控制室布置设计的虚拟人验证方法及系统

摘要

本发明涉及一种控制室布置设计的虚拟人验证方法，其包括下列步骤：建立虚拟人的人体模型；建立核电站控制室的布置模型；进行虚拟人的手型检测；进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测；进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测；记录相关检测数据。本发明涉及一种控制室布置设计的虚拟人验证系统，其包括虚拟人的人体模型单元、核电站控制室的布置模型单元和控制判断单元。本发明通过建立符合人因工程标准的、适合中国人体数据的核电操纵员虚拟人模型和高精度布置的控制室模型，对核电站控制室的布置设计进行验证，不需要有较大占地面积来模拟控制室，验证投资较小，且可实现多种方案的组合验证，缩短了验证项目的实施时间。

说明书

技术领域

本发明涉及核电站技术领域，更具体地说，涉及一种控制室布置设计的虚拟人验证方法及系统。

背景技术

控制室是核电站的监控中心，其主要功能是核电站在各种运行工况下对全厂正常和异常状态进行监测和控制，保障核电站有效、安全运行。广义的控制室系统包括人机接口工作站、控制室工作人员、操作规程、培训大纲和相关的设施或设备的总体，它们共同维持控制室功能的正确执行。

控制室的布置一般遵照一致、互补、冗余性和功能分组原则，以提高控制室的安全性、可靠性和空间利用率。例如，控制盘台、操纵员工作站、后备盘及大屏幕的形状尺寸的设计，须做到以下几点：第一，建立人体尺寸的基本数据，且所有基本数据必须在各种具体情况均具有适用性；第二，人体尺寸的基本数据必须以控制设备的尺寸和操作形式的具体要求为基础；第三，要考虑到操纵员工作主要以坐姿操作，必须为操纵员提供舒适的座位，同时也允许站立操作；第四，操纵员在操纵员工作站上进行操作时，经常需要书写或接触文件，必须要有适当的书写空间。总之，以上控制盘台、操纵员工作站、后备盘及显示大屏幕的形状尺寸的设计参数的大小以及最终的伸展半径、观察距离、观察范围和观察角度的大小，必须在90％的使用人员可接受的范围内。

后备盘主要采用硬接线方式，在核电站以计算机为主的监控方式不可用时可控制核电站在一定时间内安全运行并能够将电站带入安全停堆状态，其具有与现场硬线缆连接及盘后接线的特点，由于考虑到后备盘在电站正常运行时并不使用，因此将后备盘置于大屏幕旁边和操纵员工作站侧面，且在墙和后备盘后留出适当的安装维护通道，这样的布置有效利用了大屏幕旁边以及墙体旁边的空间，同时能够在后备盘前构成后备操作区。

另外，控制室还需设计人员通道区域和维修区域，以满足人员通过和维修的需要。

对于上述设计要求，需要验证操纵员在操作这些设备时是否舒适，若使用验证平台进行验证，投资将很大，且不容易实现多种方案的组合验证。同时使用验证平台容易受到空间的影响，需要有较大占地面积来模拟控制室。并且，验证平台不能满足多人同时进行验证的要求，较费时间，将影响验证项目的实施进展。

虚拟人技术是人在计算机生成空间(虚拟环境)中的几何特性与行为特性的表示，涉及计算机图形学、虚拟现实、人工智能、运动学与动力学、多功能感知、认知心理学等多个学科。目前，国内外还没有建立结合核电操纵员人体数据的虚拟人模型，也尚没有使用虚拟人对核电控制室布置进行模拟验证，于是，迫切需要通过建立与操纵员人体数据相适应的虚拟人，从而建立虚拟人验证系统以对核电站控制室的布置设计进行验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种控制室布置设计的虚拟人验证方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：构造一种控制室布置设计的虚拟人验证方法，包括下列步骤：

建立虚拟人的人体模型；

建立核电站控制室的布置模型；

进行虚拟人的手型检测；

进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测；

进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测；

记录相关检测数据。

在本发明的验证方法中，所述建立虚拟人的人体模型分别在下列情况下进行：

第一种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂不用伸直；

第二种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂向目标伸直；

第三种情况：虚拟人不垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

第四种情况：虚拟人垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

并且，所述建立虚拟人的人体模型的步骤包括：

建立虚拟人的身体特征子模型，其包括依据中国国内操纵员身体数据建立不同身高、臂长、腿长和手长的模型数据；

建立虚拟人的视觉范围子模型，其包括建立虚拟人的上、下、左和右视觉范围模型数据；

建立虚拟人的关节活动子模型，其包括建立虚拟人的活动关节的模型数据；

建立虚拟人的体型子模型，其包括建立虚拟人的胖、瘦模型数据。

在本发明的验证方法中，所述建立核电站控制室的布置模型的步骤包括：

建立控制室的空间分布子模型，其包括建立核电站控制室的长、宽、高模型数据；

建立控制室内控制设备的形状分布子模型，其包括建立控制室内控制设备的形状尺寸、空间分布模型数据。

在本发明的验证方法中，所述进行虚拟人的手型检测的步骤包括：

S31：在核电站控制室的布置模型中设定虚拟人的操作手的手指位置；

S32：根据当前操作手的手指位置得出当前的操作手类型；

S33：判断当前的操作手类型是否满足控制设备操作需求，是则进入步骤S34；否则进入步骤S35；

S34：使用该操作手类型进行控制设备操作并在评估报告中记录相关数；

S35：重新调整操作手的手指位置，然后返回步骤S32，直到当前的操作手类型满足控制设备操作需求。

在本发明的验证方法中，所述进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测的步骤包括：

S41：设定虚拟人的位置；

S42：分别判断当前位置处虚拟人的人体模型的外边框与控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备的形状分布子模型的外部边框的距离是否均大于碰撞阈值，是则虚拟人与核电站控制室布置模型没有发生碰撞，进入步骤S43；否则发生碰撞，进入步骤S44；

S43：在评估报告中记录相关数据；

S44：重新调整虚拟人的位置，返回步骤S42，直到不发生碰撞。

在本发明的验证方法中，所述进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测的步骤包括：

S51：设定目标控制设备，并设定一条虚拟人行动路径；

S52：在虚拟人行动路径上选择与目标控制设备距离最近的点；

S53：在所述建立虚拟人的人体模型的四种情况下分别判断在所述最近的点上虚拟人的操作手是否可接触目标控制设备，是则进行虚拟人的手型检测步骤，否则进入步骤S54；

S54：记录该操作手无法对目标控制设备进行操作并在评估报告中记录相关数据，并且重新调整目标控制设备和虚拟人行动路径，返回步骤S52。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：构造一种控制室布置设计的虚拟人验证系统，其包括：

虚拟人的人体模型单元：其包括虚拟人的身体特征子模型、视觉范围子模型、关节活动子模型和体型子模型；

核电站控制室的布置模型单元：其包括控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备的形状分布子模型，

控制判断单元：其用于控制进行虚拟人的手型检测、虚拟人与核电站控制室的碰撞检测、虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测，并作出评估报告。

在本发明的验证系统中，所述虚拟人的人体模型单元分别在四种情况下建立：

第一种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂不用伸直；

第二种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂向目标伸直；

第三种情况：虚拟人不垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

第四种情况：虚拟人垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

并且，所述虚拟人的身体特征子模型包括依据中国国内操纵员身体数据建立不同身高、臂长、腿长和手长的模型数据；

视觉范围子模型包括建立虚拟人的上、下、左和右视觉范围模型数据；

关节活动子模型包括虚拟人的活动关节的模型数据；

体型子模型包括建立虚拟人的胖、瘦模型数据。

在本发明的验证系统中，所述核电站控制室的布置模型包括：

控制室的空间分布子模型，其包括核电站控制室的长、宽、高模型数据；

控制室内控制设备的形状分布子模型，其包括控制室内控制设备的形状尺寸、空间分布模型数据。

在本发明的验证系统中，所述控制判断单元控制进行虚拟人的手型检测的方式为：控制判断单元控制在核电站控制室的布置模型中设定虚拟人的操作手的手指位置，并根据当前操作手的手指位置得到当前的操作手类型，同时判断当前的操作手类型是否满足控制设备操作需求，是则使用该操作手类型进行控制设备操作。

所述控制判断单元控制进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测的方式为：控制判断单元控制设定虚拟人的位置，并控制判断当前位置处虚拟人的人体模型的外边框与控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备形状分布子模型的外部边框的距离是否均大于碰撞阈值，是则虚拟人与核电站控制室布置模型没有发生碰撞；

所述控制判断单元控制进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测的方式为：控制判断单元首先控制设定目标控制设备和虚拟人行动路径，并在选择行动路径上选择与目标控制设备距离最近的点，同时在所述建立虚拟人的人体模型的四种情况下分别判断在所述最近的点上虚拟人的操作手是否可接触目标控制设备，是则控制进行虚拟人的手型检测。

实施本发明的控制室布置设计的虚拟人验证方法及系统，具有以下有益效果：通过建立符合人因工程标准的、适合中国人体数据的核电操纵员虚拟人模型和高精度布置的控制室模型，对核电站控制室的布置设计进行验证，不需要有较大占地面积来模拟控制室，验证投资较小，且可实现多种方案的组合验证，将缩短了验证项目的实施时间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明控制室布置设计的虚拟人验证方法一实施例的流程图；

图2是图1中进行虚拟人的手型检测步骤的流程图；

图3是图1中进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测步骤的流程图；

图4是图1中进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测步骤的流程图；

图5是本发明控制室布置设计的虚拟人验证系统一实施例的结构方框图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明控制室布置设计的虚拟人验证方法一实施例的流程图。本实施例中，该控制室布置设计的虚拟人验证方法包括下列步骤：

步骤S0：开始。

步骤S1：建立虚拟人的人体模型。其中，虚拟人的人体模型的建立分别在下列情况下进行：

第一种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂不用伸直；

第二种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂向目标伸直；

第三种情况：虚拟人不垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

第四种情况：虚拟人垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直。

并且，在步骤S1中，所述建立虚拟人的人体模型的步骤包括：

建立虚拟人的身体特征子模型，其包括依据中国国内操纵员身体数据建立不同身高、臂长、腿长和手长的模型数据；建立虚拟人的视觉范围子模型，其包括建立虚拟人的上、下、左和右视觉范围模型数据；建立虚拟人的关节活动子模型，其包括虚拟人的活动关节的模型数据；建立虚拟人的体型子模型，其包括建立虚拟人的胖、瘦模型数据。上述模型数据的建立依据于NUREG0700人因工程原则和中国操纵员的具体身体条件。

步骤S2：建立核电站控制室的布置模型。

其中，所述建立核电站控制室的布置模型的步骤包括：建立控制室的空间分布子模型，其包括建立核电站控制室的长、宽、高模型数据；建立控制室内控制设备的形状分布子模型，其包括建立控制室内控制设备的形状尺寸、空间分布模型数据。所述控制室内控制设备包括操作员工作台、后备控制盘、紧急停堆盘、大屏幕等设备。

步骤S3：进行虚拟人的手型检测。结合图2所示，是图1中进行虚拟人的手型检测步骤的流程图。该进行虚拟人的手型检测的步骤包括：

S31：在核电站控制室的布置模型中设定虚拟人的操作手的手指位置；

S32：根据当前操作手的手指位置得出当前的操作手类型，如按按钮类型、旋转开关类型、拧钥匙类型等等。

S33：判断当前的操作手类型是否满足控制设备操作需求，是则进入步骤S34；否则进入步骤S35；本分步骤中，通过判断虚拟人的操作手的手指是否可处于操作设备的内部，若是，则当前的操作手类型满足控制设备操作需求。

S34：使用该操作手类型进行控制设备操作并在评估报告中记录相关数；

S35：重新调整操作手的手指位置，然后返回步骤S32，直到当前的操作手类型满足控制设备操作需求。

上述进行虚拟人的手型检测步骤的实施，能够不断调整虚拟人的操作手的手指，使操作手逐渐向满足设备操作的手型逼近。

步骤S4：进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测。结合图3所示，是图1中进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测步骤的流程图。其中，该进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测的步骤包括：

S41：设定虚拟人的位置；

S42：分别判断当前位置处虚拟人的人体模型的外边框与控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备的形状分布子模型的外部边框的距离是否均大于碰撞阈值，是则虚拟人与核电站控制室布置模型没有发生碰撞，进入步骤S43；否则发生碰撞，进入步骤S44；

S43：在评估报告中记录相关数据；

S44：重新调整虚拟人的位置，返回步骤S42，直到不发生碰撞。

上述进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测步骤的实施，通过虚拟人在虚拟的核电站控制室的布置模型中进行漫游，检测虚拟人行走过程当中是否与控制设备发生碰撞，并模拟虚拟人在模拟维修时维修空间是否够用，以更好的验证各种正常通道的可通过性和维修通道的可操作性。

步骤S5：进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测。结合图4所示，是图1中进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测步骤的流程图。其中，该进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测的步骤包括：

S51：设定目标控制设备，并设定一条虚拟人行动路径；

S52：在虚拟人行动路径上选择与目标控制设备距离最近的点；

S53：在所述建立虚拟人的人体模型的四种情况下分别判断在所述最近的点上虚拟人的操作手是否可接触目标控制设备，是则返回到步骤S3进行虚拟人的手型检测，否则进入步骤S54；

S54：记录该操作手无法对目标控制设备进行操作并在评估报告中记录相关数据，并且重新调整目标控制设备和虚拟人行动路径，返回步骤S52。

上述进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测步骤的实施，通过虚拟人模拟操作对控制设备的可接触性和可操作性进行验证。

步骤S6：记录相关检测数据。通过汇总上述各步骤的相关数据，可得出最佳核电站控制室的布置模型的相关数据。

步骤S7：结束。

如图5所示，是本发明控制室布置设计的虚拟人验证系统一实施例的结构方框图。本实施例中，该控制室布置设计的虚拟人验证系统包括虚拟人的人体模型单元、核电站控制室的布置模型单元和控制判断单元。

其中，虚拟人的人体模型单元包括虚拟人的身体特征子模型、视觉范围子模型、关节活动子模型和体型子模型；

核电站控制室的布置模型单元包括控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备的形状分布子模型，

控制判断单元用于控制进行虚拟人的手型检测、虚拟人与核电站控制室的碰撞检测、虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测，并作出评估报告。

虚拟人的人体模型单元分别在以下四种情况下建立：

第一种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂不用伸直；

第二种情况：虚拟人不垫脚、不倾斜身体、手臂向目标伸直；

第三种情况：虚拟人不垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

第四种情况：虚拟人垫脚、倾斜身体、手臂向目标伸直；

并且，虚拟人的身体特征子模型包括依据中国国内操纵员身体数据建立不同身高、臂长、腿长和手长的模型数据；视觉范围子模型包括建立虚拟人的上、下、左和右视觉范围模型数据；关节活动子模型包括虚拟人的活动关节的模型数据；虚拟人的体型子模型包括建立虚拟人的胖、瘦模型数据。

核电站控制室的布置模型包括控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备的形状分布子模型；控制室的空间分布子模型包括核电站控制室的长、宽、高模型数据；控制室内控制设备的形状分布子模型包括控制室内控制设备的形状尺寸、空间分布模型数据。

控制判断单元控制进行虚拟人的手型检测的方式为：控制判断单元控制在核电站控制室的布置模型中设定虚拟人的操作手的手指位置，并根据当前操作手的手指位置得到当前的操作手类型，同时判断当前的操作手类型是否满足控制设备操作需求，是则使用该操作手类型进行控制设备操作并在评估报告中记录相关数据，否则控制重新调整操作手的手指位置，直到当前的操作手类型满足控制设备操作需求为止，并记录相关数据。

控制判断单元控制进行虚拟人与核电站控制室的碰撞检测的方式为：控制判断单元控制设定虚拟人的位置，并控制判断当前位置处虚拟人的人体模型的外边框与控制室的空间分布子模型和控制室内控制设备形状分布子模型的外部边框的距离是否均大于碰撞阈值，是则虚拟人与核电站控制室布置模型没有发生碰撞；否则发生碰撞，重新设定虚拟人的位置，直到不发生碰撞。其中，所述碰撞阈值的设定依据实际需求进行最优选择设置。

控制判断单元控制进行虚拟人与核电站控制室内控制设备的接触检测的方式为：控制判断单元首先控制设定目标控制设备和虚拟人行动路径，并在选择行动路径上选择与目标控制设备距离最近的点，同时在上述所述建立虚拟人的人体模型的四种情况下分别判断在所述最近的点上虚拟人的操作手是否可接触目标控制设备，是则控制进行虚拟人的手型检测，否则记录该操作手无法对目标控制设备进行操作并在评估报告中记录相关数据，并且控制重新调整目标控制设备和虚拟人行动路径，继续进行判断。

可见，本发明通过建立符合人因工程标准的、适合中国人体数据的核电操纵员虚拟人模型和高精度布置的控制室模型，对核电站控制室的布置设计进行验证，不需要有较大占地面积来模拟控制室，验证投资较小，且可实现多种方案的组合验证，将缩短了验证项目的实施时间。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。