VR技术应用于电梯检验虚拟实训系统的探讨

2023-01-02解晨

中国设备工程 2022年11期

解晨

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院，江西南昌 330000）

随着我国经济的快速发展，电梯保有量也在迅速增加。电梯作为特种设备，其检验质量对确保电梯自身安全运行来讲意义重大。目前检验人员和电梯数量的人机比矛盾突出，这对检验人员的技术能力提出了较大的要求。传统电梯检验培训方式除了要进行理论学习以外，一般是由2～3位高年资师傅带着学徒到现场学习。电梯检验是一项复杂的工作。电梯质量和使用者的生命财产安全息息相关。基于这种情况，有必要对电梯维护以及检验人员开展有效培训。从事电梯检验的工作人员必须经过行业培训以及考核，其在获取执业资格之后方能从业。电梯理论知识涉及面相当广泛，学员们所需要学习的知识点多。令其在短期之内学习透彻相关知识难度不小，并且值得说明的是，考核以及培训多侧重理论，学员们缺少实际的操作经验。即便其取得执业资格之后，依旧需要前往现场学习，只有这样才能取得相关操作经验，完胜检验工作。可见，传统意义上的电梯培训考核存在局限性。为了全面分析VR技术应用于电梯检验虚拟培训系统的价值，本文对上述命题开展分析，现综述如下。

1 VR技术的简介以及其在特种设备内的应用情况

1.1 关于VR技术的简单介绍

VR技术为Virtual Reality的简称，即虚拟现实，其又被称之为人工环境或者灵境技术。早在20世纪80年代初，VR概念就已经被提出。这项技术是通过新式传感器技术以及电脑创设的人机交互手段。VR主要经过计算机生成3D模拟世界，为应用者提供一个关于听觉、触觉以及视觉的感官性模拟场面，令使用VR设备的人如同身临其境。VR技术可以实现无限制、及时的观察三维空间事和物。在20世纪90年代初，于美国的国家科学基金资助的交互式系统项目工作组之内，就对该项技术开展了系统化论述。并以此为基础，建议并确立了VR环境领域研究重点。可以这样讲，VR技术融合了显示、传感器、计算机仿真、计算机图形技术等等诸多学科的技术。其能够在诸多维度信息空间创设虚拟信息环境，令使用者如同身临其境沉浸于其中，其有着环境完善交互作用能力水平，且也对启发构思有一定帮助。可见，VR环境系统的基本特点为沉浸、交互以及构想。而VR技术的核心内容为仿真及三维建模。现如今，VR技术已经被应用到娱乐、军事航天、医学、特种设备、游戏、地理、教育、房产开发、工业仿真、能源、生物力学等等领域之内。

1.2 VR技术于特种设备内的应用情况

有学者将拆卸和安装技术规程为参照，经VR平台中的Quest3D开发出了关于起重机的拆卸以及操作系统。这个系统可以针对起重机的塔机操作以及拆卸工作人员开展培训工作。另有学者经过VR技术内的Virtools创建出整体3D场景塔式起重机模拟培训系统。培训人员经VR演示操作，和置身于实际场景一般，可以依照设备操作过程中开展各类模拟操作。也有工作人员使用了VR研制出桥式起重机仿真训练系统。其能够显示出驾驶员于操作起重机中查看实际情况，进而实现操作人员和VR的实时交互。

有文献分析了使用Unity 3D技术设计出关于电梯安装仿真互动全系统。其在根本上实现了电梯虚拟安装教学之过程。学习者能经过这种系统开展电梯安装的模拟。值得说明的是，从电梯检验方面来看，经过应用VR技术研究相对比较少。

2 关于电梯检验VR培训系统的相关设计

2.1 关于相关系统的硬件搭建

相关系统的硬件主要包含VR设备、显示器、高性能电脑和音频等附属性设备。经有效方式创设沉浸式体验环境为硬件选择的最终原则。在此过程中相关工作人员在应用时可以实现流畅、精确地做好相关步骤。上述内容的实现要求在硬件设备于图像展现、空间定位以及交互方式等诸多方面有一定水平。

从当前情况来看，VR硬件的设备主要包含PS VR、OCULUS RIFT、HTC VIVE以及VoxelSense桌面一体机等。在此其中，HTCVIVE在主流的VR开发软件接口结合比较方便。基于这种情况，在梯检验虚拟培训系统之内择取了HTCVIVE设备。HTCVIVEVR的套件主要包含了定位装置四个、操控手柄两个以及头显装置一个。定位装置能够于空间之中一并追踪以及控制器。内部包含了激光高精度定位传感器、陀螺仪以及加速度计。其具体的追踪精度能够精确到0.1°。其不需要摄像头的协助，只靠光敏传感器、激光定位运动物体的位置。这种设备允许使用者可在既定范围内自由走动，其满足了学员的要求。

2.2 仿真培训系统硬件实现

仿真培训系统硬件配置方面遵照可靠性、开放性、灵活性之原则。具体硬件设备择取原则必须符合同行国际标准，且也要具备现阶段国内先进水准、同时于仿真培训行业之内被积极应用、认可设备。经此法，全面确保相关系统运行可靠程度。仿真培训系统之内主要包含了教员机、仿真服务器、训练人员机、仿真调度服务器、投影仪以及打印机、局域网互连设备等。

遥调操作为一类对于开关设备、分级升降设备实施远动控制的方式。其记录并汇总有关信息。数据处理为一类针对输配电的电缆相关数据收集、遥控信号处理方式。结合具体的状态量、模拟量以及保护信息分类进行响应以及处理。调度服务器为与此同时负责整体网络数据通信控制，其主要负责完成逻辑信号潮流数据收发操作。

学员机为培训者提供满意人机交互操作界面。培训者能经过借助外设（键盘、鼠标等）等等诸多工具于VR虚拟环境之内开展模拟操作。就此对电梯故障开展检验。此外，也能同时实现自主开展操作、理论培训。诸多电脑构成学员机，其一并经由教员负责管理，能实现可独立运行/分组协调运行。于教员机协助控制条件之下，针对学员机加载电梯运行经典故障，训练者经多次演练，全面提高自身专业技能。

教员机主要一般被用在教师编制习题、教案、训练者成绩管理、信息管理、设置运行方案以及设定系统故障等等。教员机能监视并管理各训练人员机，对于培训进程进行有效控制。在此其中，其也负责监视、管理、记录训练者电梯故障检测操作，完成巡视，进行事故处理以及填写相关报表、打印等等诸多工作。此外，也能经过教员机针对系统运行状态开展监测和维护，做好各类编辑功能，进行数据组织管理操作。

就投影系统、网络互联网设备以及打印机系统方面来看，主要为：相关系统网应用的是300M以太网结构，经交换机，体现出计算机间相互关联。其具备和外部互联网连接的能力。使用国际标准TCP/IP网络协议。在此同时准备一套打印机以及投影仪，将其运用到多媒体考评培训以及教学工作之内。

2.3 关于软件平台的开发

关该系统的软件开发平台为Unity 3D，同时搭配C#开发，支持C/S架构、本地服务器与客户端连接，支持SQL数据库存储及处理，满足虚拟内部设备各种交互（点击、移动、输入等以及按键控制），可利用HighLighter对模型进行高亮显示，以及透明度、Collider等功能，操作人性化、清晰明确、UI美观，满足在Windows操作系统环境中稳定在线和实时运行。这种平台能够于创建建筑的可视化、三维视频游戏与实时三维动画等方面发挥出极大优势。可以这样讲，Unity 3D有着非常强大的功能，软件平台应当集成关于电梯的成套虚拟模型、声音模型和检验场景，令学员能够于VR环境中在根本上实现整体交互过程。基于此，其具体的关键技术主要包含虚拟设备逻辑行为以及状态模拟方法、知识库构建检验。软件平台结合分层用于组织各大功能模块以及相关数据内容，其主要分为功能层、推理层、数据层、界面层以及显示层。

于电梯的检验，虚拟现实仿真培训系统全面依照了TSG 7001电梯监督检验和定期检验规则，并要求结合实际检验经验创建相关知识库。相关软件平台全面基于该知识库，结合教学大纲中的内容，实现课堂教学。在此其中包含了考核练习培训和视频教学等等。每部分内容都能够随时调取，理论知识方面则应用声音、动画、文字以及图像等等直观性方式予以表达，方便学员进行理解。

3 系统特色功能阐述

3.1 不正确操作零风险

应用电梯检验虚拟培训系统能够令学生充分体验不正确操作所酿成的后果。比如说：学员在进行绝缘电阻测试的任务时，如果没有断开灵敏电子元件，则有可能损坏相关电子元件；又或者在绝缘电阻仪未放电情况下用手触及引线部分则有可能发生触电危险。采用VR系统则会判定学员由于操作不当导致设备故障或者自身危险的画面，进而出现检验错误的提示。值得说明的是，在实际操作过程中不科学的操作极有可能引发设备损毁或者人身伤害现象发生。在进行传统培训时，仅通过让学生观看不正确操作所酿成的后果动画效果展现警示作用，警示性不强。而应用虚拟培训系统能够令学生真实体验不正确操作所造成的后果培训功能，其能够为学生带来相当震撼的学习效果。

3.2 多场景以及多梯种的应用

在VR虚拟现实仿真实训系统中可集合多个型号、多个梯种以及很多性能参数与电梯教学有关的模型。在此其中包含了自动扶梯、自动人行道、乘客电梯、杂物电梯等等。不同种类的电梯结合其结构特点，又被分成电梯机房、机房通道、轿厢内部、底坑以及轿厢顶部等等。诸多检验场景和既往所沿用的电梯检验实训操作相比而言，VR系统的应用无需多设备多场地，就可实现对学员进行培训。其在极大程度上节省了培训的硬件成本以及所需场地面积。

3.2 实现结构空间透视

为了令学员们更顺利地理解电梯部件组成结构以及工作特征，在开展电梯建模时，有必要针对复杂且重要的零部件内部组件逐一进行建模。通过这种方式体现出零部件结构空间透视功能。于电梯检验虚拟培训系统学习模式之下，学生可以把比较复杂的零部件一一分解，同时在空间范围之中全面感受零部件的组装方法和具体结构。比如说，限速器结构空间视图之中，能够令学生知晓限速器的内部构成以及每个零件空间位置，同时全面观察零部件的细节情况。