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危險的工作？雇傭一位虛擬化身

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

在一座核電站，Jack打開(kāi)了一扇門(mén)。房間內是一臺發(fā)生故障的水泵機組，這臺水泵機組的作用是讓冷水*地流過(guò)核電站的反應堆芯。Jack把他的工具箱放到地板上的水泵機組前，拿出一把管道扳手，開(kāi)始進(jìn)行維修。他將扳手轉了幾圈，取下管帽，這時(shí)，輻射測定裝置上的讀數開(kāi)始飆升，上升速度之快，令人驚懼。然而，Jack似乎一點(diǎn)也不擔心。幾分鐘后，他在這臺水泵機組的另一側蹲下，執行了相同的任務(wù)。這一次，輻射測定裝置上的讀數停在了令人放心的安全水平。

在執行這些工作時(shí)，Jack顯得從容不迫，他之所以這樣是有充分理由的，因為他并未真正處于危險之中。Jack不是真正的人，而是一個(gè)虛擬化身，一個(gè)人類(lèi)的仿真品。Jack“工作”在一座虛擬核電站內，在這里，他對隨后將由真正的工人來(lái)執行的維護和維修操作進(jìn)行測試。

這種對在危險區域內所執行的工作的三維模擬，旨在盡可能地降低人類(lèi)面臨的風(fēng)險。這些模擬有助于能源企業(yè)遵守“可合理達到的盡量低（ALARA）”安全原則，這一原則不僅已在美國得到*，不久前也獲得了歐洲能源界的認可。Ulrich Raschke博士是西門(mén)子工業(yè)自動(dòng)化集團設在密歇根州的人類(lèi)模擬技術(shù)部的主任，他表示，“那些曾幫助我們開(kāi)發(fā)這個(gè)模擬解決方案的美國能源企業(yè)，現在正在這些新應用中測試這種虛擬化身。”

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

Jack和Jill不僅僅是呆笨的人像。它們有68個(gè)關(guān)節，可以執行135種動(dòng)作，幾乎*地呈現了人類(lèi)身體的運動(dòng)能力。二者均采用了目標區域人群的一般體形，正因為如此，中國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的環(huán)境中高效地工作。

利用科研數據來(lái)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(wèn)題。根據分析結果，則可以預測受傷害的風(fēng)險以及產(chǎn)生疲勞的可能性。Tecnomatix團隊與密歇根大學(xué)Humosim實(shí)驗室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一款運動(dòng)程序，可“推動(dòng)”Jack和Jill在虛擬工廠(chǎng)中走來(lái)走去?，F在，借助一個(gè)能計算輻射劑量的算法，可以相對輕松地使用這個(gè)程序來(lái)模擬在核電站內的工作。這個(gè)算法是美國電力企業(yè)出資成立的美國電力研究院（EPRI）提供給西門(mén)子的。

虛擬測試的益處顯而易見(jiàn)。借助虛擬化身，企業(yè)可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、裝配、維護規劃等過(guò)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)測試的原型，也無(wú)需在日后進(jìn)行費時(shí)費錢(qián)的調整。虛擬化身可令工程師防止設計錯誤，避免大幅度的改進(jìn)。這不僅節省了金錢(qián)，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。

人機工程學(xué)測試。自1998年以來(lái)，福特公司一直在使用Jack和Jill來(lái)測試裝配線(xiàn)工作區及車(chē)輛模型。在這里，這兩個(gè)虛擬化身實(shí)現了增強算法，可以根據多年觀(guān)察得到的數據，計算出姿勢、動(dòng)作和身體承受的壓力。

然后，進(jìn)行人機工程學(xué)分析，計算出受傷害的風(fēng)險。開(kāi)發(fā)工程師也想知道，汽車(chē)的操控性能如何、儀表盤(pán)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，福特公司的人機工程學(xué)實(shí)驗室發(fā)現，為某些車(chē)型安裝車(chē)門(mén)擋風(fēng)雨條很困難。工人很容易感到疲勞，傷害風(fēng)險性也更高，并且擋風(fēng)雨條的安裝還常常出錯。

借助虛擬化身，企業(yè)可以將人的因素納入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、裝配和維護過(guò)程的規劃中。

發(fā)現問(wèn)題之后，福特公司的工程師改進(jìn)了新車(chē)型擋風(fēng)雨條的安裝過(guò)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(shuō)：“仿真軟件有助于汽車(chē)行業(yè)大幅減少生產(chǎn)中的問(wèn)題?，F在，在福特公司和其他企業(yè)，虛擬分析已經(jīng)成為設計過(guò)程中*的步驟。”

模擬核電站，標志著(zhù)Tecnomatix跨入了一個(gè)新時(shí)代。然而，說(shuō)到底，它們只是汽車(chē)行業(yè)和航空航天行業(yè)仿真應用的擴展。自2010年9月起，西門(mén)子和美國電力研究院一直在合作研究核電站的仿真應用。美國電力研究院的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)算法，能夠根據所涉及的材料、輻射場(chǎng)和存在的任何防護屏障等因素，計算出輻射強度。這意味著(zhù)能夠準確地預測，房間內每一個(gè)點(diǎn)的輻射劑量。

西門(mén)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定裝置，測出輻射強度。在三維仿真中，采用了色碼來(lái)顯示測定結果。其中，紅色表示可能引起危險的高輻射劑量，而綠色則表示無(wú)害劑量（參見(jiàn)下右圖）。

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

西門(mén)子還加裝了微軟Kinect動(dòng)作感應攝像頭，它是許多游戲機中常見(jiàn)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(lái)，就可以在實(shí)際執行任務(wù)之前，嚴格演練將在核電站內執行的工作，以便大限度地減少輻射曝露。Raschke說(shuō)：“如果所有輻射源都是已知的，并且所有物理結構都是穩定的，那么，或許甚至可以模擬福島核電站的清理工作。”

然而，這項技術(shù)的應用潛力遠不止存在于核電站或放射性廢棄物的貯存設施中。事實(shí)上，早的工作場(chǎng)所人類(lèi)仿真出現于20世紀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(lèi)在太空中工作的情況。近幾年，美國航空航天局已經(jīng)使用了Jack和Jill來(lái)模擬“獵戶(hù)座”太空艙的裝配。Raschke表示，“目前，我們收到了許多來(lái)自政府和私營(yíng)航空航天機構的詢(xún)問(wèn)，它們都想模擬人類(lèi)在太空中的活動(dòng)。”