放射性污染洗消訓練評估系統設計

李珂嫻，羅 群，王海軍，陳 偉，何 穎

（海軍特色醫學中心，上海 200433）

0 引言

核事故情況下，事故現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。常規演習和訓練中放射性污染洗消訓練組織實施復雜，需投入大量人力、物力[1-2]，且無法實現不同環境下的全員受訓和重復操作，受訓結果總結分析困難。而人員體表放射性污染的去除專業性高、流程方法嚴格，必須經過專業訓練才能掌握[3]。近年來，基于虛擬現實（virtual reality，VR）和增強現實（augmented reality，AR）技術的模擬訓練系統已廣泛應用于軍隊和地方教學訓練，取得很好的社會和經濟效益[4-10]。放射性污染洗消訓練的專業性和特殊性決定其適合以模擬訓練的形式組織實施，既可改善實操訓練的組織實施困難，又可避免放射性物質的產生和擴散。然而，目前放射性污染洗消訓練還是依托演習演練、醫療模擬人操作等常規手段，存在訓練手段單一、訓練環境不逼真、訓練要素不全、沒有專用洗消器等問題。放射性污染洗消訓練評估系統的研發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，國內外放射性污染的洗消訓練以大規模演練中的少部分人員實操訓練為主，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，檢測和洗消儀器也無法在訓練中得到實際應用，導致參訓人員有限，且儀器設備沒有得到充分的使用和展開，使訓練流于表面。

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

2 系統設計

本系統針對放射性污染洗消訓練手段單一、環境不逼真、放射性污染傷員難模擬等問題，應用VR、建模仿真和數據分析評估技術，提供通用可擴展的平臺架構，構建交互式放射性污染洗消訓練仿真系統開發環境，人員可以通過外接仿真設備開展AR污染檢測和洗消訓練，為涉核人員放射性污染洗消模擬仿真訓練提供仿真訓練環境和技術支撐。本系統包括軟件和硬件2個部分。

整個系統采用可擴展流程架構和組件化仿真模型框架，配套相應的模型、數據、開發指導規范等體系，結合建模仿真技術、VR技術、模擬器技術，為核事故放射性污染洗消訓練評估系統運行、擴展提供支撐。系統可實現人員放射性污染檢測、普通皮膚去污、精細部位去污、傷口去污等業務流程訓練。

2.1 系統整體架構

系統整體架構由基礎設施層、數據庫層、中間件層、應用支撐層、應用系統層和用戶層組成，架構圖如圖1所示。

圖1 放射性污染洗消訓練評估系統整體架構圖

（1）用戶層。用戶層為系統應用終端，根據訓練過程中導調人員、指揮員、受訓人員、觀摩人員等角色使用操作要求，將應用終端劃分為導調評估端、觀摩講評端、指揮席位、AR參訓席位和模擬器。

（2）應用系統層。應用系統層為放射性污染洗消訓練評估系統的主要功能模塊，為系統用戶提供放射性污染洗消操作交互，主要由綜合管理、洗消傷情設置、洗消評估指標配置、AR檢測訓練、AR洗消訓練和洗消考核評估6個功能模塊組成。

（3）應用支撐層。應用支撐層為應用系統層提供技術支持，主要包含通信/網絡傳輸服務、三維仿真服務、組件化建模和分析評估服務。通信/網絡傳輸服務符合試驗與訓練使能體系結構（test and training enablingarchitecture，TENA）、對象管理組織數據分發服務（Object Management Group data distribution service，OMG-DDS）等數據傳輸協議，可在多種通信機制基礎上進行網絡數據傳輸；三維仿真服務提供三維建模、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；分析評估服務通過采集、記錄訓練數據，對數據進行挖掘和整理，實現污染洗消作業的綜合評估。

（4）中間件層。中間件層為系統提供應用支撐層和數據庫層之間的數據交互，主要包含業務邏輯組件、AI服務、資源管理組件、三維渲染引擎和移動通信/網絡傳輸服務。

（5）數據庫層。數據庫層為系統提供相關數據的存儲、訪問和管理服務。數據庫層主要包括五大類：基礎信息數據庫、綜合信息數據庫、模型庫、評估指標庫和事故情景庫。

（6）基礎設施層?；A設施層為整個系統建設提供必要的應用場所和基礎硬件網絡支撐，其中應用場所包括訓練大廳、觀摩大廳和設備機房3個部分，基礎硬件網絡支撐包括服務器、計算機網絡、安全保障系統、通信網絡和終端交互計算機5個部分。

2.2 開發工具

系統采用Unity3D引擎，該引擎具有智能化界面設計、可視化編程、高效腳本編輯、跨平臺性等優勢，被廣泛應用于VR、AR的項目開發，是VR、AR最主流的開發引擎。Visual Studio編程工具在腳本編輯方面有顯著優勢，如便捷直觀的代碼編寫環境、跨平臺、可擴展插件豐富、運行速度快等，因此，系統開發采用Visual Studio進行程序編程?？紤]通用性、處理速度、安全性等需求，使用Oracle數據庫進行開發。

2.3 使用對象及模式

系統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人員、核與輻射監測工程技術人員、核醫學科醫生等。系統提供學習、訓練和考核3種使用模式。

2.4 流程設計

系統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，訓練受訓者對體表放射性物質污染的洗消處置能力。按業務流程分為訓練準備、訓練實施和訓練評估3個階段。訓練準備階段首先建立常規傷員，而后在常規傷員基礎上進行體表放射性污染設置，生成模擬核沾染傷員；訓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練，包含體表污染檢測和洗消等；訓練評估階段通過對全過程數據的記錄與分析，生成考評結果，給出評估結論，輔助決策人員和受訓人員發現問題，提高其放射性污染洗消的處置能力。系統運行流程如圖2所示。

圖2 放射性污染洗消訓練評估系統運行流程圖

3 硬件組成

系統硬件設備主要與軟件訓練平臺進行數據交互，為使用人員提供洗消訓練操作環境，包括模擬器設備、AR頭盔、模型裝配導調設備、大空間定位設備、觀摩講評設備等。

（1）模擬器設備。

模擬器設備根據實際洗消訓練中常用的表面沾污儀（Como170）和單兵洗消器（自行研制），采用3D打印技術和半實物仿真技術，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、凈計數測量、閾值報警、界面顯示等，實現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，可模擬低溫設定、高溫設定、噴液調節、抽吸調節等，實現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）是現有技術較成熟的AR設備，可在現實環境中疊加模擬傷員，設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，可續航2 h，幀率30幀/s。

圖5 AR頭盔

（3）模型裝配導調設備。

模型裝配導調設備采用定制的觸摸一體機設備（自行研制，如圖6所示），由觸摸屏、顯示屏和主機計算機組成，可用于實現導調控制與訓練分析評估，包括系統的登錄管理，訓練科目設置，訓練進程的發起、控制與運行，訓練數據的獲取、存儲和訓練結果的評估。其中觸摸屏可實現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，內存為8 GiB。

圖6 觸摸一體機

（4）大空間定位設備。

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

圖7 大空間定位設備

（5）觀摩講評設備。

觀摩講評設備包括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、導調人員及訓練人員提供場景顯示，可實時顯示受訓者的污染洗消訓練過程。

4 功能實現

系統軟件包括三維環境模擬、放射性污染傷員模擬、污染洗消交互訓練、訓練分析評估和綜合管理等模塊，如圖8所示。

圖8 放射性污染洗消訓練評估系統軟件功能模塊結構圖

4.1 三維環境模擬

利用三維可視化技術，基于Unity3D引擎，根據放射性污染傷員生成的業務背景特點，構建逼真的地形地貌、工事建筑模型、設備儀器模型、傷員現場模型以及天氣天候模型，為訓練人員提供高沉浸、高逼真的可視化戰場環境，提高訓練人員在核事故險地環境下進行放射性污染洗消操作時的真實感和融入感。系統可模擬核相關設施如核電站、醫院病房等。三維環境模擬場景如圖9所示。

圖9 三維環境模擬場景

4.2 放射性污染傷員模擬

由于放射性物質對人體的危害，核沾染傷員在現實中難以模擬，實地訓練中多以訓練流程為主。為貼近實戰，系統采用數字化建模仿真技術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傷員。常規傷員選擇后，在常規傷員上設置沾染部位以及沾染數值，實現健康人員沾染、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 污染洗消交互訓練

污染洗消交互訓練可實現不同崗位、多個訓練人員的協同洗消訓練。訓練崗位包括導調人員、指揮人員及洗消操作人員，功能模塊包括導調控制、檢測與洗消訓練和觀摩顯示，實現AR環境下的污染檢測和洗消訓練。

（1）導調控制。

完成對訓練全過程的控制工作，包括訓練場景設置，放射性沾染人員設置，訓練進程的啟動、暫停和結束，訓練中的過程干預，以及訓練過程中的消息傳輸等。導調控制界面如圖11所示。

圖11 導調控制界面

（2）檢測與洗消訓練。

針對典型流程，進行檢測儀器和洗消器材的AR操作訓練，分為2個功能模塊：①體表污染檢測訓練：通過半實物仿真模擬表面沾污儀，定制模擬面板，通過傳感器將數據接入仿真訓練系統，實現軟硬件的系統同步。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、姿態信息，采用虛實結合的方式完成訓練過程，可實現虛擬信息顯示、位置姿態捕捉、人機交互等功能。②洗消訓練：通過半實物仿真模擬單兵洗消器，定制半實物閥門元件，通過傳感器將數據接入仿真訓練系統，實現軟硬件的系統同步。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、姿態信息，采用虛實結合的方式完成訓練過程，可實現虛擬信息顯示、虛擬流體模擬、位置姿態捕捉、人機交互等功能。檢測與洗消訓練場景如圖12所示。

圖12 檢測與洗消訓練場景

（3）觀摩顯示。

通過LED大屏實時顯示放射性洗消訓練過程，供場外人員現場觀摩和學習?？蓪崿F訓練過程中參訓者全數據的實時顯示，包括訓練所用時長、洗消器材操作使用、放射性洗消操作結果等。觀摩顯示界面如圖13所示。

圖13 觀摩顯示界面

4.4 訓練分析評估

訓練分析評估模塊主要實現演練回放和分析評估功能。

（1）演練回放。

實現放射性污染洗消訓練全過程復盤和回放功能，采集訓練全過程，可在訓練結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教員訓后講評，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，構建對應科目的評估指標體系，可對放射性污染洗消訓練全過程進行采集記錄，包括訓練科目、操作次數、操作順序等，得到訓練評估結果的基本數據，而后根據對應科目的評估模型，將訓練數據進行抽離整合，實現對放射性污染洗消的訓練評估，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練的過程資源進行管理操作，包括模型管理、任務管理和數據管理；角色管理是對系統使用角色進行管理，包括角色維護、權限管理等。角色管理界面如圖16所示。

圖16 角色管理界面

5 應用效果

第三方權威測試機構中國電子科技集團公司第三十二研究所依據項目技術要求對本系統的功能、性能等進行了詳細測試，測試結果為：訓練場景可靈活編輯，情景可供導調人員自由設置；支持訓練考核功能，可自由設置考核評估指標；訓練過程數據具有記錄、管理、回放和評估功能。系統同一時間段內可支持10名以上用戶，具備放射性污染洗消的沉浸式仿真操作訓練與考核評估能力，可幫助受訓學員在虛擬環境中模擬放射性污染洗消過程，提高受訓學員的操作水平。

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

6 結語

核事故現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。常規訓練方法難以實現不同場景下的全員參訓、反復操練，訓練結果的評估總結也比較困難。本系統的實現進一步拓展了受訓者對于放射性污染洗消的教學及訓練手段，解決了核污染環境在現實環境中難以模擬的問題，并有效縮短了訓練組織時間，減少了訓練器材的消耗，提高了受訓者的放射性污染洗消能力。因此，利用本系統可有效提高核事故現場人員的體表放射性污染處置能力，實現全員參訓、反復演練和科學評估，對提高核事故現場人員自救互救能力起到重要作用。但本系統在三維訓練環境構建上還存在不足，下一步將對訓練環境進行擴充；在基礎傷情庫建設方面還存在欠缺，目前傷情種類比較少，后續將結合用戶的使用需求進行不斷改進。