VR技術應用于電梯檢驗虛擬實訓系統的探討

解晨

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院，江西 南昌 330000）

隨著我國經濟的快速發展，電梯保有量也在迅速增加。電梯作為特種設備，其檢驗質量對確保電梯自身安全運行來講意義重大。目前檢驗人員和電梯數量的人機比矛盾突出，這對檢驗人員的技術能力提出了較大的要求。傳統電梯檢驗培訓方式除了要進行理論學習以外，一般是由2～3位高年資師傅帶著學徒到現場學習。電梯檢驗是一項復雜的工作。電梯質量和使用者的生命財產安全息息相關。基于這種情況，有必要對電梯維護以及檢驗人員開展有效培訓。從事電梯檢驗的工作人員必須經過行業培訓以及考核，其在獲取執業資格之后方能從業。電梯理論知識涉及面相當廣泛，學員們所需要學習的知識點多。令其在短期之內學習透徹相關知識難度不小，并且值得說明的是，考核以及培訓多側重理論，學員們缺少實際的操作經驗。即便其取得執業資格之后，依舊需要前往現場學習，只有這樣才能取得相關操作經驗，完勝檢驗工作。可見，傳統意義上的電梯培訓考核存在局限性。為了全面分析VR技術應用于電梯檢驗虛擬培訓系統的價值，本文對上述命題開展分析，現綜述如下。

1 VR技術的簡介以及其在特種設備內的應用情況

1.1 關于VR技術的簡單介紹

VR技術為Virtual Reality的簡稱，即虛擬現實，其又被稱之為人工環境或者靈境技術。早在20世紀80年代初，VR概念就已經被提出。這項技術是通過新式傳感器技術以及電腦創設的人機交互手段。VR主要經過計算機生成3D模擬世界，為應用者提供一個關于聽覺、觸覺以及視覺的感官性模擬場面，令使用VR設備的人如同身臨其境。VR技術可以實現無限制、及時的觀察三維空間事和物。在20世紀90年代初，于美國的國家科學基金資助的交互式系統項目工作組之內，就對該項技術開展了系統化論述。并以此為基礎，建議并確立了VR環境領域研究重點。可以這樣講，VR技術融合了顯示、傳感器、計算機仿真、計算機圖形技術等等諸多學科的技術。其能夠在諸多維度信息空間創設虛擬信息環境，令使用者如同身臨其境沉浸于其中，其有著環境完善交互作用能力水平，且也對啟發構思有一定幫助。可見，VR環境系統的基本特點為沉浸、交互以及構想。而VR技術的核心內容為仿真及三維建模。現如今，VR技術已經被應用到娛樂、軍事航天、醫學、特種設備、游戲、地理、教育、房產開發、工業仿真、能源、生物力學等等領域之內。

1.2 VR技術于特種設備內的應用情況

有學者將拆卸和安裝技術規程為參照，經VR平臺中的Quest3D開發出了關于起重機的拆卸以及操作系統。這個系統可以針對起重機的塔機操作以及拆卸工作人員開展培訓工作。另有學者經過VR技術內的Virtools創建出整體3D場景塔式起重機模擬培訓系統。培訓人員經VR演示操作，和置身于實際場景一般，可以依照設備操作過程中開展各類模擬操作。也有工作人員使用了VR研制出橋式起重機仿真訓練系統。其能夠顯示出駕駛員于操作起重機中查看實際情況，進而實現操作人員和VR的實時交互。

有文獻分析了使用Unity 3D技術設計出關于電梯安裝仿真互動全系統。其在根本上實現了電梯虛擬安裝教學之過程。學習者能經過這種系統開展電梯安裝的模擬。值得說明的是，從電梯檢驗方面來看，經過應用VR技術研究相對比較少。

2 關于電梯檢驗VR培訓系統的相關設計

2.1 關于相關系統的硬件搭建

相關系統的硬件主要包含VR設備、顯示器、高性能電腦和音頻等附屬性設備。經有效方式創設沉浸式體驗環境為硬件選擇的最終原則。在此過程中相關工作人員在應用時可以實現流暢、精確地做好相關步驟。上述內容的實現要求在硬件設備于圖像展現、空間定位以及交互方式等諸多方面有一定水平。

從當前情況來看，VR硬件的設備主要包含PS VR、OCULUS RIFT、HTC VIVE以及VoxelSense桌面一體機等。在此其中，HTCVIVE在主流的VR開發軟件接口結合比較方便。基于這種情況，在梯檢驗虛擬培訓系統之內擇取了HTCVIVE設備。HTCVIVEVR的套件主要包含了定位裝置四個、操控手柄兩個以及頭顯裝置一個。定位裝置能夠于空間之中一并追蹤以及控制器。內部包含了激光高精度定位傳感器、陀螺儀以及加速度計。其具體的追蹤精度能夠精確到0.1°。其不需要攝像頭的協助，只靠光敏傳感器、激光定位運動物體的位置。這種設備允許使用者可在既定范圍內自由走動，其滿足了學員的要求。

2.2 仿真培訓系統硬件實現

仿真培訓系統硬件配置方面遵照可靠性、開放性、靈活性之原則。具體硬件設備擇取原則必須符合同行國際標準，且也要具備現階段國內先進水準、同時于仿真培訓行業之內被積極應用、認可設備。經此法，全面確保相關系統運行可靠程度。仿真培訓系統之內主要包含了教員機、仿真服務器、訓練人員機、仿真調度服務器、投影儀以及打印機、局域網互連設備等。

遙調操作為一類對于開關設備、分級升降設備實施遠動控制的方式。其記錄并匯總有關信息。數據處理為一類針對輸配電的電纜相關數據收集、遙控信號處理方式。結合具體的狀態量、模擬量以及保護信息分類進行響應以及處理。調度服務器為與此同時負責整體網絡數據通信控制，其主要負責完成邏輯信號潮流數據收發操作。

學員機為培訓者提供滿意人機交互操作界面。培訓者能經過借助外設（鍵盤、鼠標等）等等諸多工具于VR虛擬環境之內開展模擬操作。就此對電梯故障開展檢驗。此外，也能同時實現自主開展操作、理論培訓。諸多電腦構成學員機，其一并經由教員負責管理，能實現可獨立運行/分組協調運行。于教員機協助控制條件之下，針對學員機加載電梯運行經典故障，訓練者經多次演練，全面提高自身專業技能。

教員機主要一般被用在教師編制習題、教案、訓練者成績管理、信息管理、設置運行方案以及設定系統故障等等。教員機能監視并管理各訓練人員機，對于培訓進程進行有效控制。在此其中，其也負責監視、管理、記錄訓練者電梯故障檢測操作，完成巡視，進行事故處理以及填寫相關報表、打印等等諸多工作。此外，也能經過教員機針對系統運行狀態開展監測和維護，做好各類編輯功能，進行數據組織管理操作。

就投影系統、網絡互聯網設備以及打印機系統方面來看，主要為：相關系統網應用的是300M以太網結構，經交換機，體現出計算機間相互關聯。其具備和外部互聯網連接的能力。使用國際標準TCP/IP網絡協議。在此同時準備一套打印機以及投影儀，將其運用到多媒體考評培訓以及教學工作之內。

2.3 關于軟件平臺的開發

關該系統的軟件開發平臺為Unity 3D，同時搭配C#開發，支持C/S架構、本地服務器與客戶端連接，支持SQL數據庫存儲及處理，滿足虛擬內部設備各種交互（點擊、移動、輸入等以及按鍵控制），可利用HighLighter對模型進行高亮顯示，以及透明度、Collider等功能，操作人性化、清晰明確、UI美觀，滿足在Windows操作系統環境中穩定在線和實時運行。這種平臺能夠于創建建筑的可視化、三維視頻游戲與實時三維動畫等方面發揮出極大優勢。可以這樣講，Unity 3D有著非常強大的功能，軟件平臺應當集成關于電梯的成套虛擬模型、聲音模型和檢驗場景，令學員能夠于VR環境中在根本上實現整體交互過程。基于此，其具體的關鍵技術主要包含虛擬設備邏輯行為以及狀態模擬方法、知識庫構建檢驗。軟件平臺結合分層用于組織各大功能模塊以及相關數據內容，其主要分為功能層、推理層、數據層、界面層以及顯示層。

于電梯的檢驗，虛擬現實仿真培訓系統全面依照了TSG 7001電梯監督檢驗和定期檢驗規則，并要求結合實際檢驗經驗創建相關知識庫。相關軟件平臺全面基于該知識庫，結合教學大綱中的內容，實現課堂教學。在此其中包含了考核練習培訓和視頻教學等等。每部分內容都能夠隨時調取，理論知識方面則應用聲音、動畫、文字以及圖像等等直觀性方式予以表達，方便學員進行理解。

3 系統特色功能闡述

3.1 不正確操作零風險

應用電梯檢驗虛擬培訓系統能夠令學生充分體驗不正確操作所釀成的后果。比如說：學員在進行絕緣電阻測試的任務時，如果沒有斷開靈敏電子元件，則有可能損壞相關電子元件；又或者在絕緣電阻儀未放電情況下用手觸及引線部分則有可能發生觸電危險。采用VR系統則會判定學員由于操作不當導致設備故障或者自身危險的畫面，進而出現檢驗錯誤的提示。值得說明的是，在實際操作過程中不科學的操作極有可能引發設備損毀或者人身傷害現象發生。在進行傳統培訓時，僅通過讓學生觀看不正確操作所釀成的后果動畫效果展現警示作用，警示性不強。而應用虛擬培訓系統能夠令學生真實體驗不正確操作所造成的后果培訓功能，其能夠為學生帶來相當震撼的學習效果。

3.2 多場景以及多梯種的應用

在VR虛擬現實仿真實訓系統中可集合多個型號、多個梯種以及很多性能參數與電梯教學有關的模型。在此其中包含了自動扶梯、自動人行道、乘客電梯、雜物電梯等等。不同種類的電梯結合其結構特點，又被分成電梯機房、機房通道、轎廂內部、底坑以及轎廂頂部等等。諸多檢驗場景和既往所沿用的電梯檢驗實訓操作相比而言，VR系統的應用無需多設備多場地，就可實現對學員進行培訓。其在極大程度上節省了培訓的硬件成本以及所需場地面積。

3.2 實現結構空間透視

為了令學員們更順利地理解電梯部件組成結構以及工作特征，在開展電梯建模時，有必要針對復雜且重要的零部件內部組件逐一進行建模。通過這種方式體現出零部件結構空間透視功能。于電梯檢驗虛擬培訓系統學習模式之下，學生可以把比較復雜的零部件一一分解，同時在空間范圍之中全面感受零部件的組裝方法和具體結構。比如說，限速器結構空間視圖之中，能夠令學生知曉限速器的內部構成以及每個零件空間位置，同時全面觀察零部件的細節情況。

3.4 隨機化設定電梯故障點

于實際電梯檢驗時，被檢測的電梯很可能存在很多故障或者不合格之處。常見的不合格之處包含缺少機房警示標識、機房堆滿雜物、緊急救援通道封堵、轎廂與井道壁距離超標等等。而檢驗者能否精準識別上述不合格之處為驗證其檢驗水平以及能力的關鍵所在。

在對學員開展培訓考核過程之中，于真實環境尋找一些發生故障的設備或者人為設定設備故障相當麻煩且不安全。而應用電梯檢驗VR虛擬現實仿真培訓系統能夠設置讓電梯隨機出現各種故障；也可以把某些儀器儀表測試讀數于既定范圍內隨機變更。通過這種方式全面考驗學生針對檢驗標準熟悉水平以及針對檢驗現場細節觀察能力水平。

4 結語

總的來講，以VR技術為基石的電梯檢驗虛擬培訓系統可以為電梯檢驗培訓工作開創新的模式。在日后其一定會成為電梯檢驗技術迅速發展發揮出最大作用。另外值得說明的是，該項技術也能被用于開拓其他高危環境中的設備檢驗教學場合之中。