高度集成的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)交互平臺(tái)在人因工程驗(yàn)證中的應(yīng)用

桑 瑋，宋 霏，張淑慧

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

0 引言

核電廠人因工程驗(yàn)證是確保電廠安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的重要手段，完善的人因工程驗(yàn)證，也是通過(guò)核安全審評(píng)的必要條件。對(duì)于新建核電廠，受實(shí)際工程建設(shè)進(jìn)度和技術(shù)條件的限制，早期人因工程驗(yàn)證和分析主要依賴紙板模型和紙筆計(jì)算，工作效率低下，且在處理多尺寸或者系統(tǒng)性問(wèn)題上難以進(jìn)行全面地平衡考慮。在沉浸式交互分析子平臺(tái)開(kāi)發(fā)前，作者所在公司已經(jīng)嘗試用商業(yè)軟件（例如：Sketch up、AutoCAD和Micro station等軟件）進(jìn)行基于三維模型的人因工程驗(yàn)證，主要應(yīng)用于控制室區(qū)域的設(shè)計(jì)。但為了支持基于三維模型的人因工程分析在全廠范圍內(nèi)高效實(shí)施，最終選擇自主研發(fā)沉浸式交互分析子平臺(tái)。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起為人因工程驗(yàn)證提供了更大的可能性和幫助，這一技術(shù)可以讓還只是設(shè)計(jì)階段的設(shè)備或廠房直接呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)者的眼前，讓設(shè)計(jì)和分析人員以正確的比例觀察設(shè)計(jì)的對(duì)象并與其互動(dòng)。高度集成的沉浸式交互驗(yàn)證平臺(tái)正是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，搭建了短周期、覆蓋全廠、多功能的原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)；同時(shí)，考慮直接采用商用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件環(huán)境不能快速、實(shí)時(shí)和高效地支持人因工程驗(yàn)證，所以在沉浸式交互驗(yàn)證平臺(tái)中進(jìn)行大量軟件專業(yè)模塊的開(kāi)發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)交互、定制界面設(shè)計(jì)和快速驗(yàn)證等功能。

1 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

1.1 平臺(tái)選型

通常虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)上的應(yīng)用被分成兩大形式：一種是以諸如Unity、Virtools、Unreal等實(shí)時(shí)多邊形引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的交互應(yīng)用；另一種則是基于Delmia、Jack這類工業(yè)驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算驗(yàn)證。

前者由于其開(kāi)發(fā)的靈活性，通過(guò)使用實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，可以很輕易地實(shí)現(xiàn)直接的人機(jī)交互，用戶以第一人稱的視角來(lái)觀看待驗(yàn)證的對(duì)象，并以自然的動(dòng)作快速地與目標(biāo)進(jìn)行互動(dòng)，能夠處理大規(guī)模模型和實(shí)時(shí)的動(dòng)作序列。但這種方式的缺點(diǎn)則在于：

1）模型依賴多邊形技術(shù)，若存在高精度分析需求，其尺寸精確性無(wú)法得到保障。

2）通常需要按照特定驗(yàn)證需要開(kāi)發(fā)專用的應(yīng)用，泛用性受到限制。

3）獨(dú)立開(kāi)發(fā)的人因分析模塊，其性能一般無(wú)法達(dá)到專業(yè)的商用軟件。

后者通常能夠直接使用設(shè)計(jì)圖紙，泛用性較好，且基于曲面或?qū)嶓w的模型以及專業(yè)的商用人因模塊，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供更為完善和精確的結(jié)果。但是，由于這類軟件設(shè)計(jì)本身是針對(duì)離線驗(yàn)證的，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)類系統(tǒng)沒(méi)有有效的支持，即使使用一些第三方的中間件，也很難獲得理想的實(shí)時(shí)動(dòng)作和直觀的交互，且其驗(yàn)證的效率非常低，也不支持針對(duì)性的二次開(kāi)發(fā)，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。

圖1 沉浸式交互平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality platform architecture

為此本平臺(tái)從大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求出發(fā)，利用不同虛擬現(xiàn)實(shí)方案的優(yōu)點(diǎn)，提供了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一套集成的快速人因工程驗(yàn)證裝置，在數(shù)據(jù)泛用性、人機(jī)交互易用性上均具有優(yōu)勢(shì)，且能夠兼顧動(dòng)態(tài)驗(yàn)證效率和驗(yàn)證精確性，足以支持大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

子平臺(tái)采用了支持虛擬現(xiàn)實(shí)的專業(yè)引擎，配合全身跟蹤等多款軟件或插件，采用各模塊高度獨(dú)立的系統(tǒng)架構(gòu)，支持場(chǎng)景動(dòng)態(tài)模型管理并提供了高效可靠的底層數(shù)據(jù)處理功能。同時(shí)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下交互設(shè)備和環(huán)境的特點(diǎn)，定制開(kāi)發(fā)了需要重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能和交互模式。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.3 軟硬件集成

沉浸式交互驗(yàn)證平臺(tái)以L型兩通道的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，主要設(shè)備包括：主動(dòng)立體投影機(jī)、主動(dòng)立體眼鏡和手柄、機(jī)械框架、背投立幕/正投地幕、圖形工作站、視頻矩陣、不間斷電源、音響系統(tǒng)、全身跟蹤和數(shù)據(jù)手套等。通過(guò)對(duì)主動(dòng)立體投影及全身跟蹤套件等設(shè)備的集成，為用戶營(yíng)造一個(gè)高度集成的沉浸式交互環(huán)境。硬件布置示意如圖2所示，功能示意如圖3所示。

在此軟硬件基礎(chǔ)上，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

顯示功能：將核電廠PDS模型進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的三維顯示，通過(guò)交互設(shè)備可以調(diào)用系統(tǒng)部件后臺(tái)物理和建模信息，并實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)的圖形化實(shí)時(shí)顯示。

圖2 實(shí)體布置示意Fig.2 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality platform

圖3 沉浸式交互分析平臺(tái)示意Fig.3 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality analysis platform

交互功能：通過(guò)包括操作手柄和全身跟蹤在內(nèi)的交互設(shè)備，可以進(jìn)行核電廠的自由/固定瀏覽，支持設(shè)備的操作和顯示控制，實(shí)現(xiàn)沉浸式的核電廠任務(wù)情景感知，同時(shí)具備基礎(chǔ)性模型層面的操作功能。

數(shù)據(jù)通信功能：通過(guò)數(shù)據(jù)和信息中心，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)模型的讀取、PC端通過(guò)Web服務(wù)和模型的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，以及沉浸式模型和設(shè)計(jì)分析器的實(shí)時(shí)雙向通信功能。

人因驗(yàn)證功能：平臺(tái)支持創(chuàng)建國(guó)標(biāo)各百分位的人體模型的驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)人體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如視野范圍、可達(dá)性和噪聲等進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中的人員效能分析，開(kāi)啟碰撞功能可以增強(qiáng)試驗(yàn)人員的沉浸感和情境意識(shí)。

預(yù)留功能：預(yù)留與真實(shí)電廠的數(shù)據(jù)接口，在事故情況下可以接入真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行事故進(jìn)程的預(yù)測(cè)和事故緩解操作的預(yù)演。

通過(guò)整體架構(gòu)和細(xì)節(jié)開(kāi)發(fā)優(yōu)化，平臺(tái)在性能指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)在于低通信響應(yīng)時(shí)間；可并行處理數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；能夠直接轉(zhuǎn)換外部實(shí)體模型；達(dá)到測(cè)量精度級(jí)別；支持萬(wàn)億字節(jié)級(jí)數(shù)據(jù)按需讀??；支持模型精度動(dòng)態(tài)優(yōu)化；支持32GB緩存模型數(shù)據(jù)量；異步數(shù)據(jù)提取最小化引擎阻塞等待；支持界面設(shè)計(jì)顯示動(dòng)態(tài)內(nèi)容；支持中文顯示/HMTL排版；支持快速搜索定位等。

1.4 平臺(tái)應(yīng)用和流程

本文提供了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一套集成的快速人因工程驗(yàn)證裝置，根據(jù)實(shí)際需求在驗(yàn)證平臺(tái)中進(jìn)行大量軟件專業(yè)模塊的開(kāi)發(fā)，在數(shù)據(jù)泛用性、人機(jī)交互易用性上均具有優(yōu)勢(shì)，且能夠兼顧動(dòng)態(tài)驗(yàn)證效率和驗(yàn)證精確性，足以支持大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)交互、定制UI和快速驗(yàn)證等功能，可以用于人因驗(yàn)證的人機(jī)接口（HSI）任務(wù)支持驗(yàn)證。任務(wù)支持驗(yàn)證是核實(shí)HSI是否支持了任務(wù)分析所確定的任務(wù)要求，通過(guò)對(duì)電廠運(yùn)行條件取樣得到HSI清單和特性描述，利用該平臺(tái)進(jìn)行HSI任務(wù)支持驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并解決人因偏差項(xiàng)（HED），反復(fù)在平臺(tái)上進(jìn)行迭代驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)全面評(píng)價(jià)電廠的人機(jī)接口設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

圖4 平臺(tái)HSI驗(yàn)證的通用流程Fig.4 A common process of HSI for validation

2 驗(yàn)證方法

人機(jī)接口任務(wù)支持驗(yàn)證是人因工程研究和試驗(yàn)活動(dòng)的一部分，目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)中HSI資源的充分性、必要性和適當(dāng)性；同時(shí)，驗(yàn)證HSI設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)程使得重要人員動(dòng)作能夠以一定可信度在可用的時(shí)間窗口內(nèi)完成，并且滿足人員工作負(fù)荷的接受準(zhǔn)則。本章描述了基于沉浸式平臺(tái)開(kāi)展部分人機(jī)接口任務(wù)支持驗(yàn)證活動(dòng)，其中的任務(wù)支持驗(yàn)證活動(dòng)選取了規(guī)程（AOP）和總體運(yùn)行規(guī)程（GOP）相關(guān)的人員任務(wù)以及必需的報(bào)警、顯示和控制為樣例。

任務(wù)支持驗(yàn)證的目的包括：驗(yàn)證HSI資源的充分性、必要性和適當(dāng)性，以及驗(yàn)證重要人員動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間兩個(gè)方面。其驗(yàn)證準(zhǔn)則是在選定的運(yùn)行條件下，人員任務(wù)對(duì)HSI資源的要求，這些要求可以來(lái)源于運(yùn)行規(guī)程或其它方面。

對(duì)任務(wù)要求或重要人員動(dòng)作需要逐一比較，評(píng)價(jià)結(jié)果為“通過(guò)”或“不通過(guò)”，被評(píng)價(jià)為“不通過(guò)”的條目被作為人因工程偏差，進(jìn)入偏差解決過(guò)程。

偏差通常有以下幾種主要特性：

◇ 主控制室偏差主要特性

1）無(wú)法獲得完成任務(wù)所需的HSI（如要求的指示、報(bào)警或控制）。

2）HSI特性與人員任務(wù)的要求不匹配，如一個(gè)顯示畫面顯示了要求的電廠參數(shù)，但量程和精度不滿足任務(wù)的要求。

3）提供了不必要的HSI資源（如某個(gè)指示、報(bào)警或控制在任何情況下都不會(huì)被用到）。

◇ 就地環(huán)境中偏差主要特性

1）無(wú)法到達(dá)或查看任務(wù)所需HSI，如沒(méi)有通往所需設(shè)備的通道或到達(dá)設(shè)備后無(wú)法查看設(shè)備參數(shù)。

2）HSI特性與人員任務(wù)要求不匹配，如就地儀表的量程和精度不滿足任務(wù)的要求。

3）HSI特性不影響人的正常巡檢活動(dòng)，如設(shè)備位置過(guò)低導(dǎo)致就地人員無(wú)法通過(guò)。

3 驗(yàn)證實(shí)例和改進(jìn)

針對(duì)AOP和GOP中的所有規(guī)程步驟，在沉浸式交互驗(yàn)證平臺(tái)中建立基于運(yùn)行規(guī)程的指示、報(bào)警和控制相關(guān)的清單，并確保與設(shè)計(jì)分析器平臺(tái)的數(shù)據(jù)點(diǎn)建立映射。對(duì)按照相關(guān)指示、報(bào)警和控制確定的每個(gè)操縱員操作，其HSI資源（指示、報(bào)警和控制）是可獲得的。例如，在主控室中，如果要求的操作是確保穩(wěn)壓器壓力在14.5 Mpa和15.5 MPa之間，驗(yàn)證者檢查指示是可獲得的，單位為MPa，并且表計(jì)的刻度是適當(dāng)?shù)模瑒t該資源將評(píng)價(jià)為“通過(guò)”；如果HSI資源不可獲得，或者不滿足操縱員的任務(wù)要求，該資源將評(píng)價(jià)為“不通過(guò)”，列入偏差列表。在就地環(huán)境中，如果要求的操作是將未固定的傳動(dòng)裝置和設(shè)備放置于安全位置，驗(yàn)證者檢查未固定的傳動(dòng)裝置和設(shè)備及安全位置均可獲得，并且放置路徑無(wú)障礙則該資源將評(píng)價(jià)為“通過(guò)”；如驗(yàn)證者檢查未固定的傳動(dòng)裝置和設(shè)備可獲得但安全位置不可獲得，或未固定的傳動(dòng)裝置和設(shè)備及安全位置均可獲得但放置路徑有障礙使得放置動(dòng)作無(wú)法順利進(jìn)行，該資源將評(píng)價(jià)為“不通過(guò)”。

選取主控制室撤離、緊急硼化和向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)添加化學(xué)物，通過(guò)3個(gè)任務(wù)情景進(jìn)行驗(yàn)證，分別就人員溝通、操作人員動(dòng)作、參數(shù)檢查和設(shè)備控制流程進(jìn)行全方位的人因驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行中的人機(jī)接口對(duì)人員任務(wù)的支持程度，以及是否存在不支持人員任務(wù)的人機(jī)接口部件，同時(shí)利用平臺(tái)的效能監(jiān)測(cè)功能，實(shí)時(shí)跟蹤任務(wù)執(zhí)行中的人員效能或環(huán)境噪聲影響，評(píng)估操作人員的工作負(fù)荷，識(shí)別人因工程偏差項(xiàng)，從而給現(xiàn)有人機(jī)接口設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)。

通過(guò)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的任務(wù)情景的驗(yàn)證過(guò)程，發(fā)現(xiàn)一些與HSI設(shè)計(jì)有關(guān)的問(wèn)題，主要有3種類型：

1）部分部件沒(méi)有提供應(yīng)有的人機(jī)接口（人機(jī)接口不充分）。

2）人機(jī)接口的操作指導(dǎo)描述缺乏或錯(cuò)誤。

3）人機(jī)接口所處的空間環(huán)境問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在具體應(yīng)用上、在預(yù)置化展示和評(píng)審中已獲得了廣泛認(rèn)可，即滿足了良好的渲染效果和造型展示的目的。雖然個(gè)別案例嘗試在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行培訓(xùn)，但均是預(yù)置化的局部模型、場(chǎng)景。本文描述的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)交互平臺(tái)是支持真正的動(dòng)態(tài)交互，通過(guò)靈活性支持復(fù)雜的工程應(yīng)用場(chǎng)景和迭代需要，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)集成，支持工業(yè)級(jí)人因設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、培訓(xùn)。同時(shí)，本文也基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)交互平臺(tái)開(kāi)展了人因工程驗(yàn)證中任務(wù)支持驗(yàn)證的應(yīng)用研究，通過(guò)在平臺(tái)中創(chuàng)建支持電廠運(yùn)行規(guī)程的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景以及豐富的交互和驗(yàn)證功能，實(shí)現(xiàn)了典型就地操作規(guī)程的驗(yàn)證，并可將任務(wù)支持驗(yàn)證結(jié)果反饋至工程設(shè)計(jì)改進(jìn)，有效支持全廠人因工程快速驗(yàn)證。