基于VR的幕墻故障輔助維護應用探討

張喆 羅才喜 常兵兵

摘 要：為了實現(xiàn)幕墻安裝人員對幕墻故障的快速發(fā)現(xiàn)和有效排除，本文將虛擬現(xiàn)實（VR）技術應用在幕墻故障輔助維護中，并設計了一種應用流程：虛擬建筑模型的建立、三維場景的導入、故障輔助維護模塊的設計與實現(xiàn)。除此之外，本文針對幕墻工程故障維護的應用過程中涉及到的關鍵技術：三維幕墻模型的建立與導入、材質的渲染、效果展示腳本的編寫等進行研究和應用，并以Unity和3DMAX為主要工作平臺，對其中的關鍵操作步驟進行說明，最終實現(xiàn)模擬仿真效果。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實幕墻工程;故障輔助維護

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.024

本文著錄格式：張喆，羅才喜，常兵兵.基于VR的幕墻故障輔助維護應用探討[J].軟件，2021，42（02）：081-084

Discussion on Application of VR-based Curtain Wall Failure Aid Maintenance

ZHANG Zhe1， LUO Caixi1， CHANG Bingbing2

（1. Binhai College of Nankai University， Tianjin? 300270;

2.Tianjin Feiyu Curtain Wall Decoration Engineering Co.， Ltd.， Tianjin? 300300）

【Abstract】：In order to quickly detect and debug the curtain wall failures， VR is applied to curtain wall failure auxiliary maintenance in this article and an application process is designed，thatis，building architectural virtual models， introducing 3D scenes and planning and realizing failure auxiliary maintenance. Besides， the key technologies related to this application such as building and introducing the 3D curtain wall models， rendering materials， compiling the transcripts of display are also discussed here. As the major platforms， Unity and3DMAX specify the critical steps and finally realize the effects of analog simulation.

【Key words】：VR （virtual reality） curtain wall projects;failure auxiliary maintenance

0引言

虛擬現(xiàn)實（VR）技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術[1]，其模擬環(huán)境的真實性非常優(yōu)秀，并模擬了人類所擁有的感知功能，如視覺、聽覺等。除此之外，其強大的仿真效果可以實現(xiàn)人機交互，使人在操作過程中，可以隨意操作并且得到環(huán)境最真實的反饋。VR技術隨著科技的發(fā)展取得了巨大進步，各行各業(yè)對其的需求日益旺盛。

在建筑領域，幕墻工程變得越來越復雜化、大型化[2]。因其工程結構原因導致幕墻的故障診斷變成難以解決的問題。本文認為，利用VR技術來輔助幕墻安裝維護人員對幕墻一些零部件的維護這種形式可以給維護人員提供一種區(qū)別于視頻、說明書形式的故障維護方案并且可以將故障解決方案進行分步驟拆解的多維度展示讓維護人員從細節(jié)上看的更加細致。進而有效地提升幕墻工程的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性，也提高了故障診斷的效率。

1應用流程

基于虛擬現(xiàn)實技術來展示幕墻維修的細節(jié)操作，以輔助幕墻的維修工作，為此需要按照CAD圖紙建立三維幕墻建筑模型、對創(chuàng)建好的模型進行渲染、編寫腳本文件實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實技術的輔助維護展示。

本文以機場窗戶的維修為例，設計了機場窗戶正常開關的VR展示以及由于窗戶把手出現(xiàn)故障使得窗戶打不開的VR效果展示，用以分別展示出機場窗戶的正常工作狀態(tài)和故障發(fā)生時的不同之處。

具體工作步驟如下：

（1）獲得維護對象的CAD圖紙，確定基于VR要詳細展示操作細節(jié)的幕墻建筑組件的尺寸、大小等特征信息。

（2）根據(jù)CAD文件利用3DMAX平臺對幕墻建筑組件對象進行建模工作。

（3）然后利用Unity軟件對創(chuàng)建的模型進行渲染，使得創(chuàng)建的模型更加真實[3]。

（4）對幕墻窗戶組件編寫腳本以展示幕墻建筑組件正常工作;編寫腳本文件給出幕墻建筑組件故障現(xiàn)象的解決和處理輔導的展示，以便用戶在維護幕墻建筑組件時細致了解體會幕墻建筑組件正常工作與故障發(fā)生的不同。

（5）編寫程序腳本文件用于實現(xiàn)幕墻建筑組件的故障輔助維護功能。把幕墻建筑組件維護的過程進行分步驟拆解展示，給出用戶多維度的效果演示。最后給出故障修復完成后的效果展示。

以上應用流程的主要難點在于：第一，需要創(chuàng)建處逼真還原度高的模型，從而給用戶一個真實的排故環(huán)境，達到更好的維護效果;第二，模型文件的導入導出可能會導致某些模型的材質丟失，因此導入導出文件時需要注意保留材質貼圖;第三，實現(xiàn)輔助維護的展示需要借助于VRML語言或者基于C#的腳本文件，在實現(xiàn)效果上具有一定的工作量和難度。

基于此，本文設計實現(xiàn)了對應的解決方案：第一，為實現(xiàn)更好的模型效果，和圖紙設計人員詳細確定了幕墻組件的尺寸大小，基于CAD圖紙進行建模，并進行材質渲染，使模型更加美觀;第二，導入導出模型時注意材質的問題，要導出帶有材質的模型文件;第三，由于對VRML語言不太熟悉，因此本文選擇基于C#的程序設計語言來進行輔助維護腳本文件的編寫，并對每一個排故過程反復試錯，最終給出正確的效果展示，使得過程更加清晰易懂。

幕墻工程是一個復雜龐大的工程，幕墻建筑的組件很多，例如有門窗、玻璃、五金件等，因此故障發(fā)生的位置多、種類多。所以，本文僅以幕墻窗戶的把手故障的處理為例說明基于VR輔助維修的具體實現(xiàn)過程。

2三維幕墻模型的建立

為了將虛擬現(xiàn)實技術更好的應用于幕墻建筑的輔助維護過程中，搭建出逼真的虛擬實現(xiàn)場景是本模塊成功實現(xiàn)的前提條件。而創(chuàng)建出三維幕墻建筑模型是虛擬現(xiàn)實場景成功搭建的基礎。因此在虛擬建筑場景的搭建過程中，創(chuàng)建出三維幕墻建筑模型是首要工作。三維幕墻建筑模型創(chuàng)建好之后從3DMAX軟件上導出，然后導入到Unity平臺中進行材質渲染工作[4]。

在建立幕墻的虛擬建筑場景時，采用Unity平臺作為開發(fā)工具，但由于Unity并不能創(chuàng)建出比較復雜的模型，所以選取3DMAX作為主要的建模軟件[5]，使用Unity來實現(xiàn)模型的渲染以及輔助維護的功能。

本模塊主要選取張家口機場窗戶的三維建模過程來展開描述，通過CAD圖紙并與幕墻設計人員仔細溝通確定尺寸之后進行建模。該部分主要是對機場窗戶進行建模并可以對窗戶進行正常開關的模擬。制作時主要使用了3DMAX平臺進行建模，采用Unity進行開關效果的實現(xiàn)。用戶可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行窗戶的開啟和關閉。主要工作內容如下：

（1）核對機場窗戶圖紙內容：首先分析CAD圖紙內容（如圖1所示，圖內黃色部分為窗戶），建模之前首先要確保窗戶的大小、尺寸、外觀一致。并且與設計人員仔細溝通過后確保數(shù)值無誤。

（2）機場窗戶建模：當窗戶尺寸完整記錄以后，在3DMAX平臺上開始窗戶3D模型的制作。機場窗戶的建模主要采用多邊形建模的方式來完成制作。窗戶主要分為三個部分來制作：窗戶框架、窗戶把手和窗戶把手托盤。

機場窗戶最終建模完成后的效果如圖2所示。

3虛擬幕墻維護場景導入及故障機理演示

機場窗戶的三維模型制作好之后，需要將機場窗戶模型按照制作時的分類在3DMAX中分別選擇導出到Unity中進行下一步的工作。在從3DMAX中導出模型文件的時候可能會出現(xiàn)一些問題，這里給出一些本文在導出導入模型文件時遇到的問題以及相對應的解決方案：

（1）窗戶模型文件格式問題：Unity支持多種外部導入的文件格式。但并不是對每一種文件格式都兼容，可能會出現(xiàn)一些模型屬性的丟失。Unity對OBJ格式的文件兼容度較好，因此在此選擇從3DMAX中導出OBJ格式的模型文件。

（2）模型材質問題：在3DMAX中創(chuàng)建三維模型的時候，一些模型被添加了材質，因此從3DMAX中導出OBJ文件時，要導出帶有材質的OBJ文件用以保證模型導入Unity時不會發(fā)生材質的丟失問題。

（3）模型文件的命名問題：在3DMAX中創(chuàng)建模型時，對文件賦予了文件名，這樣將模型文件導入到Unity中時不必再重新對文件進行命名，從而節(jié)省大量的時間精力。因此本文在創(chuàng)建模型文件時對文件進行了合適的命名。另外在Unity中還可以根據(jù)工作需要靈活的對模型進行重新命名。

將模型文件從3DMAX中導出后，不要直接拖拽到Unity中，需要找到創(chuàng)建的Unity工程文件Assets目錄，將做好的模型文件復制進去。其中移動模型文件的時候，必須要選中的文件目錄為：Animations、Materials、

Models、Prefabs、Textures。其中Animations主要提供Avatar骨架，缺少該目錄會提示Missing（Avatar）;Materials主要存放模型的材質文件;Models主要存放物體的模型，如果缺少的該目錄的話不會顯示物體的模型;Prefabs主要存放預設文件，預設文件的好處在于修改一個源文件之后所有根據(jù)此源文件復制的文件都可以一并進行修改;Textures主要存放模型文件的貼圖[6]。

另外，為了演示幕墻窗戶把手的正常工作過程以及故障時的現(xiàn)象需要利用C#語言編寫腳本文件以便在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中體現(xiàn)窗戶正常與故障時的不同之處。

4基于VR的組件輔助維護演示的實現(xiàn)

在對幕墻窗戶把手進行維護工作時，首先要明確幕墻組件的正常工作過程，以此來判斷幕墻組件是否產生故障。因此完成這些工作后，需要在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)交互式操作來對幕墻故障進行維護。本小節(jié)主要描述幕墻故障輔助維護虛擬交互功能的實現(xiàn)工作。此功能的實現(xiàn)能夠讓幕墻維護人員清楚故障發(fā)生時的現(xiàn)象，并且針對現(xiàn)實中故障位置不好觀察的問題給出多維度的故障場景以及維護過程中的多維度展示。

門窗把手使用中會出現(xiàn)很多故障，不僅把手品種類型多，而且故障的種類也多，本節(jié)僅選取窗戶無法正常開啟這一故障僅對某一種把手的維護過程借助虛擬現(xiàn)實技術來輔助展示并對其實現(xiàn)過程展開描述。

上一節(jié)介紹了窗戶無法開啟的故障的表現(xiàn)，本節(jié)主要給出如何利用虛擬現(xiàn)實技術進行正確安裝窗戶把手達到輔助維護的目的，即借助虛擬現(xiàn)實技術讓用戶了解窗戶把手的正確的詳細安裝操作過程，實現(xiàn)有效的安裝。

該安裝方案將進行基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的維護展示。設計的故障維護方案為：窗戶把手向下旋轉時無法旋轉到底，因此判斷窗戶無法開啟可能是窗戶把手出現(xiàn)問題，接下來需要更換窗戶把手。其中提供的窗戶維護的解決方案步驟如下所述：

首先用戶在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中通過鍵盤的“W、A、S、D”鍵前后左右移動到發(fā)生故障的窗戶位置處，然后觸發(fā)窗戶故障排除這一事件，幕墻維護工人觀察到窗戶正常及產生故障時的情形。最后維護人員通過給出的交互性提示并按照故障解決方案分步驟進行窗戶把手故障的排除。

具體實現(xiàn)步驟為：

（1）創(chuàng)建TransformHandleShouBa對象;

（2）調用DOLocalMove（）方法來實現(xiàn)窗戶把手的移動效果，第一個參數(shù)表示移動到（0.318f， -0.832f， -1.766f），第二個參數(shù)表示動畫時間為4秒;

（3）調用HandleShouBa對象的gameOBJect.Set Active（false）方法來設置窗戶把手這一gameOBJect隱藏掉窗戶把手，從而實現(xiàn)取下窗戶把手的演示效果。

最后，把手更換完成，故障解決完畢時，給出窗戶的正常開啟和關閉展示，表示窗戶故障已經成功進行維護。如圖3所示。

5總結與展望

本文對基于虛擬現(xiàn)實技術的幕墻故障輔助維護功能做了較為詳細的設計與實現(xiàn)工作[7]。首先借助于3DMAX平臺根據(jù)對應的CAD圖紙內容來進行幕墻窗戶的建模工作，然后將創(chuàng)建好的模型文件從3DMAX平臺上導出并導入到Unity中進行下一步的工作即材質的渲染工作，使得創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實環(huán)境更加逼真，視覺上更加美觀。另外還給出了導入導出模型文件的過程中遇見的問題以及對應的解決方案。隨即借助于VisualStudio2015利用C#語言來編寫腳本文件來實現(xiàn)幕墻窗戶這一組件正常工作過程和故障機理的演示。最后利用Unity平臺以及VisualStudio2015來編寫腳本文件從而實現(xiàn)了窗戶把手故障的輔助維護過程中的分步驟拆解的多維度詳細展示。

本應用的研究與實現(xiàn)，有助于解決傳統(tǒng)幕墻工程維護過程中的場地限制、場景限制帶來的難題并且提高解決故障的效率，創(chuàng)造出不被干擾的排故環(huán)境，提高了幕墻安裝、維護人員的技術實力。

參考文獻

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