地震前兆重力观测站虚拟仿真实验系统建设*

邓淼 赵晓燕

1 防灾科技学院 河北廊坊 065201 2 河北省地震动力学重点实验室 河北廊坊 065201

0 引言

地震是地球内部物质运动和形变的反映，而地球时变重力场包含丰富的地球系统物质分布与运移信息，两者之间存在一定的相关性。时变重力资料可用来精确描述运动地块及其交接带的运动与变形特征，为地震预测和地震科学研究提供有效资料。目前获取重力观测数据的方法有很多，根据测量位置的不同，可以分为地面重力测量、地下重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星重力测量等。其中地震重力台站连续观测精度高，是获取时变重力信息最重要的方法之一[1-2]。因此，地震重力观测站实践教学一直是防灾科技学院地球物理学专业（地震监测方向）的专业核心实践课程之一[3]。

在以往的教学过程中发现学生在地震重力观测站实践教学环节中存在的一些共性问题：学生缺乏机械工程及电工电路方面相关知识，对重力仪内部结构和工作原理理解比较困难；由于校内实验场地有限、地震前兆重力观测环境要求高、台站重力实验设备昂贵等实验教学资源的限制因素，目前学校没有建设地震前兆重力观测台站供学生进行实验实习，而是通过到天津蓟县地震台、天津宝坻地震台、国家地球观象台等专业地震台站进行实践教学。虽然学生能够亲身体验地震监测一线工作环境，但由于地震台站工作的特殊性，学生不能进入地震重力观测洞室，无法接触到重力仪，不能进行仪器标定等操作，影响实验教学效果和学生专业动手能力的培养。

为了让学生能够更好地对地震重力观测场地选址建设与观测环境维护、重力仪工作原理、重力仪标定等有较为真实的感受，使理论与实验教学能够有机地融合，开发地震重力观测站虚拟仿真实验教学系统，解决地震前兆重力实验教学中实验过程不可逆、真实实验无法开展、实验设备短缺、实验考核单一等问题，让学生可以不受空间和时间限制学习，巩固课堂所学的理论知识，加强学生实验设计和实验操作能力的培养。

1 地震前兆重力观测站虚拟仿真实验系统设计原则

地震前兆重力观测站虚拟仿真实验教学系统是基于DPSP 过程仿真软件运行平台，以真实地震观测台站为原型构建的高度仿真地震前兆重力观测站。系统通过视觉和听觉的感官模拟，让学生如同身临其境一般进行实验，突出以学生为中心的教学思想。具体在系统设计与开发中，遵循以下原则。

1.1 开放性原则

采用面向服务的软件架构开发，建立协同服务器以配合计算服务器的运行，实现资源共享，给予学生最大的操作自由，保证学生能够随时随地通过浏览器访问使用系统资源仿真环境，不受时间和空间限制。

1.2 交互性原则

在虚拟中应具备较强的交互性。学生可以以接近真实环境的行为来进行控制操作，虚拟环境还能够对操作给予即时的反馈。

1.3 逼真性原则

地震前兆重力观测站虚拟仿真实验教学系统开发以真实台站为原型，综合运用虚拟现实、分布式交互仿真、三维建模、网络通信等技术，构建一个开放的三维虚拟仿真培训系统，对实验环境、实验器材、实验操作进行模拟，打造强烈的浸没感、真实感。

1.4 易懂便捷原则

地震前兆重力观测站虚拟仿真实验教学系统操作过程简单易用，对重要的基础性知识与技术有对应的学习模块，学生可以随时复习或学习，实验过程的数据输入和输出简洁，提高学生的体验感[4]。

2 地震前兆重力观测站虚拟仿真实验系统实验教学资源建设

地震前兆重力观测站虚拟仿真实验系统如图1所示。该系统分为多媒体学习模式和3D 漫游模式，设立重力地震台选址建设、重力地震台技术构成、重力地震台日常工作与数据处理和重力地震台站漫游四个模块，内嵌实验项目10 项，考核点22 个。

图1 地震前兆重力观测站虚拟仿真实验系统

2.1 重力地震台选址与建设

目前，台站重力观测是获取连续的重力固体潮与重力非潮汐变化信息，研究地震预测的重要手段之一，实践证明地震台站的选址建台直接决定了重力测量工作及观测数据质量。

本模块以《DB/T 39—2010 中华人民共和国地震行业标准 地震台网设计技术要求—重力观测网》《地震及前兆数字观测技术规范—地壳形变观测（试行）》等地震行业标准为基础，真实再现地震前兆重力观测站的场地选址条件、外界干扰避让标准和观测室内部实景等。学生通过多媒体动画学习地震重力观测站场地选址、仪器观测室、记录室和供电防雷等辅助设施建设行业标准，了解掌握地震重力观测站的建设环境要求、仪器观测室的结构特点，记录室技术设计、台站供电、避雷布局设计。重力地震台选址与建设内景如图2 所示。

图2 重力地震台选址与建设内景

2.2 重力地震台技术构成

地震台站连续重力观测是在固定台站安装相对重力仪，获取固定点相对重力加速度随时间连续变化的信息[5]。现阶段台站常用的重力仪有GS-15 重力仪、g-phone 重力仪（拉科斯特重力仪升级）、超导重力仪等。由于重力仪大部分是根据静力平衡原理设计和制造，所以本模块着重介绍拉科斯特金属重力仪和超导重力仪。重力仪工作原理讲解内景如图3 所示。

图3 重力仪工作原理讲解内景

任课教师在讲授重力仪工作原理时，面对不可拆卸的昂贵重力仪，可以利用虚拟仿真软件的重力地震台技术构成模块和重力地震观测站漫游功能，实现重力仪工作原理和重力仪标定真实情景再现。这样不仅可以帮助学生理解掌握重力仪工作原理的抽象概念，还可以解决授课方法落后的问题，解决了授课教师在重力仪讲解时看不见、摸不着、不好懂，学生学习积极性不高的问题。

2.3 重力日常工作与数据处理

地震重力观测台的日常工作包括观测数据分析、数据异常处理、资料报送和观测设备日常维护等。其中，对于观测数据要按照相关规定进行预处理上报，数据异常要进行及时调查核实，从仪器状态、环境气候变化和人为干扰等方面逐一分析核实，再考虑是否存在地震前兆、上报并落实异常。为保障重力仪的观测精度，定期对重力仪进行格值标定是一项非常重要的工作。任课教师在讲授重力数据处理时，可利用虚拟仿真软件的重力日常工作与数据处理模块中的各类异常案例进行讲解分析，增强学生的体验感。重力仪标定记录模拟操作如图4 所示。

图4 重力仪标定记录模拟操作

2.4 地震重力观测站虚拟仿真3D 漫游模块

地震重力观测站虚拟仿真3D 漫游模块是以天津蓟县地震台为原型构建，学生在学习重力地震台选址与建设、重力地震台技术构成、重力日常工作与数据处理三个模块的基础上，通过虚拟仿真场景的漫游功能进行观测山洞的体验。重力地震台3D漫游实景如图5 所示。

图5 重力地震台3D 漫游实景

为增加学生学习的主动性，3D 漫游模块设计为“探索闯关”游戏模式。学生进入系统后，会触发预设题目或任务，系统根据学生操作进行自动评判，学生可以及时发现错误操作，进行纠正和改进，完成后方可进入下一环节[6]。

3D 漫游模块首先检验学生学习效果。3D 漫游模块是从教学角度对前三个模块的总结，学生通过3D 漫游闯关答题，完成教学内容知识点的考核；其次通过三维仿真技术模拟真实的地震台站观测环境，加深了学生的感性认识和对课堂理论知识的理解和掌握，增强了学生对地震重力台站从选址建设到日常管理的了解。

3 结束语

地震前兆重力观测站虚拟仿真实验教学系统提供了全新的地震台站实践教学手段，彻底打破了空间、时间的限制，展示了传统教学中无法实现的教学过程。利用虚拟现实技术开展沉浸式教学探索，弥补传统实验教学的不足，实现资源共享，学生可以根据自身的学习需求，自主安排时间进行学习，提高了学生自主学习的主动性和求知欲，也提升了教学效率和教学质量。系统中考核功能较为完整地对学生掌握知识与技术的程度进行综合评价，督促学生更好地完成实验任务。地震重力观测站虚拟仿真实验教学系统的不断完善和升级，将为地震重力实践教学数字化建设提供指导，也为其他的地震前兆观测实践教学改革探索积累经验。