地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設*

鄧淼 趙曉燕

1 防災科技學院 河北廊坊 065201 2 河北省地震動力學重點實驗室 河北廊坊 065201

0 引言

地震是地球內(nèi)部物質運動和形變的反映，而地球時變重力場包含豐富的地球系統(tǒng)物質分布與運移信息，兩者之間存在一定的相關性。時變重力資料可用來精確描述運動地塊及其交接帶的運動與變形特征，為地震預測和地震科學研究提供有效資料。目前獲取重力觀測數(shù)據(jù)的方法有很多，根據(jù)測量位置的不同，可以分為地面重力測量、地下重力測量、海洋重力測量、航空重力測量、衛(wèi)星重力測量等。其中地震重力臺站連續(xù)觀測精度高，是獲取時變重力信息最重要的方法之一[1-2]。因此，地震重力觀測站實踐教學一直是防災科技學院地球物理學專業(yè)（地震監(jiān)測方向）的專業(yè)核心實踐課程之一[3]。

在以往的教學過程中發(fā)現(xiàn)學生在地震重力觀測站實踐教學環(huán)節(jié)中存在的一些共性問題：學生缺乏機械工程及電工電路方面相關知識，對重力儀內(nèi)部結構和工作原理理解比較困難；由于校內(nèi)實驗場地有限、地震前兆重力觀測環(huán)境要求高、臺站重力實驗設備昂貴等實驗教學資源的限制因素，目前學校沒有建設地震前兆重力觀測臺站供學生進行實驗實習，而是通過到天津薊縣地震臺、天津寶坻地震臺、國家地球觀象臺等專業(yè)地震臺站進行實踐教學。雖然學生能夠親身體驗地震監(jiān)測一線工作環(huán)境，但由于地震臺站工作的特殊性，學生不能進入地震重力觀測洞室，無法接觸到重力儀，不能進行儀器標定等操作，影響實驗教學效果和學生專業(yè)動手能力的培養(yǎng)。

為了讓學生能夠更好地對地震重力觀測場地選址建設與觀測環(huán)境維護、重力儀工作原理、重力儀標定等有較為真實的感受，使理論與實驗教學能夠有機地融合，開發(fā)地震重力觀測站虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，解決地震前兆重力實驗教學中實驗過程不可逆、真實實驗無法開展、實驗設備短缺、實驗考核單一等問題，讓學生可以不受空間和時間限制學習，鞏固課堂所學的理論知識，加強學生實驗設計和實驗操作能力的培養(yǎng)。

1 地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗系統(tǒng)設計原則

地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)是基于DPSP 過程仿真軟件運行平臺，以真實地震觀測臺站為原型構建的高度仿真地震前兆重力觀測站。系統(tǒng)通過視覺和聽覺的感官模擬，讓學生如同身臨其境一般進行實驗，突出以學生為中心的教學思想。具體在系統(tǒng)設計與開發(fā)中，遵循以下原則。

1.1 開放性原則

采用面向服務的軟件架構開發(fā)，建立協(xié)同服務器以配合計算服務器的運行，實現(xiàn)資源共享，給予學生最大的操作自由，保證學生能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問使用系統(tǒng)資源仿真環(huán)境，不受時間和空間限制。

1.2 交互性原則

在虛擬中應具備較強的交互性。學生可以以接近真實環(huán)境的行為來進行控制操作，虛擬環(huán)境還能夠對操作給予即時的反饋。

1.3 逼真性原則

地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)開發(fā)以真實臺站為原型，綜合運用虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真、三維建模、網(wǎng)絡通信等技術，構建一個開放的三維虛擬仿真培訓系統(tǒng)，對實驗環(huán)境、實驗器材、實驗操作進行模擬，打造強烈的浸沒感、真實感。

1.4 易懂便捷原則

地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)操作過程簡單易用，對重要的基礎性知識與技術有對應的學習模塊，學生可以隨時復習或學習，實驗過程的數(shù)據(jù)輸入和輸出簡潔，提高學生的體驗感[4]。

2 地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗系統(tǒng)實驗教學資源建設

地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)分為多媒體學習模式和3D 漫游模式，設立重力地震臺選址建設、重力地震臺技術構成、重力地震臺日常工作與數(shù)據(jù)處理和重力地震臺站漫游四個模塊，內(nèi)嵌實驗項目10 項，考核點22 個。

圖1 地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗系統(tǒng)

2.1 重力地震臺選址與建設

目前，臺站重力觀測是獲取連續(xù)的重力固體潮與重力非潮汐變化信息，研究地震預測的重要手段之一，實踐證明地震臺站的選址建臺直接決定了重力測量工作及觀測數(shù)據(jù)質量。

本模塊以《DB/T 39—2010 中華人民共和國地震行業(yè)標準 地震臺網(wǎng)設計技術要求—重力觀測網(wǎng)》《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范—地殼形變觀測（試行）》等地震行業(yè)標準為基礎，真實再現(xiàn)地震前兆重力觀測站的場地選址條件、外界干擾避讓標準和觀測室內(nèi)部實景等。學生通過多媒體動畫學習地震重力觀測站場地選址、儀器觀測室、記錄室和供電防雷等輔助設施建設行業(yè)標準，了解掌握地震重力觀測站的建設環(huán)境要求、儀器觀測室的結構特點，記錄室技術設計、臺站供電、避雷布局設計。重力地震臺選址與建設內(nèi)景如圖2 所示。

圖2 重力地震臺選址與建設內(nèi)景

2.2 重力地震臺技術構成

地震臺站連續(xù)重力觀測是在固定臺站安裝相對重力儀，獲取固定點相對重力加速度隨時間連續(xù)變化的信息[5]?，F(xiàn)階段臺站常用的重力儀有GS-15 重力儀、g-phone 重力儀（拉科斯特重力儀升級）、超導重力儀等。由于重力儀大部分是根據(jù)靜力平衡原理設計和制造，所以本模塊著重介紹拉科斯特金屬重力儀和超導重力儀。重力儀工作原理講解內(nèi)景如圖3 所示。

圖3 重力儀工作原理講解內(nèi)景

任課教師在講授重力儀工作原理時，面對不可拆卸的昂貴重力儀，可以利用虛擬仿真軟件的重力地震臺技術構成模塊和重力地震觀測站漫游功能，實現(xiàn)重力儀工作原理和重力儀標定真實情景再現(xiàn)。這樣不僅可以幫助學生理解掌握重力儀工作原理的抽象概念，還可以解決授課方法落后的問題，解決了授課教師在重力儀講解時看不見、摸不著、不好懂，學生學習積極性不高的問題。

2.3 重力日常工作與數(shù)據(jù)處理

地震重力觀測臺的日常工作包括觀測數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)異常處理、資料報送和觀測設備日常維護等。其中，對于觀測數(shù)據(jù)要按照相關規(guī)定進行預處理上報，數(shù)據(jù)異常要進行及時調(diào)查核實，從儀器狀態(tài)、環(huán)境氣候變化和人為干擾等方面逐一分析核實，再考慮是否存在地震前兆、上報并落實異常。為保障重力儀的觀測精度，定期對重力儀進行格值標定是一項非常重要的工作。任課教師在講授重力數(shù)據(jù)處理時，可利用虛擬仿真軟件的重力日常工作與數(shù)據(jù)處理模塊中的各類異常案例進行講解分析，增強學生的體驗感。重力儀標定記錄模擬操作如圖4 所示。

圖4 重力儀標定記錄模擬操作

2.4 地震重力觀測站虛擬仿真3D 漫游模塊

地震重力觀測站虛擬仿真3D 漫游模塊是以天津薊縣地震臺為原型構建，學生在學習重力地震臺選址與建設、重力地震臺技術構成、重力日常工作與數(shù)據(jù)處理三個模塊的基礎上，通過虛擬仿真場景的漫游功能進行觀測山洞的體驗。重力地震臺3D漫游實景如圖5 所示。

圖5 重力地震臺3D 漫游實景

為增加學生學習的主動性，3D 漫游模塊設計為“探索闖關”游戲模式。學生進入系統(tǒng)后，會觸發(fā)預設題目或任務，系統(tǒng)根據(jù)學生操作進行自動評判，學生可以及時發(fā)現(xiàn)錯誤操作，進行糾正和改進，完成后方可進入下一環(huán)節(jié)[6]。

3D 漫游模塊首先檢驗學生學習效果。3D 漫游模塊是從教學角度對前三個模塊的總結，學生通過3D 漫游闖關答題，完成教學內(nèi)容知識點的考核；其次通過三維仿真技術模擬真實的地震臺站觀測環(huán)境，加深了學生的感性認識和對課堂理論知識的理解和掌握，增強了學生對地震重力臺站從選址建設到日常管理的了解。

3 結束語

地震前兆重力觀測站虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)提供了全新的地震臺站實踐教學手段，徹底打破了空間、時間的限制，展示了傳統(tǒng)教學中無法實現(xiàn)的教學過程。利用虛擬現(xiàn)實技術開展沉浸式教學探索，彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足，實現(xiàn)資源共享，學生可以根據(jù)自身的學習需求，自主安排時間進行學習，提高了學生自主學習的主動性和求知欲，也提升了教學效率和教學質量。系統(tǒng)中考核功能較為完整地對學生掌握知識與技術的程度進行綜合評價，督促學生更好地完成實驗任務。地震重力觀測站虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的不斷完善和升級，將為地震重力實踐教學數(shù)字化建設提供指導，也為其他的地震前兆觀測實踐教學改革探索積累經(jīng)驗。