基于VR技術的電梯檢驗虛擬培訓系統*

陳誨 林燕 陳敏

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基于VR技術的電梯檢驗虛擬培訓系統*

陳誨 林燕 陳敏

（廣州特種機電設備檢測研究院）

為提高電梯檢驗人員的培訓效率，突破傳統電梯檢驗培訓模式的局限，提出一種基于VR技術的電梯檢驗虛擬培訓系統。利用Unity 3D和HTC VIVE，結合電梯檢驗內容制定培訓課程，搭建基于VR的檢驗虛擬培訓系統，實現多梯種多場景應用、結構空間透視、隨機設置故障點和錯誤操作零風險等功能。經實際應用測試，系統運行穩定，操作過程與實際接近，得到預期的效果，可推廣應用于檢驗人員培訓。

電梯；檢驗；虛擬現實；培訓

0　引言

電梯作為一種垂直交通工具，在人們日常生活工作中起到非常重要的作用。截至2018年底，我國在用電梯數量近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，隨著科技的發展，電梯相關技術也在不斷進步，然而電梯安全事故依然頻發，電梯安全問題越來越受社會的關注和監管部門的重視。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引起[2]。電梯安裝維保人員的技術水平不足以及責任心缺失是導致電梯出現安全隱患的重要因素。因此，保障電梯設備安裝質量和定期檢查尤為重要，這對電梯檢驗人員的技術水平提出了更高的要求。高效率、高質量地培訓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超過3萬人，電梯設備數量每年約以10%的速度增長，相應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的行業培訓和考核取得執業資格。由于電梯理論知識涉及面廣、知識點多，學員短期內學習理解難度較大，并且培訓和考核主要集中在理論知識方面，缺乏現場實際操作經驗。在通過考核獲取職業資格后還需經過一段時間的現場實習，獲取足夠的現場操作經驗，才能勝任電梯檢驗工作。由此可見傳統電梯檢驗培訓和考核存在一定的局限性。為此，本文提出一種基于VR技術的電梯檢驗虛擬培訓系統。

1　VR技術在特種設備中的應用

虛擬現實（virtual reality, VR）技術是一種基于計算機、圖形圖像處理、多傳感器、網絡以及人機工程的綜合技術。在工業工程、建筑學、數字成像和模擬操作等領域應用前景的刺激下，該技術迅速發展，并為各領域的技術訓練提供一種新穎的培訓方式[4]。基于VR技術的研究已廣泛應用于航空航天駕駛、虛擬制造加工和虛擬訓練等領域。在特種設備領域，基于VR技術的應用研究也取得了不少成果。

重慶大學的吁鳴等人以塔式起重機安裝與拆卸技術規程為參考，利用VR平臺Quest3D開發出塔式起重機操作及裝拆系統，該系統可有效地對塔機操作和裝拆人員進行培訓[5]。山東建筑大學的宋開功等人利用VR工具Virtools構建全三維場景的塔式起重機模擬培訓系統，培訓者如同置身于實際場景中，可按真實設備的操作過程進行各項模擬操作[6]。浙江工業大學的胡榮保等人運用VR技術研制了橋式起重機仿真訓練系統，該系統可顯示駕駛員在操作橋式起重機過程中看到的情況，實現與操作者實時交互[7]。電子科技大學的夏華錦等人開發了基于Virtools的叉車模擬培訓系統，該系統控制接口可與普通的游戲控制設備相連接，營造出沉浸式的駕駛效果[8]。武漢市特種設備監督檢驗所的徐桂芳等人針對起重機示教的實際要求，開發虛擬起重機示范教學系統，實現場景模型的優化、漫游和交互特性，在高校和特種技術企業進行了示教實踐[9]。廣東工業大學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，對虛擬電梯進行控制仿真[10]。華東理工大學的王天威等人利用VR技術，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和分數管理系統，成功地實現了電梯技術考核的虛擬化[11]。東北大學的王雨婷等人利用Unity 3D技術設計電梯安裝仿真互動系統，實現了電梯虛擬安裝教學的全過程，電梯安裝學員可利用該系統進行電梯安裝的仿真模擬。

在電梯檢驗培訓方面，利用VR技術的研究應用較少。

2　電梯檢驗虛擬培訓系統設計

電梯檢驗虛擬培訓系統設計的總體思路是在建立電梯成套設備虛擬模型的基礎上，通過軟件系統模擬虛擬電梯的結構、邏輯行為以及檢驗環境，使學員在與虛擬電梯交互的過程中學習電梯檢驗的方法和流程。電梯檢驗虛擬培訓系統由硬件設備和軟件平臺組成。

2.1 　系統硬件搭建

電梯檢驗虛擬培訓系統的硬件設備包括高性能計算機、顯示器、VR設備以及音頻等附屬設備。硬件設備的選用原則是能夠創建一個沉浸式體驗環境，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開發軟件接口結合較為便利，因此電梯檢驗虛擬培訓系統選擇了HTC VIVE設備。

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同時追蹤顯示器與控制器，其內置陀螺儀、加速度計和激光定位傳感器，追蹤精度達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設備允許用戶在一定范圍內走動，滿足虛擬培訓系統需要學員在一定范圍內活動的要求。HTC VIVE技術參數如表1所示。

圖1 　HTC VIVE VR套件

表1 　HTC VIVE技術參數

2.2 　系統課程內容制定

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系統課程的覆蓋面廣泛，按照電梯檢驗規則名錄設定了多個梯種、多種型號和多種性能參數的電梯教學模型。

有機房高速客梯的培訓課程內容框架如圖2所示。課程內容集學、練、考為一體。

學是指體驗式學習。學員可完成電梯結構原理部分的觀察體驗，同時以第一視角的狀態完成電梯檢驗操作過程的學習。該虛擬培訓系統不能完全替代理論知識的學習，但可作為理論知識的有效補充和輔助，幫助學員更快、更好地理解復雜的理論知識。

圖2 　電梯檢驗虛擬培訓課程內容框架

練是指操作練習。學員能夠使用各種虛擬儀器和工具檢驗虛擬電梯設備。在操作練習過程中，可以隨時調取幫助信息，指引下一步操作內容，方便學員自行學習，減少教師資源成本。

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

2.3　軟件平臺開發

軟件開發平臺選用Unity 3D，其在創建三維視頻游戲、建筑可視化和實時三維動畫等方面具有強大優勢，是一個功能強大的專業引擎。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，使學員在虛擬環境中實現完整的交互過程。因此，關鍵技術包括虛擬設備邏輯行為和狀態的模擬、檢驗方式、方法知識庫的構建。軟件平臺按層來組織各個功能模塊和數據內容，分為數據層、推理層、功能層、顯示層和界面層，如圖3所示。

圖3　 電梯檢驗虛擬培訓系統軟件結構框架

電梯檢驗虛擬培訓系統依照相關電梯監督檢驗規程的要求，結合檢驗經驗，構建監督檢驗知識庫。軟件平臺基于該知識庫，按照教學大綱進行課堂教學，包含視頻教學、練習培訓和考核測試等部分，任一部分內容都能方便調取。理論知識采用動畫、聲音、圖像和字等豐富直觀的方式表現出來，易于理解。

3　系統特色功能

電梯檢驗虛擬培訓系統建成后，經眾多專業人士體驗操作，得到廣泛認同。該系統相比傳統的培訓方式具有以下4大特色。

3.1 　多梯種、多場景應用

系統集成了多個梯種、多種型號和多種性能參數的電梯教學模型，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。每個梯種按照結構特點又分為機房通道、電梯機房、轎廂內部、轎廂頂部（井道）和底坑等多個檢驗場景。相比傳統的電梯檢驗實操培訓，該系統不需要多個場地和多臺設備進行培訓，較大節約了培訓的硬件成本與場地面積。

學員使用系統進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　 電梯檢驗虛擬培訓系統人機操作實景

3.2　結構空間透視

為使學員更好地理解電梯部件總成的組成結構與工作特點，在電梯建模過程中對重要且復雜零部件的內部組件一一建模，從而實現零部件結構的空間透視功能。在電梯檢驗虛擬培訓系統學習模式下，學員可將相對復雜的零部件打散成分解狀態，在空間范圍內感受零部件的結構與組裝方式。

交流異步曳引機結構空間視圖如圖5所示，可使學員了解曳引機的內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節。

圖5 　交流異步曳引機結構空間視圖

3.3　 隨機設置故障點

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、機房警示標識缺失、緊急救援裝置設置不合理和危險部件警示色不正確等。檢驗人員能否準確識別這些不合格處是驗證檢驗水平和能力的關鍵。對學員進行培訓考核時，在真實的設備環境中找一些有故障的設備或人為地設置設備故障比較麻煩。電梯檢驗虛擬培訓系統可以將指定的部分模型設置為隨機出現或者隨機變更顏色，也可以將一些儀器儀表的測試讀數在一定范圍內隨機變更，以此來考核學員對檢驗標準的熟悉程度和對檢驗現場細節的洞察能力。在考核模塊下，機房通道中隨機出現障礙物的場景如圖6所示。

圖6　 機房通道故障點設置示范

3.4 　錯誤操作零風險

電梯檢驗虛擬培訓系統可讓學員體驗錯誤操作帶來的后果。模擬困梯救援任務操作失敗的場景如圖7所示。

圖7　 模擬困梯救援任務操作失敗的場景

學員在完成電梯困人救援操作任務中，如果出現未按要求安撫乘客或者盤車求援前未確認電梯門的關閉狀態等錯誤操作，系統會判定乘客可能因為恐慌而冒失自救導致受傷，出現救援失敗的畫面。

在現實操作中，錯誤操作可能導致人身傷害或者設備損毀。在傳統培訓過程中，只能通過讓學員觀看錯誤操作帶來后果的動畫效果實現警示作用。電梯檢驗虛擬培訓系統可讓學員體驗錯誤操作并帶來嚴重后果的培訓功能，給學員帶來震撼的學習效果。

4　結語

基于VR技術的電梯檢驗虛擬培訓系統為電梯檢驗培訓打造了新模式，今后將為電梯檢驗技術的快速發展和傳承發揮更大作用。此外，VR培訓模式也可拓展于其他危險環境下設備檢驗教學場合。

[1] 國家市場監督管理總局.國家市場監督管理總局關于2018年全國特種設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.淺析電梯事故發生的原因及預防救援措施[J].企業技術開發,2015,34(29):94-95.

[3] 陳定方,羅亞波.虛擬設計[M].北京:機械工業出版社,2004.

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

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

[6] 胡榮保.基于Virtools的橋式起重機仿真訓練系統研究[D].杭州:浙江工業大學,2012.

[7] 夏華錦.基于Virtools的叉車模擬培訓系統設計與實現[D].成都:電子科技大學,2011.

[8] 徐桂芳,董浩明,魏國前,等.基于虛擬現實技術的起重機虛擬實驗示教系統的開發[J].裝備制造技術,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設計[J].裝備制造技術,2010(4):87-89.

[10] 王天威.虛擬現實系統的開發及其應用[D].上海:華東理工大學,2011.

[11] 王雨婷.基于Unity3D的電梯安裝仿真互動系統的設計與實現[D].沈陽:東北大學,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、機械設計、軟件設計。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、評估技術研究等。

陳敏，男，1988年生，工學碩士，主要研究方向：機械設備仿真分析與風險監測，起重機械安全評估等。

廣東省質量技術監督局科技項目（2016CT06，2017CT21）