基于組態軟件的核電廠系統與設備可視化教材開發

胡明

摘要：針對核電廠系統與設備培訓的特點，采用組態軟件開發了核電廠系統與設備可視化教材，并通過可視化教材管理平臺進行教材管理和學習，實現了該培訓的可視化和網絡化。

關鍵詞：核電廠；組態軟件；可視化教材

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0169-02

核電廠培訓活動的有效實施是確保其員工的資質和工作能力滿足運營需求，保證核電廠安全、可靠運行的重要途徑。核電廠系統與設備培訓是核電生產部門員工取得崗位授權的必修科目，該培訓通常存在知識點多、理解難度高、培訓教員有限、培訓成本高、培訓材料單一等難點。培訓教材的質量對培訓效果起到了決定性作用，傳統的紙質教材多以文字信息和平面圖片的形式呈現知識，為解決核電廠系統與設備培訓的難點，就需要一種更為先進的教材。

1 可視化教材簡介

可視化技術最早是美國計算機成像專業委員會為解決種類繁多的信息源產生的海量數據遠遠超出了人腦分析能力的困境而提出的，通過可視化方式將知識轉化為圖形或圖像在屏幕上顯示并進行交互處理，有利于簡化復雜信息的表征，大幅降低學習者的負荷。[1]

可視化教材是使用專用軟件制作、通過Web進行發布和使用的電子教材。該教材將動畫、圖片、文字、音視頻等素材有機結合，針對知識點特點設計展示方式，用戶使用瀏覽器訪問教材頁面，通過多種交互方式進行在線學習。

相比于傳統教材，可視化教材自身的特性使其具備信息量大、交互性高、培訓方式靈活、培訓成本低和維護方便的特點。針對核電廠系統及設備開發和使用可視化教材，可為該項培訓的諸多難點提供一個有效的解決方案。

2 開發軟件的選用

考慮到可視化教材設計特點和技術要求，經過對比分析多種開發軟件，選用組態軟件作為教材開發軟件。組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，廣泛應用于電力系統、給水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。

組態軟件可提供可視化的風格界面、豐富的工具欄和工程向導功能，具備便捷易用的圖形開發環境、豐富的動畫鏈接支持和強大的腳本系統，且有良好的開放性，提供多種數據接口。相比于常用的PPT、Flash、Authorware等軟件，使用組態軟件能大幅提高核電廠系統與設備培訓教材開發效率，且利于教材的網絡發布和使用。

3 可視化教材開發

3.1 開發過程

依據系統化培訓方法[2]，建立核電廠系統與設備可視化教材開發過程模型，如圖1所示。按照該模型，通過知識點分析確定培訓目標，進而有針對性地設計可視化方式，隨后按設計要求整理資料、編制腳本和開發教材，最后進行教材的試用和評價修改。

3.2 界面設計

按照核電廠系統與設備知識培訓的特點將教材內容分為概述、功能、系統參數、主要設備、閥門、儀表、控制邏輯和系統運行等多個模塊。同時為了直觀地展示系統位置和相互關系，使用系統總圖作為教材的入口界面，如圖2所示。

3.3 可視化方式設計

開發可視化教材的關鍵是設計教材知識點的可視化方式。知識點可分為陳述型和過程型兩類，并具備難度、重要程度和要求掌握程度三種屬性。陳述型知識點主要針對靜態知識，過程型知識點主要針對動態知識，且難度、重要程度和要求掌握程度越高的知識點，越需要通過更高的可視化程度進行展現。[3]

系統概述和系統功能模塊知識點主要為陳述性，理解難度不高，通過文本框和系統簡圖的方式顯示內容。

在系統首頁點擊菜單或系統簡圖的熱區進入泵、容器、換熱器等主要設備介紹頁面，點擊設備組件熱區查看組件2D/3D結構圖片，同時進行對設備功能和參數進行說明。

通過在系統簡圖上建立相應熱區，對閥門的功能和聯鎖邏輯、儀表的功能和整定值等內容進行介紹。

系統的控制和保護邏輯是系統學習過程中的重難點內容，在此部分內容頁面中并列設置邏輯圖和系統流程圖，通過動畫的方式將設備啟動、保護動作、模式切換等邏輯判斷流程與系統設備動作對照顯示和說明，從而幫助學習者建立邏輯與系統設備控制之間的直觀聯系。

系統運行包括正常運行和事故運行，此類過程性知識信息量較大，可通過動畫或模擬操作的方式進行展現。針對運行方式復雜的系統，使用動畫來演示其各種模式下的不同運行方式，學習者可利用步序按鈕靈活選擇畫面進行學習。針對操作過程較為復雜和重要的系統，通過模擬操作方式來演示系統運行內容。針對事故運行較為復雜的系統，通過動畫的方式對異常或事故運行工況下的系統響應及處理過程進行演示。

3.4 開發過程關鍵環節

在教材開發過程中，需要完成以下關鍵環節的技術性工作：

（1）梳理知識點：需要知識點分類整理，確定每個知識點的呈現和互動方式，并按照統一的格式列出知識點的具體信息，以便于在開發教材時直接引用。（2）繪制系統簡圖：按照教材設計，需在首頁、設備介紹、系統運行等多個模塊使用系統簡圖，因此，需要對系統關鍵流程進行整合，適量簡化非關鍵流程，將系統多份P&ID;圖繪制為一張簡圖，以便于學員對整個系統有直觀的認知。（3）提煉關鍵步驟：動畫和模擬操作的目標是讓學員盡快理解系統運行、事故響應等知識點，因此需要對系統說明書、運行規程進行深入的消化，提煉系統和設備運行的關鍵步驟，如主要設備的啟停、重要參數的變化、流程的切換、運行模式的變化、保護的投退等信息，并將這些關鍵步驟反映到動畫和模擬操作的詳細設計中。（4）收集和處理素材：制作教材所需的素材有廠家說明書、設計文件、現場照片、紙質版教材和PPT課件等多種來源，在搜集素材方面需要投入較多精力。同時為了保持教材界面風格的統一，需要對素材的顏色、大小等屬性進行調整，部分素材需要進行重新繪制。

4 可視化教材管理系統

為了將可視化教材有效應用于核電廠系統與設備培訓，同時對教材進行管理，在借鑒國內成熟e-Learning解決方案的基礎上，設計和開發了B/S架構的可視化教材管理系統。該系統功能模塊設置如圖3所示。

該系統設計了教材維護員、教材審批員、信息管理員、普通用戶和系統管理員五種角色。用戶可通過IE瀏覽器訪問登錄，并根據不同角色權限使用不同地模塊，從而對平臺、教材進行維護或進行系統知識學習。

5 結語

基于組態軟件開發的核電廠系統可視化教材，在教材形式、內容組織方式和學習模式上進行了創新，實現了核電廠系統與設備培訓的網絡化、高效率和低成本。此類可視化教材還可拓展到技能培訓、安全培訓等多個培訓領域，從而有效擴充和完善現有培訓教材體系，其廣泛應用可為核電人才培養提供重要的輔助工具。

參考文獻

[1]牟小令.可視化技術在教育中的應用探索[J].電子制作，2013，（8）：173-175.

[2]張瑋，等.系統化培訓方法在核電廠崗位培訓中的應用[J].核安全，2005，（4）：19-26.

[3]鄧一貴.基于知識點的課件組織的研究[D].重慶大學計算機學員，2002.