放射性污染洗消训练评估系统设计

李珂娴，罗 群，王海军，陈 伟，何 颖

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

核事故情况下，事故现场人员体表易受到放射性沾染，正确的洗消操作可有效降低人员受照剂量、防止污染扩散。常规演习和训练中放射性污染洗消训练组织实施复杂，需投入大量人力、物力[1-2]，且无法实现不同环境下的全员受训和重复操作，受训结果总结分析困难。而人员体表放射性污染的去除专业性高、流程方法严格，必须经过专业训练才能掌握[3]。近年来，基于虚拟现实（virtual reality，VR）和增强现实（augmented reality，AR）技术的模拟训练系统已广泛应用于军队和地方教学训练，取得很好的社会和经济效益[4-10]。放射性污染洗消训练的专业性和特殊性决定其适合以模拟训练的形式组织实施，既可改善实操训练的组织实施困难，又可避免放射性物质的产生和扩散。然而，目前放射性污染洗消训练还是依托演习演练、医疗模拟人操作等常规手段，存在训练手段单一、训练环境不逼真、训练要素不全、没有专用洗消器等问题。放射性污染洗消训练评估系统的研发可有效解决上述问题，提高人员体表放射性污染的洗消处置能力。

1 需求分析

目前，国内外放射性污染的洗消训练以大规模演练中的少部分人员实操训练为主，而演练中人员体表的放射性沾染无法使用真实的放射性物质，检测和洗消仪器也无法在训练中得到实际应用，导致参训人员有限，且仪器设备没有得到充分的使用和展开，使训练流于表面。

基于以上问题，项目组通过研发放射性污染洗消训练评估系统，实现受训人员核事故情况下体表放射性污染洗消关键过程的沉浸式仿真训练与考核评估。系统通过1∶1半实物仿真洗消器材、桌面式训练设备、观摩讲评设备等硬件，实现放射性污染洗消的训练、教学和评估功能，解决放射性污染洗消训练组织实施困难、环境真实度低等实际问题。

2 系统设计

本系统针对放射性污染洗消训练手段单一、环境不逼真、放射性污染伤员难模拟等问题，应用VR、建模仿真和数据分析评估技术，提供通用可扩展的平台架构，构建交互式放射性污染洗消训练仿真系统开发环境，人员可以通过外接仿真设备开展AR污染检测和洗消训练，为涉核人员放射性污染洗消模拟仿真训练提供仿真训练环境和技术支撑。本系统包括软件和硬件2个部分。

整个系统采用可扩展流程架构和组件化仿真模型框架，配套相应的模型、数据、开发指导规范等体系，结合建模仿真技术、VR技术、模拟器技术，为核事故放射性污染洗消训练评估系统运行、扩展提供支撑。系统可实现人员放射性污染检测、普通皮肤去污、精细部位去污、伤口去污等业务流程训练。

2.1 系统整体架构

系统整体架构由基础设施层、数据库层、中间件层、应用支撑层、应用系统层和用户层组成，架构图如图1所示。

图1 放射性污染洗消训练评估系统整体架构图

（1）用户层。用户层为系统应用终端，根据训练过程中导调人员、指挥员、受训人员、观摩人员等角色使用操作要求，将应用终端划分为导调评估端、观摩讲评端、指挥席位、AR参训席位和模拟器。

（2）应用系统层。应用系统层为放射性污染洗消训练评估系统的主要功能模块，为系统用户提供放射性污染洗消操作交互，主要由综合管理、洗消伤情设置、洗消评估指标配置、AR检测训练、AR洗消训练和洗消考核评估6个功能模块组成。

（3）应用支撑层。应用支撑层为应用系统层提供技术支持，主要包含通信/网络传输服务、三维仿真服务、组件化建模和分析评估服务。通信/网络传输服务符合试验与训练使能体系结构（test and training enablingarchitecture，TENA）、对象管理组织数据分发服务（Object Management Group data distribution service，OMG-DDS）等数据传输协议，可在多种通信机制基础上进行网络数据传输；三维仿真服务提供三维建模、场景渲染、触摸反馈、物理模拟等，为用户提供逼真的具有视、听、触等多种感知的污染洗消虚拟环境；组件化建模提高仿真模型的可重用性和可组合性；分析评估服务通过采集、记录训练数据，对数据进行挖掘和整理，实现污染洗消作业的综合评估。

（4）中间件层。中间件层为系统提供应用支撑层和数据库层之间的数据交互，主要包含业务逻辑组件、AI服务、资源管理组件、三维渲染引擎和移动通信/网络传输服务。

（5）数据库层。数据库层为系统提供相关数据的存储、访问和管理服务。数据库层主要包括五大类：基础信息数据库、综合信息数据库、模型库、评估指标库和事故情景库。

（6）基础设施层。基础设施层为整个系统建设提供必要的应用场所和基础硬件网络支撑，其中应用场所包括训练大厅、观摩大厅和设备机房3个部分，基础硬件网络支撑包括服务器、计算机网络、安全保障系统、通信网络和终端交互计算机5个部分。

2.2 开发工具

系统采用Unity3D引擎，该引擎具有智能化界面设计、可视化编程、高效脚本编辑、跨平台性等优势，被广泛应用于VR、AR的项目开发，是VR、AR最主流的开发引擎。Visual Studio编程工具在脚本编辑方面有显著优势，如便捷直观的代码编写环境、跨平台、可扩展插件丰富、运行速度快等，因此，系统开发采用Visual Studio进行程序编程。考虑通用性、处理速度、安全性等需求，使用Oracle数据库进行开发。

2.3 使用对象及模式

系统使用对象主要为涉核工作人员，包括核与辐射安全工程技术人员、核与辐射监测工程技术人员、核医学科医生等。系统提供学习、训练和考核3种使用模式。

2.4 流程设计

系统重点对普通皮肤洗消、伤口洗消、精细部位洗消过程进行建模，对伤口洗消进行精细刻画，训练受训者对体表放射性物质污染的洗消处置能力。按业务流程分为训练准备、训练实施和训练评估3个阶段。训练准备阶段首先建立常规伤员，而后在常规伤员基础上进行体表放射性污染设置，生成模拟核沾染伤员；训练实施阶段主要完成体表放射性污染检测与洗消的全过程训练，包含体表污染检测和洗消等；训练评估阶段通过对全过程数据的记录与分析，生成考评结果，给出评估结论，辅助决策人员和受训人员发现问题，提高其放射性污染洗消的处置能力。系统运行流程如图2所示。

图2 放射性污染洗消训练评估系统运行流程图

3 硬件组成

系统硬件设备主要与软件训练平台进行数据交互，为使用人员提供洗消训练操作环境，包括模拟器设备、AR头盔、模型装配导调设备、大空间定位设备、观摩讲评设备等。

（1）模拟器设备。

模拟器设备根据实际洗消训练中常用的表面沾污仪（Como170）和单兵洗消器（自行研制），采用3D打印技术和半实物仿真技术，对其进行定制。表面沾污仪模拟器（如图3所示）由外壳体、显示屏、操作按键等组成，可模拟本底测量、净计数测量、阈值报警、界面显示等，实现虚拟伤员体表放射性沾染检测功能；单兵洗消器模拟器（如图4所示）由外壳体、洗消手柄、洗消刷头、控制面板灯组成，可模拟低温设定、高温设定、喷液调节、抽吸调节等，实现虚拟伤员体表放射性沾染洗消功能。

图3 Como170型表面沾污仪模拟器

图4 单兵洗消器模拟器

（2）AR头盔。

AR头盔（型号Hololens 1，如图5所示）是现有技术较成熟的AR设备，可在现实环境中叠加模拟伤员，设备本身是一台头戴式计算机，其配备一个半透明、分辨力极高的屏幕，并集成所有的零件。其视场角为30°×17.5°（对角线34.73°），处理器为英特尔Atom X5-Z8100，主频1.04 GHz，存储64 GiB，电池容量16.5 Wh，可续航2 h，帧率30帧/s。

图5 AR头盔

（3）模型装配导调设备。

模型装配导调设备采用定制的触摸一体机设备（自行研制，如图6所示），由触摸屏、显示屏和主机计算机组成，可用于实现导调控制与训练分析评估，包括系统的登录管理，训练科目设置，训练进程的发起、控制与运行，训练数据的获取、存储和训练结果的评估。其中触摸屏可实现43 in（1 in=25.4 mm）以上多点红外触控；显示屏采用4K高清A规屏幕，显示比例为16∶9；主机计算机采用i7 6700处理器，配置GtX1080（4 GiB）显卡，内存为8 GiB。

图6 触摸一体机

（4）大空间定位设备。

采用基于激光的大空间定位技术（StepVR）搭建大空间定位设备（如图7所示），由空间定位设备和定位追踪装置组成，支持多人定位跟踪、姿态动作捕捉，实现与虚拟人物的实时1∶1数据驱动。空间定位设备定位精度为1 mm，支持节点数>10，扩展范围>10 m×10 m；定位追踪装置实现模拟器设备在定位范围中的位置姿态采集。

图7 大空间定位设备

（5）观摩讲评设备。

观摩讲评设备包括LED显示屏、音响及视频处理器。选用1.6mm间距的LED大屏（深圳市巴科光电科技股份有限公司），屏幕视角160°，尺寸8 m×2 m，支持三通道输入。可通过控制单通道或多通道实时显示，为指挥员、导调人员及训练人员提供场景显示，可实时显示受训者的污染洗消训练过程。

4 功能实现

系统软件包括三维环境模拟、放射性污染伤员模拟、污染洗消交互训练、训练分析评估和综合管理等模块，如图8所示。

图8 放射性污染洗消训练评估系统软件功能模块结构图

4.1 三维环境模拟

利用三维可视化技术，基于Unity3D引擎，根据放射性污染伤员生成的业务背景特点，构建逼真的地形地貌、工事建筑模型、设备仪器模型、伤员现场模型以及天气天候模型，为训练人员提供高沉浸、高逼真的可视化战场环境，提高训练人员在核事故险地环境下进行放射性污染洗消操作时的真实感和融入感。系统可模拟核相关设施如核电站、医院病房等。三维环境模拟场景如图9所示。

图9 三维环境模拟场景

4.2 放射性污染伤员模拟

由于放射性物质对人体的危害，核沾染伤员在现实中难以模拟，实地训练中多以训练流程为主。为贴近实战，系统采用数字化建模仿真技术完成沾染伤员仿真模型建模，建立如烫伤、骨折、四肢出血、急性放射病、开放性气胸、窒息伤等伤情的常规伤员。常规伤员选择后，在常规伤员上设置沾染部位以及沾染数值，实现健康人员沾染、健康皮肤局部沾染、伤口沾染等放射性污染伤员模拟。放射性污染伤员模拟场景如图10所示。

图10 放射性污染伤员模拟场景

4.3 污染洗消交互训练

污染洗消交互训练可实现不同岗位、多个训练人员的协同洗消训练。训练岗位包括导调人员、指挥人员及洗消操作人员，功能模块包括导调控制、检测与洗消训练和观摩显示，实现AR环境下的污染检测和洗消训练。

（1）导调控制。

完成对训练全过程的控制工作，包括训练场景设置，放射性沾染人员设置，训练进程的启动、暂停和结束，训练中的过程干预，以及训练过程中的消息传输等。导调控制界面如图11所示。

图11 导调控制界面

（2）检测与洗消训练。

针对典型流程，进行检测仪器和洗消器材的AR操作训练，分为2个功能模块：①体表污染检测训练：通过半实物仿真模拟表面沾污仪，定制模拟面板，通过传感器将数据接入仿真训练系统，实现软硬件的系统同步。通过AR方式模拟虚拟场景中的交互，通过空间定位获取模拟器的位置、姿态信息，采用虚实结合的方式完成训练过程，可实现虚拟信息显示、位置姿态捕捉、人机交互等功能。②洗消训练：通过半实物仿真模拟单兵洗消器，定制半实物阀门元件，通过传感器将数据接入仿真训练系统，实现软硬件的系统同步。通过AR方式虚拟三维场景，模拟洗消流体和物理重力效果，并模拟虚拟场景中的交互行为，通过空间定位获取模拟器的位置、姿态信息，采用虚实结合的方式完成训练过程，可实现虚拟信息显示、虚拟流体模拟、位置姿态捕捉、人机交互等功能。检测与洗消训练场景如图12所示。

图12 检测与洗消训练场景

（3）观摩显示。

通过LED大屏实时显示放射性洗消训练过程，供场外人员现场观摩和学习。可实现训练过程中参训者全数据的实时显示，包括训练所用时长、洗消器材操作使用、放射性洗消操作结果等。观摩显示界面如图13所示。

图13 观摩显示界面

4.4 训练分析评估

训练分析评估模块主要实现演练回放和分析评估功能。

（1）演练回放。

实现放射性污染洗消训练全过程复盘和回放功能，采集训练全过程，可在训练结束后对操作人员的操作过程进行回放，以三维直观的方式实现教员训后讲评，包括加载指定回放文件，控制回放进程播放、暂停功能，并可实现过程中辅助信息的显示、隐藏功能。演练回放界面如图14所示。

图14 演练回放界面

（2）分析评估。

利用分析评估技术，构建对应科目的评估指标体系，可对放射性污染洗消训练全过程进行采集记录，包括训练科目、操作次数、操作顺序等，得到训练评估结果的基本数据，而后根据对应科目的评估模型，将训练数据进行抽离整合，实现对放射性污染洗消的训练评估，包括检测顺序是否正确、检测是否覆盖全身、检测时高度是否正确、检测时速度是否正确、洗消过程是否完备等。分析评估界面如图15所示。

图15 分析评估界面

4.5 综合管理

综合管理包括资源管理和角色管理。资源管理是对模拟训练的过程资源进行管理操作，包括模型管理、任务管理和数据管理；角色管理是对系统使用角色进行管理，包括角色维护、权限管理等。角色管理界面如图16所示。

图16 角色管理界面

5 应用效果

第三方权威测试机构中国电子科技集团公司第三十二研究所依据项目技术要求对本系统的功能、性能等进行了详细测试，测试结果为：训练场景可灵活编辑，情景可供导调人员自由设置；支持训练考核功能，可自由设置考核评估指标；训练过程数据具有记录、管理、回放和评估功能。系统同一时间段内可支持10名以上用户，具备放射性污染洗消的沉浸式仿真操作训练与考核评估能力，可帮助受训学员在虚拟环境中模拟放射性污染洗消过程，提高受训学员的操作水平。

放射性污染洗消训练评估系统目前已试用于某涉核单位，组织相关人员进行放射性污染洗消模拟训练和教学评估。通过对50名使用人员（其中教员10名、学员40名）的问卷调查显示，100%的使用人员认为本系统具有场景模拟逼真、训练要素全面、组织实施方便、经济实用、训练效果好等优点，本系统受到使用单位好评。

6 结语

核事故现场人员体表污染的去除对于降低人员受照剂量、防止污染扩散有十分重要的意义。常规训练方法难以实现不同场景下的全员参训、反复操练，训练结果的评估总结也比较困难。本系统的实现进一步拓展了受训者对于放射性污染洗消的教学及训练手段，解决了核污染环境在现实环境中难以模拟的问题，并有效缩短了训练组织时间，减少了训练器材的消耗，提高了受训者的放射性污染洗消能力。因此，利用本系统可有效提高核事故现场人员的体表放射性污染处置能力，实现全员参训、反复演练和科学评估，对提高核事故现场人员自救互救能力起到重要作用。但本系统在三维训练环境构建上还存在不足，下一步将对训练环境进行扩充；在基础伤情库建设方面还存在欠缺，目前伤情种类比较少，后续将结合用户的使用需求进行不断改进。