基于虛擬導師的三次采油業務技能培訓模型構建

(東北石油大學計算機與信息技術學院，黑龍江大慶，163318)

引言

科技進步的過程中，石油作為工業的“血液”，不僅是社會重要物質資料，更是重要的戰略物資[1-2]。近年來石油企業為提高采收率，提高員工工作效率，推動了培訓模式、技術方法研究的加深[3]。在模型應用方面，國外，皇家荷蘭殼牌集團公司培訓圍繞健康、安全和環境(HSE)三方面[4]，每年約安排70個培訓日，同時還安排非正式培訓，以提高員工工作效率，減少工作安全事故，從而增強企業商業表現與集團凝聚力；英國石油集團公司(BP公司) 注重員工個性化培訓，通過了解員工當前預備技能與目標技能，為員工量身訂做培訓方案[5]；美國雪佛龍公司采用5W培訓模式實施培訓，并對培訓效果進行評估，監督培訓部門的實際工作[6-8]。國內，中國石油天然氣集團公司采用個性化培訓方式，有針對性的實施培訓；基礎設施上，逐漸開展網絡培訓，優化培訓環境，保障培訓工作的實施[9]；中國石油化工集團公司實施“1253”培訓基地建設，建立專有師資團隊，提高保障措施；天津石化公司設計診斷式培訓模型[10]促進了員工培訓的快速、健康發展。

在系統應用方面，國內外石油領域應用仿真培訓類型系統較多，早在二十世紀七十年代末仿真培訓系統就已進入我國石化領域[11]。中國石油則截止目前已經建成集團公司層面的遠程培訓平臺，并且取得了階段性的成果。石油領域培訓信息系統的使用開始于二十世紀九十年代，崔志強2011年設計勝利油田網上培訓平臺[12]，為緩解工學矛盾通過遠程網絡培訓平臺的搭建為干部職工提供更多學習資源。王強2011年設計石化MES培訓系統與測評系統[13]，具備培訓、教學、測試、研究等功能。程彥惠2012年設計中海油公司培訓管理系統，提高中海油培訓管理信息化程度，提高培訓效率與效果。肖渲鏡2013年基于中國石油吉林油田公司設計員工培訓信息系統[14]，促進公司培訓管理的規范化、系統化發展，提高培訓與工作效率。苗建忠2014年設計勝利油田培訓管理系統[15]，加強培訓信息化建設的同時加強培訓環節監控力度，建立了油田數字化培訓信息收集、開發、整理、教學平臺。

通過上述研究，發現現有模型欠缺定性與定向研究，且對培訓企業環境要求較高，許多培訓模型或培訓系統均以規模較大的數據為支撐，制度保障要求嚴苛，靈活性差，因此本文展開了對三次采油跟蹤運行業務技能培訓模型的研究與實例化設計，利用信息化手段，實現三次采油跟蹤運行日常工作系統的使用培訓。調研目前三次采油跟蹤運行工作系統的應用、培訓現狀與培訓需求，提出業務技能培訓模型；以業務技能培訓模型為理論基礎設計三次采油跟蹤運行業務技能培訓系統，結合系統應用效果驗證培訓模型設計的有效性，以此達到提高員工業務技能水平，提升日常工作系統使用效率的目的。

1 相關工作

1.1 系統研究

1.1.1 系統應用分析

國內某采油廠三采室引入三次采油跟蹤運行與預警系統作為日常工作系統，以實現三采技術人員日常工作和管理的數字化和計算化作業，并為決策者提供輔助決策支持。

日常工作系統主要由基于SOA的三次采油開發管理平臺、基于多Agent的數據集成與管理系統兩部分組成，組成系統功能描述如圖1所示。

三次采油開發管理平臺，為三次采油業務工作提供日常管理與輔助分析；數據集成與管理系統，為三次采油業務日常管理與動態分析提供數據支撐。系統中業務工作包含三采室90%以上的業務，能夠較為完整的覆蓋三次采油跟蹤運行業務工作。

1.1.2 系統角色業務特點分析

分析三次采油跟蹤運行與預警系統的崗位工作情況，得出崗位業務具有如下特點：

(1)業務覆蓋面廣，業務量大。三采室日常工作系統中包含150個單項業務，數據來源于5大類原始油田數據，包含數據實體約21個，包含數據項約565個，集成三次采油業務數據實體108個，數據項約2152個，業務覆蓋面廣，業務量大。

(2)業務知識間關聯關系復雜。三次采油業務間關聯關系復雜主要體現在崗位業務間存在聯系、業務中數據信息輻射域強兩方面。

1.1.3 系統角色與崗位級聯關系分析

通過現場調研發現，某采油廠三采室現有工作人員21人，負責三次采油23個區塊11個崗位的業務跟蹤運行。統計系統中角色及其對應的系統業務功能見表1。

表1 系統角色與業務功能對應表

角色名稱角色系統業務功能用戶人數基礎數據維護靜態基礎表單,數據本,綜合記錄、井史、選值2動態數據維護開發數據、月報數據、月度數據2GPTMAP繪圖沉積相帶圖、井組柵狀圖1SURFER繪圖月度等值圖1EXCEL與AU TOCAD繪圖數模曲線、對標曲線、開采曲線、區塊井位圖1產量計劃與實際監測產量運行1綜合措施編制壓裂措施、補孔措施、封堵措施、方案調整3注入井措施編制解堵措施、酸化措施、調剖措施、方案調整2采出井措施編制換泵措施、調參措施、方案調整2積壓井篩選積壓井運行、注入質量運行、時率運行、動態分析3異常井篩選套損運行、鉆停運行、穿孔運行、動態分析3

1.2 數據模型設計

依據日常工作系統業務類型，設計三次采油業務技能培訓數據模型包括圖幅與曲線繪制類數據、日常管理類數據、措施調控數據、異常動態監管數據、產量預測與預警數據5類。培訓數據模型體系結構如圖2所示。

日常管理類數據為其他四類數據的基礎，為其他數據的計算提供輔助支撐。

異常動態監管數據，篩選異常井并分析異常類型與異常原因，監測異常前后產量及其他相關因素變化，提供預測條件。

措施調控數據，按照異常類型選擇措施方式對異常井實施措施調整，監測措施實施效果，實時調整方案控制產量。

通過圖像繪制，了解目前油層儲量情況、區塊產量分布情況及井組工作情況，以此監測廠產量運行趨勢。

產量預測與預警預測每月各產量的預期目標并與實際情況進行對比，實時調整方案，根據井組異常情況及產量預測進行預警。

2 三次采油跟蹤運行業務技能培訓模型構建

根據教學系統設計的四個維度：教師、學生、教學內容、教學媒體，設計三次采油跟蹤運行業務技能培訓模型，如圖3所示，模型中包括培訓教師配置、學習者設計、培訓內容組織與培訓系統設計四部分內容。

2.1 培訓教師配置

模型中培訓教師包括實體培訓教師與系統虛擬教師。

實體培訓教師：根據培訓過程中人工干預動作，對實體培訓教師進行配置，包括崗位業務知識組織教師、案例設計教師、崗位設計教師、培訓系統維護教師、培訓數據監管教師等。

虛擬教師：利用智能技術，設計虛擬教師，實現個性化培訓。虛擬教師的功能有學習者崗位分析、學習風格分析、初始能力分析、個性化培訓方案制定、培訓監聽與培訓評估，避免了實體教師與學生交互不及時的缺陷。設計虛擬教師模型框架如圖4所示。

tk=(WN-WNa)×604800+t-toa

學習者特征信息獲取：培訓前期對學習者進行需求獲取。獲取學習者一般特征，學習者預備業務技能水平，學習者學習風格等方面信息。獲取的信息形成學習者檔案，作為個性化培訓方案設計的基礎。

解釋調度機：利用專家推理機制，對獲取的學習者特征進行深入分析，明確學習者所掌握的業務技能水平程度與學習風格類型，并配置培訓策略與培訓內容，形成個性化培訓方案；根據培訓方案為學習者培訓模型定制階段式與定性式培訓活動。

階段式培訓策略：根據階段性培訓目標，提供相應的階段培訓內容。培訓模塊包括：學習者管理模塊、學習者培訓模塊、仿真培訓模塊、知識與試題管理模塊、考試與評價模塊。

定性式培訓策略：為受訓者提供固定的學習輔助功能與教學監測功能，如學習者管理工具配置，提供培訓過程中的輔助查詢，從而提供受訓者培訓活動中操作信息。

培訓監聽機制：對階段式培訓模塊與定性式培訓模塊進行監測，監測培訓資源學習情況、培訓資源瀏覽次數、課程瀏覽時間等學習操作行為與結果，修訂學習者培訓方案，優化培訓過程，同時為受訓者提供實時提醒，提示學習者學習進度，掌握目標程度。

培訓評估：結合培訓監聽與培訓過程中診斷性評估對培訓過程中子目標學習情況進行詳細分析，根據分析結果明確學習者是否進行下一階段學習，若繼續則是否需要修改培訓方案，若不進行則重新修改培訓子方案繼續培訓過程。

2.2 學習者分類與特征分析

學習者培訓內容為崗位業務工作，因此學習者以三次采油跟蹤運行11個業務工作崗位進行分類，并根據相應崗位的工作內容配置培訓內容。

為達到個性化培訓，本文通過分析學習者一般特征、學習風格、初始能力明確學習者自身個性特征。

2.2.1 一般特征分析

網絡培訓學習者一般特征的獲取方法主要是問卷調查，調查問卷以分析T-EOR業務技能培訓人員一般特征為目的，對受訓者一般特征從生理特征、心理特征及社會特征三方面包括年齡、性別、學習水平、認知成熟度、學習動機、個人對學習的期望、生活經驗、經濟、文化、社會背景等因素進行量化測量。

2.2.2 初始能力分析

為了解學習者在所選崗位的業務技能培訓初始能力，使用二叉樹探索法對初始能力進行確定。以上述三次采油培訓知識5級難易程度劃分設計為基礎，利用二叉樹搜索算法從由難到易的5個等級程度中選擇最符合學習者實際水平的等級，以此確定學習者業務技能初始能力。分析方法如下：

Step1：對難度等級為難、較難、適中、較易、易的5個知識點等級進行二叉樹構造，難度等級由難到易依次由5，4，3，2，1代替。構造二叉樹結構如圖5所示。

Step2：隨機抽取11道難度等級為“適中”的試題，對學習者進行首輪測評，測評結果正確率若達到60%及以上水平則向右遍歷，抽取難度等級為“較難”的相同個數試題進行下級測評；若測評結果未達到60%則向左遍歷抽取難度等級為“較易”的相同個數試題進行下級測評。

Step3：若向右進行“較難”測評，測評結果正確率達到指標要求則向右繼續遍歷，重復Step2；若測評結果未達標則判定首輪測評難度系數為學習者初始能力所在難度；

Step4：若向左進行“較易”測評，測評結果達標則當前測評難度系數為學習者初始能力難度系數；若為達標則繼續向左遍歷執行Step2。

2.2.3 學習風格分析

學習風格測量采用Felder-Silverman學習風格模型[16-17]對學習者學習風格從信息加工、感知信息、信息輸入、內容理解四個維度八種類型進行全面分析。利用所羅門學習風格量表，見表2，對學習者學習風格進行培訓前測量，為設計個性化培訓方案做準備。所羅門學習風格量表共包含44道單選題目，題目覆蓋了四類學習維度；題目設計順序以四個問答題為一組進行循環測評；每個題目的設計答案選項為學習風格維度下的類型映射，選項以a，b作為標記。

表2 Felder-Silverman學習風格測量

學習者對所羅門學習風格量表中問題進行測評回答，所羅門學習風格量表評價標準如下，以活躍型/沉思型測量為例：

1．學習者對測評試題進行單項選擇，如在第一題答案處給出標記符。

2．對同一維度11道題進行合計，維度類型傾向=(用較大的選項總分-較小選項總分)+總分較大風格類型標記。如活躍型/沉思型測量，選項a總分為8，選項b總分為3，則維度傾向=(8-3)a，即5a，由此可知學習風格偏向于活躍型。

維度傾向取值范圍為：Sty={11a,9a,7a,5a,3a,a,b,3b,5b, 7b,9b,11b}風格類型標記前系數越大則越偏向該維度下風格類型。

2.3 培訓內容組織

2.3.1 培訓知識劃分

培訓資源來源于三次采油跟蹤運行與預警系統中崗位業務工作知識，因此培訓內容包括崗位業務知識、崗位系統工作流程。三次采油跟蹤運行工作業務可歸納為以下五類：

1類數據為直接導入或直接取自其他表中現有數據，無須計算的數據項，如分子量、注入速度、注入孔體、聚合物用量、采出程度、階段采出程度、采收率等。

2類數據為數據計算中只由一個數據項且數據項來源于本實體，運算得出的數據，如采聚濃度、累計注采比等。

3類數據為由兩個數據項(數據項來源于其他業務實體)經過算法得出的數據，如見效比例、實際注入濃度等。

4類數據由三個數據項(數據項來源于其他業務實體)經過復雜算法計算得出的數據，如實際注入速度等。

5類數據由四個及以上數據項進行層次性復雜運算計算得出的數據，如月度注采比。

將5類知識從1類到5類分別對應于易、較易、適中、較難、難5個難度等級，依據層級分析法，按照三次采油培訓數據類型對業務知識進行劃分，劃分方法與內容如圖6所示。

2.3.2 培訓活動設計

采用費爾德·西爾弗曼(Felder-Silverman)學習風格模型對學習者學習風格從信息加工、感知信息、信息輸入、內容理解四個維度，活躍型/沉思型、感悟型/直覺型、視覺型/言語型、序列型/綜合型八種類型進行劃分。

具體學習風格下培訓活動設計見表3。

表3 學習風格培訓活動分類

學習風格維度分類學習活動信息加工活躍型問題解決、文字識記、動態分析沉思型電子記事本感知信息感悟型知識查閱引擎、學習指導、知識技能培訓直覺型案例教學、仿真培訓、探究性學習、獨立思考信息輸入視覺型文字知識閱讀、圖像圖表繪制與解析、虛擬現實模擬平臺、仿真培訓言語型電子字典、電子筆記本、數據本管理內容理解序列型循序漸進型知識學習、仿真培訓綜合型案例教學

根據上述培訓活動劃分，形成培訓活動知識庫。

明確培訓預期目標后，依據學習者學習風格進行培訓活動的匹配，與學習者學習風格最相符的為主匹配活動，其次為次匹配、可選擇、不匹配活動。培訓系統對教學活動的選擇以上述匹配方案的順序進行培訓方案定制。

2.4 培訓系統設計

三次采油業務技能培訓系統的工作流程如圖7所示。

Step1：受訓者首次登陸系統時，通過注冊對受訓者進行特征提取，包括學習者一般特征、學習風格、初始能力，系統將提取的學習者信息進行集成管理，存儲為學習者檔案。

Step2：系統對獲取的學習者特征進行分析，根據崗位特征確定培訓知識內容、培訓崗位流程的類型；根據初始能力確定培訓總目標與培訓子目標；根據學習風格分配學習活動。

Step3：學生登錄，開始培訓，針對自身學習風格安排學習活動進行培訓，如業務技能知識培訓、虛擬現實模擬平臺培訓、案例培訓、電子詞典使用等。

Step4：當學習時間與學習次數達到系統專家知識庫中所處等級要求時，進行階段性評估測試，若成績達到規定標準則進行下一階段學習；若所處培訓階段為最后階段則結束培訓并進行系統使用效果測評；若成績未達標則繼續本階段學習。

3 培訓系統原型開發

三次采油跟蹤運行業務技能培訓依托在線平臺來實現。利用SOA技術采用“用戶-角色-功能”三級系統管理方式實現平臺基礎框架的設計，系統培訓活動以平臺節點的方式實例化呈現，用戶具有系統角色，系統角色具有個性化配置的培訓活動。設計系統知識學習界面如圖8所示。

4 培訓效果及滿意度分析

4.1 培訓效果及滿意度

為明確系統設計能夠提高受訓者業務技能水平以及受訓者對系統的滿意程度，設計電子反饋調查問卷。反饋問卷共包含14道題，分別從系統界面與培訓功能、系統業務技能培訓效果、系統培訓滿意度、對培訓系統的建議四個方面對三次采油業務技能培訓系統的培訓效果及滿意度進行評價。在系統進行測試使用后，虛擬教師以電子問卷調查的形式向受訓者發放問卷。培訓系統現場使用過程中，共發問卷23份，問卷做答21份，有效問卷21份，有效率100%。對問卷進行統計分析見表4。

表4 系統界面與培訓功能統計表

調查模塊調查內容非常同意同意一般不同意系統界面與培訓功能系統操作界面美觀簡潔、培訓功能清晰明了、方便使用18(86%)2(10%)1(4%)0培訓系統中培訓活動種類較多、能夠滿足個性化培訓需求16(77%)4(19%)1(4%)0培訓策略與培訓內容符合學習者學習風格17(81%)2(11%)1(4%)1(4%)培訓系統業務技能與知識豐富、組織合理18(86%)1(4%)2(10%)0系統業務技能培訓效果使用培訓系統中仿真平臺進行培訓后能夠熟練掌握日常工作系統工作流程18(86%)2(9%)1(5%)0使用業務技能培訓系統進行業務知識與技能的學習更加快速準確19(90%)1(5%)1(5%)0利用培訓系統進行學習后業務技能水平有所提高19(90%)1(5%)1(5%)0系統中學習工具的幫助能夠節約資源檢索時間同時提高學習效率20(96%)1(4%)00系統培訓后業務知識能夠滿足工作崗位需求17(80%)2(10%)2(10%)0系統培訓滿意度您愿意按照系統定制的階段性個性化培訓方案進行學習18(86%)2(10%)1(4%)0系統的階段性流程化設計能夠滿足您的學習需求16(77%)3(15%)1(4%)1(4%)系統業務技能培訓內容能夠及時更新20(96%)1(4%)00您愿意在結束培訓后繼續應用該系統作為復習工具及業務知識技能查詢工具19(92%)2(8%)00

通過問卷結果統計表4得出以下結論：

(1)系統界面與培訓功能統計

培訓者認為系統操作界面美觀簡潔、方便使用的學習者達到96%，證明培訓系統的設計符合大多數受訓者的審美需求；96%受訓者認為培訓系統中培訓活動的設計能夠滿足個性化培訓需求，證明培訓系統培訓活動的設計較符合受訓者學習需求；4%受訓者認為培訓策略與培訓內容的設計不能滿足自身學習風格，證明系統在學習風格測量或學習活動配置上不能100%滿足受訓者學習需求；90%受訓者認為業務技能培訓系統中知識與技能豐富、組織合理能夠滿足學習者培訓需要。

(2)系統業務技能培訓效果統計

基本上參與測試的受訓者都認為T-EOR業務技能培訓系統的培訓有一定的效果；95%的受訓者認為使用業務技能培訓系統進行業務技能培訓更加快速準確；95%受訓者認為使用業務技能培訓系統進行學習后業務技能水平有所提高；近100%受訓者認為系統設計的學習工具能夠輔助自己學習；超過九成的受訓者認為業務技能培訓對其崗位工作的幫助效果明顯。因此證明業務技能培訓系統的設計能夠較好的輔助受訓者進行業務技能學習，同時也在一定程度上提高了受訓者的業務技能水平，提高了企業員工個人績效。

(3)系統培訓滿意度分析

九成以上的受訓者對T-EOR業務技能培訓系統的設計比較滿意；96%的受訓者愿意按照系統定制的階段性個性化培訓方案進行學習；但4%的受訓者認為系統的階段性流程化設計不能滿足其自身學習需求，原因可能是由于受訓者風格測量的誤差導致個性化培訓方案不符合受訓者學習需求；基本上所有受訓者表示培訓結束后會繼續應用該系統作為復習工具及業務知識查詢工具，說明培訓系統學習工具的設計能夠輔助受訓者學習的同時也能夠作為崗位工作中的輔助工具。

4.2 培訓系統建議

受訓者對系統的建議是寶貴且重要的，問卷分別給出五個建議且可多選，對建議進行統計分析，見表5。表5可以看出培訓系統仍存在許多不足之處，培訓系統在根據學習風格制定個性化培訓方案上具有偏差；培訓活動的設計有待加強；培訓界面的配管程度與功能分類有待進一步完善。

表5 培訓系統建議統計表

建議內容意見數目界面美觀程度有待加強、功能分類不明顯2(4%)培訓活動不足、培訓資源少4(4%)個性化培訓方案不符合您的學習風格4(6%)系統學習工具太少,不能滿足學習需求2培訓內容不能及時更新0

通過上述電子問卷調查進行的統計分析可以看出，系統的開發能夠滿足大多數人的學習需求，系統的培訓功能設計相對完善；利用系統進行培訓能夠有效提高受訓者的業務技能水平，滿足崗位工作需要；受訓者對系統的評價較高，但同時系統應該降低學習風格分析的誤差，使系統能夠更加符合學習者特征。

5 結束語

本文參考國內外業務技能培訓模型，結合三次采油業務工作特點，設計基于三次采油的業務技能培訓模型，構建業務技能培訓系統，為培訓提供平臺支撐，引入虛擬教師，通過制定個性化培訓方案，實現了對學習者的精確指導，切實解決了傳統培訓模型欠缺定性與定向研究，對培訓企業環境要求較高，制度保障要求嚴苛，靈活性差的問題。并為此類業務的培訓提供了理論培訓模型指導。