基于组态软件的核电厂系统与设备可视化教材开发

胡明

摘要：针对核电厂系统与设备培训的特点，采用组态软件开发了核电厂系统与设备可视化教材，并通过可视化教材管理平台进行教材管理和学习，实现了该培训的可视化和网络化。

关键词：核电厂；组态软件；可视化教材

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0169-02

核电厂培训活动的有效实施是确保其員工的资质和工作能力满足运营需求，保证核电厂安全、可靠运行的重要途径。核电厂系统与设备培训是核电生产部门员工取得岗位授权的必修科目，该培训通常存在知识点多、理解难度高、培训教员有限、培训成本高、培训材料单一等难点。培训教材的质量对培训效果起到了决定性作用，传统的纸质教材多以文字信息和平面图片的形式呈现知识，为解决核电厂系统与设备培训的难点，就需要一种更为先进的教材。

1 可视化教材简介

可视化技术最早是美国计算机成像专业委员会为解决种类繁多的信息源产生的海量数据远远超出了人脑分析能力的困境而提出的，通过可视化方式将知识转化为图形或图像在屏幕上显示并进行交互处理，有利于简化复杂信息的表征，大幅降低学习者的负荷。[1]

可视化教材是使用专用软件制作、通过Web进行发布和使用的电子教材。该教材将动画、图片、文字、音视频等素材有机结合，针对知识点特点设计展示方式，用户使用浏览器访问教材页面，通过多种交互方式进行在线学习。

相比于传统教材，可视化教材自身的特性使其具备信息量大、交互性高、培训方式灵活、培训成本低和维护方便的特点。针对核电厂系统及设备开发和使用可视化教材，可为该项培训的诸多难点提供一个有效的解决方案。

2 开发软件的选用

考虑到可视化教材设计特点和技术要求，经过对比分析多种开发软件，选用组态软件作为教材开发软件。组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，广泛应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

组态软件可提供可视化的风格界面、丰富的工具栏和工程向导功能，具备便捷易用的图形开发环境、丰富的动画链接支持和强大的脚本系统，且有良好的开放性，提供多种数据接口。相比于常用的PPT、Flash、Authorware等软件，使用组态软件能大幅提高核电厂系统与设备培训教材开发效率，且利于教材的网络发布和使用。

3 可视化教材开发

3.1 开发过程

依据系统化培训方法[2]，建立核电厂系统与设备可视化教材开发过程模型，如图1所示。按照该模型，通过知识点分析确定培训目标，进而有针对性地设计可视化方式，随后按设计要求整理资料、编制脚本和开发教材，最后进行教材的试用和评价修改。

3.2 界面设计

按照核电厂系统与设备知识培训的特点将教材内容分为概述、功能、系统参数、主要设备、阀门、仪表、控制逻辑和系统运行等多个模块。同时为了直观地展示系统位置和相互关系，使用系统总图作为教材的入口界面，如图2所示。

3.3 可视化方式设计

开发可视化教材的关键是设计教材知识点的可视化方式。知识点可分为陈述型和过程型两类，并具备难度、重要程度和要求掌握程度三种属性。陈述型知识点主要针对静态知识，过程型知识点主要针对动态知识，且难度、重要程度和要求掌握程度越高的知识点，越需要通过更高的可视化程度进行展现。[3]

系统概述和系统功能模块知识点主要为陈述性，理解难度不高，通过文本框和系统简图的方式显示内容。

在系统首页点击菜单或系统简图的热区进入泵、容器、换热器等主要设备介绍页面，点击设备组件热区查看组件2D/3D结构图片，同时进行对设备功能和参数进行说明。

通过在系统简图上建立相应热区，对阀门的功能和联锁逻辑、仪表的功能和整定值等内容进行介绍。

系统的控制和保护逻辑是系统学习过程中的重难点内容，在此部分内容页面中并列设置逻辑图和系统流程图，通过动画的方式将设备启动、保护动作、模式切换等逻辑判断流程与系统设备动作对照显示和说明，从而帮助学习者建立逻辑与系统设备控制之间的直观联系。

系统运行包括正常运行和事故运行，此类过程性知识信息量较大，可通过动画或模拟操作的方式进行展现。针对运行方式复杂的系统，使用动画来演示其各种模式下的不同运行方式，学习者可利用步序按钮灵活选择画面进行学习。针对操作过程较为复杂和重要的系统，通过模拟操作方式来演示系统运行内容。针对事故运行较为复杂的系统，通过动画的方式对异常或事故运行工况下的系统响应及处理过程进行演示。

3.4 开发过程关键环节

在教材开发过程中，需要完成以下关键环节的技术性工作：

（1）梳理知识点：需要知识点分类整理，确定每个知识点的呈现和互动方式，并按照统一的格式列出知识点的具体信息，以便于在开发教材时直接引用。（2）绘制系统简图：按照教材设计，需在首页、设备介绍、系统运行等多个模块使用系统简图，因此，需要对系统关键流程进行整合，适量简化非关键流程，将系统多份P&ID;图绘制为一张简图，以便于学员对整个系统有直观的认知。（3）提炼关键步骤：动画和模拟操作的目标是让学员尽快理解系统运行、事故响应等知识点，因此需要对系统说明书、运行规程进行深入的消化，提炼系统和设备运行的关键步骤，如主要设备的启停、重要参数的变化、流程的切换、运行模式的变化、保护的投退等信息，并将这些关键步骤反映到动画和模拟操作的详细设计中。（4）收集和处理素材：制作教材所需的素材有厂家说明书、设计文件、现场照片、纸质版教材和PPT课件等多种来源，在搜集素材方面需要投入较多精力。同时为了保持教材界面风格的统一，需要对素材的颜色、大小等属性进行调整，部分素材需要进行重新绘制。

4 可视化教材管理系统

为了将可视化教材有效应用于核电厂系统与设备培训，同时对教材进行管理，在借鉴国内成熟e-Learning解决方案的基础上，设计和开发了B/S架构的可视化教材管理系统。该系统功能模块设置如图3所示。

该系统设计了教材维护员、教材审批员、信息管理员、普通用户和系统管理员五种角色。用户可通过IE浏览器访问登录，并根据不同角色权限使用不同地模块，从而对平台、教材进行维护或进行系统知识学习。

5 结语

基于组态软件开发的核电厂系统可视化教材，在教材形式、内容组织方式和学习模式上进行了创新，实现了核电厂系统与设备培训的网络化、高效率和低成本。此类可视化教材还可拓展到技能培训、安全培训等多个培训领域，从而有效扩充和完善现有培训教材体系，其广泛应用可为核电人才培养提供重要的辅助工具。

参考文献

[1]牟小令.可视化技术在教育中的应用探索[J].电子制作，2013，（8）：173-175.

[2]张玮，等.系统化培训方法在核电厂岗位培训中的应用[J].核安全，2005，（4）：19-26.

[3]邓一贵.基于知识点的课件组织的研究[D].重庆大学计算机学员，2002.