★北京广利核系统工程有限公司曾刚

摘要：核电厂主控室台屏外观设计是主控室设计中的重要一环，台屏的外观设计直接关系到台屏设计的人因工程符合度。传统的台屏外观设计通过制作实物模型开展人因工程验证工作。本文介绍一种通过虚拟现实（VR）技术实现台屏外观设计虚拟验证的方法，有效解决采用实物模型开展验证模型制作周期长、修改困难等问题，从而达到提高核电厂主控室台屏的设计效率、质量以及提升台屏人因工程设计符合度的目的。该研究在应用项目中实践结果表明，虚拟现实技术与传统设计验证相结合的方式在核电厂主控室台屏外观设计方面具备明显优势并具有良好的应用前景。

关键词：虚拟现实；人因工程；主控室台屏；外观设计

1 引言

虚拟现实技术是一项综合集成技术，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。随着近年来虚拟现实技术的发展，其应用领域也得到了更大范围的扩展，在核电厂主控室台屏外观设计中，因其相比传统设计和验证方式更为高效直观，已经在一定范围内得到了较好的应用。本文对虚拟现实技术在核电厂主控室台屏外观设计中的应用进行探讨。

2 虚拟现实的技术发展及特点

虚拟现实（VR）技术的提出可以追溯到1985年的一场新闻发布会，由美国VPL公司创始人拉尼尔首次提出。VR技术是一种能够构建和体验虚拟世界的计算机仿真技术。它采用计算机生成一种交互式的三维动态视景，通过头戴式立体显示器、位置追踪仪、数据手套、3D眼镜等辅助式交互设备，让用户通过听觉、视觉等器官，观测到物理世界与虚拟世界交互的三维界面，体验三维空间内的变化，获得一种临场感。VR技术集成了计算机仿真、计算机图形、传感、网络并行处理、人工智能等多学科领域技术，通过计算机实现其可视化操作，形成一种虚拟的人机界面。

2.1 虚拟现实技术的发展

虚拟现实的发展可分为以下几个阶段：

1960年以前的基础阶段：人类首次通过绘画、透视、全景展示、立体视觉和电影以及二战时英国飞行员的训练飞行模拟器来展现现实。

1960~1980年的起步阶段：计算机科学的出现使所有基础元件得以发展，从而催生了虚拟现实的出现，在应用方面飞行模拟器相关的开发进展迅速。

1980~1990年的技术发展阶段：这一阶段的特点是专门针对3D交互技术发展，1985年美国宇航局开始使用虚拟现实显示系统，并取名——HMD（头戴式显示器），随后美国VPL公司利用数据手套和自行设计的试听设备，销售了首批虚拟现实应用程序。

1990~2000年的应用实验阶段：该阶段虚拟现实技术迅速应用到众多领域，包括电子游戏、汽车设计、医疗、能源工业等领域。

2000~2010年的工业成熟阶段：该阶段VR逐渐向维护和培训发展，以及使用模拟来控制工业过程。2010年以后的大众普及阶段：该阶段也即当前所属阶段，大量VR新设备出现，得益于智能手机的发展，VR设备的价格大幅下降，同时性能也得到较大提升，与VR设备相对应的新的软件环境也建立起来，如Unity3D。

2.2 虚拟现实技术的特点

虚拟现实是指参与者或者观察者完全深潜在一个人工合成的世界。这个世界既可以模拟真实世界的属性，也可以是虚构的。但在虚拟现实世界中，反映真实物理世界的空间、时间、物质属性等规律都不复存在，虚拟现实将超越真实物理世界的边界。虚拟现实能让用户在虚拟环境中执行一系列的真实任务。用户通过在虚拟环境中与系统互动和交互反馈，进行沉浸感的模拟。大部分研究学者认为虚拟现实包含三要素：完全虚拟的视野、沉浸式体验以及头戴设备。

2.3 虚拟现实技术的应用情况

虚拟现实技术当前已得到广泛应用，主要包括以下几个大的领域：（1）新的工业应用领域；（2）计算机辅助手术领域；（3）可持续城市领域；（4）创新融合可适应社会领域。而本文关于核电厂主控室外观设计中的应用属于第一个领域范畴。

3 虚拟现实技术在核电厂主控室台屏外观设计中的应用需求

主控室由操作员盘台、大屏幕盘台、后备盘等台屏组成。在设备上有大量的监测仪表、报警装置、调节器控制指令设定装置、手动控制部件等装置。由于构成主控室人机界面的元件众多,其在界面排布复杂,增加了核电厂主控室人机界面人因工程评估的难度和复杂程度，且人机接口是人因失误的高发区。主控室台屏的外观设计优化可以从视野、操作、降低疲劳等多个方面提高人因工程设计符合度，对降低人因失误，保障核电厂安全运行有着至关重要的作用。从人因工程分析的角度,如何合理设计台屏的外观尺寸和设备分布布置都是主控室人因工程设计的重要考虑范畴。

3.1 传统核电厂主控室台屏外观设计方法

传统的核电厂主控室台屏外观设计流程主要包括以下几个步骤：

（1）首先根据功能分区要求和控制室尺寸限制要求，初步设计台屏外观。

（2）结合人因相关标准，对台屏的人因工程符合度进行计算核实，结合计算评估结果对（1）的外观设计迭代更新。

（3）制作实物模型。

（4）进行MOCK-UP验证，记录验证反馈情况。

结合MOCK-UP验证记录，对（1）的外观设计迭代更新。

传统核电厂主控室台屏设计验证流程图如图1所示。

图1 基于传统方式的设计验证流程

以上活动通常需要2~3轮迭代才能完成，虽然目前通常采用加工制造部分位置可调节的MOCK-UP实物模型来取代完全重新制作模型，但实际执行中往往还是会有部分台屏模型需要重新制造或者需要同时制作多套台屏实物模型的情况。核电厂主控室MOCK-UP实物模型如图2所示。

图2 核电厂主控室MOCK-UP实物模型

3.2 虚拟现实技术对主控室台屏外观设计中的优势

传统台屏外观设计验证中往往识别的人因工程优化建议和问题较多，由于涉及实物模型制造，加工制造和场地布置周期通常较长，其设计验证迭代更新的速度往往无法匹配工程项目进度需求。这种情况下，在传统设计验证方式开始前，先采用虚拟现实技术的设计验证方式识别绝大部分的优化建议和问题，可以有效解决这个问题。结合目前日益发展的高效三维建模技术，传统的核电厂主控室台屏外观设计活动中的（2）、（3）、（4）环节可以使用虚拟现实技术实现。（2）环节中通过对三维建模软件的定制开发，使其具备自动人因工程的自动计算功能，从而结合所选择的人因工程标准和人体工学数据自动识别出人因工程的符合度情况，从而加快该环节的计算核实效率。（3）环节中三维建模相比传统的实物模型搭建更为高效，也更方便对设计方案进行修改和迭代验证。（4）环节中采用虚实结合的验证方式，可以有效弥补传统验证方式的短板，使验证活动不再受时空的局限。另外在经过虚拟现实技术建模的人因工程迭代验证后再搭建MOCK-UP实物台屏模型，还可以提前识别大量的人因工程设计问题并前期完成迭代，从而有效提升人因主控室台屏外观设计的效率。虚拟现实技术与传统设计验证技术相结合的流程图如图3所示。

图3 基于虚拟现实技术与传统设计验证技术相结合的流程图

3.3 虚拟现实技术对主控室台屏外观设计中的应用需求

随着核电产业的日益成熟，核电厂的建设工期也得到了极大的优化，此前普遍的60月以上的建设周期近年来逐步被优化降低到50月以内，从而使核电的经济性得到了进一步提升。虚拟现实技术在主控室台屏外观设计中的应用，有利于提升核电厂主控室台屏的设计效率，从而进一步降低核电厂的建设周期，同时还能使更多人通过虚拟现实技术参与到主控室台屏的MOCK-UP评审中来，而不再受传统的主控室台屏MOCK-UP场地限制。

4 虚拟现实技术在核电厂主控室台屏外观设计中应用模型

虚拟现实技术在核电厂主控室台屏外观设计的应用中需要创建虚拟主控室。虚拟主控制室的创建结合了人因工程分析、台屏结构设计、主控室三维模型建模、VR场景皮肤构建和渲染、虚拟现实交互等多学科技术。基于VR技术的设计验证模型如图4所示。以PRO-E等软件作为台屏结构设计工具，建模工具采用CINEMA 4D等软件，通过创建主控制室房间、台屏、仪表等基本三维模型，综合主控制室灯光环境、盘台表面材质等因素，将台屏、盘台设备、房间灯光装饰等都集成在一个模型中，并使用CINEMA 4D引擎对三维模型进行交互式开发，从而使其交互功能更加丰富。

图4 基于VR技术的设计验证模型

4.1 总体方案设计

以北京广利核公司开发的某核电厂主控室台屏为例，作为虚拟现实技术应用到核电厂主控室台屏的外观设计的探索，从验证的多样性角度考虑，采取了传统的建造MOCK-UP实物和虚拟现实技术相结合的验证方式。

根据设计输入，开展核电厂主控室的台屏的总体设计工作，包括台屏布置设计、外观尺寸限值确定、台屏设备布置要求等，形成总体设计方案。

4.2 结构设计

结合台屏的总体设计方案，采用CAD、PRO-E等软件开展台屏的初步结构设计，重点保证可以容纳台屏设备布置要求，同时总体外观尺寸要确保在总体方案的限值范围内。相较CINEMA4D等三维建模软件，CAD、PRO-E等软件更方便快速地开展精确尺寸的设计和建模，而且其格式可以方便地导入到CINEMA4D等三维建模软件中，同时可以在此基础上进一步开展后续台屏详细的结构设计。因而先使用CAD、PRO-E等软件开展结构设计，而不直接采用CINEMA4D等三维建模软件平台直接完成台屏外观尺寸建模，是一种更为高效的设计方式。

台屏初步结构设计重要目标是要设计出盘台的外观尺寸。台屏的初步结构设计主要包括：台屏的主体结构框架、典型的人机接口面尺寸信息、显示设备的精确安装位置、典型操作设备的精确安装位置以及人因工程功能相关部位（如扶手等）。而台屏内部设备详细安装布置、结构焊接及表面处理细节等详细设计无需在此环节开展。这些详细设计任务通常可以在人因工程迭代验证锁定盘台外观尺寸后再开展，这样可以有效提升结构设计效率并减少设计人员在结构详细设计任务上迭代带来的工作量。

4.3 三维建模

三维建模主要包括主控室内台屏的几何建模和主控室工作环境，目前有多种图形建模工具，例如采用CINEMA 4D三维建模软件平台，建模流程主要包括：

（1）收集建模信息：包括房间尺寸信息，如房间的长宽高、门窗尺寸、吊顶高度、通风管道布置情况等；台屏的尺寸信息，包括台屏的长宽高、详细的外观轮廓等；房间台屏布置信息：包括台屏在房间布置的相对位置、间距等，设备布置及尺寸，台屏上设备布置信息、设备自身尺寸信息等。

（2）台屏轮廓建模：台屏的轮廓建模可以采用轻量化软件将PRO-E三维图纸转化为CINEMA4D等软件所兼容的格式，同时大大压缩三维模型的容量，对外观轮廓尺寸较为规整的台屏，也可以采用在CINEMA4D等软件中直接绘制的方式。

（3）房间环境建模：为达到真实环境效果，建模时应尽可能地呈现主控室的环境细节信息，包括灯光信息（灯具位置、灯光类型、灯光颜色等），装修信息（装修样式、通风管道、其他细节）等。这些环境细节信息既可用通过图纸形式，也可以通过照片的形式收集（如果有实物），最终在CINEMA4D等软件中通过1:1建模的完成环境的建模。

4.4 赋予材质

赋予材质皮肤：赋予材质皮肤是在模型表面覆盖材质纹理或图案，该方式是实现真实效果的重要手段，这些皮肤信息包括房间相关元素的材质皮肤（墙体、灯具、门窗、管道等）、盘台设备材质皮肤等。逼真的材质皮肤能极大地提升三维模型的真实感。对于可以获取到真实样品的实物，还采用拍照使用照片方式，对于显示器显示的工艺画面，也可以采用计算机的工艺画面匹配到显示器显示屏幕上，以提升真实感。

通用材质的皮肤，如木制家具表面、人造大理石表面等，可以选择从已有开放皮肤库中获取；核电厂较为特殊的材质的皮肤，如马赛克台屏面板表面、专用设备表面等，首次完成皮肤设计即可存入皮肤库中，后续可以直接调用。

4.5 场景渲染

建立场景并渲染：CINEMA4D等软件都搭载了具有物理渲染特性的实时渲染系统。物理渲染系统最大的特点就是在不同的虚拟灯光环境下，其材质的表现和实际物品在该灯光下表现的物理特性接近，从而在虚拟的环境里面实现了该物体的真实的反射和折射，加强沉浸感。

4.6 成像显示

虚拟现实的最后一步是通过立体视觉设备将用户“带入”虚拟环境中，在虚拟现实系统中，三维视觉显示设备有头盔显示器及沉浸式立体投影系统等。目前市场上VR终端设备的产品日益丰富，具有代表性的包括OCULUS、HTC、Pico等品牌。

成像系统里的VR设备具有空间定位能力，可以监测到佩戴者空间位置的和方向的改变，相关空间定位信息会映射到虚拟系统中，从而让用户沉浸感加强的同时，还可以像真实环境中一样以各个角度来对设备外观进行验证。某核电厂主控室虚拟现实场景图如图5所示。

图5 某核电厂主控室虚拟现实场景

4.7 MOCK-UP人因验证评审

佩戴VR眼镜设备，核电厂操纵员、人因工程专家、核电厂工艺人员、台屏设计人员就可以在虚拟现实场景以贴近真实的感受来评审主控室台屏的外观设计和布置方案。在主要的工作工位，如操作员工位、后备盘前等位置，对主要的人因工程调查项进行测试，这些调查项不仅包括台屏台面高度，显示器尺寸等主要设计指标进行评估，还可以对台屏的房间布置情况、人员通道等细节进行评估。

5 结束语

虚拟现实技术在某核电厂主控室台屏外观设计中的应用，是国内对新建核电厂主控室设计的一次尝试，在最终加工MOCK-UP实物模型之前，共结合业主评审意见开展了二十余个版本的迭代设计。虽然当前阶段，虚拟现实技术在主控室外观设计中的应用尚不够全面和成熟，如触觉传感器尚无法真实模拟实际操作感受等限制了最终验证阶段实物MOCK-UP模型的不可替代性，但这种采用虚拟现实技术与传统设计验证技术相结合的方式一定程度上提升了主控室设计质量和效率，为后续主控室的设计积累了宝贵经验，也为下一步的现实增强技术（AR）和混合现实技术（MR）在核电厂主控室台屏设计和验证中的进一步应用研究打下了基础。

作者简介:

曾刚（1982-），男，湖北仙桃人，高级工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，从事核电站仪控系统工程设计工作。

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摘自《自动化博览》2022年11月刊