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危險的工作？雇傭一位虛擬化身

來自西門子Tecnomatix業務組合的虛擬化身Jack和Jill，正在幫助美國能源行業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。房間內是一臺發生故障的水泵機組，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，執行了相同的任務。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，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，在這里，他對隨后將由真正的工人來執行的維護和維修操作進行測試。

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面臨的風險。這些模擬有助于能源企業遵守“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公認，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這個模擬解決方案的美國能源企業，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，是符合生物統計學特征的模型。早在1997年，汽車行業、軍事領域以及航空航天行業的工程師和設計師們，就已開始使用這種模型來幫助創建符合人機工程學的、優化的工作環境。它們也有助于規劃工作流程，以及測試新產品的用戶友好程度。西門子打造的這些模擬解決方案，是西門子公司面向工業生產規劃的Tecnomatix業務組合的一部分。而Tecnomatix又是西門子產品生命周期管理（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個關節，可以執行135種動作，幾乎完美地呈現了人類身體的運動能力。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境中高效地工作。

利用科研數據來進行分析，可以回答諸如在抬高重物時，人體承受了多大壓力等問題。根據分析結果，則可以預測受傷害的風險以及產生疲勞的可能性。Tecnomatix團隊與密歇根大學Humosim實驗室聯合開發的一款運動程序，可“推動”Jack和Jill在虛擬工廠中走來走去。現在，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的工作。這個算法是美國電力企業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，企業可以在產品開發、裝配、維護規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。這不僅節省了金錢，也提高了產品的質量和安全性，同時縮短了產品的上市周期。

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及車輛模型。在這里，這兩個虛擬化身實現了增強算法，可以根據多年觀察得到的數據，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，在實際生產借助虛擬化身，企業可以將人的因素納入產品開發、裝配和維護過程的規劃中。

發現問題之后，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大幅減少生產中的問題。現在，在福特公司和其他企業，虛擬分析已經成為設計過程中不可或缺的步驟。”

模擬核電站，標志著Tecnomatix跨入了一個新時代。然而，說到底，它們只是汽車行業和航空航天行業仿真應用的擴展。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了一個算法，能夠根據所涉及的材料、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）。

作業中，Tecnomatix業務組合中的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現，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。

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，并將之發送給Jack和Jill。這樣一來，就可以在實際執行任務之前，嚴格演練將在核電站內執行的工作，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。”

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瑞典的秘訣

Vellinge是瑞典的一座小城，它在節省資金的同時，也保護了環境。其成功秘訣是：地方政府與國際企業結成合作伙伴關系。

在瑞典西南角，據守波羅的海海口的一個半島上，坐落著一座小城——Vellinge。這里有潔白的沙灘和芬芳青翠的原野。附近的?resund大橋，連接著丹麥首都哥本哈根與瑞典城市馬爾默。大橋之上，強勁的海風吹動著風電機組在快速運轉。地方議會議員Lars-Ingvar Ljungman表示：“我們這座城市的大部分地區都只比海平面高幾米。因此，我們要盡最大可能避免氣候變化。”

這座城市竭力奉行這個理念。自2005年起，其3.3萬住戶就一直投資于“綠色”樓宇科技，充分挖掘其市政設施的節能潛力。這樣做是為了節約水電、節省資金、降低二氧化碳排放。同時，Vellinge也希望通過降低能源消耗，盡快收回尖端技術的投資成本。不過，他們很快就發現，要實現這個目標，顯然需要攜手實力雄厚的合作伙伴。Vellinge選中了西門子，其試驗也得以啟動。

西門子樓宇科技集團駐馬爾默的電能工程師Louise Johansson表示：“我們細致深入地考察了這座城市的所有公共建筑物及其系統，包括供暖、通風和照明等系統。然后，我們就提高能效作了具體的建議。”Vellinge首先想要弄清這種合作關系的發展前景，因此，第一期舉措的實施采取了循序漸進的方式。所有這些舉措的資金，均來源于Vellinge與西門子簽訂的能效保證合同（參見欄花），這種合作模式允許在預先確定的一段時間內，通過節約用電，快速收回初始投資成本。

迄今為止，合作雙方已經對總建筑面積高達10萬平方米的43棟建筑物進行了現代化改造，包括市政廳、行政樓、學校、敬老院和室內游泳館。為節約用電，改造中采用了隔熱房頂，并且用熱泵替換了原來的燃油鍋爐。熒光燈和含汞戶外路燈也被LED節能燈所取代。現在，學校和托兒所的照明系統，都能夠根據日照強度和房間占用面積自動調節。馬桶/便池和水龍頭均安裝了節水裝置。供熱、通風和空調系統等也完成了改造。Johansson解釋道：“我們采用現代化通風系統，替換了原來的排氣系統，以保證回收熱能。”現在，樓宇系統可以自動調節室內溫度，恒溫調節器保證了室內溫度始終保持在人體感覺最舒適的水平。合作雙方還將就如何優化使用光源、電能和水等，向建筑物用戶提供相關節能建議。

自雙方結成合作關系以來，8年過去了，至今仍有新的項目在陸續啟動。得益于此，又有50棟建筑物——包括住宅和商業房產——的能效指標正在不斷改進。當地每年可節約用電600萬度，這相當于自項目啟動以來，能耗降低了30%左右。現在，Vellinge的年二氧化碳排放量比原來減少了約2000噸，差不多等于740輛汽車在一般情況下使用一年的排放量。這樣的成效在某些方面甚至超出了預期。當地每年還能節省大約50萬歐元的費用。目前正在進行的項目，承諾進一步將年用電量降低471萬度，減少排放二氧化碳1100噸，節省資金47萬歐元。專家預計，從現在起12年內，哪怕最新的節能舉措也能輕松收回投資。

借助西門子提供的一個多樓宇監控系統，合作雙方仍在進一步探究并挖掘更多潛力。當地建筑物中設置的不計其數的測定點，可向地處12公里外的馬爾默高級運行中心發送關于電能流動的數據。馬爾默高級運行中心采用西門子的軟件來評估數據，以確定并提高系統能效。中心工作人員Anders Andersson表示：“在這里，我們甚至可以遠程優化系統。我們持續不斷地監測用電情況、電價和二氧化碳排放量，以便用戶達成甚至超出其目標。從馬爾默中心，我們還能發現更多節約潛力，決定是否該采取進一步的行動。”

2012年，歐洲能效服務倡議組織（European Energy Service Initiative，簡稱EESI）向西門子授予了“能效服務獎”，以表彰這一合作關系所取得的成功。歐洲能效服務倡議組織，由歐盟出資成立，旨在倡導在全歐范圍內開展能效保證合同項目。這個合作關系的成功秘訣很簡單：長期密切合作，雙方堅持不懈地充分把握提高能效的機會。

Vellinge對所取得的成就深感自豪。議員Ljungman表示：“或許，我們能夠成為瑞典其他地方，甚至整個歐洲的楷模。盡管我們早已成功實施了這些舉措，但我們并不打算止步于此！”

西門子面向樓宇自控系統的績效合同，包含了咨詢、安裝服務和融資服務等多項內容。得益于這樣的組合，顧客不必進行任何初始投資，他們只需用節約用電所節省的資金來支付分期付款。在全球范圍內，西門子已通過這種方式，對超過5200棟建筑物進行了現代化改造，節省了超過10億歐元的資金，減少二氧化碳排放上千萬噸。另一個目前正在開展的項目是：得益于現代化改造后的通風系統，德國寶馬集團在德國的4座工廠，每年可以節約用電550萬度左右。西門子改造了控制機柜，更換了風扇和電氣傳動裝置，安裝了新的變頻器和電纜。這些舉措所需資金，均由西門子財務服務有限公司提供。由此節省的電費，用于支付投資成本。同樣，德國威廉港的Reinhard Nieter Hospital醫院，是一座高能效熱電聯產電廠的受益者。西門子也保證每年將二氧化碳排放量降低約4130噸，節約電費55萬歐元。這家醫院將利用節省的資金來償付融資成本。另一個贏家是Bremerhaven-Reinkenheide Clinic醫院。通過對其空調和通風系統進行現代化改造，這家醫院提高了其建筑物的能效。剛剛投入運行，西門子樓宇科技集團提供的新系統，就開始為這家醫院降低能耗。從那時到現在，這家醫院的能耗已經降低了35%，節省的這筆資金，便用于支付租賃費用。

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