VR技術(shù)在核電廠HCI設(shè)計和評價中的應(yīng)用研究

劉至垚，張學(xué)剛，吳一謙，賈 明，梅世柏，孫琳梧

(1.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點試驗室，廣東 深圳 518045；2.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司,廣東 深圳 518045)

0 引言

隨著計算機技術(shù)，特別是高性能計算機、計算機圖形學(xué)和人機交互技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)在各個行業(yè)如醫(yī)學(xué)、室內(nèi)設(shè)計、軍事航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，VR技術(shù)在核能行業(yè)也得到越來越多的研究和應(yīng)用。VR技術(shù)作為新一代人機交互信息支撐平臺，在核電廠人機交互(human-computer interation,HCI)設(shè)計和評價方面具有廣泛的應(yīng)用前景。基于VR技術(shù)開發(fā)新一代HCI設(shè)計和評價系統(tǒng)，可以為核電廠設(shè)計和運維人員提供更好的輔助工具，有助于提升核電安全。

1 VR技術(shù)特點

VR技術(shù)是指采用計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成一種虛擬環(huán)境，使用戶通過借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，與虛擬世界中的物體進行自然的交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受和體驗。VR一般需要用一個不透明的頭戴設(shè)備完成虛擬世界里的沉浸體驗。其強調(diào)將用戶的感官與現(xiàn)實世界絕緣，使其沉浸在完全由計算機控制的信息空間中。從技術(shù)的角度來說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有三個基本特征，即沉浸-交互-構(gòu)想(immersion-interaction-imagination,3I)。其強調(diào)在未來的虛擬系統(tǒng)中，人們應(yīng)該使這個由計算機及其他傳感器所組成的信息處理系統(tǒng)盡量滿足人的需要，而不是強迫人去“湊合”那些不是很親切的計算機系統(tǒng)和人機交互方式[1]。

2 VR技術(shù)在國內(nèi)外核電領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

VR技術(shù)在國外的核電廠人因設(shè)計與研究相關(guān)領(lǐng)域已得到較多應(yīng)用。早在2008年，美國能源科學(xué)與技術(shù)部Brookhaven國家試驗室在對核電廠人因分析新型技術(shù)的研究中就曾提到虛擬技術(shù)在人因工效評價測試與評估中所具有應(yīng)用前景。瑞典Oskarshamn核電站主控室現(xiàn)代化工程項目中曾在此前采用VR技術(shù)來評估主控室布置問題[2]。巴西國家核能委員會核工程研究所通過對比真實壓水反應(yīng)堆核電站主控室任務(wù)數(shù)據(jù)與虛擬模型試驗結(jié)果，認為VR技術(shù)在主控室人因設(shè)計與評估原型階段具有重要意義。在核電站主控室模型中，虛擬的場景(假設(shè)冷卻劑損失事故)可很好地用于人機評價[3]。國外最新研究也表明，多個操縱員可以同時在同一虛擬場景中成功完成各自任務(wù)。因此，虛擬現(xiàn)實模擬技術(shù)適用于控制室安全系統(tǒng)的驗證與評價[4]。

VR技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)核電領(lǐng)域開展了較多的應(yīng)用研究，并且具有一定的成果。但該技術(shù)多用于通過搭建模擬仿真機來完成工況模擬[5]、培訓(xùn)及維修[6]等。李溪韻在文獻[7]中介紹了一套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主控制室模擬機方案，并提出根據(jù)用戶需求進行功能擴展的應(yīng)用場景，包括設(shè)計和驗證平臺方向、參觀展示用途方向、模擬機培訓(xùn)方向等。劉志賓在文獻[8]中提出將虛擬現(xiàn)實融進全范圍仿真機的實現(xiàn)方法。劉鵬飛在文獻[9]中對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用進行了分析，認為虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠很好地應(yīng)用在核電廠仿真中，也可以應(yīng)用于放射性較強、一般工作人員難以進入的場景仿真中，還可以應(yīng)用于與人因工程聯(lián)系密切的主控室仿真中。

綜上所述，VR技術(shù)在國內(nèi)外核電領(lǐng)域已具有較多的應(yīng)用，但可用于實際工程的研發(fā)方案仍較少，工程應(yīng)用研究較為有限。

3 VR技術(shù)在HCI設(shè)計和評價中的功能需求

基于VR的技術(shù)特點，在HCI設(shè)計方面，設(shè)計人員可以利用VR工具搭建虛擬環(huán)境，對虛擬環(huán)境中的人機交互設(shè)備及交互方式進行設(shè)計和修改，并進行沉浸式設(shè)計評審和人因工程設(shè)計驗證；在HCI評價方面，設(shè)計人員可以利用VR模擬任務(wù)場景，通過對被試者在虛擬環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)過程的跟蹤和數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)客觀量化的人因可靠性評價。VR技術(shù)在HCI設(shè)計和評價方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下4個方面。

3.1 3D可視化沉浸式設(shè)計

傳統(tǒng)的人機交互設(shè)計一般由設(shè)計人員通過制圖軟件繪制二維設(shè)計圖，并以此作為設(shè)計評審、業(yè)主審查和工程施工的輸入文件，讀圖需要具有一定的專業(yè)知識，較為抽象。

利用VR技術(shù)進行3D可視化沉浸式設(shè)計，通過標準設(shè)備庫的構(gòu)建和設(shè)計工具的開發(fā)，可以為設(shè)計人員提供可視化的三維設(shè)計工具。在此基礎(chǔ)上完成的人機交互設(shè)計，設(shè)計審查人員可以在初始設(shè)計階段進行可視化的設(shè)計評審。業(yè)主用戶也可以進行沉浸式的人機交互體驗，減少后續(xù)工程實施階段的設(shè)計變更，尤其適用于新建電站和改造電站。

3.2 人因工程設(shè)計驗證

人因工程設(shè)計驗證，即驗證人機接口設(shè)計符合人因工程原則、導(dǎo)則和標準。核安全法規(guī) HAF102《核電廠設(shè)計安全規(guī)定》5.7 條規(guī)定，廠區(qū)人員的工作場所和工作環(huán)境必須按照人機工程學(xué)原則設(shè)計，在適當(dāng)階段必須對人為因素進行驗證和確認，以證實設(shè)計完全適合操縱員所有必要的操作[10]。為保證在設(shè)計的初始階段就貫徹落實人因工程的相關(guān)標準和導(dǎo)則要求，傳統(tǒng)的人因工程設(shè)計驗證方法一般需要搭建1∶1的主控制室實體模型，并采用仿真法、訪談法和問卷調(diào)查法進行驗證。通過問卷，收集被試人員對于控制室實體模型的主觀感受，如人員可達性、可視性、可操作性以及舒適性、便利性等[11]。

利用VR技術(shù)開展人因工程設(shè)計驗證，可以將法規(guī)標準中的評價準則要求集成到設(shè)計系統(tǒng)中，在設(shè)計過程中對各項人因工程評價準則進行在線評價，提醒設(shè)計人員對人因不符合項進行修改。同時，其還可以邀請被試人員在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行人因工程驗證，對被試人員提出的主觀感受實時設(shè)計修改和再驗證，實現(xiàn)設(shè)計和驗證一體化，從而大幅降低驗證成本，縮短設(shè)計驗證周期。

3.3 虛擬仿真評價

為保證核電廠的可靠性，需要通過高仿真運行條件下的試驗，驗證系統(tǒng)是否安全可靠,確保設(shè)計方案中能夠保持人員績效在較高的水平。傳統(tǒng)集成確認試驗一般在全范圍模擬機上進行，根據(jù)運行工況取樣的結(jié)果，采用一組有代表性的試驗場景，對人機接口、規(guī)程、培訓(xùn)和控制室人員配備的充分性進行確認[12]。受限于人機接口設(shè)備和試驗場景，對設(shè)備的操作人員特性、任務(wù)要求及特定工作環(huán)境等方面的考慮有所欠缺。

基于VR技術(shù)對評價試驗任務(wù)場景的虛擬仿真，可以針對人機交互設(shè)備的特點，通過聽、視及操作等三個方面的人因?qū)W評價指標，結(jié)合虛擬仿真任務(wù)環(huán)境中人-機-環(huán)境同步數(shù)據(jù)采集分析，考慮在特殊環(huán)境下任務(wù)操作相關(guān)的工作負荷、情境意識等指標，實現(xiàn)人機交互設(shè)計的人因?qū)W評價。

系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線

3.4 培訓(xùn)教學(xué)

利用虛擬人機交互系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶對象的不同，設(shè)置不同的培訓(xùn)教學(xué)腳本，用于核電科普推廣、人機交互設(shè)備培訓(xùn)、運行操作培訓(xùn)等多個方面。

4 虛擬人機交互設(shè)計和驗證系統(tǒng)研發(fā)

4.1 技術(shù)路線

根據(jù)VR技術(shù)特點和功能需求分析，基于unity軟件平臺開發(fā)虛擬人機交互設(shè)計和驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)核電廠人機交互3D可視化沉浸式設(shè)計、人因工程設(shè)計驗證、虛擬仿真評價和培訓(xùn)教學(xué)等功能，并且為新一代的人機交互設(shè)計研發(fā)和功能拓展提供基礎(chǔ)試驗平臺。

4.2 平臺架構(gòu)

虛擬人機交互設(shè)計和驗證系統(tǒng)是一項多專業(yè)結(jié)合的綜合性開發(fā)項目，開發(fā)人員技能涵蓋環(huán)境設(shè)計、平面設(shè)計、三維建模、材質(zhì)效果開發(fā)、程序開發(fā)、系統(tǒng)集成、交互硬件集成等方面，設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。建立項目資源庫，對材質(zhì)貼圖、UI、三維模型、音頻、視頻等資源進行分類整理，有利于項目開發(fā)管理，也更加便于后續(xù)其他項目的資源共享和調(diào)用。

圖2 平臺架構(gòu)

為實現(xiàn)各項功能開發(fā)，需對整個系統(tǒng)的任務(wù)場景、視角及子功能技術(shù)要點進行拆分，整個系統(tǒng)分為2個場景(沙盒場景和漫游場景)、3個視角(上帝視角、第一人稱視角、第二人稱視角)、6項基本功能及17項技術(shù)要點，用于支撐不同的應(yīng)用場景。

以沙盒場景下的設(shè)計功能為例，需要考慮以下3項技術(shù)要點。

(1)主控室布置設(shè)備庫。

在虛擬環(huán)境中構(gòu)建主控室布置所需的標準設(shè)備模具庫，需要確定適宜的人機交互技術(shù)方案，包括設(shè)備模具的導(dǎo)入方式、設(shè)備模具庫的顯示方式、模具庫中設(shè)備的選取調(diào)用方式等。

(2)設(shè)備布置力學(xué)模型。

需要對不同的設(shè)備進行力學(xué)設(shè)置。例如：對于布置在地上的設(shè)備，需要生成一個重力讓設(shè)備與地面貼合；需要緊貼在墻上的設(shè)備，需要產(chǎn)生一個向后的吸力，使它們吸在墻上。部分力學(xué)環(huán)境復(fù)雜的設(shè)備可以設(shè)置不受力，懸浮于空中任意放置。

(3)主控室環(huán)境方案切換。

根據(jù)環(huán)境設(shè)計的功能需求，需要對燈光、天花板、墻壁、地面的材質(zhì)、色彩、紋理、色溫、強度等主要環(huán)境參數(shù)[13]進行切換。系統(tǒng)開發(fā)時，需考慮環(huán)境方案的切換方式、設(shè)計工具使用方式、環(huán)境方案圖層的導(dǎo)入和調(diào)用方式等。

5 虛擬人機交互設(shè)計和評價系統(tǒng)簡介與應(yīng)用

虛擬人機交互設(shè)計和評價系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場景不同，分為3D可視化沉浸式設(shè)計模塊、人因工程設(shè)計驗證模塊、虛擬仿真評價模塊、培訓(xùn)教學(xué)模塊等4個功能模塊。

5.1 3D可視化沉浸式設(shè)計模塊

通過構(gòu)建標準設(shè)備模具庫，提供適宜的人機交互方式，例如根據(jù)系統(tǒng)坐標精確定位設(shè)備位置、燈光等環(huán)境因素預(yù)設(shè)方案的導(dǎo)入和切換、設(shè)備模具庫的導(dǎo)入升級等，以實現(xiàn)多堆型人機交互可視化設(shè)計和在線評審功能。

5.2 人因工程設(shè)計驗證模塊

利用第三人稱視角的3D數(shù)字化人體模型對設(shè)計方案的人因工程審查要求符合性同步進行驗證，對人因不符合項進行在線設(shè)計評價改進；利用第一人稱視角的人體數(shù)據(jù)測量建模，實時構(gòu)建被試人員的人體模型，為人因工程設(shè)計驗證提供試驗平臺，從而實現(xiàn)核電廠人機交互設(shè)計與驗證一體化同步進行。

5.3 虛擬仿真評價模塊

通過與仿真平臺數(shù)據(jù)模型的連接，建立核電廠監(jiān)控任務(wù)的虛擬仿真場景。利用先進的電子信息非接觸生理信號檢測技術(shù)，采集運行人員在虛擬環(huán)境下任務(wù)執(zhí)行過程中的各項生理指標，實時同步記錄運行人員的心理、生理和行為變化情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析工具，通過客觀量化的任務(wù)和人機接口評價結(jié)果，提取高認知負荷任務(wù)、人機接口設(shè)計缺陷、人因失誤高風(fēng)險區(qū)域等人因可靠性影響因子，進而提升人機交互可靠性。

5.4 培訓(xùn)教學(xué)模塊

實現(xiàn)沉浸式的培訓(xùn)教學(xué)功能，對特殊工況(如主控室火災(zāi)撤離)進行培訓(xùn)練習(xí)，基于經(jīng)驗反饋中的人因失誤高風(fēng)險任務(wù)開展防人因失誤培訓(xùn)等。

6 結(jié)束語

VR技術(shù)在核電廠HCI設(shè)計和評價中的應(yīng)用，可以有效解決傳統(tǒng)設(shè)計和評價方法中的癥結(jié)問題，實現(xiàn)HCI設(shè)計和評價一體化，提升HCI設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，提高人因可靠性。