基于VR的幕墻故障輔助維護(hù)應(yīng)用探討

張喆 羅才喜 常兵兵

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)幕墻安裝人員對(duì)幕墻故障的快速發(fā)現(xiàn)和有效排除，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)應(yīng)用在幕墻故障輔助維護(hù)中，并設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用流程：虛擬建筑模型的建立、三維場(chǎng)景的導(dǎo)入、故障輔助維護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。除此之外，本文針對(duì)幕墻工程故障維護(hù)的應(yīng)用過程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)：三維幕墻模型的建立與導(dǎo)入、材質(zhì)的渲染、效果展示腳本的編寫等進(jìn)行研究和應(yīng)用，并以Unity和3DMAX為主要工作平臺(tái)，對(duì)其中的關(guān)鍵操作步驟進(jìn)行說明，最終實(shí)現(xiàn)模擬仿真效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)幕墻工程;故障輔助維護(hù)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hù)應(yīng)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(shí)（VR）技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[1]，其模擬環(huán)境的真實(shí)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(qiáng)大的仿真效果可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(shí)的反饋。VR技術(shù)隨著科技的發(fā)展取得了巨大進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)其的需求日益旺盛。

在建筑領(lǐng)域，幕墻工程變得越來越復(fù)雜化、大型化[2]。因其工程結(jié)構(gòu)原因?qū)е履粔Φ墓收显\斷變成難以解決的問題。本文認(rèn)為，利用VR技術(shù)來輔助幕墻安裝維護(hù)人員對(duì)幕墻一些零部件的維護(hù)這種形式可以給維護(hù)人員提供一種區(qū)別于視頻、說明書形式的故障維護(hù)方案并且可以將故障解決方案進(jìn)行分步驟拆解的多維度展示讓維護(hù)人員從細(xì)節(jié)上看的更加細(xì)致。進(jìn)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(yīng)用流程

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來展示幕墻維修的細(xì)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(duì)創(chuàng)建好的模型進(jìn)行渲染、編寫腳本文件實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助維護(hù)展示。

本文以機(jī)場(chǎng)窗戶的維修為例，設(shè)計(jì)了機(jī)場(chǎng)窗戶正常開關(guān)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(jī)場(chǎng)窗戶的正常工作狀態(tài)和故障發(fā)生時(shí)的不同之處。

具體工作步驟如下：

（1）獲得維護(hù)對(duì)象的CAD圖紙，確定基于VR要詳細(xì)展示操作細(xì)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(tái)對(duì)幕墻建筑組件對(duì)象進(jìn)行建模工作。

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

（4）對(duì)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(dǎo)的展示，以便用戶在維護(hù)幕墻建筑組件時(shí)細(xì)致了解體會(huì)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(shí)現(xiàn)幕墻建筑組件的故障輔助維護(hù)功能。把幕墻建筑組件維護(hù)的過程進(jìn)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(fù)完成后的效果展示。

以上應(yīng)用流程的主要難點(diǎn)在于：第一，需要?jiǎng)?chuàng)建處逼真還原度高的模型，從而給用戶一個(gè)真實(shí)的排故環(huán)境，達(dá)到更好的維護(hù)效果;第二，模型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出可能會(huì)導(dǎo)致某些模型的材質(zhì)丟失，因此導(dǎo)入導(dǎo)出文件時(shí)需要注意保留材質(zhì)貼圖;第三，實(shí)現(xiàn)輔助維護(hù)的展示需要借助于VRML語言或者基于C#的腳本文件，在實(shí)現(xiàn)效果上具有一定的工作量和難度。

基于此，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的解決方案：第一，為實(shí)現(xiàn)更好的模型效果，和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)人員詳細(xì)確定了幕墻組件的尺寸大小，基于CAD圖紙進(jìn)行建模，并進(jìn)行材質(zhì)渲染，使模型更加美觀;第二，導(dǎo)入導(dǎo)出模型時(shí)注意材質(zhì)的問題，要導(dǎo)出帶有材質(zhì)的模型文件;第三，由于對(duì)VRML語言不太熟悉，因此本文選擇基于C#的程序設(shè)計(jì)語言來進(jìn)行輔助維護(hù)腳本文件的編寫，并對(duì)每一個(gè)排故過程反復(fù)試錯(cuò)，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(gè)復(fù)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(shí)現(xiàn)過程。

2三維幕墻模型的建立

為了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更好的應(yīng)用于幕墻建筑的輔助維護(hù)過程中，搭建出逼真的虛擬實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景是本模塊成功實(shí)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(shí)場(chǎng)景成功搭建的基礎(chǔ)。因此在虛擬建筑場(chǎng)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(dǎo)出，然后導(dǎo)入到Unity平臺(tái)中進(jìn)行材質(zhì)渲染工作[4]。

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

本模塊主要選取張家口機(jī)場(chǎng)窗戶的三維建模過程來展開描述，通過CAD圖紙并與幕墻設(shè)計(jì)人員仔細(xì)溝通確定尺寸之后進(jìn)行建模。該部分主要是對(duì)機(jī)場(chǎng)窗戶進(jìn)行建模并可以對(duì)窗戶進(jìn)行正常開關(guān)的模擬。制作時(shí)主要使用了3DMAX平臺(tái)進(jìn)行建模，采用Unity進(jìn)行開關(guān)效果的實(shí)現(xiàn)。用戶可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行窗戶的開啟和關(guān)閉。主要工作內(nèi)容如下：

（1）核對(duì)機(jī)場(chǎng)窗戶圖紙內(nèi)容：首先分析CAD圖紙內(nèi)容（如圖1所示，圖內(nèi)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(shè)計(jì)人員仔細(xì)溝通過后確保數(shù)值無誤。

（2）機(jī)場(chǎng)窗戶建模：當(dāng)窗戶尺寸完整記錄以后，在3DMAX平臺(tái)上開始窗戶3D模型的制作。機(jī)場(chǎng)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(gè)部分來制作：窗戶框架、窗戶把手和窗戶把手托盤。

機(jī)場(chǎng)窗戶最終建模完成后的效果如圖2所示。

3虛擬幕墻維護(hù)場(chǎng)景導(dǎo)入及故障機(jī)理演示

機(jī)場(chǎng)窗戶的三維模型制作好之后，需要將機(jī)場(chǎng)窗戶模型按照制作時(shí)的分類在3DMAX中分別選擇導(dǎo)出到Unity中進(jìn)行下一步的工作。在從3DMAX中導(dǎo)出模型文件的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，這里給出一些本文在導(dǎo)出導(dǎo)入模型文件時(shí)遇到的問題以及相對(duì)應(yīng)的解決方案：

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

（2）模型材質(zhì)問題：在3DMAX中創(chuàng)建三維模型的時(shí)候，一些模型被添加了材質(zhì)，因此從3DMAX中導(dǎo)出OBJ文件時(shí)，要導(dǎo)出帶有材質(zhì)的OBJ文件用以保證模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity時(shí)不會(huì)發(fā)生材質(zhì)的丟失問題。

（3）模型文件的命名問題：在3DMAX中創(chuàng)建模型時(shí)，對(duì)文件賦予了文件名，這樣將模型文件導(dǎo)入到Unity中時(shí)不必再重新對(duì)文件進(jìn)行命名，從而節(jié)省大量的時(shí)間精力。因此本文在創(chuàng)建模型文件時(shí)對(duì)文件進(jìn)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(duì)模型進(jìn)行重新命名。

將模型文件從3DMAX中導(dǎo)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(fù)制進(jìn)去。其中移動(dòng)模型文件的時(shí)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(huì)提示Missing（Avatar）;Materials主要存放模型的材質(zhì)文件;Models主要存放物體的模型，如果缺少的該目錄的話不會(huì)顯示物體的模型;Prefabs主要存放預(yù)設(shè)文件，預(yù)設(shè)文件的好處在于修改一個(gè)源文件之后所有根據(jù)此源文件復(fù)制的文件都可以一并進(jìn)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(shí)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(shí)環(huán)境中體現(xiàn)窗戶正常與故障時(shí)的不同之處。

4基于VR的組件輔助維護(hù)演示的實(shí)現(xiàn)

在對(duì)幕墻窗戶把手進(jìn)行維護(hù)工作時(shí)，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(chǎn)生故障。因此完成這些工作后，需要在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互式操作來對(duì)幕墻故障進(jìn)行維護(hù)。本小節(jié)主要描述幕墻故障輔助維護(hù)虛擬交互功能的實(shí)現(xiàn)工作。此功能的實(shí)現(xiàn)能夠讓幕墻維護(hù)人員清楚故障發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象，并且針對(duì)現(xiàn)實(shí)中故障位置不好觀察的問題給出多維度的故障場(chǎng)景以及維護(hù)過程中的多維度展示。

門窗把手使用中會(huì)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(duì)某一種把手的維護(hù)過程借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助展示并對(duì)其實(shí)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(shí)技術(shù)進(jìn)行正確安裝窗戶把手達(dá)到輔助維護(hù)的目的，即借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓用戶了解窗戶把手的正確的詳細(xì)安裝操作過程，實(shí)現(xiàn)有效的安裝。

該安裝方案將進(jìn)行基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的維護(hù)展示。設(shè)計(jì)的故障維護(hù)方案為：窗戶把手向下旋轉(zhuǎn)時(shí)無法旋轉(zhuǎn)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(hù)的解決方案步驟如下所述：

首先用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中通過鍵盤的“W、A、S、D”鍵前后左右移動(dòng)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(hù)工人觀察到窗戶正常及產(chǎn)生故障時(shí)的情形。最后維護(hù)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(jìn)行窗戶把手故障的排除。

具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

（1）創(chuàng)建TransformHandleShouBa對(duì)象;

（2）調(diào)用DOLocalMove（）方法來實(shí)現(xiàn)窗戶把手的移動(dòng)效果，第一個(gè)參數(shù)表示移動(dòng)到（0.318f， -0.832f， -1.766f），第二個(gè)參數(shù)表示動(dòng)畫時(shí)間為4秒;

（3）調(diào)用HandleShouBa對(duì)象的gameOBJect.Set Active（false）方法來設(shè)置窗戶把手這一gameOBJect隱藏掉窗戶把手，從而實(shí)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(shí)，給出窗戶的正常開啟和關(guān)閉展示，表示窗戶故障已經(jīng)成功進(jìn)行維護(hù)。如圖3所示。

5總結(jié)與展望

本文對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幕墻故障輔助維護(hù)功能做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作[7]。首先借助于3DMAX平臺(tái)根據(jù)對(duì)應(yīng)的CAD圖紙內(nèi)容來進(jìn)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(tái)上導(dǎo)出并導(dǎo)入到Unity中進(jìn)行下一步的工作即材質(zhì)的渲染工作，使得創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境更加逼真，視覺上更加美觀。另外還給出了導(dǎo)入導(dǎo)出模型文件的過程中遇見的問題以及對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)幕墻窗戶這一組件正常工作過程和故障機(jī)理的演示。最后利用Unity平臺(tái)以及VisualStudio2015來編寫腳本文件從而實(shí)現(xiàn)了窗戶把手故障的輔助維護(hù)過程中的分步驟拆解的多維度詳細(xì)展示。

本應(yīng)用的研究與實(shí)現(xiàn)，有助于解決傳統(tǒng)幕墻工程維護(hù)過程中的場(chǎng)地限制、場(chǎng)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(hù)人員的技術(shù)實(shí)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王永紅.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的計(jì)算機(jī)組裝及評(píng)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[D].廣州：廣州大學(xué)，2011.

[2] 沈家文，劉勇，楊成.建筑設(shè)計(jì)推動(dòng)工程技術(shù)進(jìn)步[J].云南建筑，2014（2）：18-21.

[3] 張鵬，何東海.BIM技術(shù)在幕墻工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，

2013（8）：105.

[4] 金詩宇.基于Unity的多目標(biāo)模擬器的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2014.

[5] 章乘陽.幕墻工程信息管理系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[D].昆明：云南大學(xué)，2016.

[6] 胡燕.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（6）：58-60.

[7] 邵欣桐.基于虛擬儀表的交互式故障診斷與排故仿真技術(shù)研究[D].天津：中國民航大學(xué)，2013.