Программные продукты и системы

Обязательным компонентом современного тренажера является наличие автоматизированной системы контроля уровня обученности оператора в процессе подготовки на тренажерной технике. При создании такой системы используются два метода оценки подготовленности оператора [1]: по нормативным показателям и по результатам сравнения алгоритма работы контролируемого оператора с эталонным алгоритмом, записанным на основе инструкции по управлению или с использованием алгоритма заведомо подготовленного оператора (принцип эталона). Отклонения оператора от эталона и будут его ошибками, минимизация которых является целью обучения.

Первый метод требует большого статистического материала, который может быть накоплен в течение ряда лет на одной и той же тренажерной технике.

В современных условиях наиболее предпочтительным является второй метод.

Формализация эталонных алгоритмов может производиться различными математическими моделями. В предлагаемой работе используется теория функциональных сетей [2].

Последовательность операций управления, соответствующую эталонному алгоритму, обозначим А=а1 а2 …аi…аm, а последовательность операций реального алгоритма B=b1 b2…bi…bn.

В реальной структуре возможны различного рода ошибки, поэтому в общем виде m≠n, где m и n – число операций в эталонной и реальной структурах соответственно.

Сравнение эталонной и реальной структур устанавливает взаимно однозначное соответствие (биекцию) двух множеств: f: А→В.

Условие строгого следования операций друг за другом предполагает для функции соответствия f следующее положение: для любых пар операций (аi1, ai2)ÎA и (bj1, bj2)ÎВ, для которых f(аi1)=bj1; f(аi2)=bj2 при условии i1

При отсутствии ошибок А=В (m=n, ai=bj).

В случае наличия ошибок в реальной структуре В множества операций А и В распадаются на части совпадающих и несовпадающих операций.

Рассмотрим ряд практических примеров с различными видами ошибок оператора для последовательных и ветвящихся алгоритмов.

Последовательные алгоритмы

Пропуск операции. Пусть часть эталонного алгоритма состоит из шести последовательно выполняемых операций: А=а1а2а3а4а5а6. В реальном алгоритме пропущена операция а2: В=b1b2b3b4b5.

Длину эталонного алгоритма назовем кодом алгоритма. В данном случае он равен 6.

Код реального алгоритма равен 5, то есть имеем пропущенную операцию.

Для наглядности эталонный и реальный алгоритмы соотнесем со словом МАШИНА:

Далее последовательно проверяем совпадение или несовпадение операций, начиная с первой операции эталонного алгоритма.

При условии строгого следования операций друг за другом попарное сравнение будет иметь вид a1=b1; a2=b5; a3=b2; a4=b3; a5=b4; a6=b5.

Операция а2 должна соотноситься с операцией b2, а не b5. Пропущена операция а2.

Пропуск операции с учетом ее качества. Пропущена первая операция а1 (единственная): а1=Æ; а2=b1; а3=b2; а4=b3; а5=b4; а6=b5.

Пропущена конечная операция а6 (повторяющаяся): а1=b1; а2=b2; а3=b3; а4=b4; а5=b5; а6=b2.

Пропущена третья операция а3 (единственная): а1=b1; а2=b2; а3=Æ; а4=b3; а5=b4; а6=b5.

Пропущена четвертая операция а4 (единственная): а1=b1; а2=b2; а3=b3; а4=Æ; а5=b4; а6=b5.

Пропущена пятая операция а5 (единственная): а1=b1; а2=b2; а3=b3; а4=b4; а5=Æ; а6=b5.

Символом Æ обозначен знак пустого множества.

Перестановка и добавление операций. Перестановка соседних операций а2 и а3:

Попарное сравнение операций будет иметь вид а1=b1; а2=b3; а3=b2; а4=b4; а5=b5; а6=b6.

Перестановка отстоящих друг от друга операций а2 и а5:

Попарное сравнение операций будет иметь вид а1=b1; а2=b5; а3=b3; а4=b4; а5=b2; а6=b6.

Добавление операции а5 в конец реального алгоритма:

Код эталонного алгоритма равен 6. Код реального алгоритма равен 7. Добавлена одна операция.

Попарное сравнение операций будет иметь вид а1=b1; а2=b2; а3=b3; а4=b4; а5=b5b7; а6=b6.

Операция b7 является лишней как операция с большим номером.

В часть реального алгоритма добавлена операция, аналогичная а2 и а6:

Код эталонного алгоритма равен 6. Код реального алгоритма равен 7. Добавлена одна операция.

Попарное сравнение операций будет иметь вид а1=b1; а2=b2b3b7; а3=b4; а4=b5; а5=b6; а6=b7.

В силу условия строгого следования операций и попарного сравнения операций с одинаковыми индексами из выражения а2=b2b3b7 исключаются b3b7. Операция а3 (ш) должна совпадать с b3, но в реальном алгоритме она совпадает с b4, значит, операция b3 лишняя. Операция b7 в таком случае должна иметь индекс 6.

Для рассмотренных случаев достаточно условия строгого следования операций друг за другом. Ошибки здесь обнаруживаются методом попарного сравнения.

Ветвящиеся алгоритмы

Рассмотренными последовательными операциями деятельность оператора, безусловно, не ограничивается. Подавляющее большинство алгоритмов управления являются ветвящимися.

В теории функциональных сетей есть модели многоальтернативных операций, которые позволяют описывать ветвящиеся структуры [2]. К ним относятся (рис. 1)

-      логическая операция сравнения (рис. 1а), имеющая два исхода;

-      операция функционального контроля (рис. 1б), имеющая следующие исходы: К11 – безошибочное признание проверяемой рабочей операции безошибочной при ее фактически безошибочном выполнении; К10 – ошибочное признание проверяемой рабочей операции ошибочной при ее фактически безошибочном выполнении; К00 – безошибочное определение ошибки в проверяемой рабочей операции при ее фактически ошибочном выполнении; К01 – ошибочное признание проверяемой рабочей операции безошибочной при ее фактически ошибочном выполнении;

-      операция контроля работоспособности (рис. 1в), имеющая следующие исходы: Д11 – безошибочное признание техники работоспособной при ее фактической работоспособности; Д10 – ошибочное признание техники неработоспособной при ее фактической работоспособности; Д00 – безошибочное признание техники неработоспособной при ее фактической неработоспособности; Д01 – ошибочное признание техники работоспособной при ее фактической неработоспособности.

Операция функционального контроля может выполняться как самим обучающимся, так и руководителем обучения. В первом случае это будет операцией самоконтроля, во втором – операцией организационного контроля.

Рассмотрим в качестве примера комплексную операцию «Работа–Контроль» (РК), состоящую из рабочей сенсорной, или моторной, операции и операции функционального контроля. Как видно из рисунка 2, при исходах К00 и К10 рабочая операция повторяется. На повторение в реальных условиях накладываются ограничения.

Предположим, что в данном случае повтор осуществляется один раз. Как будет видно из дальнейшего, это ограничение не является принципиальным.

Рабочая операция может быть выполнена без ошибки Р' или с ошибкой Р0.

Эталонное выполнение операции будет иметь вид А=а1а2=Р' К11.

Реальное выполнение операции может иметь несколько исходов:

-      ошибка при выполнении рабочей операции (операция функционального контроля выполняется без ошибки): В'1=Р0 К00 – безошибочный переход на повтор; В1=Р0 К00 Р' К11 – безошибочное выполнение операции после повтора;

-      ошибка при выполнении операции функционального контроля (рабочая операция выполнена без ошибки): В'2=Р' К10 – ошибочный переход на повтор; В2=Р' К10 Р' К11 – безошибочное выполнение после повтора;

-      ошибки при выполнении рабочей операции и операции функционального контроля: В3=Р0 К01 – ошибочный переход к следующей операции.

Количество повторов будет определять длину выражений Вj в реальном алгоритме.

Попарное сравнение эталонного и реального выполнений комплексной операции РК будет иметь вид

А=а1а2=Р' K11;

В1=b1b2b3b4=P0 K00 P' K11;

а1=b3; a2=b4.

Код эталонного выполнения равен 2, реально- го – 4. Отсутствие операций b1 и b2 свидетельствует о выполнении комплексной операции после повтора:

А=а1а2=Р' K11;

В2=b1b2b3b4=P' K10 P' K11;

а1=b1b3; a2=b4.

Операция а1 выполняется дважды, что свидетельствует об ошибке функционального контроля (K01).

Исходы В1, В2 и В3 зависят от методики проведения занятий на тренажере. Обучающийся оператор может контролировать себя сам и ошибаться на этапе самоконтроля (K10). На конечном результате выполнения комплексной операции это не скажется, время будет увеличено за счет повтора.

Если оператора контролирует руководитель обучения, то после ошибочного выполнения рабочей операции он возвращает обучающегося на повтор и не допускает ошибочного перехода к следующей операции (В3).

Возможен контроль по выходному событию, то есть по конечному результату. При этом невыявленная ошибка в процессе отработки алгоритма скажется на конечном результате.

Функциональная сеть пооперационного контроля и контроля по выходному событию представлена на рисунке 3.

Нормативное время выполнения эталонной операции в инструкции по управлению не указано. Оно может быть определено статистически, экспериментально или методом экспертных оце- нок [3].

Кроме того, обучающиеся имеют разную степень профессиональной подготовки, предельным случаем которой является подготовка с нуля.

При первичной отработке сенсомоторных навыков целесообразно не ограничивать обучающегося временными рамками, а акцентировать его внимание на безошибочном выполнении учебного задания (так называемая установка на безошибочность).

По мере повышения сенсомоторных навыков управления можно вводить временные показатели, постепенно доводя их до нормативных (так называемая установка на быстродействие).

Функциональная структура ПО учебно-тренировочного режима на основе эталона

Программное обеспечение учебно-тренировоч­ного режима (УТР) представляет собой совокупность функциональных подсистем, обеспечи- вающих основные формы учебных мероприятий: проведение тренировок и тестовый контроль обучающихся.

Такими функциональными подсистемами являются следующие.

·       Подсистема учета и регистрации пользователей, обеспечивающая

-      ведение списка обучающихся;

-      задание и изменение паролей пользователей: обучающихся и руководителя обучения (преподавателя);

-      выполнение пользовательского входа (регистрацию пользователя);

-      предоставление доступа к архиву учебных мероприятий пользователя (преподавателю предоставляется доступ к архивам всех пользователей), создание копий, удаление архивных записей.

·       Подсистема подготовки тренировки преподавателем, включающая

–      формирование задания на тренировку;

–      задание начальных условий тренировки;

–      формирование эталонного решения задания.

·       Подсистема проведения тренировки, обеспечивающая

-      управление ходом тренировки (начать, приостановить, продолжить, завершить тренировку);

-      взаимодействие со штатным ПО СУ и внедряемым для поддержки УТР комплектом программно-математического обеспечения (КПМО);

-      протоколирование хода тренировки (регистрация управляющих воздействий оператора и значений контролируемых параметров СУ), сохранение протокола в архиве тренировок.

·       Подсистема разбора тренировки, обеспечивающая

–      представление на экране сохраненных протоколов тренировки (управляющие воздействия обучающегося оператора и значения контролируемых параметров системы в ходе тренировки) в виде таблиц и графиков;

–      сравнение хода тренировки с эталонным решением, индикацию имеющихся несоответствий по набору операций (невыполненные, ошибочные), их последовательности и времени выполнения;

–      выставление преподавателем оценки выполнения задания;

–      вывод на печать любых представленных на экране результатов.

·       Подсистема тестового контроля для проверки теоретических знаний обучающихся, включающая

–      конструктор тестов, позволяющий преподавателю формировать и записывать в БД наборы предлагаемых обучающимся контрольных вопросов с указанием правильных ответов на них;

–      проигрыватель тестов, позволяющий выбрать из БД набор вопросов (тест), запустить его на выполнение, последовательно ответить на предложенные вопросы, сформировать интегральную оценку выполнения, а также ознакомиться с правильными ответами.

Рассмотрим подробнее формирование эталонного решения задания и сравнение хода тренировки с эталонным решением.

Редактор эталонных решений

Данный редактор является встроенной утилитой редактора заданий на тренировку, позволяющей преподавателю указать последовательность действий оператора СУ, требуемых для правильного выполнения формируемого задания.

Элементами эталонного решения являются элементарные действия по управлению и контролю, выполняемые оператором, такие как ввод команды, задание уставки, проверка состояния сигнализатора. Полный набор всевозможных действий, предусмотренный разработчиком системы, хранится в БД (таблица GlobalActionsList).

В зависимости от начальных условий тренировки необходимая последовательность действий оператора может различаться (особенно при срабатывании аварийно-предупредительной сигнализации вследствие задания в начальных условиях признаков аварий и неисправностей) и, кроме того, нередко имеется несколько способов достижения искомого результата, поэтому алгоритм выполнения задания в общем случае может оказаться нелинейным (ветвящимся). В силу этого последовательность действий эталонного решения необходимо формировать в виде графа, для упрощения реализации предлагается использовать стандартную для современных GUI древовидную структуру. Узлами ветвления являются, во-первых, действия по контролю состояния сигнализаторов (ветвление по результату выполнения контролируемого условия, при этом прямая нисходящая ветвь рассматривается как выбираемая при положительном результате), во-вторых, специально вводимые точки ветвления, соответствующие выбору из имеющихся равноправных альтернатив (условное действие «альтернатива»).

Для некоторых действий может потребоваться задание контроля времени выполнения: для управляющих воздействий оператора может быть указано предельно допустимое время выдачи оператором требуемой команды, для действий по контролю сигнализации – время ожидания срабатывания сигнализации.

Окно редактора имеет следующий вид. В левой части экранной формы отображается список всех доступных действий, разбитый на две группы: «Команды управления» и «Контроль сигнализации». Элементы в обеих группах отображаются в алфавитном порядке (для удобства поиска нужных элементов в списке разработчику при заполнении таблицы GlobalActionsList следует придерживаться единообразного именования действий, начиная каждое описание с названия системы, к которой относится команда или сигнализатор).

Для СУ, характеризуемых очень большим количеством команд управления и сигнализаторов, относящихся к разным подсистемам объекта управления (например системы ОКС), целесообразно ввести иерархическое представление списка доступных действий с выбором сначала интересующей подсистемы и отображением в списке элементов только для выбранной подсистемы.

С правой стороны окна отображается формируемая последовательность действий эталонного решения. В центре размещены командные кнопки, используемые для включения выбранного (подсвеченного) элемента левого списка в набор решения, включения в набор условного действия «альтернатива», удаления выбранного справа элемента из формируемого набора, просмотра и изменения его атрибутов, а также перемещения вверх или вниз по последовательности действий решения. Списки слева, а в некоторых случаях и справа могут достигать большой длины, поэтому должны снабжаться стандартной прокруткой.

При включении нового действия в набор эталонного решения открывается модальный диалоговый блок задания атрибутов действия, в котором требуется указать

·       параметр команды или сигнала в зависимости от типа действия:

–      для дискретной команды – включить (открыть) или отключить (закрыть);

–      для аналоговой команды (задание уставки) – заданную величину уставки (в единицах, отображаемых на пульте управления);

–      для контроля сигнализатора с двумя состояниями – есть сигнал или нет;

–      для контроля сигнализатора с тремя состояниями (индикатор с засветкой миганием) – есть, нет, мигает;

–      для контроля сигнализатора аварийно-предупредительной сигнализации (индикатор с разноцветной засветкой) – красный, желтый, зеленый цвет либо отсутствие засветки;

–      для контроля аналогового сигнала – пороговое значение сигнала (в единицах, отображаемых на пульте управления);

·       логическое место добавляемого действия в дереве формируемого набора относительно выбранного в данный момент (подсвеченного) элемента, который рассматривается как точка ветвления:

–      добавить ниже (в прямую нисходящую ветвь дерева);

–      добавить справа (в боковую нисходящую ветвь дерева);

·       отведенное время на выполнение действия: лимит времени на ввод команды управления или предельно допустимое время срабатывания сигнализации.

При включении в набор условного действия «альтернатива» выполняется только выбор места включения.

Можно вызвать аналогичные диалоговые блоки для просмотра, а при необходимости для изменения атрибутов уже включенного в формируемый набор действия по управлению или контролю. Задание логического места действия при этом недоступно.

Сформированный набор действий, включая атрибуты каждого действия, сохраняется в таблице EtalonActionsList БД.

Сравнение с эталонным решением

При наличии в задании на проведенную тренировку эталонного решения предлагается формировать автоматическую оценку выполнения задания путем сравнения фактического хода тренировки с этим решением.

Для этого генерируется таблица действий оператора по решению задания на тренировку (фактического решения задания), она отображается во всплывающем окне, вызываемом кнопкой основного видеокадра.

Таблица фактического решения задания содержит последовательность действий, выполненных обучающимся оператором в ходе тренировки (кроме действий по управлению собственно тренировкой), и формируется на основе графа эталонного решения, который при этом

·       линеаризуется в соответствии с фактическим ходом тренировки, где в каждой из точек ветвления выбирается одна из указанных альтернатив:

–      при условном ветвлении (на действиях по контролю сигнализации) – по значениям контролируемых параметров, зафиксированных к моменту выбора;

–      при ветвлении между равноправными альтернативами (специальные узлы типа «альтернатива») – по фактическому выбору оператора;

·       дополняется не предусмотренными эталонным решением управляющими воздействиями, произведенными оператором в ходе тренировки;

·       усекается снизу по первому обнаруженному действию, которое не было выполнено.

Все действия, включаемые в таблицу фактического решения, помечаются одной из следующих оценок:

·       действие выполнено успешно;

·       действие выполнено несвоевременно (для действий по управлению) – при превышении заданного лимита времени на ввод управляющего воздействия;

·       действие не выполнено, в том числе по следующим причинам:

–      отказ системы (для действий по контролю сигнализации, не являющихся точками ветвления эталонного решения) – при превышении заданного лимита времени ожидания срабатывания сигнализации;

–      ошибка оператора – во всех остальных случаях невыполнения действия;

·       действие ошибочно (неверно либо избыточно) – для действий по управлению, произведенных сверх указанных в эталонном решении.

Оценка о невыполнении может быть дана только одному действию, при этом дальнейшая раскрутка графа эталонного решения прекращается.

Отметим также, что для выявления отказов выполнения команд управления в эталонном решении необходимо всегда указывать предельно допустимое время срабатывания средств сигнализации.

Общая оценка выполнения задания определяется оценками отдельных действий, формируется по наихудшей из имеющихся частных оценок с учетом общего лимита времени на выполнение задания (если определен) и принимает одно из следующих значений:

–      задание выполнено успешно (все действия в таблице имеют пометку «успешно»);

–      задание выполнено с ошибочными действиями;

–      задание выполнено с несвоевременными действиями;

–      задание выполнено с нарушением лимита времени;

–      задание выполнено с ошибочными и несвоевременными действиями;

–      задание выполнено с ошибочными действиями и нарушением лимита времени;

–      задание выполнено с несвоевременными действиями и нарушением лимита времени;

–      задание выполнено с ошибочными, несвоевременными действиями и нарушением лимита времени;

–      задание не выполнено: отказ системы;

–      задание не выполнено: ошибка оператора;

–      выполнение задания прервано (не завершено).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

Предлагаемый подход к решению задачи автоматизации контроля уровня обученности оператора при отработке на тренажере заключается в последовательном выполнении следующих этапов:

-      выбор эталонных алгоритмов на основании инструкций по управлению или по алгоритмам, выполняемым высокопрофессиональными операторами;

-      разработка математической модели деятельности оператора на основе эталонных алгоритмов в виде функциональной сети;

-      разработка редактора эталонных решений;

-      формирование автоматической оценки выполнения учебного задания путем сравнения фактического хода тренировки с эталоном.

Выбор аппарата функциональных сетей для формализации алгоритмов управления обусловлен его широкими описательными возможностями, а также возможностью оценивать временные характеристики выполнения учебных заданий.

Очевидно, что временные характеристики можно оценивать тогда, когда есть возможность сравнить их с нормативными (или назначенными).

Литература

1.     Эргономика; [под ред. В.П. Зинченко]. М.: Сов. радио, 1974. 352 с.

2.     Губинский А.И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. Л.: Наука, 1982. 270 с.

3.     Кобзев В.В., Лямкин А.Д., Позняк В.К., Шилов Д.К. Автоматизированный контроль работы оператора в комплексной обучающей системе // Морской вестн. 2013. № 1 (45). С. 66–68.

References

1.     Zinchenko V.P. Ergonomika [Ergonomics]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1974, 352 p. (in Russ.).

2.     Gubinskiy A.I. Nadyozhnost i kachestvo funktsionirova­niya ergaticheskikh system [Quality and reliability of ergatic systems functioning]. Leningrad, Nauka Publ., 1982, 270 p. (in Russ.).

3.     Kobzev V.V., Lyamkin A.D., Poznyak V.K., Shilov D.K. Avtomatizirovanny control raboty operatora v kompleksnoy obu­chayushchey sisteme [Automated control of the operator in an integrated learning system]. Morskoy vestn. [Maritime Bulletin], 2013, no. 1 (45), pp. 66–68.