陳誨 林燕 陳敏

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基于VR技術(shù)的電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)*

陳誨 林燕 陳敏

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院）

為提高電梯檢驗人員的培訓(xùn)效率，突破傳統(tǒng)電梯檢驗培訓(xùn)模式的局限，提出一種基于VR技術(shù)的電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。利用Unity 3D和HTC VIVE，結(jié)合電梯檢驗內(nèi)容制定培訓(xùn)課程，搭建基于VR的檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)多梯種多場景應(yīng)用、結(jié)構(gòu)空間透視、隨機設(shè)置故障點和錯誤操作零風(fēng)險等功能。經(jīng)實際應(yīng)用測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作過程與實際接近，得到預(yù)期的效果，可推廣應(yīng)用于檢驗人員培訓(xùn)。

電梯；檢驗；虛擬現(xiàn)實；培訓(xùn)

0　引言

電梯作為一種垂直交通工具，在人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦衅鸬椒浅Ｖ匾淖饔?。截?018年底，我國在用電梯數(shù)量近628萬臺，并仍以每年10%左右的速度增長。我國電梯保有量、年增長量均為世界第一[1]。近年來，隨著科技的發(fā)展，電梯相關(guān)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，然而電梯安全事故依然頻發(fā)，電梯安全問題越來越受社會的關(guān)注和監(jiān)管部門的重視。在眾多電梯事故中，不足30%的事故是由于電梯本身質(zhì)量問題引起，超過70%的事故是由于安裝、維保及使用人員操作不當(dāng)引起[2]。電梯安裝維保人員的技術(shù)水平不足以及責(zé)任心缺失是導(dǎo)致電梯出現(xiàn)安全隱患的重要因素。因此，保障電梯設(shè)備安裝質(zhì)量和定期檢查尤為重要，這對電梯檢驗人員的技術(shù)水平提出了更高的要求。高效率、高質(zhì)量地培訓(xùn)電梯檢驗人員是重中之重。

目前，我國電梯檢驗人員持證人數(shù)超過3萬人，電梯設(shè)備數(shù)量每年約以10%的速度增長，相應(yīng)的電梯檢驗人員年增量約有3000人[3]。新增電梯檢驗人員需要通過相應(yīng)的行業(yè)培訓(xùn)和考核取得執(zhí)業(yè)資格。由于電梯理論知識涉及面廣、知識點多，學(xué)員短期內(nèi)學(xué)習(xí)理解難度較大，并且培訓(xùn)和考核主要集中在理論知識方面，缺乏現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗。在通過考核獲取職業(yè)資格后還需經(jīng)過一段時間的現(xiàn)場實習(xí)，獲取足夠的現(xiàn)場操作經(jīng)驗，才能勝任電梯檢驗工作。由此可見傳統(tǒng)電梯檢驗培訓(xùn)和考核存在一定的局限性。為此，本文提出一種基于VR技術(shù)的電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

1　VR技術(shù)在特種設(shè)備中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（virtual reality, VR）技術(shù)是一種基于計算機、圖形圖像處理、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及人機工程的綜合技術(shù)。在工業(yè)工程、建筑學(xué)、數(shù)字成像和模擬操作等領(lǐng)域應(yīng)用前景的刺激下，該技術(shù)迅速發(fā)展，并為各領(lǐng)域的技術(shù)訓(xùn)練提供一種新穎的培訓(xùn)方式[4]?；赩R技術(shù)的研究已廣泛應(yīng)用于航空航天駕駛、虛擬制造加工和虛擬訓(xùn)練等領(lǐng)域。在特種設(shè)備領(lǐng)域，基于VR技術(shù)的應(yīng)用研究也取得了不少成果。

重慶大學(xué)的吁鳴等人以塔式起重機安裝與拆卸技術(shù)規(guī)程為參考，利用VR平臺Quest3D開發(fā)出塔式起重機操作及裝拆系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效地對塔機操作和裝拆人員進(jìn)行培訓(xùn)[5]。山東建筑大學(xué)的宋開功等人利用VR工具Virtools構(gòu)建全三維場景的塔式起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，培訓(xùn)者如同置身于實際場景中，可按真實設(shè)備的操作過程進(jìn)行各項模擬操作[6]。浙江工業(yè)大學(xué)的胡榮保等人運用VR技術(shù)研制了橋式起重機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)可顯示駕駛員在操作橋式起重機過程中看到的情況，實現(xiàn)與操作者實時交互[7]。電子科技大學(xué)的夏華錦等人開發(fā)了基于Virtools的叉車模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制接口可與普通的游戲控制設(shè)備相連接，營造出沉浸式的駕駛效果[8]。武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所的徐桂芳等人針對起重機示教的實際要求，開發(fā)虛擬起重機示范教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)場景模型的優(yōu)化、漫游和交互特性，在高校和特種技術(shù)企業(yè)進(jìn)行了示教實踐[9]。廣東工業(yè)大學(xué)的胡兆勇等人研究虛擬電梯的PLC控制，建立了四層虛擬電梯模型。該模型可通過虛擬PLC仿真系統(tǒng)，對虛擬電梯進(jìn)行控制仿真[10]。華東理工大學(xué)的王天威等人利用VR技術(shù)，運用Virtoo1s軟件建立適用于操作考核的觀光電梯模型以及適用于零件識別考核的框架電梯模型，并建立了完善的考核系統(tǒng)和分?jǐn)?shù)管理系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了電梯技術(shù)考核的虛擬化[11]。東北大學(xué)的王雨婷等人利用Unity 3D技術(shù)設(shè)計電梯安裝仿真互動系統(tǒng)，實現(xiàn)了電梯虛擬安裝教學(xué)的全過程，電梯安裝學(xué)員可利用該系統(tǒng)進(jìn)行電梯安裝的仿真模擬。

在電梯檢驗培訓(xùn)方面，利用VR技術(shù)的研究應(yīng)用較少。

2　電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計的總體思路是在建立電梯成套設(shè)備虛擬模型的基礎(chǔ)上，通過軟件系統(tǒng)模擬虛擬電梯的結(jié)構(gòu)、邏輯行為以及檢驗環(huán)境，使學(xué)員在與虛擬電梯交互的過程中學(xué)習(xí)電梯檢驗的方法和流程。電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件平臺組成。

2.1 　系統(tǒng)硬件搭建

電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括高性能計算機、顯示器、VR設(shè)備以及音頻等附屬設(shè)備。硬件設(shè)備的選用原則是能夠創(chuàng)建一個沉浸式體驗環(huán)境，同時保證操作人員在使用過程中舒適、流暢、精確地完成所有步驟。這需要硬件設(shè)備在空間定位、圖像顯示和交互手段等方面具備較高的水平。目前VR硬件設(shè)備主要有HTC VIVE、OCULUS RIFT、PS VR以及GEAR VR等。其中，HTC VIVE與主流VR開發(fā)軟件接口結(jié)合較為便利，因此電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)選擇了HTC VIVE設(shè)備。

HTC VIVE VR套件包括1個頭顯裝置、2個操控手柄和2個定位裝置，如圖1所示。定位裝置可在空間內(nèi)同時追蹤顯示器與控制器，其內(nèi)置陀螺儀、加速度計和激光定位傳感器，追蹤精度達(dá)0.1°，無需借助攝像頭，僅靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置。HTC VIVE設(shè)備允許用戶在一定范圍內(nèi)走動，滿足虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)需要學(xué)員在一定范圍內(nèi)活動的要求。HTC VIVE技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 　HTC VIVE VR套件

表1 　HTC VIVE技術(shù)參數(shù)

2.2 　系統(tǒng)課程內(nèi)容制定

電梯種類繁多，不同電梯有不同的檢驗項目和檢驗方法。為使電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)課程的覆蓋面廣泛，按照電梯檢驗規(guī)則名錄設(shè)定了多個梯種、多種型號和多種性能參數(shù)的電梯教學(xué)模型。

有機房高速客梯的培訓(xùn)課程內(nèi)容框架如圖2所示。課程內(nèi)容集學(xué)、練、考為一體。

學(xué)是指體驗式學(xué)習(xí)。學(xué)員可完成電梯結(jié)構(gòu)原理部分的觀察體驗，同時以第一視角的狀態(tài)完成電梯檢驗操作過程的學(xué)習(xí)。該虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)不能完全替代理論知識的學(xué)習(xí)，但可作為理論知識的有效補充和輔助，幫助學(xué)員更快、更好地理解復(fù)雜的理論知識。

圖2 　電梯檢驗虛擬培訓(xùn)課程內(nèi)容框架

練是指操作練習(xí)。學(xué)員能夠使用各種虛擬儀器和工具檢驗虛擬電梯設(shè)備。在操作練習(xí)過程中，可以隨時調(diào)取幫助信息，指引下一步操作內(nèi)容，方便學(xué)員自行學(xué)習(xí)，減少教師資源成本。

考是指電梯檢驗操作的考核測試。系統(tǒng)支持隨機出題或手動指定考點的功能。在考試過程中，系統(tǒng)記錄學(xué)員的操作步驟和時間，還可以辨別學(xué)員動作的規(guī)范性，最后自動完成評分。

2.3　軟件平臺開發(fā)

軟件開發(fā)平臺選用Unity 3D，其在創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化和實時三維動畫等方面具有強大優(yōu)勢，是一個功能強大的專業(yè)引擎。軟件平臺需集成電梯成套虛擬模型、電梯檢驗場景以及聲音模型，使學(xué)員在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)完整的交互過程。因此，關(guān)鍵技術(shù)包括虛擬設(shè)備邏輯行為和狀態(tài)的模擬、檢驗方式、方法知識庫的構(gòu)建。軟件平臺按層來組織各個功能模塊和數(shù)據(jù)內(nèi)容，分為數(shù)據(jù)層、推理層、功能層、顯示層和界面層，如圖3所示。

圖3　 電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)依照相關(guān)電梯監(jiān)督檢驗規(guī)程的要求，結(jié)合檢驗經(jīng)驗，構(gòu)建監(jiān)督檢驗知識庫。軟件平臺基于該知識庫，按照教學(xué)大綱進(jìn)行課堂教學(xué)，包含視頻教學(xué)、練習(xí)培訓(xùn)和考核測試等部分，任一部分內(nèi)容都能方便調(diào)取。理論知識采用動畫、聲音、圖像和字等豐富直觀的方式表現(xiàn)出來，易于理解。

3　系統(tǒng)特色功能

電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)建成后，經(jīng)眾多專業(yè)人士體驗操作，得到廣泛認(rèn)同。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式具有以下4大特色。

3.1 　多梯種、多場景應(yīng)用

系統(tǒng)集成了多個梯種、多種型號和多種性能參數(shù)的電梯教學(xué)模型，包括有機房高速客梯、無機房中速觀光梯、公共交通型自動扶梯、間接頂升式液壓電梯和雜物電梯等。每個梯種按照結(jié)構(gòu)特點又分為機房通道、電梯機房、轎廂內(nèi)部、轎廂頂部（井道）和底坑等多個檢驗場景。相比傳統(tǒng)的電梯檢驗實操培訓(xùn)，該系統(tǒng)不需要多個場地和多臺設(shè)備進(jìn)行培訓(xùn)，較大節(jié)約了培訓(xùn)的硬件成本與場地面積。

學(xué)員使用系統(tǒng)進(jìn)行有機房電梯底坑檢驗場景虛擬操作實景如圖4所示。

圖4　 電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)人機操作實景

3.2　結(jié)構(gòu)空間透視

為使學(xué)員更好地理解電梯部件總成的組成結(jié)構(gòu)與工作特點，在電梯建模過程中對重要且復(fù)雜零部件的內(nèi)部組件一一建模，從而實現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)的空間透視功能。在電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)模式下，學(xué)員可將相對復(fù)雜的零部件打散成分解狀態(tài)，在空間范圍內(nèi)感受零部件的結(jié)構(gòu)與組裝方式。

交流異步曳引機結(jié)構(gòu)空間視圖如圖5所示，可使學(xué)員了解曳引機的內(nèi)部組成和每個零部件的空間位置，甚至還可以抓取任意的零部件，全方位地觀看零部件細(xì)節(jié)。

圖5 　交流異步曳引機結(jié)構(gòu)空間視圖

3.3　 隨機設(shè)置故障點

在實際的電梯檢驗過程中，被檢電梯可能存在各種故障或不合格處。常見不合格處有：機房通道不暢、機房警示標(biāo)識缺失、緊急救援裝置設(shè)置不合理和危險部件警示色不正確等。檢驗人員能否準(zhǔn)確識別這些不合格處是驗證檢驗水平和能力的關(guān)鍵。對學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)考核時，在真實的設(shè)備環(huán)境中找一些有故障的設(shè)備或人為地設(shè)置設(shè)備故障比較麻煩。電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)可以將指定的部分模型設(shè)置為隨機出現(xiàn)或者隨機變更顏色，也可以將一些儀器儀表的測試讀數(shù)在一定范圍內(nèi)隨機變更，以此來考核學(xué)員對檢驗標(biāo)準(zhǔn)的熟悉程度和對檢驗現(xiàn)場細(xì)節(jié)的洞察能力。在考核模塊下，機房通道中隨機出現(xiàn)障礙物的場景如圖6所示。

圖6　 機房通道故障點設(shè)置示范

3.4 　錯誤操作零風(fēng)險

電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)可讓學(xué)員體驗錯誤操作帶來的后果。模擬困梯救援任務(wù)操作失敗的場景如圖7所示。

圖7　 模擬困梯救援任務(wù)操作失敗的場景

學(xué)員在完成電梯困人救援操作任務(wù)中，如果出現(xiàn)未按要求安撫乘客或者盤車求援前未確認(rèn)電梯門的關(guān)閉狀態(tài)等錯誤操作，系統(tǒng)會判定乘客可能因為恐慌而冒失自救導(dǎo)致受傷，出現(xiàn)救援失敗的畫面。

在現(xiàn)實操作中，錯誤操作可能導(dǎo)致人身傷害或者設(shè)備損毀。在傳統(tǒng)培訓(xùn)過程中，只能通過讓學(xué)員觀看錯誤操作帶來后果的動畫效果實現(xiàn)警示作用。電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)可讓學(xué)員體驗錯誤操作并帶來嚴(yán)重后果的培訓(xùn)功能，給學(xué)員帶來震撼的學(xué)習(xí)效果。

4　結(jié)語

基于VR技術(shù)的電梯檢驗虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)為電梯檢驗培訓(xùn)打造了新模式，今后將為電梯檢驗技術(shù)的快速發(fā)展和傳承發(fā)揮更大作用。此外，VR培訓(xùn)模式也可拓展于其他危險環(huán)境下設(shè)備檢驗教學(xué)場合。

[1] 國家市場監(jiān)督管理總局.國家市場監(jiān)督管理總局關(guān)于2018年全國特種設(shè)備安全狀況情況的通報[EB/OL]. http://samr.saic.gov.cn/tzsbj/gzdt/201904/t20190404_292592.html, 2018-4-2.

[2] 荊凱.淺析電梯事故發(fā)生的原因及預(yù)防救援措施[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015,34(29):94-95.

[3] 陳定方,羅亞波.虛擬設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4] 吁鳴.塔式起重機操作及裝拆虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

[5] 宋開功.基于Virtools塔式起重機虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究[D].濟南:山東建筑大學(xué),2010.

[6] 胡榮保.基于Virtools的橋式起重機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[7] 夏華錦.基于Virtools的叉車模擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2011.

[8] 徐桂芳,董浩明,魏國前,等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的起重機虛擬實驗示教系統(tǒng)的開發(fā)[J].裝備制造技術(shù),2014(12):22-25.

[9] 胡兆勇,何漢武,羅海峰.基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統(tǒng)設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2010(4):87-89.

[10] 王天威.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)及其應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2011.

[11] 王雨婷.基于Unity3D的電梯安裝仿真互動系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽:東北大學(xué),2014.

Virtual Training System for Elevator Inspection Based on VR Technology

Chen Hui Lin Yan Chen Min

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

In order to improve the training efficiency of elevator inspectors and break through the limitations of traditional elevator inspection training mode, this paper proposes an elevator inspection training method based on virtual reality technology, which uses mainstream development procedures and hardware equipment, and combines elevator inspection content optimization to develop training. The course built a set of verification training system based on virtual reality, which realized the multi-ladder multi-scene application, structural space perspective, random setting "fault" point, zero operation of wrong operation and other system features. The developed course training project has been applied and tested, the system is running stably, the operation process is close to the actual situation, and the expected effect is obtained, which can be promoted and applied to the inspection personnel training.

Elevator; Inspection; VR; Training

陳誨，男，1984年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：檢測儀器開發(fā)、機械設(shè)計、軟件設(shè)計。E-mail: 33635336@qq.com

林燕，女，1979年生，工程師，主要研究方向：電梯安全檢驗、評估技術(shù)研究等。

陳敏，男，1988年生，工學(xué)碩士，主要研究方向：機械設(shè)備仿真分析與風(fēng)險監(jiān)測，起重機械安全評估等。

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目（2016CT06，2017CT21）