完成率达到90%,考试通过率分别为43.42%(2018年)、35.6%(2020年),说明了该项业务对于远程培训理论与实践的周期性培训必要性及迫切需求。目前基于该业务的远程培训形式较为单一,即通过视频录播课程使学员整体认知该项业务原理及流程,通过课程完成率及考试通过率来看,课程培训效果不佳。远程培训课程采用中国气象局干部培训学院统一“高空气象观测”课程,该课程所可作为该项业务的新进业务人员岗前培训内容之一。

    近年来省级部门并未开展新一代天气雷达理论相关远程培训,仅由省级探测中心选派部门新进人员到厂家培训。

    三、高空层气象观测远程培训展望及对业务影响

    3.1远程培训模块构想

    针对高空气象观测岗位实际需求,构建满足高空气象观测岗位需求的培训课程体系以提升岗位能力。为满足不同层次的培训需求、满足不同型号雷达业务需求,促进高空气象观测业务的有序健康发展,可从以下几个方面创建远程培训模式:

    一、岗前培训班。对具备气象基础知识专业本科及以上的新进人员及5年以下工作经验无上岗资质的人员开展培训。针对高空气象观测业务:设置高空气象探测基础与业务规范、高空气象探测系统及实训、高空气象探测设备维护维修三大模块。具体包括高空气象探测基础、业务规范流程、制氢与充灌气球、维护与维修等方面加强理论知识技能,着重于理论基础的培训;并重高空气象探测系统软件仿真、充放球及瞬间观测、应急接收系统、L波段雷达、光学测风经纬仪系统等方面的操作实训;针对新一代天气雷达业务,电子与微波基础、雷达系统原理及测量实验设备使用、天气雷达定标业务规范、天气雷达维护维修等模块。主要从电子微波基基础理论概念、雷达系统原理、测量设备(信号发生器、频谱分析仪、功率计、示波器)简易原理及测试步骤、业务规范、维护维修(常出现故障备件等)等方面夯实基础理论,并开设相关软件测量原理及操作步骤培训。

    二、业务技能提高班。高空气象观测业务,主要针对综合保障岗的人员进行培训,开设高空气象探测基础、高空气象探测系统、高空气象探测设备维护维修三大模块。主要从新型高空气象探测系统、疑难记录的处理、无线电基础、仪器设备维护与维修等方面加强理论知识技能;着重于特殊记录的处理、高空气象观测系统的日常维护、仪器设备常见故障维修及应急处理等方面的操作实训;新一代天气雷达主要面向天气雷达实际业务维护机务员进行培训,开设天气雷达原理及系统、天气雷达维护维修、多普勒雷达图识别基础。主要从多普勒天气雷达原理、新一代天气雷达定标技术等方面加强业务流程梳理,着重于天气雷达定标维护操作、测量仪器设备使用、常见故障维修及应急处理等操作实训。

    三、利用由内蒙古自治区大气探测技术保障中心已研制“天气雷达远程定标控制器”开展新一代天气雷达业务流程培训,该设备可以实现中国气象局天气雷达测量及定标要求的机内测量与定标、机外测量与定标、静态参数监测、历史曲线查询、部分测试定标数据智能计算输出、系统定标报表输出并满足中国气象局测试报表格式要求。实现雷达远程控制是提高保障时效性至关重要的方法,并提供了发现雷达故障隐患的一种途径,是一种新颖和实用的定标控制系统。研制GFE(L)—1型二次测风雷达远程维修标定的设备。

    四、展望虚拟现实、VR\MR等先进的技术手段,在条件允许情况下建立仿真实训、装备维修训练等系统作为培训的辅助手段,在操作流程复杂或容易发生危险的项目操作前,事先进行虚拟训练可以大幅降低保障及维修风险,提高业务人员保障技能。虚拟现实技术培训突破了设备保障维修在时间、空间上的制约,可逼真展现设备,通过仿真操作过程,还能为规划维修任务、配置保障人员、选择修理工具、确定拆装顺序、预留维修空间和预计保障费用等提供辅助决策[8]。

    丰富气象远程培训模式是前提,培训教材、精品网络课程、辅助培训系统建设是最重要的展现手段。培训教材的建设,内容需准确性、完整性、针对性、实用性、先进性、扩展性,基于一线业务人员使用方便、查找快捷、实际业务匹配,大范围基层业务培训使用。精品网络课程的构建需更紧密结合内蒙古自治区雷达装备型号、故障频发点、业务人员雷达知识及业务流程盲点等针对性内容。辅助培训系统的研制应充分考虑到本区域内特色。

    在课程模块设置及课程资源建设过程中,应充分考虑影响培训效果的因素,并建立精准的培训评估体系,为不断优化培训课程模块及培训资源提供有力依据。

    远程培训理论课程因其不受空间、时间的限制,为促进高空气象观测业務的发展,根据情况对业务人员周期性理论基础培训,夯实理论基础以促进业务人员在保障维修过程中熟练度及解决雷达故障综合能力。

    3.2天气雷达远程定标控制器助力天气雷达远程业务培训

    天气雷达远程定标控制器由软件系统及硬件系统组成。可实现雷达远程机内测量与定标、机外测量与定标、静态参数监测、历史曲线查询、部分测试定标数据智能计算输出、系统定标报表输出并满足中国气象局测试报表格式要求。通过雷达站RDA计算机的网络系统传输到远程定标计算机,提供必要的测量与定标数据。远程定标计算机调取数据、图像生成所需数据监测实况、历史数据曲线、定标报表等。实现雷达远程控制是提高保障时效性至关重要的方法,并提供了发现雷达故障隐患的一种途径,是一种新颖和实用的定标控制系统。

    软件界面中菜單包含系统管理、机外参数标定、机外标定控制、仪器软面板和远程桌面,有测试指标的详细测试流程图;当开始测试后,在执行测试流程时业务人员可按信息提示进行测量流程操作;并有测量使用的相关仪器仪表设置步骤,业务人员不仅可以熟悉业务流程同时可进行相关指标测量及定标的操作,可有效避免业务人员因遗忘而引起机内与机外的测量和定标项目不完整的情况,该设备可作为培训此项业务的重要手段之一。

    3.3虚拟现实技术驱动远程培训

    随着前沿科技的发展,虚拟现实技术在各行各业中广泛应用。虚拟现实(Virtual Reality,VR)是一种高端人机接口,通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多种感觉通道进行实时模拟和实时交互,通过创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统技术。人可以感受到虚拟环境中的对象,虚拟环境也可以感受到人堆它的各种操作,能够使人与虚拟环境之间进行多维信息的交互,VR可以使人从定性和定量综合集成的虚拟环境中获得对客观世界、客观事物的感性及理性认识,进而对某些概念进行深化。虚拟现实技术能够创建于现实社会类似的环境,更容易解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求,从而弥补多媒体技术的不足。虚拟现实技术通过情景化学习、协作学习、模拟实训、远程教育等多种手段,有效地营造一个跟随技术发展的教学环境,提高学员掌握知识、技能的效率,优化教学过程、提高教学质量、调动学员的学习积极性、突破教学重点、难点的作用。训练演练类虚拟现实系统可以应用与难以获得操作对象或实操成本极高的领域。随着技术的发展,MR技术实现数字虚拟对象与现实世界对象共存的可视化环境,并能够使用户在对现实世界正常感知的基础上构建虚拟与现实世界的交互反馈回路,达到虚拟世界与现实世界及时与深度的互动。

    3.4混合现实技术(MR)在高空层气象观测业务中未来应用

    利用混合现实技术(MR=VR+AR=虚拟世界+数字化信息+真实世界),结合本区域境内高空气象观测设备型号(GFE(L)—1型二次测风雷达及水电解制氢设备;CINRAD/CB、CINRAD/CD型天气雷达;测试雷达所需的仪器仪表)开发有针对性的虚拟仿真实训系统,获取实际天气雷达及GFE(L)—1型二次测风雷达站的三维数据,并建立相应台站的虚拟环境模型以打造逼真的台站环境,虚实融合、深度互动、异时空场景共存等特点,可将位置不同的学习者的虚拟影像耦合连接在同一个在线虚拟的环境中。以实现高空层气象装备的业务流程操作、安装拆卸、维修维护、故障案例库、操作实训考核等教学内容提供了一体化的技术支撑,并可检验高空层气象观测远程理论培训班的培训效果,增强技术人员实践能力。以达到自由学习、虚拟实训、虚拟考核,满足不同类型业务人员需求。新从事该业务的人员实现自主学习、业务开展预学习、虚拟考核,有经验的业务人员自由学习、工作中巩固复习等多种方式的气象装备保障培训新模式,偏远地区基层台站人员及时准确地获取新技术和培训。

    气象装备保障新培训模式不仅避免在实操培训中对于实际业务运行的高空层气象观测设备损坏的潜在危险,推广便捷、培训效率有所提高并长远来看降低了培训成本,对于解决高空层气象观测装备等仪器装备实操培训有着积极的推动作用。

    3.5高空层气象观测远程培训对该业务促进

    高空层气象观测业务作为一项基础性业务,长期性、周期性的远程培训必不可少,以解决现场实操培训的局限性。通过不断培养高空层站业务人员自主远程学习及虚拟实训,加强基础理论学习、业务流程、业务规范和管理制度学习,并结合虚拟实训提升高空层站业务人员实操能力。建立实时培训评价体系,科学合理的评估远程培训对参与培训业务人员在实际工作中业务能力提升维度(提升高空层站业务人员对于高空层气象观测设备保障能力、缩短故障诊断及维修时间、在一定程度上提升维护维修的时效性),不断优化高空层气象观测业务远程培训体系。

    四、总结

    目前全球疫情肆虐,远程培训的重要性日益凸显,网络技术及虚拟现实技术的深度发展、普及对于促进远程培训方面起着至关重要的技术推动作用。气象远程培训现状发展虽有一定规模,但仍需紧跟科技手段更新而相应推陈出新,以更加有力的方式促进业务发展、业务人员理论及技能提升。高空气象层观测业务是气象观测业务的最重要组成部分,是实现“监测精密、预报精准、服务精细”的最重要的第一步。将远程培训与高空气象观测业务的有机结合,助力推进气象现代化建设、提升信息化水平,为提高气象服务经济社会高质量发展的能力和效益做出一定的贡献。

    参? 考? 文? 献

    [1] 刘军 夏德奇 刘伟.2018. 远程教育中优质学习资源建设分析+——以气象远程培训为例[J].科技创新导报:138-139.

    [2]樊军武,汤岳华,朱文欣.气象远程培训效果实证研究[J].中国职工教育:34-35.

    [3] 宋建斌.2016.虚拟现实技术在教育中的应用现状与发展前景[EB/OL].[2016-04-28] https://blog.csdn.net/qq_27443279/article/details/51100336?utm_medium=distribute.pc_aggpage_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_v2~rank_v28-11-51100336.nonecase HYPERLINK

    [4]荆国栋.虚拟现实在气象培训中的应用[N].2020.11.

    [5]唐伟国.面向高空气象观测岗位构建培训课程模块[J].教育教学:

    [6] 中国气象局《常规高空气象观测业务规范》,2010.11,气象出版社

    [7]潘志祥/李艾卿《高空气象观测》,2013.4,气象出版社

    [8]唐伟国,黄利群,杨忠全,罗雪玲,张鸿.高空气象观测岗位培训模块化课程开发研究[J].天文与地理,2016(3):216-217.

    [9] 马景奕.基于3D虚拟现实技术的雷达维修虚拟培训系统设计[J].计算机测量与控制,2020,11(28):242-246.

    [10] 贾丽,杜浩,李梓,尹航,周桃.基于虚拟现实技术的装备维修训练系统设计[J].信息技术,2019.08.