VR技术在核电厂HCI设计和评价中的应用研究

刘至垚，张学刚，吴一谦，贾 明，梅世柏，孙琳梧

(1.核电安全监控技术与装备国家重点试验室，广东 深圳 518045；2.深圳中广核工程设计有限公司,广东 深圳 518045)

0 引言

随着计算机技术，特别是高性能计算机、计算机图形学和人机交互技术的快速发展，虚拟现实(virtual reality,VR)技术在各个行业如医学、室内设计、军事航空等领域得到了广泛的应用。近年来，VR技术在核能行业也得到越来越多的研究和应用。VR技术作为新一代人机交互信息支撑平台，在核电厂人机交互(human-computer interation,HCI)设计和评价方面具有广泛的应用前景。基于VR技术开发新一代HCI设计和评价系统，可以为核电厂设计和运维人员提供更好的辅助工具，有助于提升核电安全。

1 VR技术特点

VR技术是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境，使用户通过借助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受和体验。VR一般需要用一个不透明的头戴设备完成虚拟世界里的沉浸体验。其强调将用户的感官与现实世界绝缘，使其沉浸在完全由计算机控制的信息空间中。从技术的角度来说，虚拟现实系统具有三个基本特征，即沉浸-交互-构想(immersion-interaction-imagination,3I)。其强调在未来的虚拟系统中，人们应该使这个由计算机及其他传感器所组成的信息处理系统尽量满足人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统和人机交互方式[1]。

2 VR技术在国内外核电领域中的应用研究

VR技术在国外的核电厂人因设计与研究相关领域已得到较多应用。早在2008年，美国能源科学与技术部Brookhaven国家试验室在对核电厂人因分析新型技术的研究中就曾提到虚拟技术在人因工效评价测试与评估中所具有应用前景。瑞典Oskarshamn核电站主控室现代化工程项目中曾在此前采用VR技术来评估主控室布置问题[2]。巴西国家核能委员会核工程研究所通过对比真实压水反应堆核电站主控室任务数据与虚拟模型试验结果，认为VR技术在主控室人因设计与评估原型阶段具有重要意义。在核电站主控室模型中，虚拟的场景(假设冷却剂损失事故)可很好地用于人机评价[3]。国外最新研究也表明，多个操纵员可以同时在同一虚拟场景中成功完成各自任务。因此，虚拟现实模拟技术适用于控制室安全系统的验证与评价[4]。

VR技术已经在国内核电领域开展了较多的应用研究，并且具有一定的成果。但该技术多用于通过搭建模拟仿真机来完成工况模拟[5]、培训及维修[6]等。李溪韵在文献[7]中介绍了一套基于虚拟现实技术的主控制室模拟机方案，并提出根据用户需求进行功能扩展的应用场景，包括设计和验证平台方向、参观展示用途方向、模拟机培训方向等。刘志宾在文献[8]中提出将虚拟现实融进全范围仿真机的实现方法。刘鹏飞在文献[9]中对虚拟现实技术在核电厂中的应用进行了分析，认为虚拟现实技术能够很好地应用在核电厂仿真中，也可以应用于放射性较强、一般工作人员难以进入的场景仿真中，还可以应用于与人因工程联系密切的主控室仿真中。

综上所述，VR技术在国内外核电领域已具有较多的应用，但可用于实际工程的研发方案仍较少，工程应用研究较为有限。

3 VR技术在HCI设计和评价中的功能需求

基于VR的技术特点，在HCI设计方面，设计人员可以利用VR工具搭建虚拟环境，对虚拟环境中的人机交互设备及交互方式进行设计和修改，并进行沉浸式设计评审和人因工程设计验证；在HCI评价方面，设计人员可以利用VR模拟任务场景，通过对被试者在虚拟环境中执行任务过程的跟踪和数据的采集，实现客观量化的人因可靠性评价。VR技术在HCI设计和评价方面的应用，主要体现在以下4个方面。

3.1 3D可视化沉浸式设计

传统的人机交互设计一般由设计人员通过制图软件绘制二维设计图，并以此作为设计评审、业主审查和工程施工的输入文件，读图需要具有一定的专业知识，较为抽象。

利用VR技术进行3D可视化沉浸式设计，通过标准设备库的构建和设计工具的开发，可以为设计人员提供可视化的三维设计工具。在此基础上完成的人机交互设计，设计审查人员可以在初始设计阶段进行可视化的设计评审。业主用户也可以进行沉浸式的人机交互体验，减少后续工程实施阶段的设计变更，尤其适用于新建电站和改造电站。

3.2 人因工程设计验证

人因工程设计验证，即验证人机接口设计符合人因工程原则、导则和标准。核安全法规 HAF102《核电厂设计安全规定》5.7 条规定，厂区人员的工作场所和工作环境必须按照人机工程学原则设计，在适当阶段必须对人为因素进行验证和确认，以证实设计完全适合操纵员所有必要的操作[10]。为保证在设计的初始阶段就贯彻落实人因工程的相关标准和导则要求，传统的人因工程设计验证方法一般需要搭建1∶1的主控制室实体模型，并采用仿真法、访谈法和问卷调查法进行验证。通过问卷，收集被试人员对于控制室实体模型的主观感受，如人员可达性、可视性、可操作性以及舒适性、便利性等[11]。

利用VR技术开展人因工程设计验证，可以将法规标准中的评价准则要求集成到设计系统中，在设计过程中对各项人因工程评价准则进行在线评价，提醒设计人员对人因不符合项进行修改。同时，其还可以邀请被试人员在虚拟现实环境中进行人因工程验证，对被试人员提出的主观感受实时设计修改和再验证，实现设计和验证一体化，从而大幅降低验证成本，缩短设计验证周期。

3.3 虚拟仿真评价

为保证核电厂的可靠性，需要通过高仿真运行条件下的试验，验证系统是否安全可靠,确保设计方案中能够保持人员绩效在较高的水平。传统集成确认试验一般在全范围模拟机上进行，根据运行工况取样的结果，采用一组有代表性的试验场景，对人机接口、规程、培训和控制室人员配备的充分性进行确认[12]。受限于人机接口设备和试验场景，对设备的操作人员特性、任务要求及特定工作环境等方面的考虑有所欠缺。

基于VR技术对评价试验任务场景的虚拟仿真，可以针对人机交互设备的特点，通过听、视及操作等三个方面的人因学评价指标，结合虚拟仿真任务环境中人-机-环境同步数据采集分析，考虑在特殊环境下任务操作相关的工作负荷、情境意识等指标，实现人机交互设计的人因学评价。

系统研发技术路线如图1所示。

图1 系统研发技术路线

3.4 培训教学

利用虚拟人机交互系统，可以根据用户对象的不同，设置不同的培训教学脚本，用于核电科普推广、人机交互设备培训、运行操作培训等多个方面。

4 虚拟人机交互设计和验证系统研发

4.1 技术路线

根据VR技术特点和功能需求分析，基于unity软件平台开发虚拟人机交互设计和验证系统，实现核电厂人机交互3D可视化沉浸式设计、人因工程设计验证、虚拟仿真评价和培训教学等功能，并且为新一代的人机交互设计研发和功能拓展提供基础试验平台。

4.2 平台架构

虚拟人机交互设计和验证系统是一项多专业结合的综合性开发项目，开发人员技能涵盖环境设计、平面设计、三维建模、材质效果开发、程序开发、系统集成、交互硬件集成等方面，设计架构如图2所示。建立项目资源库，对材质贴图、UI、三维模型、音频、视频等资源进行分类整理，有利于项目开发管理，也更加便于后续其他项目的资源共享和调用。

图2 平台架构

为实现各项功能开发，需对整个系统的任务场景、视角及子功能技术要点进行拆分，整个系统分为2个场景(沙盒场景和漫游场景)、3个视角(上帝视角、第一人称视角、第二人称视角)、6项基本功能及17项技术要点，用于支撑不同的应用场景。

以沙盒场景下的设计功能为例，需要考虑以下3项技术要点。

(1)主控室布置设备库。

在虚拟环境中构建主控室布置所需的标准设备模具库，需要确定适宜的人机交互技术方案，包括设备模具的导入方式、设备模具库的显示方式、模具库中设备的选取调用方式等。

(2)设备布置力学模型。

需要对不同的设备进行力学设置。例如：对于布置在地上的设备，需要生成一个重力让设备与地面贴合；需要紧贴在墙上的设备，需要产生一个向后的吸力，使它们吸在墙上。部分力学环境复杂的设备可以设置不受力，悬浮于空中任意放置。

(3)主控室环境方案切换。

根据环境设计的功能需求，需要对灯光、天花板、墙壁、地面的材质、色彩、纹理、色温、强度等主要环境参数[13]进行切换。系统开发时，需考虑环境方案的切换方式、设计工具使用方式、环境方案图层的导入和调用方式等。

5 虚拟人机交互设计和评价系统简介与应用

虚拟人机交互设计和评价系统根据应用场景不同，分为3D可视化沉浸式设计模块、人因工程设计验证模块、虚拟仿真评价模块、培训教学模块等4个功能模块。

5.1 3D可视化沉浸式设计模块

通过构建标准设备模具库，提供适宜的人机交互方式，例如根据系统坐标精确定位设备位置、灯光等环境因素预设方案的导入和切换、设备模具库的导入升级等，以实现多堆型人机交互可视化设计和在线评审功能。

5.2 人因工程设计验证模块

利用第三人称视角的3D数字化人体模型对设计方案的人因工程审查要求符合性同步进行验证，对人因不符合项进行在线设计评价改进；利用第一人称视角的人体数据测量建模，实时构建被试人员的人体模型，为人因工程设计验证提供试验平台，从而实现核电厂人机交互设计与验证一体化同步进行。

5.3 虚拟仿真评价模块

通过与仿真平台数据模型的连接，建立核电厂监控任务的虚拟仿真场景。利用先进的电子信息非接触生理信号检测技术，采集运行人员在虚拟环境下任务执行过程中的各项生理指标，实时同步记录运行人员的心理、生理和行为变化情况，结合大数据分析工具，通过客观量化的任务和人机接口评价结果，提取高认知负荷任务、人机接口设计缺陷、人因失误高风险区域等人因可靠性影响因子，进而提升人机交互可靠性。

5.4 培训教学模块

实现沉浸式的培训教学功能，对特殊工况(如主控室火灾撤离)进行培训练习，基于经验反馈中的人因失误高风险任务开展防人因失误培训等。

6 结束语

VR技术在核电厂HCI设计和评价中的应用，可以有效解决传统设计和评价方法中的症结问题，实现HCI设计和评价一体化，提升HCI设计质量和设计效率，提高人因可靠性。