核辐射监测全沉浸式VR训练系统设计与实现_罗中兴.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：罗中兴，左莉，罗昆升，等 核辐射监测全沉浸式 训练系统设计与实现中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：核辐射监测全沉浸式 训练系统设计与实现罗中兴助理研究员，左 莉研究员，罗昆升，赵锋涛，李 霄，张 开（中国人民解放军 部队，北京）中图分类号：.；.文献标志码：.资助项目：军队后勤资助项目（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为解决核事故或其他涉核场景应急或处置训练过程中，受训人员暴露在核辐射环境下存在内外照射风险的问题，以核辐射监测训练为例，应用虚拟现实（）技术模拟训练过程。首先，构建点源辐射场多层介质衰减计算方法；其次，分段线性简化探测器角度响应曲线，以模拟探测器对方位角度的响应；然后，开发考虑物体遮挡以及探测器角度响应的虚拟探测器读数实时计算模型；最后，构建全沉浸式虚拟训练系统。结果表明：系统计算的虚拟探测器位置处剂量率值与美国保健物理学会（）计算结果一致，符合物理规律；探测器读数根据探测器方位角和空间位置进行修正，可还原真实探测过程中探测器显示数值变化，受训者在虚拟训练过程中得到与真实核辐射监测相似的反馈；从实时虚拟辐射场计算、核辐射监测设备仿真到人员全沉浸体验的系统优化设计，能够避免受训人员赴真核环境训练核辐射对身体健康的影响，有助于提高受训人员应急辐射监测能力水平。【关键词】核辐射监测；全沉浸式；虚拟现实（）；训练系统；辐射场；角度响应；多细节层次（），（，）：，（）第 期罗中兴等：核辐射监测全沉浸式 训练系统设计与实现 ，：；（）；（）引 言 我国高度重视核安全，核辐射监测是核事故或其他涉核场景中常见的应急或处置手段，需要经过反复训练才能达到规程要求。若在真实核环境下训练，核辐射对人体具有一定的内外照射风险，训练费效比高，且存在受训人员数量和时间难以保证的缺陷，因此，在防灾减灾训练和研究中，虚拟仿真手段得到了较好运用。诸多国内外相关研究者采用虚拟仿真方法开展了研究，闫文珠等为解决强辐射场对机器人的危害难题，设计开发了一套基于 的核环境下遥操作机器人处置卡源事故的数字仿真训练平台，可在虚拟环境中优化机器人作业路径以及作业时间，达到了预期效果；何桃等针对核电站核福射环境下的屏蔽、维修和退役等各种工作方案的制定与优化，开展了核与福射安全仿真系统的技术研发与系统实现；贺淑相和袁成前等研究了辐射场高效计算与可视化实现与应用，提供了大规模辐射场分布快速计算解决方案。但是这些研究只对空间内的虚拟辐射剂量进行计算，未对探测器读数模拟进行研究。因此，笔者拟结合虚拟现实（，）技术与半实物仿真技术，开发考虑物体遮挡以及探测器角度响应的虚拟探测实时计算模型，以期为构建全沉浸式核辐射监测仿真训练系统提供参考。训练系统功能与组成 系统采用全沉浸式 仿真技术，依据核辐射监测设备的使用要求，构建一套包括虚拟核辐射环境、模拟训练仿真设备、全沉浸式虚拟体验设备的综合训练系统（图）。该系统在三维环境下实现基于 的人机交互操作训练。系统主要具有核辐射场计算、核辐射监图 训练系统架构 测仿真训练、仿真训练管理、数据库等 个功能模块，其核心是核辐射监测虚拟仿真训练模块，该模块以辐射监测仪器操作规程为依据，完成不同场景下监测的操作流程。核辐射场计算模块为虚拟操作提供仪器显示数据反馈，配合全沉浸式体验硬件，让用户得到较好的训练体验。训练系统技术实现.软件选择国内外可采用的虚拟仿真平台较多，其中，、等是业内采用最多的国外开发平台。国内中视典、曼恒的 等是基于开源图形算法库加上自研算法开发的虚拟引擎，其前处理能力、可交互性、渲染效果、硬件兼容性等均达到国际成熟的商业 软件的水平，但是在高级图形实时渲染方面还存在一定差距，当前国内厂商也逐渐构建了虚拟开发生态圈，为项目实施提供了良好的软件支撑。国内还有很多项目组采用国外小众虚拟引擎或自研引擎驱动项目开发，但这些中国安全科学学报第卷年项目大都是一次性开发，不可拓展。考虑到全沉浸式训练对渲染效果的重度需求，同时，考虑对硬件的支持成熟度，在项目实施过程中，采用深圳市中视典数字科技有限公司开发的 进行开发设计。支持实时光线追踪硬件加速渲染、粒子模拟、物理引擎、基于多细节层次（，）的大规模场景加载、分布式多人协同、二次开发等多项技术，满足项目的开发需求。.训练系统模型设计 模型的几何真实性是保证虚拟训练效果真实性的首要条件。结合核辐射监测训练特点，建立 种典型的放射性物质泄漏场景模型（林地、城镇、室内、高速公路）、多种监测设备模型（辐射探测仪、表面污染监测仪等）以及穿戴防护服人体模型以及其他配套设备模型。人体模型采用多关节模型，通过与全身动捕系统数据链接，在虚拟场景中复现操作人员体态。解决了辐射监测设备虚实映射问题。监测设备模型则采取 建模，集合外观与真实设备保持完全一致，同时还可满足实时交互要求。其三维可视化的模型做到照片级的质量，操作的开关、按钮等跟实际形状一致，以保证系统的场景和操作的逼真性。场景模型主要是为用户提供较好的沉浸体验，对视觉效果要求高，大场景模型采用自动 算法调节，可根据体验人员人称视角进行 调节，可节省大量模型加载与渲染时间。.训练系统仿真实现 为提高虚拟训练的真实性，在保证模型几何真实的基础上，还需要实时计算反馈虚拟监测设备读数，涉及虚拟空间辐射场辐射水平实时计算与探测器响应计算。辐射场剂量率分布计算主要算法有蒙特卡罗（，）方法和点核方法。方法利用随机数直接追踪粒子，能够比较逼真地描述具有随机性质的事物以及物理实验过程，但是，该方法计算效率低，不利于实时快速计算。而点核方法是计算 与中子剂量的宏观方法，其基本思想是将放射源离散为若干点核，然后计算每一个点核在探测点的剂量值，最后将所有点核的剂量值求和得到探测点总的剂量率，这种方法具有较高的计算效率。复杂辐射场如核电站操作人员受照剂量评估影响，一般采用 方法计算剂量场，再将计算结果赋值给空间网格，该方法不能满足实时计算的需要。文献对于核辐射实时计算模拟均采用点核积分方法，也有研究者将 方法得到的结果简化，再进行点核积分快速计算，也得到了良好效果。在监测训练过程中，面对的一般是体积较小的辐射源，在计算辐射场辐射水平时，如果放射源的几何中心到探测器的灵敏中心或某计算点之间的距离要比放射源或探测器两者之中几何尺寸最大的线度大 倍以上，则这个放射源可当作点源看待。为解决虚拟辐射场实时计算问题，采用适用于快速计算的点核方法，综合考虑遮挡衰减与角度响应因素，计算设备实际反馈的读数，以反应真实核辐射监测的特点。以单个点源情况为例（图），点源空间位置为，绝对向量记为 ，探测器的空间位置为，其绝对向量记为 ，其方位向量记为 。图 点状源与探测器空间关系 无遮挡情况下，点源辐射场中探测器处的剂量率为：（）式中：为探测器所在的 处剂量率，；为 点状源的活度，；为 点状源放射性核素的照射剂量率常数，（）；为放射源的几何中心 到探测器 的距离，。为模拟虚拟物体对辐射的遮挡效果，在建模过程中需建立与可视模型对应的屏蔽体模型，该模型视觉不可见，只参与屏蔽计算，文献将模型描述简化为立方体、圆柱体、球体等方便数字表达的形式，各简化体不交叉重叠，保证其材质的一致性和空间的唯一性。射线大多是宽束辐射，且所穿过的介质也可能相当厚，在该情况下，光子有可能经过多次散射而穿过介质，到达所考察的位置上。于是，在所考察点第 期罗中兴等：核辐射监测全沉浸式 训练系统设计与实现处观察到的不仅包含未发生反应的入射光子，还有经过多次散射到达该位置的光子。为了考虑多次散射的影响，在宽束条件下，其在介质中的减弱服从指数衰减规律，引入与光子能量和介质光学厚度有关的累积因子，修正参考点剂量率。（）式中：为探测器 处的剂量率，；为累积因子。以各向同性点源为例，介质的累积因子用下式近似表示：（）（）（）（）式中：、为光子能量的函数；为介质材料中的线减弱系数，这些参数是一个庞大的数据库，可以通过文献查表获得；为介质的厚度，。在实际训练过程中，射线会穿越多层介质（图），多层介质记为（取，为总共穿越的介质数），各介质穿越距离分别为，这里通过虚拟射线检测算法实时检测辐射源到虚拟探测器之间所经过的屏蔽体情况，再根据各介质屏蔽累积因子计算射线穿透屏蔽体所受到的衰减，最终得到探测器 处的剂量率。图 辐射屏蔽衰减计算 一般有多层以上介质材料时，累积因子近似计算采用 公式，结合式（）和式（）得：()（）()()()（）式中 为射线穿越的第 种介质的线减弱系数。求解探测器 处实际剂量率后，若要获取探测器显示数值，还需根据探测器角度响应进行计算，探测器方位 与 ()向量夹角 为实际的响应角度，图 虚线为典型的 辐射探测器角度响应曲线。为节约响应值计算时间，响应曲线相隔取值，各段取线性值作为响应系数（图 中实线），记为，则探测器显示数值 取值为：()（）图 探测器角度响应简化曲线 三维场景中，通过编写脚本，计算场景内训练体验者所得到的探测器数值，以满足实时交互的需求。图 为计算过程。图 探测器读数计算流程 以点状源（，）为例，图 为无遮挡与.混凝土遮挡情况下，虚拟探测器位置处剂量率值 与美国保健物理学会（，）计算结果对比。截中国安全科学学报第卷年取虚拟读数时，虚拟探测方向保持在 以内。从图 可以看出，该系统计算得到的剂量率值符合物理规律。根据计算得到的 以及探测器方位角、空间位置进行读数计算，可还原真实探测过程。图 虚拟探测读数与 计算值对比 为提供更好的训练体验，系统增加虚拟个人累积剂量计算方法，虚拟训练过程中个人累积剂量超出 电 离 辐 射 防 护 与 辐 射 源 安 全 基 本 标 准（）要求的应急人员受照剂量限值时，系统会报警提示，这增加了系统的训练科学性。系统可为用户提供良好的全沉浸式体验，在虚拟环境中呈现与现实辐射探测相似的体验。.训练考核与管理 为了便于训练过程管理与监控，通过用户管理系统，可实现对用户的管理，记录监控用户登陆后的训练流程，并可组织训练考核及成绩评定。对训练过程中，人员操作设备准确度、监测流程科学性、读取数据合理性等进行评估打分。这一部分也是模拟系统的优势之一，能够追溯所有操作过程，并提出改进措施。结 论 ）设计了考虑物理遮挡的点源剂量率计算模型，计算得到的虚拟探测器位置处剂量率值与 计算结果一致，符合物理规律。）根据探测器方位角、空间位置修正虚拟探测器位置处剂量率值，可得到较为真实的探测器显示数值，模拟了寻源操作，受训者在虚拟训练过程中得到与真实核辐射监测相似的反馈。）该系统从实时虚拟辐射场计算、核辐射监测设备仿真、人员沉浸体验等方面进行的系统优化设计，在全沉浸式 设备支持下，能够实现核辐射监测训练的仿真，避免受训人员赴真核环境训练核辐射对身体健康的影响，有助于提高受训人员应急辐射监测能力水平。）软硬件技术日新月异，下一步还需融合最新全沉浸式 技术，对系统进行进一步优化，以提升使用体验。参 考 文 献邓鹏，袁狄平，靳学胜，等 石化基地灭火救援指挥 训练系统设计与实现 中国安全科学学报，（）：，（）：闫文珠，刘成，李磊民，等 基于 技术的机器人核事故训练平台研究 计算机仿真，（）：，（）：何桃 核与辐射安全集成仿真方法与技术研究 合肥：中国科学技术大学，：，贺淑相 三维辐射场高效计算方法与可视化研究 北京：华北电力大学，：，袁成前 三维辐射场剂量计算与可视化技术研究哈尔滨：哈尔滨工程大学，第 期罗中兴等：核辐射监测全沉浸式 训练系统设计与实现 ：，：.程伯文，郑一力，黄青青，等 基于 的林木联合采育机虚拟训练系统研究 系统仿真学报，（）：，（）：深圳 市 中 视 典 数 字 科 技 有 限 公 司 ：上海曼恒数字技术股份有限公司 ：温涵泳 基于虚拟现实技术的核辐射侦检训练系统研制 中华灾害救援医学，（）：，（）：郭栋，杨晓明，鱼敏 虚拟现实增强现实技术在核与辐射突发事件应急医学救援模拟训练中的应用探讨 中华灾害救援医学，（）：，（）：李华 辐射场快速计算与源项反演算法研究及初步应用 北京：清华大学，：，毕远杰，杨宏伟，骆志平