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危險的工作？雇傭一位虛擬化身

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

在一座核電站，Jack打開了一扇門。房間內(nèi)是一臺發(fā)生故障的水泵機組，這臺水泵機組的作用是讓冷水源源不斷地流過核電站的反應堆芯。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，開始進行維修。他將扳手轉了幾圈，取下管帽，這時，輻射測定裝置上的讀數(shù)開始飆升，上升速度之快，令人驚懼。然而，Jack似乎一點也不擔心。幾分鐘后，他在這臺水泵機組的另一側蹲下，執(zhí)行了相同的任務。這一次，輻射測定裝置上的讀數(shù)停在了令人放心的安全水平。

在執(zhí)行這些工作時，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，而是一個虛擬化身，一個人類的仿真品。Jack“工作”在一座虛擬核電站內(nèi)，在這里，他對隨后將由真正的工人來執(zhí)行的維護和維修操作進行測試。

這種對在危險區(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博士是西門子工業(yè)自動化集團設在密歇根州的人類模擬技術部的主任，他表示，“那些曾幫助我們開發(fā)這個模擬解決方案的美國能源企業(yè)，現(xiàn)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(tǒng)計學特征的模型。早在1997年，汽車行業(yè)、軍事領域以及航空航天行業(yè)的工程師和設計師們，就已開始使用這種模型來幫助創(chuàng)建符合人機工程學的、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個關節(jié)，可以執(zhí)行135種動作，幾乎*地呈現(xiàn)了人類身體的運動能力。二者均采用了目標區(qū)域人群的一般體形，正因為如此，中國版本比北美版本的個子矮一些。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)來進行分析，可以回答諸如在抬高重物時，人體承受了多大壓力等問題。根據(jù)分析結果，則可以預測受傷害的風險以及產(chǎn)生疲勞的可能性。Tecnomatix團隊與密歇根大學Humosim實驗室聯(lián)合開發(fā)的一款運動程序，可“推動”Jack和Jill在虛擬工廠中走來走去。現(xiàn)在，借助一個能計算輻射劑量的算法，可以相對輕松地使用這個程序來模擬在核電站內(nèi)的工作。這個算法是美國電力企業(yè)出資成立的美國電力研究院（EPRI）提供給西門子的。

虛擬測試的益處顯而易見。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)測試的原型，也無需在日后進行費時費錢的調整。虛擬化身可令工程師防止設計錯誤，避免大幅度的改進。這不僅節(jié)省了金錢，也提高了產(chǎn)品的質量和安全性，同時縮短了產(chǎn)品的上市周期。

人機工程學測試。自1998年以來，福特公司一直在使用Jack和Jill來測試裝配線工作區(qū)及車輛模型。在這里，這兩個虛擬化身實現(xiàn)了增強算法，可以根據(jù)多年觀察得到的數(shù)據(jù)，計算出姿勢、動作和身體承受的壓力。

然后，進行人機工程學分析，計算出受傷害的風險。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，進入虛擬化身的三維世界，就像玩電腦游戲那樣。

事實證明，在實際生產(chǎn)作業(yè)中，Tecnomatix業(yè)務組合中的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實驗室發(fā)現(xiàn)，為某些車型安裝車門擋風雨條很困難。工人很容易感到疲勞，傷害風險性也更高，并且擋風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)品開發(fā)、裝配和維護過程的規(guī)劃中。

發(fā)現(xiàn)問題之后，福特公司的工程師改進了新車型擋風雨條的安裝過程。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)成為設計過程中*的步驟。”

模擬核電站，標志著Tecnomatix跨入了一個新時代。然而，說到底，它們只是汽車行業(yè)和航空航天行業(yè)仿真應用的擴展。自2010年9月起，西門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發(fā)了一個算法，能夠根據(jù)所涉及的材料、輻射場和存在的任何防護屏障等因素，計算出輻射強度。這意味著能夠準確地預測，房間內(nèi)每一個點的輻射劑量。

西門子工程師在Jack和Jill程序中安裝了這個算法。這個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施中，以幫助人類制定工作計劃（上左圖所示）。

西門子還加裝了微軟Kinect動作感應攝像頭，它是許多游戲機中常見的裝置。Kinect記錄了真人的動作，并將之發(fā)送給Jack和Jill。這樣一來，就可以在實際執(zhí)行任務之前，嚴格演練將在核電站內(nèi)執(zhí)行的工作，以便最大限度地減少輻射曝露。Raschke說：“如果所有輻射源都是已知的，并且所有物理結構都是穩(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，這項技術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。事實上，最早的工作場所人類仿真出現(xiàn)于20世紀60年代和70年代，那時候，進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航空航天機構的詢問，它們都想模擬人類在太空中的活動。”