基于VR技术的电梯检验虚拟培训系统*

陈诲 林燕 陈敏



基于VR技术的电梯检验虚拟培训系统*

陈诲 林燕 陈敏

（广州特种机电设备检测研究院）

为提高电梯检验人员的培训效率，突破传统电梯检验培训模式的局限，提出一种基于VR技术的电梯检验虚拟培训系统。利用Unity 3D和HTC VIVE，结合电梯检验内容制定培训课程，搭建基于VR的检验虚拟培训系统，实现多梯种多场景应用、结构空间透视、随机设置故障点和错误操作零风险等功能。经实际应用测试，系统运行稳定，操作过程与实际接近，得到预期的效果，可推广应用于检验人员培训。

电梯；检验；虚拟现实；培训

0　引言

电梯作为一种垂直交通工具，在人们日常生活工作中起到非常重要的作用。截至2018年底，我国在用电梯数量近628万台，并仍以每年10%左右的速度增长。我国电梯保有量、年增长量均为世界第一[1]。近年来，随着科技的发展，电梯相关技术也在不断进步，然而电梯安全事故依然频发，电梯安全问题越来越受社会的关注和监管部门的重视。在众多电梯事故中，不足30%的事故是由于电梯本身质量问题引起，超过70%的事故是由于安装、维保及使用人员操作不当引起[2]。电梯安装维保人员的技术水平不足以及责任心缺失是导致电梯出现安全隐患的重要因素。因此，保障电梯设备安装质量和定期检查尤为重要，这对电梯检验人员的技术水平提出了更高的要求。高效率、高质量地培训电梯检验人员是重中之重。

目前，我国电梯检验人员持证人数超过3万人，电梯设备数量每年约以10%的速度增长，相应的电梯检验人员年增量约有3000人[3]。新增电梯检验人员需要通过相应的行业培训和考核取得执业资格。由于电梯理论知识涉及面广、知识点多，学员短期内学习理解难度较大，并且培训和考核主要集中在理论知识方面，缺乏现场实际操作经验。在通过考核获取职业资格后还需经过一段时间的现场实习，获取足够的现场操作经验，才能胜任电梯检验工作。由此可见传统电梯检验培训和考核存在一定的局限性。为此，本文提出一种基于VR技术的电梯检验虚拟培训系统。

1　VR技术在特种设备中的应用

虚拟现实（virtual reality, VR）技术是一种基于计算机、图形图像处理、多传感器、网络以及人机工程的综合技术。在工业工程、建筑学、数字成像和模拟操作等领域应用前景的刺激下，该技术迅速发展，并为各领域的技术训练提供一种新颖的培训方式[4]。基于VR技术的研究已广泛应用于航空航天驾驶、虚拟制造加工和虚拟训练等领域。在特种设备领域，基于VR技术的应用研究也取得了不少成果。

重庆大学的吁鸣等人以塔式起重机安装与拆卸技术规程为参考，利用VR平台Quest3D开发出塔式起重机操作及装拆系统，该系统可有效地对塔机操作和装拆人员进行培训[5]。山东建筑大学的宋开功等人利用VR工具Virtools构建全三维场景的塔式起重机模拟培训系统，培训者如同置身于实际场景中，可按真实设备的操作过程进行各项模拟操作[6]。浙江工业大学的胡荣保等人运用VR技术研制了桥式起重机仿真训练系统，该系统可显示驾驶员在操作桥式起重机过程中看到的情况，实现与操作者实时交互[7]。电子科技大学的夏华锦等人开发了基于Virtools的叉车模拟培训系统，该系统控制接口可与普通的游戏控制设备相连接，营造出沉浸式的驾驶效果[8]。武汉市特种设备监督检验所的徐桂芳等人针对起重机示教的实际要求，开发虚拟起重机示范教学系统，实现场景模型的优化、漫游和交互特性，在高校和特种技术企业进行了示教实践[9]。广东工业大学的胡兆勇等人研究虚拟电梯的PLC控制，建立了四层虚拟电梯模型。该模型可通过虚拟PLC仿真系统，对虚拟电梯进行控制仿真[10]。华东理工大学的王天威等人利用VR技术，运用Virtoo1s软件建立适用于操作考核的观光电梯模型以及适用于零件识别考核的框架电梯模型，并建立了完善的考核系统和分数管理系统，成功地实现了电梯技术考核的虚拟化[11]。东北大学的王雨婷等人利用Unity 3D技术设计电梯安装仿真互动系统，实现了电梯虚拟安装教学的全过程，电梯安装学员可利用该系统进行电梯安装的仿真模拟。

在电梯检验培训方面，利用VR技术的研究应用较少。

2　电梯检验虚拟培训系统设计

电梯检验虚拟培训系统设计的总体思路是在建立电梯成套设备虚拟模型的基础上，通过软件系统模拟虚拟电梯的结构、逻辑行为以及检验环境，使学员在与虚拟电梯交互的过程中学习电梯检验的方法和流程。电梯检验虚拟培训系统由硬件设备和软件平台组成。

2.1 　系统硬件搭建

电梯检验虚拟培训系统的硬件设备包括高性能计算机、显示器、VR设备以及音频等附属设备。硬件设备的选用原则是能够创建一个沉浸式体验环境，同时保证操作人员在使用过程中舒适、流畅、精确地完成所有步骤。这需要硬件设备在空间定位、图像显示和交互手段等方面具备较高的水平。目前VR硬件设备主要有HTC VIVE、OCULUS RIFT、PS VR以及GEAR VR等。其中，HTC VIVE与主流VR开发软件接口结合较为便利，因此电梯检验虚拟培训系统选择了HTC VIVE设备。

HTC VIVE VR套件包括1个头显装置、2个操控手柄和2个定位装置，如图1所示。定位装置可在空间内同时追踪显示器与控制器，其内置陀螺仪、加速度计和激光定位传感器，追踪精度达0.1°，无需借助摄像头，仅靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置。HTC VIVE设备允许用户在一定范围内走动，满足虚拟培训系统需要学员在一定范围内活动的要求。HTC VIVE技术参数如表1所示。

图1 　HTC VIVE VR套件

表1 　HTC VIVE技术参数

2.2 　系统课程内容制定

电梯种类繁多，不同电梯有不同的检验项目和检验方法。为使电梯检验虚拟培训系统课程的覆盖面广泛，按照电梯检验规则名录设定了多个梯种、多种型号和多种性能参数的电梯教学模型。

有机房高速客梯的培训课程内容框架如图2所示。课程内容集学、练、考为一体。

学是指体验式学习。学员可完成电梯结构原理部分的观察体验，同时以第一视角的状态完成电梯检验操作过程的学习。该虚拟培训系统不能完全替代理论知识的学习，但可作为理论知识的有效补充和辅助，帮助学员更快、更好地理解复杂的理论知识。

图2 　电梯检验虚拟培训课程内容框架

练是指操作练习。学员能够使用各种虚拟仪器和工具检验虚拟电梯设备。在操作练习过程中，可以随时调取帮助信息，指引下一步操作内容，方便学员自行学习，减少教师资源成本。

考是指电梯检验操作的考核测试。系统支持随机出题或手动指定考点的功能。在考试过程中，系统记录学员的操作步骤和时间，还可以辨别学员动作的规范性，最后自动完成评分。

2.3　软件平台开发

软件开发平台选用Unity 3D，其在创建三维视频游戏、建筑可视化和实时三维动画等方面具有强大优势，是一个功能强大的专业引擎。软件平台需集成电梯成套虚拟模型、电梯检验场景以及声音模型，使学员在虚拟环境中实现完整的交互过程。因此，关键技术包括虚拟设备逻辑行为和状态的模拟、检验方式、方法知识库的构建。软件平台按层来组织各个功能模块和数据内容，分为数据层、推理层、功能层、显示层和界面层，如图3所示。

图3　 电梯检验虚拟培训系统软件结构框架

电梯检验虚拟培训系统依照相关电梯监督检验规程的要求，结合检验经验，构建监督检验知识库。软件平台基于该知识库，按照教学大纲进行课堂教学，包含视频教学、练习培训和考核测试等部分，任一部分内容都能方便调取。理论知识采用动画、声音、图像和字等丰富直观的方式表现出来，易于理解。

3　系统特色功能

电梯检验虚拟培训系统建成后，经众多专业人士体验操作，得到广泛认同。该系统相比传统的培训方式具有以下4大特色。

3.1 　多梯种、多场景应用

系统集成了多个梯种、多种型号和多种性能参数的电梯教学模型，包括有机房高速客梯、无机房中速观光梯、公共交通型自动扶梯、间接顶升式液压电梯和杂物电梯等。每个梯种按照结构特点又分为机房通道、电梯机房、轿厢内部、轿厢顶部（井道）和底坑等多个检验场景。相比传统的电梯检验实操培训，该系统不需要多个场地和多台设备进行培训，较大节约了培训的硬件成本与场地面积。

学员使用系统进行有机房电梯底坑检验场景虚拟操作实景如图4所示。

图4　 电梯检验虚拟培训系统人机操作实景

3.2　结构空间透视

为使学员更好地理解电梯部件总成的组成结构与工作特点，在电梯建模过程中对重要且复杂零部件的内部组件一一建模，从而实现零部件结构的空间透视功能。在电梯检验虚拟培训系统学习模式下，学员可将相对复杂的零部件打散成分解状态，在空间范围内感受零部件的结构与组装方式。

交流异步曳引机结构空间视图如图5所示，可使学员了解曳引机的内部组成和每个零部件的空间位置，甚至还可以抓取任意的零部件，全方位地观看零部件细节。

图5 　交流异步曳引机结构空间视图

3.3　 随机设置故障点

在实际的电梯检验过程中，被检电梯可能存在各种故障或不合格处。常见不合格处有：机房通道不畅、机房警示标识缺失、紧急救援装置设置不合理和危险部件警示色不正确等。检验人员能否准确识别这些不合格处是验证检验水平和能力的关键。对学员进行培训考核时，在真实的设备环境中找一些有故障的设备或人为地设置设备故障比较麻烦。电梯检验虚拟培训系统可以将指定的部分模型设置为随机出现或者随机变更颜色，也可以将一些仪器仪表的测试读数在一定范围内随机变更，以此来考核学员对检验标准的熟悉程度和对检验现场细节的洞察能力。在考核模块下，机房通道中随机出现障碍物的场景如图6所示。

图6　 机房通道故障点设置示范

3.4 　错误操作零风险

电梯检验虚拟培训系统可让学员体验错误操作带来的后果。模拟困梯救援任务操作失败的场景如图7所示。

图7　 模拟困梯救援任务操作失败的场景

学员在完成电梯困人救援操作任务中，如果出现未按要求安抚乘客或者盘车求援前未确认电梯门的关闭状态等错误操作，系统会判定乘客可能因为恐慌而冒失自救导致受伤，出现救援失败的画面。

在现实操作中，错误操作可能导致人身伤害或者设备损毁。在传统培训过程中，只能通过让学员观看错误操作带来后果的动画效果实现警示作用。电梯检验虚拟培训系统可让学员体验错误操作并带来严重后果的培训功能，给学员带来震撼的学习效果。

4　结语

基于VR技术的电梯检验虚拟培训系统为电梯检验培训打造了新模式，今后将为电梯检验技术的快速发展和传承发挥更大作用。此外，VR培训模式也可拓展于其他危险环境下设备检验教学场合。

[1] 国家市场监督管理总局.国家市场监督管理总局关于2018年全国特种设备安全状况情况的通报[EB/OL]. http://samr.saic.gov.cn/tzsbj/gzdt/201904/t20190404_292592.html, 2018-4-2.

[2] 荆凯.浅析电梯事故发生的原因及预防救援措施[J].企业技术开发,2015,34(29):94-95.

[3] 陈定方,罗亚波.虚拟设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4] 吁鸣.塔式起重机操作及装拆虚拟现实系统的研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[5] 宋开功.基于Virtools塔式起重机虚拟培训系统的研究[D].济南:山东建筑大学,2010.

[6] 胡荣保.基于Virtools的桥式起重机仿真训练系统研究[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[7] 夏华锦.基于Virtools的叉车模拟培训系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2011.

[8] 徐桂芳,董浩明,魏国前,等.基于虚拟现实技术的起重机虚拟实验示教系统的开发[J].装备制造技术,2014(12):22-25.

[9] 胡兆勇,何汉武,罗海峰.基于虚拟PLC的四层虚拟电梯控制系统设计[J].装备制造技术,2010(4):87-89.

[10] 王天威.虚拟现实系统的开发及其应用[D].上海:华东理工大学,2011.

[11] 王雨婷.基于Unity3D的电梯安装仿真互动系统的设计与实现[D].沈阳:东北大学,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

陈诲，男，1984年生，硕士研究生，工程师，主要研究方向：检测仪器开发、机械设计、软件设计。E-mail: 33635336@qq.com

林燕，女，1979年生，工程师，主要研究方向：电梯安全检验、评估技术研究等。

陈敏，男，1988年生，工学硕士，主要研究方向：机械设备仿真分析与风险监测，起重机械安全评估等。

广东省质量技术监督局科技项目（2016CT06，2017CT21）