基于VR 技術的電梯限速器校驗培訓系統設計★

周葉平，汪有韜，蘭清生，李婷婷，胡 誠

（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 330052）

0 引言

電梯限速器是電梯一個非常重要的安全部件，是避免電梯轎廂（或者對重）超速運行的重要安全保障裝置，也稱之為斷繩保護和超速保護裝置[1]。近年來，由電梯檢驗規則《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》（TSG T 7001—2009）增加：“檢驗人員現場觀察確認電梯限速器校驗的過程”的要求，可見國家相關職能部門對電梯限速器校驗工作的重視程度[2-4]。然而迫于當前電梯維保及檢驗的人機比矛盾，培訓資金投入成本大等原因，電梯維保企業能夠投入到維保人員關于限速器校驗培訓中的是極少的。同樣電梯檢驗檢測機構也面臨嚴重的人機比矛盾，大部分檢驗人員疲于應對日常的電梯檢驗工作，導致了電梯檢驗人員對電梯限速器校驗過程不熟悉；究其原因有：一方面是由于人機比矛盾突出；另一方面是電梯限速器校驗的培訓難度大。客觀原因是在電梯限速器校驗的培訓過程中存在手指被擠壓、校驗儀器被損壞的風險。當前面臨用電梯的老齡化趨勢、電梯檢驗檢測市場的改革發展，亟需提高電梯維護保養人員、電梯檢驗人員的技術素養，迫切需要提高電梯相關從業人員的電梯限速器校驗技能，本文設計了一款基于VR 技術的電梯限速器培訓系統，通過MAYA軟件對電梯機房、電梯限速器、限速器相關零部件、便攜式校驗儀及其輔助工具進行建模，通過搭建VR 虛擬現實開發環境，設計了基于虛擬現實的限速器校驗培訓系統，按照現場限速器檢驗操作流程還原校驗作業，達到了電梯限速器校驗培訓的目的。

1 電梯限速器VR 培訓系統方案

1.1 培訓系統設計

電梯限速器VR 培訓系統架構圖如圖1 所示，系統由三部分組成，分別是UI 框架設計、系統框架設計、音頻框架設計[5]。UI 框架設計包括登錄主界面UI、提示UI、校驗儀界面UI；系統框架設計包括數據模塊、設備（校驗儀）操作模塊、控制模塊；音頻框架設計包括：音頻輸出、音頻觸發、音頻控制。

圖1 電梯限速器VR 培訓系統架構圖

圖2 手柄、頭戴式VR 設備

1.2 系統硬件平臺設計

系統硬件平臺由手柄、頭戴式VR 設備、PC 主機等設備構成。系統基于Unity3D 引擎開發，以Oculus Quest2 頭戴式VR 設備為互動媒介，主程序在windows 系統上運行。

手柄、頭戴式VR 設備與PC 主機連接并進行基礎配置，通過頭戴式設備與6 個高清攝像頭進行定位，識別操作者周邊環境，采用可見光追蹤的手柄進行手部交互。VR 眼鏡與操控手柄作為輸入設備產生移動、轉向、跳轉等位置與控制信息，經主機圖形引擎處理，輸出影像、動畫和聲音等信號[6-8]。

系統操作主要使用到VR 手柄上的搖桿按鍵（搖桿具有圓周方向上的扳動，系統設計左手手柄向北方向扳動即可激活曲線移動操作，右手手柄向北方向扳動即可激活直線選擇操作）、握持按鍵（虛擬環境下的手柄觸碰物品，按下握持按鍵即可抓取物體）、扳機按鍵（當右手手柄直線觸發，并指到相應物品或UI 界面時，可扣動扳機進行選擇或確認），如圖3 所示。

圖3 手柄操作動作

2 電梯限速器培訓系統功能設計與實現

電梯限速器VR 培訓系統的虛擬場景包括素材采集、三維場景搭建、系統交互界面UI 設計。

2.1 虛擬場景建立

素材采集是指電梯機房、轎廂轎頂等限速器校驗作業真實環境場景、限速器校驗儀器設備、限速器、輔助設備的測量。

三維場景搭建是指基于素材采集的數據，利用3D 建模軟件進行設備、作業場景的三維建模、材質調節、貼圖制作。3D 模型是基于Unity3D 引擎實現電梯限速器校驗系統中的重要一環，3D 模型是虛擬場景中功能實現、場景運行、效果展示基本組成部分。電梯限速器校驗培訓系統中涉及模型是通過三維建模軟件Maya 完成[9-10]，圖4 為Maya 軟件建立的限速器三維模型。

圖4 限速器三維模型

2.2 系統交互界面UI 設計

系統以傳統頁面內容的方式呈現，通過頭戴式顯示器和手柄進行操作，依據操作者的位置、方向、手勢等三維空間中的行為完成交互任務。在教學模式下，系統會通過高亮、位置引導、語音提示等輔助功能，協助操作人員完成系統交互。通過Photoshop 軟件繪制交互制界面，將繪制的界面保存為png 格式后導入unity，然后到unity 進行組拼，編寫并綁定代碼實現點擊或者切換的功能[11]。

3 電梯限速器培訓系統應用流程

進入系統首先進行模式選擇，選擇教學模式，視角下方出現提示界面，提示進入電梯轎頂，后方出現傳送點，移動到傳送點到達電梯轎頂位置，如圖5 所示。

圖5 電梯間傳送點

進入到電梯轎頂后，按照提示，通過夾具將限速器鋼絲繩（非固定安全鉗端）固定在轎頂護欄上，完成操作后根據提示返回機房，如圖6 所示。

圖6 夾具操作

根據提示電梯檢修向上運行電梯，限速器上的鋼絲繩即可松脫，通過右手直線指示并扣動扳機確認取下鋼絲繩，如圖7 所示。

圖7 取下限速器上的松脫鋼絲繩

限速器鋼絲繩取下后，啟動限速器校驗儀連接好傳感器后，設置校驗儀參數、選擇運行方向后，通過手柄觸碰電機并按下握持按鍵即可拿起電機設備準備進行校驗，如圖8 所示。

圖8 啟動校驗儀

點擊開始測試后，將啟動好的電機轉頭觸碰限速器繩輪，帶動限速器輪轉動進行校驗，如圖9 所示。

圖9 限速器校驗設備使用

當限速器輪隨著電機轉速增加，當速度達到一定值后，首先電氣開關斷開，速度繼續增大，隨后機械開關動作，完成一次限速器校驗，如圖10 所示。

圖10 限速器機械開關動作

根據校驗要求對校驗儀設備和限速器進行復位后相繼完成三次試驗，三組試驗完成查看打印的數據單，如圖11 所示，反向校驗流程重復上述步驟。

圖11 查看數據單

4 結語

培訓系統以電梯限速器、限速器校驗儀為對象，構建電梯限速器VR 校驗培訓系統，通過多種交互手段實現真實環境下的操作流程，并對其關鍵步驟及結果進行狀態反饋，形成物理校驗環境，通過搭建VR虛擬現實開發環境，設計了虛擬校驗環境、電梯限速器虛擬模型、限速器校驗交互方式。按照現場限速器檢驗操作流程還原校驗作業，達到了電梯限速器檢驗培訓的目的。