高度集成的沉浸式虚拟现实交互平台在人因工程验证中的应用

桑 玮，宋 霏，张淑慧

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

0 引言

核电厂人因工程验证是确保电厂安全性、经济性和舒适性的重要手段，完善的人因工程验证，也是通过核安全审评的必要条件。对于新建核电厂，受实际工程建设进度和技术条件的限制，早期人因工程验证和分析主要依赖纸板模型和纸笔计算，工作效率低下，且在处理多尺寸或者系统性问题上难以进行全面地平衡考虑。在沉浸式交互分析子平台开发前，作者所在公司已经尝试用商业软件（例如：Sketch up、AutoCAD和Micro station等软件）进行基于三维模型的人因工程验证，主要应用于控制室区域的设计。但为了支持基于三维模型的人因工程分析在全厂范围内高效实施，最终选择自主研发沉浸式交互分析子平台。

当前虚拟现实技术的兴起为人因工程验证提供了更大的可能性和帮助，这一技术可以让还只是设计阶段的设备或厂房直接呈现在实验者的眼前，让设计和分析人员以正确的比例观察设计的对象并与其互动。高度集成的沉浸式交互验证平台正是利用虚拟现实技术的技术特点，搭建了短周期、覆盖全厂、多功能的原型设计验证平台；同时，考虑直接采用商用虚拟现实软件环境不能快速、实时和高效地支持人因工程验证，所以在沉浸式交互验证平台中进行大量软件专业模块的开发工作，实现了数据中心、基础交互、定制界面设计和快速验证等功能。

1 平台实现

1.1 平台选型

通常虚拟现实在工业上的应用被分成两大形式：一种是以诸如Unity、Virtools、Unreal等实时多边形引擎进行设计制作的交互应用；另一种则是基于Delmia、Jack这类工业验证平台进行严格的计算验证。

前者由于其开发的灵活性，通过使用实时动作捕捉系统，可以很轻易地实现直接的人机交互，用户以第一人称的视角来观看待验证的对象，并以自然的动作快速地与目标进行互动，能够处理大规模模型和实时的动作序列。但这种方式的缺点则在于：

1）模型依赖多边形技术，若存在高精度分析需求，其尺寸精确性无法得到保障。

2）通常需要按照特定验证需要开发专用的应用，泛用性受到限制。

3）独立开发的人因分析模块，其性能一般无法达到专业的商用软件。

后者通常能够直接使用设计图纸，泛用性较好，且基于曲面或实体的模型以及专业的商用人因模块，能够为设计提供更为完善和精确的结果。但是，由于这类软件设计本身是针对离线验证的，对于虚拟现实类系统没有有效的支持，即使使用一些第三方的中间件，也很难获得理想的实时动作和直观的交互，且其验证的效率非常低，也不支持针对性的二次开发，无法大规模应用。

图1 沉浸式交互平台系统架构图Fig.1 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality platform architecture

为此本平台从大规模工业应用的需求出发，利用不同虚拟现实方案的优点，提供了基于虚拟现实技术的一套集成的快速人因工程验证装置，在数据泛用性、人机交互易用性上均具有优势，且能够兼顾动态验证效率和验证精确性，足以支持大规模的工业应用。

1.2 系统架构

子平台采用了支持虚拟现实的专业引擎，配合全身跟踪等多款软件或插件，采用各模块高度独立的系统架构，支持场景动态模型管理并提供了高效可靠的底层数据处理功能。同时，结合虚拟现实环境下交互设备和环境的特点，定制开发了需要重点实现的功能和交互模式。系统架构如图1所示。

1.3 软硬件集成

沉浸式交互验证平台以L型两通道的虚拟现实技术为基础，主要设备包括：主动立体投影机、主动立体眼镜和手柄、机械框架、背投立幕/正投地幕、图形工作站、视频矩阵、不间断电源、音响系统、全身跟踪和数据手套等。通过对主动立体投影及全身跟踪套件等设备的集成，为用户营造一个高度集成的沉浸式交互环境。硬件布置示意如图2所示，功能示意如图3所示。

在此软硬件基础上，平台实现了以下功能：

显示功能：将核电厂PDS模型进行虚拟现实的三维显示，通过交互设备可以调用系统部件后台物理和建模信息，并实现物理参数的图形化实时显示。

图2 实体布置示意Fig.2 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality platform

图3 沉浸式交互分析平台示意Fig.3 Highly integrated dynamic and interactive virtual reality analysis platform

交互功能：通过包括操作手柄和全身跟踪在内的交互设备，可以进行核电厂的自由/固定浏览，支持设备的操作和显示控制，实现沉浸式的核电厂任务情景感知，同时具备基础性模型层面的操作功能。

数据通信功能：通过数据和信息中心，可以实现静态模型的读取、PC端通过Web服务和模型的数据访问，以及沉浸式模型和设计分析器的实时双向通信功能。

人因验证功能：平台支持创建国标各百分位的人体模型的验证，通过对人体基础数据，如视野范围、可达性和噪声等进行虚拟场景中的人员效能分析，开启碰撞功能可以增强试验人员的沉浸感和情境意识。

预留功能：预留与真实电厂的数据接口，在事故情况下可以接入真实数据进行事故进程的预测和事故缓解操作的预演。

通过整体架构和细节开发优化，平台在性能指标上的优势在于低通信响应时间；可并行处理数据点数量；能够直接转换外部实体模型；达到测量精度级别；支持万亿字节级数据按需读取；支持模型精度动态优化；支持32GB缓存模型数据量；异步数据提取最小化引擎阻塞等待；支持界面设计显示动态内容；支持中文显示/HMTL排版；支持快速搜索定位等。

1.4 平台应用和流程

本文提供了基于虚拟现实技术的一套集成的快速人因工程验证装置，根据实际需求在验证平台中进行大量软件专业模块的开发，在数据泛用性、人机交互易用性上均具有优势，且能够兼顾动态验证效率和验证精确性，足以支持大规模的工业应用。平台实现了数据中心、基础交互、定制UI和快速验证等功能，可以用于人因验证的人机接口（HSI）任务支持验证。任务支持验证是核实HSI是否支持了任务分析所确定的任务要求，通过对电厂运行条件取样得到HSI清单和特性描述，利用该平台进行HSI任务支持验证，发现并解决人因偏差项（HED），反复在平台上进行迭代验证，实现全面评价电厂的人机接口设计是否满足设计要求，如图4所示。

图4 平台HSI验证的通用流程Fig.4 A common process of HSI for validation

2 验证方法

人机接口任务支持验证是人因工程研究和试验活动的一部分，目的是验证设计中HSI资源的充分性、必要性和适当性；同时，验证HSI设计和运行规程使得重要人员动作能够以一定可信度在可用的时间窗口内完成，并且满足人员工作负荷的接受准则。本章描述了基于沉浸式平台开展部分人机接口任务支持验证活动，其中的任务支持验证活动选取了规程（AOP）和总体运行规程（GOP）相关的人员任务以及必需的报警、显示和控制为样例。

任务支持验证的目的包括：验证HSI资源的充分性、必要性和适当性，以及验证重要人员动作执行时间两个方面。其验证准则是在选定的运行条件下，人员任务对HSI资源的要求，这些要求可以来源于运行规程或其它方面。

对任务要求或重要人员动作需要逐一比较，评价结果为“通过”或“不通过”，被评价为“不通过”的条目被作为人因工程偏差，进入偏差解决过程。

偏差通常有以下几种主要特性：

◇ 主控制室偏差主要特性

1）无法获得完成任务所需的HSI（如要求的指示、报警或控制）。

2）HSI特性与人员任务的要求不匹配，如一个显示画面显示了要求的电厂参数，但量程和精度不满足任务的要求。

3）提供了不必要的HSI资源（如某个指示、报警或控制在任何情况下都不会被用到）。

◇ 就地环境中偏差主要特性

1）无法到达或查看任务所需HSI，如没有通往所需设备的通道或到达设备后无法查看设备参数。

2）HSI特性与人员任务要求不匹配，如就地仪表的量程和精度不满足任务的要求。

3）HSI特性不影响人的正常巡检活动，如设备位置过低导致就地人员无法通过。

3 验证实例和改进

针对AOP和GOP中的所有规程步骤，在沉浸式交互验证平台中建立基于运行规程的指示、报警和控制相关的清单，并确保与设计分析器平台的数据点建立映射。对按照相关指示、报警和控制确定的每个操纵员操作，其HSI资源（指示、报警和控制）是可获得的。例如，在主控室中，如果要求的操作是确保稳压器压力在14.5 Mpa和15.5 MPa之间，验证者检查指示是可获得的，单位为MPa，并且表计的刻度是适当的，则该资源将评价为“通过”；如果HSI资源不可获得，或者不满足操纵员的任务要求，该资源将评价为“不通过”，列入偏差列表。在就地环境中，如果要求的操作是将未固定的传动装置和设备放置于安全位置，验证者检查未固定的传动装置和设备及安全位置均可获得，并且放置路径无障碍则该资源将评价为“通过”；如验证者检查未固定的传动装置和设备可获得但安全位置不可获得，或未固定的传动装置和设备及安全位置均可获得但放置路径有障碍使得放置动作无法顺利进行，该资源将评价为“不通过”。

选取主控制室撤离、紧急硼化和向反应堆冷却剂系统添加化学物，通过3个任务情景进行验证，分别就人员沟通、操作人员动作、参数检查和设备控制流程进行全方位的人因验证，监测发现任务执行中的人机接口对人员任务的支持程度，以及是否存在不支持人员任务的人机接口部件，同时利用平台的效能监测功能，实时跟踪任务执行中的人员效能或环境噪声影响，评估操作人员的工作负荷，识别人因工程偏差项，从而给现有人机接口设计提出改进意见。

通过基于虚拟现实的任务情景的验证过程，发现一些与HSI设计有关的问题，主要有3种类型：

1）部分部件没有提供应有的人机接口（人机接口不充分）。

2）人机接口的操作指导描述缺乏或错误。

3）人机接口所处的空间环境问题。

4 结束语

虚拟现实技术在具体应用上、在预置化展示和评审中已获得了广泛认可，即满足了良好的渲染效果和造型展示的目的。虽然个别案例尝试在工业领域进行培训，但均是预置化的局部模型、场景。本文描述的沉浸式虚拟现实交互平台是支持真正的动态交互，通过灵活性支持复杂的工程应用场景和迭代需要，实现大规模数据动态集成，支持工业级人因设计、验证、培训。同时，本文也基于沉浸式虚拟现实交互平台开展了人因工程验证中任务支持验证的应用研究，通过在平台中创建支持电厂运行规程的虚拟现实场景以及丰富的交互和验证功能，实现了典型就地操作规程的验证，并可将任务支持验证结果反馈至工程设计改进，有效支持全厂人因工程快速验证。