溫涵泳

從2011 年日本福島核電站事故至今，核輻射安全問題一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點，復(fù)雜的國內(nèi)外形勢也導(dǎo)致核恐怖襲擊的威脅日益加劇。在培養(yǎng)核輻射醫(yī)療救援專業(yè)隊伍的時候，核輻射偵察與檢測訓(xùn)練是非常重要的一個環(huán)節(jié)[1]。常規(guī)核輻射偵檢訓(xùn)練存在很多實際問題，例如出于訓(xùn)練者人身安全的考慮，我們無法使用輻射劑量率很高的放射源作為訓(xùn)練源使用，這些問題都會極大的影響訓(xùn)練效果[2]。VR 環(huán)境下的核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)具有極高的訓(xùn)練安全性，可以讓使用者針對不同的場景和情況進(jìn)行訓(xùn)練，間接增強(qiáng)了訓(xùn)練的趣味性，訓(xùn)練場景和科目也可以不斷變化和更新，降低了訓(xùn)練的成本，具有良好的應(yīng)用前景[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

核輻射早期偵檢的主要工作包括：尋找并確定放射源的位置和中心最大劑量率值，確定放射源核素種類及活度，劃分標(biāo)定輻射污染區(qū)范圍等。與此同時，進(jìn)入輻射危險區(qū)的偵檢人員應(yīng)佩戴直讀式個人劑量報警器，當(dāng)個人吸收劑量達(dá)到0.5 Gy限制值時就應(yīng)該立即撤離任務(wù)區(qū)域，防止自身收到過多劑量照射而引起放射性疾病。根據(jù)以上任務(wù)的需求，核輻射偵檢的人員應(yīng)通過訓(xùn)練能夠用最短的時間完成指定的任務(wù)，才能最大限度地保護(hù)自己。VR 條件下的核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)也應(yīng)具有相對應(yīng)的訓(xùn)練內(nèi)容，并且應(yīng)具有一定的情況隨機(jī)性，使訓(xùn)練具有可重復(fù)性，儀器設(shè)備的反應(yīng)和靈敏度應(yīng)更加貼近實際情況，提高訓(xùn)練的真實性和難度。

1.1 硬件組成 從2016 年VR 硬件設(shè)備正式商業(yè)化以來，VR技術(shù)快速發(fā)展起來，市面上常見的有：HTCVIVE、OCULUS、VR 眼鏡、VR 一體機(jī)等，價格也從幾百到上萬。

HTCVIVE 是目前市場上性能最好的VR 硬件產(chǎn)品。筆者選擇HTC 公司的VR 硬件設(shè)備套裝HTCVIVE 包含五大部件（圖1），包括：一部頭戴式顯示器、兩臺手柄控制器、兩臺能追蹤其他部件的定位基站。能夠?qū)崿F(xiàn)在4.5 m×4.5 m 范圍內(nèi)的空間實時定位，定位精度高，延遲低[4]。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 VR 系統(tǒng)設(shè)計 筆者選擇Unity 3D 5.4.4 版本引擎作為開發(fā)平臺，利用官方推出的適用于Unity 引擎的SteamVR 插件調(diào)用HTCVIVE 等VR 設(shè)備的SDK，利用VRTK（SteamVR Unity Toolkit）插件集合包協(xié)助實現(xiàn)某些交互動作及功能。

圖1 HTCVIVE

由于VR 系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備發(fā)生了變化，空間定位手柄控制器代替了鼠標(biāo)和鍵盤，頭盔顯示器代替了傳統(tǒng)電腦顯示器，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在交互設(shè)計上也與常規(guī)軟件有所區(qū)別。由于VR 軟件系統(tǒng)是在一個三維立體的空間中，UI 交互不能再依靠鼠標(biāo)和鍵盤在平面上點擊按鈕來實現(xiàn)操作。目前，很多VR 軟件都在嘗試不同的交互方式，本系統(tǒng)使用的交互方式大致分為以下三種。（1）最為常見的激光指針式交互方式，在HTCVIVE 的手柄控制器頭部添加一個激光指針組件，當(dāng)指針指向某一組件的時候按下某一按鈕，交互組件會被激活。這種交互方式常用于實現(xiàn)虛擬角色在虛擬空間中的位移活動。由于HTCVIVE 支持的實際物理活動區(qū)域有限，當(dāng)虛擬場景大于這個區(qū)域時，就需要虛擬角色在空間中以類似“空間傳送”的方式到達(dá)實際空間達(dá)不到的新位置區(qū)域，這個“空間傳送”功能就是用激光指針與地面目標(biāo)區(qū)域交互實現(xiàn)的。在某些負(fù)責(zé)的選擇菜單如系統(tǒng)設(shè)置菜單中，激光指針還能發(fā)揮類似鼠標(biāo)指針的作用，對多個選項按鈕進(jìn)行操作控制[5]。在VR 核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)中就是利用這一方式進(jìn)行空間傳送。（2）以定位手柄觸碰或抓取某特定物體的方式進(jìn)行交互。將傳統(tǒng)的交互組件設(shè)計成更為直觀的物體，再利用操作手柄的模型與物體模型碰撞去觸發(fā)交互事件，這一方法是十分具有VR 項目特色的。在本系統(tǒng)中，筆者就以此方式實現(xiàn)了用手柄去抓取檢測儀器和切換儀器的交互動作。（3）在虛擬空間中設(shè)計一些特點區(qū)域，當(dāng)使用者在VR 環(huán)境中的虛擬角色位置移動到某設(shè)定區(qū)域的時候就會觸發(fā)交互事件。結(jié)合VR 軟件的需求及自身的特點選用合適的交互方式可以提高系統(tǒng)的易用性及沉浸感[6]。

1.2.2 核輻射偵檢功能設(shè)計 在核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)中，我們需要設(shè)計一部手持式輻射巡測儀和核素識別儀，當(dāng)使用者在VR 環(huán)境中拿起輻射巡測儀時，儀器的面板會顯示當(dāng)前檢測到的輻射劑量率并以此作為依據(jù)來尋找放射源的位置。作者參照6150AD-T 型輻射巡測儀的外觀制作了簡易三維模型（圖2），其中輻射巡測儀的探頭位于長桿部分的最前端，顯示面板在儀器靠近手持端附近[7]。

我們知道核輻射環(huán)境中某一點的劑量率與該點與輻射源的距離的平方成反比關(guān)系，又考慮到儀器自身受性能影響具有一定的上下波動性，輻射巡測儀的劑量率相關(guān)代碼如下：tex = ac / Mathf.Pow(dis, 2) * ran

圖2 放射性核素識別儀(上白色)與輻射巡測儀（下黑色）3D 模型示意

其中tex 為輻射劑量率值；ac 是放射源活度系數(shù)；dis 是輻射巡測儀探頭到放射源的距離的摩爾值；ran 是儀器本身的浮動干擾系數(shù)。

為了模擬探測器的聲音報警裝置，我們給探測器添加一個報警的聲音組建，并添加以下代碼：GetComponent＜AudioSource＞().pitch = 1/ Mathf.Pow(dis, 2)*ran

以上代碼表示報警器的音頻高低將和劑量率成正比并有一定的擾動。

當(dāng)我們通過輻射巡測儀確定了放射源的位置時，我們需要使用核素識別儀器來識別放射性核素的種類，給后續(xù)的救援提供重要的信息。核素識別儀接近放射源后會開始自動分析約2 min 后可以根據(jù)能量峰值的情況得到核素的種類信息。

1.2.3 個人吸收劑量限制設(shè)計 在實際任務(wù)中，每個進(jìn)入輻射污染區(qū)的隊員身上必須要攜帶直讀式個人劑量報警儀，以便隨時檢測個人的累積吸收劑量，當(dāng)個人吸收劑量達(dá)到0.5 Gy 時就應(yīng)立即撤出污染區(qū)，終止任務(wù)。

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，為了觀察方便，我們將個人吸收劑量的報警顯示放到了頭盔前方并跟隨頭盔移動，這樣使用者無論如何移動視角都可以觀察到吸收劑量。實現(xiàn)方法是將canvas組建添加到頭盔顯示器的子物體即可。個人累積吸收劑量的部分實現(xiàn)代碼如下：

void dosesum()

{dose = tex2 + dose;}

public void Awake()

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

void Start ()

{dose = 0f;}

//個人累積劑量dose 循環(huán)疊加

dis2=Vector3.Distance(o, n);

//dis 表示從放射源到使用者頭盔的距離

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

//個人累積劑量是頭盔處放射劑量率乘以單位時間所得

p.text ="吸收劑量="+(dose).ToString("F1")+" mGy";

if(dose ＞=500)

{p.text = "已超過個人劑量限值！危險！立即撤退！;}

//在頭盔上顯示個人吸收劑量和報警信息

個人吸收劑量限值的設(shè)定可以根據(jù)任務(wù)規(guī)模和性質(zhì)在0.5 Gy 至1 Gy 之間調(diào)整。當(dāng)使用者一開始進(jìn)入輻射污染區(qū)，個人累積吸收劑量就開始增加，這會對隊員造成一定的心理壓力和緊張感，這也是我們訓(xùn)練內(nèi)容的一個方面。核輻射偵檢的隊員應(yīng)在完成任務(wù)的前提下盡可能縮短進(jìn)入輻射污染區(qū)的時間，并且盡量遠(yuǎn)離放射源（比如在核素識別儀工作的時間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離放射源）保護(hù)自己。

1.2.4 輻射源隨機(jī)位置設(shè)計 從設(shè)計角度出發(fā)，我們希望訓(xùn)練者每次使用軟件都能夠依據(jù)現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行立即判斷和分析后做出正確的操作。如果一個場景中放射源或臟彈的位置是固定不變的，那么訓(xùn)練者進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練時就知道目標(biāo)位置，訓(xùn)練效果大打折扣。因此，賦予放射源位置以隨機(jī)性會使整個系統(tǒng)更加具有實用性的關(guān)鍵。如果核輻射環(huán)境現(xiàn)場是在戶外露天的開放場所，那么放射源大概率會在地面上，那么其位置則可以完全隨機(jī)產(chǎn)生。如果現(xiàn)場是室內(nèi)且場景復(fù)雜，則需要人工預(yù)設(shè)若干個放射源可能出現(xiàn)的位置，然后每次訓(xùn)練的時候從預(yù)設(shè)的情況中隨機(jī)抽取一種。

2 使用方法

使用者首先應(yīng)清理好周圍場地，確保在帶上VR 設(shè)備后周圍活動范圍內(nèi)無障礙物，然后由專業(yè)人員指導(dǎo)使用者穿戴好HTCVIVE 虛擬現(xiàn)實設(shè)備。運行系統(tǒng)后，使用者可以先在登錄界面大廳熟悉基本操作或直接開始訓(xùn)練模式，具體操作說明可見系統(tǒng)提示[8]。

3 應(yīng)用測試

本系統(tǒng)在經(jīng)過初步實現(xiàn)之后，對早期開發(fā)版本進(jìn)行了用戶測試。作者選取了十位具有防化專業(yè)的測試者及十位非防化專業(yè)的測試者幫助我們進(jìn)行系統(tǒng)測試。測試者完成訓(xùn)練任務(wù)后記錄所用時間和個人吸收劑量值并填寫調(diào)查問卷。調(diào)查問卷的問題設(shè)計從系統(tǒng)的科學(xué)性、易用性和體驗效果方面入手，對系統(tǒng)的使用情況作了較為詳細(xì)的摸底。從調(diào)查問卷結(jié)果上來看，測試者對VR 核輻射訓(xùn)偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)的科學(xué)性、體驗效果良好，并表示對實際任務(wù)有一定指導(dǎo)意義。但有部分測試者表示系統(tǒng)操作性一般或使用起來不順利，這點需要在今后進(jìn)一步進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)。

4 結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事訓(xùn)練上的應(yīng)用具有重大意義[9]，是從理論邁向?qū)嶋H的第一步[10]。本文從核輻射偵檢訓(xùn)練的重要性出發(fā)，提出了用HTCVIVE 虛擬現(xiàn)實設(shè)備進(jìn)行核輻射偵檢模擬訓(xùn)練的解決方案，在對核輻射偵檢救援的任務(wù)需求進(jìn)行分析后，詳細(xì)設(shè)計并部分實現(xiàn)了VR 核輻射偵檢模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)易用性良好，在實際應(yīng)用中能夠?qū)溯椛鋫蓹z救援專業(yè)應(yīng)急能力的提升提供一定幫助。

在下一步工作中，可以通過HTCVIVE 的定位器安裝在帶有按鍵功能的專業(yè)設(shè)備的模型上面，這樣可以替代原本的HTCVIVE 手柄，從而更加提高訓(xùn)練的真實性，另外目前最新的HTCVIVE 2 代產(chǎn)品能支持10 m×10 m 大小的物理空間，設(shè)立專門的VR 訓(xùn)練場或訓(xùn)練教室，多人協(xié)作的訓(xùn)練系統(tǒng)也可以進(jìn)一步開發(fā)。VR 核輻射偵檢模擬訓(xùn)練系統(tǒng)易用性良好，針對性強(qiáng)，能夠?qū)溯椛溽t(yī)學(xué)救援專業(yè)力量的提升提供一定幫助。