基于TRIZ理論的互聯網+原油集輸工藝培訓系統設計

近年來，大慶油田慶新油田大力投入開展數字化油田建設，不斷配套完善集信息監測、數據傳輸和處理以及智能管理和決策于一體的數字化、信息化、智能化數字管理系統的計算機網絡環境。新技術、新設備、新工藝改變了油田傳統生產運行模式，也給油田崗位員工培訓工作提出嶄新要求，帶來了新的動力。

源于發明專利的TRIZ理論是指導工程創新實踐、解決創新發明問題的有力武器，也是迄今為止最為系統的創新問題求解方法體系，眾多的工程實例已經證明了這種基于發明的再發明方法的實用性和價值。但將TRIZ理論應用于IT、商業以及人文社會領域的工程案例尚不多見，且學界對于這類應用存在頗多爭議。本文結合油田崗位員工培訓工作在數字油田背景下出現的新問題，探討如何通過TRIZ理論引導形成具有創新意義的解決方案。

1 現有培訓系統初始形勢

現有培訓系統結構框圖如圖1-1所示，系統主要由油田現場生產設備、學員、生產資料、教室、教師、教材以及多媒體設備等組成。教師通過使用教材、多媒體設備向學員傳授原油集輸工藝，學員也可通過油田生產現場進行觀摩、實踐，學員在學習過程中所遇到的問題可與教師進行溝通。該系統主要通過教師授課、實物觀摩以及現場操作等形式，使員工熟練掌握生產工藝流程，熟悉崗位操作技能。

在原油集輸工藝培訓過程中，具體培訓內容包括安全規范、常用工具、操作規程、設備結構、工藝流程等。一般新入廠的青年員工培訓周期為一年，轉崗員工培訓周期為3個月，要求學員了解原油集輸的工藝流程，掌握設備結構和常用工具，熟練掌握安全規范和操作規程，并在培訓結束時進行定級考核，驗收培訓成果。根據現場調研和學員反饋信息，當前培訓系統崗位技能培訓目標落實并不好，亟待解決。

2 問題因果分析

為明確現有原油集輸工藝培訓系統存在的根本問題，作者與油田培訓教師、學員以及培訓管理人員進行了深入的交流和探討，利用因果分析工具進行了關鍵問題排查，得到具體分析結果如圖2-1所示。

經過因果分析，明確現有原油集輸工藝培訓系統待解決的關鍵問題，結合常規培訓技術和管理手段，提出6個解決方案：

（1）將學員的培訓成績與教師的年終獎掛鉤來提高教師對培訓的重視。

（2）將學員的培訓成績與學員的年終獎掛鉤來提高學員對培訓的重視并調動學員主動性。

（3）使用虛擬現實技術構建出虛擬油田現場，學員通過電腦對現場設備進行虛擬操作來滿足培訓對操作技能要求。

（4）學員可在辦公室進行在線學習，不受教室限制，教學方式靈活，無需集中組織。

（5）將教材設為電子版，方便更新。

（6）考核方式采用理論與實踐相結合的方式。

3 最終理想解

在使用最終理想解解題時，采用六問法引導思路，具體見表3-1。

通過最終理想解，提出兩個解決方案：

（1）利用網絡、多媒體設備及辦公室，進行網上在線教學，現場的影像資料通過網絡瀏覽，在線與老師互動并進行考核，實現學員自己完成培訓學習。

（2）引入虛擬現實技術，利用現有資源中的多媒體設備結合互聯網技術，構造出虛擬的現場設備，使學員身臨其境感受現場環境，實現學員與現場的交互。在虛擬的三維環境中，原油集輸的概念變得具體生動，降低了學習原油集輸工藝的難度。學員通過電腦就可以自己掌握原油集輸工藝。

4 問題多維度求解

4.1 功能分析與裁剪

當前原油集輸工藝培訓系統的主體功能為培訓學員掌握原油集輸工藝，其功能圖表如圖4-1所示。

裁剪是通過裁剪掉系統中存在問題組件（如產生有害作用組件、作用不足組件等），同時消除沒有存在必要的功能，或者轉移問題組件承載功能到系統其他組件上，使問題得以消除，而系統整體功能保持不變的問題求解方法。具體裁剪過程應循序漸進逐步完成。本案中通過裁剪教室、裁剪教材、裁剪現場設備、裁剪教師、裁剪生產資料等5步實現對現有原油集輸工藝培訓系統的徹底裁剪，并提出若干技術方案，系統功能模型裁剪過程如圖4-2所示。裁剪后模型與最終理想解目標相契合，系統裁剪后的功能模型如圖4-3所示。

通過功能裁剪提出5個解決方案：

（1）可采用分散式在線教學。學員可利用辦公室中的電腦進行在線學習，既擺脫了培訓受場地的影響，同時也增加了受訓時間。

（2）將教材制成電子版，學員可通過多媒體設備瀏覽，更新教材只需在網絡上進行。

（3）利用虛擬現實技術，建立虛擬原油集輸設備。學員利用電腦對虛擬生產設備進行操作。

（4）可采用計算機人工智能代替教師。

（5）將生產資料（電子版）、教材（電子版）、三維虛擬原油集輸設備融合為一個虛擬培訓系統，采用計算機人工智能代替教師。

4.2矛盾分析

通過功能分析和裁剪可以形成“互聯網+培訓”的問題求解方案，該方案與最終理想解的目標相契合，但要根據油田的實際情況來選擇和確定最終實施方案。在具體方案實施過程前，尚存在著教材更新、培訓組織、事故處理培訓等若干問題需要解決，本案采用矛盾分析的方法進行求解。

4.2.1 教材更新的技術矛盾

4.2.1.1 技術矛盾分析

利用技術矛盾分析的“如果…，那么…，但是…。”表述來分析確定和驗證技術矛盾，具體表述如下：

正向描述EC1：“如果（A+）經常更新教材，那么（B+）教學內容貼近工程實際，但是（C-）耗費大量人力物力”；

反向描述EC2：“如果（A-）不經常更新教材，那么（C+）節省大量人力物力，但是（B-）教學內容脫離工程實際”。

4.2.1.2 技術矛盾確定

確定要解決的技術矛盾發生在“更新教材人力物力消耗（C）”與“教學內容的工程實用性（B）”之間，發生在“教材更新（A）”的時候。經分析，對應通用工程參數為：

改善的參數：（39）生產率；

惡化的參數：（27）可靠性。

因此，對應教材更新的技術矛盾為生產率與可靠性。

4.2.1.3 解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為：

（1）分割，（35）參數變化，（10）預操作，（38）加速氧化。

通過探討創新原理得到3個解決方案：

（1）應用分割原理，將教材不頻繁更新的部分與頻繁更新的部分分開，只需更新內容時常變化的部分，節約資源。

（2）應用參數變化原理，將普通紙質教材制成電子版，更新內容只需在電腦上操作。

（3）應用預操作原理，在平時編寫一些操作手冊，當編寫新教材時可用操作手冊中的內容。

4.2.2 培訓組織的技術矛盾

4.2.2.1 技術矛盾分析

利用技術矛盾分析的“如果…，那么…，但是…。”表述如下：

正向描述EC1：“如果（A+）集中組織培訓，那么（B+）一次可培訓較多學員，但是（C-）需要大量資源”；

反向描述EC2：“如果（A-）不集中組織培訓，那么（C+）需要少量資源，但是（B-）一次可培訓學員較少”。

4.2.2.2 技術矛盾確定

確定要解決的技術矛盾發生在“培訓學員數量”與“所需資源”之間，發生在“培訓組織”的時候。經分析，對應通用工程參數為

改善的參數：（39）生產率；

惡化的參數：（23）物質損失。

因此，對應教材更新的技術矛盾為生產率與可靠性。

4.2.2.3 解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為：

（28）機械系統替代，（10）預操作，（35）參數變化，（23）反饋。

通過探討創新原理得到兩個解決方案：

（1）采用機械系統替代原理。應用電腦和網絡來進行分散式教學，無需組織。

（2）采用預操作原理。在培訓前，要求學員掌握簡單的原油集輸基礎知識，只有通過基礎知識考核的學員可參與集中培訓，解決復雜疑難的問題，這樣就可既提升受訓學員的數量又節省培訓時間和資源。

4.2.3 事故處理培訓的物理矛盾

原油集輸生產現場的事故處理工藝是學員必須掌握的一項技術。而現有的培訓系統中無法讓學員實際操作，只能通過教師的講解和影像資料來學習，這大大降低了學員處理事故的能力，存在的物理矛盾描述如下：

“油田生產現場”應該（A+）“停產”，以滿足“教導學員事故處理措施”要求；

“油田生產現場”應該（A-）“不停產”，以滿足“完成原油生產任務”要求。

通過上面論述可以確定關于事故處理培訓存在既“要停產”又“不能停產”的物理矛盾。采用分離原理求解問題得到四個解決方案：

（1）設計相同的生產現場，專為培訓建立。（空間分離）

（2）將時間分為設備檢修期與運行期。學員在現場設備檢修時進行學習，其余時間不到現場學習。（時間分離）

（3）現實生活中油田現場為多維空間，可利用虛擬現實技術構建虛擬三維模型，學員可在電腦上操作。（條件分離）

（4）采用師傅帶徒弟的方式進行培訓。將培訓與常規的工作融合在一起，對于學員來說是在進行培訓，可以接觸到事故操作，對于原油生產系統來說是在正常生產，不必涉及停產問題。（整體與局部分離）

5 改善教師授課效果的物-場模型分析

目前的原油集輸操作培訓系統采用的是填鴨式教學，教師直接向學員灌輸知識。由于學員無法實際操作，且教材滯后于現場情況，因此通過教師的講解向學員傳授原油集輸操作技能效應太弱?，F有原油集輸操作培訓系統教師授課的物-場模型為效應不足模型，直接灌輸可以理解為作用對象之間的剛性接觸，屬于機械場，教師為施加作用方，學員為被作用對象，其物-場模型如圖5-1所示。

根據效應不足物-場模型的一般解法5，可考慮在教師的教學環節中引入其他形式的場（如添加視頻動畫等）來激發學員的學習興趣，提高崗位技能培訓效果。視頻動畫對于學員具有更大的吸引力，利用理解為磁場，增加視頻動畫改進后系統物-場模型如圖5-2所示。

也可以考慮利用效應不足物-場模型的一般解法6，將教師和學員之間的直接作用改為通過中介物的間接作用實現（如采用遠程視頻，案例教學，網絡教學），從而提高授課效果。改善后系統物-場模型如圖5-3所示。

根據相應病態模型的一般解法可以得到兩個解決方案：

（1）采用教師的講解與動畫視頻相結合的方式進行教學，提高學員興趣。

（2）采用遠程視頻，案例教學，網絡教學豐富教學內容，提高培訓效果。

6 方案評價與選擇

通過前面的論述和分析，共得到24個技術方案，剔除雷同方案，剩余16個技術方案，經過整理和綜合可歸納出為3個綜合方案：

綜合方案1：在培訓前，要求學員掌握簡單的原油集輸基礎知識，只有通過基礎知識考核的學員可參與集中培訓。在培訓過程中使用動畫視頻教學，并加強師生間互動，提高學員學習興趣。將教材不頻繁更新的部分與頻繁更新的部分分開，更新內容時常變化的部分。并將課程錄制成教學視頻，學員可在辦公室或宿舍通過電腦學習。

綜合方案2：采用分散式教學。利用網絡、多媒體設備及辦公室，進行網上在線教學?，F場的影像資料通過網絡瀏覽，在線與老師互動并進行考核。將普通紙質教材制成電子版，更新內容只需在電腦上操作。

綜合方案3：將虛擬現實技術與互聯網技術相結合，構造出虛擬的現場設備及生產環境，并將普通紙質教材制成電子版。學員可在辦公室或宿舍通過電腦學習。在虛擬的三維環境中對原油集輸設備進行操作并在線與老師互動和進行考核。

在進行方案評價時，首先要建立評價指標體系，根據油田現場培訓專家經驗，這里選擇培訓周期、培訓內容、培訓效果、培訓成本和可行性等五個指標，權重設置相同，其次，要建立賦分機制，賦分采用五分制（0-4分），即指標提升效果最優為4分，沒有效果為0分，中等效果為2分，中等偏上效果為3分，有效果但不顯著為1分。最后，根據賦分機制進行單項指標賦分，然后根據“總分=∑權重×單項指標賦分”公式求總分并進行排名，詳見表6-1。

通過對以上3個綜合方案進行對比分析，可以看出方案3的整體指標改善效果更加顯著，因此采用方案3為最終實施方案并將其命名為“互聯網+原油集輸工藝培訓系統”。通過該培訓系統，學員可以在虛擬環境中對原油集輸設備進行虛擬操作，同時可以對安全規范、常用工具、操作規程、設備結構、工藝流程等進行學習?；ヂ摼W+原油集輸工藝培訓系統保持了原原油集輸工藝培訓系統的優點，消除了原系統的不足，沒有使系統變得更復雜，沒有引入新的缺陷，具有培訓周期短、培訓內容全面、培訓效果好的特點，符合最終理想解的特點。

7 互聯網+原油集輸工藝培訓系統簡介

互聯網+原油集輸工藝培訓系統采用3DS MAX建模技術、VRP虛擬現實技術、SQL數據庫技術、互聯網技術開發，互聯網+原油集輸工藝培訓系統結構示意圖如圖7-1所示。該系統具有模擬培訓和培訓信息管理等功能，學員與教師之間、學員與學員之間通過網絡進行溝通。學員通過學員入口進入任務設置界面，可以實現崗位知識和技能的學習、訓練以及考核，同時可以完成個人信息查閱修改以及公共閱讀功能，并可在選取要完成任務后進行任務操作。管理員通過管理員入口，可以實現學員學習信息查閱、技術考核管理、學員信息管理、公共信息發布以及個人信息修改。

互聯網+原油集輸工藝培訓系統中的原油集輸生產設備模型形象、逼真。學員可以在虛擬環境中完成對設備操作訓練。虛擬操作界面如圖7-4所示。

8 效益分析

互聯網+原油集輸工藝培訓系統的研制和開發在極大程度上解決了油田員工崗位培訓所面臨的諸多問題，充分利用了油田數字化資源，結合新時期油田員工學習特點，進一步促進和加強了崗位技術培訓管理，提高了崗位技術培訓效果，該系統開發及應用，直接經濟效益每年為慶新油田節省數十萬元培訓費用，若將其在油田公司推廣，其經濟效益更加可觀，具體費用見表8-1。

該系統社會效益更為突出，是培訓領域的重大突破，使公司培訓能力得到加強，員工培訓實現日?；?、常態化。采用虛擬現實仿真培訓的方式可以最大限度激發學員的學習興趣，化學員被動聽講為主動探索，提高培訓工作效率，尤其是在應急預案方面，使不能培訓的項目變成可能，有效的處理緊急事故。在員工的崗位技能得到強化的同時，也推動公司建設形成學習型團隊，開創慶新公司培訓工作新局面，創新大慶油田培訓工作，為公司建設安全、綠色、高效、和諧的現代化油田發揮積極作用。 責編/劉紅偉