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危險(xiǎn)的工作？雇傭一位虛擬化身

來自西門子Tecnomatix業(yè)務(wù)組合的虛擬化身Jack和Jill，正在幫助美國(guó)能源行業(yè)大限度地降低其員工在核電站的輻射曝露量。在汽車和航空等領(lǐng)域，這樣的虛擬試驗(yàn)員也有用武之地。

在一座核電站，Jack打開了一扇門。房間內(nèi)是一臺(tái)發(fā)生故障的水泵機(jī)組，這臺(tái)水泵機(jī)組的作用是讓冷水*地流過核電站的反應(yīng)堆芯。Jack把他的工具箱放到地板上的水泵機(jī)組前，拿出一把管道扳手，開始進(jìn)行維修。他將扳手轉(zhuǎn)了幾圈，取下管帽，這時(shí)，輻射測(cè)定裝置上的讀數(shù)開始飆升，上升速度之快，令人驚懼。然而，Jack似乎一點(diǎn)也不擔(dān)心。幾分鐘后，他在這臺(tái)水泵機(jī)組的另一側(cè)蹲下，執(zhí)行了相同的任務(wù)。這一次，輻射測(cè)定裝置上的讀數(shù)停在了令人放心的安全水平。

在執(zhí)行這些工作時(shí)，Jack顯得從容不迫，他之所以這樣是有充分理由的，因?yàn)樗⑽凑嬲幱谖ｋU(xiǎn)之中。Jack不是真正的人，而是一個(gè)虛擬化身，一個(gè)人類的仿真品。Jack“工作”在一座虛擬核電站內(nèi)，在這里，他對(duì)隨后將由真正的工人來執(zhí)行的維護(hù)和維修操作進(jìn)行測(cè)試。

這種對(duì)在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)所執(zhí)行的工作的三維模擬，旨在盡可能地降低人類面臨的風(fēng)險(xiǎn)。這些模擬有助于能源企業(yè)遵守“可合理達(dá)到的盡量低（ALARA）”安全原則，這一原則不僅已在美國(guó)得到*，不久前也獲得了歐洲能源界的認(rèn)可。Ulrich Raschke博士是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)設(shè)在密歇根州的人類模擬技術(shù)部的主任，他表示，“那些曾幫助我們開發(fā)這個(gè)模擬解決方案的美國(guó)能源企業(yè)，現(xiàn)在正在這些新應(yīng)用中測(cè)試這種虛擬化身。”

模型人。Jack和他的同事Jill，是符合生物統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的模型。早在1997年，汽車行業(yè)、軍事領(lǐng)域以及航空航天行業(yè)的工程師和設(shè)計(jì)師們，就已開始使用這種模型來幫助創(chuàng)建符合人機(jī)工程學(xué)的、優(yōu)化的工作環(huán)境。它們也有助于規(guī)劃工作流程，以及測(cè)試新產(chǎn)品的用戶友好程度。西門子打造的這些模擬解決方案，是西門子公司面向工業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃的Tecnomatix業(yè)務(wù)組合的一部分。而Tecnomatix又是西門子產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件系統(tǒng)的組成部分之一。

Jack和Jill不僅僅是呆笨的人像。它們有68個(gè)關(guān)節(jié)，可以執(zhí)行135種動(dòng)作，幾乎*地呈現(xiàn)了人類身體的運(yùn)動(dòng)能力。二者均采用了目標(biāo)區(qū)域人群的一般體形，正因?yàn)槿绱耍袊?guó)版本比北美版本的個(gè)子矮一些。然而，也可以改變它們的體形，以保證不論高矮胖瘦，任何人都能夠在模擬所呈現(xiàn)的環(huán)境中高效地工作。

利用科研數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，可以回答諸如在抬高重物時(shí)，人體承受了多大壓力等問題。根據(jù)分析結(jié)果，則可以預(yù)測(cè)受傷害的風(fēng)險(xiǎn)以及產(chǎn)生疲勞的可能性。Tecnomatix團(tuán)隊(duì)與密歇根大學(xué)Humosim實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的一款運(yùn)動(dòng)程序，可“推動(dòng)”Jack和Jill在虛擬工廠中走來走去?，F(xiàn)在，借助一個(gè)能計(jì)算輻射劑量的算法，可以相對(duì)輕松地使用這個(gè)程序來模擬在核電站內(nèi)的工作。這個(gè)算法是美國(guó)電力企業(yè)出資成立的美國(guó)電力研究院（EPRI）提供給西門子的。

虛擬測(cè)試的益處顯而易見。借助虛擬化身，企業(yè)可以在產(chǎn)品開發(fā)、裝配、維護(hù)規(guī)劃等過程的早期階段，考慮人的因素。不再需要制作成本不菲且未經(jīng)測(cè)試的原型，也無(wú)需在日后進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的調(diào)整。虛擬化身可令工程師防止設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，避免大幅度的改進(jìn)。這不僅節(jié)省了金錢，也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，同時(shí)縮短了產(chǎn)品的上市周期。

人機(jī)工程學(xué)測(cè)試。自1998年以來，福特公司一直在使用Jack和Jill來測(cè)試裝配線工作區(qū)及車輛模型。在這里，這兩個(gè)虛擬化身實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)算法，可以根據(jù)多年觀察得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出姿勢(shì)、動(dòng)作和身體承受的壓力。

然后，進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，計(jì)算出受傷害的風(fēng)險(xiǎn)。開發(fā)工程師也想知道，汽車的操控性能如何、儀表盤是否易于操作，以及駕駛員座椅能提供什么樣的前方道路視野等。為了弄清楚這些情況，他們戴上沉浸式頭盔，進(jìn)入虛擬化身的三維世界，就像玩電腦游戲那樣。

事實(shí)證明，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，Tecnomatix業(yè)務(wù)組合中的Jack和Jill軟件也很有用。幾年前，在這款軟件的幫助下，福特公司的人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，為某些車型安裝車門擋風(fēng)雨條很困難。工人很容易感到疲勞，傷害風(fēng)險(xiǎn)性也更高，并且擋風(fēng)雨條的安裝還常常出錯(cuò)。

借助虛擬化身，企業(yè)可以將人的因素納入產(chǎn)品開發(fā)、裝配和維護(hù)過程的規(guī)劃中。

發(fā)現(xiàn)問題之后，福特公司的工程師改進(jìn)了新車型擋風(fēng)雨條的安裝過程。這不僅使裝配變得更加容易，而且大大提高了安裝質(zhì)量。Raschke說：“仿真軟件有助于汽車行業(yè)大幅減少生產(chǎn)中的問題。現(xiàn)在，在福特公司和其他企業(yè)，虛擬分析已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過程中*的步驟。”

模擬核電站，標(biāo)志著Tecnomatix跨入了一個(gè)新時(shí)代。然而，說到底，它們只是汽車行業(yè)和航空航天行業(yè)仿真應(yīng)用的擴(kuò)展。自2010年9月起，西門子和美國(guó)電力研究院一直在合作研究核電站的仿真應(yīng)用。美國(guó)電力研究院的研究人員開發(fā)了一個(gè)算法，能夠根據(jù)所涉及的材料、輻射場(chǎng)和存在的任何防護(hù)屏障等因素，計(jì)算出輻射強(qiáng)度。這意味著能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，房間內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的輻射劑量。

西門子工程師在Jack和Jill程序中安裝了這個(gè)算法。這個(gè)算法允許利用仿真輻射劑量測(cè)定裝置，測(cè)出輻射強(qiáng)度。在三維仿真中，采用了色碼來顯示測(cè)定結(jié)果。其中，紅色表示可能引起危險(xiǎn)的高輻射劑量，而綠色則表示無(wú)害劑量（參見下右圖）。

虛擬化身Jack和Jill栩栩如生地再現(xiàn)了人類。它們被用于在諸如核電站等設(shè)施中，以幫助人類制定工作計(jì)劃（上左圖所示）。

西門子還加裝了微軟Kinect動(dòng)作感應(yīng)攝像頭，它是許多游戲機(jī)中常見的裝置。Kinect記錄了真人的動(dòng)作，并將之發(fā)送給Jack和Jill。這樣一來，就可以在實(shí)際執(zhí)行任務(wù)之前，嚴(yán)格演練將在核電站內(nèi)執(zhí)行的工作，以便大限度地減少輻射曝露。Raschke說：“如果所有輻射源都是已知的，并且所有物理結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定的，那么，或許甚至可以模擬福島核電站的清理工作。”

然而，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)不止存在于核電站或放射性廢棄物的貯存設(shè)施中。事實(shí)上，早的工作場(chǎng)所人類仿真出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代和70年代，那時(shí)候，進(jìn)行這樣的模擬是為了研究人類在太空中工作的情況。近幾年，美國(guó)航空航天局已經(jīng)使用了Jack和Jill來模擬“獵戶座”太空艙的裝配。Raschke表示，“目前，我們收到了許多來自政府和私營(yíng)航空航天機(jī)構(gòu)的詢問，它們都想模擬人類在太空中的活動(dòng)。”