CN107067340B - 一种核电厂快速人因工程验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种核电厂快速人因工程验证方法，其包括在数据准备部分，用户将设计图纸预先保存在公共数据存储装置上；建立数据转换处理，通过从存储装置上读取三维模型后细分成三角面模型，完成数据准备工作中多边形转换的步骤。本发明提供的核电厂快速人因工程验证方法，整个人因验证装置可以对任何符合转换条件且能被人因工程验证软件打开的设计图纸进行验证操作，无需对系统再次进行开发性的调整。
Description
技术领域
本发明涉及为核电及类似行业提供一种可以在虚拟环境中对数字化图纸快速地进行人因工程验证的方法。
背景技术
在核电行业中，人因工程是确保电厂安全性、经济性和舒适性的重要手段，完善的人因工程分析和验证，也是通过核安全审评的必要条件。人因工程的分析范围一般至少包括人体尺寸匹配性(如操作可达性、受限空间包容)、视觉匹配性(如可视性、易辨性、可读性)、听觉匹配性(如噪声水平对语言沟通和报警声可辨识性的影响)、工作负荷(如单一操作或任务序列的生理负荷、心理负荷)等，且人因分析和验证需要覆盖整个设计周期。
受于技术条件的限值，早期人因分析主要依赖纸板模型和纸笔计算，不但效率低下，且在处理多尺寸或者系统性问题上难以进行全面地平衡考虑。
随着计算机技术的发展，特别是三维建模技术在核电设计中的推广，人因工程能够利用桌面电脑在设计过程中就对最终产品有一个较为直观的认识，部分分析工作也可以依赖专业软件(如Delmia、Jack等)中的人因模块完成。但是核电厂构筑物、系统、部件数量巨大，人员任务也繁多复杂，这些专业软件一般无法支持大规模的电厂模型，且人员行为分析时设置和调整复杂，难以进行快速、大规模的分析。此外，另一个挑战则是这些专业的人因软件常常不是整体电厂设计的主流三维建模软件，存在模型转换甚至重新建模的可能性，大大降低了可行性和效率。
近年，虚拟现实技术的兴起为人因提供了更大的可能性和帮助，虚拟现实技术可以让还只是设计阶段的设备或厂房直接呈现在实验者的眼前，让实验者以正确的比例观察设计的对象并与其互动。但虚拟现实技术在工业领域人因工程设计和验证中还是遇到了不少困难。通常虚拟现实在工业上的应用被分成两大形式，一种是以诸如Unity、Virtools、Unreal等实时多边形引擎进行设计制作的交互应用；另一种则是基于Delmia、Jack这类工业验证平台进行严格的计算验证。前者由于其开发的灵活性，通过使用实时动作捕捉系统，可以很轻易地实现直接的人机交互，用户以第一人称的视角来观看待验证的对象，并以自然的动作快速地与目标进行互动，能够处理大规模模型和实时的动作序列。但这种方式的缺点则在于：1)模型依赖多边形技术，若存在高精度分析需求，其尺寸精确性无法得到保障；2)通常需要按照特定验证需要开发专用的应用，泛用性受到限制，且独立开发的人因分析模块其性能一般无法达到专业的商用软件。后者通常能够直接使用设计图纸，泛用性较好，且基于曲面或实体的模型以及专业的商用人因模块能够为设计提供更为完善和精确的结果。但是由于这类软件设计本身是针对离线验证的，对于虚拟现实类系统没有有效的支持，即使使用一些第三方的中间件，也很难获得理想的实时动作和直观的交互，且其验证的效率非常低，也不支持针对性的二次开发，无法大规模应用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种核电厂快速人因工程验证方法。
核电厂快速人因工程验证方法包括在数据准备部分，用户将设计图纸预先保存在公共数据服务器上；建立数据转换服务，通过从存储服务器上读取设计平台给出三维图纸后细分成三角面模型，完成数据准备工作中多边形转换的步骤；转换完成多边形数据按照与原几何体的对应关系，保存在多边形数据存储服务器中；多边形数据与原设计图纸中对象的对应关系使用关系型数据库保存。
优选地，还包括：数据准备部分完成后，进入快速验证部分，在快速验证部分，使用多边形实时引擎创建验证应用，多边形引擎不使用预置的几何体，而是运行时按照数据库中的记录从多边形数据存储加载几何体。
优选地，还包括：使用动作捕捉系统，通过一动作数据中转服务对动作捕捉系统输出的动作数据进行解析，将解析结果提供给多边形引擎以获取测试人员肢体的位姿，供用户与虚拟的验证对象进行交互。
优选地，还包括：用户通过使用虚拟现实设备在虚拟的设计数据前进行快速的人因验证；在交互应用中实现对动作数据中转服务的控制，当用户需要开始关键部分验证时，可从交互界面中触发动作数据中转服务对动作数据的录制行为，将动作数据以及验证时刻虚拟场景中加载的几何体信息一同保存在动作数据存储服务器中，从而完成人体动作的录制和保存工作；在快速验证部分，同时提供一个人因工程在线的快速验证模块，可以根据记录的信息快速按照时间和空间坐标，进行基础的人因工程分析(如可达性/碰撞、体力负荷等)，并直接输入验证报告。
优选地，还包括：当用户完成快速验证部分后，进入会话转换部分；在用户决定停止录制动作后，系统开始将已经录制的动作数据以及验证时刻加载的几何体信息，交予验证任务转移工具；转移工具通过之前保存在数据库中多边形信息与原始设计数据的关系表，找出相关的设计文件以对应几何体部分，生成人因工程验证平台能够打开的数据文件，完成会话的数据转换工作；用户可以按需开始进行离线验证。
优选地，还包括：在离线验证部分，用户使用人因工程验证软件打开之前验证任务转移工具生成的对应数据文件；人因工程验证软件通过使用动作数据中转服务中动作数据回放部分回放与该场景对应的动作数据；用户在人因工程验证软件中运行所需的分析计算，最终输出验证报告。
优选地，若对验证精度要求不高、不需要进一步手动调整人体姿态和路径、验证项目要求较少，则可直接利用人因工程快速验证模块生成报告；反之，则可以进入离线验证进行更为深入的分析；在面对大型厂房和非固定位置操作的复杂任务时，首先利用人因工程快速验证模块进行验证，根据在线验证的结果筛选出需要进一步分析的环节或重点区域，在离线验证中再进行深入分析，从而实现验证速度和精度的平衡。
优选地，基于虚拟现实技术。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的核电厂快速人因工程验证方法，整个人因验证装置可以对任何符合转换条件且能被人因工程验证软件打开的设计图纸进行验证操作，无需对系统再次进行开发性的调整。
2、本发明提供的核电厂快速人因工程验证方法，能够提供用户友好快捷的交互验证体验，大幅度提高用户工作效率。快速验证的结果可以进一步使用离线验证的方式机型详细的计算分析，给出有足够信服力的验证报告。
3、本发明提供的核电厂快速人因工程验证方法，兼顾动态验证效率和验证精确性，在数据泛用性、人机交互易用性、验证全流程支持上均具有优势，能够满足用户在数字图纸设计过程中频繁迭代的需求，使得设计与人因验证同步进展，实现了虚拟现实技术在复杂系统人因工程验证中的大规模工业应用。
附图说明
图1为本发明核电厂快速人因工程验证方法的结构图。
图2为本发明中数据关系图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
改善虚拟现实人因验证的工作流程，将整个验证过程分解成4大部分(如图1所示)：
在数据准备部分(图1-①)，用户将设计图纸预先保存在公共数据服务器(图2-①)上。建立数据转换服务(图2-②)，通过从存储服务器上读取设计平台给出三维图纸后细分成三角面模型，完成数据准备工作中多边形转换的步骤(图1-⑥)。转换完成多边形数据按照与原几何体的对应关系，保存在多边形数据存储服务器中(图2-③)。多边形数据与原设计图纸中对象的对应关系使用关系型数据库(图2-④)保存。
数据准备部分完成后，进入快速验证部分(图1-②)，在快速验证部分，使用多边形实时引擎(图2-⑤)创建验证应用，多边形引擎不使用预置的几何体，而是运行时按照数据库中的记录从多变形数据存储加载几何体(图1-⑦)。使用动作捕捉系统(图2-⑥)，通过一动作数据中转服务(图2-⑦)对动作捕捉系统输出的动作数据进行解析，将解析结果提供给多边形引擎以获取测试人员肢体的位姿，供用户与虚拟的验证对象进行交互(图1-⑧)。用户通过使用虚拟现实设备(图2-⑨)在虚拟的设计数据前进行快速的人因验证。在交互应用中实现对动作数据中转服务的控制，当用户需要开始关键部分验证时，可从交互界面中触发动作数据中转服务对动作数据的录制行为(图2-⑧)，将动作数据以及验证时刻虚拟场景中加载的几何体信息一同保存在动作数据存储服务器中(图2-⑩)，从而完成人体动作的录制和保存工作(图1-⑨、图1-⑩)。在快速验证部分，同时提供一个人因工程在线的快速验证模块(图1-、图2-/>)，可以根据记录的信息快速按照时间和空间坐标，进行基础的人因工程分析(如可达性/碰撞、体力负荷等)，并直接输入验证报告(图1-/>、图2-/>)。
当用户完成快速验证部分后，进入会话转换部分(图1-③)。在用户决定停止录制动作后，系统开始将已经录制的动作数据以及验证时刻加载的几何体信息，交予验证任务转移工具(图2-)。转移工具通过之前保存在数据库中多边形信息与原始设计数据的关系表，找出相关的设计文件以对应几何体部分，生成人因工程验证平台能够打开的数据文件，完成会话的数据转换工作(图1-/>)。用户可以按需开始进行离线验证(图1-/>)。
在离线验证部分(图1-④)，用户使用人因工程验证软件(图2-)打开之前验证任务转移工具生成的对应数据文件(图1-/>)。人因工程验证软件通过使用动作数据中转服务中动作数据回放部分(图2-/>)回放与该场景对应的动作数据(图1-/>)。用户在人因工程验证软件中运行所需的分析计算(图1-/>)，最终输出验证报告(图1-/>、图2-/>)。
其中，人因工程快速验证模块和离线验证的主要区别在于，若对验证精度要求不高、不需要进一步手动调整人体姿态和路径、验证项目要求较少，则可直接利用人因工程快速验证模块生成报告。反之，则可以进入离线验证进行更为深入的分析。一般而言，在面对大型厂房和非固定位置操作的复杂任务时，首先利用人因工程快速验证模块进行验证，根据在线验证的结果筛选出需要进一步分析的环节或重点区域，在离线验证中再进行深入分析，从而实现验证速度和精度的平衡。
本实施例以数据原始的设计平台为PDS系统为例，其主要的模型文件为DGN v7格式，将被验证的所有设计数据保存在一存储服务器上，作为图2-①所指的设计数据存储服务器。
如图2-②所示，建立一周期运行的服务，定时扫描该目录中更新情况。当模型文件发生更新时启动数据转换进程，将DGNv7格式读取出来，对获得的实体对象依次进行三角化处理，将获得的三角形数据存储在图2-③所示的多边形数据存储中。将转换获得三角形模型与原始的实体模型建立关联索引，索引保存在关系型数据库(图2-④)中。
使用Virtools 5.0作为虚拟现实系统的引擎(图2-⑤)。使用ART作为动作捕捉系统为验证设备提供人体动作数据(图2-⑥)。使用单独的进程运行动作数据中转服务(图2-⑦)，ART的数据包以UDP数据包形式分发，数据包内容为明码的ascii字符流，按照ART文档进行解析后提供给Virtools。在Virtools中组建虚拟现实应用，使用CAVE系统作为虚拟现实的硬件架构(图1-⑨)。Virtools应用不使用预先置入的方式，而是运行时按需从多边形数据存储处加载。Virtools应用使用UDP方式与动作数据中转服务获得人体姿态，同时也向中转服务发送控制信号。当用户需要时，发送控制数据包，要求中转服务录制动作数据(图2-⑧)，保存在动作数据存储服务器(图2-⑩)中。人因工程快速验证模块(图2-)能够利用动作数据存储服务器(图2-⑩)和虚拟现实系统(图2-⑨)中的信息，直接进行快速的基本人因工程验证，并输入验证报告(图2-/>)。
当一段验证工作完成后，系统结合动作数据与动作相关联几何体数据，通过关系数据库，查询到相关的原始设计图纸文件。建立验证会话文件(图2-)。使用Delmia作为人因验证软件(图2-/>)，按照会话文件中相关的设计图纸列表打开读取相关环境几何体。从动作数据存储服务器(图2-⑩)读取本次验证的动作数据。在Delmia中进行本次验证所需的各项计算和分析，输出验证报告(图2-/>)。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
1、本实施例提供的核电厂快速人因工程验证方法，整个人因验证装置可以对任何符合转换条件且能被人因工程验证软件打开的设计图纸进行验证操作，无需对系统再次进行开发性的调整。
2、本实施例提供的核电厂快速人因工程验证方法，能够提供用户友好快捷的交互验证体验，大幅度提高用户工作效率。快速验证的结果可以进一步使用离线验证的方式机型详细的计算分析，给出有足够信服力的验证报告。。
3、本发明提供的核电厂快速人因工程验证方法，兼顾动态验证效率和验证精确性，在数据泛用性、人机交互易用性、验证全流程支持上均具有优势，能够满足用户在数字图纸设计过程中频繁迭代的需求，使得设计与人因验证同步进展，实现了虚拟现实技术在复杂系统人因工程验证中的大规模工业应用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种核电厂快速人因工程验证方法，其特征在于，包括在数据准备部分，用户将设计图纸预先保存在公共数据存储装置上；建立数据转换处理，通过从存储装置上读取三维模型后细分成三角面模型，完成数据准备工作中多边形转换的步骤；转换完成多边形数据按照与原几何体的对应关系，保存在多边形数据存储装置中；多边形数据与原设计图纸中对象的对应关系使用数据库保存；数据准备部分完成后，进入快速验证部分，在快速验证部分，使用多边形实时引擎创建验证应用，多边形引擎不使用预置的几何体，而是运行时按照数据库中的记录从多变形数据存储加载几何体；使用动作捕捉装置，通过一动作数据中转服务对动作捕捉装置输出的动作数据进行解析，将解析结果提供给多边形引擎以获取测试人员肢体的位姿，供用户与虚拟的验证对象进行交互；用户通过使用虚拟现实装置在虚拟的设计数据前进行快速的人因验证；在交互应用中实现对动作数据中转处理的控制，当用户需要开始关键部分验证时，可从交互界面中触发动作数据中转处理对动作数据的录制行为，将动作数据以及验证时刻虚拟场景中加载的几何体信息一同保存在动作数据存储装置中，从而完成人体动作的录制和保存工作；在快速验证部分，同时提供一个在线的人因工程快速验证模块，可以根据记录的信息快速按照时间和空间坐标，进行基础的人因工程分析，并直接输出验证报告。
2.根据权利要求1所述的核电厂快速人因工程验证方法，其特征在于，还包括：当用户完成快速验证部分后，进入会话转换部分；在用户决定停止录制动作后，系统开始将已经录制的动作数据以及验证时刻加载的几何体信息，交予验证任务转移工具；转移工具通过之前保存在数据库中多边形信息与原始设计数据的关系表，找出相关的设计文件以对应几何体部分，生成人因工程验证平台能够打开的数据文件，完成会话的数据转换工作；用户可以按需开始进行离线验证。
3.根据权利要求2所述的核电厂快速人因工程验证方法，其特征在于，还包括：在离线验证部分，用户使用人因工程验证软件打开之前验证任务转移工具生成的对应数据文件；人因工程验证软件通过使用动作数据中转服务中动作数据回放部分回放与该场景对应的动作数据；用户在人因工程验证软件中运行所需的分析计算，最终输出验证报告；其中，所述人因工程验证软件，是指用于进行人因分析的验证软件；核电厂快速人因工程验证方法所使用的人因工程验证软件为Delmia。
4.根据权利要求3所述的核电厂快速人因工程验证方法，其特征在于，若对验证精度要求不高、不需要进一步手动调整人体姿态和路径、验证项目要求较少，则可直接利用人因工程快速验证模块生成最终验证报告；反之，则可以进入离线验证进行更为深入的分析；在面对大型厂房和非固定位置操作的复杂任务时，首先利用人因工程快速验证模块进行验证，根据在线验证的结果筛选出需要进一步分析的环节或重点区域，在离线验证中再进行深入分析，从而实现验证速度和精度的平衡。
5.根据权利要求4所述的核电厂快速人因工程验证方法，其特征在于，基于虚拟现实技术。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant after: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.,Ltd. Address before: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH & DESIGN INSTITUTE |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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