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宝鸡西门子总代理商
产品时间:2020-11-23
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危险的工作?雇佣一位虚拟化身

 

来自西门子Tecnomatix业务组合的虚拟化身Jack和Jill,正在帮助美国能源行业最大限度地降低其员工在核电站的辐射曝露量。在汽车和航空等领域,这样的虚拟试验员也有用武之地。

在一座核电站,Jack打开了一扇门。房间内是一台发生故障的水泵机组,这台水泵机组的作用是让冷水源源不断地流过核电站的反应堆芯。Jack把他的工具箱放到地板上的水泵机组前,拿出一把管道扳手,开始进行维修。他将扳手转了几圈,取下管帽,这时,辐射测定装置上的读数开始飙升,上升速度之快,令人惊惧。然而,Jack似乎一点也不担心。几分钟后,他在这台水泵机组的另一侧蹲下,执行了相同的任务。这一次,辐射测定装置上的读数停在了令人放心的安全水平。

在执行这些工作时,Jack显得从容不迫,他之所以这样是有充分理由的,因为他并未真正处于危险之中。Jack不是真正的人,而是一个虚拟化身,一个人类的仿真品。Jack“工作”在一座虚拟核电站内,在这里,他对随后将由真正的工人来执行的维护和维修操作进行测试。

这种对在危险区域内所执行的工作的三维模拟,旨在尽可能地降低人类面临的风险。这些模拟有助于能源企业遵守“可合理达到的尽量低(ALARA)”安全原则,这一原则不仅已在美国得到公认,不久前也获得了欧洲能源界的认可。Ulrich Raschke博士是西门子工业自动化集团设在密歇根州的人类模拟技术部的主任,他表示,“那些曾帮助我们开发这个模拟解决方案的美国能源企业,现在正在这些新应用中测试这种虚拟化身。”

模型人。Jack和他的同事Jill,是符合生物统计学特征的模型。早在1997年,汽车行业、军事领域以及航空航天行业的工程师和设计师们,就已开始使用这种模型来帮助创建符合人机工程学的、优化的工作环境。它们也有助于规划工作流程,以及测试新产品的用户友好程度。西门子打造的这些模拟解决方案,是西门子公司面向工业生产规划的Tecnomatix业务组合的一部分。而Tecnomatix又是西门子产品生命周期管理(PLM)软件系统的组成部分之一。

Jack和Jill不仅仅是呆笨的人像。它们有68个关节,可以执行135种动作,几乎*地呈现了人类身体的运动能力。二者均采用了目标区域人群的一般体形,正因为如此,中国版本比北美版本的个子矮一些。然而,也可以改变它们的体形,以保证不论高矮胖瘦,任何人都能够在模拟所呈现的环境中高效地工作。

利用科研数据来进行分析,可以回答诸如在抬高重物时,人体承受了多大压力等问题。根据分析结果,则可以预测受伤害的风险以及产生疲劳的可能性。Tecnomatix团队与密歇根大学Humosim实验室联合开发的一款运动程序,可“推动”Jack和Jill在虚拟工厂中走来走去。现在,借助一个能计算辐射剂量的算法,可以相对轻松地使用这个程序来模拟在核电站内的工作。这个算法是美国电力企业出资成立的美国电力研究院(EPRI)提供给西门子的。

虚拟测试的益处显而易见。借助虚拟化身,企业可以在产品开发、装配、维护规划等过程的早期阶段,考虑人的因素。不再需要制作成本不菲且未经测试的原型,也无需在日后进行费时费钱的调整。虚拟化身可令工程师防止设计错误,避免大幅度的改进。这不仅节省了金钱,也提高了产品的质量和安全性,同时缩短了产品的上市周期。

人机工程学测试。自1998年以来,福特公司一直在使用Jack和Jill来测试装配线工作区及车辆模型。在这里,这两个虚拟化身实现了增强算法,可以根据多年观察得到的数据,计算出姿势、动作和身体承受的压力。

然后,进行人机工程学分析,计算出受伤害的风险。开发工程师也想知道,汽车的操控性能如何、仪表盘是否易于操作,以及驾驶员座椅能提供什么样的前方道路视野等。为了弄清楚这些情况,他们戴上沉浸式头盔,进入虚拟化身的三维世界,就像玩电脑游戏那样。

事实证明,在实际生产作业中,Tecnomatix业务组合中的Jack和Jill软件也很有用。几年前,在这款软件的帮助下,福特公司的人机工程学实验室发现,为某些车型安装车门挡风雨条很困难。工人很容易感到疲劳,伤害风险性也更高,并且挡风雨条的安装还常常出错。

借助虚拟化身,企业可以将人的因素纳入产品开发、装配和维护过程的规划中。

发现问题之后,福特公司的工程师改进了新车型挡风雨条的安装过程。这不仅使装配变得更加容易,而且大大提高了安装质量。Raschke说:“仿真软件有助于汽车行业大幅减少生产中的问题。现在,在福特公司和其他企业,虚拟分析已经成为设计过程中不可或缺的步骤。”

模拟核电站,标志着Tecnomatix跨入了一个新时代。然而,说到底,它们只是汽车行业和航空航天行业仿真应用的扩展。自2010年9月起,西门子和美国电力研究院一直在合作研究核电站的仿真应用。美国电力研究院的研究人员开发了一个算法,能够根据所涉及的材料、辐射场和存在的任何防护屏障等因素,计算出辐射强度。这意味着能够准确地预测,房间内每一个点的辐射剂量。

西门子工程师在Jack和Jill程序中安装了这个算法。这个算法允许利用仿真辐射剂量测定装置,测出辐射强度。在三维仿真中,采用了色码来显示测定结果。其中,红色表示可能引起危险的高辐射剂量,而绿色则表示无害剂量(参见下右图)。

虚拟化身Jack和Jill栩栩如生地再现了人类。它们被用于在诸如核电站等设施中,以帮助人类制定工作计划(上左图所示)。

西门子还加装了微软Kinect动作感应摄像头,它是许多游戏机中常见的装置。Kinect记录了真人的动作,并将之发送给Jack和Jill。这样一来,就可以在实际执行任务之前,严格演练将在核电站内执行的工作,以便最大限度地减少辐射曝露。Raschke说:“如果所有辐射源都是已知的,并且所有物理结构都是稳定的,那么,或许甚至可以模拟福岛核电站的清理工作。”

然而,这项技术的应用潜力远不止存在于核电站或放射性废弃物的贮存设施中。事实上,最早的工作场所人类仿真出现于20世纪60年代和70年代,那时候,进行这样的模拟是为了研究人类在太空中工作的情况。近几年,美国航空航天局已经使用了Jack和Jill来模拟“猎户座”太空舱的装配。Raschke表示,“目前,我们收到了许多来自政府和私营航空航天机构的询问,它们都想模拟人类在太空中的活动。”

 

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