★北京廣利核系統工程有限公司曾剛

摘要：核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計是主控室設計中的重要一環(huán)，臺屏的外觀(guān)設計直接關(guān)系到臺屏設計的人因工程符合度。傳統的臺屏外觀(guān)設計通過(guò)制作實(shí)物模型開(kāi)展人因工程驗證工作。本文介紹一種通過(guò)虛擬現實(shí)（VR）技術(shù)實(shí)現臺屏外觀(guān)設計虛擬驗證的方法，有效解決采用實(shí)物模型開(kāi)展驗證模型制作周期長(cháng)、修改困難等問(wèn)題，從而達到提高核電廠(chǎng)主控室臺屏的設計效率、質(zhì)量以及提升臺屏人因工程設計符合度的目的。該研究在應用項目中實(shí)踐結果表明，虛擬現實(shí)技術(shù)與傳統設計驗證相結合的方式在核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計方面具備明顯優(yōu)勢并具有良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí)；人因工程；主控室臺屏；外觀(guān)設計

1 引言

虛擬現實(shí)技術(shù)是一項綜合集成技術(shù)，它的出現是計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機接口技術(shù)以及人工智能技術(shù)等交叉與綜合的結果。隨著(zhù)近年來(lái)虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其應用領(lǐng)域也得到了更大范圍的擴展，在核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計中，因其相比傳統設計和驗證方式更為高效直觀(guān)，已經(jīng)在一定范圍內得到了較好的應用。本文對虛擬現實(shí)技術(shù)在核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計中的應用進(jìn)行探討。

2 虛擬現實(shí)的技術(shù)發(fā)展及特點(diǎn)

虛擬現實(shí)（VR）技術(shù)的提出可以追溯到1985年的一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì )，由美國VPL公司創(chuàng )始人拉尼爾首次提出。VR技術(shù)是一種能夠構建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)。它采用計算機生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，通過(guò)頭戴式立體顯示器、位置追蹤儀、數據手套、3D眼鏡等輔助式交互設備，讓用戶(hù)通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等器官，觀(guān)測到物理世界與虛擬世界交互的三維界面，體驗三維空間內的變化，獲得一種臨場(chǎng)感。VR技術(shù)集成了計算機仿真、計算機圖形、傳感、網(wǎng)絡(luò )并行處理、人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)，通過(guò)計算機實(shí)現其可視化操作，形成一種虛擬的人機界面。

2.1 虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展

虛擬現實(shí)的發(fā)展可分為以下幾個(gè)階段：

1960年以前的基礎階段：人類(lèi)首次通過(guò)繪畫(huà)、透視、全景展示、立體視覺(jué)和電影以及二戰時(shí)英國飛行員的訓練飛行模擬器來(lái)展現現實(shí)。

1960~1980年的起步階段：計算機科學(xué)的出現使所有基礎元件得以發(fā)展，從而催生了虛擬現實(shí)的出現，在應用方面飛行模擬器相關(guān)的開(kāi)發(fā)進(jìn)展迅速。

1980~1990年的技術(shù)發(fā)展階段：這一階段的特點(diǎn)是專(zhuān)門(mén)針對3D交互技術(shù)發(fā)展，1985年美國宇航局開(kāi)始使用虛擬現實(shí)顯示系統，并取名——HMD（頭戴式顯示器），隨后美國VPL公司利用數據手套和自行設計的試聽(tīng)設備，銷(xiāo)售了首批虛擬現實(shí)應用程序。

1990~2000年的應用實(shí)驗階段：該階段虛擬現實(shí)技術(shù)迅速應用到眾多領(lǐng)域，包括電子游戲、汽車(chē)設計、醫療、能源工業(yè)等領(lǐng)域。

2000~2010年的工業(yè)成熟階段：該階段VR逐漸向維護和培訓發(fā)展，以及使用模擬來(lái)控制工業(yè)過(guò)程。2010年以后的大眾普及階段：該階段也即當前所屬階段，大量VR新設備出現，得益于智能手機的發(fā)展，VR設備的價(jià)格大幅下降，同時(shí)性能也得到較大提升，與VR設備相對應的新的軟件環(huán)境也建立起來(lái)，如Unity3D。

2.2 虛擬現實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬現實(shí)是指參與者或者觀(guān)察者完全深潛在一個(gè)人工合成的世界。這個(gè)世界既可以模擬真實(shí)世界的屬性，也可以是虛構的。但在虛擬現實(shí)世界中，反映真實(shí)物理世界的空間、時(shí)間、物質(zhì)屬性等規律都不復存在，虛擬現實(shí)將超越真實(shí)物理世界的邊界。虛擬現實(shí)能讓用戶(hù)在虛擬環(huán)境中執行一系列的真實(shí)任務(wù)。用戶(hù)通過(guò)在虛擬環(huán)境中與系統互動(dòng)和交互反饋，進(jìn)行沉浸感的模擬。大部分研究學(xué)者認為虛擬現實(shí)包含三要素：完全虛擬的視野、沉浸式體驗以及頭戴設備。

2.3 虛擬現實(shí)技術(shù)的應用情況

虛擬現實(shí)技術(shù)當前已得到廣泛應用，主要包括以下幾個(gè)大的領(lǐng)域：（1）新的工業(yè)應用領(lǐng)域；（2）計算機輔助手術(shù)領(lǐng)域；（3）可持續城市領(lǐng)域；（4）創(chuàng )新融合可適應社會(huì )領(lǐng)域。而本文關(guān)于核電廠(chǎng)主控室外觀(guān)設計中的應用屬于第一個(gè)領(lǐng)域范疇。

3 虛擬現實(shí)技術(shù)在核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計中的應用需求

主控室由操作員盤(pán)臺、大屏幕盤(pán)臺、后備盤(pán)等臺屏組成。在設備上有大量的監測儀表、報警裝置、調節器控制指令設定裝置、手動(dòng)控制部件等裝置。由于構成主控室人機界面的元件眾多,其在界面排布復雜,增加了核電廠(chǎng)主控室人機界面人因工程評估的難度和復雜程度，且人機接口是人因失誤的高發(fā)區。主控室臺屏的外觀(guān)設計優(yōu)化可以從視野、操作、降低疲勞等多個(gè)方面提高人因工程設計符合度，對降低人因失誤，保障核電廠(chǎng)安全運行有著(zhù)至關(guān)重要的作用。從人因工程分析的角度,如何合理設計臺屏的外觀(guān)尺寸和設備分布布置都是主控室人因工程設計的重要考慮范疇。

3.1 傳統核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計方法

傳統的核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計流程主要包括以下幾個(gè)步驟：

（1）首先根據功能分區要求和控制室尺寸限制要求，初步設計臺屏外觀(guān)。

（2）結合人因相關(guān)標準，對臺屏的人因工程符合度進(jìn)行計算核實(shí)，結合計算評估結果對（1）的外觀(guān)設計迭代更新。

（3）制作實(shí)物模型。

（4）進(jìn)行MOCK-UP驗證，記錄驗證反饋情況。

結合MOCK-UP驗證記錄，對（1）的外觀(guān)設計迭代更新。

傳統核電廠(chǎng)主控室臺屏設計驗證流程圖如圖1所示。

圖1 基于傳統方式的設計驗證流程

以上活動(dòng)通常需要2~3輪迭代才能完成，雖然目前通常采用加工制造部分位置可調節的MOCK-UP實(shí)物模型來(lái)取代完全重新制作模型，但實(shí)際執行中往往還是會(huì )有部分臺屏模型需要重新制造或者需要同時(shí)制作多套臺屏實(shí)物模型的情況。核電廠(chǎng)主控室MOCK-UP實(shí)物模型如圖2所示。

圖2 核電廠(chǎng)主控室MOCK-UP實(shí)物模型

3.2 虛擬現實(shí)技術(shù)對主控室臺屏外觀(guān)設計中的優(yōu)勢

傳統臺屏外觀(guān)設計驗證中往往識別的人因工程優(yōu)化建議和問(wèn)題較多，由于涉及實(shí)物模型制造，加工制造和場(chǎng)地布置周期通常較長(cháng)，其設計驗證迭代更新的速度往往無(wú)法匹配工程項目進(jìn)度需求。這種情況下，在傳統設計驗證方式開(kāi)始前，先采用虛擬現實(shí)技術(shù)的設計驗證方式識別絕大部分的優(yōu)化建議和問(wèn)題，可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。結合目前日益發(fā)展的高效三維建模技術(shù)，傳統的核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計活動(dòng)中的（2）、（3）、（4）環(huán)節可以使用虛擬現實(shí)技術(shù)實(shí)現。（2）環(huán)節中通過(guò)對三維建模軟件的定制開(kāi)發(fā)，使其具備自動(dòng)人因工程的自動(dòng)計算功能，從而結合所選擇的人因工程標準和人體工學(xué)數據自動(dòng)識別出人因工程的符合度情況，從而加快該環(huán)節的計算核實(shí)效率。（3）環(huán)節中三維建模相比傳統的實(shí)物模型搭建更為高效，也更方便對設計方案進(jìn)行修改和迭代驗證。（4）環(huán)節中采用虛實(shí)結合的驗證方式，可以有效彌補傳統驗證方式的短板，使驗證活動(dòng)不再受時(shí)空的局限。另外在經(jīng)過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù)建模的人因工程迭代驗證后再搭建MOCK-UP實(shí)物臺屏模型，還可以提前識別大量的人因工程設計問(wèn)題并前期完成迭代，從而有效提升人因主控室臺屏外觀(guān)設計的效率。虛擬現實(shí)技術(shù)與傳統設計驗證技術(shù)相結合的流程圖如圖3所示。

圖3 基于虛擬現實(shí)技術(shù)與傳統設計驗證技術(shù)相結合的流程圖

3.3 虛擬現實(shí)技術(shù)對主控室臺屏外觀(guān)設計中的應用需求

隨著(zhù)核電產(chǎn)業(yè)的日益成熟，核電廠(chǎng)的建設工期也得到了極大的優(yōu)化，此前普遍的60月以上的建設周期近年來(lái)逐步被優(yōu)化降低到50月以?xún)?，從而使核電的?jīng)濟性得到了進(jìn)一步提升。虛擬現實(shí)技術(shù)在主控室臺屏外觀(guān)設計中的應用，有利于提升核電廠(chǎng)主控室臺屏的設計效率，從而進(jìn)一步降低核電廠(chǎng)的建設周期，同時(shí)還能使更多人通過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù)參與到主控室臺屏的MOCK-UP評審中來(lái)，而不再受傳統的主控室臺屏MOCK-UP場(chǎng)地限制。

4 虛擬現實(shí)技術(shù)在核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計中應用模型

虛擬現實(shí)技術(shù)在核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計的應用中需要創(chuàng )建虛擬主控室。虛擬主控制室的創(chuàng )建結合了人因工程分析、臺屏結構設計、主控室三維模型建模、VR場(chǎng)景皮膚構建和渲染、虛擬現實(shí)交互等多學(xué)科技術(shù)?；赩R技術(shù)的設計驗證模型如圖4所示。以PRO-E等軟件作為臺屏結構設計工具，建模工具采用CINEMA 4D等軟件，通過(guò)創(chuàng )建主控制室房間、臺屏、儀表等基本三維模型，綜合主控制室燈光環(huán)境、盤(pán)臺表面材質(zhì)等因素，將臺屏、盤(pán)臺設備、房間燈光裝飾等都集成在一個(gè)模型中，并使用CINEMA 4D引擎對三維模型進(jìn)行交互式開(kāi)發(fā)，從而使其交互功能更加豐富。

圖4 基于VR技術(shù)的設計驗證模型

4.1 總體方案設計

以北京廣利核公司開(kāi)發(fā)的某核電廠(chǎng)主控室臺屏為例，作為虛擬現實(shí)技術(shù)應用到核電廠(chǎng)主控室臺屏的外觀(guān)設計的探索，從驗證的多樣性角度考慮，采取了傳統的建造MOCK-UP實(shí)物和虛擬現實(shí)技術(shù)相結合的驗證方式。

根據設計輸入，開(kāi)展核電廠(chǎng)主控室的臺屏的總體設計工作，包括臺屏布置設計、外觀(guān)尺寸限值確定、臺屏設備布置要求等，形成總體設計方案。

4.2 結構設計

結合臺屏的總體設計方案，采用CAD、PRO-E等軟件開(kāi)展臺屏的初步結構設計，重點(diǎn)保證可以容納臺屏設備布置要求，同時(shí)總體外觀(guān)尺寸要確保在總體方案的限值范圍內。相較CINEMA4D等三維建模軟件，CAD、PRO-E等軟件更方便快速地開(kāi)展精確尺寸的設計和建模，而且其格式可以方便地導入到CINEMA4D等三維建模軟件中，同時(shí)可以在此基礎上進(jìn)一步開(kāi)展后續臺屏詳細的結構設計。因而先使用CAD、PRO-E等軟件開(kāi)展結構設計，而不直接采用CINEMA4D等三維建模軟件平臺直接完成臺屏外觀(guān)尺寸建模，是一種更為高效的設計方式。

臺屏初步結構設計重要目標是要設計出盤(pán)臺的外觀(guān)尺寸。臺屏的初步結構設計主要包括：臺屏的主體結構框架、典型的人機接口面尺寸信息、顯示設備的精確安裝位置、典型操作設備的精確安裝位置以及人因工程功能相關(guān)部位（如扶手等）。而臺屏內部設備詳細安裝布置、結構焊接及表面處理細節等詳細設計無(wú)需在此環(huán)節開(kāi)展。這些詳細設計任務(wù)通?？梢栽谌艘蚬こ痰炞C鎖定盤(pán)臺外觀(guān)尺寸后再開(kāi)展，這樣可以有效提升結構設計效率并減少設計人員在結構詳細設計任務(wù)上迭代帶來(lái)的工作量。

4.3 三維建模

三維建模主要包括主控室內臺屏的幾何建模和主控室工作環(huán)境，目前有多種圖形建模工具，例如采用CINEMA 4D三維建模軟件平臺，建模流程主要包括：

（1）收集建模信息：包括房間尺寸信息，如房間的長(cháng)寬高、門(mén)窗尺寸、吊頂高度、通風(fēng)管道布置情況等；臺屏的尺寸信息，包括臺屏的長(cháng)寬高、詳細的外觀(guān)輪廓等；房間臺屏布置信息：包括臺屏在房間布置的相對位置、間距等，設備布置及尺寸，臺屏上設備布置信息、設備自身尺寸信息等。

（2）臺屏輪廓建模：臺屏的輪廓建?？梢圆捎幂p量化軟件將PRO-E三維圖紙轉化為CINEMA4D等軟件所兼容的格式，同時(shí)大大壓縮三維模型的容量，對外觀(guān)輪廓尺寸較為規整的臺屏，也可以采用在CINEMA4D等軟件中直接繪制的方式。

（3）房間環(huán)境建模：為達到真實(shí)環(huán)境效果，建模時(shí)應盡可能地呈現主控室的環(huán)境細節信息，包括燈光信息（燈具位置、燈光類(lèi)型、燈光顏色等），裝修信息（裝修樣式、通風(fēng)管道、其他細節）等。這些環(huán)境細節信息既可用通過(guò)圖紙形式，也可以通過(guò)照片的形式收集（如果有實(shí)物），最終在CINEMA4D等軟件中通過(guò)1:1建模的完成環(huán)境的建模。

4.4 賦予材質(zhì)

賦予材質(zhì)皮膚：賦予材質(zhì)皮膚是在模型表面覆蓋材質(zhì)紋理或圖案，該方式是實(shí)現真實(shí)效果的重要手段，這些皮膚信息包括房間相關(guān)元素的材質(zhì)皮膚（墻體、燈具、門(mén)窗、管道等）、盤(pán)臺設備材質(zhì)皮膚等。逼真的材質(zhì)皮膚能極大地提升三維模型的真實(shí)感。對于可以獲取到真實(shí)樣品的實(shí)物，還采用拍照使用照片方式，對于顯示器顯示的工藝畫(huà)面，也可以采用計算機的工藝畫(huà)面匹配到顯示器顯示屏幕上，以提升真實(shí)感。

通用材質(zhì)的皮膚，如木制家具表面、人造大理石表面等，可以選擇從已有開(kāi)放皮膚庫中獲??；核電廠(chǎng)較為特殊的材質(zhì)的皮膚，如馬賽克臺屏面板表面、專(zhuān)用設備表面等，首次完成皮膚設計即可存入皮膚庫中，后續可以直接調用。

4.5 場(chǎng)景渲染

建立場(chǎng)景并渲染：CINEMA4D等軟件都搭載了具有物理渲染特性的實(shí)時(shí)渲染系統。物理渲染系統最大的特點(diǎn)就是在不同的虛擬燈光環(huán)境下，其材質(zhì)的表現和實(shí)際物品在該燈光下表現的物理特性接近，從而在虛擬的環(huán)境里面實(shí)現了該物體的真實(shí)的反射和折射，加強沉浸感。

4.6 成像顯示

虛擬現實(shí)的最后一步是通過(guò)立體視覺(jué)設備將用戶(hù)“帶入”虛擬環(huán)境中，在虛擬現實(shí)系統中，三維視覺(jué)顯示設備有頭盔顯示器及沉浸式立體投影系統等。目前市場(chǎng)上VR終端設備的產(chǎn)品日益豐富，具有代表性的包括OCULUS、HTC、Pico等品牌。

成像系統里的VR設備具有空間定位能力，可以監測到佩戴者空間位置的和方向的改變，相關(guān)空間定位信息會(huì )映射到虛擬系統中，從而讓用戶(hù)沉浸感加強的同時(shí)，還可以像真實(shí)環(huán)境中一樣以各個(gè)角度來(lái)對設備外觀(guān)進(jìn)行驗證。某核電廠(chǎng)主控室虛擬現實(shí)場(chǎng)景圖如圖5所示。

圖5 某核電廠(chǎng)主控室虛擬現實(shí)場(chǎng)景

4.7 MOCK-UP人因驗證評審

佩戴VR眼鏡設備，核電廠(chǎng)操縱員、人因工程專(zhuān)家、核電廠(chǎng)工藝人員、臺屏設計人員就可以在虛擬現實(shí)場(chǎng)景以貼近真實(shí)的感受來(lái)評審主控室臺屏的外觀(guān)設計和布置方案。在主要的工作工位，如操作員工位、后備盤(pán)前等位置，對主要的人因工程調查項進(jìn)行測試，這些調查項不僅包括臺屏臺面高度，顯示器尺寸等主要設計指標進(jìn)行評估，還可以對臺屏的房間布置情況、人員通道等細節進(jìn)行評估。

5 結束語(yǔ)

虛擬現實(shí)技術(shù)在某核電廠(chǎng)主控室臺屏外觀(guān)設計中的應用，是國內對新建核電廠(chǎng)主控室設計的一次嘗試，在最終加工MOCK-UP實(shí)物模型之前，共結合業(yè)主評審意見(jiàn)開(kāi)展了二十余個(gè)版本的迭代設計。雖然當前階段，虛擬現實(shí)技術(shù)在主控室外觀(guān)設計中的應用尚不夠全面和成熟，如觸覺(jué)傳感器尚無(wú)法真實(shí)模擬實(shí)際操作感受等限制了最終驗證階段實(shí)物MOCK-UP模型的不可替代性，但這種采用虛擬現實(shí)技術(shù)與傳統設計驗證技術(shù)相結合的方式一定程度上提升了主控室設計質(zhì)量和效率，為后續主控室的設計積累了寶貴經(jīng)驗，也為下一步的現實(shí)增強技術(shù)（AR）和混合現實(shí)技術(shù)（MR）在核電廠(chǎng)主控室臺屏設計和驗證中的進(jìn)一步應用研究打下了基礎。

作者簡(jiǎn)介:

曾剛（1982-），男，湖北仙桃人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，從事核電站儀控系統工程設計工作。

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