核電廠交互式電子手冊設計與實現

謝卓然 寸怡鵬 姜德航 王 菲 熊 彥

（中國核動力研究設計院反應堆系統設計技術國家級重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

隨著核電技術的迅速發展，各類新型裝備層出不窮，保障任務加重、難度增大。 以使用紙質技術資料為主的保障手段已滿足不了復雜先進裝備的保障和人員訓練的需要，急需采用信息化的保障手段。

交互式電子技術手冊 （Interactive Electr on i c Technical Manual，IETM）采用文字、圖形、表格音頻、視頻和三維模型等以數字形式存儲的技術出版物，是一種以人機交互方式提供裝備基本原理、操作使用和維修等內容的電子技術文件[1]。 相比紙質資料和一般電子技術文檔具有巨大的優越性，是一項重要的裝備保障信息化產品。 在當前背景下，裝備保障交互式電子技術手冊軟件設計的研究具有重要意義。

本文將設計一套基于交互式技術的核電廠裝備保障信息化系統, 實現各種復雜裝備在生產、設計、 使用過程中產生的大量技術資料的電子化，從而保障操縱員快速培訓、資料快速查找和維修的智能輔助。

1 特性設計

為使交互式電子手冊提供的信息更加直觀，便于核電廠操作人員學習掌握，本系統應具有如下特性:

1.1 統一的數據服務

將不同部門、業務系統中的不同格式的裝備信息基于S1000D 標準生成可靠、 一致的產品支持與服務數據。

1.2 基于S1000D 標準

支持描述類、操作類、程序類、維修計劃類、故障診斷類、圖解零件類、學習類等數據模塊。 裝備的數據模塊一次創建后可多次使用，且可以自動更新單個數據模塊的多個引用。 基于S1000D，對公共源數據庫中（CSDB）內容規范性進行驗證，免除手工排版和設計保證信息內容的規范化和出版風格的一致性。

1.3 多渠道發布

系統支持四種形式的出版物發布：

（1）可用于紙質打印的PDF 格式手冊；

（2）將數據、瀏覽樣式、瀏覽器打包在一起的光盤運行程序；

（3）Html 格式網頁文件；

（4）用于交互式閱讀的XML 格式數據包。

1.4 交互式閱讀

用戶可通過交互式閱讀器進行解析閱讀。 支持圖文對照瀏覽和目錄結構導航；支持手冊內部、手冊之間的文字圖形鏈接調用；支持語音、視頻、圖形、三維模型等多媒體格式；采用適應性過濾機制，定制裝備技術數據，方便用戶瀏覽；豐富的熱點鏈接，支持圖形熱點與文本功能鏈接；支持注釋、書簽、標記等功能。

1.5 交互式操作和故障診斷引導

將故障隔離過程以可視化流程圖的方式展現出來， 用戶可以直接在流程圖上點擊跳轉到關注的環節；還可通過人機問答、自動過濾的方式進行故障隔離，引導決策，從而有效提高故障診斷和維修效率。

1.6 三維虛擬仿真

通過Unity3D 虛擬現實工具構建三維仿真場景，用戶可從任意角度、放大或縮小、查看裝備（部件）的外觀和結構組成結構關系；利用虛擬拆裝功能，用戶可將裝備拆解至每個部件，也可將拆卸后的部件組裝成裝備，從而熟悉了解裝備的組成結構。

2 架構設計

本系統自下而上可以分為公共數據源、基礎服務層和應用服務層三層級如圖1 所示。

圖1 IETM 層級劃分

公共數據源（CSDB）基于S1000D 標準構建數據模塊（DM），主要包括描述類、操作類、程序類、維修計劃類、故障診斷類、圖解零件類、學習類等數據模塊。此外，還構建了發行物模塊（PM）、業務規則模塊、適應性信息模塊以及按照ICN 編碼的資源數據。

基礎服務層對公共數據源中的數據進行解析，為上層應用模塊提供基礎服務， 主要包括：XML 解析引擎、虛擬仿真引擎、圖像解析引擎、交互式流程解析引擎、身份認證、目錄服務、搜索引起、導航服務等。

應用服務層位用戶提供了主要的服務功能，包括：裝備介紹、操作維護、維修計劃、故障診斷、零部件圖解、交互式閱讀、系統管理等。

系統軟件包括四大公共組成部分：IETM 編輯器、內容管理系統（CSDB）、內容發布引擎、IETM 閱讀器。四個功能部分組成完整的IETM 系統解決方案。 IETM編輯器、內容管理系統（CSDB）和內容發布引擎組成裝備生產商開發裝備IETM 產品的完整工具， 用于IETM 開發項目規劃及開發管理、 技術資料錄入和標準化、標準化技術資料資源管理、技術出版物發布和管理；IETM 閱讀器裝載標準化的IETM 出版物， 解釋和呈現技術內容，向使用者提供操作訓練、維修訓練、題庫練習、在線考試、管理現場故障、使用意見及閱讀筆記、經驗分享、書簽、標記、3D 動畫交互等功能，符合IETM 等級第4 級（IETM 層次結構）的相關要求。

3 開發流程

系統采用S1000D 標準， 將技術內容分解為數據模塊存儲在公共源數據庫CSDB 中。 數據模塊是技術資料中最小的自包含的信息單元，采用可擴展標記語言XML 對數據進行描述，實現了數據與格式的分離，通過定義統一的模式（Schema）的方式實現數據模塊結構的統一，為數據的交互奠定了基礎，為IETM 的信息交互提供了保障[3]。

視頻、 圖像和音頻等不屬于XML 類型的文件以信息對象的方式與數據模塊（DM）相關聯[2]。 技術手冊以出版物模塊（PM）的形式組織，通過定義PM 的結構和內容，引用DM 和PM（嵌套），并形成序列來實現。PM 使用 PM DTD/Schema 生成 XML 文件， 使用出版物模塊代碼（PMC）標識。 DM、信息對象和PM 等均存儲在CSDB 中。 全部信息對象應無冗余存儲，通過較為統一的顯示界面對技術信息進行訪問， 可通過代碼、信息類型或其他元數據，以目錄或搜索的方式從CSDB 中檢出。 IETM 發布引擎將所需的DM 組織成XML 文檔， 與對應的XSL+CSS 樣式單一起發送給IETM 閱讀器顯示。 線性出版引擎將所需的DM 組織成面向頁的文件，如Word 或PDF 文件，打印輸出成技術手冊。 IETM 的數據流程如圖2 所示。

圖2 基于公共源數據庫的技術出版物的數據流程

一個項目（或一型裝備）所涉及的全部DM、圖形和多媒體信息、PM 等均存儲在CSDB 中。 CSDB 中的信息對象可以按照需要， 以不同的方式進行組合，以滿足IETM、 訓練系統或其他應用程序等多種應用需求。 S1000D 標準采用的模塊化設計思想有利于技術信息內容的一次創作生成，多次重復使用，極大地方便了數據內容的重用[4]；采用單一數據源管理的思想，便于數據內容的更改， 能夠實現數據的一次更改，全部引用的自動更新。

4 關鍵技術

4.1 三維場景交互呈現

技術手冊內容中的三維內容， 包括三維靜態模型，三維動畫，和交互式單位仿真內容都通過嵌入頁面，實現交互式的呈現，便于用戶理解技術內容。

本IETM 閱讀器支持Unity3D 工具開發的三維模型的交互式呈現， 支持Cortona3D 工具制作的三維動畫模型的播放。 在三維模型的播放時，IETM 閱讀器支持用戶對模型顯示視角的交互操作，集成平臺通過顯示坐標、操作工具，為用戶提供多樣化操作三維模型的能力,具體功能包括：

（1）三維模型導入；

（2）三維操作；

（3）三維動畫制作；

從普通教師心理健康調查結果與全國常模比較數據中(見表2)可以看出，中小學普通教師在SCL-90癥狀自評量表的健康均分以及9個因子分均顯著高于全國常模，其中只有敵對因子差異顯著(P<0.01)，其余8個因子差異極其顯著(P<0.001)。

（4）三維動畫輸出。

4.1.1 三維模型導入

支持AutoCAD 等二維設計數據、Pro/ENGINEER，Creo,UG NX，Catia 等三維設計軟件數據的直接導入，并支持多種其他3D CAD 數據格式的轉換和導入，這些格式 包 括 ：IGES、DWG、DXF、VRML、OBJ、STEP、3DXML、U3D 等如圖3 所示。

能導入獨立的BOM 與3D CAD 數據相關聯，自動匹配相同名稱的零部件項，并生成差異報告。

圖3 三維導入

4.1.2 三維模型操作

導入3D 數據后， 自動生成與源數據相對應的結構樹， 根據實際情況自由編輯結構樹， 包括復制、刪除、調整父子項結構等，并能夠手動設置零部件項與任意三維模型相關聯。

支持單個或整體的設置可視化模型質量，包括顯示精度、材料顏色、透明度等。

支持對零部件位置進行調整： 沿任何軸移動、旋轉等。

4.1.3 三維動畫制作

利用基于簡單的語言命令即可對任意零部件進行多元三維動畫制作。 創建動畫過程中可加入多種增強說明的元素，包括注釋、標注、提示消息、圖片等。 制作完成的三維動畫還能捕獲相應的交互式的2D CGM圖形，并可插入技術手冊內容中。

創建完的工藝步驟可自由調整，包括復制、刪除、更改命令、更改操作對象、步驟的次序、步驟的組織結構等。

編輯時間軸可調整三維動畫步驟持續時間及步驟之間的關系， 使得整個動畫過程時間分配更合理，操作也非常簡單易用。

利用注釋功能更直觀地指示零部件名稱或其他特別需要主要的說明等，注釋能捕捉到零部件的幾何特征，當零部件位置發生變化時，注釋的捕捉點會跟隨之變動。 標注工具能標注零部件的外形尺寸信息。

在三維動畫創建過程中， 可即時觀看動畫效果，預先確保操作的正確性如圖4 所示。

圖4 動畫制作

4.1.4 三維熱點定義

三維熱點的定義可通過專業制圖工具可以方便地實現，并且符合標準規定，通過獲取其動畫ID 等接口，便捷的在編輯器、Viewer 中調用接口函數，方便用戶在技術出版物中進行動畫ID 使用如圖5 所示。

4.1.5 三維動畫輸出

三維動畫創建后，可自動生成基于步驟并符合相應標準的XML 文檔， 或者也可獲取一個外部已有的符合文檔結構的XML 文檔， 在文檔編輯器可更改操作規程， 創建文檔零部件字段與三維模型的熱點關聯，根據情況調整文檔說明與三維動畫步驟同步。

圖5 動畫熱點定義

所有模塊制作結果以HTML 或PDF 格式發布，終端用戶只需要安裝Cortona3D 可視化插件和一個Web瀏覽器即可查看技術出版物。 通過Cortona3D 可視化插件進行瀏覽，主要功能包括三維坐標軸切換，3D 旋轉、漫游和平移，3D 縮放，2D、3D 同步，3D 動畫播放，單步觸發交互動畫等。

4.2 內容及熱點鏈接

IETM 閱讀器按照明顯的顯示風格來呈現圖片熱點和內容鏈接，實現在技術手冊內部交互出呈現技術內容。

4.2.1 圖形熱點提示及跳轉

對于一些被鏈接內容比較復雜的鏈接，當用戶將鼠標移動到鏈接上時，系統自動彈出文字注釋，以輔助用戶決定是否要打開該鏈接。 系統支持文字鏈接提示和圖形鏈接提示。 用戶訪問熱點鏈接內容時，IETM閱讀器將在主要的內容顯示區域顯示鏈接目標內容。

4.2.2 文本鏈接

技術手冊內對其他技術手冊的引用、同一技術手冊內不同內容之間的引用都通過鏈接，為用戶提供便捷獲取技術內容的手段。 用戶通過各種鏈接獲取的技術內容，要經過鑒權過程來確定該用戶是否可以瀏覽內容。

4.3 智能故障處理

4.3.1 智能故障診斷

包含故障診斷過程中必要的信息，以輔助故障診斷過程。 符合S1000D 故障診斷類數據模塊標準。

發生故障時，用戶根據故障現象打開故障診斷流程圖，系統將要求用戶進行必要的操作，并詢問操作結果。 用戶根據操作情況回答“是/否”，或從選項列表的可能結果中選擇一項，系統將引導用戶進行下一步操作直至定位故障原因。

4.3.2 現場故障管理

現場故障管理功能針對IETM 閱讀器在設備使用、維護現場使用時記錄、共享、管理設備故障、維修的相關信息。

現場故障管理記錄的信息格式遵從S1000D 故障報告數據模塊格式定義，可以記錄文字、照片、表格、音頻、視頻等故障描述相關的信息。

現場故障管理功能提供記錄信息的檢索，使用同一技術手冊的用戶都可以閱讀，便于在具有同樣職責的設備操作/維修人員中交流經驗。

現場故障管理功能提供故障的導出功能，同型設備使用過程中的故障和維修記錄可以由獲得授權的用戶導出，每一項記錄按照故障報告類數據模塊的模式定義輸出一個XML 文件， 由設備技術手冊的責任單位收集、歸納、整理，之后可以作為技術手冊中的故障維修內容升級技術手冊內容。

4.3.3 智能備件識別

針對手冊中維修任務要求的現場可更換部件的目錄，IETM 閱讀器軟件提供識別設備部件照片的功能。 用戶通過拍照或者上載照片，由閱讀器軟件識別圖形中的部件，給出標準化的部件名稱，有利于在遠程保障支援、申請備件時提供準確、標準的零部件信息。 首先通過拍照或者相冊選取圖片，識別圖片中的備件，推送相似度最高的三種備件信息，點擊某項備件，顯示備件詳細信息以及維修備件卡內容，并且支持跳轉到該備件的手冊信息中。

5 結語

本文針對復雜裝備保障，開發了一套采用B/S 架構的交互式電子手冊，該IETM 以WEB 形式支持交互式電子技術資料信息的瀏覽，可實現發布內容的樣式編輯管理、展示和交互式訪問。 既可滿足培訓、演練、裝備拆裝等對展示要求較高的情況，也可作為裝備日常保養維修、故障定位的工具軟件使用。