提供具有对事件的提前通知的仿真的方法、系统和计算机程序产品的制作方法

专利名称：提供具有对事件的提前通知的仿真的方法、系统和计算机程序产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于提供仿真的方法、系统和计算机程序产品，更具体地涉及一种用 于提供仿真的方法、系统和计算机程序产品，所述仿真提供对仿真事件的提前通知。
背景技术：
在很多背景中对复杂系统的行为的计算机仿真变得日益重要，包括复杂模型的测 试、受随机变化支配的系统行为的仿真，特别是作为提供机会在手工任务和认知性任务中 训练学员的手段，这些任务包括操作复杂设备或者对重要场景做决定。后者的典型实例包括飞行仿真器、用于训练其他交通工具或重型机械的操作者的 仿真器、用于训练外科医生或医护人员为病人做手术或治疗的仿真器、以及用于训练关键 过程(例如核反应堆)的操作者的仿真器。典型地，训练仿真器包括环境模型，包括对学员或操作者可以在其上执行动作的 任何对象的描述；一组变量，表示模型中的状态或条件；一组规则，诸如物理过程以及它们 如何相互作用来改变变量的值；以及输入/输出接口，用于接收用户输入和用于显示或表 示环境和由于用户交互、环境中对象之间的交互所导致的任何环境变化，或者由于仿真的 进展(progress)所导致的动态变量随着时间的变化。环境和特定训练场景的创建，包括初始条件、目标等等常常是一个复杂的过程，为 了证实所希望的条件以允许学员实践处理该特定条件的方式作为仿真的一部分发展，这个 过程需要测试仿真的运行。在创建场景以后，改变该场景可能需要仿真中的暂停、对参数复 杂的再调节、以及新的试验和验证。此外，对于指导员或管理者而言基于仿真中的当前情况 难以了解仿真是否可能发展出希望学员碰到的情况以及能预期何时出现这种情况。

发明内容
本发明涉及一种方法、系统和计算机程序产品，包括实时运行的第一仿真，表示 例如训练环境和学员使用的用户控制；以及比实时提前运行的第二仿真，表示对仿真在不 久将来的发展的预测。管理者、指导员或教师于是可以在事件发生之前为其准备时管理学 员，并且根据本发明的一些实施例，甚至对训练场景进行操纵，以引起或避免某些情况或事 件。根据本发明原理的方法可呈现仿真，通过运行第一计算机仿真、运行与所述第 一仿真对应的第二计算机仿真(所述第二仿真比所述第一仿真进一步进展(progressed further)),并使用所述第二计算机仿真来提供表示所述第一仿真中预期的未来事件的信 息，所述仿真对计算机仿真事件(例如预期出现的状态或条件)提供提前通知。根据某些实施例，第一仿真是模型上的场景的实时仿真，而第二仿真是比实时提 前的所述模型上的场景的仿真。所述第二仿真可以与所述第一仿真共享状态历史，直到所 述第二仿真中与所述第一仿真中的当前时间点对应的时间点。所述方法可以进一步包括产生所述第一仿真中当前状态的第一表示，作为当前情况的呈现；以及产生所述第二仿真 中一个或多个状态的第二表示，作为一个或多个预测的未来情况的表示。第二仿真中一个 或多个状态可选自与实时仿真中当前时间点对应的时间点之后出现的这样状态的历史，从 而表示第一仿真中未来状态或情况的预测。根据本发明的一些实施例，可确定第一仿真中当前时间点的当前状态与所述第二 仿真中对应时间点的对应状态不同。根据本发明的原理，第二仿真然后可返回到所述对应 时间点，并将状态变量复位或重新初始化为与该时间点的第一仿真对应。然后可以执行第 二仿真的进展的加速计算，直到第二仿真再次比所述第一仿真提前运行。根据一些实施例，第一表示一表示实时仿真——可在第一输出装置上呈现。第 二表示一表示预测一可在第二输出装置上呈现。这允许学员在操作第一用户接口的控 制时观察实时仿真，而指导员可观察不久将来的事件的预测并在其出现之前做好准备。根据本发明的一些实施例，所述第一仿真中的状态与所述第二仿真中的对应状态 不同可以是作为通过用户接口接收的用户输入的接收结果而导致的。这样的用户输入可以 是已经作为学员使用第一用户接口操纵模型的结果而接收的输入。用户输入也可以表示管 理者使用第二用户接口操纵场景。根据本发明的某些方面，根据模型中包含的规则，可将表示管理者对仿真的操纵 的所述用户输入转变为与对仿真中的条件的描述一致的第一计算机仿真中一个或多个状 态变量的值。根据本发明的其他方面，通过基于仿真系统的模型运行第一计算机仿真，所述模 型具有多个状态变量；接收来自第一用户输入接口的输入数据，所述输入表示用户与所述 第一计算机仿真的交互，以通过和与仿真系统的交互相一致的方式改变一个或多个所述状 态变量的值；以及接收来自第二用户输入接口的输入数据，所述输入允许用户调节所述仿 真中条件应当处在的程度，从而可以控制计算机仿真。根据模型中包含的规则，可以将来自 第二用户输入接口的输入转变为与对所述条件的描述一致的所述第一计算机仿真中一个 或多个状态变量的值。根据一些实施例，第一用户输入接口是学员用户接口，第二用户输入接口是管理 者用户接口。通过这种方式来控制的条件可以是通过从所述第一用户输入接口接收的数据 至少能部分地克服或抵消的不希望条件。根据本发明的原理，所述一个或多个状态变量是仿真的主要部分，其通过所述模 型中包含的规则与其他状态变量动态地交互。在本发明的一些实施例中，也可以执行相反的功能，使得所述第一计算机仿真中 的一个或多个状态变量的值成为在所述仿真中条件处在的程度的表示。根据一些实施例，所述模型可以是人体生理学的描述，所述条件是病理状态。作为 示例，所述病理状态可选自包括血容量减少、过敏反应、阿片中毒以及严重出血的群组。根据一些实施例，所述模型可以是核反应堆的描述，所述条件可以是所述反应堆 中的不稳定条件或临界条件


根据下面给出的详细描述和附图，本发明的示例性实施例将变得更好理解。这些附图仅通过示例的方式给出，因此它们不限制本发明。在附图中相同的附图标记表示相似 的元素，其中图IA和图IB是图示计算机仿真系统的示例性结构的图；图2是图示根据本发明的方法的流程图；图3示出了配置为根据本发明来操作的计算机网络；图4示出了两个用户接口，所述用户接口图示了本发明的方面；图5示出了配置为根据本发明的方面来操作的服务器计算机和客户端计算机的 网络；图6示出了具有嵌入式仿真服务器的多个人体模型和配置为与嵌入式服务器通 信的多个客户端计算机；图7示出了可包括在根据本发明的系统中的多个组件和模块；图8A和图8B示出了两个用户接口，所述用户接口图示本发明的其他方面；以及图9示出了图示计算机仿真系统的示例性结构的图，所述系统具有用于在仿真中 将用户输入转变为模型化条件的模块。
具体实施例方式本发明旨在一种用于提供仿真的方法、系统和计算机程序产品，更具体地涉及一 种用于提供对仿真事件提供提前通知的仿真的方法、系统和计算机程序产品。下面的描述 介绍了这样的方法、系统和计算机程序产品的示例性实施例以及符合本发明原理的各个方 面。应注意，所述示例性实施例是为了提供对本发明的更好理解，不应当解释为对本发明的 限制，本发明的范围通过所附权利要求书来限定。图1以框图示出了符合本发明原理的系统。图IA示出了所述系统可如何包括硬 件层101、操作系统层102、仿真器103、模型104、一组状态变量105、以及用户输入/输出接 口 106。硬件层101表示运行仿真的计算机系统的处理单元、存储器及其他组件。操作系统 层102通过系统中运行的软件来管理对系统资源(硬件层)的访问。根据仿真的类型，为 了保证以允许仿真合理地进展和响应的方式来访问系统资源，操作系统可能需要特定的实 时能力。仿真器103可以是运行实际仿真的软件。所述软件可包括用于访问仿真环境的描 述的必要指令，如模型中所述并取决于所接收的用户输入。模型104是对环境的描述，包括状态变量在相互的影响和用户输入的影响下怎样 改变的所有规则。状态变量105表示模型中的条件，并且在用户输入的影响下，状态变量 105可根据如仿真器所应用的模型的规则而确定性地或随机地改变。状态变量105可被写 入日志文件(未示出)，使得在仿真完成之后可以重放或检查仿真的进展。输入/输出接口 106表示到诸如显示器、声音和触觉输出单元的外部设备以及诸 如键盘、鼠标和操纵杆的输入单元的接口，或者特定于系统上运行的特定仿真的输入控制
ο图IB示出了根据本发明的方面运行的仿真的示例。根据本发明的这个特定实施 例，已经将仿真器103A、10;3B的两个实例载入系统存储器，并且这两个实例并发运行。它们 对模型104A、104B的分立实例进行操作，并且对状态变量105A、105B的分立组进行操作。根据本发明的某些方面，第二仿真器10 可运行与第一仿真器103A相同的仿真，但是在第二 仿真的状态变量105B表示未来一定时段中第一仿真器103A的状态变量105A的预期值的 意义上，时间提前。根据本发明的原理，可将用户向仿真提供的输入作为第一仿真器103A的输入传 递。类似地，可将第一仿真器103A的输出通过第一组输出单元呈现给用户作为仿真的当前 条件，表示用户与之交互的仿真现实。如果用户不与仿真交互，那么可将第二仿真器103B 的输出在分立组的输出装置上呈现给例如指导员，表示仿真中预期的未来情况。还可将称为控制器107的分立软件模块载入系统存储器。为了检测某些条件是否 出现，控制器可监视状态变量105A和105B。根据本发明的一些实施例，控制器107将第一 仿真的状态变量105A的当前值与第二仿真的状态变量105B的对应值进行比较。所述对应 值可以是来自仿真中与第一仿真的当前值对应的时间点的第二仿真的记录值。例如，如果 第二仿真比第一仿真提前10分钟运行，则控制器107可将第一仿真的状态变量105A的当 前值与状态变量105B的10分钟前记录的对应值进行比较。根据本发明的某些方面，仿真器103A、103B以及模型104A、104B可以是相同软件 的实例。因此，如果没有向第一仿真提供用户输入(并且如果仿真包括产生随机数，产生 的相同的数字用于两个仿真)，则仿真的结果将会相同，只是时间上移位。但是，如果用户 向第一仿真提供的输入造成模型104A的状态变量105A改变，则仿真会开始疏偏移(drift apart)。如果控制器107检测到这样的情况，则控制器可改变该仿真的状态变量105B，并指 令第二仿真器105B以更新后的变量启动，并在加速的时间上运行，直到它再次比第一仿真 提前希望的时间量。根据本发明的替选实施例，可以仅载入仿真器103的一个实例和模型104的一个 实例。根据该实施例，假设仿真器包括控制器107的功能。仿真器还必须能够对两组状态 变量105A、105B进行操作。图2以流程示了根据本发明原理运行的仿真可以如何进展的实例。所述方法在启动步骤200开始。在第一步骤201，利用相同模型和用于所有相关状 态变量的相同值来开始第一仿真和第二仿真。在下一步骤202，将表示预测的第二仿真加 速，直到它比第一仿真提前预定时间At，从仿真时间方面来讲。在步骤203将第二仿真中 的相关值或状态呈现为第一仿真中预期的未来值或事件的预测。实际呈现的信息量可以根 据设计标准而变化，其范围可以从仅当检测到某些状态或事件才发出的警报到所有相关值 的连续输出。所述呈现还可以只包括“当前”预测值，即比第一仿真提前At的值，或者可 呈现“未来值的历史”，例如以曲线的形式图示第一仿真中值从时间t到时间t+At的预期 发展。在下一步骤204，将第一仿真中的状态变量的所有相关值与第二仿真中在时间 t-At记录的相同变量的对应值进行比较。换而言之，将对于时间“现在”的实时仿真中的 值与对于时间“现在”的某个时间以前预测的预测仿真进行比较。如果发现第一仿真偏离 预测205，则利用第一仿真的当前值重新初始化第二仿真，并返回到步骤202以加速。只要第一仿真不偏离预测，也就是说预测正确时，并且只要在步骤207未发现仿 真已完成，就继续步骤204的监视。当因为某个原因在步骤207确定仿真已结束时，该过程 终止。
应当理解，虽然图2的示例示出为连续步骤的序列，但是有些步骤可同时执行或 者以不同的顺序执行。例如，将第二仿真——预测——加速时可进行两个仿真中的值的比 较，不一定要等到第二仿真比第一仿真提前Δ t。类似地，当仿真正在运行时，可以例如在显 示器上连续执行值的呈现。为了简化说明，图2中未示出用户与仿真的交互。下面参照图3，在图3所示的本发明的实施例中，仿真器在计算机网络中运行。运 行仿真的计算机将称为服务器计算机，而访问仿真器的附加计算机将称为客户端计算机。 根据该示例性实施例，服务器301正在运行根据本发明的原理进行操作的仿真器。服务器 301连接到网络，这里将网络图示为网络云302。该网络可以是局域网LAN、或广域网(例 如互联网)。在网络302上的通信可基于公知的通信标准和协议，例如Ethernet、TCP/IP、 HTTP等等。三个客户端计算机303可由学员操作，并连接到网络303(例如通过无线链接)。 第四客户端计算机304可由指导员操作。根据本发明的原理，可准许学员客户端计算机访 问在服务器301上运行的实时仿真，但是不能访问在实时仿真之前运行的预测仿真。可准 许第四客户端计算机304访问在服务器301上运行的实时仿真和预测仿真。实时仿真可与 图IB中仿真器103A上运行的仿真对应，而预测仿真可与图IB中仿真器10 上运行的仿 真对应。下面参照图4，两个截屏图示了仿真的示例，可通过运行医疗仿真的计算机系统 (诸如服务器301)的输入/输出接口 106来呈现。根据图4所示的示例性实施例，在仿真服务器301上运行的仿真是对受到某种伤 害的病人的仿真。为了简化说明并有助于理解，该示例只包括有限组的参数或状态变量，以 及输入控制。真实的示例可能更复杂。第一用户接口 401表示呈现给操作客户端计算机303的学员的控制和输出。用 户接口向用户提供包括仿真的三个状态变量的显示，分别表示病人的心率403、心脏收缩压 404、以及心脏舒张压405。三个按钮表示学员可以向病人施行的程序，包括施行CPR 406、 注射肾上腺素407和止血408。用户接口还设置了包括曲线411的图形区域410，曲线411图示了变量403、404、 405中的至少一个的发展。根据图4所示的示例性实施例，学员可利用标签412在图示病人 心率与病人血压的发展的曲线之间改变。在所示示例中，选择心率，并且曲线411示出病人 心率直到当前的时间点的发展，通过曲线411末端的垂直线413来图示。现在，基于学员对病人情况的估计(由状态变量403、404、405来表示)，以及图形 显示410中病人发展情况的图形表示，学员现在可以通过点击按钮406、407、408来应用程 序。仿真器103A将根据接收到的用户输入来改变状态变量，因此状态变量会改变。应当理 解，除了对学员可见的那些状态变量之外，基础模型104A可包括附加的状态变量105A。第二用户接口可表示客户端计算机304上对于指导员的相同接口。根据本发明的 原理，呈现给指导员的用户接口可包括附加信息和输入控制。在附图中，指导员用户接口 402与学员用户接口 401的类似部分相对应的各个部分采用相同的附图标记。附图中所示 指导员用户接口的增加部分包括曲线411B，曲线411B延伸通过表示当前时间点的线413。 线的通过垂直线413向右延伸的部分，表示假设学员不向病人应用任何程序时所示变量的预期发展。所述预期发展或者预测，表示仿真器10 上运行的预测仿真的状态变量105B。指导员用户接口 402包括与学员用户接口 401上设置的相同的用户输入控制406、 407、408。此外，与三个状态变量相关联的三个控制被设置为旋转按钮的形式。第一旋转按 钮414允许指导员直接改变病人的心率。第二旋转按钮415允许指导员改变心脏收缩压， 第三旋转按钮416允许指导员直接改变心脏舒张压。利用这些控制，指导员能直接操纵情 况，而不限于表示普通用户与仿真的交互的控制。这可以允许指导员以希望的方式来产生 (或避免)情况，以促进训练。例如，指导员可以产生病人在短时间内心搏停止的情况，以让 学员面对这样的情况。利用显示为曲线411B的预测仿真，指导员将能够精细地调节变量的 改变，使得在符合训练情况需要和可用时间的时间段内出现希望的情况。根据本发明的某些原理，提供给指导员的用户控制可以以一致的方式同时调节若 干个参数。例如，替代独立地调节心脏收缩压和心脏舒张压，可以将指导员用户接口设置有 用于调节血压的单个控制，可以基于模型的规则以及血压调节的指导员应用所示方向上其 他状态变量的值，由仿真器来计算表示心脏收缩压和心脏舒张压的状态变量的各自调节。 类似地，假设模型104A指示了这样的改变，诸如心脏收缩压415的一个状态变量的调节会 导致心脏舒张压变量的一致改变，即使指导员没有使用对应的控制416。下面更详细地描述指导员通过用户接口控制同时调节若干个状态变量。如上所述，如果用户输入(要么通过学员控制406、407、408，要么通过附加指导员 控制414、415、416)改变了状态变量，使得预测不再与实时仿真对应，则预测仿真会返回当 前时间，并加速仿真直到预测再次比实时仿真提前预定时间运行。下面转到图5，所提供的示例中若干个仿真在各个服务器上运行。继续图4的示 例，服务器501A、501B、501C例如可表示各个病人。服务器501可连接到与图3的网络302 对应的网络502。根据这里所示的示例，每个学员被提供各自的客户端计算机503A、503B、 503C。客户端计算机503连接到服务器501，使得学员可以例如使用图4所示的用户接口 401与各服务器501上运行的仿真交互。还可以提供指导员客户端计算机504。根据本发明的原理，指导员客户端计算机 可连接到网络502，并且能够登录到任一个仿真服务器501。通过这种方式，指导员能够监 视任一个学员的工作，并与任一个正在进行的仿真交互，例如通过使用图4所示的指导员 用户接口 402。根据本发明的一些实施例，指导员客户端计算机还能够同时与若干个服务 器501交互，例如为了在任一个仿真中对所有学员产生相同的情况、设计方案、监视临界条 件等等。根据本发明的原理，在每个服务器上运行的仿真可独立于与客户端计算机的任何 通信。这意味着如果与客户端计算机的所有通信都失败，使得仿真服务器不接收到来自学 员或指导员的任何输入的话，仿真可继续在服务器上运行。在多个服务器表示学员面对时 必须处理的若干不同情况的情况下，以及在各个服务器上运行的各种仿真不管学员或指导 员是否注意到它们都保持发展的情况下，这可以是特别有用的。这样情况的示例可以是将 每个仿真器/服务器嵌入表示多个事故受害者、战场伤员等等的其中之一的人体模型的情 况。在这种场景中，每个受害者的医疗状况可以仿真，并且当学员决定优先级、诊断和治疗 受害者时，每个受害者的医疗状况会发展。下面将更详细地描述这种场景的示例。图6图示了与图5示出的情况相同的情况，但是根据本实施例，将仿真服务器嵌入表示病人的人体玩偶中。根据本示例，除了嵌入的仿真器之外，每个人体模型601A、601B、 601C还可包括仿真心跳、流血等等、以及能够读取CPR、流血伤员的治疗等等形式的用户输 入的触觉控制器。这样的控制器可代替图5的客户端计算机503和图4所示的对应的用户 接口 401。人体模型601还可包括无线通信能力，以与指导员客户端计算机604通信。指导 员客户端计算机604可显示指导员用户接口，诸如图4的402所示的接口。然后，指导员能 够与人体模型中运行的仿真器交互，如上所述。本领域技术人员应当理解，系统中可包括附加的设备以提供例如视频和声音。虽 然附图中未示出，但是为了向指导员提供在每个位置观察活动的能力以及利用视频会议技 术与学员通信的能力，可将这样的设备(例如以麦克风和视频照相机的形式)设置在一些 人体模型或所有人体模型附近。指导员甚至可利用嵌入在人体模型中的语音通信设备与学 员通信。基于指导员对人体模型状态的了解，他或她可以类似于通过假装病人向治疗他的 人员诉说，描述他觉得哪里疼痛等等，来向学员提供信息。此外图6还图示了病人监视器计算机603。病人监视器可对应于图4的用户接 口 401，但是因为来自学员的用户输入可直接提供给人体模型601的输入接口，所以根据本 示例，监视器计算机只提供表示在实际情况中能从病人监视器得到的数据(例如血压和脉 搏)的输出。根据本发明的一些实施例，监视器计算机可向学员提供执行或启动不容易在 人体模型上直接执行的动作或程序的能力。这样动作的示例包括任意多种可用药物、盐溶 液的静脉注射、输血等等。体力动作像CPR、绑扎绷带、戴护颈和氧气罩仍然可以在人体模型 上直接进行。此外还图示了汇报计算机605。汇报计算机可以被配置为记录仿真期间发生的所 有事件，或者通过网络实时记录，或者通过从作为仿真的一部分(包括人体模型601、监视 器客户端计算机603、以及指导员客户端计算机604)的一些其他计算机或所有其他计算机 下载记录的数据。汇报计算机605还可以连接到视频照相机606。通过以一致的方式呈现 记录的数据和记录的视频，汇报计算机605记录的视频可用于加强对场景的评估。图7是在诸如图6所示的系统中可包括的各种组件或模块的图示。人体模型701 可包括人体模型硬件711，人体模型硬件711具有必要的用户输入/输出接口，用户输入/ 输出接口能够通过诸如瞳孔大小、脉搏、出血等等参数来输出关于病人状态的信息，以及以 在人体模型上执行体力动作(例如CPR和绑扎绷带)的形式接收来自学员的输入。人体模 型硬件711还可包括模块上的嵌入系统712。嵌入系统712可以是计算机，上面安装了根据 本发明的仿真器713，在仿真器713上可运行实时仿真和预测仿真。仿真器可包括如上所述 的模型714(并包括必要的状态变量)和记录模块715。记录模块可被配置为将事件存储在 存储器716中，或者包括程序指令来将事件存储在存储器716中。仿真器还可以与内嵌的无线或有线通信能力进行通信，所述通信能力包括在人体 模型中，但是附图中未示出。系统中可包括病人监视器计算机703。病人监视器计算机703 可包括病人监视器模块731，病人监视器模块731被配置为接收来自仿真器713的信息，并 在显示器(未示出)上呈现该信息，或者将它们存储在存储器732中。病人监视器可以仅 被配置为接收和呈现或存储信息，或者替选地还将某些类型的信息传回仿真器713，如上所 述。指导员计算机704可包括指导员应用741，指导员应用741具有指导员的监视器模块742和指导员的输入控制模块743。指导员的监视器模块742可呈现从仿真器713接收 的信息，包括实时信息和预测信息，如上所述。指导员的输入控制模块743可将输入控制呈 现给指导员，输入控制允许指导员通过对病人执行动作或程序，或者通过直接操纵状态变 量，来干预仿真。指导员的监视器742和输入控制743可以在根据参照图4所讨论的原理 的用户接口上呈现给指导员。应当理解，指导员的模块可包括若干个子模块，子模块对不同类型的数据进行操 作，或者显示不同类型的信息，所述信息是实时仿真或预测的一部分。指导员模块还可包括指导员的编辑器745，指导员的编辑器745被配置为向指导 员提供用于产生仿真场景的环境。通过指导员的编辑器产生的仿真场景可以存储在指导员 的计算机704上的存储器746中，仿真场景可以从指导员的计算机704上载到仿真器713， 以启动状态变量，并可以在仿真之前调节模型714。指导员的计算机704还可以包括语音和/或视频会议应用747，语音和/或视频会 议应用747被配置为与嵌入在人体模型701中的系统712中的类似应用717进行通信。这 可以向指导员提供在仿真期间与学员进行通信的能力，实际上无需在相同位置提供。指导 员还可以担任人体模型的角色，如上所述描述他的条件。为了向学员和指导员提供在仿真期间评估学员表现的能力，还可以提供汇报计算 机705。汇报计算机705可连接到一个或多个视频照相机706，汇报计算机705从视频照 相机706接收学员对人体模型执行动作的视频。视频可通过视频记录器模块751来接收， 视频记录器模块751将接收到的视频数据存储在汇报记录存储器752中。汇报计算机还可 包括汇报观察器模块753，汇报观察器模块753被配置为接收和存储从系统中任一个其他 计算机接收的数据，所述计算机包括嵌入系统712、病人监视器计算机703和指导员计算机 704。根据本发明的原理，可以从产生数据的计算机直接接收数据，也可以通过系统的任何 其他部分来转送数据。在图7所示的示例中，将来自人体模型701中的嵌入系统712的事 件日志716的数据和来自病人监视器日志732的数据发送到指导员计算机704，这些数据可 以被记录并转送到汇报计算机705。汇报计算机705可用于以便于评估学员表现的方式向学员和指导员呈现任何记 录的数据或记载的数据的重放。在本发明的一些实施例中，可通过将来自学员的被记录输 入作为输入馈送到新的仿真，来执行重放。这会要求仿真是确定性的，或者仿真中已经使用 的或已经出现的随机数或事件也已经被记录，或者这些数字或事件独立于仿真的通过用户 的动作来确定的部分。下面参照图8A和图8B，图8A和图8B图示了比图4的402更详细的指导员接口示 例。在图8所示的示例中，指导员接口能够以两种模式显示信息，这两种模式可称为图8A 所示的监视模式和图8B所示的指导员模式。根据此示例，没有提供与图4的401对应的学 员接口。作为代替，学员可利用具有内嵌传感器、控制器和致动器(诸如参照图6所描述) 的人体模型与仿真交互。在这两个图中，用户接口相互对应的部分或区域采用相同的附图 标记。先参照图8A，所提供的接口 801呈现仿真的监视视图。根据本示例的接口的第一 区域802呈现通用动作列表。通用动作列表802可用作学员执行的动作的清单。第二区域803呈现仿真控制，还呈现仿真的历史和预测的未来发展。该区域包括某些值的历史和未来发展的图形表示、允许指导员干涉仿真的多个控制、以及在这种情况 下通知指导员在4:57分会出现心搏停止的警报。仿真控制区域803还呈现会话期间学员 执行的动作的记录。最后，提供控制允许指导员暂停仿真、在日志中添加注释、或者结束会 话。在用户接口中央的区域804中提供病人的表示。该区域提供可对病人执行的动作 的菜单的访问，并且可与学员不是在人体模型上工作而是如参照图3、图4和图5所述的在 学员客户端计算机上工作的设置中使用的学员用户接口对应。该动作菜单区域804可由 指导员用于执行学员将要进行的动作。在用户接口的这个特定示例中提供的动作包括戴 护颈、通过IV线导入布洛芬和盐溶液、安装监视设备诸如脉冲血氧计和3头减颤器、戴氧气 罩、CPR和绑扎绷带。在下一个区域805提供指导员的监视器。该监视器表示仿真中各种变量的状态， 可与假设学员为病人安装了脉冲血氧计时在监视器上所看到的对应。气道状态区域806向指导员提供关于涉及病人的呼吸系统的状态和症状的信息， 而病人状态区域807呈现其他症状或能够进行的观察，诸如根据格拉斯哥昏迷等级(GCS) 的意识、脉搏、视觉模拟等级(MS)疼痛分数、痉挛、流血和眼睛的观察。病人的状态可直接 基于仿真模型中状态变量的各种值，并且可能比学员观察到的更准确。表现区域808可呈现学员在执行各种动作时的表现，这里示例为与CPR期间的通 风和压缩有关的措施。最后，技术状态区域809可呈现与仿真器计算机系统有关的技术细节，包括电池 中的剩余电力、无线(W-LAN)连接的质量、用于表示流血的装液体的箱子中的剩余流体、以 及用于音频和视频通信以及记录的通信信道。图8B表示图8A中所呈现的用户接口的替代性模式。下面只描述两种模式之间的 不同。动作区域802现在改变为呈现可用动作的分等级列表。该列表可用于系统地激发 和记录动作。仿真控制区域803仍然呈现根据本发明原理的历史和预测的图形示意图。图8A 的监视模式中呈现的一些控制已经被其他更详细的控制、以及固定趋势、增加趋势和增加 管理者的可能性所代替。根据本发明的一个方面，使用固定趋势控制的指导员将能够锁定 病理情况，意思是不允许进一步发展，即使模型需要这个(例如，暂时用给定的出血速度来 运行仿真，但是不减少血量)。根据本发明的另一个方面，学员接口或指导员接口的任一控 制都可以被移除，或作为指导员的使用指导员接口的增加管理者控制的手动输入的结果被 使得可用。基于模型中的当前条件，也可以增加或移除管理者。指导员的监视器区域805向指导员呈现的信息与监视模式中的相同，但是增加了 附加控制，允许指导员直接影响病人的状态。气道状态区域806和病人状态区域807已经被眼睛区域810和病人控制区域811 所代替。眼睛区域允许指导员改变眼睛的外观，包括瞳孔的大小、眼睛睁开多大、眨眼速度、 以及瞳孔对光线的反应。病人控制区域811允许指导员调节附加状态变量或病人的条件， 包括气道/呼吸、循环和流体、以及病人发出的声音。在本示例中，更详细地示出用于操纵 病人的循环和流体的不同控制，包括身体不同部分的脉搏、痉挛、分泌、流血速度等等。
图8A和图8B中所示的不同值可以表示从仿真服务器接收的值，或者作为实时仿 真的一部分、或者作为预测仿真的一部分，如上所述。指导员可用的各种控制允许指导员通 过改变仿真的状态变量的某些值，与仿真交互。如上参照图4所述，一些控制能给予指导员 对模型的特定变量，例如病人的心率的直接访问。但是，根据描述模型的规则，不同的变量 可以以使得不便直接改变一个变量的方式相互影响，甚至导致不能预测的行为。根据本发明的某些方面，指导员可访问的控制可以因此调用在作为指导员应用的 一部分的客户端运行、或者在作为仿真器服务器中的仿真器一部分运行的某些程序。这些 程序可以接收表示所希望的病人条件的值作为它们的输入，而不是对模型的状态变量的必 要改变。例如，在休克的情况下，指导员可能需要控制血容量减少的程度。血容量减少可以 不是模型中的状态变量。作为代替，软件程序可包括必要的指令，用于计算例如对血压、呼 吸速度、皮肤温度、脉搏速度的必要改变，并将这些改变应用于状态变量。本领域技术人员应当理解，呈现允许指导员对模型状态执行高水平的调节的用户 接口可与呈现如上所述的仿真预测相结合，允许指导员在仿真正在进行时精细地调节仿 真，同时指导员经常被呈现所作改变的预期结果。但是，即使在不向指导员呈现预测仿真的 情况下，通过基于模型本身向这些变量一致地施加改变的程序以及对模型状态的希望的高 水平调节，对若干变量的组合访问也找到了有效的应用。下面参照图9，图9以框示了根据本发明的某些方面怎样实现与模型的高水 平交互。模型被图示为第一层901。为了简化描述，模型层901可视作包括图1所示的仿真 器、模型和状态变量，但是操作系统和硬件层未示出。为了与仿真交互，提供标准输入输出层902。该层提供在模型层901中运行的仿真 与学员用户接口 903之间的通信。学员用户接口 903可表示仿真期间用户访问的所有普通 控制，并且可包括在屏幕上显示的图形用户接口以及用户输入装置(包括键盘、鼠标、操纵 杆)和与仿真相关的其他用户控制。除了标准输入输出层902之外，还可以提供第二输入 输出层904。继续与医疗有关的示例，该输入输出层可称为病理层904。病理层904提供仿 真模型901与指导员用户接口 905之间的通信。指导员用户接口还可以从标准输入输出层 902接收数据，以及将用户输入提供给标准输入输出层902。通过图4所示的用户接口，学员用户接口 903可与第一用户接口 401对应，而指导 员用户接口 905可与第二用户接口 402对应。然后，控制411、415和416可表示通过病理 层904与模型交互的控制。但是，并非简单地允许指导员直接访问学员不能直接访问的状态变量，病理层904 本身可包括特定病理情况或病理学的一个或多个模型(术语“病理的”用于描述这里提供 的医疗示例，但是例如在核反应堆的仿真中，该层将不包括病理学模型，而是例如包括某个 种类的临界场景)。根据第一示例，通过可由指导员以这种方式操纵的病理学是血容量减少。血容量 减少是身体中血容量减少的状态，对于实际的病人不能直接测量。为了诊断血容量减少，必 须评估其他症状，诸如血压、脉搏压力、心率、呼吸速度、毛细血管再充满以及意识水平。典 型地，仿真器不提供血容量的直接读数，因此学员不可能直接调节血容量。但是，根据本发 明的原理，模型与用户接口之间的病理层可提供指导员用户接口中的用户控制与表示病理 学的中止的变量或多个变量之间的连接。
根据本示例，可向指导员提供允许他将血容量减少调节在例如0%与100%之间 的控制，100%表示血容量减少的总量(也就是血流中流体的减少)。用于血容量减少的病 理层可将此转变为对表示血浆和血液的其他成分的状态变量的适当调节。根据本发明的原 理，该模型然后可对这些变化产生反应，并且假设该模型足够准确，就会导致其他变量(诸 如心率、血压等等)的适当状态变化。这意味着基于通过病理层引入的变化，模型本身处理 血压、脉搏压力、心率、呼吸速度、总的外部电阻、意识水平和最终死亡中的变化。再一次，这 可作为症状而对学员可用，所述症状可被呈现为显示器上的值，或者在人体模型上产生的 症状，如上所述。基于对症状的评估，学员能够成功地处理病理学，例如通过提供适当的矫正、外科 手术和/或输血。这样的过程将改变模型的相关变量，模型的相关变量再次反映在指导员 用户接口的用户控制的变化中。继续血容量减少的示例，如果学员在仿真中执行容量恢复， 例如通过向病人注液(例如血浆或盐溶液)，则作为输液的结果，表示血浆数量的变量的值 (例如相对于正常)将回复正常，并且病人的状况会改善。然后病理层会将血容量减少输入 控制的值调节回到0%。这也意味着指导员在仿真期间能够增加血容量减少的数量，以使得 对于学员来说更加困难。因此，本发明提供的结果是，指导员、或者学员必须面对的场景的设计者不必调节 表示症状的变量，调节表示症状的变量是困难的，并且还会导致不能充分反应学员选择的 模型中的一组状况或状态。作为代替，指导员改变作为病理学的生理原因的变量，并且模型 提供适当的症状，如同通过模型中输出变量的值来表示的。因此模型将能够正确地响应学 员执行的过程，即使学员做出了错误的决定。例如，如果学员应选择用肾上腺素治疗血容量 减少，则模型可以正确地仿真心动过速(高心率)，但是因为周围泵取的血液很少，所以血 压不会升高很多。本发明提供的灵活性和交互不限于诸如血容量减少的相对简单的病理学。根据第 二示例，向指导员提供的输入控制可表示过敏性反应，其是控制心脏收缩性(收缩能力)、 总的外部电阻、气道并发症和心率的病理学模型。用户接口可给予指导员调节表示不呈现 和完全呈现这两个极端之间的过敏性反应的能力。然后，用于过敏性反应的病理层可以将 此转变为表示心脏收缩性、总的外部电阻、气道并发症和心率的变量中的相对变化。根据本发明的原理，对每个变量的改变相对于正常值或相对于当前值可以是绝对 的。它们可以相互之间线性无关，与模型的其他变量也线性无关，或者，它们可以取决于相 互之间或模型的其他变量中的一个或多个变量。例如，病理层可包括这样的功能取输入控 制的值、模型的状态变量的当前值中的无、一个或若干个作为输入；向模型的一个或若干个 状态变量提供变化作为其输出。如参照前面的示例所述，该功能在病理学中涉及的状态变 量的变化可反映在输入控制的变化中的方面来说是可逆的。在这一点，当从模型中多个变 量来计算时，输入控制也可以表示模型中状态的高水平输出。可在病理层中实现的病理学的其他示例包括阿片中毒和严重出血。再参照图8A 所示的仿真控制区域803，其中示出表示这种病理学的两个高水平控制，即阿片中毒和严重 出血(或“出血速度”)。当然，在本发明的范围内可预期大范围的附加病理学。根据本发明的原理，当与一个或多个学员建立和进行仿真会话时，通过结合上述 仿真预测来使用的病理层提供给指导员的高水平用户输入向指导员提供增加的灵活性和控制。因为病理学以及仿真预测的调节都直接取决于仿真本身，指导员会看见他对病理学 所做的任何调节的预测结果，就像他会看见学员执行的过程和动作的预期结果。此外，即使 没有通过病理层进行调节，也会提供预测，类似地，可以不参考预测结果来进行病理学的调 节，两者的动态交互向指导员提供交互和动态地改变训练情况的自由，训练情况甚至涉及 在若干个装置上运行单独的仿真的若干个学员，若干个装置甚至可以分布在整个训练区域 中。本领域技术人员应当理解，在医疗仿真的背景中描述的病理层也可用于其它仿 真。例如，高水平输入层可用于描述核反应堆的临界情况下基本变量之间的关系。然后指 导员可对危险程度或芯熔毁使用高水平输入控制，不必调节和精细调节多个参数。类似地，这样的指导员输入可用于飞行仿真器，以启动受损飞机中的临界条件，或 者甚至例如通过风、降水、温度等等产生一组限定的极端条件。
权利要求
1.一种用于提供计算机仿真的方法，所述计算机仿真提供预期事件或状态的提前通 知，所述方法包括运行第一计算机仿真；运行与所述第一仿真对应的第二计算机仿真，所述第二仿真比所述第一仿真进一步进 展；以及使用所述第二计算机仿真来提供表示所述第一仿真中预期的未来事件的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中 所述第一仿真是模型上场景的实时仿真；所述第二仿真是比实时提前运行的所述模型上所述场景的仿真，所述第二仿真与所述 第一仿真共享状态历史，直到所述第二仿真中的与所述第一仿真中的当前时间点对应的时 间点；所述方法进一步包括产生所述第一仿真中当前状态的第一表示，作为所述仿真中当前状态的呈现；以及 产生所述第二仿真中一个或多个状态的第二表示，作为所述第一仿真中一个或多个预 测的未来情况的表示。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括当检测到所述第一仿真中当前时间点的当前状态与所述第二仿真中对应时间点的对 应状态不同时，返回到所述第二仿真的所述对应时间点，并执行所述第二仿真的进展的加 速计算，直到所述第二仿真再次比所述第一仿真提前运行。
4.如权利要求2所述的方法，进一步包括 在第一输出装置上呈现所述第一表示；以及 在第二输出装置上呈现所述第二表示。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一仿真中的所述状态与所述第二仿真中对 应状态不同是由于通过用户接口接收的用户输入的接收结果导致的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述用户输入是作为学员使用第一用户接口操纵 所述仿真的结果接收的。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述用户输入表示管理者使用第二用户接口对仿 真的操纵。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括 生成仿真期间发生的事件的日志；以及在完成仿真之后重放所述事件的日志，作为对学员的评估的一部分。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述生成步骤包括生成作为所述第一仿真的一部分发生的事件的日志，和生成作为所 述第二仿真的一部分发生的事件的日志；以及所述重放步骤包括将作为所述第一仿真的一部分发生的所述事件与作为所述第二仿 真的一部分发生的事件进行比较。
10.如权利要求7所述的方法，进一步包括根据所述模型中包含的规则，将表示管理 者对仿真的操纵的所述用户输入转变为与对仿真中的条件的描述一致的所述第一计算机 仿真中一个或多个状态变量的值。
11.一种用于提供计算机仿真的计算机系统，所述计算机仿真提供预期事件或状态的提前通知，所述计算机系统包括第一计算机仿真器，所述第一计算机仿真器被配置为运行第一仿真； 第二计算机仿真器，所述第二计算机仿真器被配置为运行与所述第一仿真对应的第二 仿真，但是所述第二仿真比所述第一仿真进一步进展；第一数据输出装置，所述第一数据输出装置传递来自所述第一计算机仿真器的输出；以及第二数据输出装置，所述第二数据输出装置传递来自所述第二计算机仿真器的输出， 作为表示所述第一仿真中预期的未来事件的信息。
12.如权利要求11所述的计算机系统，其中 所述第一仿真是模型上场景的实时仿真；所述第二仿真是比实时提前运行的所述模型上所述场景的仿真，所述第二仿真与所述 第一仿真共享状态历史，直到所述第二仿真中的与所述第一仿真中的当前时间点对应的时 间点；所述第一数据输出装置被配置为作为所述仿真中当前情况的呈现来传递表示所述第 一仿真中当前状态的数据；以及所述第二数据输出装置被配置为作为所述仿真中一个或多个预测的未来情况的呈现 来传递表示所述第二仿真中一个或多个状态的数据。
13.如权利要求12所述的计算机系统，进一步包括控制器，所述控制器被配置为监视和比较所述第一仿真与所述第二仿真的值，并且当 检测到所述第一仿真中的当前时间点的当前状态与所述第二仿真中对应时间点的对应状 态不同时，向所述第二仿真器发出命令，使得所述第二仿真器以所述第一仿真中对应的当 前状态来将一个或多个状态重新初始化，从而将所述第二仿真返回到所述对应时间点，并 执行所述第二仿真的进展的加速计算，直到所述第二仿真再次比所述第一仿真提前运行。
14.如权利要求13所述的计算机系统，进一步包括用户接口，所述用户接口被配置为 接收允许用户操纵所述第一仿真中的状态的用户输入。
15.如权利要求14所述的计算机系统，其中，所述用户接口包括允许学员操纵所述仿 真的第一用户接口。
16.如权利要求14所述的计算机系统，其中，所述用户接口包括允许管理者操纵所述 仿真的第二用户接口。
17.如权利要求11所述的计算机系统，进一步包括存储器装置，所述存储器装置被配置为存储仿真期间发生的事件的日志；以及 汇报模块，所述汇报模块被配置为在完成仿真之后重放所述事件的日志，作为对学员 的评估的一部分。
18.如权利要求17所述的计算机系统，其中所述存储器装置被配置为存储作为所述第一仿真的一部分而发生的事件的日志以及 作为所述第二仿真的一部分而发生的事件的日志；以及所述汇报模块被配置为呈现作为所述第一仿真的一部分而发生的所述事件与作为所 述第二仿真的一部分而发生的事件的比较。
19.如权利要求16所述的计算机系统，进一步包括模块，所述模块被配置为根据模型中包含的规则，将从所述第二用户接口接收的数据转变为与对仿真中的条件的描述一致的 所述第一计算机仿真中一个或多个状态变量的值。
20.一种用于控制计算机仿真的方法，包括；基于仿真系统的模型运行第一计算机仿真，所述模型具有多个状态变量；接收来自第一用户输入接口的输入数据，所述输入表示用户与所述第一计算机仿真的 交互，以通过和与所述仿真系统的交互相一致的方式改变一个或多个所述状态变量的值；接收来自第二用户输入接口的输入数据，所述输入允许用户调节所述仿真中条件应当 处在的程度；以及根据模型中包含的规则，将来自所述第二用户输入接口的所述输入转变为与对所述条 件的描述一致的所述第一计算机仿真中一个或多个状态变量的值。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一用户输入接口是学员用户接口，并且所 述第二用户输入接口是管理者用户接口。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述条件是通过从所述第一用户输入接口接收 的数据至少能部分地克服或抵消的不希望的条件。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述一个或多个状态变量是所述仿真的主要部 分，并通过所述模型中包含的规则与其他状态变量动态地交互。
24.如权利要求20所述的方法，进一步包括将所述第一计算机仿真中一个或多个状态 变量的值转变为在所述仿真中条件处在的程度的表示。
25.如权利要求20所述的方法，其中，所述模型是人体生理学的描述，所述条件是病理 状态。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述病理状态选自包括血容量减少、过敏反应、 阿片中毒以及严重出血的群组。
27.如权利要求20所述的方法，其中，所述模型是核反应堆的描述，所述条件是所述反 应堆中的不稳定条件或临界条件。
28.如权利要求20所述的方法，其中，所述模型是飞行仿真器，所述条件是飞机故障或 恶劣天气条件。
29.如权利要求20所述的方法，进一步包括运行与所述第一仿真对应的第二计算机仿真，所述第二仿真比所述第一仿真进一步进 展；以及使用所述第二计算机仿真来提供表示所述第一仿真中预期的未来事件的信息。
30.如权利要求四所述的方法，在与所述第二用户输入接口相关联的显示上提供表示 所述第一仿真中预期的未来事件的信息。
31.一种计算机仿真器，包括第一计算机仿真器，被配置为基于仿真系统的模型运行第一仿真，所述模型具有多个 状态变量；第一用户接口，用于接收输入数据，所述输入数据表示用户与所述第一计算机仿真的 交互，以通过和与所述仿真系统的交互相一致的方式改变一个或多个所述状态变量的值；第二用户输入接口，用于接收输入数据，所述输入数据表示所述仿真中条件应当处在 的程度；以及模块，被配置为根据模型中包含的规则，将来自所述第二用户输入接口的所述输入转 变为与对所述条件的描述一致的所述第一计算机仿真中一个或多个状态变量的值。
32.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述第一用户输入接口是学员用户接口， 并且所述第二用户输入接口是管理者用户接口。
33.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述条件是通过从所述第一用户输入接 口接收的数据至少能部分地克服或抵消的不希望条件。
34.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述一个或多个状态变量是所述仿真的 主要部分，并通过所述模型中包含的规则与其他状态变量动态地交互。
35.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述模块进一步被配置为将所述第一计 算机仿真中一个或多个状态变量的值转变为在所述仿真中条件处在的程度的表示。
36.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述模型是人体生理学的描述，所述条件 是病理状态。
37.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述病理状态选自包括血容量减少、过敏 反应、阿片中毒以及严重出血的群组。
38.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述模型是核反应堆的描述，所述条件是 所述反应堆中的不稳定条件或临界条件。
39.如权利要求31所述的计算机系统，其中，所述模型是飞行仿真器，所述条件是飞机 故障或恶劣天气条件。
40.如权利要求31所述的计算机系统，进一步包括第二计算机仿真器，所述第二仿真器被配置为运行与所述第一仿真对应的第二仿真， 所述第二仿真比所述第一仿真进一步进展；第一数据输出装置，用于传递来自所述第一计算机仿真器的输出；以及 第二数据输出装置，用于传递来自所述第二计算机仿真器的输出作为表示所述第一仿 真中预期的未来事件的信息。
41.如权利要求40所述的计算机系统，其中，所述第二数据输出装置与所述第二用户 输入接口相关联。
42.一种计算机可读介质，在其上保含用于执行权利要求1的方法的计算机可执行指令。
43.一种计算机可读介质，在其上包含用于执行权利要求11的方法的计算机可执行指令。
全文摘要
一种用于提供计算机仿真的方法、计算机系统和计算机程序产品，其提供对预期事件或状态的提前通知，包括运行第一计算机仿真；运行与所述第一仿真对应的第二计算机仿真，所述第二仿真比所述第一仿真进一步进展；以及使用所述第二计算机仿真来提供表示所述第一仿真中预期的未来事件的信息。第一计算机仿真可基于仿真系统的模型，所述模型具有多个状态变量。来自第一用户输入接口的输入数据可表示用户与所述第一计算机仿真的交互，而来自第二用户输入接口的输入数据可表示所述仿真中条件应当处在的程度。根据模型中实现的规则，将来自第二用户输入接口的输入转变为与对所述条件的描述一致的所述第一计算机仿真中一个或多个状态变量的值。对预期的未来事件的表示允许对模型中的条件的交互式精细调节。
文档编号G06N7/06GK102132294SQ200980106892
公开日2011年7月20日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年1月11日
发明者尼古拉·克里斯坦森, 波·贝尔哈格 申请人:拉尔多医疗公司