基于虚拟现实技术的核辐射侦检训练系统研制

温涵泳

从2011 年日本福岛核电站事故至今，核辐射安全问题一直是国内外关注的热点，复杂的国内外形势也导致核恐怖袭击的威胁日益加剧。在培养核辐射医疗救援专业队伍的时候，核辐射侦察与检测训练是非常重要的一个环节[1]。常规核辐射侦检训练存在很多实际问题，例如出于训练者人身安全的考虑，我们无法使用辐射剂量率很高的放射源作为训练源使用，这些问题都会极大的影响训练效果[2]。VR 环境下的核辐射侦检训练系统具有极高的训练安全性，可以让使用者针对不同的场景和情况进行训练，间接增强了训练的趣味性，训练场景和科目也可以不断变化和更新，降低了训练的成本，具有良好的应用前景[3]。

1 系统设计

核辐射早期侦检的主要工作包括：寻找并确定放射源的位置和中心最大剂量率值，确定放射源核素种类及活度，划分标定辐射污染区范围等。与此同时，进入辐射危险区的侦检人员应佩戴直读式个人剂量报警器，当个人吸收剂量达到0.5 Gy限制值时就应该立即撤离任务区域，防止自身收到过多剂量照射而引起放射性疾病。根据以上任务的需求，核辐射侦检的人员应通过训练能够用最短的时间完成指定的任务，才能最大限度地保护自己。VR 条件下的核辐射侦检训练系统也应具有相对应的训练内容，并且应具有一定的情况随机性，使训练具有可重复性，仪器设备的反应和灵敏度应更加贴近实际情况，提高训练的真实性和难度。

1.1 硬件组成 从2016 年VR 硬件设备正式商业化以来，VR技术快速发展起来，市面上常见的有：HTCVIVE、OCULUS、VR 眼镜、VR 一体机等，价格也从几百到上万。

HTCVIVE 是目前市场上性能最好的VR 硬件产品。笔者选择HTC 公司的VR 硬件设备套装HTCVIVE 包含五大部件（图1），包括：一部头戴式显示器、两台手柄控制器、两台能追踪其他部件的定位基站。能够实现在4.5 m×4.5 m 范围内的空间实时定位，定位精度高，延迟低[4]。

1.2 软件设计

1.2.1 VR 系统设计 笔者选择Unity 3D 5.4.4 版本引擎作为开发平台，利用官方推出的适用于Unity 引擎的SteamVR 插件调用HTCVIVE 等VR 设备的SDK，利用VRTK（SteamVR Unity Toolkit）插件集合包协助实现某些交互动作及功能。

图1 HTCVIVE

由于VR 系统的输入和输出设备发生了变化，空间定位手柄控制器代替了鼠标和键盘，头盔显示器代替了传统电脑显示器，虚拟现实系统在交互设计上也与常规软件有所区别。由于VR 软件系统是在一个三维立体的空间中，UI 交互不能再依靠鼠标和键盘在平面上点击按钮来实现操作。目前，很多VR 软件都在尝试不同的交互方式，本系统使用的交互方式大致分为以下三种。（1）最为常见的激光指针式交互方式，在HTCVIVE 的手柄控制器头部添加一个激光指针组件，当指针指向某一组件的时候按下某一按钮，交互组件会被激活。这种交互方式常用于实现虚拟角色在虚拟空间中的位移活动。由于HTCVIVE 支持的实际物理活动区域有限，当虚拟场景大于这个区域时，就需要虚拟角色在空间中以类似“空间传送”的方式到达实际空间达不到的新位置区域，这个“空间传送”功能就是用激光指针与地面目标区域交互实现的。在某些负责的选择菜单如系统设置菜单中，激光指针还能发挥类似鼠标指针的作用，对多个选项按钮进行操作控制[5]。在VR 核辐射侦检训练系统中就是利用这一方式进行空间传送。（2）以定位手柄触碰或抓取某特定物体的方式进行交互。将传统的交互组件设计成更为直观的物体，再利用操作手柄的模型与物体模型碰撞去触发交互事件，这一方法是十分具有VR 项目特色的。在本系统中，笔者就以此方式实现了用手柄去抓取检测仪器和切换仪器的交互动作。（3）在虚拟空间中设计一些特点区域，当使用者在VR 环境中的虚拟角色位置移动到某设定区域的时候就会触发交互事件。结合VR 软件的需求及自身的特点选用合适的交互方式可以提高系统的易用性及沉浸感[6]。

1.2.2 核辐射侦检功能设计 在核辐射侦检训练系统中，我们需要设计一部手持式辐射巡测仪和核素识别仪，当使用者在VR 环境中拿起辐射巡测仪时，仪器的面板会显示当前检测到的辐射剂量率并以此作为依据来寻找放射源的位置。作者参照6150AD-T 型辐射巡测仪的外观制作了简易三维模型（图2），其中辐射巡测仪的探头位于长杆部分的最前端，显示面板在仪器靠近手持端附近[7]。

我们知道核辐射环境中某一点的剂量率与该点与辐射源的距离的平方成反比关系，又考虑到仪器自身受性能影响具有一定的上下波动性，辐射巡测仪的剂量率相关代码如下：tex = ac / Mathf.Pow(dis, 2) * ran

图2 放射性核素识别仪(上白色)与辐射巡测仪（下黑色）3D 模型示意

其中tex 为辐射剂量率值；ac 是放射源活度系数；dis 是辐射巡测仪探头到放射源的距离的摩尔值；ran 是仪器本身的浮动干扰系数。

为了模拟探测器的声音报警装置，我们给探测器添加一个报警的声音组建，并添加以下代码：GetComponent＜AudioSource＞().pitch = 1/ Mathf.Pow(dis, 2)*ran

以上代码表示报警器的音频高低将和剂量率成正比并有一定的扰动。

当我们通过辐射巡测仪确定了放射源的位置时，我们需要使用核素识别仪器来识别放射性核素的种类，给后续的救援提供重要的信息。核素识别仪接近放射源后会开始自动分析约2 min 后可以根据能量峰值的情况得到核素的种类信息。

1.2.3 个人吸收剂量限制设计 在实际任务中，每个进入辐射污染区的队员身上必须要携带直读式个人剂量报警仪，以便随时检测个人的累积吸收剂量，当个人吸收剂量达到0.5 Gy 时就应立即撤出污染区，终止任务。

在虚拟现实系统中，为了观察方便，我们将个人吸收剂量的报警显示放到了头盔前方并跟随头盔移动，这样使用者无论如何移动视角都可以观察到吸收剂量。实现方法是将canvas组建添加到头盔显示器的子物体即可。个人累积吸收剂量的部分实现代码如下：

void dosesum()

{dose = tex2 + dose;}

public void Awake()

{InvokeRepeating("dosesum", 1, 1F);}

void Start ()

{dose = 0f;}

//个人累积剂量dose 循环叠加

dis2=Vector3.Distance(o, n);

//dis 表示从放射源到使用者头盔的距离

tex2=(1/Mathf.Pow(dis2,2) ) * Time.deltaTime ;

//个人累积剂量是头盔处放射剂量率乘以单位时间所得

p.text ="吸收剂量="+(dose).ToString("F1")+" mGy";

if(dose ＞=500)

{p.text = "已超过个人剂量限值！危险！立即撤退！;}

//在头盔上显示个人吸收剂量和报警信息

个人吸收剂量限值的设定可以根据任务规模和性质在0.5 Gy 至1 Gy 之间调整。当使用者一开始进入辐射污染区，个人累积吸收剂量就开始增加，这会对队员造成一定的心理压力和紧张感，这也是我们训练内容的一个方面。核辐射侦检的队员应在完成任务的前提下尽可能缩短进入辐射污染区的时间，并且尽量远离放射源（比如在核素识别仪工作的时间应尽量远离放射源）保护自己。

1.2.4 辐射源随机位置设计 从设计角度出发，我们希望训练者每次使用软件都能够依据现场的实际情况进行立即判断和分析后做出正确的操作。如果一个场景中放射源或脏弹的位置是固定不变的，那么训练者进行重复训练时就知道目标位置，训练效果大打折扣。因此，赋予放射源位置以随机性会使整个系统更加具有实用性的关键。如果核辐射环境现场是在户外露天的开放场所，那么放射源大概率会在地面上，那么其位置则可以完全随机产生。如果现场是室内且场景复杂，则需要人工预设若干个放射源可能出现的位置，然后每次训练的时候从预设的情况中随机抽取一种。

2 使用方法

使用者首先应清理好周围场地，确保在带上VR 设备后周围活动范围内无障碍物，然后由专业人员指导使用者穿戴好HTCVIVE 虚拟现实设备。运行系统后，使用者可以先在登录界面大厅熟悉基本操作或直接开始训练模式，具体操作说明可见系统提示[8]。

3 应用测试

本系统在经过初步实现之后，对早期开发版本进行了用户测试。作者选取了十位具有防化专业的测试者及十位非防化专业的测试者帮助我们进行系统测试。测试者完成训练任务后记录所用时间和个人吸收剂量值并填写调查问卷。调查问卷的问题设计从系统的科学性、易用性和体验效果方面入手，对系统的使用情况作了较为详细的摸底。从调查问卷结果上来看，测试者对VR 核辐射训侦检训练系统的科学性、体验效果良好，并表示对实际任务有一定指导意义。但有部分测试者表示系统操作性一般或使用起来不顺利，这点需要在今后进一步进行加强改进。

4 结 论

虚拟现实技术在军事训练上的应用具有重大意义[9]，是从理论迈向实际的第一步[10]。本文从核辐射侦检训练的重要性出发，提出了用HTCVIVE 虚拟现实设备进行核辐射侦检模拟训练的解决方案，在对核辐射侦检救援的任务需求进行分析后，详细设计并部分实现了VR 核辐射侦检模拟训练系统。该软件系统易用性良好，在实际应用中能够对核辐射侦检救援专业应急能力的提升提供一定帮助。

在下一步工作中，可以通过HTCVIVE 的定位器安装在带有按键功能的专业设备的模型上面，这样可以替代原本的HTCVIVE 手柄，从而更加提高训练的真实性，另外目前最新的HTCVIVE 2 代产品能支持10 m×10 m 大小的物理空间，设立专门的VR 训练场或训练教室，多人协作的训练系统也可以进一步开发。VR 核辐射侦检模拟训练系统易用性良好，针对性强，能够对核辐射医学救援专业力量的提升提供一定帮助。