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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司曾剛

摘要：核電廠主控室臺屏外觀設計是主控室設計中的重要一環(huán)，臺屏的外觀設計直接關(guān)系到臺屏設計的人因工程符合度。傳統(tǒng)的臺屏外觀設計通過制作實物模型開展人因工程驗證工作。本文介紹一種通過虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)實現(xiàn)臺屏外觀設計虛擬驗證的方法，有效解決采用實物模型開展驗證模型制作周期長、修改困難等問題，從而達到提高核電廠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踐結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)設計驗證相結(jié)合的方式在核電廠主控室臺屏外觀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(xiàn)實；人因工程；主控室臺屏；外觀設計

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項綜合集成技術(shù)，它的出現(xiàn)是計算機圖形學、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(jié)果。隨著近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，其應用領(lǐng)域也得到了更大范圍的擴展，在核電廠主控室臺屏外觀設計中，因其相比傳統(tǒng)設計和驗證方式更為高效直觀，已經(jīng)在一定范圍內(nèi)得到了較好的應用。本文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電廠主控室臺屏外觀設計中的應用進行探討。

2 虛擬現(xiàn)實的技術(shù)發(fā)展及特點

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的提出可以追溯到1985年的一場新聞發(fā)布會，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(gòu)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態(tài)視景，通過頭戴式立體顯示器、位置追蹤儀、數(shù)據(jù)手套、3D眼鏡等輔助式交互設備，讓用戶通過聽覺、視覺等器官，觀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(nèi)的變化，獲得一種臨場感。VR技術(shù)集成了計算機仿真、計算機圖形、傳感、網(wǎng)絡并行處理、人工智能等多學科領(lǐng)域技術(shù)，通過計算機實現(xiàn)其可視化操作，形成一種虛擬的人機界面。

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實的發(fā)展可分為以下幾個階段：

1960年以前的基礎階段：人類首次通過繪畫、透視、全景展示、立體視覺和電影以及二戰(zhàn)時英國飛行員的訓練飛行模擬器來展現(xiàn)現(xiàn)實。

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

1980~1990年的技術(shù)發(fā)展階段：這一階段的特點是專門針對3D交互技術(shù)發(fā)展，1985年美國宇航局開始使用虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，并取名——HMD（頭戴式顯示器），隨后美國VPL公司利用數(shù)據(jù)手套和自行設計的試聽設備，銷售了首批虛擬現(xiàn)實應用程序。

1990~2000年的應用實驗階段：該階段虛擬現(xiàn)實技術(shù)迅速應用到眾多領(lǐng)域，包括電子游戲、汽車設計、醫(yī)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，以及使用模擬來控制工業(yè)過程。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(xiàn)，得益于智能手機的發(fā)展，VR設備的價格大幅下降，同時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，如Unity3D。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

虛擬現(xiàn)實是指參與者或者觀察者完全深潛在一個人工合成的世界。這個世界既可以模擬真實世界的屬性，也可以是虛構(gòu)的。但在虛擬現(xiàn)實世界中，反映真實物理世界的空間、時間、物質(zhì)屬性等規(guī)律都不復存在，虛擬現(xiàn)實將超越真實物理世界的邊界。虛擬現(xiàn)實能讓用戶在虛擬環(huán)境中執(zhí)行一系列的真實任務。用戶通過在虛擬環(huán)境中與系統(tǒng)互動和交互反饋，進行沉浸感的模擬。大部分研究學者認為虛擬現(xiàn)實包含三要素：完全虛擬的視野、沉浸式體驗以及頭戴設備。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用情況

虛擬現(xiàn)實技術(shù)當前已得到廣泛應用，主要包括以下幾個大的領(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(xù)城市領(lǐng)域；（4）創(chuàng)新融合可適應社會領(lǐng)域。而本文關(guān)于核電廠主控室外觀設計中的應用屬于第一個領(lǐng)域范疇。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電廠主控室臺屏外觀設計中的應用需求

主控室由操作員盤臺、大屏幕盤臺、后備盤等臺屏組成。在設備上有大量的監(jiān)測儀表、報警裝置、調(diào)節(jié)器控制指令設定裝置、手動控制部件等裝置。由于構(gòu)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(qū)。主控室臺屏的外觀設計優(yōu)化可以從視野、操作、降低疲勞等多個方面提高人因工程設計符合度，對降低人因失誤，保障核電廠安全運行有著至關(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(tǒng)核電廠主控室臺屏外觀設計方法

傳統(tǒng)的核電廠主控室臺屏外觀設計流程主要包括以下幾個步驟：

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

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

（3）制作實物模型。

（4）進行MOCK-UP驗證，記錄驗證反饋情況。

結(jié)合MOCK-UP驗證記錄，對（1）的外觀設計迭代更新。

傳統(tǒng)核電廠主控室臺屏設計驗證流程圖如圖1所示。

圖1 基于傳統(tǒng)方式的設計驗證流程

以上活動通常需要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(diào)節(jié)的MOCK-UP實物模型來取代完全重新制作模型，但實際執(zhí)行中往往還是會有部分臺屏模型需要重新制造或者需要同時制作多套臺屏實物模型的情況。核電廠主控室MOCK-UP實物模型如圖2所示。

圖2 核電廠主控室MOCK-UP實物模型

3.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對主控室臺屏外觀設計中的優(yōu)勢

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

圖3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)設計驗證技術(shù)相結(jié)合的流程圖

3.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對主控室臺屏外觀設計中的應用需求

隨著核電產(chǎn)業(yè)的日益成熟，核電廠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逐步被優(yōu)化降低到50月以內(nèi)，從而使核電的經(jīng)濟性得到了進一步提升。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在主控室臺屏外觀設計中的應用，有利于提升核電廠主控室臺屏的設計效率，從而進一步降低核電廠的建設周期，同時還能使更多人通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)參與到主控室臺屏的MOCK-UP評審中來，而不再受傳統(tǒng)的主控室臺屏MOCK-UP場地限制。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電廠主控室臺屏外觀設計中應用模型

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電廠主控室臺屏外觀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(jié)合了人因工程分析、臺屏結(jié)構(gòu)設計、主控室三維模型建模、VR場景皮膚構(gòu)建和渲染、虛擬現(xiàn)實交互等多學科技術(shù)。基于VR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(jié)構(gòu)設計工具，建模工具采用CINEMA 4D等軟件，通過創(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、盤臺表面材質(zhì)等因素，將臺屏、盤臺設備、房間燈光裝飾等都集成在一個模型中，并使用CINEMA 4D引擎對三維模型進行交互式開發(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發(fā)的某核電廠主控室臺屏為例，作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到核電廠主控室臺屏的外觀設計的探索，從驗證的多樣性角度考慮，采取了傳統(tǒng)的建造MOCK-UP實物和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的驗證方式。

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

4.2 結(jié)構(gòu)設計

結(jié)合臺屏的總體設計方案，采用CAD、PRO-E等軟件開展臺屏的初步結(jié)構(gòu)設計，重點保證可以容納臺屏設備布置要求，同時總體外觀尺寸要確保在總體方案的限值范圍內(nèi)。相較CINEMA4D等三維建模軟件，CAD、PRO-E等軟件更方便快速地開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，同時可以在此基礎上進一步開展后續(xù)臺屏詳細的結(jié)構(gòu)設計。因而先使用CAD、PRO-E等軟件開展結(jié)構(gòu)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尺寸建模，是一種更為高效的設計方式。

臺屏初步結(jié)構(gòu)設計重要目標是要設計出盤臺的外觀尺寸。臺屏的初步結(jié)構(gòu)設計主要包括：臺屏的主體結(jié)構(gòu)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(nèi)部設備詳細安裝布置、結(jié)構(gòu)焊接及表面處理細節(jié)等詳細設計無需在此環(huán)節(jié)開展。這些詳細設計任務通常可以在人因工程迭代驗證鎖定盤臺外觀尺寸后再開展，這樣可以有效提升結(jié)構(gòu)設計效率并減少設計人員在結(jié)構(gòu)詳細設計任務上迭代帶來的工作量。

4.3 三維建模

三維建模主要包括主控室內(nèi)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，如房間的長寬高、門窗尺寸、吊頂高度、通風管道布置情況等；臺屏的尺寸信息，包括臺屏的長寬高、詳細的外觀輪廓等；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：臺屏的輪廓建模可以采用輕量化軟件將PRO-E三維圖紙轉(zhuǎn)化為CINEMA4D等軟件所兼容的格式，同時大大壓縮三維模型的容量，對外觀輪廓尺寸較為規(guī)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：為達到真實環(huán)境效果，建模時應盡可能地呈現(xiàn)主控室的環(huán)境細節(jié)信息，包括燈光信息（燈具位置、燈光類型、燈光顏色等），裝修信息（裝修樣式、通風管道、其他細節(jié)）等。這些環(huán)境細節(jié)信息既可用通過圖紙形式，也可以通過照片的形式收集（如果有實物），最終在CINEMA4D等軟件中通過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，該方式是實現(xiàn)真實效果的重要手段，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、門窗、管道等）、盤臺設備材質(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感。對于可以獲取到真實樣品的實物，還采用拍照使用照片方式，對于顯示器顯示的工藝畫面，也可以采用計算機的工藝畫面匹配到顯示器顯示屏幕上，以提升真實感。

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

4.5 場景渲染

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

4.6 成像顯示

虛擬現(xiàn)實的最后一步是通過立體視覺設備將用戶“帶入”虛擬環(huán)境中，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，三維視覺顯示設備有頭盔顯示器及沉浸式立體投影系統(tǒng)等。目前市場上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(tǒng)里的VR設備具有空間定位能力，可以監(jiān)測到佩戴者空間位置的和方向的改變，相關(guān)空間定位信息會映射到虛擬系統(tǒng)中，從而讓用戶沉浸感加強的同時，還可以像真實環(huán)境中一樣以各個角度來對設備外觀進行驗證。某核電廠主控室虛擬現(xiàn)實場景圖如圖5所示。

圖5 某核電廠主控室虛擬現(xiàn)實場景

4.7 MOCK-UP人因驗證評審

佩戴VR眼鏡設備，核電廠操縱員、人因工程專家、核電廠工藝人員、臺屏設計人員就可以在虛擬現(xiàn)實場景以貼近真實的感受來評審主控室臺屏的外觀設計和布置方案。在主要的工作工位，如操作員工位、后備盤前等位置，對主要的人因工程調(diào)查項進行測試，這些調(diào)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行評估，還可以對臺屏的房間布置情況、人員通道等細節(jié)進行評估。

5 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在某核電廠主控室臺屏外觀設計中的應用，是國內(nèi)對新建核電廠主控室設計的一次嘗試，在最終加工MOCK-UP實物模型之前，共結(jié)合業(yè)主評審意見開展了二十余個版本的迭代設計。雖然當前階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在主控室外觀設計中的應用尚不夠全面和成熟，如觸覺傳感器尚無法真實模擬實際操作感受等限制了最終驗證階段實物MOCK-UP模型的不可替代性，但這種采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)設計驗證技術(shù)相結(jié)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(xù)主控室的設計積累了寶貴經(jīng)驗，也為下一步的現(xiàn)實增強技術(shù)（AR）和混合現(xiàn)實技術(shù)（MR）在核電廠主控室臺屏設計和驗證中的進一步應用研究打下了基礎。

作者簡介:

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

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摘自《自動化博覽》2022年11月刊