謝卓然 寸怡鵬 姜德航 王 菲 熊 彥

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

0 引言

隨著核電技術(shù)的迅速發(fā)展，各類新型裝備層出不窮，保障任務(wù)加重、難度增大。 以使用紙質(zhì)技術(shù)資料為主的保障手段已滿足不了復(fù)雜先進(jìn)裝備的保障和人員訓(xùn)練的需要，急需采用信息化的保障手段。

交互式電子技術(shù)手冊(cè) （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(shù)字形式存儲(chǔ)的技術(shù)出版物，是一種以人機(jī)交互方式提供裝備基本原理、操作使用和維修等內(nèi)容的電子技術(shù)文件[1]。 相比紙質(zhì)資料和一般電子技術(shù)文檔具有巨大的優(yōu)越性，是一項(xiàng)重要的裝備保障信息化產(chǎn)品。 在當(dāng)前背景下，裝備保障交互式電子技術(shù)手冊(cè)軟件設(shè)計(jì)的研究具有重要意義。

本文將設(shè)計(jì)一套基于交互式技術(shù)的核電廠裝備保障信息化系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜裝備在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、 使用過(guò)程中產(chǎn)生的大量技術(shù)資料的電子化，從而保障操縱員快速培訓(xùn)、資料快速查找和維修的智能輔助。

1 特性設(shè)計(jì)

為使交互式電子手冊(cè)提供的信息更加直觀，便于核電廠操作人員學(xué)習(xí)掌握，本系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性:

1.1 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)

將不同部門、業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的不同格式的裝備信息基于S1000D 標(biāo)準(zhǔn)生成可靠、 一致的產(chǎn)品支持與服務(wù)數(shù)據(jù)。

1.2 基于S1000D 標(biāo)準(zhǔn)

支持描述類、操作類、程序類、維修計(jì)劃類、故障診斷類、圖解零件類、學(xué)習(xí)類等數(shù)據(jù)模塊。 裝備的數(shù)據(jù)模塊一次創(chuàng)建后可多次使用，且可以自動(dòng)更新單個(gè)數(shù)據(jù)模塊的多個(gè)引用。 基于S1000D，對(duì)公共源數(shù)據(jù)庫(kù)中（CSDB）內(nèi)容規(guī)范性進(jìn)行驗(yàn)證，免除手工排版和設(shè)計(jì)保證信息內(nèi)容的規(guī)范化和出版風(fēng)格的一致性。

1.3 多渠道發(fā)布

系統(tǒng)支持四種形式的出版物發(fā)布：

（1）可用于紙質(zhì)打印的PDF 格式手冊(cè)；

（2）將數(shù)據(jù)、瀏覽樣式、瀏覽器打包在一起的光盤運(yùn)行程序；

（3）Html 格式網(wǎng)頁(yè)文件；

（4）用于交互式閱讀的XML 格式數(shù)據(jù)包。

1.4 交互式閱讀

用戶可通過(guò)交互式閱讀器進(jìn)行解析閱讀。 支持圖文對(duì)照瀏覽和目錄結(jié)構(gòu)導(dǎo)航；支持手冊(cè)內(nèi)部、手冊(cè)之間的文字圖形鏈接調(diào)用；支持語(yǔ)音、視頻、圖形、三維模型等多媒體格式；采用適應(yīng)性過(guò)濾機(jī)制，定制裝備技術(shù)數(shù)據(jù)，方便用戶瀏覽；豐富的熱點(diǎn)鏈接，支持圖形熱點(diǎn)與文本功能鏈接；支持注釋、書簽、標(biāo)記等功能。

1.5 交互式操作和故障診斷引導(dǎo)

將故障隔離過(guò)程以可視化流程圖的方式展現(xiàn)出來(lái)， 用戶可以直接在流程圖上點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)到關(guān)注的環(huán)節(jié)；還可通過(guò)人機(jī)問(wèn)答、自動(dòng)過(guò)濾的方式進(jìn)行故障隔離，引導(dǎo)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(guò)Unity3D 虛擬現(xiàn)實(shí)工具構(gòu)建三維仿真場(chǎng)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(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)關(guān)系；利用虛擬拆裝功能，用戶可將裝備拆解至每個(gè)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(jié)構(gòu)。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)自下而上可以分為公共數(shù)據(jù)源、基礎(chǔ)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層三層級(jí)如圖1 所示。

圖1 IETM 層級(jí)劃分

公共數(shù)據(jù)源（CSDB）基于S1000D 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)據(jù)模塊（DM），主要包括描述類、操作類、程序類、維修計(jì)劃類、故障診斷類、圖解零件類、學(xué)習(xí)類等數(shù)據(jù)模塊。此外，還構(gòu)建了發(fā)行物模塊（PM）、業(yè)務(wù)規(guī)則模塊、適應(yīng)性信息模塊以及按照ICN 編碼的資源數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)服務(wù)層對(duì)公共數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，為上層應(yīng)用模塊提供基礎(chǔ)服務(wù)， 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(rèn)證、目錄服務(wù)、搜索引起、導(dǎo)航服務(wù)等。

應(yīng)用服務(wù)層位用戶提供了主要的服務(wù)功能，包括：裝備介紹、操作維護(hù)、維修計(jì)劃、故障診斷、零部件圖解、交互式閱讀、系統(tǒng)管理等。

系統(tǒng)軟件包括四大公共組成部分：IETM 編輯器、內(nèi)容管理系統(tǒng)（CSDB）、內(nèi)容發(fā)布引擎、IETM 閱讀器。四個(gè)功能部分組成完整的IETM 系統(tǒng)解決方案。 IETM編輯器、內(nèi)容管理系統(tǒng)（CSDB）和內(nèi)容發(fā)布引擎組成裝備生產(chǎn)商開發(fā)裝備IETM 產(chǎn)品的完整工具， 用于IETM 開發(fā)項(xiàng)目規(guī)劃及開發(fā)管理、 技術(shù)資料錄入和標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)資料資源管理、技術(shù)出版物發(fā)布和管理；IETM 閱讀器裝載標(biāo)準(zhǔn)化的IETM 出版物， 解釋和呈現(xiàn)技術(shù)內(nèi)容，向使用者提供操作訓(xùn)練、維修訓(xùn)練、題庫(kù)練習(xí)、在線考試、管理現(xiàn)場(chǎng)故障、使用意見(jiàn)及閱讀筆記、經(jīng)驗(yàn)分享、書簽、標(biāo)記、3D 動(dòng)畫交互等功能，符合IETM 等級(jí)第4 級(jí)（IETM 層次結(jié)構(gòu)）的相關(guān)要求。

3 開發(fā)流程

系統(tǒng)采用S1000D 標(biāo)準(zhǔn)， 將技術(shù)內(nèi)容分解為數(shù)據(jù)模塊存儲(chǔ)在公共源數(shù)據(jù)庫(kù)CSDB 中。 數(shù)據(jù)模塊是技術(shù)資料中最小的自包含的信息單元，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與格式的分離，通過(guò)定義統(tǒng)一的模式（Schema）的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，為數(shù)據(jù)的交互奠定了基礎(chǔ)，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(duì)象的方式與數(shù)據(jù)模塊（DM）相關(guān)聯(lián)[2]。 技術(shù)手冊(cè)以出版物模塊（PM）的形式組織，通過(guò)定義PM 的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，引用DM 和PM（嵌套），并形成序列來(lái)實(shí)現(xiàn)。PM 使用 PM DTD/Schema 生成 XML 文件， 使用出版物模塊代碼（PMC）標(biāo)識(shí)。 DM、信息對(duì)象和PM 等均存儲(chǔ)在CSDB 中。 全部信息對(duì)象應(yīng)無(wú)冗余存儲(chǔ)，通過(guò)較為統(tǒng)一的顯示界面對(duì)技術(shù)信息進(jìn)行訪問(wèn)， 可通過(guò)代碼、信息類型或其他元數(shù)據(jù)，以目錄或搜索的方式從CSDB 中檢出。 IETM 發(fā)布引擎將所需的DM 組織成XML 文檔， 與對(duì)應(yīng)的XSL+CSS 樣式單一起發(fā)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(yè)的文件，如Word 或PDF 文件，打印輸出成技術(shù)手冊(cè)。 IETM 的數(shù)據(jù)流程如圖2 所示。

圖2 基于公共源數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)出版物的數(shù)據(jù)流程

一個(gè)項(xiàng)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(chǔ)在CSDB 中。 CSDB 中的信息對(duì)象可以按照需要， 以不同的方式進(jìn)行組合，以滿足IETM、 訓(xùn)練系統(tǒng)或其他應(yīng)用程序等多種應(yīng)用需求。 S1000D 標(biāo)準(zhǔn)采用的模塊化設(shè)計(jì)思想有利于技術(shù)信息內(nèi)容的一次創(chuàng)作生成，多次重復(fù)使用，極大地方便了數(shù)據(jù)內(nèi)容的重用[4]；采用單一數(shù)據(jù)源管理的思想，便于數(shù)據(jù)內(nèi)容的更改， 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的一次更改，全部引用的自動(dòng)更新。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三維場(chǎng)景交互呈現(xiàn)

技術(shù)手冊(cè)內(nèi)容中的三維內(nèi)容， 包括三維靜態(tài)模型，三維動(dòng)畫，和交互式單位仿真內(nèi)容都通過(guò)嵌入頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)交互式的呈現(xiàn)，便于用戶理解技術(shù)內(nèi)容。

本IETM 閱讀器支持Unity3D 工具開發(fā)的三維模型的交互式呈現(xiàn)， 支持Cortona3D 工具制作的三維動(dòng)畫模型的播放。 在三維模型的播放時(shí)，IETM 閱讀器支持用戶對(duì)模型顯示視角的交互操作，集成平臺(tái)通過(guò)顯示坐標(biāo)、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(dǎo)入；

（2）三維操作；

（3）三維動(dòng)畫制作；

從普通教師心理健康調(diào)查結(jié)果與全國(guó)常模比較數(shù)據(jù)中(見(jiàn)表2)可以看出，中小學(xué)普通教師在SCL-90癥狀自評(píng)量表的健康均分以及9個(gè)因子分均顯著高于全國(guó)常模，其中只有敵對(duì)因子差異顯著(P<0.01)，其余8個(gè)因子差異極其顯著(P<0.001)。

（4）三維動(dòng)畫輸出。

4.1.1 三維模型導(dǎo)入

支持AutoCAD 等二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、Pro/ENGINEER，Creo,UG NX，Catia 等三維設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)的直接導(dǎo)入，并支持多種其他3D CAD 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入，這些格式 包 括 ：IGES、DWG、DXF、VRML、OBJ、STEP、3DXML、U3D 等如圖3 所示。

能導(dǎo)入獨(dú)立的BOM 與3D CAD 數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，自動(dòng)匹配相同名稱的零部件項(xiàng)，并生成差異報(bào)告。

圖3 三維導(dǎo)入

4.1.2 三維模型操作

導(dǎo)入3D 數(shù)據(jù)后， 自動(dòng)生成與源數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)樹， 根據(jù)實(shí)際情況自由編輯結(jié)構(gòu)樹， 包括復(fù)制、刪除、調(diào)整父子項(xiàng)結(jié)構(gòu)等，并能夠手動(dòng)設(shè)置零部件項(xiàng)與任意三維模型相關(guān)聯(lián)。

支持單個(gè)或整體的設(shè)置可視化模型質(zhì)量，包括顯示精度、材料顏色、透明度等。

支持對(duì)零部件位置進(jìn)行調(diào)整： 沿任何軸移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等。

4.1.3 三維動(dòng)畫制作

利用基于簡(jiǎn)單的語(yǔ)言命令即可對(duì)任意零部件進(jìn)行多元三維動(dòng)畫制作。 創(chuàng)建動(dòng)畫過(guò)程中可加入多種增強(qiáng)說(shuō)明的元素，包括注釋、標(biāo)注、提示消息、圖片等。 制作完成的三維動(dòng)畫還能捕獲相應(yīng)的交互式的2D CGM圖形，并可插入技術(shù)手冊(cè)內(nèi)容中。

創(chuàng)建完的工藝步驟可自由調(diào)整，包括復(fù)制、刪除、更改命令、更改操作對(duì)象、步驟的次序、步驟的組織結(jié)構(gòu)等。

編輯時(shí)間軸可調(diào)整三維動(dòng)畫步驟持續(xù)時(shí)間及步驟之間的關(guān)系， 使得整個(gè)動(dòng)畫過(guò)程時(shí)間分配更合理，操作也非常簡(jiǎn)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(shuō)明等，注釋能捕捉到零部件的幾何特征，當(dāng)零部件位置發(fā)生變化時(shí)，注釋的捕捉點(diǎn)會(huì)跟隨之變動(dòng)。 標(biāo)注工具能標(biāo)注零部件的外形尺寸信息。

在三維動(dòng)畫創(chuàng)建過(guò)程中， 可即時(shí)觀看動(dòng)畫效果，預(yù)先確保操作的正確性如圖4 所示。

圖4 動(dòng)畫制作

4.1.4 三維熱點(diǎn)定義

三維熱點(diǎn)的定義可通過(guò)專業(yè)制圖工具可以方便地實(shí)現(xiàn)，并且符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過(guò)獲取其動(dòng)畫ID 等接口，便捷的在編輯器、Viewer 中調(diào)用接口函數(shù)，方便用戶在技術(shù)出版物中進(jìn)行動(dòng)畫ID 使用如圖5 所示。

4.1.5 三維動(dòng)畫輸出

三維動(dòng)畫創(chuàng)建后，可自動(dòng)生成基于步驟并符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的XML 文檔， 或者也可獲取一個(gè)外部已有的符合文檔結(jié)構(gòu)的XML 文檔， 在文檔編輯器可更改操作規(guī)程， 創(chuàng)建文檔零部件字段與三維模型的熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)，根據(jù)情況調(diào)整文檔說(shuō)明與三維動(dòng)畫步驟同步。

圖5 動(dòng)畫熱點(diǎn)定義

所有模塊制作結(jié)果以HTML 或PDF 格式發(fā)布，終端用戶只需要安裝Cortona3D 可視化插件和一個(gè)Web瀏覽器即可查看技術(shù)出版物。 通過(guò)Cortona3D 可視化插件進(jìn)行瀏覽，主要功能包括三維坐標(biāo)軸切換，3D 旋轉(zhuǎn)、漫游和平移，3D 縮放，2D、3D 同步，3D 動(dòng)畫播放，單步觸發(fā)交互動(dòng)畫等。

4.2 內(nèi)容及熱點(diǎn)鏈接

IETM 閱讀器按照明顯的顯示風(fēng)格來(lái)呈現(xiàn)圖片熱點(diǎn)和內(nèi)容鏈接，實(shí)現(xiàn)在技術(shù)手冊(cè)內(nèi)部交互出呈現(xiàn)技術(shù)內(nèi)容。

4.2.1 圖形熱點(diǎn)提示及跳轉(zhuǎn)

對(duì)于一些被鏈接內(nèi)容比較復(fù)雜的鏈接，當(dāng)用戶將鼠標(biāo)移動(dòng)到鏈接上時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出文字注釋，以輔助用戶決定是否要打開該鏈接。 系統(tǒng)支持文字鏈接提示和圖形鏈接提示。 用戶訪問(wèn)熱點(diǎn)鏈接內(nèi)容時(shí)，IETM閱讀器將在主要的內(nèi)容顯示區(qū)域顯示鏈接目標(biāo)內(nèi)容。

4.2.2 文本鏈接

技術(shù)手冊(cè)內(nèi)對(duì)其他技術(shù)手冊(cè)的引用、同一技術(shù)手冊(cè)內(nèi)不同內(nèi)容之間的引用都通過(guò)鏈接，為用戶提供便捷獲取技術(shù)內(nèi)容的手段。 用戶通過(guò)各種鏈接獲取的技術(shù)內(nèi)容，要經(jīng)過(guò)鑒權(quán)過(guò)程來(lái)確定該用戶是否可以瀏覽內(nèi)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(guò)程中必要的信息，以輔助故障診斷過(guò)程。 符合S1000D 故障診斷類數(shù)據(jù)模塊標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)生故障時(shí)，用戶根據(jù)故障現(xiàn)象打開故障診斷流程圖，系統(tǒng)將要求用戶進(jìn)行必要的操作，并詢問(wèn)操作結(jié)果。 用戶根據(jù)操作情況回答“是/否”，或從選項(xiàng)列表的可能結(jié)果中選擇一項(xiàng)，系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶進(jìn)行下一步操作直至定位故障原因。

4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)故障管理

現(xiàn)場(chǎng)故障管理功能針對(duì)IETM 閱讀器在設(shè)備使用、維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)記錄、共享、管理設(shè)備故障、維修的相關(guān)信息。

現(xiàn)場(chǎng)故障管理記錄的信息格式遵從S1000D 故障報(bào)告數(shù)據(jù)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(guān)的信息。

現(xiàn)場(chǎng)故障管理功能提供記錄信息的檢索，使用同一技術(shù)手冊(cè)的用戶都可以閱讀，便于在具有同樣職責(zé)的設(shè)備操作/維修人員中交流經(jīng)驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)故障管理功能提供故障的導(dǎo)出功能，同型設(shè)備使用過(guò)程中的故障和維修記錄可以由獲得授權(quán)的用戶導(dǎo)出，每一項(xiàng)記錄按照故障報(bào)告類數(shù)據(jù)模塊的模式定義輸出一個(gè)XML 文件， 由設(shè)備技術(shù)手冊(cè)的責(zé)任單位收集、歸納、整理，之后可以作為技術(shù)手冊(cè)中的故障維修內(nèi)容升級(jí)技術(shù)手冊(cè)內(nèi)容。

4.3.3 智能備件識(shí)別

針對(duì)手冊(cè)中維修任務(wù)要求的現(xiàn)場(chǎng)可更換部件的目錄，IETM 閱讀器軟件提供識(shí)別設(shè)備部件照片的功能。 用戶通過(guò)拍照或者上載照片，由閱讀器軟件識(shí)別圖形中的部件，給出標(biāo)準(zhǔn)化的部件名稱，有利于在遠(yuǎn)程保障支援、申請(qǐng)備件時(shí)提供準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)的零部件信息。 首先通過(guò)拍照或者相冊(cè)選取圖片，識(shí)別圖片中的備件，推送相似度最高的三種備件信息，點(diǎn)擊某項(xiàng)備件，顯示備件詳細(xì)信息以及維修備件卡內(nèi)容，并且支持跳轉(zhuǎn)到該備件的手冊(cè)信息中。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)雜裝備保障，開發(fā)了一套采用B/S 架構(gòu)的交互式電子手冊(cè)，該IETM 以WEB 形式支持交互式電子技術(shù)資料信息的瀏覽，可實(shí)現(xiàn)發(fā)布內(nèi)容的樣式編輯管理、展示和交互式訪問(wèn)。 既可滿足培訓(xùn)、演練、裝備拆裝等對(duì)展示要求較高的情況，也可作為裝備日常保養(yǎng)維修、故障定位的工具軟件使用。