基于TRIZ理论的互联网+原油集输工艺培训系统设计

近年来，大庆油田庆新油田大力投入开展数字化油田建设，不断配套完善集信息监测、数据传输和处理以及智能管理和决策于一体的数字化、信息化、智能化数字管理系统的计算机网络环境。新技术、新设备、新工艺改变了油田传统生产运行模式，也给油田岗位员工培训工作提出崭新要求，带来了新的动力。

源于发明专利的TRIZ理论是指导工程创新实践、解决创新发明问题的有力武器，也是迄今为止最为系统的创新问题求解方法体系，众多的工程实例已经证明了这种基于发明的再发明方法的实用性和价值。但将TRIZ理论应用于IT、商业以及人文社会领域的工程案例尚不多见，且学界对于这类应用存在颇多争议。本文结合油田岗位员工培训工作在数字油田背景下出现的新问题，探讨如何通过TRIZ理论引导形成具有创新意义的解决方案。

1 现有培训系统初始形势

现有培训系统结构框图如图1-1所示，系统主要由油田现场生产设备、学员、生产资料、教室、教师、教材以及多媒体设备等组成。教师通过使用教材、多媒体设备向学员传授原油集输工艺，学员也可通过油田生产现场进行观摩、实践，学员在学习过程中所遇到的问题可与教师进行沟通。该系统主要通过教师授课、实物观摩以及现场操作等形式，使员工熟练掌握生产工艺流程，熟悉岗位操作技能。

在原油集输工艺培训过程中，具体培训内容包括安全规范、常用工具、操作规程、设备结构、工艺流程等。一般新入厂的青年员工培训周期为一年，转岗员工培训周期为3个月，要求学员了解原油集输的工艺流程，掌握设备结构和常用工具，熟练掌握安全规范和操作规程，并在培训结束时进行定级考核，验收培训成果。根据现场调研和学员反馈信息，当前培训系统岗位技能培训目标落实并不好，亟待解决。

2 问题因果分析

为明确现有原油集输工艺培训系统存在的根本问题，作者与油田培训教师、学员以及培训管理人员进行了深入的交流和探讨，利用因果分析工具进行了关键问题排查，得到具体分析结果如图2-1所示。

经过因果分析，明确现有原油集输工艺培训系统待解决的关键问题，结合常规培训技术和管理手段，提出6个解决方案：

（1）将学员的培训成绩与教师的年终奖挂钩来提高教师对培训的重视。

（2）将学员的培训成绩与学员的年终奖挂钩来提高学员对培训的重视并调动学员主动性。

（3）使用虚拟现实技术构建出虚拟油田现场，学员通过电脑对现场设备进行虚拟操作来满足培训对操作技能要求。

（4）学员可在办公室进行在线学习，不受教室限制，教学方式灵活，无需集中组织。

（5）将教材设为电子版，方便更新。

（6）考核方式采用理论与实践相结合的方式。

3 最终理想解

在使用最终理想解解题时，采用六问法引导思路，具体见表3-1。

通过最终理想解，提出两个解决方案：

（1）利用网络、多媒体设备及办公室，进行网上在线教学，现场的影像资料通过网络浏览，在线与老师互动并进行考核，实现学员自己完成培训学习。

（2）引入虚拟现实技术，利用现有资源中的多媒体设备结合互联网技术，构造出虚拟的现场设备，使学员身临其境感受现场环境，实现学员与现场的交互。在虚拟的三维环境中，原油集输的概念变得具体生动，降低了学习原油集输工艺的难度。学员通过电脑就可以自己掌握原油集输工艺。

4 问题多维度求解

4.1 功能分析与裁剪

当前原油集输工艺培训系统的主体功能为培训学员掌握原油集输工艺，其功能图表如图4-1所示。

裁剪是通过裁剪掉系统中存在问题组件（如产生有害作用组件、作用不足组件等），同时消除没有存在必要的功能，或者转移问题组件承载功能到系统其他组件上，使问题得以消除，而系统整体功能保持不变的问题求解方法。具体裁剪过程应循序渐进逐步完成。本案中通过裁剪教室、裁剪教材、裁剪现场设备、裁剪教师、裁剪生产资料等5步实现对现有原油集输工艺培训系统的彻底裁剪，并提出若干技术方案，系统功能模型裁剪过程如图4-2所示。裁剪后模型与最终理想解目标相契合，系统裁剪后的功能模型如图4-3所示。

通过功能裁剪提出5个解决方案：

（1）可采用分散式在线教学。学员可利用办公室中的电脑进行在线学习，既摆脱了培训受场地的影响，同时也增加了受训时间。

（2）将教材制成电子版，学员可通过多媒体设备浏览，更新教材只需在网络上进行。

（3）利用虚拟现实技术，建立虚拟原油集输设备。学员利用电脑对虚拟生产设备进行操作。

（4）可采用计算机人工智能代替教师。

（5）将生产资料（电子版）、教材（电子版）、三维虚拟原油集输设备融合为一个虚拟培训系统，采用计算机人工智能代替教师。

4.2矛盾分析

通过功能分析和裁剪可以形成“互联网+培训”的问题求解方案，该方案与最终理想解的目标相契合，但要根据油田的实际情况来选择和确定最终实施方案。在具体方案实施过程前，尚存在着教材更新、培训组织、事故处理培训等若干问题需要解决，本案采用矛盾分析的方法进行求解。

4.2.1 教材更新的技术矛盾

4.2.1.1 技术矛盾分析

利用技术矛盾分析的“如果…，那么…，但是…。”表述来分析确定和验证技术矛盾，具体表述如下：

正向描述EC1：“如果（A+）经常更新教材，那么（B+）教学内容贴近工程实际，但是（C-）耗费大量人力物力”；

反向描述EC2：“如果（A-）不经常更新教材，那么（C+）节省大量人力物力，但是（B-）教学内容脱离工程实际”。

4.2.1.2 技术矛盾确定

确定要解决的技术矛盾发生在“更新教材人力物力消耗（C）”与“教学内容的工程实用性（B）”之间，发生在“教材更新（A）”的时候。经分析，对应通用工程参数为：

改善的参数：（39）生产率；

恶化的参数：（27）可靠性。

因此，对应教材更新的技术矛盾为生产率与可靠性。

4.2.1.3 解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为：

（1）分割，（35）参数变化，（10）预操作，（38）加速氧化。

通过探讨创新原理得到3个解决方案：

（1）应用分割原理，将教材不频繁更新的部分与频繁更新的部分分开，只需更新内容时常变化的部分，节约资源。

（2）应用参数变化原理，将普通纸质教材制成电子版，更新内容只需在电脑上操作。

（3）应用预操作原理，在平时编写一些操作手册，当编写新教材时可用操作手册中的内容。

4.2.2 培训组织的技术矛盾

4.2.2.1 技术矛盾分析

利用技术矛盾分析的“如果…，那么…，但是…。”表述如下：

正向描述EC1：“如果（A+）集中组织培训，那么（B+）一次可培训较多学员，但是（C-）需要大量资源”；

反向描述EC2：“如果（A-）不集中组织培训，那么（C+）需要少量资源，但是（B-）一次可培训学员较少”。

4.2.2.2 技术矛盾确定

确定要解决的技术矛盾发生在“培训学员数量”与“所需资源”之间，发生在“培训组织”的时候。经分析，对应通用工程参数为

改善的参数：（39）生产率；

恶化的参数：（23）物质损失。

因此，对应教材更新的技术矛盾为生产率与可靠性。

4.2.2.3 解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为：

（28）机械系统替代，（10）预操作，（35）参数变化，（23）反馈。

通过探讨创新原理得到两个解决方案：

（1）采用机械系统替代原理。应用电脑和网络来进行分散式教学，无需组织。

（2）采用预操作原理。在培训前，要求学员掌握简单的原油集输基础知识，只有通过基础知识考核的学员可参与集中培训，解决复杂疑难的问题，这样就可既提升受训学员的数量又节省培训时间和资源。

4.2.3 事故处理培训的物理矛盾

原油集输生产现场的事故处理工艺是学员必须掌握的一项技术。而现有的培训系统中无法让学员实际操作，只能通过教师的讲解和影像资料来学习，这大大降低了学员处理事故的能力，存在的物理矛盾描述如下：

“油田生产现场”应该（A+）“停产”，以满足“教导学员事故处理措施”要求；

“油田生产现场”应该（A-）“不停产”，以满足“完成原油生产任务”要求。

通过上面论述可以确定关于事故处理培训存在既“要停产”又“不能停产”的物理矛盾。采用分离原理求解问题得到四个解决方案：

（1）设计相同的生产现场，专为培训建立。（空间分离）

（2）将时间分为设备检修期与运行期。学员在现场设备检修时进行学习，其余时间不到现场学习。（时间分离）

（3）现实生活中油田现场为多维空间，可利用虚拟现实技术构建虚拟三维模型，学员可在电脑上操作。（条件分离）

（4）采用师傅带徒弟的方式进行培训。将培训与常规的工作融合在一起，对于学员来说是在进行培训，可以接触到事故操作，对于原油生产系统来说是在正常生产，不必涉及停产问题。（整体与局部分离）

5 改善教师授课效果的物-场模型分析

目前的原油集输操作培训系统采用的是填鸭式教学，教师直接向学员灌输知识。由于学员无法实际操作，且教材滞后于现场情况，因此通过教师的讲解向学员传授原油集输操作技能效应太弱。现有原油集输操作培训系统教师授课的物-场模型为效应不足模型，直接灌输可以理解为作用对象之间的刚性接触，属于机械场，教师为施加作用方，学员为被作用对象，其物-场模型如图5-1所示。

根据效应不足物-场模型的一般解法5，可考虑在教师的教学环节中引入其他形式的场（如添加视频动画等）来激发学员的学习兴趣，提高岗位技能培训效果。视频动画对于学员具有更大的吸引力，利用理解为磁场，增加视频动画改进后系统物-场模型如图5-2所示。

也可以考虑利用效应不足物-场模型的一般解法6，将教师和学员之间的直接作用改为通过中介物的间接作用实现（如采用远程视频，案例教学，网络教学），从而提高授课效果。改善后系统物-场模型如图5-3所示。

根据相应病态模型的一般解法可以得到两个解决方案：

（1）采用教师的讲解与动画视频相结合的方式进行教学，提高学员兴趣。

（2）采用远程视频，案例教学，网络教学丰富教学内容，提高培训效果。

6 方案评价与选择

通过前面的论述和分析，共得到24个技术方案，剔除雷同方案，剩余16个技术方案，经过整理和综合可归纳出为3个综合方案：

综合方案1：在培训前，要求学员掌握简单的原油集输基础知识，只有通过基础知识考核的学员可参与集中培训。在培训过程中使用动画视频教学，并加强师生间互动，提高学员学习兴趣。将教材不频繁更新的部分与频繁更新的部分分开，更新内容时常变化的部分。并将课程录制成教学视频，学员可在办公室或宿舍通过电脑学习。

综合方案2：采用分散式教学。利用网络、多媒体设备及办公室，进行网上在线教学。现场的影像资料通过网络浏览，在线与老师互动并进行考核。将普通纸质教材制成电子版，更新内容只需在电脑上操作。

综合方案3：将虚拟现实技术与互联网技术相结合，构造出虚拟的现场设备及生产环境，并将普通纸质教材制成电子版。学员可在办公室或宿舍通过电脑学习。在虚拟的三维环境中对原油集输设备进行操作并在线与老师互动和进行考核。

在进行方案评价时，首先要建立评价指标体系，根据油田现场培训专家经验，这里选择培训周期、培训内容、培训效果、培训成本和可行性等五个指标，权重设置相同，其次，要建立赋分机制，赋分采用五分制（0-4分），即指标提升效果最优为4分，没有效果为0分，中等效果为2分，中等偏上效果为3分，有效果但不显著为1分。最后，根据赋分机制进行单项指标赋分，然后根据“总分=∑权重×单项指标赋分”公式求总分并进行排名，详见表6-1。

通过对以上3个综合方案进行对比分析，可以看出方案3的整体指标改善效果更加显著，因此采用方案3为最终实施方案并将其命名为“互联网+原油集输工艺培训系统”。通过该培训系统，学员可以在虚拟环境中对原油集输设备进行虚拟操作，同时可以对安全规范、常用工具、操作规程、设备结构、工艺流程等进行学习。互联网+原油集输工艺培训系统保持了原原油集输工艺培训系统的优点，消除了原系统的不足，没有使系统变得更复杂，没有引入新的缺陷，具有培训周期短、培训内容全面、培训效果好的特点，符合最终理想解的特点。

7 互联网+原油集输工艺培训系统简介

互联网+原油集输工艺培训系统采用3DS MAX建模技术、VRP虚拟现实技术、SQL数据库技术、互联网技术开发，互联网+原油集输工艺培训系统结构示意图如图7-1所示。该系统具有模拟培训和培训信息管理等功能，学员与教师之间、学员与学员之间通过网络进行沟通。学员通过学员入口进入任务设置界面，可以实现岗位知识和技能的学习、训练以及考核，同时可以完成个人信息查阅修改以及公共阅读功能，并可在选取要完成任务后进行任务操作。管理员通过管理员入口，可以实现学员学习信息查阅、技术考核管理、学员信息管理、公共信息发布以及个人信息修改。

互联网+原油集输工艺培训系统中的原油集输生产设备模型形象、逼真。学员可以在虚拟环境中完成对设备操作训练。虚拟操作界面如图7-4所示。

8 效益分析

互联网+原油集输工艺培训系统的研制和开发在极大程度上解决了油田员工岗位培训所面临的诸多问题，充分利用了油田数字化资源，结合新时期油田员工学习特点，进一步促进和加强了岗位技术培训管理，提高了岗位技术培训效果，该系统开发及应用，直接经济效益每年为庆新油田节省数十万元培训费用，若将其在油田公司推广，其经济效益更加可观，具体费用见表8-1。

该系统社会效益更为突出，是培训领域的重大突破，使公司培训能力得到加强，员工培训实现日常化、常态化。采用虚拟现实仿真培训的方式可以最大限度激发学员的学习兴趣，化学员被动听讲为主动探索，提高培训工作效率，尤其是在应急预案方面，使不能培训的项目变成可能，有效的处理紧急事故。在员工的岗位技能得到强化的同时，也推动公司建设形成学习型团队，开创庆新公司培训工作新局面，创新大庆油田培训工作，为公司建设安全、绿色、高效、和谐的现代化油田发挥积极作用。 责编/刘红伟