一种基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统的制作方法

本发明属于电力网络安全教学技术领域，具体涉及一种基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统。

背景技术：

电力系统作为我国关键基础设施，其网络安全已成为国家网络安全重要组成部分。随着我国智能电网、能源互联网战略的推进，电力网络安全问题越来越突出，其引起的安全问题也越来越深刻的影响电力系统的安全、稳定和经济运行。在人才培养方面，我国电力系统一直注重电力网络安全专业人员的培养，也建立了相应的网络攻防团队开展网络安全攻防竞赛和演练，但目前仍然无法满足电力网络安全人员日益增长的需求。电力网络安全人才储备不足以及人才成长较慢的问题在未来一定时间内将较为突出。

由于电力网络安全人才成长的特殊性，不同人员对于网络攻防技术的认知普遍存在较大差异，反映出的实际技能水平也千差万别。因此，针对电力网络安全人员的精准培养和教学起着非常重要的作用。目前，高校、职业院校等开展了一些网络安全课程教学，知识较为分散且不成体系，没有体现电力网络与系统的特点，缺乏有效教学手段实现“因材施教”，无法贴合学习者自身特点有效提高其电力网络安全技能。具体而言，目前的网络安全教学系统的缺陷表现在以下几个方面：(1)教学系统无法贴近电力网络与系统的现实环境，缺少针对性的电力网络安全教学；(2)教学课程较为分散且不成体系，不能针对学员自身特点进行个性化教学；(3)教学课程路径相对固定，不能根据学员学习成长情况进行动态调整。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统，其中：包括教学管理模块、教学数据采集模块、半实物仿真模块、人工智能算法模块、画像采集与刻画模块、理论教学模块、训练教学模块和教学考核模块；

所述教学管理模块分别与教学数据采集模块、人工智能算法模块、画像采集与刻画模块、理论教学模块、训练教学模块、教学考核模块电性连接，所述教学数据采集模块与理论教学模块、训练教学模块、教学考核模块电性连接，所述半实物仿真模块与训练教学模块、教学考核模块电性连接；

教学数据采集模块，用于采集教学数据以及学习者的基本信息；

教学管理模块，用于进行数据的存储以及对各个模块的管理控制；

半实物仿真模块，根据不同训练教学内容，建立不同的电力系统仿真环境；

画像采集与刻画模块，根据学习者基本信息、教学数据和教学考核数据，建立多维度的学习者图像模型；

人工智能算法模块，根据多维度的学习者图像模型、教学过程数据和教学考核数据分析计算课程以及考核的难易程度，并提出适应性修改方案；

理论教学模块，用于提供体系化的电力网络安全理论教学课程，并根据教学管理模块的理论课程配置参数调整对应电力系统仿真环境的理论教学课程；

训练教学模块，用于提供体系化的电力网络安全训练教学课程，并根据教学管理模块的训练课程配置参数调整对应电力系统仿真环境的训练教学课程；

教学考核模块，用于提供多种考核测试，并根据教学管理模块的考核课程配置参数调整对应电力系统仿真环境的考核课程。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，采集的教学数据包括已修课程及考核数据、其他参赛与获奖数据，所述基本信息包括姓名、年龄、教育经历、培训经历。

进一步地，半实物仿真模块包括电力专用终端、电力专用安全设备、远程访问终端、电力信息网络仿真系统、电力主站系统和仿真管理系统；所述电力专用终端用于接收电力主站系统下发的参数配置和远程控制、调节指令，并向电力主站系统上传设备状态、设备运行参数、用户用电信息数据；

所述电力主站系统为建立的主站端电力业务系统仿真环境，用于设备状态监测、电力调度控制、用电信息分析和电力安全保护；

所述远程访问终端用于访问电力主站系统建立的电力系统仿真环境；

所述电力信息网络仿真系统用于模拟电力系统整体网络拓扑结构；

所述电力专用安全设备用于进行电力专用终端、远程访问终端的安全认证接入以及与电力主站系统的安全数据传输。

所述仿真管理系统用于电力主站系统的参数配置和半实物仿真环境的生成进程控制，并提供访问访问链接。

进一步地，人工智能算法模块包括回归模型、深度神经网络模型、gan模型和因子分解机算法，根据不同的计算结果选择最优的组合模块和算法。

进一步地，学习者画像模型根据学习者的多维度信息建立，所述多维度信息包括基础能力、资源获取能力、资源整合与利用能力、知识应用能力、学习内容偏好、学习行为习惯。

进一步地，训练教学模块为学习者提供网络安全工具集及贴近电力网络与系统现实环境的训练环境访问接口，可依据不同训练教学内容进行调整。

进一步地，教学考核模块包括闯关模式和对抗模式，当教学考核为闯关模式，教学考核模块将根据参数配置相应的闯关任务；当教学考核为对抗模式，教学考核模块将根据参数匹配能力相近的学习者进行电力网络攻防对抗。

本发明的有益效果：

本发明一种基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统，采用半实物仿真模块提供贴合电力信息网络和系统的现实环境，包括电力终端、网络和主站系统，提升了电力网络安全教学的实用性。

采用基于学习者画像的个性化教学方法实现因材施教，有效提升学习者理论学习和技能训练效果，加速学习者成长。

采用基于学习者画像和人工智能算法的教学路径和教学考核的动态调整方法，有效动态评估学习者学习效果，大幅提升学习效率。

附图说明

图1基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统组成示意图；

图2基于学习者画像的电力网络安全智慧教学流程图；

图3基于学习者画像的电力网络安全智慧教学考核流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，一种基于学习者画像的电力网络安全智慧教学系统，包括教学管理模块、教学数据采集模块、半实物仿真模块、人工智能算法模块、画像采集与刻画模块、理论教学模块、训练教学模块和教学考核模块；

其中，所述教学管理模块实现教学和考核数据存储与管理、理论教学管理、训练教学管理、教学考核活动管理、学习者管理等功能。

所述教学数据采集模块实现理论教学过程数据采集、训练教学过程数据采集、教学考核过程数据采集、学习者数据采集等功能。同时教学数据采集模块可对接外部教务管理系统等管理信息系统，采集学习者的基本信息数据、其他已修课程及考核数据、其他参赛与获奖数据等。

所述半实物仿真模块可以实现远程控制类，信息采集处理类，海量信息互动与空间地理信息类，互联网应用类等电力信息系统仿真环境的建立。其中，半实物仿真模块包括电力专用终端、电力专用安全设备、远程访问终端、电力信息网络仿真系统、电力主站系统和仿真管理系统。

电力专用终端用于接收电力主站系统下发的参数配置和远程控制、调节指令，并向电力主站系统上传设备状态、设备运行参数、用户用电信息数据。电力专用终端采用实物形式接入网络，包括智能表计、集中器、采集器、测控装置、智能开关、配电终端等。

电力主站系统为建立的主站端电力业务系统仿真环境，用于设备状态监测、电力调度控制、用电信息分析和电力安全保护的功能。

远程访问终端用于访问电力主站系统建立的电力系统仿真环境。

电力信息网络仿真系统用于模拟电力系统整体网络拓扑结构。

电力专用安全设备用于进行电力专用终端、远程访问终端的安全认证接入以及与电力主站系统的安全数据传输。电力专用安全设备也采用实物形式接入网络，包括电力专用隔离装置、纵向认证加密装置、安全接入平台等。

仿真管理系统用于电力主站系统的参数配置和半实物仿真环境的生成进程控制，并提供访问链接。

电力信息网络终端采用多种协议，其中电力专用协议包括iec60870-5系列协议、iec61850系列协议、modbus协议、用电信息采集系统协议(q/gdw1376.1)。

所述人工智能算法模块包括回归模型、深度神经网络模型、gan模型和因子分解机算法，根据不同的计算结果选择最优的组合模块和算法，可以基于学习者画像、教学过程数据和教学考核数据，输出教学调整内容建议和教学考核内容建议。

所述画像采集与刻画模块实现基于学习者基本信息数据、教学过程数据和教学考核过程数据，多维度建立学习者画像模型，并定义其能力特征。其中，多维度包括学习者的基础能力、资源获取能力、资源整合与利用能力、知识应用能力、学习内容偏好、学习行为习惯等。

所述理论教学模块为学习者提供体系化的电力网络安全理论教学课程，可依据配置参数进行课程内容的动态组合和调整。学习者完成相应学习任务可获得经验值累积。

所述训练教学模块为学习者提供网络安全工具集及贴近电力网络与系统现实环境的训练环境访问接口，可依据参数进行训练内容的动态组合和调整。学习者完成相应训练任务可获得经验值累积。

所述教学考核模块包括闯关模式和对抗模式，当教学考核为闯关模式，教学考核模块将根据参数配置相应的闯关任务；当教学考核为对抗模式，教学考核模块将根据参数匹配能力相近的学习者进行电力网络攻防对抗。满足经验值要求的学习者可通过两种考核方式进行升级或进阶。

所述教学管理模块接收教学数据采集模块上报的学习者信息数据和教学数据，并向教学数据采集模块下发采集参数。教学管理模块向人工智能算法模块推送学习者画像和教学数据，人工智能算法模块返回课程和考核调整建议。教学管理模块向画像采集与刻画模块发送学习者信息数据和教学数据，画像采集与刻画模块返回学习者画像数据。教学管理模块向理论教学模块、训练教学模块、教学考核模块下发理论课程、训练课程和教学考核的配置参数和参数调整指令。理论教学模块、训练教学模块、教学考核模块向教学数据采集模块上报理论教学、训练教学和教学考核的过程数据。训练教学模块和教学考核模块向半实物仿真模块请求训练教学和教学考核所需资源，半实物仿真模块返回训练教学和教学考核所需的训练、考核环境地址。

如图2所示，基于学习者画像的电力网络安全智慧教学流程包括以下步骤：

步骤1：教学数据采集模块持续向教学管理模块上报数据。其中，数据内容包括学习者基本信息数据、电力网络安全教学过程数据和教学考核数据、其他已修课程及考核数据、其他参赛与获奖数据等，教学管理模块进行数据存储。

步骤2：画像采集与刻画模块向教学管理模块请求画像建模所需相关数据，教学管理模块返回相关学习者数据。

步骤3：画像采集与刻画模块进行学习者画像建模，从多维度建立学习者画像模型，并定义学习者能力特征。

步骤4：教学管理模块发起教学活动，向画像采集与刻画模块请求相关学习者画像数据。画像采集与刻画模块返回相关学习者画像数据。

步骤5：教学管理模块基于学习者画像配置理论课程和训练课程参数，并将参数发送给理论教学模块和训练教学模块。

步骤6：训练教学模块向半实物仿真模块请求电力网络安全实操训练所需资源，半实物仿真模块依据需求建立训练环境并返回训练环境地址。

步骤7：学习者通过理论教学模块和训练教学模块开展电力网络安全理论学习和实操训练，完成相应学习任务获得经验值。同时，理论教学模块和训练教学模块向教学数据采集模块上报教学过程数据。

步骤8：教学数据采集模块向教学管理模块上报教学过程数据，教学管理模块进行数据存储。

步骤9：教学管理模块向人工智能算法模块推送学习者学习过程数据。其中，数据内容包括学习者画像、学习者理论学习过程数据和实操训练过程数据。

步骤10：人工智能算法模块将教学管理模块推送的数据作为输入，输出理论课程和训练科目调整建议至教学管理模块。

步骤11：教学管理模块基于人工智能算法模块的建议向理论教学模块和训练教学模块发送参数调整指令。

步骤12：理论教学模块和训练教学模块依据指令动态调整相应理论课程内容和训练科目。

重复步骤6至步骤12，直至本次教学活动结束。

当学习者积累的经验值达到升级或进阶要求时，可请求进行教学考核。基于学习者画像的电力网络安全智慧教学考核流程图如图3所示。具体步骤如下：

步骤1：教学数据采集模块持续向教学管理模块上报数据。教学管理模块进行数据存储。

步骤2：画像采集与刻画模块向教学管理模块请求画像建模所需相关数据，教学管理模块返回相关学习者数据。

步骤3：画像采集与刻画模块进行学习者画像更新。

步骤4：教学管理模块发起教学考核活动，向画像采集与刻画模块请求相关学习者画像数据。画像采集与刻画模块返回相关学习者画像数据。

步骤5：教学管理模块基于学习者画像配置教学考核参数，并将参数发送给教学考核模块。

步骤6：教学考核模块向半实物仿真模块请求电力网络安全实操训练所需资源。半实物仿真模块依据需求建立训练环境并返回训练环境地址。如果教学考核为闯关模式，教学考核模块将根据参数配置相应的闯关任务；如果教学考核为对抗模式，教学考核模块将根据参数匹配能力相近的学习者进行电力网络攻防对抗。

步骤7：学习者通过教学考核模块参加教学考核活动。同时，教学考核模块向教学数据采集模块上报考核过程数据。

步骤8：教学数据采集模块向教学管理模块上报考核过程数据，教学管理模块进行数据存储。

步骤9：教学管理模块向人工智能算法模块推送考核数据。其中，数据内容包括学习者画像、学习者考核过程数据。

步骤10：人工智能算法模块将教学管理模块推送的数据作为输入，输出考核内容、考核规则等调整建议至教学管理模块。

步骤11：教学管理模块基于人工智能算法模块的建议向教学考核模块发送参数调整指令。

步骤12：教学考核模块依据指令动态调整考核内容及考核规则。

重复步骤6至步骤12，直至本次教学考核活动结束。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。