放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)設(shè)計

李珂嫻，羅 群，王海軍，陳 偉，何 穎

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

核事故情況下，事故現(xiàn)場人員體表易受到放射性沾染，正確的洗消操作可有效降低人員受照劑量、防止污染擴散。常規(guī)演習(xí)和訓(xùn)練中放射性污染洗消訓(xùn)練組織實施復(fù)雜，需投入大量人力、物力[1-2]，且無法實現(xiàn)不同環(huán)境下的全員受訓(xùn)和重復(fù)操作，受訓(xùn)結(jié)果總結(jié)分析困難。而人員體表放射性污染的去除專業(yè)性高、流程方法嚴格，必須經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練才能掌握[3]。近年來，基于虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）和增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）技術(shù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍隊和地方教學(xué)訓(xùn)練，取得很好的社會和經(jīng)濟效益[4-10]。放射性污染洗消訓(xùn)練的專業(yè)性和特殊性決定其適合以模擬訓(xùn)練的形式組織實施，既可改善實操訓(xùn)練的組織實施困難，又可避免放射性物質(zhì)的產(chǎn)生和擴散。然而，目前放射性污染洗消訓(xùn)練還是依托演習(xí)演練、醫(yī)療模擬人操作等常規(guī)手段，存在訓(xùn)練手段單一、訓(xùn)練環(huán)境不逼真、訓(xùn)練要素不全、沒有專用洗消器等問題。放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)的研發(fā)可有效解決上述問題，提高人員體表放射性污染的洗消處置能力。

1 需求分析

目前，國內(nèi)外放射性污染的洗消訓(xùn)練以大規(guī)模演練中的少部分人員實操訓(xùn)練為主，而演練中人員體表的放射性沾染無法使用真實的放射性物質(zhì)，檢測和洗消儀器也無法在訓(xùn)練中得到實際應(yīng)用，導(dǎo)致參訓(xùn)人員有限，且儀器設(shè)備沒有得到充分的使用和展開，使訓(xùn)練流于表面。

基于以上問題，項目組通過研發(fā)放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)，實現(xiàn)受訓(xùn)人員核事故情況下體表放射性污染洗消關(guān)鍵過程的沉浸式仿真訓(xùn)練與考核評估。系統(tǒng)通過1∶1半實物仿真洗消器材、桌面式訓(xùn)練設(shè)備、觀摩講評設(shè)備等硬件，實現(xiàn)放射性污染洗消的訓(xùn)練、教學(xué)和評估功能，解決放射性污染洗消訓(xùn)練組織實施困難、環(huán)境真實度低等實際問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)針對放射性污染洗消訓(xùn)練手段單一、環(huán)境不逼真、放射性污染傷員難模擬等問題，應(yīng)用VR、建模仿真和數(shù)據(jù)分析評估技術(shù)，提供通用可擴展的平臺架構(gòu)，構(gòu)建交互式放射性污染洗消訓(xùn)練仿真系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，人員可以通過外接仿真設(shè)備開展AR污染檢測和洗消訓(xùn)練，為涉核人員放射性污染洗消模擬仿真訓(xùn)練提供仿真訓(xùn)練環(huán)境和技術(shù)支撐。本系統(tǒng)包括軟件和硬件2個部分。

整個系統(tǒng)采用可擴展流程架構(gòu)和組件化仿真模型框架，配套相應(yīng)的模型、數(shù)據(jù)、開發(fā)指導(dǎo)規(guī)范等體系，結(jié)合建模仿真技術(shù)、VR技術(shù)、模擬器技術(shù)，為核事故放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)運行、擴展提供支撐。系統(tǒng)可實現(xiàn)人員放射性污染檢測、普通皮膚去污、精細部位去污、傷口去污等業(yè)務(wù)流程訓(xùn)練。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)庫層、中間件層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層和用戶層組成，架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

（1）用戶層。用戶層為系統(tǒng)應(yīng)用終端，根據(jù)訓(xùn)練過程中導(dǎo)調(diào)人員、指揮員、受訓(xùn)人員、觀摩人員等角色使用操作要求，將應(yīng)用終端劃分為導(dǎo)調(diào)評估端、觀摩講評端、指揮席位、AR參訓(xùn)席位和模擬器。

（2）應(yīng)用系統(tǒng)層。應(yīng)用系統(tǒng)層為放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)的主要功能模塊，為系統(tǒng)用戶提供放射性污染洗消操作交互，主要由綜合管理、洗消傷情設(shè)置、洗消評估指標(biāo)配置、AR檢測訓(xùn)練、AR洗消訓(xùn)練和洗消考核評估6個功能模塊組成。

（3）應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層為應(yīng)用系統(tǒng)層提供技術(shù)支持，主要包含通信/網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)、三維仿真服務(wù)、組件化建模和分析評估服務(wù)。通信/網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)符合試驗與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)（test and training enablingarchitecture，TENA）、對象管理組織數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（Object Management Group data distribution service，OMG-DDS）等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可在多種通信機制基礎(chǔ)上進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；三維仿真服務(wù)提供三維建模、場景渲染、觸摸反饋、物理模擬等，為用戶提供逼真的具有視、聽、觸等多種感知的污染洗消虛擬環(huán)境；組件化建模提高仿真模型的可重用性和可組合性；分析評估服務(wù)通過采集、記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行挖掘和整理，實現(xiàn)污染洗消作業(yè)的綜合評估。

（4）中間件層。中間件層為系統(tǒng)提供應(yīng)用支撐層和數(shù)據(jù)庫層之間的數(shù)據(jù)交互，主要包含業(yè)務(wù)邏輯組件、AI服務(wù)、資源管理組件、三維渲染引擎和移動通信/網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。

（5）數(shù)據(jù)庫層。數(shù)據(jù)庫層為系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲、訪問和管理服務(wù)。數(shù)據(jù)庫層主要包括五大類：基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、綜合信息數(shù)據(jù)庫、模型庫、評估指標(biāo)庫和事故情景庫。

（6）基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層為整個系統(tǒng)建設(shè)提供必要的應(yīng)用場所和基礎(chǔ)硬件網(wǎng)絡(luò)支撐，其中應(yīng)用場所包括訓(xùn)練大廳、觀摩大廳和設(shè)備機房3個部分，基礎(chǔ)硬件網(wǎng)絡(luò)支撐包括服務(wù)器、計算機網(wǎng)絡(luò)、安全保障系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和終端交互計算機5個部分。

2.2 開發(fā)工具

系統(tǒng)采用Unity3D引擎，該引擎具有智能化界面設(shè)計、可視化編程、高效腳本編輯、跨平臺性等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于VR、AR的項目開發(fā)，是VR、AR最主流的開發(fā)引擎。Visual Studio編程工具在腳本編輯方面有顯著優(yōu)勢，如便捷直觀的代碼編寫環(huán)境、跨平臺、可擴展插件豐富、運行速度快等，因此，系統(tǒng)開發(fā)采用Visual Studio進行程序編程。考慮通用性、處理速度、安全性等需求，使用Oracle數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)。

2.3 使用對象及模式

系統(tǒng)使用對象主要為涉核工作人員，包括核與輻射安全工程技術(shù)人員、核與輻射監(jiān)測工程技術(shù)人員、核醫(yī)學(xué)科醫(yī)生等。系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考核3種使用模式。

2.4 流程設(shè)計

系統(tǒng)重點對普通皮膚洗消、傷口洗消、精細部位洗消過程進行建模，對傷口洗消進行精細刻畫，訓(xùn)練受訓(xùn)者對體表放射性物質(zhì)污染的洗消處置能力。按業(yè)務(wù)流程分為訓(xùn)練準(zhǔn)備、訓(xùn)練實施和訓(xùn)練評估3個階段。訓(xùn)練準(zhǔn)備階段首先建立常規(guī)傷員，而后在常規(guī)傷員基礎(chǔ)上進行體表放射性污染設(shè)置，生成模擬核沾染傷員；訓(xùn)練實施階段主要完成體表放射性污染檢測與洗消的全過程訓(xùn)練，包含體表污染檢測和洗消等；訓(xùn)練評估階段通過對全過程數(shù)據(jù)的記錄與分析，生成考評結(jié)果，給出評估結(jié)論，輔助決策人員和受訓(xùn)人員發(fā)現(xiàn)問題，提高其放射性污染洗消的處置能力。系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

圖2 放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)運行流程圖

3 硬件組成

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要與軟件訓(xùn)練平臺進行數(shù)據(jù)交互，為使用人員提供洗消訓(xùn)練操作環(huán)境，包括模擬器設(shè)備、AR頭盔、模型裝配導(dǎo)調(diào)設(shè)備、大空間定位設(shè)備、觀摩講評設(shè)備等。

（1）模擬器設(shè)備。

模擬器設(shè)備根據(jù)實際洗消訓(xùn)練中常用的表面沾污儀（Como170）和單兵洗消器（自行研制），采用3D打印技術(shù)和半實物仿真技術(shù)，對其進行定制。表面沾污儀模擬器（如圖3所示）由外殼體、顯示屏、操作按鍵等組成，可模擬本底測量、凈計數(shù)測量、閾值報警、界面顯示等，實現(xiàn)虛擬傷員體表放射性沾染檢測功能；單兵洗消器模擬器（如圖4所示）由外殼體、洗消手柄、洗消刷頭、控制面板燈組成，可模擬低溫設(shè)定、高溫設(shè)定、噴液調(diào)節(jié)、抽吸調(diào)節(jié)等，實現(xiàn)虛擬傷員體表放射性沾染洗消功能。

圖3 Como170型表面沾污儀模擬器

圖4 單兵洗消器模擬器

（2）AR頭盔。

AR頭盔（型號Hololens 1，如圖5所示）是現(xiàn)有技術(shù)較成熟的AR設(shè)備，可在現(xiàn)實環(huán)境中疊加模擬傷員，設(shè)備本身是一臺頭戴式計算機，其配備一個半透明、分辨力極高的屏幕，并集成所有的零件。其視場角為30°×17.5°（對角線34.73°），處理器為英特爾Atom X5-Z8100，主頻1.04 GHz，存儲64 GiB，電池容量16.5 Wh，可續(xù)航2 h，幀率30幀/s。

圖5 AR頭盔

（3）模型裝配導(dǎo)調(diào)設(shè)備。

模型裝配導(dǎo)調(diào)設(shè)備采用定制的觸摸一體機設(shè)備（自行研制，如圖6所示），由觸摸屏、顯示屏和主機計算機組成，可用于實現(xiàn)導(dǎo)調(diào)控制與訓(xùn)練分析評估，包括系統(tǒng)的登錄管理，訓(xùn)練科目設(shè)置，訓(xùn)練進程的發(fā)起、控制與運行，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的獲取、存儲和訓(xùn)練結(jié)果的評估。其中觸摸屏可實現(xiàn)43 in（1 in=25.4 mm）以上多點紅外觸控；顯示屏采用4K高清A規(guī)屏幕，顯示比例為16∶9；主機計算機采用i7 6700處理器，配置GtX1080（4 GiB）顯卡，內(nèi)存為8 GiB。

圖6 觸摸一體機

（4）大空間定位設(shè)備。

采用基于激光的大空間定位技術(shù)（StepVR）搭建大空間定位設(shè)備（如圖7所示），由空間定位設(shè)備和定位追蹤裝置組成，支持多人定位跟蹤、姿態(tài)動作捕捉，實現(xiàn)與虛擬人物的實時1∶1數(shù)據(jù)驅(qū)動?？臻g定位設(shè)備定位精度為1 mm，支持節(jié)點數(shù)>10，擴展范圍>10 m×10 m；定位追蹤裝置實現(xiàn)模擬器設(shè)備在定位范圍中的位置姿態(tài)采集。

圖7 大空間定位設(shè)備

（5）觀摩講評設(shè)備。

觀摩講評設(shè)備包括LED顯示屏、音響及視頻處理器。選用1.6mm間距的LED大屏（深圳市巴科光電科技股份有限公司），屏幕視角160°，尺寸8 m×2 m，支持三通道輸入?？赏ㄟ^控制單通道或多通道實時顯示，為指揮員、導(dǎo)調(diào)人員及訓(xùn)練人員提供場景顯示，可實時顯示受訓(xùn)者的污染洗消訓(xùn)練過程。

4 功能實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件包括三維環(huán)境模擬、放射性污染傷員模擬、污染洗消交互訓(xùn)練、訓(xùn)練分析評估和綜合管理等模塊，如圖8所示。

圖8 放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

4.1 三維環(huán)境模擬

利用三維可視化技術(shù)，基于Unity3D引擎，根據(jù)放射性污染傷員生成的業(yè)務(wù)背景特點，構(gòu)建逼真的地形地貌、工事建筑模型、設(shè)備儀器模型、傷員現(xiàn)場模型以及天氣天候模型，為訓(xùn)練人員提供高沉浸、高逼真的可視化戰(zhàn)場環(huán)境，提高訓(xùn)練人員在核事故險地環(huán)境下進行放射性污染洗消操作時的真實感和融入感。系統(tǒng)可模擬核相關(guān)設(shè)施如核電站、醫(yī)院病房等。三維環(huán)境模擬場景如圖9所示。

圖9 三維環(huán)境模擬場景

4.2 放射性污染傷員模擬

由于放射性物質(zhì)對人體的危害，核沾染傷員在現(xiàn)實中難以模擬，實地訓(xùn)練中多以訓(xùn)練流程為主。為貼近實戰(zhàn)，系統(tǒng)采用數(shù)字化建模仿真技術(shù)完成沾染傷員仿真模型建模，建立如燙傷、骨折、四肢出血、急性放射病、開放性氣胸、窒息傷等傷情的常規(guī)傷員。常規(guī)傷員選擇后，在常規(guī)傷員上設(shè)置沾染部位以及沾染數(shù)值，實現(xiàn)健康人員沾染、健康皮膚局部沾染、傷口沾染等放射性污染傷員模擬。放射性污染傷員模擬場景如圖10所示。

圖10 放射性污染傷員模擬場景

4.3 污染洗消交互訓(xùn)練

污染洗消交互訓(xùn)練可實現(xiàn)不同崗位、多個訓(xùn)練人員的協(xié)同洗消訓(xùn)練。訓(xùn)練崗位包括導(dǎo)調(diào)人員、指揮人員及洗消操作人員，功能模塊包括導(dǎo)調(diào)控制、檢測與洗消訓(xùn)練和觀摩顯示，實現(xiàn)AR環(huán)境下的污染檢測和洗消訓(xùn)練。

（1）導(dǎo)調(diào)控制。

完成對訓(xùn)練全過程的控制工作，包括訓(xùn)練場景設(shè)置，放射性沾染人員設(shè)置，訓(xùn)練進程的啟動、暫停和結(jié)束，訓(xùn)練中的過程干預(yù)，以及訓(xùn)練過程中的消息傳輸?shù)?。?dǎo)調(diào)控制界面如圖11所示。

圖11 導(dǎo)調(diào)控制界面

（2）檢測與洗消訓(xùn)練。

針對典型流程，進行檢測儀器和洗消器材的AR操作訓(xùn)練，分為2個功能模塊：①體表污染檢測訓(xùn)練：通過半實物仿真模擬表面沾污儀，定制模擬面板，通過傳感器將數(shù)據(jù)接入仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)軟硬件的系統(tǒng)同步。通過AR方式模擬虛擬場景中的交互，通過空間定位獲取模擬器的位置、姿態(tài)信息，采用虛實結(jié)合的方式完成訓(xùn)練過程，可實現(xiàn)虛擬信息顯示、位置姿態(tài)捕捉、人機交互等功能。②洗消訓(xùn)練：通過半實物仿真模擬單兵洗消器，定制半實物閥門元件，通過傳感器將數(shù)據(jù)接入仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)軟硬件的系統(tǒng)同步。通過AR方式虛擬三維場景，模擬洗消流體和物理重力效果，并模擬虛擬場景中的交互行為，通過空間定位獲取模擬器的位置、姿態(tài)信息，采用虛實結(jié)合的方式完成訓(xùn)練過程，可實現(xiàn)虛擬信息顯示、虛擬流體模擬、位置姿態(tài)捕捉、人機交互等功能。檢測與洗消訓(xùn)練場景如圖12所示。

圖12 檢測與洗消訓(xùn)練場景

（3）觀摩顯示。

通過LED大屏實時顯示放射性洗消訓(xùn)練過程，供場外人員現(xiàn)場觀摩和學(xué)習(xí)?？蓪崿F(xiàn)訓(xùn)練過程中參訓(xùn)者全數(shù)據(jù)的實時顯示，包括訓(xùn)練所用時長、洗消器材操作使用、放射性洗消操作結(jié)果等。觀摩顯示界面如圖13所示。

圖13 觀摩顯示界面

4.4 訓(xùn)練分析評估

訓(xùn)練分析評估模塊主要實現(xiàn)演練回放和分析評估功能。

（1）演練回放。

實現(xiàn)放射性污染洗消訓(xùn)練全過程復(fù)盤和回放功能，采集訓(xùn)練全過程，可在訓(xùn)練結(jié)束后對操作人員的操作過程進行回放，以三維直觀的方式實現(xiàn)教員訓(xùn)后講評，包括加載指定回放文件，控制回放進程播放、暫停功能，并可實現(xiàn)過程中輔助信息的顯示、隱藏功能。演練回放界面如圖14所示。

圖14 演練回放界面

（2）分析評估。

利用分析評估技術(shù)，構(gòu)建對應(yīng)科目的評估指標(biāo)體系，可對放射性污染洗消訓(xùn)練全過程進行采集記錄，包括訓(xùn)練科目、操作次數(shù)、操作順序等，得到訓(xùn)練評估結(jié)果的基本數(shù)據(jù)，而后根據(jù)對應(yīng)科目的評估模型，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行抽離整合，實現(xiàn)對放射性污染洗消的訓(xùn)練評估，包括檢測順序是否正確、檢測是否覆蓋全身、檢測時高度是否正確、檢測時速度是否正確、洗消過程是否完備等。分析評估界面如圖15所示。

圖15 分析評估界面

4.5 綜合管理

綜合管理包括資源管理和角色管理。資源管理是對模擬訓(xùn)練的過程資源進行管理操作，包括模型管理、任務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理；角色管理是對系統(tǒng)使用角色進行管理，包括角色維護、權(quán)限管理等。角色管理界面如圖16所示。

圖16 角色管理界面

5 應(yīng)用效果

第三方權(quán)威測試機構(gòu)中國電子科技集團公司第三十二研究所依據(jù)項目技術(shù)要求對本系統(tǒng)的功能、性能等進行了詳細測試，測試結(jié)果為：訓(xùn)練場景可靈活編輯，情景可供導(dǎo)調(diào)人員自由設(shè)置；支持訓(xùn)練考核功能，可自由設(shè)置考核評估指標(biāo)；訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)具有記錄、管理、回放和評估功能。系統(tǒng)同一時間段內(nèi)可支持10名以上用戶，具備放射性污染洗消的沉浸式仿真操作訓(xùn)練與考核評估能力，可幫助受訓(xùn)學(xué)員在虛擬環(huán)境中模擬放射性污染洗消過程，提高受訓(xùn)學(xué)員的操作水平。

放射性污染洗消訓(xùn)練評估系統(tǒng)目前已試用于某涉核單位，組織相關(guān)人員進行放射性污染洗消模擬訓(xùn)練和教學(xué)評估。通過對50名使用人員（其中教員10名、學(xué)員40名）的問卷調(diào)查顯示，100%的使用人員認為本系統(tǒng)具有場景模擬逼真、訓(xùn)練要素全面、組織實施方便、經(jīng)濟實用、訓(xùn)練效果好等優(yōu)點，本系統(tǒng)受到使用單位好評。

6 結(jié)語

核事故現(xiàn)場人員體表污染的去除對于降低人員受照劑量、防止污染擴散有十分重要的意義。常規(guī)訓(xùn)練方法難以實現(xiàn)不同場景下的全員參訓(xùn)、反復(fù)操練，訓(xùn)練結(jié)果的評估總結(jié)也比較困難。本系統(tǒng)的實現(xiàn)進一步拓展了受訓(xùn)者對于放射性污染洗消的教學(xué)及訓(xùn)練手段，解決了核污染環(huán)境在現(xiàn)實環(huán)境中難以模擬的問題，并有效縮短了訓(xùn)練組織時間，減少了訓(xùn)練器材的消耗，提高了受訓(xùn)者的放射性污染洗消能力。因此，利用本系統(tǒng)可有效提高核事故現(xiàn)場人員的體表放射性污染處置能力，實現(xiàn)全員參訓(xùn)、反復(fù)演練和科學(xué)評估，對提高核事故現(xiàn)場人員自救互救能力起到重要作用。但本系統(tǒng)在三維訓(xùn)練環(huán)境構(gòu)建上還存在不足，下一步將對訓(xùn)練環(huán)境進行擴充；在基礎(chǔ)傷情庫建設(shè)方面還存在欠缺，目前傷情種類比較少，后續(xù)將結(jié)合用戶的使用需求進行不斷改進。