核电厂交互式电子手册设计与实现

谢卓然 寸怡鹏 姜德航 王 菲 熊 彦

（中国核动力研究设计院反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川 成都 610213）

0 引言

随着核电技术的迅速发展，各类新型装备层出不穷，保障任务加重、难度增大。 以使用纸质技术资料为主的保障手段已满足不了复杂先进装备的保障和人员训练的需要，急需采用信息化的保障手段。

交互式电子技术手册 （Interactive Electr on i c Technical Manual，IETM）采用文字、图形、表格音频、视频和三维模型等以数字形式存储的技术出版物，是一种以人机交互方式提供装备基本原理、操作使用和维修等内容的电子技术文件[1]。 相比纸质资料和一般电子技术文档具有巨大的优越性，是一项重要的装备保障信息化产品。 在当前背景下，装备保障交互式电子技术手册软件设计的研究具有重要意义。

本文将设计一套基于交互式技术的核电厂装备保障信息化系统, 实现各种复杂装备在生产、设计、 使用过程中产生的大量技术资料的电子化，从而保障操纵员快速培训、资料快速查找和维修的智能辅助。

1 特性设计

为使交互式电子手册提供的信息更加直观，便于核电厂操作人员学习掌握，本系统应具有如下特性:

1.1 统一的数据服务

将不同部门、业务系统中的不同格式的装备信息基于S1000D 标准生成可靠、 一致的产品支持与服务数据。

1.2 基于S1000D 标准

支持描述类、操作类、程序类、维修计划类、故障诊断类、图解零件类、学习类等数据模块。 装备的数据模块一次创建后可多次使用，且可以自动更新单个数据模块的多个引用。 基于S1000D，对公共源数据库中（CSDB）内容规范性进行验证，免除手工排版和设计保证信息内容的规范化和出版风格的一致性。

1.3 多渠道发布

系统支持四种形式的出版物发布：

（1）可用于纸质打印的PDF 格式手册；

（2）将数据、浏览样式、浏览器打包在一起的光盘运行程序；

（3）Html 格式网页文件；

（4）用于交互式阅读的XML 格式数据包。

1.4 交互式阅读

用户可通过交互式阅读器进行解析阅读。 支持图文对照浏览和目录结构导航；支持手册内部、手册之间的文字图形链接调用；支持语音、视频、图形、三维模型等多媒体格式；采用适应性过滤机制，定制装备技术数据，方便用户浏览；丰富的热点链接，支持图形热点与文本功能链接；支持注释、书签、标记等功能。

1.5 交互式操作和故障诊断引导

将故障隔离过程以可视化流程图的方式展现出来， 用户可以直接在流程图上点击跳转到关注的环节；还可通过人机问答、自动过滤的方式进行故障隔离，引导决策，从而有效提高故障诊断和维修效率。

1.6 三维虚拟仿真

通过Unity3D 虚拟现实工具构建三维仿真场景，用户可从任意角度、放大或缩小、查看装备（部件）的外观和结构组成结构关系；利用虚拟拆装功能，用户可将装备拆解至每个部件，也可将拆卸后的部件组装成装备，从而熟悉了解装备的组成结构。

2 架构设计

本系统自下而上可以分为公共数据源、基础服务层和应用服务层三层级如图1 所示。

图1 IETM 层级划分

公共数据源（CSDB）基于S1000D 标准构建数据模块（DM），主要包括描述类、操作类、程序类、维修计划类、故障诊断类、图解零件类、学习类等数据模块。此外，还构建了发行物模块（PM）、业务规则模块、适应性信息模块以及按照ICN 编码的资源数据。

基础服务层对公共数据源中的数据进行解析，为上层应用模块提供基础服务， 主要包括：XML 解析引擎、虚拟仿真引擎、图像解析引擎、交互式流程解析引擎、身份认证、目录服务、搜索引起、导航服务等。

应用服务层位用户提供了主要的服务功能，包括：装备介绍、操作维护、维修计划、故障诊断、零部件图解、交互式阅读、系统管理等。

系统软件包括四大公共组成部分：IETM 编辑器、内容管理系统（CSDB）、内容发布引擎、IETM 阅读器。四个功能部分组成完整的IETM 系统解决方案。 IETM编辑器、内容管理系统（CSDB）和内容发布引擎组成装备生产商开发装备IETM 产品的完整工具， 用于IETM 开发项目规划及开发管理、 技术资料录入和标准化、标准化技术资料资源管理、技术出版物发布和管理；IETM 阅读器装载标准化的IETM 出版物， 解释和呈现技术内容，向使用者提供操作训练、维修训练、题库练习、在线考试、管理现场故障、使用意见及阅读笔记、经验分享、书签、标记、3D 动画交互等功能，符合IETM 等级第4 级（IETM 层次结构）的相关要求。

3 开发流程

系统采用S1000D 标准， 将技术内容分解为数据模块存储在公共源数据库CSDB 中。 数据模块是技术资料中最小的自包含的信息单元，采用可扩展标记语言XML 对数据进行描述，实现了数据与格式的分离，通过定义统一的模式（Schema）的方式实现数据模块结构的统一，为数据的交互奠定了基础，为IETM 的信息交互提供了保障[3]。

视频、 图像和音频等不属于XML 类型的文件以信息对象的方式与数据模块（DM）相关联[2]。 技术手册以出版物模块（PM）的形式组织，通过定义PM 的结构和内容，引用DM 和PM（嵌套），并形成序列来实现。PM 使用 PM DTD/Schema 生成 XML 文件， 使用出版物模块代码（PMC）标识。 DM、信息对象和PM 等均存储在CSDB 中。 全部信息对象应无冗余存储，通过较为统一的显示界面对技术信息进行访问， 可通过代码、信息类型或其他元数据，以目录或搜索的方式从CSDB 中检出。 IETM 发布引擎将所需的DM 组织成XML 文档， 与对应的XSL+CSS 样式单一起发送给IETM 阅读器显示。 线性出版引擎将所需的DM 组织成面向页的文件，如Word 或PDF 文件，打印输出成技术手册。 IETM 的数据流程如图2 所示。

图2 基于公共源数据库的技术出版物的数据流程

一个项目（或一型装备）所涉及的全部DM、图形和多媒体信息、PM 等均存储在CSDB 中。 CSDB 中的信息对象可以按照需要， 以不同的方式进行组合，以满足IETM、 训练系统或其他应用程序等多种应用需求。 S1000D 标准采用的模块化设计思想有利于技术信息内容的一次创作生成，多次重复使用，极大地方便了数据内容的重用[4]；采用单一数据源管理的思想，便于数据内容的更改， 能够实现数据的一次更改，全部引用的自动更新。

4 关键技术

4.1 三维场景交互呈现

技术手册内容中的三维内容， 包括三维静态模型，三维动画，和交互式单位仿真内容都通过嵌入页面，实现交互式的呈现，便于用户理解技术内容。

本IETM 阅读器支持Unity3D 工具开发的三维模型的交互式呈现， 支持Cortona3D 工具制作的三维动画模型的播放。 在三维模型的播放时，IETM 阅读器支持用户对模型显示视角的交互操作，集成平台通过显示坐标、操作工具，为用户提供多样化操作三维模型的能力,具体功能包括：

（1）三维模型导入；

（2）三维操作；

（3）三维动画制作；

从普通教师心理健康调查结果与全国常模比较数据中(见表2)可以看出，中小学普通教师在SCL-90症状自评量表的健康均分以及9个因子分均显著高于全国常模，其中只有敌对因子差异显著(P<0.01)，其余8个因子差异极其显著(P<0.001)。

（4）三维动画输出。

4.1.1 三维模型导入

支持AutoCAD 等二维设计数据、Pro/ENGINEER，Creo,UG NX，Catia 等三维设计软件数据的直接导入，并支持多种其他3D CAD 数据格式的转换和导入，这些格式 包 括 ：IGES、DWG、DXF、VRML、OBJ、STEP、3DXML、U3D 等如图3 所示。

能导入独立的BOM 与3D CAD 数据相关联，自动匹配相同名称的零部件项，并生成差异报告。

图3 三维导入

4.1.2 三维模型操作

导入3D 数据后， 自动生成与源数据相对应的结构树， 根据实际情况自由编辑结构树， 包括复制、删除、调整父子项结构等，并能够手动设置零部件项与任意三维模型相关联。

支持单个或整体的设置可视化模型质量，包括显示精度、材料颜色、透明度等。

支持对零部件位置进行调整： 沿任何轴移动、旋转等。

4.1.3 三维动画制作

利用基于简单的语言命令即可对任意零部件进行多元三维动画制作。 创建动画过程中可加入多种增强说明的元素，包括注释、标注、提示消息、图片等。 制作完成的三维动画还能捕获相应的交互式的2D CGM图形，并可插入技术手册内容中。

创建完的工艺步骤可自由调整，包括复制、删除、更改命令、更改操作对象、步骤的次序、步骤的组织结构等。

编辑时间轴可调整三维动画步骤持续时间及步骤之间的关系， 使得整个动画过程时间分配更合理，操作也非常简单易用。

利用注释功能更直观地指示零部件名称或其他特别需要主要的说明等，注释能捕捉到零部件的几何特征，当零部件位置发生变化时，注释的捕捉点会跟随之变动。 标注工具能标注零部件的外形尺寸信息。

在三维动画创建过程中， 可即时观看动画效果，预先确保操作的正确性如图4 所示。

图4 动画制作

4.1.4 三维热点定义

三维热点的定义可通过专业制图工具可以方便地实现，并且符合标准规定，通过获取其动画ID 等接口，便捷的在编辑器、Viewer 中调用接口函数，方便用户在技术出版物中进行动画ID 使用如图5 所示。

4.1.5 三维动画输出

三维动画创建后，可自动生成基于步骤并符合相应标准的XML 文档， 或者也可获取一个外部已有的符合文档结构的XML 文档， 在文档编辑器可更改操作规程， 创建文档零部件字段与三维模型的热点关联，根据情况调整文档说明与三维动画步骤同步。

图5 动画热点定义

所有模块制作结果以HTML 或PDF 格式发布，终端用户只需要安装Cortona3D 可视化插件和一个Web浏览器即可查看技术出版物。 通过Cortona3D 可视化插件进行浏览，主要功能包括三维坐标轴切换，3D 旋转、漫游和平移，3D 缩放，2D、3D 同步，3D 动画播放，单步触发交互动画等。

4.2 内容及热点链接

IETM 阅读器按照明显的显示风格来呈现图片热点和内容链接，实现在技术手册内部交互出呈现技术内容。

4.2.1 图形热点提示及跳转

对于一些被链接内容比较复杂的链接，当用户将鼠标移动到链接上时，系统自动弹出文字注释，以辅助用户决定是否要打开该链接。 系统支持文字链接提示和图形链接提示。 用户访问热点链接内容时，IETM阅读器将在主要的内容显示区域显示链接目标内容。

4.2.2 文本链接

技术手册内对其他技术手册的引用、同一技术手册内不同内容之间的引用都通过链接，为用户提供便捷获取技术内容的手段。 用户通过各种链接获取的技术内容，要经过鉴权过程来确定该用户是否可以浏览内容。

4.3 智能故障处理

4.3.1 智能故障诊断

包含故障诊断过程中必要的信息，以辅助故障诊断过程。 符合S1000D 故障诊断类数据模块标准。

发生故障时，用户根据故障现象打开故障诊断流程图，系统将要求用户进行必要的操作，并询问操作结果。 用户根据操作情况回答“是/否”，或从选项列表的可能结果中选择一项，系统将引导用户进行下一步操作直至定位故障原因。

4.3.2 现场故障管理

现场故障管理功能针对IETM 阅读器在设备使用、维护现场使用时记录、共享、管理设备故障、维修的相关信息。

现场故障管理记录的信息格式遵从S1000D 故障报告数据模块格式定义，可以记录文字、照片、表格、音频、视频等故障描述相关的信息。

现场故障管理功能提供记录信息的检索，使用同一技术手册的用户都可以阅读，便于在具有同样职责的设备操作/维修人员中交流经验。

现场故障管理功能提供故障的导出功能，同型设备使用过程中的故障和维修记录可以由获得授权的用户导出，每一项记录按照故障报告类数据模块的模式定义输出一个XML 文件， 由设备技术手册的责任单位收集、归纳、整理，之后可以作为技术手册中的故障维修内容升级技术手册内容。

4.3.3 智能备件识别

针对手册中维修任务要求的现场可更换部件的目录，IETM 阅读器软件提供识别设备部件照片的功能。 用户通过拍照或者上载照片，由阅读器软件识别图形中的部件，给出标准化的部件名称，有利于在远程保障支援、申请备件时提供准确、标准的零部件信息。 首先通过拍照或者相册选取图片，识别图片中的备件，推送相似度最高的三种备件信息，点击某项备件，显示备件详细信息以及维修备件卡内容，并且支持跳转到该备件的手册信息中。

5 结语

本文针对复杂装备保障，开发了一套采用B/S 架构的交互式电子手册，该IETM 以WEB 形式支持交互式电子技术资料信息的浏览，可实现发布内容的样式编辑管理、展示和交互式访问。 既可满足培训、演练、装备拆装等对展示要求较高的情况，也可作为装备日常保养维修、故障定位的工具软件使用。