高度集成的沉浸式虛擬現實交互平臺在人因工程驗證中的應用

桑 瑋，宋 霏，張淑慧

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

0 引言

核電廠人因工程驗證是確保電廠安全性、經濟性和舒適性的重要手段，完善的人因工程驗證，也是通過核安全審評的必要條件。對于新建核電廠，受實際工程建設進度和技術條件的限制，早期人因工程驗證和分析主要依賴紙板模型和紙筆計算，工作效率低下，且在處理多尺寸或者系統性問題上難以進行全面地平衡考慮。在沉浸式交互分析子平臺開發前，作者所在公司已經嘗試用商業軟件（例如：Sketch up、AutoCAD和Micro station等軟件）進行基于三維模型的人因工程驗證，主要應用于控制室區域的設計。但為了支持基于三維模型的人因工程分析在全廠范圍內高效實施，最終選擇自主研發沉浸式交互分析子平臺。

當前虛擬現實技術的興起為人因工程驗證提供了更大的可能性和幫助，這一技術可以讓還只是設計階段的設備或廠房直接呈現在實驗者的眼前，讓設計和分析人員以正確的比例觀察設計的對象并與其互動。高度集成的沉浸式交互驗證平臺正是利用虛擬現實技術的技術特點，搭建了短周期、覆蓋全廠、多功能的原型設計驗證平臺；同時，考慮直接采用商用虛擬現實軟件環境不能快速、實時和高效地支持人因工程驗證，所以在沉浸式交互驗證平臺中進行大量軟件專業模塊的開發工作，實現了數據中心、基礎交互、定制界面設計和快速驗證等功能。

1 平臺實現

1.1 平臺選型

通常虛擬現實在工業上的應用被分成兩大形式：一種是以諸如Unity、Virtools、Unreal等實時多邊形引擎進行設計制作的交互應用；另一種則是基于Delmia、Jack這類工業驗證平臺進行嚴格的計算驗證。

前者由于其開發的靈活性，通過使用實時動作捕捉系統，可以很輕易地實現直接的人機交互，用戶以第一人稱的視角來觀看待驗證的對象，并以自然的動作快速地與目標進行互動，能夠處理大規模模型和實時的動作序列。但這種方式的缺點則在于：

1）模型依賴多邊形技術，若存在高精度分析需求，其尺寸精確性無法得到保障。

2）通常需要按照特定驗證需要開發專用的應用，泛用性受到限制。

3）獨立開發的人因分析模塊，其性能一般無法達到專業的商用軟件。

后者通常能夠直接使用設計圖紙，泛用性較好，且基于曲面或實體的模型以及專業的商用人因模塊，能夠為設計提供更為完善和精確的結果。但是，由于這類軟件設計本身是針對離線驗證的，對于虛擬現實類系統沒有有效的支持，即使使用一些第三方的中間件，也很難獲得理想的實時動作和直觀的交互，且其驗證的效率非常低，也不支持針對性的二次開發，無法大規模應用。

圖1 沉浸式交互平臺系統架構圖Fig.1 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality platform architecture

為此本平臺從大規模工業應用的需求出發，利用不同虛擬現實方案的優點，提供了基于虛擬現實技術的一套集成的快速人因工程驗證裝置，在數據泛用性、人機交互易用性上均具有優勢，且能夠兼顧動態驗證效率和驗證精確性，足以支持大規模的工業應用。

1.2 系統架構

子平臺采用了支持虛擬現實的專業引擎，配合全身跟蹤等多款軟件或插件，采用各模塊高度獨立的系統架構，支持場景動態模型管理并提供了高效可靠的底層數據處理功能。同時，結合虛擬現實環境下交互設備和環境的特點，定制開發了需要重點實現的功能和交互模式。系統架構如圖1所示。

1.3 軟硬件集成

沉浸式交互驗證平臺以L型兩通道的虛擬現實技術為基礎，主要設備包括：主動立體投影機、主動立體眼鏡和手柄、機械框架、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、全身跟蹤和數據手套等。通過對主動立體投影及全身跟蹤套件等設備的集成，為用戶營造一個高度集成的沉浸式交互環境。硬件布置示意如圖2所示，功能示意如圖3所示。

在此軟硬件基礎上，平臺實現了以下功能：

顯示功能：將核電廠PDS模型進行虛擬現實的三維顯示，通過交互設備可以調用系統部件后臺物理和建模信息，并實現物理參數的圖形化實時顯示。

圖2 實體布置示意Fig.2 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality platform

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

交互功能：通過包括操作手柄和全身跟蹤在內的交互設備，可以進行核電廠的自由/固定瀏覽，支持設備的操作和顯示控制，實現沉浸式的核電廠任務情景感知，同時具備基礎性模型層面的操作功能。

數據通信功能：通過數據和信息中心，可以實現靜態模型的讀取、PC端通過Web服務和模型的數據訪問，以及沉浸式模型和設計分析器的實時雙向通信功能。

人因驗證功能：平臺支持創建國標各百分位的人體模型的驗證，通過對人體基礎數據，如視野范圍、可達性和噪聲等進行虛擬場景中的人員效能分析，開啟碰撞功能可以增強試驗人員的沉浸感和情境意識。

預留功能：預留與真實電廠的數據接口，在事故情況下可以接入真實數據進行事故進程的預測和事故緩解操作的預演。

通過整體架構和細節開發優化，平臺在性能指標上的優勢在于低通信響應時間；可并行處理數據點數量；能夠直接轉換外部實體模型；達到測量精度級別；支持萬億字節級數據按需讀取；支持模型精度動態優化；支持32GB緩存模型數據量；異步數據提取最小化引擎阻塞等待；支持界面設計顯示動態內容；支持中文顯示/HMTL排版；支持快速搜索定位等。

1.4 平臺應用和流程

本文提供了基于虛擬現實技術的一套集成的快速人因工程驗證裝置，根據實際需求在驗證平臺中進行大量軟件專業模塊的開發，在數據泛用性、人機交互易用性上均具有優勢，且能夠兼顧動態驗證效率和驗證精確性，足以支持大規模的工業應用。平臺實現了數據中心、基礎交互、定制UI和快速驗證等功能，可以用于人因驗證的人機接口（HSI）任務支持驗證。任務支持驗證是核實HSI是否支持了任務分析所確定的任務要求，通過對電廠運行條件取樣得到HSI清單和特性描述，利用該平臺進行HSI任務支持驗證，發現并解決人因偏差項（HED），反復在平臺上進行迭代驗證，實現全面評價電廠的人機接口設計是否滿足設計要求，如圖4所示。

圖4 平臺HSI驗證的通用流程Fig.4 A common process of HSI for validation

2 驗證方法

人機接口任務支持驗證是人因工程研究和試驗活動的一部分，目的是驗證設計中HSI資源的充分性、必要性和適當性；同時，驗證HSI設計和運行規程使得重要人員動作能夠以一定可信度在可用的時間窗口內完成，并且滿足人員工作負荷的接受準則。本章描述了基于沉浸式平臺開展部分人機接口任務支持驗證活動，其中的任務支持驗證活動選取了規程（AOP）和總體運行規程（GOP）相關的人員任務以及必需的報警、顯示和控制為樣例。

任務支持驗證的目的包括：驗證HSI資源的充分性、必要性和適當性，以及驗證重要人員動作執行時間兩個方面。其驗證準則是在選定的運行條件下，人員任務對HSI資源的要求，這些要求可以來源于運行規程或其它方面。

對任務要求或重要人員動作需要逐一比較，評價結果為“通過”或“不通過”，被評價為“不通過”的條目被作為人因工程偏差，進入偏差解決過程。

偏差通常有以下幾種主要特性：

◇ 主控制室偏差主要特性

1）無法獲得完成任務所需的HSI（如要求的指示、報警或控制）。

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

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

◇ 就地環境中偏差主要特性

1）無法到達或查看任務所需HSI，如沒有通往所需設備的通道或到達設備后無法查看設備參數。

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

3）HSI特性不影響人的正常巡檢活動，如設備位置過低導致就地人員無法通過。

3 驗證實例和改進

針對AOP和GOP中的所有規程步驟，在沉浸式交互驗證平臺中建立基于運行規程的指示、報警和控制相關的清單，并確保與設計分析器平臺的數據點建立映射。對按照相關指示、報警和控制確定的每個操縱員操作，其HSI資源（指示、報警和控制）是可獲得的。例如，在主控室中，如果要求的操作是確保穩壓器壓力在14.5 Mpa和15.5 MPa之間，驗證者檢查指示是可獲得的，單位為MPa，并且表計的刻度是適當的，則該資源將評價為“通過”；如果HSI資源不可獲得，或者不滿足操縱員的任務要求，該資源將評價為“不通過”，列入偏差列表。在就地環境中，如果要求的操作是將未固定的傳動裝置和設備放置于安全位置，驗證者檢查未固定的傳動裝置和設備及安全位置均可獲得，并且放置路徑無障礙則該資源將評價為“通過”；如驗證者檢查未固定的傳動裝置和設備可獲得但安全位置不可獲得，或未固定的傳動裝置和設備及安全位置均可獲得但放置路徑有障礙使得放置動作無法順利進行，該資源將評價為“不通過”。

選取主控制室撤離、緊急硼化和向反應堆冷卻劑系統添加化學物，通過3個任務情景進行驗證，分別就人員溝通、操作人員動作、參數檢查和設備控制流程進行全方位的人因驗證，監測發現任務執行中的人機接口對人員任務的支持程度，以及是否存在不支持人員任務的人機接口部件，同時利用平臺的效能監測功能，實時跟蹤任務執行中的人員效能或環境噪聲影響，評估操作人員的工作負荷，識別人因工程偏差項，從而給現有人機接口設計提出改進意見。

通過基于虛擬現實的任務情景的驗證過程，發現一些與HSI設計有關的問題，主要有3種類型：

1）部分部件沒有提供應有的人機接口（人機接口不充分）。

2）人機接口的操作指導描述缺乏或錯誤。

3）人機接口所處的空間環境問題。

4 結束語

虛擬現實技術在具體應用上、在預置化展示和評審中已獲得了廣泛認可，即滿足了良好的渲染效果和造型展示的目的。雖然個別案例嘗試在工業領域進行培訓，但均是預置化的局部模型、場景。本文描述的沉浸式虛擬現實交互平臺是支持真正的動態交互，通過靈活性支持復雜的工程應用場景和迭代需要，實現大規模數據動態集成，支持工業級人因設計、驗證、培訓。同時，本文也基于沉浸式虛擬現實交互平臺開展了人因工程驗證中任務支持驗證的應用研究，通過在平臺中創建支持電廠運行規程的虛擬現實場景以及豐富的交互和驗證功能，實現了典型就地操作規程的驗證，并可將任務支持驗證結果反饋至工程設計改進，有效支持全廠人因工程快速驗證。