基于VR 技术的电梯限速器校验培训系统设计★

周叶平，汪有韬，兰清生，李婷婷，胡 诚

（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 330052）

0 引言

电梯限速器是电梯一个非常重要的安全部件，是避免电梯轿厢（或者对重）超速运行的重要安全保障装置，也称之为断绳保护和超速保护装置[1]。近年来，由电梯检验规则《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》（TSG T 7001—2009）增加：“检验人员现场观察确认电梯限速器校验的过程”的要求，可见国家相关职能部门对电梯限速器校验工作的重视程度[2-4]。然而迫于当前电梯维保及检验的人机比矛盾，培训资金投入成本大等原因，电梯维保企业能够投入到维保人员关于限速器校验培训中的是极少的。同样电梯检验检测机构也面临严重的人机比矛盾，大部分检验人员疲于应对日常的电梯检验工作，导致了电梯检验人员对电梯限速器校验过程不熟悉；究其原因有：一方面是由于人机比矛盾突出；另一方面是电梯限速器校验的培训难度大。客观原因是在电梯限速器校验的培训过程中存在手指被挤压、校验仪器被损坏的风险。当前面临用电梯的老龄化趋势、电梯检验检测市场的改革发展，亟需提高电梯维护保养人员、电梯检验人员的技术素养，迫切需要提高电梯相关从业人员的电梯限速器校验技能，本文设计了一款基于VR 技术的电梯限速器培训系统，通过MAYA软件对电梯机房、电梯限速器、限速器相关零部件、便携式校验仪及其辅助工具进行建模，通过搭建VR 虚拟现实开发环境，设计了基于虚拟现实的限速器校验培训系统，按照现场限速器检验操作流程还原校验作业，达到了电梯限速器校验培训的目的。

1 电梯限速器VR 培训系统方案

1.1 培训系统设计

电梯限速器VR 培训系统架构图如图1 所示，系统由三部分组成，分别是UI 框架设计、系统框架设计、音频框架设计[5]。UI 框架设计包括登录主界面UI、提示UI、校验仪界面UI；系统框架设计包括数据模块、设备（校验仪）操作模块、控制模块；音频框架设计包括：音频输出、音频触发、音频控制。

图1 电梯限速器VR 培训系统架构图

图2 手柄、头戴式VR 设备

1.2 系统硬件平台设计

系统硬件平台由手柄、头戴式VR 设备、PC 主机等设备构成。系统基于Unity3D 引擎开发，以Oculus Quest2 头戴式VR 设备为互动媒介，主程序在windows 系统上运行。

手柄、头戴式VR 设备与PC 主机连接并进行基础配置，通过头戴式设备与6 个高清摄像头进行定位，识别操作者周边环境，采用可见光追踪的手柄进行手部交互。VR 眼镜与操控手柄作为输入设备产生移动、转向、跳转等位置与控制信息，经主机图形引擎处理，输出影像、动画和声音等信号[6-8]。

系统操作主要使用到VR 手柄上的摇杆按键（摇杆具有圆周方向上的扳动，系统设计左手手柄向北方向扳动即可激活曲线移动操作，右手手柄向北方向扳动即可激活直线选择操作）、握持按键（虚拟环境下的手柄触碰物品，按下握持按键即可抓取物体）、扳机按键（当右手手柄直线触发，并指到相应物品或UI 界面时，可扣动扳机进行选择或确认），如图3 所示。

图3 手柄操作动作

2 电梯限速器培训系统功能设计与实现

电梯限速器VR 培训系统的虚拟场景包括素材采集、三维场景搭建、系统交互界面UI 设计。

2.1 虚拟场景建立

素材采集是指电梯机房、轿厢轿顶等限速器校验作业真实环境场景、限速器校验仪器设备、限速器、辅助设备的测量。

三维场景搭建是指基于素材采集的数据，利用3D 建模软件进行设备、作业场景的三维建模、材质调节、贴图制作。3D 模型是基于Unity3D 引擎实现电梯限速器校验系统中的重要一环，3D 模型是虚拟场景中功能实现、场景运行、效果展示基本组成部分。电梯限速器校验培训系统中涉及模型是通过三维建模软件Maya 完成[9-10]，图4 为Maya 软件建立的限速器三维模型。

图4 限速器三维模型

2.2 系统交互界面UI 设计

系统以传统页面内容的方式呈现，通过头戴式显示器和手柄进行操作，依据操作者的位置、方向、手势等三维空间中的行为完成交互任务。在教学模式下，系统会通过高亮、位置引导、语音提示等辅助功能，协助操作人员完成系统交互。通过Photoshop 软件绘制交互制界面，将绘制的界面保存为png 格式后导入unity，然后到unity 进行组拼，编写并绑定代码实现点击或者切换的功能[11]。

3 电梯限速器培训系统应用流程

进入系统首先进行模式选择，选择教学模式，视角下方出现提示界面，提示进入电梯轿顶，后方出现传送点，移动到传送点到达电梯轿顶位置，如图5 所示。

图5 电梯间传送点

进入到电梯轿顶后，按照提示，通过夹具将限速器钢丝绳（非固定安全钳端）固定在轿顶护栏上，完成操作后根据提示返回机房，如图6 所示。

图6 夹具操作

根据提示电梯检修向上运行电梯，限速器上的钢丝绳即可松脱，通过右手直线指示并扣动扳机确认取下钢丝绳，如图7 所示。

图7 取下限速器上的松脱钢丝绳

限速器钢丝绳取下后，启动限速器校验仪连接好传感器后，设置校验仪参数、选择运行方向后，通过手柄触碰电机并按下握持按键即可拿起电机设备准备进行校验，如图8 所示。

图8 启动校验仪

点击开始测试后，将启动好的电机转头触碰限速器绳轮，带动限速器轮转动进行校验，如图9 所示。

图9 限速器校验设备使用

当限速器轮随着电机转速增加，当速度达到一定值后，首先电气开关断开，速度继续增大，随后机械开关动作，完成一次限速器校验，如图10 所示。

图10 限速器机械开关动作

根据校验要求对校验仪设备和限速器进行复位后相继完成三次试验，三组试验完成查看打印的数据单，如图11 所示，反向校验流程重复上述步骤。

图11 查看数据单

4 结语

培训系统以电梯限速器、限速器校验仪为对象，构建电梯限速器VR 校验培训系统，通过多种交互手段实现真实环境下的操作流程，并对其关键步骤及结果进行状态反馈，形成物理校验环境，通过搭建VR虚拟现实开发环境，设计了虚拟校验环境、电梯限速器虚拟模型、限速器校验交互方式。按照现场限速器检验操作流程还原校验作业，达到了电梯限速器检验培训的目的。